De är derivat av kolväten, i vilkas molekyler två väteatomer, belägna vid en kolatom, ersätts med en syreatom. Gruppen >C=O som erhålls på detta sätt kallas en karbonylgrupp eller en oxogrupp. Om karbonylgruppen är bunden till en väteatom och en kolväteradikal (eller till två väteatomer), kallas sådana föreningar aldehyder, och gruppen kallas en aldehydgrupp; om karbonylgruppen är bunden till två kolväteradikaler, föreningar kallas ketoner, och gruppen kallas en ketogrupp. Således är aldehyder och ketoner en klass av organiska ämnen - oxoföreningar.

Atomorbitalerna för kol i karbonylgruppen är i ett tillstånd av sp 2-hybridisering. Tre hybridorbitaler belägna i samma plan i en vinkel på » 120° i förhållande till varandra deltar i bildandet av tre s- anslutningar. Den icke-hybrid p-orbital av kolatomen, belägen vinkelrätt mot planet där de ligger s- bindningar, deltar i bildandet av en p-bindning med en syreatom. Kol-syre-dubbelbindningen är polär, elektrontätheten förskjuts till den mer elektronegativa syreatomen, på vilken en partiell negativ laddning uppstår, och på kolatomen i karbonylgruppen, en partiell positiv laddning:

Av detta följer att reaktionskarakteristiken för karbonylgruppen måste vara en nukleofil attack på kolatomen. I molekylerna av karbonylföreningar finns det förutom det elektrofila centret - kolatomen i oxogruppen - andra reaktionscentra. Syreatomen, på grund av det ensamma elektronparet, fungerar som huvudcentrum i reaktioner och reagerar med syror. Aldehyder och ketoner är svaga baser, koncentrationen av den protonerade formen av karbonylföreningen når värden \u003e 0,1-1% endast i 60-80% svavelsyra.

Som ett resultat av tillsatsen av en proton på grund av bildningen s-bindningar О-Н ökar elektrofilicitet hos kolatomen i oxogruppen och underlättar tillsatsen av en nukleofil partikel.

Hydrering av ketoner är endast möjlig i närvaro av syror eller alkalier som katalysatorer.

Mekanism för hydratiseringsreaktionen vid syrakatalys:

I det första steget fästs protonen till syreatomen i karbonylgruppen (på grund av det ensamma paret syreelektroner) med bildandet av oxoniumkatjonen, som i nästa steg förvandlas till en karbokatjon, vilket lätt (p.g.a. till hela den positiva laddningen på kol) utsatt för nukleofil attack av en vattenmolekyl. Den resulterande oxoniumkatjonen stabiliseras genom protoneliminering (katalysatoråtervinning).

Mekanism för hydratiseringsreaktion i grundläggande katalys:

När hydrering utförs i en alkalisk miljö angriper hydroxidjonen den elektrofila kolatomen i karbonylgruppen för att bilda oxoniumanjonen, som stabiliseras ytterligare genom eliminering av en proton från vattenmolekylen.

Till skillnad från de flesta karbonylföreningar, reagerar 2,2,2-trikloretanal (kloral) lätt med vatten och bildar en stabil hydratiseringsprodukt - kloralhydrat, som används inom medicin och veterinärmedicin som lugnande och hypnotisk medel. Den ökade reaktiviteten hos denna förening förklaras av den starka elektronbortdragande effekten av triklormetylgruppen, som ökar den effektiva positiva laddningen på karbonylkolatomen och även stabiliserar reaktionsprodukten.

Alkoholtillsatsreaktioner

I närvaro av torr väteklorid reagerar aldehyder med alkoholer för att bilda acetaler. I de flesta fall kan intermediärt bildade hemiacetaler inte isoleras i fri form. Det bör noteras att omvandlingen av hemiacetaler till acetaler inte sker utan sura katalysatorer.

Omvandlingen av aldehyder till hemiacetaler sker genom mekanismen för nukleofil addition A N, och den efterföljande omvandlingen av hemiacetal till acetal är en nukleofil substitution.

Behovet av att använda sur katalys vid omvandlingen av hemiacetaler till acetaler beror på det faktum att OH-gruppen lämnar dåligt. För att omvandla den till en bra lämnande grupp - H 2 O-molekylen - används syror som katalysatorer.

I fallet med reaktioner av ketoner med alkoholer är den positiva laddningen på kolatomen i karbonylgruppen otillräcklig för ett direkt angrepp av alkoholmolekylen, och ketaler av envärda alkoholer kan inte erhållas på detta sätt. De erhålls med hjälp av ortoestrar av myrsyra.

Reaktionerna för bildning av hemiacetaler och acetaler är karakteristiska för naturliga heteropolyfunktionella föreningar - kolhydrater. Monosackarider är som regel polyhydroxialdehyder eller polyhydroxiketoner, inuti vars molekyler en interaktion sker mellan hydroxyl- och karbonylgrupperna, vilket leder till bildandet av en heterocykel:

De cykliska formerna av monosackarider är cykliska hemiacetaler eller cykliska hemiketaler. Bildandet av oligosackarider och polysackarider är en acetalbildningsreaktion som upprepas många gånger:

Polysackarider, liksom acetaler, genomgår hydrolys endast i en sur miljö.

Tillsatsen av RSH-merkaptaner till aldehyder och ketoner leder till bildning av tioacetaler respektive. Förmågan hos merkaptanmolekyler att effektivt attackera kolatomen i karbonylgruppen av ketoner återspeglar den större tendensen hos RSH (jämfört med ROH) att bilda effektiva nukleofiler RS-, dvs. tiolers högre surhet jämfört med alkoholer.

Kemin hos aldehyder och ketoner bestäms av närvaron av en karbonylgrupp. Denna grupp är för det första platsen för nukleofil attack och för det andra ökar surheten hos väteatomerna associerade med -kolatomen. Båda dessa effekter är ganska förenliga med strukturen av karbonylgruppen, och i själva verket beror båda på förmågan hos syre att ta på sig en negativ laddning.

(I detta kapitel behandlas endast de enklaste typerna av nukleofila additionsreaktioner. I kapitel 27 kommer också reaktioner av -väteatomer att diskuteras.)

Karbonylgruppen innehåller en kol-syre-dubbelbindning; eftersom de mobila -elektronerna är starkt attraherade av syre, är karbonylgruppens kol ett elektronbristcentrum och karbonylgruppens syre är elektronrikt. Eftersom denna del av molekylen är platt är den relativt lättillgänglig att angripa ovanifrån eller under detta plan i en riktning vinkelrät mot det. Inte överraskande är denna tillgängliga polariserade grupp mycket reaktiv.

Vilken typ av reagens kommer att attackera en sådan grupp? Eftersom det viktigaste steget i dessa reaktioner är bildningen av en bindning med ett elektronbrist (surt) karbonylkol, är karbonylgruppen mest benägen att interagera med elektronrika nukleofila reagens, d.v.s. med baser. Typiska reaktioner av aldehyder och ketoner skulle vara nukleofila additionsreaktioner.

Som förväntat kan den mest exakta bilden av karbonylgruppens reaktivitet erhållas genom att överväga övergångstillståndet för tillsatsen av en nukleofil. Kolatomen i reagenset är trigonal. I övergångstillståndet börjar kolatomen anta den tetraedriska konfiguration den kommer att ha i produkten; sålunda konvergerar grupperna associerade med det något. Därför kan vissa rumsliga svårigheter förväntas, det vill säga stora grupper kommer att förhindra detta tillvägagångssätt i större utsträckning än mindre grupper. Men övergångstillståndet i denna reaktion kommer att vara relativt mindre svårt än övergångstillståndet för, säg, en -reaktion där kol är bundet till fem atomer. Det är denna relativa lätthet som menas när karbonylgruppen sägs vara tillgänglig för attack.

I övergångstillståndet börjar syre att förvärva elektroner och den negativa laddning som det kommer att ha i slutprodukten. Det är syrets tendens att förvärva elektroner, eller snarare dess förmåga att bära en negativ laddning, som är den verkliga orsaken till karbonylgruppens reaktivitet mot nukleofiler. (Karbonylgruppens polaritet är inte orsaken till reaktiviteten, men bara ytterligare en manifestation av syrgas elektronegativitet.)

Aldehyder tenderar att genomgå nukleofil addition lättare än ketoner. Denna skillnad i reaktivitet överensstämmer med naturen hos reaktionens mellantillstånd och förklaras tydligen av den kombinerade verkan av elektroniska och rumsliga faktorer. Ketonen innehåller en andra alkyl- eller arylgrupp, medan aldehyden innehåller en väteatom. Den andra aryl- eller alkylgruppen i ketonen är större än väteatomen i aldehyden och kommer därför att vara mer motståndskraftig mot ökande steriska hinder i övergångstillståndet. Alkylgruppen donerar elektroner och destabiliserar därigenom övergångstillståndet genom att öka den negativa laddningen på syret.

Man kan förvänta sig att arylgruppen med sin elektronåtdragande induktiva effekt (uppgift 18.7, s. 572) skulle stabilisera övergångstillståndet och därigenom påskynda reaktionen; uppenbarligen stabiliserar emellertid denna effekt den initiala ketonen i ännu större utsträckning på grund av resonans (bidrag av struktur I) och, som ett resultat, deaktiverar ketonen i den aktuella reaktionen.

protonerad form

Basiciteten av aldehyder och ketoner är låg, men den spelar en betydande roll i nukleofila additionsreaktioner, eftersom elektrofilicitet för kolatomen i protonerad form är mycket högre. Därför kan AdN-reaktionerna som är typiska för aldehyder och ketoner katalyseras av syror.

2.2. Nukleofila additionsreaktioner

Interaktionen mellan aldehyder och ketoner med nukleofila medel utförs enligt följande allmänna mekanism:

Z–H-nukleofilen (mycket ofta finns det en väteatom i det nukleofila centret) är fäst vid den elektrofila kolatomen i karbonylgruppen på grund av det ensamma elektronparet i det nukleofila centret, vilket bildar en produkt där det tidigare karbonylsyren har en negativ laddning, och det tidigare nukleofila centret är positivt laddat. Denna bipolära jon stabiliseras genom överföring av en proton från den positivt laddade Z-atomen (Brønsteds syra) till den negativt laddade syreatomen (basen). Den resulterande produkten genomgår ofta ytterligare omvandlingar, till exempel eliminering av vatten.

Olika föreningar kan fungera som nukleofiler, i vilka syreatomer (O-nukleofiler), svavelatomer (S-nukleofiler), kväve (N-nukleofiler), kolatomer (C-nukleofiler) fungerar som nukleofila centra.

Reaktiviteten av aldehyder och ketoner i nukleofila additionsreaktioner beror på elektrofilicitet hos kar-

http://mitht.ru/e-library

bonylgrupp: ju större partiell positiv laddning på kolatomen, desto lättare är det att fästa kärnan-

leophila. Eftersom aldehydmolekylerna vid karbonylkolatomen endast innehåller en kolväterest som uppvisar elektrondonerande egenskaper, och molekylerna av ketoner har två sådana rester, är det naturligt att anta att i det allmänna fallet i nukleofila additionsreaktioner är aldehyder mer reaktiva än ketoner. Elektronbortdragande substituenter, speciellt nära karbonylgruppen, ökar karbonylkolets elektrofilicitet och ökar därför reaktiviteten. Den steriska faktorn är också av viss betydelse: eftersom tillägget av kolatomen i karbonylgruppen förändrar hybridiseringen (sp2 → sp3), ju mer skrymmande substituenterna vid karbonylkolatomen är, desto större är de steriska svårigheterna som uppstår under denna övergång . Till exempel, i serien: formaldehyd, acetaldehyd, aceton, tert-butylmetylketon, minskar reaktiviteten.

(CH3)3C

a) Reaktioner med O-nukleofiler

Hydrering

När aldehyder och ketoner interagerar med vatten i en reversibel process bildas ett hydrat - geminal diol, som i de flesta fall är en mycket instabil förening, så denna jämvikt förskjuts kraftigt åt vänster.

Men för vissa karbonylföreningar kan denna jämvikt skiftas åt höger. Således är formaldehyd i en vattenlösning nästan helt i hydratiserad form (till skillnad från t.ex. aceton, i vilken vattenlösningen har en extremt liten hydratiserad form), och triklorättiksyraaldehyd (kloral), när den interagerar med vatten, förvandlas till ett mycket stabilt kloralhydrat även i kristallin form. .

CH2 \u003d OH 2 O CH2 (OH) 58 2

http://mitht.ru/e-library

Cl3CCH=O + H2O Cl3CCH(OH)2

kloral kloralhydrat

Interaktion med alkoholer (acetaliseringsreaktion)

Produkten av tillsats av en alkoholmolekyl till en aldehyd- eller ketonmolekyl, den så kallade hemiacetalen, är instabil. När en aldehyd eller keton interagerar med 2 ekvivalenter alkohol i en sur miljö bildas en stabil produkt -

acetal.

Låt oss ge mekanismen för den sista reaktionen med hjälp av exemplet på interaktionen av acetaldehyd med metylalkohol (1:2) i närvaro av en stark Bronsted-syra.

Protonering av karbonylgruppen i acetaldehyd leder till bildandet av en katjon i vilken den positiva laddningen delokaliseras. Jämfört med acetaldehyd är denna katjon mer elektrofil, och nukleofil tillsats av en metanolmolekyl till den sker mycket lättare. Tillsatsprodukten (oxoniumkatjon) är en stark syra, och när en proton avlägsnas från den bildas hemiacetal (1-metoxietanol).

		CH3CH=O H
CH3CH=O			HOCH3	CH3CHOH		CH3CHOH
		CH3CHOH		H O CH3		OCH3

http://mitht.ru/e-library

Vidare, genom den protonerade formen av denna hemiacetal, spjälkas vatten av med bildandet av en karbokatjon, till vilken nästa metanolmolekyl är fäst. Vid deprotonering av tillsatsprodukten, acetaldehyd-dimetylacetal(1,1-dimetoxietan).

							HOCH3
	CH3CHOH		CH3CHOH			CH3CH
	OCH3			OCH3		OCH3
	CH3CH		OCH3		CH3 CH OCH3
		OCH3			OCH3

Hela den beskrivna reaktionsprocessen, som kallas acetalisering, är reversibel, därför är det möjligt att effektivt utföra interaktionen av en aldehyd eller keton med en alkohol till en acetal endast genom att flytta jämvikten åt höger, till exempel genom att ta bort det bildade vattnet från reaktionssfären. Den omvända reaktionen är den sura hydrolysen av acetalen. Följaktligen är acetaler instabila i ett surt vattenhaltigt medium, eftersom de genomgår hydrolys.

			OCH3 + H2O						CH3CH=O + 2CH3OH
	OCH3

I acetaler är stabila i en alkalisk miljö, sedan hydrolys

V dessa förhållanden kan inte uppstå.

b) Reaktioner med S-nukleofiler

Svavelatomen i analoger av alkoholer - tioler (merkaptaner) - är en starkare nukleofil, så merkaptaner binds lättare till aldehyder och ketoner. I detta fall bildas produkter som liknar hemiacetaler och acetaler, till exempel när bensaldehyd reagerar med två ekvivalenter metantiol (metylmerkaptan) i ett surt medium bildas bensaldehyddimetyltioacetal.

		2CH3SH		CH(SCH3)2

(reaktioner av addition-klyvning).

Reaktioner av nukleofil substitution som involverar - hybridiserad kolatom. Låt oss överväga mekanismen för reaktioner av denna typ med hjälp av exemplet på interaktionen av karboxylsyror med alkoholer ( förestringsreaktion). I syrans karboxylgrupp, sid, -konjugation, eftersom ett elektronpar av syreatomen i OH-hydroxylgruppen går in i konjugering med en kol-syre-dubbelbindning (-bindning):

Sådan konjugering är å ena sidan orsaken till ökad surhet av karboxylföreningar, och å andra sidan en minskning av den partiella positiva laddningen () på kolatomen i karboxylgruppen (-hybridiserad atom), vilket i hög grad komplicerar nukleofilens direkta attack. För att öka laddningen på kolatomen används ytterligare protonering - syrakatalys (steg I):

I steg II, attacken av nukleofilen (alkoholmolekylen), sker protoneringen av hydroxylgruppen med bildandet av en brunn lämnande grupp, i steg III - dess eliminering och i steg IV - protonregenerering - återgång av katalysatorn med bildandet av slutprodukten - en ester. Reaktionen är reversibel, vilket observeras under hydrolysen av estrar, hydrolysen av fetter i biosystem.

Reaktioner av nukleofil addition. De mest karakteristiska reaktionerna av nukleofil addition () för oxoföreningar - aldehyder och ketoner. Mekanismen för dessa reaktioner har gemensamma drag; det är en tvåstegs jonprocess. Det första steget (begränsande) är en reversibel attack av nukleofilen Nu : med bildandet av den så kallade tetraedriska mellanprodukten. Det andra steget är en snabb elektrofil attack:

Oxoföreningens reaktivitet påverkas av naturen hos R och grupperna. Således minskar införandet av elektrondonerande substituenter reaktiviteten, medan införandet av elektronbortdragande substituenter förstärker den. Därför är aldehyder mer reaktiva än ketoner. Dessutom beror reaktiviteten på nukleofilens natur. Till exempel reagerar RSH-tioler, som är starkare nukleofiler än ROH-alkoholer, med både aldehyder och ketoner och bildar tioacetaler som är resistenta mot hydrolys, medan acetaler, produkterna från tillsats av alkoholer till aldehyder, inte är resistenta mot hydrolys:

Observera att de sista stegen i processen representerar attacken av nukleofilen (alkoholmolekylen) på det elektrofila reaktionscentret (karbocation) och följer mekanismen för nukleofil substitution. De resulterande intermediära föreningarna - hemiacetaler - är instabila. Deras stabilisering är endast möjlig i cyklisk form under bildandet av cykliska hemiacetaler, till exempel 5-hydroxipentanal:

Ett annat exempel på en biologiskt viktig reaktion av denna typ är tillsatsen av aminer och några andra kvävehaltiga föreningar till karbonylföreningar - aldehyder och ketoner. Reaktionen går med mekanismen för nukleofil addition-eliminering (-E), eller nukleofil addition-klyvning:

Andra kvävehaltiga föreningar som fungerar som nukleofiler i dessa reaktioner: hydrazin, hydroxylamin, fenylhydrazin .

Produkterna från -E-reaktionerna är i dessa fall föreningar med den allmänna formeln

kallas hydrazoner (X = ), oximer (X = OH), fenylhydrazoner (X = ), iminer (X = R), som kommer att diskuteras mer i detalj i de relevanta avsnitten.

Förutom de angivna additionsreaktionerna är reaktioner möjliga Annons R- fri radikaltillsats och polymerisation eller polykondensation.

Ad R - tillägg av fria radikaler

Ett exempel på en reaktion polykondensationär polykondensationen av fenol med aldehyder, i synnerhet med formaldehyd, vilket resulterar i bildandet av polymera reaktionsprodukter - fenol-formaldehydhartser och fasta polymerer.

Interaktionen mellan fenol och formaldehyd kan beskrivas med schemat:

Under loppet av ytterligare steg bildas en polymer och biprodukten av polykondensationsreaktionen, i detta fall, är vatten.

KAPITEL 4. OXOFÖRENINGAR (ALDEHYDER OCH KETONER).

Frågor till lektionen.

1. Elektronisk struktur för karbonylgruppen (>C=0) i oxoföreningar.

2. Effekt av substituenter på reaktiviteten av >C=0-bindningar i oxoföreningar.

3. Mekanism för nukleofil addition vid >C=0-bindningen.

4. Reaktioner av nukleofil addition (till exempel vatten, alkoholer, natriumbisulfit, HCN).

5. Reaktioner för addition-eliminering på exemplet med hydroxylamin, hydrazin, aminer.

6. Disproportioneringsreaktion med bensylaldehyd som exempel.

7. Aldol kondensationsreaktionsmekanism.

8. Oxidation av aldehyder och ketoner.

9. Polymerisation av aldehyder.

Beroende på arten av substituenterna associerade med karbonylgruppen delas karbonylföreningar in i följande klasser: aldehyder, ketoner, karboxylsyror och deras funktionella derivat.