Лекция 8. Нуклеофильное присоединение к кратным связям углерод-гетероатом. Карбонильные соединения

1. Нуклеофильное присоединение к кратным связям углерод-гетероатом Карбонильные соединения

Нуклеофильное присоединение к
кратным связям углеродгетероатом
Карбонильные соединения
Лекция 8

2. Реакции нуклеофильного присоединения в алкенах

H
Nu -
δ+
+
C
C
Z
Nu
-
C
C
H+
Nu
Z
C
C
Z
( Nu : )
нуклеофил
продукт
карбанион
субстрат
O
Z – электроноакцепторная группа:
C
N
C
C
R
NH 3 (избыток)
Цианоэтилирование
δ+
H2C
CH
C
акрилонитрил
O
(C 2H5)2NH (избыток)
C
NH2
H2NCH 2CH 2CN
(C 2H5)NCH 2CH 2CN
N
C2H5OH
CH 3SH
O
C2H5OCH 2CH 2CN
CH 3SCH 2CH 2CN
NO 2
OR

3. Реакционная способность карбонильной группы

R
δ+
δ-
C
O
C
O
+
C
O
-
Ξ
R1
диполь
Значительный вклад в
резонанс
(30-40%)
δ+
δ-
C
O

4. Реакционная способность карбонильной группы

Реакционная способность карбонильной группы как следствие сильной поляризации
R
Нуклеофилы (богатые
электронами или с δ-)
реагируют с электрофильным
атомом углерода
R
C
Nu
R1
O
C
R1
Электрофилы (например, Н+)
реагируют с нуклеофильным
атомом кислорода
O
E

5. Поляризация карбонильной группы в соединениях RCOX

Более электроноакцепторные
Менее электроноакцепторные
R
C
R
C
O
O
C
O
O
Cl
R
R
C
O
H
R
R'
O
R
C
O
R'O
C
O
R' 2N
R'
Х
Класс
соединений
галогенид
алканоат
водород
алкил
алкокси
амино
хлорангидрид
ангидрид
альдегид
кетон
сложный эфир
амид
Более электрофильный
Менее электрофильный
Более реакционноспособный
Менее реакционноспособный

6. Реакционная способность карбонильной группы

Легкость нуклеофильной атаки по
атому углерода карбонильной
группы альдегида или кетона
зависит от: (1) величины частичного
положительного заряда на атоме
углерода, (2) его пространственной
доступности и (3) кислотноосновных свойств среды

7. Механизмы реакций: некатализируемое и кислотно-катализируемое AN

Тип I. Некатализируемое
АN
Медленно
Nu-
Быстро
R
R1
C
O
-
Н+
Nu
R
R
C
R1
O
C
Nu
R1
Быстро
Медленно
R
+
Н+
C
OH
Nu-
R1
Тип II. Кислотно-катализируемое АN
OH

8. Механизмы реакций: AN, катализируемое основаниями (тип III)

Роль основания: превращение атакующего агента в более активную форму
HNu
+
-
быстро
HB
B
+
Nu
R
R
1 стадия:
-
C
O
+
Nu
-
медленно
R1
R1
C
R1
-
Nu
R
2 стадия:
O
C
Nu
R
O
-
+
HB
быстро
R1
C
OH
+
B
-
Nu
Если оба заместителя Н, Alk, Ar– реакции типа I и II
Кислоты и их производные (один из заместителей OH, OR, NH2) – реакция типа III

9. Промежуточные выводы

Электронная плотность на карбонильном углероде
выше в переходном состоянии, чем в исходном.
В исходном состоянии карбонильный углерод окружен
тремя лигандами, в переходном – четырьмя, т.е.
переходное состояние более пространственно
затруднено, чем исходное.
Электронодонорные эффекты (+I, +M) – снижение
реакционной способности субстрата.
Электроноакцепторные эффекты (-I, -M) – повышение
реакционной способности субстрата

10. Влияние сопряжения на реакционную способность субстрата

За счет +М-эффекта бензольного кольца снижается частичный положительный заряд на
карбонильном атоме углерода:
O
O
CH 3
δ+
C
δ’+
C
δ+ > δ’+
H
H
ацетальдегид
бензальдегид
Стабилизация исходного состояния:
H
O
-
H
O
C
C
+
-
-
H
O
H
O
C
C
+
+
Ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособны, чем алифатические

11. Влияние стерических факторов на реакционную способность субстрата

O
H3C
C
CH3
H3C
O
CH3
C
C
CH3
H3C
CH3
ацетон
3,3-диметилбутанон-2
CH3 O
CH3
C
C
CH3
C
CH3
CH3
2,2,4,4-тетраметилпентанон-3
Уменьшение реакционной способности

12. Влияние агента на скорость реакций АN

Участие нуклеофильного агента в скорость лимитирующей стадии АN
С повышением нуклеофильности агента скорость АN увеличивается

13.

Типичные реакции AN:
реакции с
кислородсодержащими
нуклеофилами

14. Реакции с водой (гидратация)

Катализируется и кислотами, и основаниями
OH
O
+
R
H2O
R
H
C
OH
H
гидратная форма альдегида
(гем-диол)
Cl
Cl
O
α
Cl
C C
Cl
H
трихлороацетальдегид
(хлораль)
Cl
OH
C
C
Cl
H
OH
хлоральгидрат
Устойчивая
кристаллическая
гидратная форма

15. Реакция со спиртами, получение ацеталей

1) АN
2) SN1

16. Реакция со спиртами, получение ацеталей. Пример реакции

1) АN
O
H3C
OH
+
C
C2H5OH
H3C C
OC 2H5
H
H
1-этоксиэтанол
(полуацеталь)
2) SN1
OH
H3C C
H
OC 2H5
H+
OC 2H5
+
C2H5OH
H3C
C
OC 2H5
+
H2 O
H
1,1-диэтоксиэтан
(ацеталь)
OR 1
R
C
H
OR 2
Ацетали —простые эфиры типа R—CH(OR1)(OR2), где R1 и R2 — углеводородные радикалы:
CH3, C2H5 и др. Если один из R1 или R2 представляет собой просто атом водорода, то данное
соединение называют полуацеталем

17. Промежуточные выводы

Взаимодействие карбонильных соединений со спиртами в
безводных условиях в присутствии кислот и при удалении
образующейся в реакции воды приводит к образованию ацеталей
Взаимодействие ацеталей с водными растворами кислот приводит к
гидролизу ацеталей
Устойчивость ацеталей в щелочных средах

18. Реакция с тиолами

SR
H+
C
O
+
C
RSH
SR
SC2H5
O
H3C
+
C
H
HCl
2C2H5SH
H3C
SC2H5
H
1,1-ди(этилтио)этан
(дитиоацеталь)
+
H2O

19. Реакции с азотосодержащими нуклеофилами I

Реакция присоединения-отщепления:
R
O
C
O
+
..
H2N
R
X
R1
-
..
H
+
C
N
R1
H
H
OH
R
X
C
..
H+
N
X
R1
гем-аминоспирт
биполярный ион
аминаль
H
+
H
H
O
R
C
..
R1
катион
- H2O
R
H
+
N
C
X
R1
..
- H+
R
N
C
X
R1
..
N
X

20. Зависимость реакций присоединения-отщепления от рН среды

Зависимость реакций присоединенияотщепления от рН среды
Определяется:
1) Кислотным катализом отщепления воды от аминаля
2) Высокой основностью нуклеофильного агента
Скоростьлимитирующая стадия – взаимодействие
карбонильного соединения с нуклеофилом
(в сильнокислой среде нуклеофил XNH2
существует в виде неактивного иона аммониевого
иона ХNH3+)
Скоростьлимитирующая стадия – отщепление
воды от протонированной формы аминаля

21. Реакции с азотосодержащими нуклеофилами II

1) Реакция с аминами
C6H5CH
O
+
бензальдегид
C
H2NC 6H5
анилин
NH (R)
C6H5CH
NC 6H5
+
H2O
N-бензилиденанилин
Имины (основания Шиффа)
2) Реакция с гидроксиламином
H3C
H3C
C
H3C
O
+
[H3NOH]Cl
гидрохлорид
гидроксиламина
C
H3C
N
OH
+
HCl
+
H2 O
оксим ацетона
C
NOH
Оксимы

22. Реакции с азотосодержащими нуклеофилами III

3) Реакция с гидразинами
CH3CH
O
+
H2N
CH3CH
NH2
гидразин
C
NNH 2 (R)
N
NH2
гидразон ацетальдегида
- H2O
CH3CH
N
N
CHCH3
азин ацетальдегида
Гидразоны
4) Реакция с семикарбазонами
O
+
H2N
NH
C
O
циклогексанон
семикарбазид
NH2
N
- H2O
NH
C
NH2
O
семикарбазон циклогексанона

23. Получение гидразонов

Эту реакцию можно использовать для выделения альдегидов и
кетонов из смесей и их хроматографической идентификации.

24.

Типичные реакции AN:
реакции с
углеродсодержащими
нуклеофилами

25. Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами

Образование
углерод-углеродных связей
Наращивание углеродного
скелета карбонильного
соединения
Применение в синтетической
органической химии
Применяемые нуклеофилы:
• циановодородная кислота HCN
• магнийорганические соединения (реактивы Гриньяра, криптооснования)
δ+
C
X
δ-
δ-
+
C
δ+
C
M
C
XM
реактив Гриньяра
М – Li или MgHal
• сильные основные свойства
Получение:
R
• карбанионы
Hal
+
Mg
R
MgHal
• нуклеофильные свойства

26. Присоединение магнийорганических соединений

Универсальный способ синтеза спиртов:
Формальдегид → первичные спирты
Другие альдегиды → вторичные спирты
Кетоны → третичные спирты
R
R1
MgBr
+
C
O
O
+
H2O
+
C
OMgBr
R
R1
R
C
R
CH3CH
R1
R
R
Mg(OH)Br
OH
H2O
CH3CH2CH2MgBr
H3C
CH
CH2CH2CH3
OMgBr
пропилмагнийбромид
H3C
CH
CH2CH2CH3
OH
пентанол-2
+
Mg(OH)Br

27. Взаимодействие карбонильных соединений с карбанионами

Протекают в условиях кислотного и основного катализа
R
C
H
+
O
X
C
R
Y
H
R1
нуклеофильное
присоединение
Альдегид или кетон
СН-кислота
Карбонильная
компонента
Метиленовая
компонента
OH
H
C
C
R1
Y
дегидратация
X
R
X
R1
Y
- Н2О
Продукт
конденсации
Продукт
дегидратации
СН-кислоты – очень слабые кислоты, отщепляют протон только в присутствии сильных оснований
CH
CH
+
C
O
+
B
-
C
C
C
-
O
+
HB
+ HB
C
C
OH
+
B
-

28. Альдольная конденсация

Альдольная конденсация - взаимодействие двух молекул альдегида,
приводящее к образованию альдегидоспирта
Одна молекула альдегида – карбонильная компонента, другая – метиленовая компонента (нуклеофил)
Протекает при действии на альдегиды или кетоны разбавленных щелочей
O
CH 3CH 2
C
O
KOH, 10 °C
CH 3CH 2
H
пропионовый альдегид
CH
CH
OH
CH 3
C
H
3-гидрокси-2-метилпентаналь,
60%
Обратимая реакция. Обратный процесс называется альдольное расщепление
(ретроальдольная реакция)

29. Альдольная конденсация: механизм реакции

1) Образование карбаниона: отщепление протона от α-СН-кислотного центра молекулы альдегида под действием
основания
O
CH 3CH
-
HO
C
- H2O
-
CH 3CH
H
-
O
C
O
CH 3CH
H
H
H
карбанион
2) Образование альдоля
C

30. Кротоновая конденсация

Кротоновая конденсация - взаимодействие между двумя молекулами
альдегида или кетона с отщеплением воды
СН-кислотный центр
OH
2 CH 3CH 2
C
H
OH H
O
CH
CH3
C
CH 3CH 2
H
C
H
C
CH3
O
O
C
CH 3CH 2
H
- H2O
C
C
H
CH3
C
H
2-метилпентен-2-аль
Протеканию дегидратации способствует наличие α-СН-кислотного центра и π,π-сопряжения в
образующемся α,β-ненасыщенном альдегиде или кетоне

31. Присоединение цианводородной кислоты: получение гидроксинитрилов

Позволяет удлинить углеродную цепь на один атом углерода
Катализируется основаниями
HCN
+
-
-
быстро
C
OH
O
CH 3CH 2CH
O
+
+
N
CH 3CH 2
H2O
-
CH
OH
H2O
медленно
C
N
C
N
CH 3CH 2
CH
C
N
2-гидроксибутанонитрил
пропаналь
OH
CH 3CH 2
CH
H+
C
N
+
2H2O
CH 3CH 2
CH
COOH
+
HO
2-гидроксибутановая кислота
NH 4+
+
+
-
OH

32. Другие химические свойства альдегидов и кетонов

33. Реакции полимеризации

Образование полимеров - результат нуклеофильной атаки атомом
кислорода одной молекулы альдегида карбонильного атома углерода
другой молекулы. При стоянии формалина выпадает в виде белого
осадка полимер формальдегида - параформ.
Подобные реакции свойственны в основном альдегидам. При
нагревании с минеральными кислотами полимеры альдегидов
распадаются на исходные продукты.

34. Окисление альдегидов

Окисление - превращение, протекающее с увеличением степени
окисления атома. Различают: (1) окислительное замещение (замена
одного или нескольких атомов на более электроотрицательные), (2)
окислительное присоединение (разрыв кратных связей и
образование простых связей с более электроотрицательным
элементом), (3) окислительное элиминирование (дегидрирование).
Окисление альдегидов
Реакции окисления альдегидов протекают в мягких условиях с образованием
карбоновых кислот. Исключение составляют ароматические альдегиды, которые
не окисляются Cu(OH)2. Кетоны окисляются в жестких условиях, реакции идут с
разрывом С-С связи.

35. Восстановление

— процесс, в результате которого:
(1) частица (атом, ион или молекула) принимает один или
несколько электронов; (2) происходит понижение степени
окисления какого-либо атома в данной частице; (3) молекула теряет
атомы кислорода и (или) приобретает атомы водорода.
Восстановление
Реакции восстановления альдегидов приводят к
образованию первичных спиртов, кетонов – вторичных
спиртов. В качестве восстановителей могут использоваться
Н2 / Ni; NaBH4, LiAlH4.

36. Реакция Каниццаро (диспропорционирования)

Реакции окисления-восстановления (диспропорционирования) реакция Канниццаро, характерна для альдегидов, не содержащих
при α-атоме углерода водородных атомов. Одна молекула
альдегида восстанавливается в спирт за счет окисления второй
молекулы в кислоту.

37. Реакция Каниццаро. Механизм

В результате реакции окисляется та молекула альдегида, которая
была атакована анионом -OH.

38. Перекрестная реакция Каниццаро

Если в реакции использовать смесь двух, не имеющих α-водородных
атомов, альдегидов (перекрестная реакция), то окисляться
преимущественно будет тот из них, у которого выше положительный
заряд на атоме углерода карбонильной группы.
Это происходит потому, что первоначальная атака гидроксид-иона
происходит на наиболее электрофильный атом.

39. Галоформная реакция

Качественная реакция на метилкетоны и ацетальдегид – обработка избытком
иода в присутствии щелочи. Выпадает желтый осадок иодоформа:

40. Галоформная реакция. Механизм

Этап 1
Этап 2

41. Благодарю за внимание