Lecture 11

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
Общая схема присоединения нуклеофилов
«тетраэдрический»
интермедиат или продукт
Образование тетраэдрических интермедиатов (продуктов) обычно – медленная
стадия процесса
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 (стерический фактор)
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
RR’C=O
RR’C(CN)OH
Вещество
K
Вещество
K
CH3CHO
>1500
CH3COCH2CH3
38
p-NO2C6H4CH=O
1420
C6H5COCH3
0.8
C6H5CH=O
210
C6H5COC6H5
< 0.8
p-MeOC6H4CH=O
32
Стерические эффекты заместителей и нуклеофилов
Увеличение размера и заместителей и их числа
(альдегиды - кетоны) снижает скорости реакций с
нуклеофилом. Переход от sp2 состояния атома
углерода в реагенте к sp3 состоянию в
интермедиате (продукте) приводит к возрастанию
стерических напряжений. Me3CCOCMe3 почти
инертен в нуклеофильном присоединении
Играет роль и размер нуклеофила. Так, в реакции присоединения CN- к
MeCH2COMe константа равновесия равна 38, а в реакции похожего кетона
(MeCH2)2CO с более объемным нуклеофилом S2O32- K= 4*10-4.
12.1.1. Реакции гидратации и образования ацеталей
R2C=O
+ H2O
R2C(OH)2
K:
CH2O 2*103
MeCHO 1.4
Me2CO 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
Полуацетали обычно неустойчивы и
не выделяются в свободной форме.
Исключение, если R – акцептор:
CBr3CH(OH)OEt
полуацеталь
K – обычно ниже, чем для гидратации
В кислотных средах (специфический кислотный катализ) полуацетали
превращаются в устойчивые ацетали
MeCH(OEt)2 – диэтилацеталь ацетальдегида.
Me2C(OMe)2 – диэтилкеталь ацетона
RC(OR’)3 - ортоэфиры
Кетоны обычно трудно образуют ацетали (кетали) с одноатомными спиртами, но
легко дают циклические ацетали (кетали)
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 кетали устойчивы в щелочных средах ! Поэтому они
используются как растворители и защитные группы
Можно добиться «обращения» поляризации
карбонильной группы
12.1.2. Реакции с цианидами и другими анионами
R2C=O + NaCN
R2C(OH)CN
v = k [R2CO][CN-]
Порядок активности карбонильных соединений: AlkCHO > ArCHO > Alk2CO >>
ArCOAlk >>> Ar2CO
Из-за стерических препятствий (большой размер SO32-) реакция идет только с
альдегидами, метилкетонами и некоторыми циклическими кетонами
Галогенид-ионы
С другими альдегидами и кетонами не идет из-за побочных реакций –
енолизация, галогенирование и пр.
1,4-электрофильное присоединение:
12.1.3. Механизмы реакций восстановления С=О группы
Комплексные гидриды металлов
Сходным образом действует NaBH4, он менее активен, чем LiAlH4, но более
селективен, позволяя восстанавливать С=О группу в присутствии COOR, CN,
NO2
Восстановление по Меервейну-Пондорфу-Верлею
При использовании Al(OCDMe2)3 образуется R2CDOH
Реакция Канниццаро
v=k [ArCHO]2 [OH-]
При проведении реакции в D2O образуется ArCH2OD
В ра-рах с очень высокой конц. щелочи образуется дианион CH2(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 (Me2CHOH и др.)
диарилкетилы
12.2. Реакции присоединения-отщепления
Катализируются кислотами и основаниями. Наиболее изучены – реакции с
первичными и вторичными аминами
12.2.1. Реакции с первичными и вторичными аминами
«имины», основания Шиффа
оксимы
гидразоны
семикарбазиды
Имины из аммиака R2C=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 (a-аминоспирты) могут быть выделены
если альдегид имеет сильные электроноакцепторные группы (аналогия с
гидратами и полуацеталями)
12.2.2. Реакции с металлорганическими соединениями
Состав и строение магний-органических веществ достаточно сложно. Например, в
эфирных растворах MeMgBr существует как (Me2Mg + MgBr2). В других случаях в состав
входят молекулы эфира. Их строение может быть представлено как Rd-—MgXd+ т.е. как
скрытые карбанионы (синтетические эквиваленты карбанионов)
Если реактив Гриньяра содержит алкильные группы, имеющие в b–положениях атомы
водорода, то идет восстановление карбонильных соединений
В случае стерически затрудненных кетонов образуются алкоголяты
енолов
1,4-присоединение
RLi дают меньше продуктов 1,4-присоединения и
образуют продукты присоединения со стерически
затрудненными кетонами
12.2.3. 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
b-нитроспирты
нитроалкены
Конденсация Перкина (1868)
William Henry Perkin
1838-1907
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 -80оС. Движущей
силой реакции является выигрыш в термодинамике за
счет образования очень прочной связи P=O (535
кДж/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