Материал: Поведение карбонильных соединений в реакциях нуклеофильного присоединения

Взаимодействие с реактивами Гриньяра

В результате взаимодействия с углеродсодержащими нуклеофилами наращивается углеродный скелет карбонильного соединения, благодаря чему эти реакции имеют широкое применение в синтетической органической химии. Такими нуклеофилами служат: реактивы Гриньяра, циановодородная кислота, различные соединения с выраженными CH-кислотными свойствами.

Поскольку в молекуле реактива Гриньяра углеводородный радикал имеет карбанионный характер, то он выступает в роли нуклеофильного агента по отношениюк карбонильному углероду субстрата

Образование циангидринов

Реакция катализируется основаниями, потому что в слабой циановодородной кислоте концентрация активных нуклеофильных частиц -- цианид-ионов -- очень низка. Медленной стадией является присоединение цианид-иона.

В этих реакциях роль основного катализа заключается в галогенировании эффективного нуклеофила:

Продукты реакции, циангидрины, имеют практическое значение, связанное с получением мономеров для производства синтетических волокон и пластмасс - метакрилонитрила, метакриламида, метилметакрилата, акрилонитрила, акриламида, метилакрилата

Реакции нуклеофильного присоединения азотистых оснований

К этим реакциям относятся:

а) образование иминов (азометинов) - оснований Шиффа

б) образование оксимов

в) образование гидразонов

г) синтез семикарбазонов

Все эти реакции протекают по единому механизму, причем кислотный катализ не только ускоряет первичный акт нуклеофильного присоединения, но и способствует эффективному отщеплению воды на последующих стадиях. Обозначив азотистое основание NH2X, можно представить общий механизм их взаимодействия с карбонильными соединениями при катализе кислотой HY:

Присоединение нуклеофила к карбонильному соединению протекает через биполярный ион и приводит к образованию неустойчивого гем-аминоспирта, который затем подвергается дегидратации в конечный продукт. Такой ход реакции альдегидов и кетонов с соединениями, содержащими аминогруппу обуславливает их общее название как реакций присоединения -- отщепления.

Скорость этих реакций присоединения- отщепления зависит от pH среды. При сравнительно высоких значениях pH медленной (скорость-определяющей) стадией является отщепление воды от протонированной формы гем-аминоспирта. По мере увеличения кислотности среды концентрация катиона возрастает и скорость реакции растет. При низких значениях pH скорость-определяющей стадией является взаимодействие карбонильного соединения с нуклеофилом, что связано с тем, что в сильнокислой среде нуклеофил XHN2 существует в виде неактивного аммониевого иона XNH3+. Таким образом оптимум процесса в данном случае приходится на pH примерно равное 4.

Кето-енольная таутомерия, катализируемая основаниями и кислотами

Кето-енольная таутомерия - форма изомерии, в которой изомеры (таутомеры) отличаются между собой расположением атомов водорода и кратностью связей между другими атомами.

Для карбонильных соединений характерна таутомерия в связи с кислотными свойствами атомов водорода при a -углеродном атоме и основностью карбонильного кислорода. Исходная карбонильная форма называется кето-формой, а его таутомер - енольной формой.

В простых случаях ( R = H, Alk, OR) равновесие сильно сдвинуто влево. Причину этого можно понять, приняв во внимание величины энергий соответствующих связей. Кето-форма примерно на 15ккал/моль устойчивее енольной формы. Однако если заместитель R содержит кратную связь, которая может находиться в сопряжении с енольной двойной связью, то в смеси будет присутствовать большее количество енола.

Взаимный переход таутомеров также называется кето-енольной таутомерией. Эта реакция катализируется основаниями и кислотами.

Основно-каталитическая реакция:

Кислотно-каталитическая реакция

Присоединение протона к кислороду карбонильной группы резко облегчает отрыв протона от a -углеродного атома вследствие большей электроноакцепторной способности положительно заряженного кислорода.

Кето-енольная таутомерия играет важную роль во многих превращениях альдегидов и кетонов, так как енолы, а также интермедиаты I и II являются важнейшими интермедиатами в реакциях альдегидов и кетонов.

Галогенирование

Результатом галогенирования является замещение водорода при a -углеродном атоме по отношению к карбонильной группе

Важнейшими особенностями этих реакций являются:

• - одно и то же карбонильное соединение реагирует со всеми галогенами с одинаковой скоростью при прочих равных условиях;
• - скорость галогенирования не зависит от концентрации галогена;
• - реакции катализируются кислотами и основаниями.

В этой связи можно предположить, что скорость-определяющей стадией этих реакций является енолизация. Так как в этой стадии галоген не участвует, скорость реакции не зависит от природы и концентрации галогена. В то же время чувствительность реакции к ускорению кислотами и основаниями является признаком кето-енольной таутомерии.

На примере альдегида основно-каталитическое галогенирование может быть представлено следующими стадиями

Суммирование левых и правых частей уравнения реакций механизма приводит к стехиометрическому уравнению

В результате введения в a -положение карбонильного соединения электроноакцепторного атома галогена, следующий атом водорода при a -углеродном атоме приобретает более высокую кислотность. Поэтому образующиеся моногалогенпроизводные реагируют быстрее в системе последовательных реакций

и реакцию трудно остановить на стадии образования моногалогенпроизводного в условиях основного катализа. Чтобы решить задачу получения моногалогенкарбонильного соединения реакцию необходимо проводить в условиях кислотного катализа.

Если объектом галогенирования является метилкетон или ацетальдегид, то из-за активирующего действия галогенов-заместителей на последующее галогенирование быстро образуется a,a,a -тригалогенпроизводное, которое легко расщепляется основанием:

или суммарно:

Приведенная последовательность реакций называется галоформной реакцией, поскольку в результате ее образуется хлороформ, бромоформ или иодоформ в зависимости от галогена, используемого при галогенировании. Галоформная реакция служит удобной качественной пробой на присутствие кетонов, особенно в случае иодирования, так как иодоформ представляет собой плохо растворимое вещество ярко-желтого цвета. Реакция оказывается удобной для синтеза карбоновых кислот в тех случаях, когда метилкетон более доступен, чем другие реагенты для синтеза кислот.

Кислотно-каталитическое галогенирование карбонильных соединений может быть представлено следующим механизмом:

Успех скорость-определяющей стадии этой реакции, енолизации, определяется основностью субстрата. Очевидно, что введение в молекулу карбонильного соединения электроноакцепторного атома галогена снижает основность кетоформы субстрата и, соответственно, его реакционную способность. Поэтому в условиях кислотного катализа можно с высоким выходом получать моногалогенпроизводные карбонильных соединений.