01. Реакционная способность биоорганических сеодинений.Спирт

Реакционная способность
биоорганических
соединений.
Спирты, альдегиды, кетоны
лектор:
канд. биол. наук, доцент
Лихацкий П.Г.
План лекции
•
•
•
•
•
1. Классификация и номенклатура альдегидов и кетонов.
2. Физические свойства.
3. Способы получения.
4. Основные реакционные центры.
5. Влияние строения на реакционную способность в
реакциях нуклеофильного присоединения.
• 6. Стереохимический результат присоединения к
альдегидам и кетонам нуклеофильных реагентов.
• 7. Химические свойства.
• 8. Медико-биологическое значение.
Карбонильные соединения
Альдегиды
Кетоны
Определение:
альдегидами называются соединения, в
которых карбонильная группа соединена с
углеводородным радикалом и атомом
водорода, а кетонами – карбонильные
соединения с двумя углеводородными
радикалами
Классификация и номенклатура
альдегидов
По характеру углеводородного радикала:
O
O
O 1) алифатические
O
б) CH3=C-C
в) CH3-C
H
насыщенныеH
2) алифатические
ненасыщенные
3) ароматические
C
ТН
уксусный
O
H альдегид
г)
д)
МН
этаналь
H
O
CH2=CH-C
CH2=CH-C
H
O
ТН (избыт.)
акриловый альдегид
NH
3
МН пропеналь
CH3-CH2-ONa (CH3-CH2-OH)
NH2 ТН бензальдегид
CH2=CH-NO2
CH2=CH-CN
CH3-SH
CH3-NH2
HBr
C-CH
Гомологический ряд насыщенных альдегидов
состава С1 – С5
ТН муравьиный альдегид;
формальдегид
O
МН метаналь
O
С1
С2
H3=C-C
С3
O
H
в) CH3-C
O
H
CH3-CH2-C
C
г)
O
H
C-CH3
H
ТН уксусный
д) альдегид;
ацетальдегид
МН этаналь
(C2H5O)3Al
ТН пропионовый альдегид
МН пропаналь
С4
ТН масляный альдегид
МН бутаналь
С5
ТН валериановый альдегид
МН пентаналь
C
Классификация и номенклатура кетонов
По характеру углеводородных радикалов:
ТН ацетон
РН диметилкетон
МН пропанон
1) алифатические
насыщенные
0
Zn/Hg, HCl конц, 100 С
O
2) ароматические
РН дифенилкетон
C
0
NH2-NH2
O
O
O3)
г)
H
C
смешанные
H
A
KOH, 200 С
д)
C-CH3
РН метилфенилкетон
ТН ацетофенон
B
Физические свойства
карбонильных соединений
Агрегатное состояние
Формальдегид – газ, все остальные – жидкости; высшие – твердые
соединения. Альдегиды и кетоны имеют более низкие температуры
кипения, чем спирты и карбоновые кислоты с тем же числом
атомов углерода.
Растворимость
Первые представители (формальдегид, ацетальдегид, ацетон)
хорошо растворимы в воде за счет образования водородных связей
или гидратных форм. По мере удлинения углеродной цепи
растворимость карбонильных соединений в воде снижается.
Карбонильные соединения хорошо растворимы в полярных
органических растворителях. Некоторые из них (ацетон,
метилэтилкетон) широко используются как растворители.
Способы получения
1. Термокаталитическое окисление алканов
O2, t, кат
R-CH3
R-CHO
СН4
метан
О2, t, кат
НСНО (основной промышленный способ)
формальдегид
2. Гидроформилирование алкенов (оксосинтез)
СН3-СН=СН2 + СО + Н2
пропен
Сo (СО)8, t, P
CH3-CH2-CH2-CHO + (CH3)2CH-CHO
бутаналь
2-метилпропаналь
Способы получения
3. Гидратация алкинов (реакция Кучерова)
НС≡СН + НОН
Н+, Hg2+
ацетальдегид
ацетилен
СН3-С≡СН + НОН
СН3-СНО
Н+, Hg2+
пропин
СН3-С-СН3
ацетон
O
4. Окисление гомологов аренов
СН3
толуол
СН(OCOCH3)2
CrO3, (CH3CO)2O
СНO
H2O,
ацилаль
H+
бензальдегид
Способы получения
5. Ацилирование аренов
+ СН3-COCl
С - СН3
AlCl3
ацетилхлорид
- HCl
О
метилфенилкетон
6. Гидролиз гем-дигалогенпроизводных углеводородов
СH3-CHCl2
1,1 – дихлорэтан
CH3-CCl2-CH3
2,2 – дихлорпропан
H2O, NaOH
-2 NaCl
H2O, NaOH
-2 NaCl
CH3-CHO
ацетальдегид
CH3-C-CH3
O ацетон
Способы получения
7. Окисление спиртов
Окислители: K2Cr2O7/H+, KMnO4/H+, CuO, CrO3
[O]
R-CH2-OH
первичный
спирт
R-CHO
альдегид
R-CH-R‘
Втор. спирт
[O]
[O]
карбоновая к-та
R-C-R'
OH
O
8. Дегидрирование спиртов
R-CH2-OH
R-CH-R‘
OH
ZnO, t
R-CHO
альдегид
ZnO, t
R-COOH
R-C-R'
O кетон
кетон
Способы получения
9. Восстановление функциональных производных
карбоновых кислот
[H]
R-CONR2
R-CHO + R2NH
амид
R-COCl
хлорангидрид
кислоты
[H]
-HCl
R-CHO
Способы получения
10. Пиролиз солей карбоновых кислот
( RCOO)2Ca
COOH
COOH
адипиновая кислота
t
_ CaCO
3
R
C
R
O
Ва(ОН)2, 240˚С
- ВаСО3
C
O
циклопентанон
Реакционные центры в молекулах карбонильных
соединений на примере уксусного альдегида
δ - основный оксониевый центр
δ’ + < δ +
:
нуклеофильный центр
С- Н
кислотный
электрофильный центр
центр
реакции нуклеофильного присоединения (АN)
Общая схема реакции нуклеофильного
присоединения в карбонильных соединениях
δ+
δ-
[
Nu...
+ Е – Nu
E+
]
Факторы, определяющие реакционную
способность карбонильных соединений в
реакциях AN
1.
Электронный. Обусловлен величиной δ+ на карбонильном
атоме углерода. Чем больше величина заряда, тем больше
реакционная способность.
На
величину
заряда
влияют
заместители.
Электронодонорные заместители уменьшают величину δ+
,тем самым уменьшают реакционную способность,
электроноакцепторы действуют наоборот.
Факторы, определяющие реакционную
способность карбонильных соединений в
реакциях AN
2.Стерический.
Обусловлен
доступностью
электрофильного центра, на которую влияют число
и строение заместителей при карбонильном атоме
углерода. Объёмные радикалы затрудняют подход
нуклеофила
и,
следовательно,
снижают
реакционную способность.
3. Кислотно-основные свойства среды.
Сравнение реакционной способности альдегидов и
кетонов реакциях нуклеофильного присоединения
трихлоруксусный
альдегид
δ+
- I CCl3 , э. а.
уксусный
альдегид
δ+
+ I CH3 , э. д.
ацетон
δ+
+ I CH3 , 2 э. д.
Сравнение реакционной способности альдегидов
и кетонов реакциях AN
Выводы:
1. Альдегиды обладают большей реакционной
способностью, чем кетоны.
2. Электроноакцепторные заместители увеличивают
реакционную способность, электронодонорные
заместители – уменьшают.
3. Ароматические альдегиды и кетоны менее
реакционноспособные, чем алифатические.
4. В гомологическом ряду насыщенных альдегидов
реакционная способность уменьшается.
Стереохимия реакций нуклеофильного
присоединения
Реакции с кислородсодержащими
нуклеофилами
ПРИСОЕДИНЕНИЕ ВОДЫ
δ+
+ НОН
формальдегид
гидрат формальдегида
+ НОН
ТН хлораль
хлоральгидрат
устойчив
Реакции с кислородсодержащими
нуклеофилами
ПРИСОЕДИНЕНИЕ СПИРТОВ
δδ+
НСI сух.
+ С2Н5ОН
уксусный
альдегид
этиловый
спирт
полуацеталь
неустойчив
НСI сух.
+ С2Н5ОН
+ НОН
ацеталь, устойчив
диэтилацеталь уксусного
альдегида
Механизм реакции образования полуацеталей
δ+
: Н+ CI-
[
]
CI-
+ CH3CH2OH
+ HCI
Реакции с серасодержащими нуклеофилами
1. Присоединение гидросульфита натрия
OH O
O
CH3 -C
+
O=S
ONa
CH3 – CH – S – ONa
OH
этаналь H
O
гидросульфитное
производное
для выделения из смеси и очистки карбонильных соединений
2. Реакция с тиолами
CH3 –CH2-C
пропаналь
O
..
+ 2С2H5SH
H
SC2H5
HCl
CH3 – CH2 – CH – SC2H5 + H2O
Дитиоацеталь
1,1 – ди(этилтио)пропан
для «защиты» карбонильной группы
Реакции карбонильных соединений с
азотсодержащими нуклеофилами АN - E
МЕХАНИЗМ:
δ+
+ NH2 - X
Н2О +
монозамещенный
имин
Реакции карбонильных соединений с
азотсодержащими нуклеофилами АN - E
O
O
C
C-CH
O
H
в) CH3-C
д)
+г)NH3
+ Н2 О
H
этаналь
в) CH3-C
этаналь
O
H
+ г)
NH2- CH3
метиламин
имин
O
C
H
O
д)
N-замещенный
имин
C-CH3
+ Н2О
Реакции карбонильных соединений с
азотсодержащими нуклеофилами АN - E
+ NH2- ОН
ацетон
гидроксиламин
+ Н2 О
оксим
+ Н2О
+ NH2 – NH2
ацетон
гидразин
гидразон
Реакции карбонильных соединений с
азотсодержащими нуклеофилами АN - E
фенилгидразин
H2N
NH
H2N
NH
H2N
NH
фенилгидразоны
п-нитрофенилгидразин
N O2
C
O
NH2
п-нитрофенилгидразоны
семикарбазид
семикарбазоны
Взаимодействие формальдегида с аммиаком
6 НСНО + 4 NНз → (СН2)6N4 + 6 Н2О
гексаметилентетрамин
N
N
N
N
Гексаметилентетрамин используется в
медицине как антисептическое
средство. Является пролекарством, т.к.
антисептическим свойством обладает
формальдегид, образующийся при его
гидролизе в организме.
Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами
Присоединение циановодородной кислоты
CH3 –CH2-C
пропаналь
O
OH -
+
HCN
CH3-CH2-CH-C≡N
H
OH оксинитрил
2-гидроксибутанонитрил
OH -
CH3-C-CH3 + HCN
CH3-C-CH3 2-гидрокси-2 метилHO
CN
пропанонитрил
O
CH3
CH3-C-CH3 + 2H2O
HO
CN
H+
NH4+
CH3-C-COOH
OH
α-гидроксикислота
2-гидрокси-2-метилпропановая к-та
Механизм реакции присоединения HCN
быстро
HCN + HO -
C≡N + H2O
слабая к-та
δ+
CH3 –CH2-C
нуклеофил
δO
O
медленно
+ CN
H2O
CH3-CH2-CH-C≡N
H
OH
H2O
CH3-CH2-CH-C≡N + OHвозврат
катализатора
Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами
Присоединение магнийорганических соединений
δδ+ O
CH3-С
уксусный
δ- δ+
+ СH3-Mg-Br
H2O
-Mg(OH)Br
δ-
δ+
CH3-CH-OH
втор.спирт
бромид
CH3-C-CH3 + СH3-Mg-Br
кетон Oδацетон
CH3
CH3-CH-OMgBr
метилмагний-
H
альдегид
δ+
CH3
пропанол - 2
CH3
CH3-C-CH3
OMgBr
CH3
H2O
-Mg(OH)Br
CH3-C-CH3
OH
третичный спирт
2-метилпропанол-2
Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами
Реакции с участием С-Н-кислотного центра
R
H
С=O +
R’
С
H
X
OH H
AN
R
(R‘=H)
(карбонильная C-H кислота
(метиленовая
компонента)
компонента)
С=C
R–C–C–X
-H2O
Y
R’
Y
продукт
конденсации
X
R‘
Y
продукт
дегидратации
Альдольная конденсация
O
2 CH3-С
уксусный
альдегид
H
KOH
O
t
CH3-CH-CH2-С
H
OH альдоль
-H2O
3-гидроксибутаналь
O
CH3-CH=CH-С
α,β-ненасыщ. H
альдегид,
бутен-2-аль
Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами
Механизм реакции альдольной конденсации
CH2
CHO + OH-H2O
CH2CH=O
карбанион
СH2=CH-O-
H
δ+ O
CH3-С
+ CH2-CH=O
H
H2O
AN
CH3-CH-СH2 -CH =O
O–
CH3-CH-СH2 –CHO
OH
H2O
+ HO–
альдоль
Обратный процесс – альдольное расщепление
(ретроальдольная реакция)
Реакции оксидоредукции (Канниццаро)
КОН конц.
2
+
соль кислоты
бензоат калия
бензальдегид
первичный спирт
бензиловый спирт
H2O
2
формальдегид
HCOOН + СН3-ОН
муравьиная
метанол
кислота
Восстановление карбонильных соединений
Восстанавливающие реагенты: Н2 / Ni, NaH, LiAlH4
+ Н2
Ni, t
пропанол-1
первичный спирт
пропаналь
альдегид
δ+
Н 2О
+ -
+ NaH
δацетон кетон
- NaОH
алкоголят
пропанол-2
вторичный спирт
Реакции окисления
δ+
окисление
Реакция «серебряного зеркала»
+ [Ag(NH3)2]OH
CH3-COOH + Ag
+ NH3+H2O
уксусный
альдегид
+ Сu(OH)2
t
CH3-COOH + Cu2O
+ H2O
оранжевокрасный
Реакция образования йодоформа
I2, NaOH
CHI3
бледно-желтый
больничный запах
йодоформ
+ R-COONa
соль кислоты
NaOH
Реакция образования йодоформа
R=H
I2, NaOH
NaOH
CHI3
+ HCOONa
формиат Na
этаналь
R=CH3
I2, NaOH
NaOH
CHI3 + CH3-COONa
ацетат Na
ацетон