Альдегиды и кетоны.
Соединения, в молекуле которых содержится карбонильная группа, относятся к альдегидам и кетонам:
В альдегидах эта функциональная группа связана с водородом и углеводородным остатком, в кетонах – с двумя такими остатками:
В зависимости от характера углеводородного радикала известны предельные и непредельные карбонильные соединения. Кроме того, в соединении может содержаться несколько карбонильных групп.
Химическая связь между углеродом и кислородом в карбонильной группе построена также как и двойная связь в алкенах, т.е. представляет собой сочетание σ- и π-связей. Углеродный атом в карбониле sp2-гибридизован, три гибридные орбитали, расположенные под углом 1200, лежат в одной плоскости. Вместе с тем в строении С=С- и С=О-связей имеется и существенное различие: в карбонильной группе двойной связью связаны два разных атома, сильно различающиеся по электроотрицательности. Это приводит к тому, что электроны, осуществляющие связь между углеродным и кислородным атомами, особенно подвижные р-электроны, смещаются в направлении более электроотрицательного атома – кислорода. По этой причине карбонильная группа полярна и характеризуется значительным дипольным моментом, составляющим 2,3 – 2,8 Дебая. Это соответствует 40-50% ионного характера связи в карбонильной группе. Поляризация карбонильной группы приводит к появлению частичного отрицательного заряда на кислороде и обнажению частичного положительного заряда на углероде:
Связь между кислородом и углеродом в карбониле прочнее (179 ккал/моль), чем связь между двумя углеродными атомами, связанными двойной связью (145 ккал/моль). Тем не менее, в реакциях присоединения карбонильные соединения проявляет большую реакционную способность, чем алкены. Отсюда следует, что при формировании реакционной способности поляризация функциональной группы имеет большее значение, чем прочность участвующей в реакции химической связи.
В последующем станет видно, что в химических реакциях альдегидов и кетонов карбонильная группа не только сама непосредственно участвует в реакции, но и влияет на реакционную способность соседних водородных атомов.
I. Предельные альдегиды и кетоны.
Номенклатура.
В случае альдегидов широко используется тривиальная система названий. При этом они получают тривиальные названия карбоновых кислот, в которые превращаются при окислении. Названия альдегидов по систематической номенклатуре составляются как обычно: выбирается наиболее длинная цепь взаимосвязанных углеродных атомов, которая далее нумеруется, начиная с карбонильного углерода. Наличие карбонила в молекуле обозначается добавлением суффикса аль к названию углеводорода, которому в данном соединении соответствует длинная цепь.
Ниже приводятся структурные формулы наиболее часто встречающихся альдегидов и их названия.
Кетоны имеют либо тривиальные названия, либо получают названия по названиям углеводородных остатков, связанных с карбонильной группой. В этом случае к названиям радикалов добавляется слово кетон. При составлении названия кетонов по систематической номенклатуре наличие карбонильной группы обозначается добавлением суффикса он к названию углеводорода с наиболее длинной цепью углеродных атомов. Цифрами указываются положения радикалов – заместителей и карбонильного углерода:
Способы получения.
Имеется немало реакций, ведущих к альдегидам и кетонам. Многие из них уже рассматривались как реакции, характеризующие определенный класс органических соединений.
К числу известных реакций, ведущих к карбонильным соединениям, относятся следующие.
2.1. Оксосинтез (гидроформилирование). В ходе этой реакции происходит одновременное присоединение к алкену оксида углерода и водорода с образованием альдегидов. Условия проведения реакции: 100-2000, 100-200 ат, катализатором служат производные кобальта или никеля, чаще всего дикобальтоктакарбонил Со2(СО)8 и гидрокарбонилкобальта НСо(СО)4.Возможны два направления присоединения оксида углерода и водорода к двойной связи алкена, поэтому в результате оксосинтеза обычно получается примерно равные количества альдегидов с прямой и разветвленной углеродной цепью. Так, давно уже освоенная промышленностью реакция с участием пропилена ведет к масляному и изомасляному альдегидам:
Из наблюдений над реакцией следует, что в ней могут участвовать любые алкены, начиная с этилена. Кроме того, установлено, что оксид углерода весьма неохотно присоединяется к третичному углероду. Так, в реакции с участием изобутилена с выходом 90-95% получается метилбутаналь:
2.2. Гидратация алкинов. Эта реакция, открытая Кучеровым, позволяет синтезировать лишь один альдегид – ацетальдегид при участии в реакции самого ацетилена. Все другие ацетиленовые углеводороды при гидратации по Кучерову дают соответствующие кетоны:
2.3. Гидролиз геминальных дигалогенпроизводных. Как уже упоминалось ранее, гидролиз геминальных дигалогенпроизводных, в зависимости от местоположения атомов галогена, приводит к альдегидам и кетонам:
2.4. Окисление или дегидрирование спиртов. Исходя из спиртов карбонильные соединения можно получить окислением или дегидрированием. При этом первичные спирты дают альдегиды, а вторичные – кетоны:
Окисление спиртов, особенно в промышленности, проводят кислородом воздуха в присутствии медного или серебряного катализатора. Окисление метанола кислородом воздуха на серебряном катализаторе при 6000 – основной метод крупнотоннажного получения формальдегида.
Однако в лабораторных условиях окислять спирты предпочитают с использованием химических окислителей. Для этого чаще всего используется хромовая кислота – Н2CrO4, образующаяся в ходе реакции из хромовой смеси (К2Cr2O7 + Н2SО4).
Вторичные спирты в кетоны часто окисляют по Оппенауэру действием какого-нибудь кетона (ацетона) в смеси с алкоголятом алюминия (изопропилата алюминия):
Известно, что альдегиды окисляются легче, чем спирты. Поэтому при получении альдегидов рассматриваемым способом возникает проблема предотвращения их дальнейшего окисления в карбоновые кислоты. Возможное решение проблемы – удаление альдегида из зоны реакции по мере образования. Этому способствует большая разница в температуре кипения между окисляемым спиртом и образующимся альдегидом. Например, этанол кипит при 780, а ацетальдегид – при 200.
Дегидрирование спиртов, которое также приводит к карбонильным соединениям, осуществляется на тех же катализаторах, что и окисление. Однако имеется существенное различие между указанными реакциями. При дегидрировании из-за отсутствия окислителя невозможно дальнейшее окисление образовавшихся альдегидов. Кроме того, поскольку и окисление (экзотермическая реакция), и дегидрирование (эндотермическая реакция) осуществляются в одних и тех же условиях, их стремятся совмещать. Например, это дает возможность суммарный процесс получения формальдегида из метанола проводить с нулевым тепловым эффектом.
2.5. Превращения карбоновых кислот. Очевидный, казалось бы, путь получения альдегидов восстановлением карбоновых кислот осуществить нелегко, поскольку реакцию в этом случае трудно остановить на стадии образования альдегида. Известно, что альдегиды восстанавливаются легче, чем кислоты. Поэтому напрашивается иной путь получения альдегидов из кислот: восстановление не самой кислоты, а ее производного, более реакционноспособного по отношению к водороду, чем альдегид. Примерами могут послужить восстановление ангидридов и нитрилов кислот.
Галогенангидриды карбоновых кислот с прекрасными выходами могут быть восстановлены по Розенмунду над палладиевым катализатором, активность которого умышленно снижают обработкой серой:
Тот же результат достигается и при восстановлении ацилгалогенида тритрет.бутоксиалюмогидридом лития при низких температурах (-780). При таких условиях практически исключается дальнейшее восстановление образующегося альдегида в спирт или углеводород.
Другим, подходящим для восстановления производным карбоновой кислоты, является нитрил. Восстановление в этом случае ведут алюмогидридом (триэтоксиалюмогидридом) лития. Предполагаемый ход и механизм реакции могут быть представлены следующими реакциями:
Вначале имеет место собственно восстановление, затем гидролиз неустойчивого промежуточного соединения разбавленной кислотой до альдегида.
Еще одними производными карбоновых кислот, которые при нагревании легко превращаются в карбонильные соединения (пиролиз по Пириа), являются их соли. Если при этом используются кальциевые или бариевые соли двух разных кислот, одной из которых является муравьиная кислота, то при пиролизе получаются альдегиды, во всех остальных случаях – кетоны:
Вместо смешанных солей возможно использование смеси солей.
Установлено, что пиролизу (400-4500) могут быть подвергнуты и сами карбоновые кислоты при использовании в качестве катализатора оксидов тория, марганца, кальция, цинка и других металлов:
В последующем методы получения альдегидов и кетонов будут дополнены другими интересными реакциями, среди которых, например, синтез моно- и дизамещенных ацетонов с помощью ацетоуксусного эфира.
3. Химические свойства.
Химические свойства альдегидов и кетонов определяются функциональной группой – карбонилом, даже когда эта группа не принимает непосредственного участия в реакции и остается неизменной после нее. Строение карбонильной группы уже рассматривалась. Характерная особенность этой группы – сильно поляризованная двойная связь между углеродом и кислородом. Эта связь, обуславливающая участие карбонильных соединений в реакциях присоединения, привлекательна для нуклеофильных реагентов. Понятно, что нуклеофильный реагент атакует электронодефицитный углеродный атом карбонила. В то же время электрофильные реагенты будут связываться с кислородным атомом.
Вначале рассмотрим реакции альдегидов и кетонов, которые не относятся к реакциям нуклеофильного присоединения.
3.1. Гидрирование. Уже отмечалось, что гидрирование карбонильных соединений – удобный способ получения спиртов. Альдегиды при этом дают первичные спирты, а кетоны – вторичные:
Присоединение молекулярного водорода к карбонилу происходит при использовании обычных катализаторов гидрирования: никеля, кобальта, меди, платины, палладия и др.
Если для синтеза спиртов в промышленных масштабах более подходит каталитическое гидрирование, то гидрирование в лабораторных условиях лучше вести неорганическими гидридами – литийалюминийгидридом LiAlH4 и натрийборгидридом NaBН4. При использовании литийалюминийгидрида вначале имеет место нуклеофильное присоединение к карбонилу неорганического гидрида с образованием алкоголятов алюминия, которые в последующем гидролизуются водным раствором минеральной кислоты:
При использовании литийалюминийгидрида необходимо иметь в виду, что он не гидрирует двойные связи и, в то же время, насыщает водородом карбонильные группы в карбоновых кислотах и сложных эфирах. Натрийборгидрид – более мягкий гидрирующий агент, позволяющий избирательно гидрировать альдегиды и кетоны в присутствии кислот и эфиров.
Кроме рассмотренных реакций гидрирования, известно также так называемое бимолекулярное восстановление кетонов амальгамой магния, ведущее, в конечном счете, к виц-диолам, например, к пинакону из ацетона. В соответствии с предполагаемым радикальным механизмом реакции вначале магний отдает электрон карбонилу, образуя неустойчивый радикал. Этот радикал взаимодействуя с новой молекулой кетона дает димер, перегруппирующийся в алкоголят магния и диола. Гидролиз последнего дает двухатомный спирт:
3.2. Окисление. Альдегиды и кетоны сильно отличаются по отношению к окислителям. Из всех классов органических соединений, которые были рассмотрены до сих пор, альдегиды окисляются наиболее легко с образованием карбоновых кислот с тем же числом атомов углерода. В то же время кетоны окисляются с трудом и только с разрывом углерод-углеродных связей по обе стороны от карбонила. Продуктами окисления в этом случае оказываются четыре соединения – кислоты и кетоны:
Альдегиды можно окислить не только кислородом воздуха и химическими окислителями, такими как перманганат и бихромат, но даже такими слабыми окислителями как ионы серебра и меди.
Источником ионов серебра в реактиве Толленса служит аммиачный раствор окиси серебра [Ag(NH3)]OH. Этот реактив уже при легком нагревании с альдегидами окисляет карбонильное соединение в карбоновую кислоту. Серебро при этом восстанавливается до металлического и откладывается на внутренней поверхности реакционного сосуда – образуется серебряное зеркало:
При взаимодействии альдегидов с фелинговой жидкостью, представляющей собой водно-щелочной раствор комплексной соли, образовавшейся из гидрата окиси меди и виннонатрийкалиевой соли (темно-синий раствор, также происходит окисление карбонильного соединения в карбоновую кислоту:
При этом двухвалентная медь восстанавливается до одновалентной и в виде красной окиси меди Cu2O выпадает в осадок.
Реакции с реактивом Толленса и фелинговой жидкостью служат качественными реакциями на альдегиды.
3.3. Окисление - восстановление по Канницаро. Интересной реакцией, в ходе которой одновременно происходит окисление одной и восстановление другой молекулы некоторых альдегидов, является реакция Канницаро. Она характерна для альдегидов, не содержащих α - водородных атомов и протекает при взаимодействии альдегида с концентрированным водным или щелочным раствором при комнатной температуре:
Предполагается, что реакция протекает по следующему механизму. Вначале гидроксил-анион как нуклеофил присоединяется к карбонильной группе альдегида. Образовавшийся промежуточный продукт отщепляет гидрид-ион, который как нуклеофил присоединяется ко второй молекуле альдегида:
3.4. Реакции нуклеофильного присоединения.
Присоединение к поляризованной карбонильной группе начинается с атаки нуклеофилом на электронодефицитный углерод. Этот углерод – тригональный, все его связи расположены в одной плоскости, поэтому нуклеофильная атака может происходить с любой стороны плоскости. В процессе присоединения молекула карбонильного соединения значительно перестраивается - происходит перегибридизация карбонильного углерода с sp2-гибридного состояния в sp3. При этом несколько сближаются углеводородные радикалы, связанные с этим углеродом. Понятно, что они будут сопротивляться процессу сближения, т.е. присоединение нуклеофила к карбонильной группе будет испытывать некоторые пространственные затруднения. Кетоны имеют два радикала, связанных с карбонилом, поэтому они испытывают большие стерические препятствия в реакциях нуклеофильного присоединения, чем альдегиды, которые связаны лишь с одним углеводородным остатком. К тому же алкильные заместители, являясь донорами электронов, подают электроны карбонилу, усиливают отрицательный заряд на кислороде и, тем самым, дестабилизируют переходное состояние. Таким образом, реакционная способность альдегидов и кетонов формируется под влиянием электронных и пространственных факторов. Имеет значение также высокая поляризуемость электронов π-связи карбонильной группы.
В наиболее общем виде нуклеофильное присоединение к карбонильной группе может быть представлено следующей схемой:
Реакции карбонильной группы с нуклеофильными реагентами катализируются кислотами. Объясняется это тем, что протон кислоты образует связь с кислородом карбонила за счет электронов двойной связи. При этом на карбонильном углероде возникает полный положительный заряд, способствующий повышению реакционной способности по отношению к нуклеофильным реагентам. Кислота взаимодействует не только с функциональной группой альдегидов и кетонов, но и нуклеофилом-основанием, переводя его в соль и уменьшая концентрацию. Поэтому при катализе кислотами реакции нуклеофильного присоединения для каждого случая существует свое оптимальное значение рН среды. Это та область рН, когда карбонильная группа в достаточной степени активирована, а концентрация нуклеофила в заметной степени еще не уменьшилась.
Кислотнокатализируемое нуклефильное присоединение к альдегидам и кетонам можно представить следующей схемой:
Следует отметить, что реакции присоединения к карбонилу сильных нуклеофилов (аммиак, амины, гидроксиламин, гидразин и его производные и др.) хорошо идут и без катализатора в нейтральной или даже слабощелочной среде.
3.4.1. Присоединение синильной кислоты. Продуктами присоединения синильной кислоты к альдегидам и кетонам являются гем-оксицианиды чаще называемые циангидридами, представляющими собой нитрилы α-оксикислот:
Рассматриваемая реакция идет очень медленно даже в условиях кислотного катализа. Более того, реакция даже затрудняется в присутствии кислот, в то время как основания ее катализируют. Оказалось, что дело здесь не в низкой реакционной способности карбонильного соединения или же нуклеофила, а в низкой концентрации аниона циангидрина. Слабая синильная кислота плохо диссоциирована, а внесение в реакцонную смесь основания приводит к резкому повышению концентрации цианид-иона
Нуклеофил медленно присоединяется к карбонильной группе с образованием аниона циангидрина
Этот анион относится к сильным основаниям. Он вырывает протон из молекулы растворителя (воды) или синильной кислоты. В результате образуется циангидрин и генерируется катализатор
Синтетическая ценность рассматриваемой реакции заключается в том, что она позволяет получить из доступных карбонильных соединений окси -, амино - и непредельные карбоновые кислоты.
Интересно отметить, что некоторые растения в своих плодах (косточках) содержат циангидрины – это сливы, вишни, персики и миндаль. При переработке этих плодов возможно выделение опасной для здоровья синильной кислоты, образующейся при распаде циангидринов.
3.4.2. Присоединение бисульфита натрия. Характерная особенность альдегидов и кетонов – это их способность образовать бисульфитное производное при взаимодействии с бисульфитом натрия:
В эту реакцию вступают альдегиды, и только некоторые из кетонов – метилкетоны из-за пространственных затруднений. Реакция протекает при простом встряхивании карбонильного соединения с концентрированным раствором (40%-ный водный раствор) бисульфита натрия. Аддукт выделяется в виде кристаллического осадка, растворимого в воде и плохо растворимого в органических растворителях. Реакция образования бисульфитного производного обратима. Чтобы генерировать карбонильное соединение из аддукта его обрабатывают разбавленной водной кислотой, основанием или же формальдегидом
С учетом сказанного получение аддукта может быть использовано для выделения и очистки альдегидов и метилкетонов и как качественная реакция на них.
3.4.3. Присоединение смешанных магнийорганических соединений (реактивов Гриньяра) к альдегидам и кетонам, которое представляет собой частный случай нуклеофильного присоединения к карбонильной группе, было уже рассмотрено как универсальный способ получения спиртов. Синтез спиртов через цинкорганические соединения предложен Зайцевым, Бутлеровым и Вагнером, а применение магнийорганических соединений изучено Гриньяром. Нуклеофилом в этом случае является углеводородный остаток, связанный с атомом металла. Продуктом реакции является соответствующий алкоголят, при гидролизе которого получается сам спирт.
3.4.4. Реакция с аммиаком и его производными. Аммиак и некоторые его производные охотно реагируют с карбонильной группой альдегидов и кетонов. Эта реакция давно привлекала внимание химиков, поскольку она легко протекает с участием весьма доступных реагентов и приводит к производным, широко используемым для выделения, очистки и идентификации альдегидов и кетонов.
Несомненно, что рассматриваемая реакция относится к реакциям нуклеофильного присоединения
Существенное отличие рассматриваемой реакции от других реакций нуклеофильного присоединения заключается в том, что в данном случае получается неустойчивый продукт, легко отщепляющий воду и превращающийся в ненасыщенное азотсодержащее производное
Конечный продукт реакции содержит группировку атомов –С=N-, характерную для иминов или оснований Шиффа.
Таким образом, взаимодействие карбонильных соединений с аммиаком и его производными является не просто реакцией присоединения, а представляет собой реакцию «присоединения – элиминирования». В обобщенной форме эти реакции с участием гидроксиламина, гидразина, фенилгидразина, семикарбазида и динитрофенилгидразина можно представить следующей схемой.
Реакция самого аммиака с альдегидами кетонами протекает различно. Даже разные альдегиды с аммиаком реагируют с образованием с различных продуктов.
Реакция с формальдегидом протекает уже при пропускании паров аммиака через водный раствор альдегида (36%-ный водный раствор формальдегида носит название формалина). При этом получается гексаметилентетрамин (уротропин), построенный подобно адамантану
Уротропин используется в медицине как сам по себе в качестве антисептического средства для мочевых путей, так и в комплексе с хлористым кальцием (кальцекс). Гексаметилентетрамин при нитровании дымящей азотной кислотой дает взрывчатое вещество циклонит или гексоген (в 1,5 более мощное, чем тротил)
Ацетальдегид при взаимодействии с аммиаком превращается в ацетальдимин, который легко тримеризуется в альдегидоаммиак
Кетоны с аммиаком реагируют с образованием других продуктов.
Как уже упоминалось раньше, реакция альдегидов и кетонов с аммиаком и его производными, как частный случай реакций электрофильного присоединения, катализируется кислотами и основаниями. Например, реакция карбонильных соединений с гидроксиламином катализируется основанием
Слабый нуклеофил – семикарбазид – реагирует в сильнокислотной среде.
Хорошим примером, иллюстрирующим различие в реакционной способности альдегидов и кетонов, может служить реакция с дианилиноэтаном. Альдегиды образуют кристаллическое производное уже через 1-2 мин после внесения катализатора (уксусной кислоты)
Для выделения альдегида из этого производного достаточно встряхивания с 10%-ной соляной кислотой. Кетоны в реакцию с дианилиноэтаном не вступают.
3.4.5. Присоединение алкенов. В случае альдегидов, особенно их высоко реакционноспособных представителей – формальдегида, ацетальдегида и, в меньшей степени, других, возможно присоединение в кислой среде алкенов (реакция Принса). Удивительно, что даже основности алкенов достаточно (за исключением этилена), для протекания этой реакции. Раньше уже упоминалась реакция между изобутиленом и формальдегидом с образованием 4,4-диметил-1,3-диоксана как одна из стадий синтеза изопрена. Предполагается, что в ходе этой реакции в начале происходит протонирование альдегида (кислотный катализ)
Далее следует медленная стадия присоединения нуклеофила (алкена)
Образовавшийся карбокатион уже как электрофил присоединяется ко второй молекуле формальдегида
Реакция завершается циклизацией и отщеплением протона от иона, полученного в предыдущей стадии
3.4.6. Присоединение воды. При взаимодействии с водой многие карбонильные соединения гидратируются с образованием весьма неустойчивых гем-диолов. Известно, что формальдегид в водном растворе существует только в виде метиленгликоля и полиоксиметиленгликолей
Другие альдегиды, а также кетоны, в равновесном состоянии могут содержать то или иное количество свободного карбонильного соединения в зависимости от его природы. Так, в случае ацетальдегида содержание гидрата достигает 58%, в то время как ацетон в воде просто растворяется за счет водородных связей. В последнем случае содержание гем-диола в растворе очень мало.
Как и другие реакции нуклеофильного присоединения, гидратация альдегидов и кетонов катализируется кислотами
и основаниями
При этом в случае использования при гидратации воды, молекула которой содержит изотоп кислорода, этот изотоп оказывается включенным в карбонильную группу. Это доказывает образование гем-диола при гидратации альдегидов и кетонов.
3.4.7. Присоединение спиртов. Спирты способны присоединяться к карбонильной группе подобно воде. При этом получаются полуацетали и ацетали из альдегидов и полукетали и кетали из кетонов
До стадии образования полуацеталей реакция катализируется и кислотами, и основаниями
Однако превращение полуацеталя в ацеталь происходит только в условиях кислотного катализа. Реакция в этом случае сводится к SN1 – механизму
Превращение полуацеталя в ацеталь в присутствии основания должно было бы происходить как SN2-реакция с плохой уходящей группой ОН
поэтому она и не реализуется.
Следует отметить, что кетали трудно получить ацеталированием кетонов спиртами из-за невыгодного положения равновесия. В этом случае приходится прибегать либо к методам нарушения равновесия, либо использовать обходные пути. Хорошие результаты получены при синтезе кеталей из ортоэфиров и кетонов
Ацетали относятся к классу простых эфиров и, следовательно, проявляют все свойства, характерные для них. В частности, они легко гидролизуются в кислой среде
Механизм гидролиза является обратным механизму ацеталирования. Понятно, что ацетали неспособны к щелочному гидролизу.
Превращение карбонильных соединений в ацетали и последующий гидролиз их широко используется для защиты карбонильной функциональной группы. Кроме того, химия ацеталей имеет исключительное значение при изучении углеводов.
3.5. К образованию линейных и циклических полимеров способны только простые альдегиды.
Уже упоминалось, что в водной среде формальдегид существует только в виде полиоксиметиленгликолей, находящихся в равновесии. При осторожном упаривании воды их можно выделить и получить так называемый параформальдегид. При нагревании параформальдегида в разбавленной кислоте получается 1,3,5-триоксан
Известен аналогичный циклический тример – паральдегид и для ацетальдегида
Полимерные формы альдегидов при нагревании деполимеризуются до мономерного альдегида. Поэтому они являются удобным источником альдегидов.
3.6. Обмен кислорода карбонильной группы. Для альдегидов и кетонов известны реакции замещения кислорода карбонильной группы на атомы хлора или фтора. При этом получаются гем-дигалогенпроизводные
3.7. Реакции с участием - водородных атомов. Водородные атомы, имеющиеся в молекуле альдегидов и кетонов, различаются по своей способности вступать в реакции замещения. По какой-то причине водороды, связанные с углеродом, соседним с карбонильной группой, оказываются самыми кислыми и подвижными. Поэтому при взаимодействии с основаниями они переходят к основанию, происходит ионизация карбонильного соединения и образование карбаниона
Нетрудно видеть, что отрицательный заряд в анионе может принадлежать не только углероду, но и кислороду. Более того, с учетом способности кислорода принимать отрицательный заряд, большая часть заряда будет на кислороде, т.е. ион будет в большей степени представлять собой анион енола, чем карбанион
Таким образом, ионизация α-водородного атома приводит к аниону, представляющему собой резонансный гибрид приведенных выше структур, со значительным вкладом структуры с зарядом на кислороде. А это означает, в свою очередь, эффективное рассредоточение заряда в анионе, стабилизацию последнего и легкость его образования. Все это невозможно при ионизации с участием других водородных атомов карбонильного соединения. Теперь становится понятной причина подвижности соседних с карбонилом водородных атомов. Скорее всего, кислый характер α- водородных атомов будет выражен очень слабо, однако они будут более подвижными, чем другие. Следует отметить, что слабая кислотность означает, что протон в молекуле связан с сильным основанием. Поэтому карбанион, образующийся при ионизации α-водородных атомов в альдегидах и кетонах, будет представлять собой сильный нуклеофил.
3.7.1. Галогенирование альдегидов и кетонов. Альдегиды и кетоны, имеющие α-водородные атомы, легко замещают их при взаимодействии с хлором, бромом и даже с иодом. Реакция катализируется кислотами и основаниями, однако последние более эффективны.
Рассмотрим реакцию ацетона с бромом. Она протекает с образованием бромацетона
Дальнейший ход событий зависит от природы катализатора. В случае кислотного катализа основным продуктом реакции оказывается бромацетон. При бромировании в присутствии основания реакция идет до конца, т.е. до замещения всех водородных атомов в метильной группе и лишь после этого возможно участие в реакции другой метильной группы ацетона. Из этих наблюдений над реакцией следует, что при бромировании ацетона каждый последующий продукт реакции по отношению к брому более активен, чем предыдущий
Еще одна особенность галогенирования альдегидов и кетонов в присутствии основания заключается в том, что катализатор энергично атакует конечный продукт реакции по карбонильной двойной связи. При этом вначале образуется продукт нуклеофильного присоединения, потом происходит разрыв углерод-углеродной связи
Такое развитие реакции приводит к образованию карбоновой кислоты и тригалогенметана (хлороформа, бромоформа и иодоформа), происходит так называемая галоформная реакция.
Любопытно отметить, что атомы галогена в α- галогенальдегидах и кетонах в SN1 – реакциях весьма инертны. В то же время при SN2 – замещении они исключительно подвижны по сравнению с галогеналкилами.
Галогенирование альдегидов и кетонов используется для получения ценных продуктов, например, трихлоруксусного альдегида (хлораля), галоформов. Галоформная реакция широко применяется для обнаружения метилкетонов. При галоформной реакции с участием иода и основания метилкетоны дают иодоформ, представляющий собой малорастворимое твердое вещество ярко - желтого цвета.
При изучении механизма реакции альдегидов и кетонов с галогенами установлено следующее.
При бромировании ацетона в присутствии основания
скорость реакции зависит от концентрации ацетона и основания и не зависит от концентрации галогена
Это означает, что на самой медленной стадии реакции (лимитирующей стадии), скорость которой измеряют, галоген не участвует. Бром вступает в реакцию на ее быстрой стадии. Об этом свидетельствует и то обстоятельство, что бромирование, хлорирование и иодирование ацетона, при прочих равных условиях, протекают с одинаковыми скоростями. Если бы галогены вступали в реакцию в лимитирующей стадии, то различие их природы и реакционной способности привело бы к разным скоростям галогенирования.
Что же может происходить с ацетоном с участием основания?
Прежде всего, возможно уже рассмотренное выше нуклеофильное присоединение по карбонильной группе
Другое возможное направление реакции – отрыв основанием водородного атома от метильной группы ацетона с образованием аниона с делокализованным зарядом
В общем случае эти два возможных направления превращения ацетона конкурируют друг с другом. Однако, судя по результатам реакции, скорость отрыва протона значительно выше, чем скорость нуклеофильного присоединения, хотя такое соотношение скоростей не остается неизменным по ходу реакции.
Имеются и другие доводы в пользу трактовки первой стадии реакции между кетоном и галогеном как реакции отрыва протона от α- углеродного атома. Представим себе, что модельный кетон, содержащий единственный водородный атом при асимметрическом α- углероде, взаимодействует с дейтерированным основанием. Каков будет результат реакции? Основание будет отрывать этот единственный атом водорода – протий с образованием карбаниона (можно уже каждый раз не оговаривать, что на самом деле значительная часть отрицательного заряда принадлежит кислороду). Единственное, что может сделать этот карбанион, оторвать, в свою очередь, водородный атом (дейтерий) от дейтерированной воды. При этом дейтерий может присоединиться к электроноизбыточному углероду с двух сторон плоскости равновероятно. Вспомним, что карбанион имеет плоское строение.
Таким образом, при взаимодействии одного из энантиомеров модельного кетона с дейтерировнным основанием произойдет обмен протия на дейтерий и образование равных количеств энантиомеров, т.е. рацемизация
Удивительно, что скорости реакции модельного кетона с хлором, бромом и иодом, скорости дейтерообмена и рацемизации оказались одинаковыми. Этого и следовало ожидать, поскольку во всех этих реакциях лимитирующая стадия одна и та же – образование карбаниона.
Таким образом, предположение об образовании карбкатиона при галогенировании карбонильных соединений в присутствии оснований вполне обосновано. В целом механизм бромирования ацетона следующий:
Точно по этой же схеме протекает замещение остальных водородных атомов ацетона, как уже указывалось выше, с все возрастающей скоростью. Это означает, что карбанион дибромацетона более устойчив и легче образуется, чем анион бромацетона, который, в свою очередь, более стабилен, чем анион ацетона
Казалось бы, после образования трибромацетона должно происходить замещение водородных атомов другой метильной группы ацетона. Однако в присутствии основания часто имеет место нуклеофильное присоединение с последующим разрывом углерод-углеродных связей (галоформная реакция). Это означает, что промежуточный продукт этой реакции из-за влияния трибромметильной группы (электроноакцепторная группа) более стабилен и легче образуется, чем карбанион
3.7.2. Альдольная конденсация. Другая реакция альдегидов и кетонов, протекающая с участием α- водородных атомов – альдольная конденсация. Она протекает под каталитическим воздействием оснований и кислот и заключается в конденсации двух молекул карбонильного соединения с образованием оксиальдегидов и оксикетонов. Вот несколько примеров
При катализе основаниями события при альдольной конденсации развиваются также как и при галогенировании карбонильных соединений. Вначале образуется карбанион, который дальше как нуклеофил присоединяется ко второй молекуле альдегида или кетона
Синтетические возможности альдольной конденсации значительно расширились с обнаружением так называемой перекрестной альдольной конденсации. В этом случае в реакцию вступают два разных альдегида. Вовлечение в реакцию просто двух альдегидов не представляет особого интереса – получаться четыре разных альдоля, которые еще надо разделить. Но если из двух альдегидов один не будет иметь α- водородных атомов, то картина меняется.
Рассмотрим совместную конденсацию формальдегида и ацетальдегида в присутствии основания. Очевидно, что реагировать с основанием может только ацетальдегид
Возникший нуклеофил будет атаковать карбонильную группу альдегидов. Если это окажется ацетальдегид, то получится альдоль. Гораздо больший интерес представляет нуклеофильное присоединение карбаниона к формальдегиду. В этом случае результатом реакции будет альдоль, в образовании которого приняли участие оба альдегида – 3-оксипропаналь
Поскольку продуктом реакции действительно оказывается оксипропаналь, то приходится допустить, что для карбаниона при нуклеофильной атаке более предпочтительным партнером является формальдегид
Это может быть объяснено тем, что ион, получающийся при присоединении карбаниона к ацетальдегиду, дестабилизирован метильной группой и труднее образуется.
Перекрестная альдольная конденсация с участием формальдегида и ацетальдегида не прекращается с образованием 3-оксипропаналя. Реакция повторяется еще дважды и приводит к триоксиметилацетальдегиду, но и он не является конечным продуктом реакции. Этот оксиальдегид, лишенный - водородных атомов, вступает, как и другие альдегиды подобного типа, в реакцию Канницаро (см. раздел 3.3). Реакция в данном случае также протекает как перекрестная, т.е. с участием оксиальдегида (восстанавливается) и формальдегида (окисляется)
Конечным продуктом конденсации формальдегида и ацетальдегида под каталитическим действием оснований является четырехатомный первичный спирт – пентаэритрит. Сложные эфиры этого спирта применяются как пластификаторы и синтетические смазочные масла. Альдольная конденсация, а также перекрестная альдольная конденсация, предоставляют широкие возможности при синтезе практически важных продуктов.
3.8. Кето – енольная таутомерия. При обсуждении гидратации алкинов по Кучерову уже упоминался этот вид таутомерии - установление равновесия между карбонильными соединениями и изомерными им ненасыщенными спиртами. Дополнительное обсуждение этого вопроса связано с тем, что рассмотренные выше реакции галогенирования и альдольной конденсации карбонильных соединений протекают и в условиях кислотного катализа. Предполагается, что в этом случае в реакции принимает участие енольная форма альдегида или кетона, а кислота способствует быстрому достижению положения равновесия между таутомерами, не затрагивая само положение равновесия.
Енолизация ацетона под влиянием кислоты происходит по следующей схеме
В реакции кислотного бромирования ацетона дальше происходит электрофильное присоединение галогена к енолу
В случае альдольной конденсации к енолу присоединяется протонированная форма того же кетона
Существенная особенность кислотной альдольной конденсации заключается в том, продукт реакции даже при комнатной температуре претерпевает дегидратацию. При этом образуется непредельное карбонильное соединение. Например, конденсация ацетальдегида в кислой среде приводит к кротоновому альдегиду
Легкость протекания дегидратации объясняет невозможность прерывания кислотной альдольной конденсации на стадии образования альдоля. Реакция обычно идет до ненасыщенного карбонильного соединения и называется кротоновой конденсацией.