12. Механизмы реакций присоединения по связям С=О Распространенные реакции Фантастические реакции

12.1. Альдегиды и кетоны Наиболее распространенные и важные для органического синтеза – реакции с нуклеофильной атакой. Реакции с начальной атакой электрофилами не столь важны за исключением кислотного катализа (протон, кислоты Льюиса) Сходную, но менее эффективную активацию обеспечивают и протонные полярные растворители за счет образования Н-связей

«тетраэдрический» интермедиат или продукт Общая схема присоединения нуклеофилов В соответствии с этой схемой два структурных фактора должны влиять на реакционную способность альдегидов и кетонов – электронные свойства заместителей R и R, а также их пространственные характеристики (стерическиййй фактор) Образование тетраэдрических интермедиатов (продуктов) обычно – медленная стадия процесса

Электронные влияния заместителей Электронодоноры снижают степень положительного заряда на атоме углерода С=О группы и должны снижать скорость реакции с нуклеофилом. Электроноакцепторы, напротив, повышают положительный заряд и ускоряют реакцию. Поэтому альдегиды активней аналогичных кетонов. На реакционную способность влияет и p-p сопряжение в ароматических альдегидах и кетонах ArC(R)=O сравнительно с алифатическими аналогами Потеря сопряжение при переходе от карбонильного реагента к тетраэдрическому аддукту термодинамически невыгодна. Поэтому ArC(R)=O менее активны, чем AlkC(R)=O

Константы равновесий (K) реакции карбонильных соединений с HCN RRC=O RRC(CN)OH ВеществоK K CH 3 CHO>1500CH 3 COCH 2 CH 3 38 p-NO 2 C 6 H 4 CH=O1420C 6 H 5 COCH C 6 H 5 CH=O210C 6 H 5 COC 6 H 5 < 0.8 p-MeOC 6 H 4 CH=O32

Стерические эффекты заместителей и нуклеофилов Увеличение размера и заместителей и их числа (альдегиды - кетоны) снижает скорости реакций с нуклеофилом. Переход от sp 2 состояния атома углерода в реагенте к sp 3 состоянию в интермедиате (продукте) приводит к возрастанию стерическиййх напряжений. Me 3 CCOCMe 3 почти инертен в нуклеофильном присоединении Играет роль и размер нуклеофила. Так, в реакции присоединения CN - к MeCH 2 COMe константа равновесия равна 38, а в реакции похожего кетона (MeCH 2 ) 2 CO с более объемным нуклеофилом S 2 O 3 2- K= 4*10 -4.

Реакции гидратации и образования ацеталей R 2 C=O + H 2 O R 2 C(OH) 2 K: CH 2 O 2*10 3 MeCHO 1.4 Me 2 CO 2*10 -3 Электронодонорные заместители ингибируют образование гидратов, а электроноакцепторные - активируют Хлораль гидрат. Выделяют из водных растворов

Наблюдается общий кислотный катализ (активация альдегида) и общий основный катализ (активация нуклеофила – воды)

Образование полуацеталей и ацеталей K – обычно ниже, чем для гидратации полуацеталь В кислотных средах (специфический кислотный катализ) полуацетали превращаются в устойчивые ацетали Полуацетали обычно неустойчивы и не выделяются в свободной форме. Исключение, если R – акцептор: CBr 3 CH(OH)OEt MeCH(OEt) 2 – диэтилацеталь ацетальдегида. Me 2 C(OMe) 2 – диэтилкеталь ацетона RC(OR) 3 - ортоэфиры

Кетоны обычно трудно образуют ацетали (детали) с одноатомными спиртами, но легко дают циклические ацетали (детали) Объяснение – выигрыш в энтропии сравнительно с одноатомными спиртами Для сдвига равновесия вправо в получении ацеталей часто используют ортоэфиры или тетраэтоксисилан Si(OEt) 4, т.к. они легко гидролизуются

Тиолы реагируют с альдегидами и кетонами сходным образом, давая полутиоацетали RCH(SR)OH и тиоацетали RCH(SR) 2. Константы равновесий обычно выше, чем в реакциях спиртов. Ацетали и детали устойчивы в щелочных средах ! Поэтому они используются как растворители и защитные группы Можно добиться «обращения» поляризации карбонильной группы

Реакции с цианидами и другими анионами R 2 C=O + NaCN R 2 C(OH)CN v = k [R 2 CO][CN - ] Порядок активности карбонильных соединений: AlkCHO > ArCHO > Alk 2 CO >> ArCOAlk >>> Ar 2 CO Из-за стерическиййх препятствий (большой размер SO 3 2- ) реакция идет только с альдегидами, метилкетонами и некоторыми циклическими кетонами

Галогенид-ионы С другими альдегидами и кетонами не идет из-за побочных реакций – энолизация, галогенирование и пр. 1,4-электрофильное присоединение:

Механизмы реакций восстановления С=О группы Сходным образом действует NaBH 4, он менее активен, чем LiAlH 4, но более селективен, позволяя восстанавливать С=О группу в присутствии COOR, CN, NO 2 Комплексные гидриды металлов

Восстановление по Меервейну-Пондорфу-Верлею При использовании Al(OCDMe 2 ) 3 образуется R 2 CDOH

Реакция Канниццаро v=k [ArCHO] 2 [OH - ] При проведении реакции в D 2 O образуется ArCH 2 OD В ра-рак с очень высокой конц. щелочи образуется дианион CH 2 (O - ) 2, который является более сильным донором гидрид-иона

Реакции с переносом электрона Электрон действует как нуклеофил. Можно проводить и фотохимически, облучая кетон УФ в присутствии доноров водорода (Me 2 CHOH и др.) диарилкетилы

12.2. Реакции присоединения-отщепления Катализируются кислотами и основаниями. Наиболее изучены – реакции с первичными и вторичными аминами

Реакции с первичными и вторичными аминами «имины», основания Шиффа оксимы гидразоны семикарбазиды Имины из аммиака R 2 C=NH обычно очень неустойчивы и не выделяются в свободной форме

Катализ кислотами (специфический и общий) Скорость реакции повышается с уменьшением рН до некоторого предела, затем падает вследствие снижения концентрации амина (свободное основание)

Катализ основаниями (общий) В нейтральной и основных средах скорость реакции лимитируется согласованным распадом тетраэдрического интермедиата и не зависит от рН

Реакции с вторичными аминами Лимитирующей могут быть и первая и вторая стадии в зависимости от рН и структуры реагентов. Эти реакции в большей степени обратимы, чем с первичными аминами Иногда тетраэдрические интермедиаты ( -аминоспирты) могут быть выделены если альдегид имеет сильные электроноакцепторные группы (аналогия с гидратами и полуацеталями)

Реакции с металлорганическими соединениями Состав и строение магний-органических веществ достаточно сложно. Например, в эфирных растворак MeMgBr существует как (Me 2 Mg + MgBr 2 ). В других случаях в состав входят молекулы эфира. Их строение может быть представлено как R - MgX + т.е. как скрытые карбанионы (синтетические эквиваленты карбанионов) Если реактив Гриньяра содержит алкильные группы, имеющие в –положениях атомы водорода, то идет восстановление карбонильных соединений

В случае стерическийй затрудненных кетонов образуются алкоголяты енолов 1,4-присоединение RLi дают меньше продуктов 1,4-присоединения и образуют продукты присоединения со стерическийй затрудненными кетонами

Реакции с углеродными нуклеофилами Альдольно-кротоновая конденсация в кислотных средах альдоль (β-гидроксикетон) Кротоновый альдегид

Альдольная конденсация в щелочных средах Для альдегидов равновесие сильно смещено вправо, для кетонов - влево Необычная дегидратация под действием оснований

«Перекрестная» альдольная конденсация (р-ция Кляйзена-Шмидта) Доноры в ArCHO замедляют реакцию Внутримолекулярная конденсация:

Реакция Кнёвенагеля (модификация альдольной конденсации) Модификация Дёбнера

Как образуется пентаэритрит ?

Реакции с нитроалканами -нитроспирты нитроалканы

Конденсация Перкина (1868) William Henry Perkin

Сложноэфирная конденсация Кляйзена Причина изменения направления сравнительно с альдольной конденсацией то, что EtO - - хорошая уходящая группа

Бензоиновая конденсация v = k [ArCHO] 2 [CN - ] Почему в этом случае реакция не идет по механизму реакции Канниццаро ? Сильная стабилизация аниона (1) за счет акцепторного характера CN группы делает термодинамически невыгодным отрыв гидрид-иона

Илиды N-алкилтиазолия являются более удобными катализаторами бензоиновой конденсации, чем CN -.

Бензильная перегруппировка V=k[PhCOCOPh] [OH - ] Внутримолекулярное присоединение к группе С=О В случае реакции PhCOCDO с NaOH образуется PhCD(OH)COO -. Каков механизм этой реакции ?

Реакция Виттига (1954) (Нобелевская премия 1979) реагент Виттига Стадия (1) может быть и необратимой. Фосфетановый интермедиат (А) был выделен при -80 о С. Движущей силой реакции является выигрыш в термодинамике за счет образования очень прочной связи P=O (535 к Дж/моль) Напишите схему получения эндо-циклических алкенов путем внутримолекулярной реакции Виттига

12.2. Стереоселективность реакций присоединения по карбонильной группе Образуются одни и те же продукты независимо от направления атаки (отличие карбонильных соединений от олефинов). Если R и R хирален и особенно, если есть хиральная группа CHRR, то присоединение «сверху» и «снизу» не будут равноценными Правило Крама: кетон будет реагировать в такой конформации, в которой атом кислорода группы С=О занимает анти-положение по отношению к самому большому из трех заместителей

Вопросы Дайте объяснения образованию следующих продуктов (Реакция Манниха)

Напишите продукты, образующиеся в следующих реакциях