МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ______________________________________________________________________ КАФЕДРА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ О Р Г А Н И Ч Е С К А Я ХИ М И Я Задачи и упражнения к текущему контролю Часть IV, вариант 2 Модуль IX. «Особенности строения и реакционной способности монокарбонильных соединений. Проблемы и методы синтеза» Модуль X. «Особенности строения и реакционной способности дикарбонильных соединений, непредельных альдегидов и кетонов, хинонов. Проблемы и методы синтеза» Барнаул1999 Авторы: Галочкин А.И. Базарнова Н.Г. Касько Н.С. Лагуткина Е.В. Маркин В.И. Царев Н.И. Органическая химия: Задачи и упражнения к текущему контролю. Часть IV. Под редакцией А.И. Галочкина Сборник задач и упражнений предназначен для самостоятельной работы студентов 3 курса химического факультета АГУ, изучающих органическую химию по модульно-рейтинговой технологии. Часть IV включает: Модуль IX. «Особенности строения и реакционной способности монокарбонильных соединений. Проблемы и методы синтеза»; Модуль X. «Особенности строения и реакционной способности дикарбонильных соединений, непредельных альдегидов и кетонов, хинонов. Проблемы и методы синтеза». Утверждено на заседании кафедры органической химии. Компьютерная верстка О.Н. Торопчиной, И.В. Ананьиной План УМД 1999 г., п. 100 Подписано в печать 10.09.99. Формат 60890/16. Бумага для множительных аппаратов. Индивидуальный экземпляр. Бесплатно. Алтайский государственный университет. РИО. 656099 Барнаул, ул. Димитрова, 66 © Алтайский государственный университет Кафедра органической химии МОДУЛЬ IX. «ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МОНОКАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ СИНТЕЗА» I. П РОГРАММА МОДУЛЯ Номенклатура, классификация. Способы образования карбонильной группы: окисление алканов и алкилароматических углеводородов, озонолиз и каталитическое окисление олефинов, оксосинтез, гидратация алкинов (реакция Кучерова), гидролиз геминальных дигалогенпроизводных и виниловых эфиров, окисление и дегидрирование спиртов, окислительное расщепление гликолей, действие уротропина на алкилгалогениды (реакция Соммле). Синтез альдегидов и кетонов из карбоновых кислот и их производных; восстановление хлорангидридов (реакция Розенмунда-Зайцева), восстановление нитрилов, реакции карбоновых кислот и их производных с металлоорганическими соединениями, пиролиз солей карбоновых кислот и его каталитические варианты. Синтез макроциклических кетонов (Ружичка). Получение ароматических карбонильных соединений ацилированием ароматических углеводородов (реакция Фриделя-Крафтса). Электронное строение группы C=O, распределение электронной плотности и ее связь с реакционной способностью карбонильной группы. Основные спектральные характеристики и физические свойства. Химические свойства. Сравнение реакционной способности и путей превращения альдегидов и кетонов. Реакция с гетероатомными нуклеофилами: гидратация, взаимодействие со спиртами (полуацетали, ацетали и кетали), пятихлористым фосфором, бисульфитом натрия. Взаимодействие с азотсодержащими нуклеофилами: образование оксимов, азинов, гидразонов, замещенных гидразонов и семикарбазонов, взаимодействие со вторичными аминами и образование енаминов, взаимодействие с первичными аминами и образование оснований Шиффа, взаимодействие с аммиаком (уротропин), реакция Манниха. Взаимодействие с C-нуклеофилами: образование циангидринов, присоединение магнийорганических соединений. Кето-енольная таутомерия и связанные с ней свойства карбонильных соединений: галогенирование и галоформное расщепление, нитрозирование, алкилирование. Альдольнокротоновая конденсация и ее механизм при кислотном и основном катализе. Конденсация альдегидов и кетонов с соединениями других типов, содержащих активную метиленовую группу (реакция Кневенагеля). Циклоолигомеризация и полимеризация альдегидов (триоксан, паральдегид, параформ). Окислительно-восстановительные реакции альдегидов и кетонов. Окисление альдегидов до карбоновых кислот, окисление кетонов без разрыва и с разрывом углерод-углеродных связей (правило Попова). Каталитическое гидрирование карбонильных соединений, восстановление комплексными гидридами металлов, спиртами в присутствии алкоголятов алюминия (равновесие МеервейнаПонндорфа-Верлея, реакция Тищенко), амальгированным цинком и соляной кислотой (реакция Клемменсена), восстановление кетонов металлами с образованием металл-кетилов и пинаконов. Взаимодействие неенолизирующихся альдегидов со щелочами (реакция Канниццаро), бензоиновая конденсация. Реакции электрофильного замещения в ароматических альдегидах и кетонах. Азотсодержащие производные карбонильных соединений. Общие представления о сходстве электронного строения и химических свойств 3 карбонильной и азометиновой группы. Восстановление оксимов, гидразонов, шиффовых оснований, восстановительное аминирование карбонильных соединений. Оксимы: геометрическая изомерия, превращения, катализируемые кислотами, перегруппировка (Бекмана) оксима циклогексанона и ее промышленное значение. Катализируемое основанием разложение гидразонов как способ восстановления карбонильных соединений (реакция Кижнера-Вольфа). Кислотный гидролиз бисульфитных производных, оксимов, гидразонов, ацеталей и кеталей как метод выделения и очистки карбонильных соединений. II. О СНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ , ПОНЯТИЯ Дайте определения следующим понятиям и терминам: альдегидная группа; кетонная группа; геминальные дигалогенопроизводные; реакция Кучерова; реакция Удриса-Сергеева; реакция Виттига; полярность карбонильной группы; гидразон; неенолизирующиеся карбонильные соединения; амбидентный анион; основность карбонильных соединений; С-нуклеофил; альдольная конденсация; кротоновая конденсация; пинаколиновая перегруппировка; реакция Принса; азометин(имин); оксим; поляризуемость карбонильной группы; фенилгидразон; семикарбазон; азины; ацетали; кетали; реакция Меервейна-Верлея-Пондорфа; реакция Тищенко; реакция Фелинга; галоформная реакция; реакция Клемменсена; реакция Кижнера-Вольфа; перегруппировка Бекмана; правило Попова; реакция Манниха; основания Шиффа; реакция Сомле; реакция Канниццаро; реакция Фаворского; бензоиновая конденсация. III. О ТДЕЛЬНЫЕ ПPЕДСТАВИТЕЛИ Нахождение в природе. Промышленные способы получения. Физические и химические свойства. Применение. формальдегид; ацетальдегид; ацетон; циклогексанон; камфора; бензальдегид; ванилин; параформ; гексаген; фурфурол. IV. Э ЛЕКТРОННОЕ СТPОЕНИЕ 1. Охарактеризуйте влияние карбонильной группы на углеводородный радикал в пропионовом альдегиде. Какие атомы водорода наиболее активны (подвижны) и почему? 2. Какой процесс называется енолизацией? Приведите енольные формы для масляного альдегида. Почему енолизация является частным случаем таутомерии? Какие карбонильные соединения не способны к енолизации? Рассмотрите 4 механизм енолизации, факторы ускоряющие или замедляющие его. Влияние строения карбонилсодержащего соединения на способность его к енолизации. 3. Какова величина угла между связями, образуемого двумя изопропильными группами в диизопропилкетоне? Каким должен быть угол между двумя изопропильными группами в бисульфитном аддукте диизопропилкетона? Можно ли использовать ответы на предыдущие вопросы для объяснения того факта, что многие кетоны, в том числе и диизопропиловый, не образуют устойчивых бисульфитных аддуктов? V. С ПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА 1. Назовите характеристические полосы поглощения в ИК-области метилэтилкетона. Каким образом изменится область поглощения карбонильной группы при: а) замене растворителя на более полярный; б) введении электронодонорных заместителей в -положение карбонильной группы? Дайте необходимые пояснения. VI. Н ОМЕНКЛАТУРА 1. Напишите структурные формулы нижеприведенных соединений: 3-гидроксибензальдегид; 1-нафтальдегид; пентаналь; 3-метилгептанон-2; суберон; 2,5-диметил-3-гексанон. VII.С ПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Получите ацетон из соответствующих производных перечисленными ниже методами, приведите условия протекающих процессов: а) окислением алкена, спирта, гликоля (окислительным расщеплением); б) восстановлением хлорангидрида соответствующей кислоты (реакция Роземунда-Зайцева), нитрила; в) гидролизом геминального дигалогенопроизводного, винилового эфира; г)* гидратацией алкина (реакция Кучерова); д) оксосинтезом; е)* используя магнийорганические соединения; ж) пиролизом солей соответствующих карбоновых кислот; з)* перегруппировкой гликоля (если это возможно). Критически оцените способы получения с точки зрения эффективности. В случаях, обозначенных звездочками, приведите механизм. 2. Предложите путь синтеза 2-метилциклогексанона методом Ружички. Укажите условия протекания и объясните механизм образования. 3. Приведите схемы реакций, лежащих в основе промышленных методов получения: а) формальдегида; б) ацетальдегида; в) ацетона; г) метилэтилкетона. 5 VIII.Х ИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1. Сравните реакционную способность и пути превращения масляного альдегида и бутилметилкетона с приведенными реагентами, укажите условия и механизм возможных процессов: à) H2O; á) 2 C2H5OH; â) PCl3; ã) Na2SO3; ä) NH3; å) NH2-OH; æ) NH2-NH2; ç) NH2-NHC6H5; è) (CH3)2NH; ê) CH3NH2; ë) HCN; ì) CH3MgBr. 2. Расположите перечисленные ниже соединения в соответствии с их реакционной способностью по отношению к присоединению нуклеофильных реагентов (например, гидроксил-иона) к карбонильной связи. Приведите Ваши соображения. масляный альдегид; бутилметилкетон; 4-метилциклогексанон; -нитропропионовый альдегид. 3. Напишите реакции восстановления масляного альдегида и бутилметилкетона приведенными ниже реагентами: комплексными гидридами металлов; спиртами в присутствии алкоголятов металлов (равновесие МейервейваПондорфа-Верлея); амальгамой цинка в присутствии соляной кислоты (реакция Клемменсена). 4. Напишите наиболее вероятные продукты, образующиеся при окислении изобутилэтилкетона, происходящее как с разрывом углеродной цепи, так и без разрыва, укажите условия окисления, объясните правило Попова. 5. Ацетон реагирует с галогенами с одинаковой скоростью, которая не зависит от концентрации галогена; реакция катализируется как кислотой, так и основанием, причем основной катализ эффективнее. Приведите механизм реакции, объясняющий перечисленные закономерности. 6. Напишите вероятные продукты превращения приведенных веществ в указанных условиях, объясните механизм процессов: HO а) CH3 C CH3 O H - + б) 3 HCHO + CH3CHO Ca(OH)2 A в) 2 C6H5CHO CN- г) 2 C6H5CHO HO- 7. Напишите механизм взаимодействия надбензойной кислоты с бензальдегидом, включающий присоединение к альдегидной группе и последующую реакцию, аналогичную разложению гидроперекисей. 8. Напишите механизм нижеприведенной реакции в жидкой фазе, соответствующий характеру реагентов и необходимости участия кислого катализатора: 6 CH3 CH3 C CH3 + C2H5O CH OC2H5 O OC2H5 CH3 C OC2H5 + C2H5C OC2H5 O OH 9. Одним из возможных способов синтеза циангидринов (с тем, чтобы избежать применения цианистого водорода) могло бы явиться использование карбонильного соединения и цианистого натрия. Обсудите вопрос о том, более или менее выгодной окажется константа равновесия образования циангидрина в случае ацетона и цианистого водорода в водном растворе по сравнению с ацетоном и цианистым натрием в тех же условиях. IX. К ОМПЛЕКСНЫЕ ЗАДАЧИ 1. Через какие стадии протекают реакции конденсации карбонильных соединений? Какие вещества могут играть роль метиленовой компоненты в конденсациях карбонильных соединений? 2. 3-фенил-2-бутанон содержит четыре атома водорода, способных к обмену при действии OD–/D2O. Наиболее легко обменивается единственный протон у атома C3, связанного с фенильной группой. а) Напишите все резонансные структуры аниона, полученного отщеплением протона от C3 3-фенил-2-бутанона; б) Напишите все резонансные структуры аниона, полученного отщеплением одного из протонов от C1 3-фенил-2-бутанона; в) Какой из двух анионов более устойчив? г) Какой из двух анионов должен образовываться с большей легкостью? д) Какой из атомов водорода 3-фенил-2-бутанона должен обладать наиболее кислыми свойствами? е) Какое Вы можете сделать заключение о кислотности протона и легкости, с которой он может замещаться на дейтерий в этих условиях? 3. В присутствии гидрида натрия (сильного основания) этилкарбонат взаимодействует с циклооктаноном, давая -ацилированный кетон, т.е. кетон, соединенный с группой –C(O)–OR через -углеродный атом. Напишите механизм этой реакции. (Примечание: вспомните реакцию этилкарбоната с реактивом Гриньяра) 7 МОДУЛЬ X. «ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ДИКАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, НЕПРЕДЕЛЬНЫХ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ, ХИНОНОВ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ СИНТЕЗА» I. П РОГРАММА МОДУЛЯ Дикарбонильные соединения. Глиоксаль, метилглиоксаль: образование устойчивых гидратов, катализируемое основаниями превращение в гидроксикислоты. Реактив Чугаева и комплексы металлов на его основе. Бензилбензиловая перегруппировка, кето-енольная таутомерия, алкилирование, образование хелатных комплексов с ионами металлов на примере ацетил-ацетона. Глутаконовый альдегид. Дикарбонильные соединения, использование в синтезе гетероциклических соединений. Hепредельные альдегиды и кетоны. Общие методы синтеза: окисление олефинов по аллильному положению, из спиртов аллильного типа, кротоновая конденсация карбонильных соединений. Синтез акролеина дегидратацией глицерина. Электронное строение и его связь с реакционной способностью -непредельных соединений. Химические свойства. Сходство и различие химических свойств -непредельных альдегидов и кетонов: каталитическое гидрирование, восстановление комплексными гидридами металлов, спиртами, восстановление металлами в присутствии источников протонов. Селективное окисление альдегидной группы. Реакции присоединения воды, спиртов, галогеноводородов, бисульфита натрия, аммиака, аминов, цианистого водорода, магнийорганических соединений. Реакции конденсации с CH-активными соединениями (реакция Михаэля). Эффект винилогии и CH-активность -ненасыщенных карбонильных соединений. Халконы. Кетены: методы синтеза, реакции присоединения к кетенам как разновидность реакций ацилирования, димеризация. Хиноны. Получение о- и п-бензо- и нафтохинонов. Свойства хинонов: получение моно- и диоксимов, присоединение хлористого водорода, анилина, уксусного ангидрида, реакция с диенами. Сопоставление свойств хинонов и -непредельных кетонов. Хингидрон. Понятие о комплексах с переносом заряда (КПЗ). Семихиноны. Понятие об ион-радикалах. Антрахинон: получение, представление о свойствах и применении. II. О СНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ , ПОНЯТИЯ Дайте определения следующим понятиям и терминам: кето-енольная таутомерия CH-кислотность CH-активность эффект винилогии хелатные комплексы ион-радикалы комплексы с переносом заряда енолизация таутомерия амбифункциональность правило Корнблюма альдольная конденсация ретроальдольная реакция реактив Чугаева реакция Михаэля халконы кетены хиноны 8 антрахиноны III. В АЖНЕЙШИЕ нафтохиноны ПРЕДСТАВИТЕЛИ Нахождение в природе. Промышленные химические свойства. Применение. глиоксаль диацетил бензил ацетилацетон 1,4-нафтохинон IV. Э ЛЕКТРОННОЕ способы получения. Физические и димедон индандион-1,3 п-бензохинон п-хлоранил 9,10-антрахинон СТPОЕНИЕ 1. Укажите предпочтительную енольную форму для приведенных соединений: метилэтилкетон, метилтрет-бутилкетон, 2,4-пентандион. Дайте необходимые пояснения. 2. Опишите строение кетена. Приведите атомно-орбитальную модель молекулы. Укажите тип гибридизации атомов углерода. Почему связи C=C и C=O не сопряжены? 3. Расположите следующие карбонильные соединения в ряд по уменьшению активности в реакции с гироксиламином (объясните механизм): уксусный альдегид, формальдегид, диацетил, ацетон, формилацетон. V. С ПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА 1. В каком бициклическом соединении область инфракрасного поглощения C=O-группы наблюдается при более высокой частоте? Ответ мотивируйте. бицикло-[2,1,1]-гексанон и бицикло-[2,2,1]-гептанон 2. Растворители, способные к образованию водородных связей, сдвигают частоту поглощения связи C=O в сторону низких частот по сравнению со спектрами, снятыми в тетрахлориде углерода. Почему? 3. Укажите, при помощи какого спектрального метода и объясните, каким образом можно идентифицировать оба соединения: 2,2-диметилциклопентанон и 3,3-диметилциклогексанон. VI. Н ОМЕНКЛАТУРА 1. Назовите соединения по всем известным Вам номенклатурам: O а) CH3 O CH3 C C C CH C CH2 б) CH3 C CH C O CH3 O в) CH CH C C CH 3CH 2 CH 3CH 2 C C C H CH 2CH 3 г) O H CH 2CH 3 H 9 C д) O O H CH 3 е) OH C O O H 2. Напишите структурную формулу соединения и назовите по другой номенклатуре: бензилкетен 2,3-пентадион 3,4-диметил-2,3-гександион 3,4-гександион 2,3-гександион акролеин кротоновый альдегид -нафтохинон 2-метил-1,4-бутандиаль 2,3-диметил-1,4-бутандиаль VII.С ПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Получите 2,5-äèìåòèë-3,4-ãåêñàíäèîí из соответствующих производных указанными методами (опишите условия и объясните механизм реакций): а) окислением диоксидом селена в уксусной кислоте; б) нитрозированием с последующим гидролизом; в) окислением ацилоина. 2. Получите 2,3-äèôåíèëáóòàíäèàëü из соответствующих производных указанными методами (опишите условия и объясните механизм реакций): а) конденсацией Кляйзена; б) ацилированием кетона. 3. Получите 3-áåíçèë-2,5-ãåêñàíäèîí из соответствующих производных тремя способами (опишите условия и объясните механизм реакций). 4. Получите 3-öèêëîáóòèëïðîïåíàëü из соответствующих производных указанными методами (опишите условия и объясните механизм реакций): а) реакцией конденсации; б) окислением алкена; в) окислением олефина по аллильному положению. 5. Получите дибензилкетен из соответствующих производных указанными методами (опишите условия и объясните механизм реакций): а) пиролизом; б) из ацилхлорида; в) из галогенацилгалогенида. 6. Получите дурохинон из соответствующих производных указанными методами (опишите условия и объясните механизм реакций): а) окислением соответствующего диоксипроизводного; б) окислением соответствующего аминопроизводного. VIII.Х ИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1. Будет ли бензальдегид вступать в реакцию с перечисленными ниже соединениями? Если да, то напишите возможные реакции. Опишите условия и механизм. а) вода; б) метиламин; 10 в) о-диаминофенол; г) внутримолекулярная реакция Канниццаpо. 2. Будет ли 2-метил-1,4-бутандиаль вступать в реакцию с перечисленными ниже соединениями? Если да, то напишите возможные реакции. Опишите условия и механизм. а) алкилиpование втоp-бутилхлоpидом (отразите механизм, объясните зависимость продуктов реакции от строения диальдегида); б) с монохлоpпpопионовым альдегидом; в) сульфиpования; г) опишите образование и строение комплекса с Cu (II); д) какие продукты образуются при гидролитическом расщеплении при нагревании в присутствии щелочи или кислоты (отразите механизм). 3. Будет ли 3-изопропил-2,5-гександион вступать в реакцию с перечисленными ниже соединениями? Если да, то напишите возможные реакции. Опишите условия и механизм. а) внутримолекулярной конденсации; б) с изопpопиламином. 4. Будет ли хлоранил вступать в реакцию с перечисленными ниже соединениями? Если да, то напишите возможные реакции. Опишите условия и механизм. а) с уксусным ангидpидом; б) с диметиламином; в) с изопpопилмагнийбpомидом; г) с 2,3-дифенилбутадиеном-1,3; д) с гидpоксиламином. 5. Будет ли 3-циклобутилпропеналь вступать в реакцию с перечисленными ниже соединениями? Если да, то напишите возможные реакции. Опишите условия и механизм. а) восстановление комплексными гидридами, натрием в спирте, каталитическое гидpиpование; б) селективное окисление карбонильной группы (реагенты, условия); в) с бутанолом-2; г) с бисульфитом натрия; д) с аммиаком; е) с циановодоpодом; ж) метилмагнийхлоpидом; з) конденсация с малоновым эфиром (реакция Михаэля). 6. Напишите продукты реакции Дильса-Альдеpа, используя 4-циклогексил-3-бутен-2-он в качестве: а) диенофила; б) сопpяженного диена. Опишите условия и механизм процесса циклизации. 7. Получите метилэтилкетен (всеми способами). Опишите его строение и реакционную способность. Напишите продукты и объясните механизмы реакций взаимодействия с: а) водой; б) изобутанолом; в) бензойной кислотой; г) аммиаком; д) бpомоводоpодом; е) димеpизация. 11 IX. К ОМПЛЕКСНЫЕ ЗАДАЧИ 1. Бензальдегид под действием бромной воды превращается в бензойную кислоту. Эта реакция окисления характерна для альдегидов Напишите и объясните ее механизм. 2. Почему конденсацию дезоксибензоина с бензальдегидом осуществляют под действием газообразного хлористого водорода, а не щелочных реагентов? Объясните механизмы соответствующих процессов. 3. Водные растворы глутарового альдегида применяются в медицине в качестве антисептического средства, убивающего бактерии, вирусы и споры микроорганизмов. Как показывают ЯМР-спектры, основным компонентом 25% раствора глутарового альдегида является циклический гидрат. а) Напишите механизм его образования и обратного превращения в глутаровый альдегид. б) Сколько возможно циклических гидратов глутарового альдегида? O H C (CH2)3 C O H + H2O глутаровый альдегид H + H H HO O OH циклический гидрат 4. Напишите механизм следующей реакции: O C6H5 12 C CH CH OC2H5 + C6H5M gBr эфир O C6H5 C CH2CH(C6H5)2