Двойная связь С=О, подобно связи С=С, представляет собой комбинацию s- и p-связей (они изоэлектронны). Однако, между этими двумя двойными связями имеются существенные различия:
- C=O значительно прочнее С=С;
- энергия связи С=О (179 ккал/моль) больше, чем энергия двух связей С-О (85.5 ккал/моль), в то время как энергия связи С=С (146 ккал/моль) меньше суммы энергий двух связей С-С (82.6 ккал/моль);
- связь С=О в отличие от С=С полярна.
При этом p-связь поляризована сильнее, чем s-связь. Таким образом, атом углерода карбонильной группы является электронодефицитным центром, а кислорода - электроноизбыточным.
d+ d-
Кроме тогo, карбонильная группа увеличивает кислотность атомов Н у соседнего атома С, приводя к увеличению кинетической кислотности (увеличению полярности связи С-Н из-за -I-эффекта карбонильной группы) и термодинамичес-кой кислотности (стабилизация образующегося карбаниона за счет мезомерного эффекта).
В молекулах карбонильных соединений имеется несколько реакционных центоров.
Электрофильный центр - карбонильный атом углерода, возникновение частичного положительного заряда на котором обусловлено полярностью связи С=О. Электрофильный центр участвует в реакциях нуклеофильного присоединения.
Основный центр - атом кислорода с неподеленными парами электронов. С участием основного центра осуществляется кислотный катализ в реакциях присоединения, а также в процессе енолизации. Важно отметить, что альдегиды и кетоны являются жесткими основаниями Льюиса и координируются с жесткими кислотами: H+, BF3, ZnCl2, FeCl3 и т. д.
a-СН-Кислотный центр, возникновение которого обусловлено индуктивным эффектом карбонильной группы. При участии СН-кислотного центра протекают многие реакции карбонильных соединений, в частности реакции конденсации.
Связь С¾Н в альдегидной группе разрывается в реакциях окисления.
Ненасыщенные и ароматические углеводородные радикалы, подвергающиеся атаке электрофильными или нуклеофильными реагентами.
А. Нуклеофильное присоединение - наиболее характерная реакция карбонильных соединений. Частично положительно заряженный атом углерода карбонильной группы атакуется нуклеофильным реагентом. Получающийся продукт стабилизируется, присоединением на конечной стадии протона. Таким образом, для карбонильных соединений характерны реакции нуклеофильного присоединения AN, а не АЕ, как это характерно для алкенов. Атака карбонильной группы нуклеофилом может происходить снизу или сверху плоского фрагмента молекулы:
(М 2)
Многие реакции нуклеофильного присоединения обратимы и их исход зависит от положения равновесия. Переходное состояние в реакциях АN будет менее затрудненным, чем в реакциях SN2, в которых к углероду присоединено сразу 5 атомов. Именно эта незатрудненность и имеется в виду, когда говорят, что карбонильная группа доступна для атаки. Главной же причиной реакционной способности карбонильной группы является не ее полярность, а способность атома кислорода принимать электроны.
Каково же будет влияние заместителей, непосредственно связанных с карбонильной группой? Чем больше частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода, тем легче он атакуется нуклеофильной частицей, поэтому заместители, оттягивающие электроны с атома углерода повышают реакционную способность карбонильной группы, а заместители, подающие - уменьшают. Кетоны в целом менее реакционноспособны, чем альдегиды, поскольку суммарное электронное влияние двух углеводородных радикалов в молекуле кетона сильнее по сравнению с одним радикалом в молекуле альдегида.
В ароматических соединениях бензольное кольцо, находящееся в сопряжении с карбонильной группой, проявляет более сильное электронодонорное действие, чем алкильный радикал. За счет положительного мезомерного эффекта бензольного кольца снижается частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода:
Вследствие сказанного ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособны, чем алифатические.
Стерические факторы также оказывают определенное влияние на реакционную способность карбонильных соединений: объемные радикалы затрудняют подход нуклеофила к карбонильному атому углерода и, следовательно, снижают скорость реакций. Некоторые реакции присоединения в этих случаях вообще не осуществляются. Например, 2,2,4,4-тетраметил-3-пентанон и 2,2,4-триметил-3-пентанон, имеющие объемные трет-бутильные и изопропильный радикалы, не вступают во многие реакции присоединения.
2,2,4,4-Тетраметил-3-пентанон 2,2,4-Триметил-3-пентанон
По тем же причинам циклические кетоны, у которых конформационная подвижность радикалов существенно ограничена, более реакционноспособны, чем их ациклические аналоги. Например, циклопентанон значительно активнее, чем пентанон-3, в молекуле которого осуществляется свободное вращение вокруг всех углерод углеродных связей, вследствие чего приближение нуклеофильной частицы к карбонильной группе затрудняется.
В альдегидах единственный заместитель создает меньше стерических препятствий, чем два заместителя в кетонах.
Электроноакцепторные группировки, такие как -СF3 или CCl3 увеличивают реакционную способность карбонильной группы. Кроме того, кетоны термодинамически более устойчивы, чем альдегиды.
Реакции по карбонильной группе могут катализироваться как кислотами благодаря увеличению положительного заряда на атоме углерода.
(М 3)
так и основаниями. В этом случае катализатор отнимает протон от реагента, давая более сильный нуклеофил:
(М 4)
Присоединение углеродных нуклеофилов
В результате взаимодействия альдегидов и кетонов с углеродными нуклеофила-ми образуются новые связи С¾С.Такими нуклеофилами служат реактивы Гри-
ньяра, литийорганические соединения, ацетилениды и циановодородная кислота.
А. Присоединение реактивов Гриньяра
Особая ценность реактивов Гриньяра заключается в их способности создавать новые связи С¾С. Разница в электроотрицательности между углеродом и магнием (2,5 - 1,2 = 1,3), обусловливает полярность связи между этими атомами и наличие частичного отрицательного заряда на атоме углерода и частичного положительно-го заряда на атоме магния. В реакциях реактивы Гриньяра ведут себя как карбанионы. Карбанионы являются хорошими нуклеофилами и легко присоединяются к карбонильной группе. Магнийорганические соединения вступают в реакции нуклеофильного присоединения к альдегидам и кетонам с образованием алкоксидов, гидролизующихся в спирты:
Присоединение к формальдегиду приводит к образованию первичных спиртов.
(17)
Другие альдегиды дают вторичные спирты:
(18)
1-Циклогексилэтанол
Из кетонов получают третичные спирты:
2-Фенил-2-пропанол
(19)
Б. Присоединение литийорганических соединений
Литийорганические соединения более реакционноспособны, чем магнийлрганичес-кие и обеспечивают больший выход целевого продукта. Онако с ними можно работать только в атмосфере инертного газа. Ниже приводится пример использования литийорганического соединения для получения стерически затрудненного третичного спирта.
(20)
Фениллитий 3,3-Диметил-2-бутанон 3,3-Диметил-2-феил-2-бутанол
В. Присоединение ацетиленидов металлов
Этинид-анион также является нуклеофилом. Образующиеся при этом спирты содержат две функциональные группы, каждая из которых может быть далее модифицирована.
(21)
1-этинилциклогексанол
Гидратация полученного алкинола приводит к образованию a-гидроксикетона, а гидроборирование-окисление - b-гидроксиальдегида.
(22)
1-ацетилциклогексанол
(a-гидроксикетон)
(23)
2-(1-гидроксициклогексил)этаналь
(b-гидроксикетон)
Упр. 8. Напишите реакции получения 2-фенил-2-бутанола с помощью реактивов Гриньяра (3 комбинации).
Г. Циангидринный синтез
Циановодород присоединяется к альдегидам и кетонам с образованием a-окси-нитрилов ( циангидринов). Сама синильная кислота является очень слабым нуклеофилом и поэтому реагирует очень медленно. С гораздо большей скоростью карбонильная группа реагирует с цианид-ионом.
Альдегиды легко образуют циангидрины. Кетоны с разветвленной цепью углеродных атомов, а также высшие кетоны циангидринов не образуют. Реакцию обычно проводят, прибавляя минеральную кислоту к смеси карбонильного соединения и водного раствора цианида натрия.
(24)
2-гидроксипропаннитрил
(ацетальдегидциангидрин)
Гидролизом циангидринов получают a-оксикислоты:
(25)
нитрил a-оксипро- молочная
пионовой кислоты кислота
(26)
ацетонциангидрин
Реакция проходит при щелочном катализе по следующему механизму:
(М 5)
При гидролизе ацетонциангидрина в присутствии соляной кислоты образуется 2-гидрокси-2-метилпропановая кислота, а при его обработке концентрированной серной кислотой – метакриловая кислота:
(27,28)
2-гидрокси-2-метилпропановая к-та метакриловая к-та
Ацетонциангидрин широко используется в лабораторной практике для получения других циангидринов, например:
(29)
циклогексанонциангидрин
В этой реакции используется обратимость реакций присоединения к карбонильной группе.
Упр.9. Напишите реакции ацетона и пропионового альдегида с синильной кислотой. Каков механизм этих реакций? Какое из этих соединений и почему будет легче вступать в реакцию? Объясните, почему образование циангидринов ускоряется добавлением оснований, а не добавлением кислот?
Д. Реакция Реформатского
К действию цинкорганических соединений на альдегиды и кетоны сводится реакция Реформатского:
(30)
пропаналь этилбромацетат этил-3-гидроксивалероат
Упр. 10. Напишите реакции получения ниже следующих соединений из соответствующих альдегидов и кетонов по реакции Реформатского:
(в)