(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.

Давайте подумаем, что может произойти с этой молекулой в водном растворе. Сперва дадим этой молекуле верное название. Самая длинная цепь состоит из трех атомов, корень названия - «проп». Итак, три атома в самой длинной цепи, значит «проп». Все связи одинарные, значит это пропан. Подпишу: пропан. Из трех атомов углерода основной цепи второй соединен с метильной группой и, кроме того, с атомом брома. Это означает «2-бром». Я запишу: «2-бром-2-метил». Хотя нет, так не пойдет. Неаккуратно вышло, мне нужно больше места. Итак, это вещество будет называться следующим образом. Давайте запишем: 2-бром-2-метилпропан. Как это вещество реагирует с водой? В этом случае вода является нуклеофилом. Здесь есть эти электронные пары. Кроме того, у атома кислорода высокая электроотрицательность. Нуклеофильные свойства не так сильны, как у гидроксид-аниона, который был в реакциях Sn2, но они все же есть. Это слабый нуклеофил. Вода - это слабый нуклеофил. Ее тянет к положительно заряженным ядрам атомов, ведь у атома кислорода есть частичный отрицательный заряд из-за его электроотрицательности. А здесь - частичный положительный заряд. Пусть это и не полноценный заряд, а всего лишь частичный, все равно это означает желание отдать электрон. Это слабый нуклеофил. Слабый нуклеофил. Будет еще несколько роликов об этом типе реакций и я объясню, когда идут реакции этого типа, а когда - реакции типа Sn2. Но, давайте вернемся к нашему примеру. В молекуле есть атом брома. У него высокая электроотрицательность и он становится стабильным, получая отрицательный заряд. Наличие заряда ухудшает стабильность. Но у него при этом будет 8 валентных электронов. Медленно и постепенно атом брома оттягивает на себя электронную плотность от углерода. Он подтягивает электроны к себе, благодаря своей электроотрицательности. Посмотрите на его валентные электроны. Один из них образует связь с атомом углерода. А вот и второй электрон этой связи. Плюс еще 6 валентных электронов. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. 7 валентных электронов. Представьте, что бром оттягивает на себя электрон атома углерода. Давайте я покажу для наглядности. Этот электрон окажется здесь. Он притянется на это место. Повторюсь, это медленный процесс, но он возможен. И, так как процесс медленный, возникает равновесие. В ходе этой внутримолекулярной реакции возникает равновесие. Что же тут получится? Атом углерода, метильная группа позади него, метильная группа впереди и также еще одна группа сверху. А бром отщепился. Нарисую его здесь. Связь разорвана. Вот его исходные валентные электроны: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Еще один электрон принадлежал атому углерода, но бром забрал его с собой. В результате, естественно, возник отрицательный заряд. Углерод, лишившись электрона, получает положительный заряд. Теперь добавим сюда атом кислорода. Хотя, нет, не кислород, добавим молекулу воды. Вот молекула воды. Нарисую молекулу воды. Пусть она и слабый нуклеофил, но углерод очень нуждается в электроне. Это третичный карбокатион, который довольно устойчив. Иначе ничего бы не получилось. Если бы этот атом был первичным или вообще не был бы связан с другими, превращение в карбокатион было бы крайне сложным. Однако он третичный и устойчивый, разве что заряд все портит. Ему нужен электрон. И этот электрон он позаимствует у молекулы воды. Вода отдаст один электрон, например, вот этот, поделившись с атомом углерода. Нуклеофил притягивается к положительно заряженному ядру углерода. И, что же дальше? На этой стадии реакция существенно ускоряется. Слева довольно стабильная ситуация, потому и равновесие. Но теперь реакция ускоряется и стрелка идет в одну сторону. Вот так. Получается что-то такое. Вот исходный атом углерода с заместителями. Вот метильная группа позади и еще одна впереди него. В дело вступает вода. Вот кислород и два водорода. У атома кислорода есть свои электроны, которые я покажу разным цветом. Вот электроны. Один из электронов этой пары отдан углероду. Теперь он находится здесь. Возникает связь. Электронная пара образовала связь. Вода имела нейтральный заряд, но, отдав один из своих электронов, она приобретает положительный заряд, при этом превращаясь в катион. Заряд положительный. И в этот момент другая молекула воды или даже бром могут забрать один из атомов водорода. При этом электрон вернется к кислороду. Лучше я нарисую это. Например, есть другая молекула воды. Их много. Вот другая молекула воды. Изображу ее здесь. Эта молекула вступает в реакцию. Все происходит одновременно. Кислород отдает один из электронов атому водорода. Одновременно с этим электрон от водорода возвращается к прежнему владельцу. Так кислород возвращает электрон. Что получится в результате? Вновь рисуем исходную молекулу. Давайте изобразим исходную молекулу. Метильная группа сзади, метильная группа спереди и еще одна сверху. И, конечно, не забываем про кислород с одним атомом водорода, потому что связь со вторым разорвана. А вот бромид-анион и его 8 валентных электронов. И еще ион гидроксония. Этот атом кислорода отдал электрон водороду, образовав связь с этим атомом. Валентные электроны этого атома кислорода будут выглядеть так. Эти два: раз, два. Еще один электрон участвует в связи с углеродом. Покажу другим цветом. Этот электрон оказывается вот здесь. Еще один тоже в составе связи, вот этой. Сейчас объясню. В составе связи с атомом водорода. Это связь с атомом водорода, но это не водородная связь. Надеюсь вы поняли. Один из валентных электронов теперь в составе связи. Вот еще один валентный электрон. Вот этот электрон связи с атомом водорода. Теперь он здесь. И еще один вернулся от атома водорода, вот он. У него вновь 6 валентных электронов. Пересчитаем: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Вот так взаимодействует 2-бром-2-метилпропан со слабым нуклеофилом. Я еще расскажу о разных нуклеофилах. Что же получилось в результате? Самая длинная цепь - 3 атома. Корнем названия по-прежнему будет «проп». О гидроксильной группе мы еще не говорили, но само ее наличие означает, что перед нами спирт. В названиях спиртов используется суффикс «анол». Теперь запишем это название - пропанол. Пропанол. Необходимо указать, при каком атоме располагается гидроксильная группа. Это пропанол-2. Хорошо. Пропанол-2. Не забываем также про наличие метильной группы. Это 2-метилпропанол-2. Механизм протекания этой реакции называется Sn1. Думаю, вы понимаете, почему Sn1, а не Sn2. Я это запишу. Реакция Sn1. S означает «замещение». Подпишу опять. n означает «нуклеофильное», как мы уже знаем. Нуклеофильное. В реакции участвовал слабый нуклеофил, а именно вода. Цифра 1 означает, что самая медленная. То есть лимитирующая, стадия этого механизма идет с участием всего лишь одного из реагентов. На самой первой лимитирующей стадии, бром отнимает электрон у углерода. Вода в этом не участвует. Скорость реакции Sn2 определяют оба реагента, а здесь только один. Поэтому и называется Sn1. До встречи! Subtitles by the Amara.org community

Имеем реагент НХ, который распадается

Атакует нуклеофильная частица, образуя анион.

Затем идет быстрое присоединение к аниону положительно-заряженной частицы Н + , образуется продукт реакции.

Электроноакцепторные заместители, оттягивая на себя электронную плотность, увеличивают атома углерода и скорость протекания реакции. Поэтому хлоруксусный альдегид активнее чем уксусный.

δ +

Электронодонорные группы (поставщики электронов) снижают на атоме углерода, поэтому муравьиный альдегид активнее чем уксусный

У кетонов, в отличии от альдегидов, с кетонной группой связаны два радикала, понижающие активность молекулы. Поэтому кетоны обладают меньшей активностью, чем альдегиды. Арилы еще более сильные электронодоноры, поэтому ароматические альдегиды и кетоны менее активны, чем алифатические. Карбонильные соединения можно расположить в ряд по уменьшению активности:

На реакционную способоность карбонильной группы влияет и размер радикала, так как при большом размере R затрудняется доступ реагента к атому углерода:

На основе механизма приведем примеры реакций нуклеофильного присоединения:

Присоединение водорода. Из альдегидов получаются первичные спирты, а из кетонов – вторичные:

Присоединение цианводорода (НСN). При этом получаются циангидрины (гидроксинитрилы):

Присоединение гидросульфита натрия (NаНSО 3), при этом получаются гидросульфитные соединения:

Эти вещества легко разлагаются при нагревании с разбавленными кислотами с выделением в чистом виде альдегидов и кетонов.

Присоединение магнийорганических соединений (МОС) (Реактив Гриньяра):

Вывод: из муравьиного альдегида и любого МОС получаются первичные спирты , из других альдегидов и любого МОС – вторичные спирты , а из кетонов и любого МОС – третичные спирты . Для того, чтобы получить, например, бутанол-1 – первичный спирт СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 ОН , необходимо взять муравьиный альдегид и СН 3 – СН 2 – СН 2 – MgJ .

Реакции нуклеофильного присоединения (реакция-AdN)

Двойная связь в карбонильной группе сильно поляризована из-за большого различия в электроотрицательности кислорода и углерода. Электронная плотность смещена к атому кислорода и углеродный атом карбонильной группы проявляет электрофильные свойства. Поэтому для карбонильных соединений характерны реакции присоединения нуклеофилов к электронодефицитному атому углерода.

Лимитирующей стадией реакции является атака нуклеофильной частицы электрофильного углеродного атома карбонильной группы, с образованием связи за счет электронов нуклеофила. Одновременно происходит гетеролитический разрыв р-связи С=О, что приводит к образованию алкоксид-иона. При этом карбонильный углерод переходит в состояние sp 3 гибридизации.

Алкоксид-ион является сильным основанием и поэтому быстро протонируется с образованием нейтрального конечного продукта присоединения.

Если в реакцию вступает азотистый нуклеофил (амины, гидроксиламин, и т.д.), то образовавшийся нейтральный продукт присоединения подвергается дегидратации с образованием двойной связи между карбонильным углеродом и нуклеофильным агентом.

Нуклеофильное присоединение к карбонильной группе - процесс обратимый, за исключением реакций идущих с образованием спиртов и с присоединением металлоорганических соединений.

Альдегиды более реакционноспособны в реакциях присоединения нуклеофильных реагентов по сравнению с кетонами. Это связано с отсутствием стерических препятствий у альдегидов для атаки нуклеофильного агента. А в кетонах две алкильные группы создают пространственные затруднения для атаки нуклеофила и образования тетраэдрического продукта присоединения. Так же на низкую реакционную способность кетонов оказывает их более высокая термодинамическая стабильность по сравнению с альдегидами (теплота образования кетона ниже теплоты образования соответствующего альдегида).

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.