Є похідними вуглеводнів, у молекулах яких два атоми водню, що були при одному атомі вуглецю, заміщені атомом кисню. Група >С=О, що виходить таким шляхом, називається карбонільною групою, або оксогрупою. Якщо карбонільна група пов'язана з одним водневим атомом і вуглеводневим радикалом (або двома атомами водню), то такі сполуки називають альдегідами, а групу - альдегідною, якщо карбонільна група пов'язана з двома вуглеводневими радикалами, сполуки називають кетонами, а групу - кетогрупою. Таким чином, альдегіди і кетони є одним класом органічних речовин - оксосполуки.

Атомні орбіталі вуглецю карбонільної групи перебувають у стані sp 2 -гібридизації. Три гібридні орбіталі, розташовані в одній площині під кутом » 120 ° один по відношенню до друга, беруть участь в утворенні трьох s-зв'язків. Негібридна р-орбіталь атома вуглецю, розташована перпендикулярно до площини, в якій лежать s-зв'язку, бере участь у освіті p-зв'язку з атомом кисню. Подвійний зв'язок вуглець-кисень полярний, електронна щільність зміщена до більш негативного атома кисню, на якому виникає частковий негативний заряд, а на атомі вуглецю карбонільної групи - частковий позитивний заряд:

З цього випливає, що характерною для карбонільного групи реакцією повинна бути нуклеофільна атака по атому вуглецю. У молекулах карбонільних сполук, крім електрофільного центру – атома вуглецю оксогрупи – є й інші реакційні центри. Атом кисню за рахунок неподіленої пари електронів виступає у реакціях як основний центр, реагуючи з кислотами. Альдегіди та кетони є слабкими основами, концентрація протонованої форми карбонільного з'єднання досягає величин »0,1-1% тільки в 60-80% сірчаної кислоти.

Внаслідок приєднання протона за рахунок утворення s-зв'язку О-Н зростає електрофільність атома вуглецю оксогрупи та полегшується приєднання нуклеофільної частки.

Гідратація кетонів можлива лише у присутності кислот чи лугів як каталізаторів.

Механізм реакції гідратації при кислотному каталізі:

На першому етапі протон приєднується до атома кисню карбонільної групи (за рахунок неподіленої пари електронів кисню) з утворенням оксонієвого катіону, який на наступному етапі перетворюється на карбкатіон, легко (за рахунок цілого позитивного заряду на вуглеці) нуклеофільної атаки. Оксонієвий катіон, що утворюється, стабілізується відщепленням протона (повернення каталізатора).

Механізм реакції гідратації при основному каталізі:

При проведенні гідратації в лужному середовищі гідроксид-іон атакує електрофільний атом вуглецю карбонільної групи з утворенням оксонієвого аніону, який стабілізується далі шляхом відщеплення протона від молекули води.

На відміну від більшості карбонільних сполук, 2,2,2-трихлоретаналь (хлораль) легко реагує з водою, утворюючи стійкий продукт гідратації - хлоральгідрат, що використовується в медицині та ветеринарії як заспокійливий та снодійний засіб. Підвищена реакційна здатність цієї сполуки пояснюється сильним електроноакцепторним ефектом трихлорметильної групи, яка збільшує ефективний заряд позитивний на атомі вуглецю карбонільної групи, а також стабілізує продукт реакції.

Реакції приєднання спиртів

У присутності сухого хлороводню альдегіди реагують зі спиртами, утворюючи ацеталі. Проміжно утворюються напівацеталі в більшості випадків у вільному вигляді виділити неможливо. Слід зазначити, що перетворення напівацеталів в ацеталі без кислотних каталізаторів немає.

Перетворення альдегідів на напівацеталі відбувається за механізмом нуклеофільного приєднання А N , а подальше перетворення напівацеталю на ацеталь представляє нуклеофільне заміщення.

Необхідність використання кислотного каталізу при перетворенні напівацеталів в ацеталі обумовлена ​​тим, що ОН-група є поганою. Для перетворення її в групу, що добре йде, - молекулу Н 2 Про - використовують кислоти в якості каталізаторів.

У разі реакцій кетонів зі спиртами позитивний заряд на атомі вуглецю карбонільної групи виявляється недостатнім для безпосередньої атаки молекулою спирту і кеталі одноатомних спиртів таким шляхом отримати не можна. Їх отримують з використанням ортоефірів мурашиної кислоти.

Реакції утворення напівацеталей та ацеталей характерні для природних гетерополіфункціональних сполук – вуглеводів. Моносахариди є, як правило, полігідроксиальдегідами або полігідроксикетонами, всередині молекул яких між гідроксильною та карбонільною групами відбувається взаємодія, що призводить до утворення гетероциклу:

Циклічні форми моносахаридів є циклічними напівацеталями або циклічними напівкеталями. Утворення олігосахаридів і полісахаридів є реакцією утворення ацеталю, що повторюється багаторазово:

Полісахариди, як ацеталі, піддаються гідролізу лише у кислому середовищі.

Приєднання меркаптанів RSH до альдегідів та кетонів призводить до утворення, відповідно, тіоацеталів. Здатність молекул меркаптанів ефективно атакувати атом вуглецю карбонільної групи кетонів відображає велику схильність RSH (порівняно з ROH) до утворення ефективних нуклеофілів RS-, тобто більшу кислотність тіолів порівняно зі спиртами.

Хімія альдегідів та кетонів визначається наявністю карбонільної групи. Ця група, по-перше, є місцем нуклеофільної атаки і, по-друге, збільшує кислотність атомів водню, пов'язаних з вуглецевим атомом. Обидва ці ефекти цілком узгоджуються з будовою карбонільної групи, і насправді обидва зумовлені здатністю кисню приймати негативний заряд.

(У цьому розділі розглянуті лише найпростіші типи реакцій нуклеофільного приєднання. У гл. 27 будуть обговорені також реакції водневих атомів.)

Карбонільна група містить подвійний вуглець-кисневий зв'язок; оскільки рухливі електрони сильно відтягнуті до кисню, вуглець карбонільної групи є електронодефіцитним центром, а кисень карбонільної групи - електронадлишковим. Оскільки ця частина молекули плоска, вона відносно доступна для атаки зверху або знизу від цієї площини у напрямі перпендикулярному до нього. Не дивно, що ця поляризована доступна група дуже реакційноздатна.

Які реагенти атакуватимуть таку групу? Оскільки найважливіша стадія в цих реакціях - утворення зв'язку з електронодефецитним (кислим) карбонільним вуглецем, то карбонільна група найбільше схильна до взаємодії з електронадлишковими нуклеофільними реагентами, тобто з основами. Типовими реакціями альдегідів та кетонів будуть реакції нуклеофільного приєднання.

Як і слід очікувати, найбільш вірну картину реакційної здатності карбонільної групи можна отримати, якщо розглянути перехідний стан для приєднання нуклеофіла. У реагенті атом вуглецю тригональний. У перехідному стані атом вуглецю починає приймати тетраедричну конфігурацію, яку він матиме у продукті; таким чином, пов'язані з ним групи дещо зближуються. Тому очікується прояви деяких просторових труднощів, т. е. великі групи більшою мірою перешкоджатимуть цьому зближенню, ніж групи меншого розміру. Але перехідний стан цієї реакції буде щодо менш утрудненим, ніж перехідний стан для, скажімо, -реакції, у якому вуглець пов'язані з п'ятьма атомами. Саме ця відносна неутрудненість і мають на увазі, коли кажуть, що карбонільна група доступна для атаки.

У перехідному стані кисень починає купувати електрони та негативний заряд, який він матиме в кінцевому продукті. Саме тенденція кисню набувати електрони, точніше його здатність нести негативний заряд, і є дійсною причиною реакційної здатності карбонільної групи по відношенню до нуклеофілів, (Полярність карбонільної групи не є причиною реакційної здатності, а лише ще одним проявом електронегативності кисню.)

Альдегіди, як правило, легше вступають у реакцію нуклеофільного приєднання, ніж кетони. Ця відмінність у реакційної здатності узгоджується з характером проміжного стану реакції і, мабуть, пояснюється спільною дією електронних та просторових факторів. Кетон містить другу алкільну або арильну групу, а альдегід – атом водню. Друга арильна або алкільна група кетону більша, ніж атом водню в альдегіді, і тому вона більшою мірою перешкоджатиме збільшенню просторової утрудненості в перехідному стані. Алкільна група подає електрони і тим самим дестабілізує перехідний стан за рахунок посилення негативного заряду на кисні.

Можна очікувати, що арильная група з її електронооттягивающим індуктивним ефектом (завдання 18.7, стор. 572) стабілізуватиме перехідний стан і цим прискорювати реакцію; однак, мабуть, цей ефект ще більшою мірою стабілізує вихідний кетон внаслідок резонансу (внесок структури I) і в результаті дезактивує кетон у реакції, що розглядається.

протонована форма

Основність альдегідів та кетонів невисока, проте вона відіграє помітну роль у реакціях нуклеофільного приєднання, оскільки в протонованій формі електрофільність атома вуглецю значно вища. Тому типові для альдегідів та кетонів реакції AdN можуть каталізуватися кислотами.

2.2. Реакції нуклеофільного приєднання

Взаємодія альдегідів та кетонів з нуклеофільними агентами здійснюється за наступним загальним механізмом:

Нуклеофіл Z–Н (дуже часто при нуклеофільному центрі є атом водню) приєднується до електрофільного атома вуглецю карбонільної групи за рахунок неподіленої пари електронів нуклеофільного центру, утворюючи продукт, в якому на колишньому карбонільному кисні знаходиться негативний заряд, а колишній ну. Цей біполярний іон стабілізується перенесенням протона від позитивно зарядженого атома Z (кислота Бренстеда) до негативно зарядженого атома кисню (основа). Продукт, що утворився при цьому, часто зазнає подальших перетворень, наприклад, відщеплення води.

Як нуклеофіли можуть виступати різні сполуки, в яких як нуклеофільні центри виступають атоми кисню (О-нуклеофіли), сірки (S-нуклеофіли), азоту (N- нуклеофіли), вуглецю (С-нуклеофіли).

Реакційна здатність альдегідів і кетонів у реакціях нуклеофільного приєднання залежить від електрофільності кар-

http://mitht.ru/e-library

бонільної групи:чим більше частковий позитивний заряд на атомі вуглецю, тим легше відбувається приєднання нук-

леофіла. Оскільки в молекулах альдегідів при карбонільному атомі вуглецю міститься лише один вуглеводневий залишок, що виявляє електронодонорні властивості, а в молекулах кетонів таких залишків два, то природно припустити, що в загальному випадку у реакціях нуклеофільного приєднання альдегіди більш реакційноздатні, ніж кетони. Електроноакцепторні заступники, особливо поблизу карбонільної групи, збільшують електрофільність вуглецю карбонільного і, отже, підвищують реакційну здатність. Певне значення має і стеричний фактор: оскільки при приєднанні атом вуглецю карбонільної групи змінює гібридизацію (sp2 → sp3 ), то чим об'ємніші заступники при карбонільному атомі вуглецю, тим більші просторові труднощі виникають при цьому переході. Наприклад, у ряді: формальдегід, оцтовий альдегід, ацетон, трет-бутилметилкетон, реакційна здатність зменшується.

(CH3) 3 C

а) Реакції з О-нуклеофілами

Гідратація

При взаємодії альдегідів і кетонів з водою у оборотному процесі утворюється гідрат – гемінальний діол, який у більшості випадків є дуже нестабільною сполукою, тому ця рівновага сильно зміщена вліво.

Однак для деяких карбонільних сполук ця рівновага може бути зміщена вправо. Так, у водному розчині формальдегід практично повністю знаходиться у гідратній формі (на відміну, наприклад, від ацетону, у водному розчині якого гідратної форми надзвичайно мало), а трихлороцтовий альдегід (хлораль) при взаємодії з водою перетворюється на дуже стійкий навіть у кристалічному вигляді хлоральгідрат .

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

http://mitht.ru/e-library

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

хлораль хлоральгідрат

Взаємодія зі спиртами (реакція ацеталізації)

Продукт приєднання до молекули альдегіду або кетону однієї молекули спирту – так званий напівацеталь – нестійкий. При взаємодії альдегіду або кетону з 2 еквівалентами спирту в кислому середовищі, то утворюється стійкий продукт -

ацеталь.

Наведемо механізм останньої реакції з прикладу взаємодії оцтового альдегіду з метиловим спиртом (1:2) у присутності сильної кислоти Бренстеда.

Протонування карбонільної групи оцтового альдегіду призводить до утворення катіону, в якому позитивний деколізований заряд. У порівнянні з оцтовим альдегідом цей катіон більш електрофілен, і нуклеофільне приєднання молекули метанолу до нього відбувається значно легше. Продукт приєднання (катіон оксонію) є сильною кислотою, і при відщепленні від нього протону утворюється напівацеталь (1-метоксиетанол).

		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

Далі через протоновану форму цього напівацеталю відбувається відщеплення води з утворенням карбокатіону, до якого приєднується наступна молекула метанолу. При депротонуванні продукту приєднання утворюється диметилацеталь оцтового альдегіду(1,1-диметоксіетан).

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

Весь описаний процес реакції, яку називають ацеталізацією, звернемо, тому ефективно провести взаємодію альдегіду або кетону зі спиртом до ацеталю можна тільки, зміщуючи рівновагу вправо, наприклад, видаляючи воду, що утворюється, зі сфери реакції. Зворотна реакція є кислотним гідролізом ацеталю. Отже, у кислому водному середовищі ацеталі нестійкі, оскільки зазнають гідролізу.

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

У лужному середовищі ацеталі стійкі, оскільки гідроліз

в цих умовах статися неспроможна.

б) Реакції з S-нуклеофілами

Атом сірки в аналогах спиртів – тіолах (меркаптанах) – є сильнішим нуклеофілом, тому меркаптани легше приєднуються до альдегідів та кетонів. При цьому утворюються продукти, аналогічні напівацеталям і ацеталям, наприклад, при взаємодії бензальдегіду з двома еквівалентами метантіолу (метилмеркаптану) у кислому середовищі утворюється диметилтіоацеталь бензальдегіду.

		2CH3 SH		CH(SCH3 )2

(Реакції приєднання-відщеплення).

Реакції нуклеофільного заміщення за участю – гібридизованого атома вуглецю.Механізм реакцій цього розглянемо з прикладу взаємодії карбонових кислот зі спиртами ( реакція етерифікації). У карбоксильній групі кислоти реалізується p, -спряження, оскільки пара електронів атома кисню гідроксильної групи ВІН вступає в сполучення з подвійним вуглець-кисневим зв'язком (-зв'язком):

Таке сполучення є причиною, з одного боку, підвищеної кислотності карбоксильних сполук, а з іншого - зменшення часткового позитивного заряду () на атомі вуглецю карбоксильної групи (гібридизованому атомі), що значно ускладнює безпосередню атаку нуклеофіла. З метою збільшення заряду на атомі вуглецю використовують додаткове протонування – кислотний каталіз (стадія I):

На стадії II відбувається атака нуклеофіла (молекули спирту), протонування гідроксильної групи з утворенням групи, що добре йде, на стадії III - її відщеплення і а стадії IV - регенерація протона - повернення каталізатора з утворенням кінцевого продукту - складного ефіру. Реакція оборотна, що спостерігається при гідролізі складних ефірів, гідроліз жирів у біосистемах.

Реакція нуклеофільного приєднання.Найбільш характерні реакції нуклеофільного приєднання () для оксосоединений - альдегідів та кетонів. Механізм цих реакцій має спільні риси, це двостадійний іонний процес. Перша стадія (лімітує) є оборотною атакою нуклеофілом Nu : з утворенням так званого тетраедричного інтермедіату. Друга стадія – швидка атака електрофілом:

На реакційну здатність оксосоединения впливає природа груп R і . Так, введення електронодонорних заступників знижує реакційну здатність, а електроноакцепторних – посилює. Тому альдегіди більш активні у реакціях, ніж кетони. З іншого боку, реакційна здатність залежить від природи нуклеофіла. Наприклад, тіоли RSH, будучи сильнішими нуклеофілами, ніж спирти ROH, вступають у реакцію як з альдегідами, так і з кетонами, утворюючи стійкі до гідролізу тіоацеталі, тоді як ацеталі - продукти приєднання спиртів до альдегідів - до гідролізу не стійкі:

Зверніть увагу, що останні стадії процесу є атакою нуклеофілу (молекули спирту) на електрофільний реакційний центр (карбкатіон) і йдуть за механізмом нуклеофільного заміщення. Проміжні сполуки, що утворюються, - напівацеталі - є нестійкими. Стабілізація їх можлива тільки в циклічній формі при утворенні циклічних напівацеталей, наприклад 5-гідроксипентаналю:

Інший приклад біологічно важливої ​​реакції цього типу - приєднання амінів та деяких інших азотовмісних сполук до карбонільних сполук - альдегідів та кетонів. Реакція йде по механізму нуклеофільного приєднання-елімінування (-E), або нуклеофільного приєднання-відщеплення:

Інші азотовмісні сполуки, що виступають у цих реакціях у ролі нуклеофіла: гідразин, гідроксиламін, фенілгідразин .

Продуктами реакцій -Е у цих випадках є сполуки загальної формули

звані гідразони (X = ), оксими (X = ВІН), феніл-гідразони (X = ), імінами (X = R), що буде більш докладно розглянуто у відповідних розділах.

Крім зазначених реакцій приєднання, можливі реакції Ad R- вільнорадикального приєднання та полімеризації або поліконденсації.

Ad R – вільнорадикальне приєднання

Прикладом реакції поліконденсаціїє поліконденсація фенолу з альдегідами, зокрема, з формальдегідом, в результаті якої відбувається утворення полімерних продуктів реакції - фенолформальдегідних смол та твердих полімерів.

Взаємодія фенолу з формальдегідом можна описати схемою:

У результаті подальших стадій утворюється полімер, а побічним продуктом реакції поліконденсації, у разі, є вода.

РОЗДІЛ 4. ОКСПОЄДНАННЯ (АЛЬДЕГІДИ І КЕТОНИ).

Запитання до заняття.

1. Електронна будова карбонільної групи (C=0) в оксосоединениях.

2. Вплив заступників на реакційну здатність >C=0- зв'язку в оксосоединениях.

3. Механізм нуклеофільного приєднання >C=0 зв'язку.

4. Реакції нуклеофільного приєднання (на прикладі води, спиртів, бісульфіту натрію, HCN).

5. Реакції приєднання-відщеплення на прикладі гідроксиламіну, гідразину, амінів.

6. Реакція диспропорціонування на прикладі бензилальдегіду.

7. Механізм реакції альдольної конденсації.

8. Окислення альдегідів та кетонів.

9. Полімеризація альдегідів.

Залежно від характеру пов'язаних з карбонільною групою замісників карбонільні сполуки ділять на такі класи: альдегіди, кетони, карбонові кислоти та їх функціональні похідні.