Są pochodnymi węglowodorów, w cząsteczkach których dwa atomy wodoru znajdujące się przy jednym atomie węgla zastąpiono atomem tlenu. Powstała grupa >C=O nazywana jest grupą karbonylową lub grupą okso. Jeśli grupa karbonylowa jest związana z jednym atomem wodoru i rodnikiem węglowodorowym (lub z dwoma atomami wodoru), wówczas takie związki nazywa się aldehydami, a grupę nazywa się aldehydem; jeśli grupa karbonylowa jest związana z dwoma rodnikami węglowodorowymi, związki nazywane są ketonami, a grupa nazywana jest grupą ketonową. Zatem aldehydy i ketony reprezentują jedną klasę substancji organicznych - związki okso.

Orbitale atomowe węgla grupy karbonylowej są w stanie hybrydyzacji sp 2. Trzy orbitale hybrydowe, umieszczone w tej samej płaszczyźnie pod kątem » 120 ° względem siebie, biorą udział w tworzeniu trzech S- znajomości. Niehybrydowy p-orbital atomu węgla, położony prostopadle do płaszczyzny, w której się znajdują S- wiązanie, uczestniczy w tworzeniu wiązania p z atomem tlenu. Podwójne wiązanie węgiel-tlen jest polarne, gęstość elektronów jest przesunięta w stronę bardziej elektroujemnego atomu tlenu, na którym powstaje częściowy ładunek ujemny, a na atomie węgla grupy karbonylowej - częściowy ładunek dodatni:

Wynika z tego, że charakterystyczną reakcją grupy karbonylowej powinien być atak nukleofilowy na atom węgla. W cząsteczkach związków karbonylowych oprócz centrum elektrofilowego - atomu węgla grupy okso - znajdują się inne centra reakcji. Atom tlenu, dzięki swojej wolnej parze elektronów, pełni rolę głównego centrum reakcji, reagując z kwasami. Aldehydy i ketony są słabymi zasadami; stężenie protonowanej formy związku karbonylowego osiąga wartości „0,1-1% tylko w 60-80% kwasie siarkowym.

W wyniku dodania protonu w wyniku powstawania S Wiązanie -O-H zwiększa elektrofilowość atomu węgla grupy okso i ułatwia dodanie cząstki nukleofilowej.

Uwodnienie ketonów jest możliwe tylko w obecności kwasów lub zasad jako katalizatorów.

Mechanizm reakcji hydratacji w katalizie kwasowej:

W pierwszym etapie proton przyłącza się do atomu tlenu grupy karbonylowej (dzięki wolnej parze elektronów tlenu) tworząc kation oksoniowy, który w kolejnym etapie ulega przemianie w karbokation, który łatwo (ze względu na dodatni ładunek na węglu) poddany atakowi nukleofilowemu cząsteczki wody. Powstały kation oksoniowy stabilizuje się poprzez usunięcie protonu (powrót katalizatora).

Mechanizm reakcji hydratacji w katalizie zasadowej:

Gdy hydratację prowadzi się w środowisku zasadowym, jon wodorotlenkowy atakuje elektrofilowy atom węgla grupy karbonylowej, tworząc anion oksoniowy, który jest dodatkowo stabilizowany przez oderwanie protonu z cząsteczki wody.

W przeciwieństwie do większości związków karbonylowych, 2,2,2-trichloroetanal (chloral) łatwo reaguje z wodą, tworząc stabilny produkt hydratacji – hydrat chloralu, stosowany w medycynie ludzkiej i weterynaryjnej jako środek uspokajający i nasenny. Zwiększona reaktywność tego związku wynika z silnego efektu odciągania elektronów przez grupę trichlorometylową, co zwiększa efektywny ładunek dodatni na atomie węgla grupy karbonylowej, a także stabilizuje produkt reakcji.

Reakcje addycji alkoholu

W obecności suchego chlorowodoru aldehydy reagują z alkoholami, tworząc acetale. W większości przypadków nie jest możliwe wyizolowanie półacetali powstałych pośrednio w postaci wolnej. Należy zauważyć, że konwersja półacetali do acetali nie zachodzi bez katalizatorów kwasowych.

Przekształcenie aldehydów w półacetale następuje poprzez mechanizm nukleofilowej addycji AN, a późniejsze przekształcenie półacetalu w acetal reprezentuje podstawienie nukleofilowe.

Konieczność stosowania katalizy kwasowej w konwersji półacetali do acetali wynika z faktu, że grupa OH jest grupą słabo opuszczającą. Aby przekształcić ją w dobrą grupę opuszczającą – cząsteczkę H2O – stosuje się kwasy jako katalizatory.

W przypadku reakcji ketonów z alkoholami dodatni ładunek na atomie węgla grupy karbonylowej jest niewystarczający do bezpośredniego ataku cząsteczki alkoholu i nie można w ten sposób otrzymać ketali alkoholi jednowodorotlenowych. Otrzymuje się je za pomocą ortoestrów kwasu mrówkowego.

Reakcje powstawania półacetali i acetali są charakterystyczne dla naturalnych związków heteropolifunkcyjnych - węglowodanów. Monosacharydy to z reguły polihydroksyaldehydy lub polihydroksyketony, w których cząsteczkach zachodzi interakcja między grupami hydroksylowymi i karbonylowymi, prowadząc do powstania heterocyklu:

Cykliczne formy monosacharydów to cykliczne półacetale lub cykliczne półketale. Tworzenie oligosacharydów i polisacharydów jest wielokrotnie powtarzaną reakcją tworzenia acetalu:

Polisacharydy, podobnie jak acetale, ulegają hydrolizie tylko w środowisku kwaśnym.

Dodatek merkaptanów RSH do aldehydów i ketonów prowadzi do powstania odpowiednio tioacetali. Zdolność cząsteczek merkaptanu do skutecznego atakowania atomu węgla grupy karbonylowej ketonów odzwierciedla większą skłonność RSH (w porównaniu do ROH) do tworzenia efektywnych nukleofili RS - , tj. większą kwasowość tioli w porównaniu do alkoholi.

Chemia aldehydów i ketonów zależy od obecności grupy karbonylowej. Grupa ta, po pierwsze, jest miejscem ataku nukleofilowego, a po drugie, zwiększa kwasowość atomów wodoru związanych z atomem węgla. Obydwa te efekty są całkiem zgodne ze strukturą grupy karbonylowej i w rzeczywistości oba wynikają ze zdolności tlenu do przyjmowania ładunku ujemnego.

(W tym rozdziale opisano tylko najprostsze typy reakcji addycji nukleofilowej. Reakcje atomów wodoru zostaną również omówione w rozdziale 27.)

Grupa karbonylowa zawiera podwójne wiązanie węgiel-tlen; Ponieważ ruchome elektrony są silnie przyciągane przez tlen, węgiel grupy karbonylowej jest centrum z niedoborem elektronów, a tlen grupy karbonylowej jest bogaty w elektrony. Ponieważ ta część cząsteczki jest płaska, stosunkowo łatwo jest zaatakować ją z góry lub z dołu tej płaszczyzny, w kierunku do niej prostopadłym. Nic dziwnego, że ta dostępna spolaryzowana grupa jest wysoce reaktywna.

Jakie odczynniki zaatakują taką grupę? Ponieważ najważniejszym etapem tych reakcji jest utworzenie wiązania z pozbawionym elektronów (kwasowym) węglem karbonylowym, grupa karbonylowa jest najbardziej podatna na oddziaływanie z bogatymi w elektrony odczynnikami nukleofilowymi, tj. z zasadami. Typowymi reakcjami aldehydów i ketonów będą reakcje addycji nukleofilowej.

Jak można było oczekiwać, najdokładniejszy obraz reaktywności grupy karbonylowej można uzyskać rozważając stan przejściowy addycji nukleofilowej. W odczynniku atom węgla jest trygonalny. W stanie przejściowym atom węgla zaczyna przyjmować konfigurację czworościenną, jaką miałby w produkcie; zatem grupy z nią związane są nieco bliższe. Można zatem spodziewać się pojawienia się pewnych trudności przestrzennych, tj. duże grupy będą w większym stopniu utrudniać tę konwergencję niż grupy mniejsze. Jednak stan przejściowy w tej reakcji będzie stosunkowo mniej utrudniony niż stan przejściowy, powiedzmy, w przypadku reakcji, w której węgiel jest związany z pięcioma atomami. To właśnie tę względną łatwość trudności ma się na myśli, gdy mówi się, że grupa karbonylowa jest możliwa do ataku.

W stanie przejściowym tlen zaczyna zyskiwać elektrony i ładunek ujemny, jaki będzie miał w produkcie końcowym. To właśnie skłonność tlenu do pozyskiwania elektronów, a raczej jego zdolność do przenoszenia ładunku ujemnego, jest prawdziwą przyczyną reaktywności grupy karbonylowej wobec nukleofili (polaryzacja grupy karbonylowej nie jest przyczyną reaktywności, ale tylko kolejny przejaw elektroujemności tlenu.)

Aldehydy na ogół łatwiej ulegają reakcjom addycji nukleofilowej niż ketony. Ta różnica w reaktywności jest zgodna z naturą pośredniego stanu reakcji i najwyraźniej można ją wytłumaczyć połączonym działaniem czynników elektronicznych i przestrzennych. Keton zawiera drugą grupę alkilową lub arylową, a aldehyd zawiera atom wodoru. Druga grupa arylowa lub alkilowa ketonu jest większa niż atom wodoru aldehydu i dlatego będzie z większym prawdopodobieństwem hamować wzrost zawady przestrzennej w stanie przejściowym. Grupa alkilowa oddaje elektrony i w ten sposób destabilizuje stan przejściowy, zwiększając ładunek ujemny tlenu.

Można by się spodziewać, że grupa arylowa, dzięki swojemu indukcyjnemu działaniu odciągającemu elektrony (Problem 18.7, s. 572), ustabilizuje stan przejściowy i tym samym przyspieszy reakcję; jednakże wydaje się, że efekt ten dodatkowo stabilizuje wyjściowy keton w wyniku rezonansu (wkład struktury I) i w rezultacie dezaktywuje keton w danej reakcji.

forma protonowana

Zasadowość aldehydów i ketonów jest niska, ale odgrywa znaczącą rolę w reakcjach addycji nukleofilowej, ponieważ w formie protonowanej elektrofilowość atomu węgla jest znacznie wyższa. Dlatego reakcje AdN typowe dla aldehydów i ketonów mogą być katalizowane przez kwasy.

2.2. Reakcje addycji nukleofilowej

Oddziaływanie aldehydów i ketonów z czynnikami nukleofilowymi przebiega według następującego ogólnego mechanizmu:

Nukleofil Z–H (bardzo często w centrum nukleofilowym znajduje się atom wodoru) przyłącza się do elektrofilowego atomu węgla grupy karbonylowej dzięki wolnej parze elektronów centrum nukleofilowego, tworząc produkt, w którym poprzedni tlen karbonylowy ma ładunek ujemny, a poprzednie centrum nukleofilowe jest naładowane dodatnio. Ten jon dwubiegunowy jest stabilizowany przez przeniesienie protonu z dodatnio naładowanego atomu Z (kwas Brønsteda) do ujemnie naładowanego atomu tlenu (zasada). Powstały produkt często poddawany jest dalszym przemianom, np. eliminacji wody.

Różne związki mogą działać jako nukleofile, w których atomy tlenu (O-nukleofile), siarki (S-nukleofile), azotu (N-nukleofile) i atomy węgla (C-nukleofile) działają jako centra nukleofilowe.

Reaktywność aldehydów i ketonów w reakcjach addycji nukleofilowej zależy od elektrofilowości kar-

http://mitht.ru/e-library

grupa kostna: Im większy cząstkowy ładunek dodatni na atomie węgla, tym łatwiej następuje dodanie nukleonów.

leofila. Ponieważ cząsteczki aldehydu przy atomie węgla karbonylu zawierają tylko jedną resztę węglowodorową wykazującą właściwości oddające elektrony, a cząsteczki ketonu mają dwie takie reszty, naturalne jest założenie, że w ogólnym przypadku w reakcjach addycji nukleofilowej aldehydy są bardziej reaktywne niż ketony. Podstawniki elektrofilowe, zwłaszcza w pobliżu grupy karbonylowej, zwiększają elektrofilowość węgla karbonylowego, a zatem zwiększają reaktywność. Pewne znaczenie ma również współczynnik steryczny: ponieważ po dodaniu atom węgla grupy karbonylowej zmienia hybrydyzację (sp2 → sp3), im większe są podstawniki na karbonylowym atomie węgla, tym większa zawada przestrzenna powstająca podczas tego przejścia. Przykładowo w serii: formaldehyd, aldehyd octowy, aceton, keton tert-butylometylowy reaktywność maleje.

(CH3)3C

a) Reakcje z O-nukleofilami

Uwodnienie

Kiedy aldehydy i ketony reagują z wodą w procesie odwracalnym, powstaje hydrat – geminalny diol, który w większości przypadków jest związkiem bardzo niestabilnym, więc równowaga ta jest mocno przesunięta w lewo.

Jednakże w przypadku niektórych związków karbonylowych równowaga ta może zostać przesunięta w prawo. Zatem w roztworze wodnym formaldehyd jest prawie całkowicie w postaci uwodnionej (w przeciwieństwie do na przykład acetonu, w roztworze wodnym, którego postać hydratu jest wyjątkowo mała), a aldehyd trichlorooctowy (chloral) podczas interakcji z wodą zamienia się w chloral hydrat, który jest bardzo stabilny nawet w postaci krystalicznej.

CH2 =O H2O CH2 (OH)58 2

http://mitht.ru/e-library

Cl3 CCH=O + H2O Cl3 CCH(OH)2

wodzian chloralu

Interakcja z alkoholami (reakcja acetalizacji)

Produkt przyłączania jednej cząsteczki alkoholu do cząsteczki aldehydu lub ketonu – tzw. półacetalu – jest niestabilny. Kiedy aldehyd lub keton oddziałuje z 2 równoważnikami alkoholu w kwaśnym środowisku, powstaje stabilny produkt -

acetal.

Przedstawmy mechanizm tej ostatniej reakcji na przykładzie oddziaływania aldehydu octowego z alkoholem metylowym (1:2) w obecności mocnego kwasu Bronsteda.

Protonowanie grupy karbonylowej aldehydu octowego powoduje utworzenie kationu, w którym ładunek dodatni ulega delokalizacji. W porównaniu do aldehydu octowego kation ten jest bardziej elektrofilowy, a nukleofilowe dodanie do niego cząsteczki metanolu następuje znacznie łatwiej. Produktem addycji (kationem oksoniowym) jest mocny kwas, z którego po usunięciu protonu powstaje półacetal (1-metoksyetanol).

		CH3 CH=O H
CH3CH=O			H O CH3	CH3CHOH		CH3CHOH
		CH3CHOH		H O CH3		OCH3

http://mitht.ru/e-library

Następnie poprzez protonowaną formę tego półacetalu usuwa się wodę tworząc karbokation, do którego dodaje się kolejną cząsteczkę metanolu. Kiedy produkt addycji jest deprotonowany, tworzy się acetal dimetylowy aldehydu octowego(1,1-dimetoksyetan).

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

Cały opisany proces reakcji, który nazywa się acetalizacją, jest odwracalny, zatem skuteczną reakcję aldehydu lub ketonu z alkoholem z wytworzeniem acetalu można uzyskać jedynie poprzez przesunięcie równowagi w prawo, np. poprzez usunięcie powstałej wody z sfera reakcji. Reakcją odwrotną jest hydroliza kwasowa acetalu. W konsekwencji acetale są niestabilne w kwaśnym środowisku wodnym, ponieważ ulegają hydrolizie.

			OCH3 + H2O						CH3CH=O + 2CH3OH
	OCH3

W Acetale są stabilne w środowisku zasadowym ze względu na hydrolizę

V nie może się zdarzyć w tych warunkach.

b) Reakcje z S-nukleofilami

Atom siarki w analogach alkoholi - tiolach (merkaptanach) - jest silniejszym nukleofilem, dlatego merkaptany łatwiej łączą się z aldehydami i ketonami. W tym przypadku powstają produkty podobne do półacetali i acetali, na przykład podczas reakcji benzaldehydu z dwoma równoważnikami metanotiolu (merkaptanu metylu) w środowisku kwaśnym powstaje dimetylotioacetal benzaldehydu.

		2CH3 SZ		CH(SCH3)2

(reakcje dodawania i eliminacji).

Reakcje podstawienia nukleofilowego z udziałem - zhybrydyzowanego atomu węgla. Rozważmy mechanizm reakcji tego typu na przykładzie oddziaływania kwasów karboksylowych z alkoholami ( reakcja estryfikacji). Realizuje się to w grupie karboksylowej kwasu P, -koniugacja, ponieważ para elektronów atomu tlenu grupy hydroksylowej OH wchodzi w koniugację z podwójnym wiązaniem węgiel-tlen (-wiązanie):

Sprzężenie to jest przyczyną z jednej strony zwiększonej kwasowości związków karboksylowych, a z drugiej strony zmniejszenia cząstkowego ładunku dodatniego () na atomie węgla grupy karboksylowej (atom zhybrydyzowany), co znacznie komplikuje bezpośredni atak nukleofila. W celu zwiększenia ładunku na atomie węgla stosuje się dodatkowe protonowanie – katalizę kwasową (etap I):

W etapie II następuje atak nukleofila (cząsteczki alkoholu), protonowanie grupy hydroksylowej z utworzeniem grupy opuszczającej, w etapie III – jej eliminacja, a w etapie IV – regeneracja protonu – powrót katalizatora z powstawanie produktu końcowego – estru. Reakcja jest odwracalna, co obserwuje się podczas hydrolizy estrów i hydrolizy tłuszczów w bioukładach.

Reakcje addycji nukleofilowej. Najbardziej typowe reakcje addycji nukleofilowej () dotyczą związków okso - aldehydów i ketonów. Mechanizm tych reakcji ma wspólne cechy, jest to dwuetapowy proces jonowy. Pierwszy etap (ograniczający) to odwracalny atak nukleofila Nu : z utworzeniem tak zwanego czworościennego związku pośredniego. Drugi etap to szybki atak elektrofilem:

Na reaktywność związku okso wpływa charakter grup R i. Zatem wprowadzenie podstawników oddających elektrony zmniejsza reaktywność, a wprowadzenie podstawników odciągających elektrony ją zwiększa. Dlatego aldehydy są bardziej aktywne w reakcjach niż ketony. Ponadto reaktywność zależy od charakteru nukleofilu. Przykładowo tiole RSH, będące silniejszymi nukleofilami niż alkohole ROH, reagują zarówno z aldehydami, jak i ketonami, tworząc tioacetale odporne na hydrolizę, natomiast acetale, produkty addycji alkoholi do aldehydów, nie są odporne na hydrolizę:

Należy zauważyć, że ostatnie etapy procesu reprezentują atak nukleofila (cząsteczki alkoholu) na elektrofilowe centrum reakcji (karbokation) i przebiegają zgodnie z mechanizmem podstawienia nukleofilowego. Powstałe związki pośrednie - półacetale - są nietrwałe. Ich stabilizacja jest możliwa tylko w formie cyklicznej z utworzeniem cyklicznych półacetali, na przykład 5-hydroksypentanalu:

Innym przykładem biologicznie ważnej reakcji tego typu jest addycja amin i niektórych innych związków zawierających azot do związków karbonylowych - aldehydów i ketonów. Reakcja przebiega zgodnie mechanizm addycji-eliminacji nukleofilowej (-E) lub addycji-eliminacji nukleofilowej:

Inne związki zawierające azot, które pełnią w tych reakcjach rolę nukleofilów: hydrazyna, hydroksyloamina, fenylohydrazyna .

Produkty reakcji -E są w tych przypadkach związkami o wzorze ogólnym

zwane hydrazonami (X = ), oksymami (X = OH), fenylohydrazonami (X = ), iminami (X = R), które zostaną omówione bardziej szczegółowo w odpowiednich sekcjach.

Oprócz powyższych reakcji addycji możliwe są reakcje Reklama R- addycja wolnorodnikowa i polimeryzacja lub polikondensacja.

Ad R - dodatek wolnych rodników

Przykład reakcji polikondensacja to polikondensacja fenolu z aldehydami, w szczególności z formaldehydem, w wyniku której powstają produkty reakcji polimerów – żywice fenolowo-formaldehydowe i polimery stałe.

Oddziaływanie fenolu z formaldehydem można opisać następującym schematem:

W dalszych etapach powstaje polimer, którego produktem ubocznym reakcji polikondensacji jest w tym przypadku woda.

ROZDZIAŁ 4. ZWIĄZKI OXO (ALDEHYDY I KETONY).

Pytania do lekcji.

1. Struktura elektronowa grupy karbonylowej (>C=0) w związkach okso.

2. Wpływ podstawników na reaktywność wiązań >C=0 w związkach okso.

3. Mechanizm addycji nukleofilowej poprzez wiązanie >C=0.

4. Reakcje addycji nukleofilowej (na przykładzie wody, alkoholi, wodorosiarczynu sodu, HCN).

5. Reakcje addycji-eliminacji na przykładzie hydroksyloaminy, hydrazyny, amin.

6. Reakcja dysproporcjonowania na przykładzie aldehydu benzylowego.

7. Mechanizm reakcji kondensacji aldolowej.

8. Utlenianie aldehydów i ketonów.

9. Polimeryzacja aldehydów.

W zależności od charakteru podstawników związanych z grupą karbonylową, związki karbonylowe dzielą się na następujące klasy: aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe i ich pochodne funkcjonalne.