Реакционная способность альдегидов и кетонов

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ  АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ.

РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ (А_N)

У ТРИГОНАЛЬНОГО АТОМА УГЛЕРОДА

Классификация карбонильных соединений. Органические соединения, содержащие карбонильную группу (>С=О), называются карбонильными (оксо–) соединениями. В зависимости от характера заместителя, связанного с карбонильной группой, их подразделяют на альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их функциональные производные.Альдегиды содержат карбонильную группу, обязательно связанную с  атомом водорода – альдегиднную группу. Кетоны содержат карбонильную группу, связанную с двумя углеводородными радикалами (кетонная группа)

По характеру углеводородного  радикала альдегиды и кетоны классифицируют на алифатические и ароматические, кетоны бывают смешанными, т.е. содержащими и алифатические, и ароматические радикалы.

Электронное строение карбонильной группы. Реакционные центры альдегидов и кетонов. Атомы углерода и кислорода карбонильной группы находятся в состоянии sp²–гибридизации и связаны s– и p–связями, составляющими двойную связь. p–Связь образуется в результате перекрывания негибридных р_Z орбиталей. Атом кислорода находится в sp²-пиридиновом состоянии, две его пары электронов занимают sp²-гибридные орбитали.

Высокая электроотрицательность атома кислорода способствует

электрофильного центра. p–Связь менее прочная, она легко расщепляется и обеспечивает реакции присоединения. Таким образом, по электрофильному центру идут реакции нуклеофильного присоединения А_N.

Реакционные центры альдегидов и кетонов представлены ниже:

Наличие электрофильного  центра определяет возможность нуклеофильной атаки, основный (нуклеофильный) центр является местом атаки кислоты (электрофила). Кроме того, в составе альдегидов и кетонов имеется слабый СН–кислотный центр, атом водорода которого обладает протонной подвижностью и может подвергаться атаке основания.

Реакции основного центра. Оксониевый основный центр альдегидов проявляет слабые основные свойства (рКв = 20–22). С сильными минеральными кислотами он образует оксониевые ионы, которые можно представить в виде другой предельной структуры – карбокатиона:

альдегид              оксониевый ион    карбокатион

Концентрация  протонированной формы в 60–80% Н₂SО₄ составляет только 1%, что подтверждает слабые основные свойства альдегидов и кетонов.

Реакции электрофильного центра. По электрофильному центру альдегидов и кетонов протекают реакции нуклеофильного присоединения (А_N). Лёгкость нуклеофильной атаки по атому углерода карбонильной группы альдегида или кетона зависит от ряда факторов:

• величины эффективного положительного заряда  на атоме углерода;

 

• пространственной доступности электрофильного центра;
• кислотно–основных свойств среды.

 С учётом  электронных эффектов групп, связанных  с электрофильным центром, величина d⁺ на нём убывает в следующем ряду:

 

 

Уменьшение  эффективного положительного заряда на атоме углерода электрофильного центра снижает реакционную способность в реакциях А_N.

Пространственная  доступность карбонильного атома  углерода уменьшается при замене атома водорода на более объёмные заместители. Поэтому альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны.

Наблюдается уменьшение реакционной способности в ряду вследствие

пространственной  затруднённости электрофильного центра для нуклеофильной атаки.

Кислотно–основные свойства среды влияют на скорость протекания реакции нуклеофильного присоединения.

Реакция А_N ионная, включает 2 стадии:

1. Атака нуклеофила с образованием тетраэдрического алкоголят–аниона;
2. Стабилизация алкоголят–аниона за счёт присоединения протона (иногда от воды).

 

По приведённому механизму осуществляется ряд важных реакций альдегидов и кетонов.

Схемы реакции:

Механизмы реакций  А_N.

1. Восстановление.

Осуществляется  с помощью гидридов металлов (LiH, NaH, LiAlH₄, KBH₄), которые являются донорами гидридных ионов Н^–. Альдегиды при этом восстанавливаются до первичных спиртов, кетоны – до вторичных.

альдегид             алкоголят–анион    первичный  спирт

кетон               алкоголят–анион     вторичный  спирт

Реакция имеет  биологические аналоги. В качестве донора гидридного иона в организме человека выступает НАД^.Н – никотинамидадениндинуклеотид восстановленный.

2. Ацетализация.

Оксосоединения, преимущественно альдегиды, могут  взаимодействовать с одной или двумя молекулами спирта, образуя, соответственно, полуацетали и ацетали. Спирты являются слабыми нуклеофилами вследствие высокой электроотрицательности атома кислорода. Поэтому, реакции ацетализации протекают в присутствии кислотного катализатора. Роль кислотного катализа заключается в активации электрофильного центра молекулы альдегида. Образование полуацеталя протекает по механизму А_N.

ион оксония          полуацеталь

Образование ацеталя  из полуацеталя протекает по механизму S_N1. Роль кислотного катализатора в данном случае заключается в превращении гидроксид–иона (плохая уходящая группа) в молекулу воды (хорошая уходящая группа).

ион оксония

ион оксония               ацеталь

Подобным образом  протекает образование тиоацеталей  с тиолами.

Реакция ацетализации обратима, поэтому, получить ацетали можно в избытке безводного спирта, содержащем сухой (безводный) HCl. Чтобы сместить равновесие в сторону образования продукта реакции, воду из реакционной среды удаляют по мере образования в виде азеотропа с бензолом и спиртом (t кип = 64,9°С).

Обратная реакция –  гидролиз ацеталей – протекает в  водной среде в присутствии кислотного катализатора. В щелочной среде ацетали  устойчивы.

Механизм реакции  гидролиза – обратный механизму  получения ацеталей (см. выше). Биологически важной является реакция получения циклических полуацеталей, которые образуются при наличии альдегидной и гидроксильной групп в составе одного гетерофункционального соединения, например:

4–гидроксибутаналь

В пространстве цепь из 4 атомов углерода принимает  клешневидную конформацию, что способствует сближению функциональных групп, которые вступают во внутримолекулярную реакцию ацетализации с образованием циклического полуацеталя.

4–гидроксибутаналь    циклический полуацеталь

В виде циклических  полуацеталей в организме человека существуют моносахариды. За счёт реакции ацетализации в организме идёт детоксикация некоторых соединений, например, фенолов, которые образуются при гидролизе лекарственных средств.

Реакции присоединения – отщепления (А_N – Е). По электрофильному центру альдегидов и кетонов протекают реакции с аммиаком и его производными в виде присоединения – отщепления (А_N–Е). Аммиак и амины являются сильными нуклеофилами, в связи с чем, не требуется активировать электрофильный центр за счёт кислотного катализа. На первой стадии реакции образуется биполярный ион, который стабилизируется во второй стадии за счёт внутримолекулярного переноса протона от атома азота к атому кислорода, превращаясь в аминоспирт (А_N).

На этом реакция  не останавливается. Полученный аминоспирт является неустойчивым, т.к. содержит две  электроноакцепторные группы при одном атоме углерода (ОН и NH₂). Он стабилизируется за счёт отщепления молекулы воды (Е Н₂О).

Схемы реакций  А_N – Е:

 

Последние три  реакции можно использовать для  идентификации альдегидов и кетонов, т.к. продукты реакции представляют собой  кристаллические осадки с разными температурами плавления.

Механизм А_N–Е при взаимодействии с аминами:

 

альдегид       амин             биполярный     аминоспирт    продукт реакции

или кетон                                 ион                                    замещённый имин

(если вместо R будет Ar, то продукт – основание Шиффа).

Имины подвергаются гидролизу, алифатические имины  гидролизуются легко, ароматические – трудно.

Реакция образования  и гидролиза иминов имеет биологические  аналоги в синтезе и метаболизме аминокислот в организме человека.

Реакции с участием СН–кислотного центра. В составе альдегидов и кетонов имеется слабый СН–кислотный центр. Под действием оснований протоны СН–кислотного центра могут отщепляться с образованием соответствующих карбоанионов, выполняющих функции нуклеофилов. В результате происходят реакции конденсации, т.е. реакции, приводящие к усложнению углеродного скелета за счёт соединения простых молекул в более сложную. Так, альдегиды вступают в реакцию альдольной конденсации в присутствии каталитических количеств оснований или кислот.

Рассмотрим  реакцию альдольной конденсации  в присутствии основного катализатора.

Схема реакции:

пропаналь                                                             альдоль

(3–гидрокси–2–метилпентаналь)

Механизм реакции  А_N:

Основной катализ:

нуклеофильный реагент

                                                    алкоксид–ион                              альдоль

Биологические аналоги реакции – синтез гидроксикарбонильных соединений, например, нейраминовой кислоты, лимонной кислоты.

Реакции альдольного  присоединения обратимы. Обратный процесс называется альдольным расщеплением. По такому типу протекают в организме реакции расщепления 1,6–дифосфата D–фруктофуранозы на две триозы, серина – на глицин и формальдегид.

Второй тип  реакций СН–кислотного центра – галоформные реакции, например, иодоформная проба.

 Иодоформная  проба характерна для альдегидов и кетонов, в структуре которых присутствует метилкетонный фрагмент. Иодоформная реакция протекает в щелочной среде по следующей схеме:

Появление желтовато–белого осадка иодоформа с резким запахом свидетельствует о присутствии в растворе метилкетона, уксусного альдегида, либо соединений, способных окисляться с образованием метилкетонного фрагмента.

Реакции полимеризации. Характерны в основном для альдегидов. Так, при хранении 40% раствора формальдегида, известного под названием формалин, образуется полимер формальдегида – параформ в виде белого осадка.

n CH₂ = O →    ( –CH₂O –) n

параформ

При нагревании с минеральными кислотами полимеры альдегидов распадаются на исходные продукты. Формалин ~ 40% раствор формальдегида в воде, содержащий 5–15% метанола для стабилизации, используется как дезинфицирующее средство и консервант анатомических препаратов.

Реакции окисления. Альдегиды – один из наиболее легко окисляющихся классов органических соединений. Их превращение в карбоновые кислоты происходит под действием таких мягких окислителей как аммиачный раствор гидроксида серебра (реактив Толленса) или щелочной раствор комплекса меди (II) с органическими кислотами (реактив Фелинга). Обе эти реакции используются как качественные для обнаружения альдегидной группы.

Реакция «серебряного зеркала»:

Реакция «медного зеркала»:

осадок

красного цвета

блестящий

налёт меди

на стенках пробирки

Последняя реакция  под названием пробы Троммера используется в клинике для обнаружения  глюкозы в моче больных сахарным диабетом.

Альдегиды, не имеющие  СН–кислотного центра в щелочной среде (иногда, в нейтральной среде) вступают в реакцию самоокисления–самовосстановления (реакция диспропорционирования, дисмутации, Канниццаро–Тищенко). В результате этой реакции одна молекула альдегида окисляется за счёт восстановления другой молекулы альдегида.

Формальдегид  может диспропорционировать даже в  водных растворах, поэтому при длительном хранении его водные растворы приобретают кислую реакцию среды.

формальдегид        муравьиная    метиловый

кислота            спирт

Бензальдегид  вступает в реакцию дисмутации в  щелочной среде:

бензальдегид                   бензоат калия      бензиловый спирт