Oni su derivati ​​ugljikovodika, u čijim molekulima su dva atoma vodika smještena na jednom atomu ugljika zamijenjena atomom kisika. Rezultirajuća >C=O grupa naziva se karbonilna grupa ili okso grupa. Ako je karbonilna grupa vezana na jedan atom vodika i ugljikovodični radikal (ili na dva atoma vodika), tada se takvi spojevi nazivaju aldehidi, a grupa aldehid; ako je karbonilna grupa vezana za dva ugljikovodična radikala, spojevi se nazivaju ketoni, a grupa se naziva keto grupa. Dakle, aldehidi i ketoni predstavljaju jednu klasu organskih supstanci - okso jedinjenja.

Atomske orbitale ugljika karbonilne grupe su u stanju sp 2 hibridizacije. Tri hibridne orbitale, koje se nalaze u istoj ravni pod uglom od » 120 ° jedna u odnosu na drugu, učestvuju u formiranju tri s- veze. Nehibridna p-orbitala atoma ugljika, smještena okomito na ravninu u kojoj leže s- vezu, učestvuje u formiranju p-veze sa atomom kiseonika. Dvostruka veza ugljik-kisik je polarna, gustina elektrona se pomera na elektronegativniji atom kiseonika, na kome nastaje delimični negativni naboj, a na atomu ugljika karbonilne grupe - parcijalni pozitivan naboj:

Iz ovoga slijedi da bi reakcija karakteristična za karbonilnu grupu trebala biti nukleofilni napad na atom ugljika. U molekulama karbonilnih spojeva, osim elektrofilnog centra - atoma ugljika okso grupe - postoje i drugi reakcioni centri. Atom kisika, zbog svog usamljenog para elektrona, djeluje kao glavni centar u reakcijama, reagirajući s kiselinama. Aldehidi i ketoni su slabe baze; koncentracija protoniranog oblika karbonilnog spoja dostiže vrijednosti od "0,1-1% samo u 60-80% sumporne kiseline.

Kao rezultat dodavanja protona zbog formiranja s-O-H veza, povećava se elektrofilnost atoma ugljika okso grupe i olakšava se dodavanje nukleofilne čestice.

Hidratacija ketona je moguća samo u prisustvu kiselina ili alkalija kao katalizatora.

Mehanizam reakcije hidratacije u kiseloj katalizi:

U prvoj fazi, proton se veže na atom kiseonika karbonilne grupe (zbog usamljenog para kiseonikovih elektrona) da bi formirao oksonijum kation, koji se u sledećoj fazi pretvara u karbokation, koji se lako (zbog pozitivan naboj na ugljiku) podvrgnut nukleofilnom napadu molekula vode. Nastali oksonijum kation se stabilizuje uklanjanjem protona (povratak katalizatora).

Mehanizam reakcije hidratacije u bazičnoj katalizi:

Kada se hidratacija provodi u alkalnom mediju, hidroksidni ion napada elektrofilni atom ugljika karbonilne grupe da bi formirao oksonijum anion, koji se dalje stabilizuje apstrakcijom protona iz molekula vode.

Za razliku od većine karbonilnih jedinjenja, 2,2,2-trikloretanal (hloral) lako reaguje sa vodom, formirajući stabilan proizvod hidratacije - hloralhidrat, koji se koristi u humanoj i veterinarskoj medicini kao sedativ i hipnotik. Povećana reaktivnost ovog spoja je zbog snažnog efekta povlačenja elektrona triklorometil grupe, što povećava efektivni pozitivni naboj na atomu ugljika karbonilne grupe i također stabilizira produkt reakcije.

Reakcije na dodavanje alkohola

U prisustvu suvog hlorovodonika, aldehidi reaguju sa alkoholima i formiraju acetale. U većini slučajeva nije moguće izolovati srednje formirane hemiacetale u slobodnom obliku. Treba napomenuti da se konverzija hemiacetala u acetale ne događa bez kiselih katalizatora.

Transformacija aldehida u hemiacetale odvija se mehanizmom nukleofilne adicije A N, a naknadna transformacija hemiacetala u acetal predstavlja nukleofilnu supstituciju.

Potreba da se koristi kiselinska kataliza u konverziji hemiacetala u acetale je zbog činjenice da je OH grupa slabo odlazeća grupa. Da bi se pretvorila u dobru odlazeću grupu - molekulu H 2 O - koriste se kiseline kao katalizatori.

U slučaju reakcija ketona sa alkoholima, pozitivan naboj na atomu ugljika karbonilne grupe je nedovoljan za direktan napad molekula alkohola, pa se na ovaj način ne mogu dobiti ketali monohidričnih alkohola. Dobivaju se upotrebom ortoestera mravlje kiseline.

Reakcije formiranja hemiacetala i acetala karakteristične su za prirodne heteropolifunkcionalne spojeve - ugljikohidrate. Monosaharidi su, u pravilu, polihidroksialdehidi ili polihidroksiketoni, unutar čijih molekula dolazi do interakcije između hidroksilne i karbonilne grupe, što dovodi do stvaranja heterocikla:

Ciklični oblici monosaharida su ciklički hemiacetali ili ciklički hemiketali. Stvaranje oligosaharida i polisaharida je reakcija stvaranja acetala koja se ponavlja mnogo puta:

Polisaharidi, poput acetala, podležu hidrolizi samo u kiseloj sredini.

Dodatak RSH merkaptana aldehidima i ketonima dovodi do stvaranja tioacetala, respektivno. Sposobnost molekula merkaptana da efikasno napadnu atom ugljenika karbonilne grupe ketona odražava veću sklonost RSH (u poređenju sa ROH) da formira efektivne nukleofile RS - , tj. veću kiselost tiola u poređenju sa alkoholima.

Hemija aldehida i ketona određena je prisustvom karbonilne grupe. Ova grupa, prvo, predstavlja mesto nukleofilnog napada i, drugo, povećava kiselost atoma vodika vezanih za atom -ugljika. Oba ova efekta su prilično konzistentna sa strukturom karbonilne grupe, a zapravo su oba posljedica sposobnosti kisika da preuzme negativan naboj.

(Ovo poglavlje pokriva samo najjednostavnije tipove nukleofilnih reakcija adicije. Reakcije -vodonikovih atoma će također biti razmatrane u 27. poglavlju.)

Karbonilna grupa sadrži dvostruku vezu ugljik-kisik; Pošto mobilni elektroni snažno privlače kiseonik, ugljenik karbonilne grupe je centar sa nedostatkom elektrona, a kiseonik karbonilne grupe je bogat elektronima. Budući da je ovaj dio molekule ravan, relativno je dostupan za napad odozgo ili ispod ove ravni u smjeru okomitom na nju. Nije iznenađujuće da je ova pristupačna polarizirana grupa vrlo reaktivna.

Kakvi će reagensi napasti takvu grupu? Budući da je najvažnija faza u ovim reakcijama stvaranje veze sa elektron-deficijentnim (kiselim) karbonilnim ugljikom, karbonilna grupa je najsklonija interakciji s nukleofilnim reagensima bogatim elektronima, odnosno s bazama. Tipične reakcije aldehida i ketona bit će reakcije nukleofilne adicije.

Kao što se i očekivalo, najpreciznija slika reaktivnosti karbonilne grupe može se dobiti razmatranjem prelaznog stanja za dodavanje nukleofila. U reagensu je atom ugljika trigonalni. U prijelaznom stanju, atom ugljika počinje poprimati tetraedarsku konfiguraciju koju bi imao u proizvodu; stoga su grupe povezane s njim nešto bliže. Stoga možemo očekivati ​​da će se pojaviti neke prostorne poteškoće, odnosno da će velike grupe ometati ovu konvergenciju u većoj mjeri nego manje grupe. Ali prijelazno stanje u ovoj reakciji bit će relativno manje otežano od prijelaznog stanja za, recimo, reakciju u kojoj je ugljik vezan za pet atoma. To je ta relativna lakoća težine koja se misli kada se kaže da je karbonilna grupa napadnuta.

U prijelaznom stanju kisik počinje dobivati ​​elektrone i negativni naboj koji će imati u konačnom proizvodu. Upravo je tendencija kisika da dobije elektrone, odnosno njegova sposobnost da nosi negativan naboj, pravi razlog reaktivnosti karbonilne grupe prema nukleofilima.(Polaritet karbonilne grupe nije uzrok reaktivnosti, već samo još jedna manifestacija elektronegativnosti kiseonika.)

Aldehidi općenito lakše prolaze kroz reakcije nukleofilne adicije od ketona. Ova razlika u reaktivnosti je u skladu sa prirodom međustanja reakcije i, očigledno, objašnjava se kombinovanim delovanjem elektronskih i prostornih faktora. Keton sadrži drugu alkil ili aril grupu, a aldehid sadrži atom vodika. Druga aril ili alkil grupa ketona je veća od atoma vodika aldehida i stoga će vjerojatnije inhibirati povećanje sterične smetnje u prijelaznom stanju. Alkilna grupa donira elektrone i na taj način destabilizuje prelazno stanje povećanjem negativnog naboja kiseonika.

Moglo bi se očekivati ​​da će aril grupa, sa svojim induktivnim efektom povlačenja elektrona (Problem 18.7, str. 572), stabilizovati prelazno stanje i time ubrzati reakciju; međutim, čini se da ovaj efekat dodatno stabilizuje početni keton zbog rezonancije (doprinos strukture I) i, kao rezultat, deaktivira keton u dotičnoj reakciji.

protonirani oblik

Bazičnost aldehida i ketona je niska, ali igra značajnu ulogu u reakcijama nukleofilne adicije, budući da je u protoniranom obliku elektrofilnost atoma ugljika mnogo veća. Stoga, AdN reakcije tipične za aldehide i ketone mogu biti katalizirane kiselinama.

2.2. Reakcije nukleofilne adicije

Interakcija aldehida i ketona s nukleofilnim agensima odvija se prema sljedećem općem mehanizmu:

Nukleofil Z–H (vrlo često postoji atom vodika u nukleofilnom centru) vezuje se za elektrofilni atom ugljika karbonilne grupe zbog usamljenog para elektrona nukleofilnog centra, tvoreći proizvod u kojem ima bivši karbonil kisik. negativan naboj, a bivši nukleofilni centar je pozitivno nabijen. Ovaj bipolarni ion se stabilizira prijenosom protona s pozitivno nabijenog Z atoma (Brønstedova kiselina) na negativno nabijeni atom kisika (baza). Dobijeni proizvod često prolazi kroz daljnje transformacije, na primjer, eliminaciju vode.

Različiti spojevi mogu djelovati kao nukleofili, u kojima atomi kisika (O-nukleofili), sumpor (S-nukleofili), dušik (N-nukleofili) i atomi ugljika (C-nukleofili) djeluju kao nukleofilni centri.

Reaktivnost aldehida i ketona u reakcijama nukleofilne adicije ovisi o elektrofilnosti ugljikohidrata.

http://mitht.ru/e-library

bonil grupa:Što je veći parcijalni pozitivni naboj na atomu ugljika, lakše dolazi do dodavanja nukleona.

leofila. Budući da molekule aldehida na karbonilnom atomu ugljika sadrže samo jedan ugljikovodični ostatak koji pokazuje svojstva doniranja elektrona, a molekule ketona imaju dva takva ostatka, prirodno je pretpostaviti da u općem slučaju u reakcijama nukleofilne adicije, aldehidi su reaktivniji od ketona. Elektrofilni supstituenti, posebno blizu karbonilne grupe, povećavaju elektrofilnost karbonilnog ugljenika i stoga povećavaju reaktivnost. Sterički faktor je također od određene važnosti: budući da nakon dodavanja atom ugljika karbonilne grupe mijenja hibridizaciju (sp2 → sp3), što su supstituenti na karbonilnom atomu ugljika veći, to je veća sterična prepreka koja nastaje tokom ove tranzicije. Na primjer, u seriji: formaldehid, acetaldehid, aceton, terc-butil metil keton, reaktivnost se smanjuje.

(CH3)3C

a) Reakcije sa O-nukleofilima

Hidratacija

Kada aldehidi i ketoni reaguju s vodom u reverzibilnom procesu, nastaje hidrat - geminalni diol, koji je u većini slučajeva vrlo nestabilno jedinjenje, pa je ova ravnoteža jako pomjerena ulijevo.

Međutim, za neke karbonilne spojeve ova ravnoteža može biti pomaknuta udesno. Tako je u vodenoj otopini formaldehid gotovo u potpunosti u hidratiziranom obliku (za razliku od, na primjer, acetona, u vodenoj otopini čiji je hidratni oblik izuzetno mali), a triklorocteni aldehid (kloral) pri interakciji s vodom prelazi u kloral hidrat, koji je vrlo stabilan čak iu kristalnom obliku.

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

http://mitht.ru/e-library

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

hloral hloral hidrat

Interakcija sa alkoholima (reakcija acetalizacije)

Produkt dodavanja jedne molekule alkohola molekuli aldehida ili ketona - takozvani hemiacetal - je nestabilan. Kada aldehid ili keton stupe u interakciju sa 2 ekvivalenta alkohola u kiseloj sredini, formira se stabilan proizvod -

acetal.

Predstavimo mehanizam potonje reakcije na primjeru interakcije acetaldehida sa metil alkoholom (1:2) u prisustvu jake Bronstedove kiseline.

Protoniranje karbonilne grupe acetaldehida rezultira stvaranjem kationa u kojem je pozitivno naelektrisanje delokalizovano. U poređenju sa acetaldehidom, ovaj kation je elektrofilniji i nukleofilno dodavanje molekule metanola na njega se dešava mnogo lakše. Dodatni proizvod (oksonijum kation) je jaka kiselina, a kada se iz nje ukloni proton, nastaje hemiacetal (1-metoksietanol).

		CH3 CH=O H
CH3 CH=O			H O CH3	CH3CHOH		CH3CHOH
		CH3CHOH		H O CH3		OCH3

http://mitht.ru/e-library

Zatim, kroz protonirani oblik ovog hemiacetala, voda se eliminira kako bi se formirao karbokation, kojem se dodaje sljedeći molekul metanola. Kada se proizvod dodavanja deprotonira, on se formira acetaldehid dimetil acetal(1,1-dimetoksietan).

							H O CH3
	CH3CHOH		CH3 CH O H			CH3 CH
	OCH3			OCH3		OCH3
	CH3 CH		OCH3		CH3 CH OCH3
		OCH3			OCH3

Cijeli opisani proces reakcije, koji se naziva acetalizacija, je reverzibilan, tako da je moguće djelotvorno reagirati aldehid ili keton s alkoholom da nastane acetal samo pomicanjem ravnoteže udesno, na primjer, uklanjanjem nastale vode iz reakciona sfera. Reverzna reakcija je kisela hidroliza acetala. Posljedično, acetali su nestabilni u kiseloj vodenoj sredini jer prolaze kroz hidrolizu.

			OCH3 + H2O						CH3 CH=O + 2 CH3 OH
	OCH3

IN Acetali su stabilni u alkalnim sredinama, od hidrolize

V ne može da se desi pod ovim uslovima.

b) Reakcije sa S-nukleofilima

Atom sumpora u analozima alkohola - tioli (merkaptani) - je jači nukleofil, pa se merkaptani lakše dodaju aldehidima i ketonima. U ovom slučaju nastaju proizvodi slični hemiacetalima i acetalima, na primjer, kada benzaldehid reaguje sa dva ekvivalenta metanetiola (metil merkaptana) u kiseloj sredini, nastaje benzaldehid dimetiltioacetal.

		2CH3SH		CH(SCH3)2

(reakcije adicije-eliminacije).

Reakcije nukleofilne supstitucije koje uključuju - hibridizirani atom ugljika. Razmotrimo mehanizam reakcija ovog tipa na primjeru interakcije karboksilnih kiselina s alkoholima ( reakcija esterifikacije). U karboksilnoj grupi kiseline se ostvaruje str, -konjugacija, budući da par elektrona atoma kiseonika hidroksilne grupe OH ulazi u konjugaciju sa dvostrukom vezom ugljik-kisik (-vezom):

Ova konjugacija je razlog, s jedne strane, povećane kiselosti karboksilnih jedinjenja, as druge, smanjenja parcijalnog pozitivnog naboja () na atomu ugljika karboksilne grupe (-hibridizovani atom), što u velikoj meri komplikuje direktan napad nukleofila. Da bi se povećao naboj na atomu ugljika, koristi se dodatna protonacija - kisela kataliza (faza I):

U fazi II dolazi do napada nukleofila (molekula alkohola), protonacija hidroksilne grupe sa formiranjem odlazeće grupe, u fazi III - njeno eliminisanje, a u fazi IV - regeneracija protona - vraćanje katalizatora sa formiranje konačnog proizvoda - estera. Reakcija je reverzibilna, što se uočava tokom hidrolize estera i hidrolize masti u biosistemima.

Reakcije nukleofilne adicije. Najtipičnije reakcije nukleofilne adicije () su za okso spojeve - aldehide i ketone. Mehanizam ovih reakcija ima zajedničke karakteristike, radi se o dvostepenom ionskom procesu. Prva faza (ograničavanje) je reverzibilni napad nukleofila Nu : sa formiranjem takozvanog tetraedarskog intermedijera. Druga faza je brzi napad elektrofilom:

Na reaktivnost okso jedinjenja utiče priroda R i grupa. Dakle, uvođenje supstituenata koji doniraju elektrone smanjuje reaktivnost, a uvođenje supstituenata koji povlače elektron je pojačava. Stoga su aldehidi aktivniji u reakcijama od ketona. Osim toga, reaktivnost ovisi o prirodi nukleofila. Na primjer, RSH tioli, koji su jači nukleofili od ROH alkohola, reagiraju i sa aldehidima i ketonima, formirajući tioacetale otporne na hidrolizu, dok acetali, produkti dodavanja alkohola u aldehide, nisu otporni na hidrolizu:

Imajte na umu da posljednje faze procesa predstavljaju napad nukleofila (molekula alkohola) na elektrofilni reakcioni centar (karbokation) i prate mehanizam nukleofilne supstitucije. Rezultirajuća intermedijarna jedinjenja - hemiacetali - su nestabilna. Njihova stabilizacija je moguća samo u cikličnom obliku sa stvaranjem cikličkih hemiacetala, na primjer 5-hidroksipentanala:

Drugi primjer biološki važne reakcije ovog tipa je dodavanje amina i nekih drugih spojeva koji sadrže dušik karbonilnim spojevima - aldehidima i ketonima. Reakcija ide prema tome mehanizam nukleofilne adicije-eliminacije (-E), ili nukleofilne adicije-eliminacije:

Drugi spojevi koji sadrže dušik koji djeluju kao nukleofili u ovim reakcijama: hidrazin, hidroksilamin, fenilhidrazin .

Produkti reakcija -E u ovim slučajevima su spojevi opće formule

nazvani hidrazoni (X = ), oksimi (X = OH), fenil-hidrazoni (X = ), imini (X = R), o kojima će se detaljnije govoriti u relevantnim poglavljima.

Pored gore navedenih reakcija adicije moguće su i reakcije Ad R- adicija slobodnih radikala i polimerizacija ili polikondenzacija.

Ad R - adicija slobodnih radikala

Primjer reakcije polikondenzacija je polikondenzacija fenola s aldehidima, posebno s formaldehidom, što rezultira stvaranjem produkta polimerne reakcije - fenol-formaldehidne smole i čvrstih polimera.

Interakcija fenola sa formaldehidom može se opisati sljedećom shemom:

Tokom daljih koraka formira se polimer, a nusproizvod reakcije polikondenzacije, u ovom slučaju, je voda.

POGLAVLJE 4. OKSO JEDINJENJA (ALDEHIDI I KETONI).

Pitanja za lekciju.

1. Elektronska struktura karbonilne grupe (>C=0) u okso jedinjenjima.

2. Utjecaj supstituenata na reaktivnost >C=0 veza u okso jedinjenjima.

3. Mehanizam nukleofilne adicije preko >C=0 veze.

4. Reakcije nukleofilne adicije (na primjeru vode, alkohola, natrijum bisulfita, HCN).

5. Reakcije adicije-eliminacije na primjeru hidroksilamina, hidrazina, amina.

6. Reakcija disproporcioniranja koristeći benzilaldehid kao primjer.

7. Mehanizam reakcije aldolne kondenzacije.

8. Oksidacija aldehida i ketona.

9. Polimerizacija aldehida.

Ovisno o prirodi supstituenata povezanih s karbonilnom grupom, karbonilna jedinjenja se dijele u sljedeće klase: aldehidi, ketoni, karboksilne kiseline i njihovi funkcionalni derivati.