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.

Химия альдегидов и кетонов определяется наличием карбонильной группы. Эта группа, во-первых, является местом нуклеофильной атаки и, во-вторых, увеличивает кислотность атомов водорода, связанных с -углеродным атомом. Оба эти эффекта вполне согласуются со строением карбонильной группы, и по сути дела оба обусловлены способностью кислорода принимать отрицательный заряд.

(В этой главе рассмотрены лишь простейшие типы реакций нуклеофильного присоединения. В гл. 27 будут обсуждены также реакции -водородных атомов.)

Карбонильная группа содержит двойную углерод-кислородную связь; поскольку подвижные -электроны сильно оттянуты к кислороду, углерод карбонильной группы является электронодефицитным центром, а кислород карбонильной группы - электроноизбыточным. Поскольку эта часть молекулы плоская, она относительно доступна для атаки сверху или снизу от этой плоскости в направлении, перпендикулярном к нему. Не удивительно, что эта доступная поляризованная группа очень реакционноспособна.

Какого рода реагенты будут атаковать такую группу? Поскольку важнейшая стадия в этих реакциях - образование связи с электронодефецитным (кислым) карбонильным углеродом, то карбонильная группа более всего склонна к взаимодействию с электроноизбыточными нуклеофильными реагентами, т. е. с основаниями. Типичными реакциями альдегидов и кетонов будут реакции нуклеофильного присоединения.

Как и следовало ожидать, наиболее верную картину реакционной способности карбонильной группы можно получить, если рассмотреть переходное состояние для присоединения нуклеофила. В реагенте атом углерода тригонален. В переходном состоянии атом углерода начинает принимать тетраэдрическую конфигурацию, которую он будет иметь в продукте; таким образом, связанные с ним группы несколько сближаются. Поэтому можно ожидать проявления некоторых пространственных затруднений, т. е. большие группы будут в большей степени препятствовать этому сближению, чем группы меньшего размера. Но переходное состояние в этой реакции будет относительно менее затрудненным, чем переходное состояние для, скажем, -реакции, в котором углерод связан с пятью атомами. Именно эта относительная незатрудненность и имеется в виду, когда говорят, что карбонильная группа доступна для атаки.

В переходном состоянии кислород начинает приобретать электроны и отрицательный заряд, который он будет иметь в конечном продукте. Именно тенденция кислорода приобретать электроны, точнее его способность нести отрицательный заряд, и является действительной причиной реакционноспособнасти карбонильной группы по отношению к нуклеофилам, (Полярность карбонильной группы не является причиной реакционноспособности, а лишь еще одним проявлением электроотрицательности кислорода.)

Альдегиды, как правило, легче вступают в реакцию нуклеофильного присоединения, чем кетоны. Это различие в реакционной способности согласуется с характером промежуточного состояния реакции и, по-видимому, объясняется совместным действием электронных и пространственных факторов. Кетон содержит вторую алкильную или арильную группу, а альдегид - атом водорода. Вторая арильная или алкильная группа кетона больше, чем атом водорода в альдегиде, и поэтому она в большей степени будет препятствовать увеличению пространственной затрудненности в переходном состоянии. Алкильная группа подает электроны и тем самым дестабилизует переходное состояние за счет усиления отрицательного заряда на кислороде.

Можно было ожидать, что арильная группа с ее электронооттягивающим индуктивным эффектом (задача 18.7, стр. 572) будет стабилизовать переходное состояние и тем самым ускорять реакцию; однако, по-видимому, этот эффект еще в большей степени стабилизует исходный кетон вследствие резонанса (вклад структуры I) и в результате дезактивирует кетон в рассматриваемой реакции.

протонированная форма

Основность альдегидов и кетонов невысока, однако она играет заметную роль в реакциях нуклеофильного присоединения, поскольку в протонированной форме электрофильность атома углерода значительно выше. Поэтому типичные для альдегидов и кетонов реакции AdN могут катализироваться кислотами.

2.2. Реакции нуклеофильного присоединения

Взаимодействие альдегидов и кетонов с нуклеофильными агентами осуществляется по следующему общему механизму:

Нуклеофил Z–Н (очень часто при нуклеофильном центре имеется атом водорода) присоединяется к электрофильному атому углерода карбонильной группы за счет неподеленной пары электронов нуклеофильного центра, образуя продукт, в котором на бывшем карбонильном кислороде находится отрицательный заряд, а бывший нуклеофильный центр заряжается положительно. Этот биполярный ион стабилизируется переносом протона от положительно заряженного атома Z (кислота Бренстеда) к отрицательно заряженному атому кислорода (основание). Образовавшийся при этом продукт часто претерпевает дальнейшие превращения, например, отщепление воды.

В качестве нуклеофилов могут выступать различные соединения, в которых в качестве нуклеофильных центров выступают атомы кислорода (О-нуклеофилы), серы (S-нуклеофилы), азота (N- нуклеофилы), углерода (С-нуклеофилы).

Реакционная способность альдегидов и кетонов в реакциях нуклеофильного присоединения зависит от электрофильности кар-

http://mitht.ru/e-library

бонильной группы: чем больше частичный положительный заряд на атоме углерода, тем легче происходит присоединение нук-

леофила . Поскольку в молекулах альдегидов при карбонильном атоме углерода содержится только один углеводородный остаток, проявляющий электронодонорные свойства, а в молекулах кетонов таких остатков два, то естественно предположить, что в общем случае в реакциях нуклеофильного присоединения альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны . Электроноакцепторные заместители, особенно вблизи карбонильной группы, увеличивают электрофильность карбонильного углерода и, следовательно, повышают реакционную способность. Определенное значение имеет и стерический фактор: поскольку при присоединении атом углерода карбонильной группы изменяет гибридизацию (sp2 → sp3 ), то чем объемнее заместители при карбонильном атоме углерода, тем бóльшие пространственные затруднения возникают при этом переходе. Например, в ряду: формальдегид, уксусный альдегид, ацетон, трет -бутилметилкетон реакционная способность уменьшается.

(CH3 )3 C

а) Реакции с О-нуклеофилами

Гидратация

При взаимодействии альдегидов и кетонов с водой в обратимом процессе образуется гидрат – геминальный диол, который в большинстве случаев является очень нестабильным соединением, поэтому данное равновесие сильно смещено влево.

Однако для некоторых карбонильных соединений это равновесие может быть смещено вправо. Так, в водном растворе формальдегид практически полностью находится в гидратной форме (в отличие, например, от ацетона, в водном растворе которого гидратной формы чрезвычайно мало), а трихлоруксусный альдегид (хлораль) при взаимодействии с водой превращается в очень устойчивый даже в кристаллическом виде хлоральгидрат.

CH2 =O H 2 O CH2 (OH)58 2

http://mitht.ru/e-library

Cl3 CCH=O + H2 O Cl3 CCH(OH)2

хлораль хлоральгидрат

Взаимодействие со спиртами (реакция ацетализации)

Продукт присоединения к молекуле альдегида или кетона одной молекулы спирта – так называемый полуацеталь – неустойчив. При взаимодействии же альдегида или кетона с 2 эквивалентами спирта в кислой среде, то образуется устойчивый продукт –

ацеталь.

Приведем механизм последней реакции на примере взаимодействия уксусного альдегида с метиловым спиртом (1:2) в присутствии сильной кислоты Бренстеда.

Протонирование карбонильной группы уксусного альдегида приводит к образованию катиона, в котором положительный заряд делокализован. По сравнению с уксусным альдегидом этот катион более электрофилен, и нуклеофильное присоединение молекулы метанола к нему происходит значительно легче. Продукт присоединения (катион оксония) является сильной кислотой, и при отщеплении от него протона образуется полуацеталь (1-метоксиэтанол).

		CH3 CH=O H
CH3 CH=O			HO CH3	CH3 CH OH		CH3 CH OH
		CH3 CH OH		H O CH3		OCH3

http://mitht.ru/e-library

Далее через протонированную форму этого полуацеталя происходит отщепление воды с образованием карбокатиона, к которому присоединяется следующая молекула метанола. При депротонировании продукта присоединения образуется диметилацеталь уксусного альдегида (1,1-диметоксиэтан).

							HO CH3
	CH3 CH OH		CH3 CH O H			CH3 CH
	OCH3			OCH3		OCH3
	CH3 CH		OCH3		CH3 CH OCH3
		OCH3			OCH3

Весь описанный процесс реакции, которую называют ацетализацией, обратим, поэтому эффективно провести взаимодействие альдегида или кетона со спиртом до ацеталя можно только, смещая равновесие вправо, например, удаляя образующуюся воду из сферы реакции. Обратная реакция представляет собой кислотный гидролиз ацеталя. Следовательно, в кислой водной среде ацетали неустойчивы, поскольку подвергаются гидролизу.

			OCH3 + H2 O						CH3 CH=O + 2 CH3 OH
	OCH3

В щелочной же среде ацетали устойчивы, поскольку гидролиз

в этих условиях произойти не может.

б) Реакции с S-нуклеофилами

Атом серы в аналогах спиртов – тиолах (меркаптанах) – является более сильным нуклеофилом, поэтому меркаптаны легче присоединяются к альдегидам и кетонам. При этом образуются продукты, аналогичные полуацеталям и ацеталям, например, при взаимодействии бензальдегида с двумя эквивалентами метантиола (метилмеркаптана) в кислой среде образуется диметилтиоацеталь бензальдегида.

		2CH3 SH		CH(SCH3 )2

(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.