Имеем реагент НХ, который распадается
Атакует нуклеофильная частица, образуя анион.
Затем идет быстрое присоединение к аниону положительно-заряженной частицы Н + , образуется продукт реакции.
Электроноакцепторные заместители, оттягивая на себя электронную плотность, увеличивают атома углерода и скорость протекания реакции. Поэтому хлоруксусный альдегид активнее чем уксусный.
|
У кетонов, в отличии от альдегидов, с кетонной группой связаны два радикала, понижающие активность молекулы. Поэтому кетоны обладают меньшей активностью, чем альдегиды. Арилы еще более сильные электронодоноры, поэтому ароматические альдегиды и кетоны менее активны, чем алифатические. Карбонильные соединения можно расположить в ряд по уменьшению активности:
На реакционную способоность карбонильной группы влияет и размер радикала, так как при большом размере R затрудняется доступ реагента к атому углерода:
На основе механизма приведем примеры реакций нуклеофильного присоединения:
Присоединение водорода. Из альдегидов получаются первичные спирты, а из кетонов – вторичные:
Присоединение цианводорода (НСN). При этом получаются циангидрины (гидроксинитрилы):
Присоединение гидросульфита натрия (NаНSО 3), при этом получаются гидросульфитные соединения:
Эти вещества легко разлагаются при нагревании с разбавленными кислотами с выделением в чистом виде альдегидов и кетонов.
Присоединение магнийорганических соединений (МОС) (Реактив Гриньяра):
Вывод: из муравьиного альдегида и любого МОС получаются первичные спирты , из других альдегидов и любого МОС – вторичные спирты , а из кетонов и любого МОС – третичные спирты . Для того, чтобы получить, например, бутанол-1 – первичный спирт СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 ОН , необходимо взять муравьиный альдегид и СН 3 – СН 2 – СН 2 – MgJ .
(реакции присоединения-отщепления).
Реакции нуклеофильного замещения с участием - гибридизованного атома углерода. Механизм реакций этого типа рассмотрим на примере взаимодействия карбоновых кислот со спиртами (реакция этерификации ). В карбоксильной группе кислоты реализуется p , -сопряжение, поскольку пара электронов атома кислорода гидроксильной группы ОН вступает в сопряжение с двойной углерод-кислородной связью ( -связью):
Такое сопряжение является причиной, с одной стороны, повышенной кислотности карбоксильных соединений, а с другой - уменьшения частичного положительного заряда () на атоме углерода карбоксильной группы ( -гибридизованном атоме), что значительно затрудняет непосредственную атаку нуклеофила. С целью увеличения заряда на атоме углерода используют дополнительное протонирование - кислотный катализ (стадия I):
На стадии II происходит атака нуклеофила (молекулы спирта ), протонирование гидроксильной группы с образованием хорошоуходящей группы , на стадии III - ее отщепление и а стадии IV - регенерация протона - возврат катализатора с образованием конечного продукта - сложного эфира. Реакция обратима, что наблюдается при гидролизе сложных эфиров, гидролизе жиров в биосистемах.
Реакции нуклеофильного присоединения. Наиболее характерны реакции нуклеофильного присоединения () для оксосоединений - альдегидов и кетонов. Механизм этих реакций имеет общие черты, это двухстадийный ионный процесс. Первая стадия (лимитирующая) представляет собой обратимую атаку нуклеофилом Nu: с образованием так называемого тетраэдрического интермедиата. Вторая стадия - быстрая атака электрофилом:
На реакционную способность оксосоединения оказывает влияние природа групп R и . Так, введение электронодонорных заместителей снижает реакционную способность, а электроноакцепторных - усиливает. Поэтому альдегиды более активны в реакциях , чем кетоны. Кроме того, реакционная способность зависит от природы нуклеофила. Например, тиолы RSH, являясь более сильными нуклеофилами, чем спирты ROH, вступают в реакцию как с альдегидами, так и с кетонами, образуя устойчивые к гидролизу тиоацетали, тогда как ацетали - продукты присоединения спиртов к альдегидам - к гидролизу не устойчивы:
Обратите внимание, что последние стадии процесса представляют собой атаку нуклеофила (молекулы спирта ) на электрофильный реакционный центр (карбкатион) и идут по механизму нуклеофильного замещения . Образующиеся промежуточные соединения - полуацетали - являются неустойчивыми. Стабилизация их возможна только в циклической форме при образовании циклических полуацеталей, например 5-гидроксипентаналя:
Другой пример биологически важной реакции этого типа - присоединение аминов и некоторых других азотсодержащих соединений к карбонильным соединениям - альдегидам и кетонам. Реакция идет по механизму нуклеофильного присоединения-элиминирования ( -E), или нуклеофильного присоединения- отщепления:
Другие азотсодержащие соединения, выступающие в этих реакциях в роли нуклеофила: гидразин , гидроксиламин , фенилгидразин 
.
Продуктами реакций -Е в этих случаях являются соединения общей формулы
называемые гидразонами (X = ), оксимами (X = ОН), фенил-гидразонами (X = ), иминами (X = R), что будет более подробно рассмотрено в соответствующих разделах.
Помимо указанных реакций присоединения возможны реакцииAd R - свободнорадикального присоединения и полимеризации или поликонденсации.
Ad R - свободнорадикальное присоединение
Примером реакции поликонденсации является поликонденсация фенола с альдегидами, в частности, с формальдегидом, в результате которой происходит образование полимерных продуктов реакции - фенолформальдегидных смол и твердых полимеров.
Взаимодействие фенола с формальдегидом можно описать схемой:
В ходе дальнейших стадий образуется полимер, а побочным продуктом реакции поликонденсации, в данном случае, является вода.
ГЛАВА 4. ОКСОСОЕДИНЕНИЯ (АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ).
Вопросы к занятию.
1. Электронное строение карбонильной группы (>C=0) в оксосоединениях.
2. Влияние заместителей на реакционную способность >C=0- связи в оксосоединениях.
3. Механизм нуклеофильного присоединения по >C=0 связи.
4. Реакции нуклеофильного присоединения (на примере воды, спиртов, бисульфита натрия, HCN).
5. Реакции присоединения- отщепления на примере гидроксиламина, гидразина, аминов.
6. Реакция диспропорционирования на примере бензилальдегида.
7. Механизм реакции альдольной конденсации.
8. Окисление альдегидов и кетонов.
9. Полимеризация альдегидов.
В зависимости от характера связанных с карбонильной группой заместителей карбонильные соединения делят на следующие классы: альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их функциональные производные.
Схема:
Механизм:
1- Образование π-комплекса (медл)
2- Образование ϭ- комплекса или карбкатиона (медл)
Карбкатионы – положительно заряженные нестабильные интермедиаты с секстетом валентных электронов у атома углерода.
Нуклеофильная атака галагенониевого иона (быстро)
Скорость реакции существенно зависит от строения алкена. При введение в алкен метильных заместителей увеличивается электронная плотность за счёт +I CH 3 и скорость реакции возрастает. С другой стороны трифтометильная группа CF 3 вследствие отрицательного индуктивного эффекта понижает электронную плотность в алкене и тем самым затрудняет электрофильную атаку.
CF 3 CH=CH 2 < CH 2 =CH 2 < CH 3 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH(CH 3) 2
Увеличение скорости реакции алкенов галогенами.
При добавлении к ненасыщенному углеводороду воды, в механизм добавляется четвёртая стадия (возврат катализатора).
47-реакция электрофильного замещения: гетеролитическая реакция с участием π-электронного облака ароматической системы (галогенирование, нитрование, алкинирование).
S E -реакция электрофильного замещения..
Взаимодействие аренов с электрофильным агрегатом протекает также стадийно через образование ϭ и π-комплексов.
Характерной особенностью ароматических соединений бензольного ряда, конденсированных и гетероциклических ароматических соединений являетс их склонность вступать в реакции, не приводящие к нарушению ароматической системы – реакции замещения . Напротив, в реакциях, нарушающих ароматичность, таких, кК присоединение или окисление, ароматические соединения обладают пониженной реакционной способностью.
Схема:
Механизм:
Генерирование электрофильной частицы.
2. Образование π-комплекса (медл)
3. Образование ϭ- комплекса или карбкатиона
4. Отщепление протона от ϭ-комплекса
Галогенирование.
Нитрование.
Алкинирование.
48-Реакция нуклеофильного замещения у sp 3 -гибридизованного атома углерода: гетеролитические реакции обусловленные поляризацией ϭ-связи углерод-гетероатом (галогенпроизводные, спирты).
SN-Реакция нуклеофильного замещения
SN наиболее характерны для насыщенных органических соединений, содержащих следующие функциональные группы: галоген, гидроксильную, тиольную и аминогруппу.
SN 1 – характерны характерны для третичных и частично вторичных алкангалогенидов при наличии слабого нуклеофила и полярного растворителя
Механизм:
I стадия
II стадия
SN 2 -характерен для первичных и частично вторичных атомомв.
Механизм:
49-Реакция нуклеофильного присоединения: гетеролитическая реакция с участием π-связи углерод-кислород (взаимодействие альдегидов и кетонов со спиртами, первичными аминами). Влияние электронных и пространственных факторов, роль кислотного катализа. Биологическое значение реакции нуклеофильного присоединения.
A N -Реакция нуклеофильного присоединения.
Характерны для альдегидов и кетонов.
Большое значение в биологическом плане имеет реакция карбонильных соединений (альдегидов и кетонов) с аммиаком, при этом образуются имины (основания Шиффа), очень неустойчивые, легкогидролизующиеся соединения.
Имины являются промежуточными продуктами в некотоорых ферментативных реакциях, при синтезе аминов из альдегидов и кетонов.
Например, в организме по такой схеме синтезируются некоторые α-аминокислоты.
Взаимодействие аммиака с альдегидами может осложняться возможной циклизацией. Так, из формальдегида А.М. Бутлеров впервые получил медицинский препарат – гексаметилентетраамин (уротропин), получивший широкое применение в качестве антисептического средства.
Кислотный катализ служит для активации субстрата.
Реакционные центры.
Механизм:
В реакциях A N для увеличения скорости реакции используется катализатор (неорганическая кислота)
Схема:
Механизм:
Молекула этанола не является достаточно активным нуклеофилом для этой реакции. Чтобы увеличить активность электрофильного центра (карбонильный углерод с δ+) и используют кислотный катализ. На первой стадии реакции альдегид (1) взаимодействует с хлороводородом по основному центру (атом кислорода с неподеленной электронной парой), образуя катион, который существует в виде двух резонансных структур (2 и 3). В карбкатионе (3) на электрофильном центре уже полный положительный заряд (а не частичный, как в исходном альдегиде). Таким образом, активность электрофильного центра увеличилась, и он может взаимодействовать со слабым нуклеофилом – молекулой спирта. Новая связь C-O образуется за счет неподеленной электронной пары кислорода, поэтому на нем появляется положительный заряд (4). Для стабилизации этому катиону необходимо отщепить протон водорода. Его принимает анион Cl - . Образуется молекула конечного продукта реакции – полуацеталя.
По такому же механизму происходит дальнейшее превращение полуацеталя в ацеталь:
 |
Эти реакции обратимы, в кислой среде полуацетали и ацетали гидролизуются до соответствующих альдегидов и спиртов. Вот почему катализатором в реакциях их образования является газообразный хлороводород, а не его водный раствор.
Реакцию образования ацеталей часто используют в органическом синтезе для защиты альдегидной группы от окисления. После проведения реакции окисления защиту «снимают», т.е. проводят кислотный гидролиз.
Кетоны в реакцию со спиртами практически не вступают.
Присоединение синильной кислоты HCN.
Эта реакция характерна и для альдегидов, и для кетонов. Рассмотрим её на примере ацетона.
Реакция протекает в присутствии щелочи в качестве катализатора.
Синильная кислота – слабая кислота, с малой степенью диссоциации, т.е. плохой источник нуклеофилных частиц (цианид-анионов CN -). Для активизации нуклеофила и используют катализатор:
Далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:
Нуклеофил атакует электрофильный центр молекулы ацетона, π-связь C=O разрывается гетеролитически, оба ее электрона уходят к атому кислорода, поэтому там появляется отрицательный заряд (1), новая связь C-C образуется за счет электронов нуклеофила. Анион (1) присоединяет протон водорода от молекулы воды, образуя оксинитрил (2) и гидроксид-анион, что доказывает, что щелочь являлась катализатором этой реакции.
Циангидрины способны к гидролизу с образованием соответствующих оксосоединений и синильной кислоты. Некоторые циангидриды встречаются в природе (синтезируются растениями). Употребление их в пищу (косточки сливы, вишни, горького миндаля) может привести к отравлению.
Присоединение воды.
Эта реакция обратима. Её равновесие контролируется стерическими и электронными факторами.
Гидраты большинства альдегидов и особенно кетонов неустойчивы, существуют только в растворах. Гидрат трихлоруксусного альдегида (хлораля) очень устойчив, что связано с электроноакцепторным действием атомов хлора:
Восстановление кетонов приводит к получению вторичных спиртов, например:
Взаимодействие с аммиаком и аминами. Амины и их производные типа X-NH 2 реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала протекает реакция нуклеофильного присоединения, продукты которой неустойчивы и отщепляют молекулу воды. Поэтому такие реакции характеризуют как присоединение-отщепление .
Рассмотрим механизм реакции на примере взаимодействия ацетальдегида с аммиаком.
Имины называют также основаниями Шиффа.
Имины являются промежуточными продуктами во многих ферментативных процессах, например, в биосинтезе
α-аминокислот в организме.
Основания Шиффа легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образованием исходных продуктов. В организме гидролиз иминов происходит в процессе окислительного дезаминирования α-аминокислот.
Помимо аммиака, в реакцию просоединения-отщепления с альдегидами и кетонами вступают первичные амины (R-NH 2), гидроксиламин (NH 2 -OH), гидразин (NH 2 -NH 2), фенилгидразин (C 6 H 5 -NH-NH 2), семикарбазид (NH 2 -NH-CO-NH 2):
 |
Все эти производные – кристаллические соединения с чёткими температурами плавления, поэтому их получение может использоваться для идентификации альдегидов и кетонов. А так как эти производные так же, как и имины способны к гидролизу с образованием исходных соединений, то данные реакции могут использоваться и для выделения оксосоединений из смесей с другими соединениями.
Через стадию образования альдимина при взаимодействии пиридоксальфосфата (см. стр. 195) и α-аминокислоты протекает реакция переаминирования белковых α-аминокислот (основной путь биосинтеза α-аминокислот).
Реакция альдольной конденсации характерна только для альдегидов, в структуре которых есть α-CH-кислотный центр. Реакция катализируется щелочами.
 |
Конденсацией называется реакция, приводящая к усложнению углеродного скелета и возникновению новой углерод-углеродной связи, при этом из двух или более относительно простых молекул образуется новая более сложная молекула.
Эта реакция начинается по CH-кислотному центру альдегида:
Образующийся анион CH-кислоты стабилизирован за счёт p,π-сопряжения. Он является нуклеофилом по отношению к другой молекуле альдегида, и далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:
В результате реакции образуется соединение, являющееся альд егидом и спиртом (алкоголь ) – альдоль.
Альдольная конденсация имеет место и в биологических системах. Например, биосинтез лимонной кислоты, нейраминовой кислоты протекает по механизму альдольной конденсации.
Те альдегиды, которые не имеют атомов водорода при α-углеродном атоме, т.е. не проявляют CH-кислотных свойств, в присутствии щелочей реагируют по-иному. Для них характерна реакция Канниццаро. Другое название этой реакции – диспропорционирование, или реакция оксидоредукции: одна молекула альдегида при этом окисляется, а другая – восстанавливается.
Реакция Канниццаро характерна, например, для бензальдегида:
В случае формальдегида реакция Канниццаро протекает в водном растворе без катализатора:
 |
В водных растворах формальдегида накапливается муравьиная кислота, поэтому эти растворы имеют кислую реакцию.
За счёт CH-кислотного центра протекают также реакции галогенирования
, например, так называемая иодоформная реакция:
Эту реакцию дают все оксосоединения, в структуре которых есть группа
Т.е. уксусный альдегид и все метилкетоны (ацетон, метилэтилкетон, метилпропилкетон и т.п.). Образующийся иодоформ обладает характерным «аптечным» запахом, а при достаточной концентрации выпадает в виде желтоватого осадка.
Иодоформную реакцию используют как качественную, чтобы отличить уксусный альдегид от всех других альдегидов. В медицинской практике иодоформную реакцию используют для обнаружения ацетона в моче больных сахарным диабетом.
Реакции окисления альдегидов . Альдегиды окисляются очень легко. Даже такие слабые окислители, как аммиачный раствор гидроксида серебра (реактив Толленса) и гидроксид меди (II), окисляют альдегиды в соответствующие карбоновые кислоты. Обе эти реакции используют как качественные для обнаружения альдегидной группы.
 |
||
 |
Являются производными углеводородов, в молекулах которых два атома водорода, находившиеся при одном атоме углерода, замещены атомом кислорода. Получающаяся таким путем группа >С=О называется карбонильной группой, или оксогруппой. Если карбонильная группа связана с одним водородным атомом и углеводородным радикалом (или с двумя атомами водорода), то такие соединения называют альдегидами, а группу - альдегидной, если карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами, соединения называют кетонами, а группу - кетогруппой. Таким образом, альдегиды и кетоны представляют собой один класс органических веществ - оксосоединения.
Атомные орбитали углерода карбонильной группы находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Три гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом » 120 ° друг по отношению к другу, участвуют в образовании трех s- связей. Негибридная р-орбиталь атома углерода, расположенная перпендикулярно плоскости, в которой лежат s- связи, участвует в образовании p-связи с атомом кислорода. Двойная связь углерод-кислород полярная, электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, на котором возникает частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода карбонильной группы - частичный положительный заряд:
Из этого следует, что характерной для карбонильной группы реакцией должна быть нуклеофильная атака по атому углерода. В молекулах карбонильных соединений, кроме электрофильного центра - атома углерода оксогруппы - есть и другие реакционные центры. Атом кислорода за счет неподеленной пары электронов выступает в реакциях как основный центр, реагируя с кислотами. Альдегиды и кетоны являются слабыми основаниями, концентрация протонированной формы карбонильного соединения достигает величин » 0,1-1% только в 60-80% серной кислоте.
В результате присоединения протона за счет образования s -связи О-Н возрастает электрофильность атома углерода оксогруппы и облегчается присоединение нуклеофильной частицы.
Гидратация кетонов возможна лишь в присутствии кислот или щелочей как катализаторов.
Механизм реакции гидратации при кислотном катализе:
На первом этапе протон присоединяется к атому кислорода карбонильной группы (за счет неподеленной пары электронов кислорода) с образованием оксониевого катиона, который на следующем этапе превращается в карбкатион, легко (за счет целого положительного заряда на углероде) подвергающийся нуклеофильной атаке молекулой воды. Образующийся оксониевый катион стабилизируется отщеплением протона (возврат катализатора).
Механизм реакции гидратации при основном катализе:
При проведении гидратации в щелочной среде гидроксид-ион атакует электрофильный атом углерода карбонильной группы с образованием оксониевого аниона, который далее стабилизируется путем отщепления протона от молекулы воды.
В отличие от большинства карбонильных соединений, 2,2,2-трихлорэтаналь (хлораль) легко реагирует с водой, образуя устойчивый продукт гидратации - хлоральгидрат, используемый в медицине и ветеринарии как успокаивающее и снотворное средство. Повышенная реакционная способность этого соединения объясняется сильным электроноакцепторным эффектом трихлорметильной группы, которая увеличивает эффективный положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы, а также стабилизирует продукт реакции.
Реакции присоединения спиртов
В присутствии сухого хлороводорода альдегиды реагируют со спиртами, образуя ацетали. Промежуточно образующиеся полуацетали в большинстве случае в свободном виде выделить не представляется возможным. Необходимо отметить, что превращение полуацеталей в ацетали без кислотных катализаторов не происходит.
Превращение альдегидов в полуацетали происходит по механизму нуклеофильного присоединения А N , а последующее превращение полуацеталя в ацеталь представляет нуклеофильное замещение.
Необходимость использования кислотного катализа при превращении полуацеталей в ацетали обусловлена тем, что ОН-группа является плохо уходящей. Для превращения ее в хорошо уходящую группу - молекулу Н 2 О - используют кислоты в качестве катализаторов.
В случае реакций кетонов со спиртами положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы оказывается недостаточным для непосредственной атаки молекулой спирта, и кетали одноатомных спиртов таким путем получить нельзя. Их получают с использованием ортоэфиров муравьиной кислоты.
Реакции образования полуацеталей и ацеталей характерны для природных гетерополифункциональных соединений - углеводов. Моносахариды являются, как правило, полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами, внутри молекул которых между гидроксильной и карбонильной группами происходит взаимодействие, приводящее к образованию гетероцикла:
Циклические формы моносахаридов являются циклическими полуацеталями или циклическими полукеталями. Образование олигосахарид ов и полисахаридов представляет собой реакцию образования ацеталя, повторяющуюся многократно:
Полисахариды, как ацетали, подвергаются гидролизу только в кислой среде.
Присоединение меркаптанов RSH к альдегидам и кетонам приводит к образованию, соответственно, тиоацеталей. Способность молекул меркаптанов эффективно атаковать атом углерода карбонильной группы кетонов отражает большую склонность RSH (по сравнению с ROH) к образованию эффективных нуклеофилов RS - , т.е большую кислотность тиолов по сравнению со спиртами.
