16.5: Типові реакції додавання карбонілу

Тепер перейдемо до обговорення декількох конкретних реакцій приєднання карбонільних груп альдегідів і кетонів. Ми не будемо намагатися надати великий каталог реакцій, але спробуємо підкреслити принципи, пов'язані з особливо важливими реакціями, які корисні в синтезі.

Реагенти Гріньяра, органолітієві сполуки тощо, як правило, додають до альдегідів і кетонів швидко і необоротно, але те ж саме не стосується багатьох інших реагентів; для їх реакцій додавання можуть знадобитися кислі або основні каталізатори; аддукти можуть утворюватися оборотно і з відносно несприятливими константи рівноваги. Також початкові аддукти можуть бути нестабільними і реагувати далі елімінацією. (Рекомендуємо переглянути розділ 15-4E, щоб побачити приклади цих пунктів.) Щоб організувати цю дуже велику кількість реакцій приєднання, ми організували реакції відповідно до нуклеофілу, який додає до карбонільного вуглецю. Розглянуті тут типи нуклеофілів утворюють\(\ce{C-C}\),,\(\ce{C-O}\)\(\ce{C-N}\),\(\ce{C}\) -галогенні\(\ce{C-S}\), і\(\ce{C-H}\) зв'язки. Короткий зміст наведено в таблиці 16-4.

Таблиця 16-4: Реакції додавання альдегідів і кетонів

Додавання вуглецевих нуклеофілів

Формування ціаногідрину

Ціаністий водень додає до багатьох альдегідів і кетонів, щоб дати гідроксилнітрили, які зазвичай називають «ціаногідринами»:

Продукти корисні в синтезі - наприклад, при отриманні ціаноалкенів і гідроксикислот:

Важливою особливістю утворення ціаногідрину є те, що для нього потрібен основний каталізатор. При відсутності підстави реакція не протікає, або йде в кращому випадку дуже повільно. В принципі, основний каталізатор може активувати або карбонільну групу, або ціаністий водень. З гідроксид-іоном в якості основи, однією з реакцій, яку слід очікувати, є оборотне додавання гідроксиду до карбонільної групи:

Однак таке додавання, швидше за все, не сприятиме утворенню ціаногідрину, оскільки воно являє собою конкурентне насичення карбонільного подвійного зв'язку. Дійсно, якби постійна рівноваги для цього додавання була великою, надлишок гідроксид-іона міг пригнічувати утворення ціаногідрину, зв'язуючи кетон як аддукт\(1\).

Сам ціанід водню не має нерозділеної електронної пари на вуглеці і не утворює вуглецево-вуглецевого зв'язку з карбонільним вуглецем. Однак невелика кількість сильної основи може активувати ціаністий водень, перетворюючи його в іон ціаніду, який може функціонувати як вуглецевий нуклеофіл. Повна послідовність утворення ціаногідрину наступна:

Другий етап регенерує іон ціаніду. Кожен етап реакції є оборотним, але з альдегідами та більшістю безперешкодних кетонів утворення ціаногідрину є досить сприятливим. У практичних синтезах ціаногідринів зручно додавати сильну кислоту до суміші ціаніду натрію та карбонільної сполуки, так що ціанід водню утворюється in situ. Кількість доданої кислоти повинно бути недостатнім для споживання всього ціаністого іона, тому для швидкого додавання підтримуються досить лужні умови.

Додавання металоорганічних реагентів (див. Розділ 14-12А)

Додавання аніонів енолатів (див. Розділ 17-3)

Додавання ілідних реагентів

Існує ряд досить цікавих речовин, для яких ми можемо написати важливі диполярні валентно-зв'язкові структури типу. Важливим фактором цих структур є те, що негативним кінцем диполя є вуглець з нерозділеною електронною парою. Позитивним кінцем диполя може бути кілька видів атомів або груп, найбільш звичайними є сірка, фосфор або азот. Деякі приклади (кожен написаний тут як єдина диполярна структура валентного зв'язку):

Систематичне найменування цих речовин є громіздким, але вони стали називатися ілідами. Генезис цієї назви може здатися незрозумілим, але це спроба примирити наявність\(\ce{C-X}\)\(\sigma\) зв'язку, який є ковалентним і неполярним, як у всіх похідних ілу, а також іонного зв'язку, як у металевих hal ides. Звідси і поєднання yl-lide. \(^2\)

Як ми могли очікувати від диполярної структури, іліди можуть поводитися як вуглецеві нуклеофіли, утворюючи вуглецево-вуглецеві зв'язки шляхом додавання до карбонільних груп альдегідів та кетонів:

Однак подальший перебіг реакції залежить від типу використовуваного іліду. У випадку лідів фосфору загальна реакція становить дуже корисний синтез алкенів шляхом перенесення кисню до фосфору та вуглецю до вуглецю, як підсумовано в рівнянні 16-1. Це називається реакцією Віттінга:

Реакції з сірчаними лідами протікають по-різному. Продуктами є оксацилкопропани (оксирани) - не алкени. Стадія додавання протікає як і з лідами фосфору, але негативно заряджений кисень диполярного аддукту потім витісняє сульфонієву групу як нейтральний сульфід. Це внутрішньомолекулярна\(S_\text{N}2\) реакція, подібна утворенню оксациклопропанів з віцинальних хлороспиртів (Розділ 15-11С):

Що стосується ілідів азоту, то корисним реагентом цього типу є діазометан,\(\ce{CH_2N_2}\). Діаксометан може реагувати з карбонільними сполуками по-різному, залежно від того, що відбувається з початковим аддуктом\(2\). Оксациклопропани утворюються, якщо азот просто витісняється (як\(\ce{N_2}\)) киснем (шлях\(a\), рівняння 16-2). Кетони переставленого вуглецевого каркасу призводять, якщо азот зміщується\(as \(\ce{N_2}\)), за допомогою\(\ce{R}^\ominus\) якого переходить до\(\ce{CH_2}\) групи (шлях\(b\), рівняння 16-2):

Діазокетони\(\ce{RCOCHN_2}\), утворюються, якщо є хороша група виходу, наприклад, галоген, на карбонілі (рівняння 16-3). За цих обставин реагентом є галогенід кислоти, а не альдегід або кетон:

Додавання нуклеофілів кисню та сірки

Спирти, тіоли, вода

Ми вже обговорювали додавання спиртів і, за аналогією, тіолів\(\left( \ce{RSH} \right)\) до карбонільних сполук (див. Розділ 15-4Е). Ми не будемо повторювати цю дискусію тут, за винятком того, що додавання води до карбонільної групи альдегіду аналогічно геміацетальному утворенню (Розділ 15-4Е) і каталізується як кислотами, так і підставами:

Рівновага для утворення гідратів залежить як від стеричних, так і від електричних факторів. Метанал\(99.99\%\) гідратується у водному розчині, етанал\(58\%\) гідратується, а 2-пропанон не гідратований значно. Гідрати рідко можна виділити, оскільки вони легко повертаються до батьківського альдегіду. Єдині відомі стабільні кристалічні гідрати - це ті, що мають сильно електронегативні групи, пов'язані з карбонілом (див. Розділ 15-7).

Сірководень (бісульфіт) Додаток до карбонільної сполуки

Кілька карбонільних добавок мають характеристики, подібні до характеристик утворення ціаногідрину. Типовим прикладом є додавання сірководню натрію, який протікає легко з хорошою конверсією у водному розчині з більшістю альдегідів, метилкетонів та безперешкодних циклічних кетонів для утворення вуглецево-сірчаної зв'язку. Каталізатор не потрібен, оскільки сульфіт є ефективним нуклеофільним агентом. Етап додавання, очевидно, включає сульфіт-іон, а не сірководневий іон:

Продукти додавання часто являють собою красиво кристалічні тверді речовини, які не розчиняються в надлишку концентрованого розчину сірководню натрію. Незалежно від того, розчинні чи нерозчинні, продукти додавання корисні для відділення карбонільних сполук від речовин, які не вступають в реакцію з сірководнем натрію.

Полімеризація альдегідів

Реакцією, тісно пов'язаною з утворенням ацеталів, є полімеризація альдегідів. Виходять як лінійні, так і циклічні полімери. Наприклад, метанал у водному розчині полімеризується до твердого лінг-ланцюгового полімеру під назвою параформальдегід або «поліоксиметилен»:

Цей матеріал при сильному нагріванні повертається до метаналу, тому він є зручним джерелом газоподібного метану. При нагріванні розведеною кислотою параформальдегід виходить твердий тример, 1,3,5-триоксициклогексан (мп\(61^\text{o}\)). Відомий і циклічний тетрамер.

Довголанцюгові метанальні полімери стали дуже важливими як пластмаси в останні роки. Низька вартість параформальдегіду вельми сприятлива в зв'язку з цим, але нестійкість матеріалу до підвищених температур і розбавлених кислот виключає його використання в пластмасах. Однак «кінцеве закупорювання» поліоксиметиленових ланцюгів шляхом утворення ефірів або ацеталів виробляє значне підвищення стабільності, і такі модифіковані полімери мають чудові властивості, як пластмаси. Делрін (DuPont) - стабілізований метанальний полімер з винятковою міцністю і легкістю формування.

Етан (ацетальдегід) полімеризується під впливом кислот на циклічний тример, «паральдегід», і циклічний тетрамер, «метальдегід». Паральдегід був використаний як відносно нетоксичний препарат, що виробляє сон (снодійний). Металедегід використовується як отрута для равликів і слимаків, «Снарол». Кетони, здається, не утворюють стійких полімерів, таких як альдегідів.

нуклеофіли азоту

Реакції\(\ce{RNH_2}\) похідних з карбонільними сполуками

Найрізноманітніші речовини з\(\ce{-NH_2}\) групами реагують з альдегідами та кетонами послідовністю додавання-усунення, щоб дати сполуки та воду. Для цих реакцій зазвичай потрібні кислотні каталізатори:

У таблиці 16-5 узагальнено кілька важливих реакцій цього типу і номенклатуру реагентів і продуктів.

Таблиця 16-5: Продукти реакцій карбонільних сполук з\(\ce{RNH_2}\) похідними

На малюнку 16-4 схематично показаний тип спостережуваного поведінки. Ми можемо зрозуміти максимальну швидкість, враховуючи швидкості та рівноваги за участю\(\ce{RNH_2}\) і карбонільної сполуки, а також швидкість зневоднення, Рівняння 16-4 через 16-6.

Малюнок 16-4: Схематична варіація швидкості конденсації\(\ce{RNH_2}\) з карбонільною сполукою в залежності від рН.

Зрозуміло, що якщо нерозділена електронна пара на азоті\(\ce{RNH_2}\) об'єднана з протоном, рівняння 16-4, вона не може атакувати карбонільний вуглець, щоб дати аміноалканол, як у рівнянні 16-5. Таким чином, при високій концентрації кислоти (низький рН) ми очікуємо, що швидкість і рівновага для загальної реакції будуть несприятливими. У більш розведеній кислоті норма набирає, оскільки в\(\ce{RNH_2}\) розчині більше вільного. Зневоднення аміноалканолу (рівняння 16-6) каталізується кислотою; ця реакція зазвичай швидка при значеннях рН менше 3-4. Тому повільний крок при рН\(<\) 4 - це додавання\(\ce{RNH_2}\) до карбонільної групи відповідно до рівняння 16-5. Оскільки рН збільшується вище 4, додавання стає поступово швидше, тому що менше\(\ce{RNH_2}\) зв'язується як\(\ce{RNH_3^+}\). Однак тоді етап зневоднення, рівняння 16-6, зменшується в швидкості, оскільки для цього потрібен кислотний каталізатор. При рН 6 (пам'ятайте, що перехід від pH 4 до pH 6 - це 100-кратне зниження\(\ce{H}^\oplus\) концентрації) зневоднення є повільним кроком, а при більш високих значеннях рН воно, нарешті, стає занадто повільним, щоб дати корисну загальну швидкість реакції. Показано, що ця послідовність змін швидкості та рівноваг точно враховує криві швидкості проти рН, таких як на малюнку 16-4.

Зневоднення\(\ce{(CH_3)_2CHNR(OH)}\) до\(\ce{(CH_3)_2C=NR}\) включає кислотний каталіз дуже точно так само, як і при ацетальному утворенні (Розділ 15-4Е):

Додавання аміаку до альдегідів

Аміак легко додає до багатьох альдегідів. Наприклад,

Альдегідно-аміачні аддукти зазвичай не дуже стійкі. Вони легко піддаються зневодненню і полімеризації. 1-аміноетанол, наприклад, дає циклічний тримерний склад\(\ce{C_6H_{15}N_3} \cdot 3 \ce{H_2O}\), мп\(97^\text{o}\), зі структурою\(4\):

Метанал і аміак реагують іншим курсом з утворенням речовини, відомої як «гексаметилентетрамін»:

Продукт є високоплавким твердим тілом (mp\(> \: 230^\text{o}\) d.), і його структура була встановлена рентгенівською дифракцією (Розділ 9-3). По суті, це була перша органічна речовина, структура якого визначалася таким чином. Висока температура плавлення чітко пов'язана зі значною симетрією і жорсткістю конструкції клітини:

Відповідне всевуглецеве з'єднання, адамантан (Розділ 12-8), також має високу температуру плавлення\(\left( 268^\text{o} \right)\):

Обробка гексаметилентетраміну азотною кислотою дає високовибуховий «циклоніт», який часто позначається як RDX і широко використовувався у Другій світовій війні:

Тоді метанал і аміак, які відщеплюють структуру клітини під час реакції з азотною кислотою, не потрібно витрачати даремно. При великомасштабному виробництві циклоніту використовується комбінація азотної кислоти, аміачної селітри та етанового ангідриду, що призводить до повної утилізації метану та аміаку:

\[\ce{C_6H_{12}N_4} + 4 \ce{HNO_3} + 2 \ce{NH_4NO_3} + 6 \ce{(CH_3CO)_2O} \rightarrow 2 \ce{C_3H_6O_6N_6} + 12 \ce{CH_3CO_2H}\]

Емалі

Вторинні аміносполуки типу\(\ce{R_2N-H}\) додають в альдегідні і кетонові карбонільні групи в кислотно-каталізованої реакції майже так само, як і\(\ce{RNH_2}\) з'єднання - з однією важливою відмінністю. Продукт містить структурну одиницю,\(\ce{C=C-N}\) а не\(\ce{C-C=N}\); а оскільки існує подвійний зв'язок вуглець-вуглець, така речовина називається енаміном (алк ене\(+\) амін). Прикладом є:

Хід цієї реакції можна зрозуміти, якщо помітити, що втрата\(\ce{OH}\) від вихідного продукту призводить до іона імонію\(5\), який не може втратити протон і утворювати\(\ce{C=N}\) зв'язок:

Однак якщо є водень на вуглеці, прикріпленому до іммонієвого вуглецю, можна втратити такий водень як протон з одночасним утворенням нейтрального енаміну:

Освіта енаміну, як і багато інших реакцій додавання карбонілів, легко оборотне, і карбонільна сполука може бути відновлена шляхом гідролізу водними кислотами. З цієї причини, щоб отримати хорошу конверсію карбонільної сполуки в енамін, зазвичай необхідно видалити воду, яка утворюється шляхом дистиляції її подалі від реакційної суміші.

Емалі - корисні синтетичні проміжні продукти для утворення вуглецево-вуглецевих зв'язків, про що ми докладніше розповімо в розділі 17-4В.

Емалі, як правило, нестабільні, якщо на азоті є водень. Вони переставляються до відповідного imine. Така поведінка аналогічна перестановці алкенолів на карбонільні сполуки (Розділ 10-5А):

Додавання галогенідів водню до карбонільних груп і заміна карбонілу галогеном

Додавання галогенідів водню до карбонільних груп зазвичай настільки легко оборотне, щоб виключити виділення продуктів додавання:

Однак багато альдегіди вступають в реакцію зі спиртами в присутності надлишку хлористого водню, щоб дати ефіри\(\alpha\) хлору:

При проведенні лабораторних синтезів\(\alpha\) -хлороефірів газоподібний хлористий водень пропускають в суміш спирту і альдегіду. \(\ce{HCl}\)Водний не корисний, оскільки надлишок води дає несприятливу рівновагу. \(\alpha\)-Ефіри хлору - це високоактивні сполуки, які дуже легко проходять, а\(S_\text{N}2\) також\(S_\text{N}1\) і\(E1\) реакції. Два простих приклади, метоксихлорметан (хлорметиловий ефір) та хлорометоксихлорметан (біс-хлорметиловий ефір), були поставлені під суворі обмеження в результаті тестів, які показують, що вони мають сильні хімічні канцерогенні властивості.

Заміна карбонільної функції двома хлорами відбувається пентахлоридом фосфору в ефірі:

Ця реакція корисна в поєднанні з\(E2\) елімінацією для приготування алкенілгалогенідів, аллінів та алкінів. Циклоалкенилгалогеніди легко готуються, але через кутовий деформації циклоалкіни та циклоалліни з менш ніж вісьмома атомами в кільці не можуть бути виділені (див. Розділ 12-7):

Заміна карбонільної групи самоцвітом -фтором\(^3\) може бути досягнута гексафторидом молібдену або тетрафторидом сірки. Тетрафторид сірки перетворює карбоксильні функції в трифторметильні групи:

Гідрид як нуклеофіл. Зниження карбонільних сполук

Гідриди металів і бору

В останні роки неорганічні гідриди, такі як гідрид алюмінію літію та борогідрид натрію\(\ce{NaBH_4}\), стали надзвичайно важливими як відновники карбонільних сполук.\(\ce{LiAlH_4}\) Ці реагенти мають значну корисність, особливо з чутливими і дорогими карбонільними сполуками. Зниження циклобутанону до циклобутанолу є хорошим прикладом, і ви помітите, що чистою реакцією є додавання водню через подвійний карбонільний зв'язок\(\overset{ 2 \left[ \ce{H} \right]}{\longrightarrow}\),

З гідридами металів ключовим етапом є перенесення іона гідриду до карбонільного вуглецю відновлюваної речовини.

Передача гідридів аналогічна перенесенню\(\ce{R}^\ominus\) з металоорганічних сполук в карбонільні групи (Розділ 14-12А).

Гідрид літію алюмінію найкраще обробляється як реагент Гріньяра, оскільки він розчинний в ефірі і чутливий як до кисню, так і до вологи. (Гідрид літію не розчиняється в органічних розчинниках і не є ефективним відновником органічних сполук.) Всі чотири водню на алюмінії можуть бути використані:

Продукти реакції повинні бути розкладені водою і кислотою, як і в комплексах Гріньяра. Будь-який надлишок гідриду алюмінію літію розкладається водою і кислотою з виділенням водню:

\[\ce{LiAlH_4} + 2 \ce{H_2SO_4} \rightarrow \frac{1}{2} \ce{Li_2SO_4} + \frac{1}{2} \ce{Al_2(SO_4)_3} + 4 \ce{H_2}\]

Гідрид алюмінію літію зазвичай зменшує карбонільні групи, не зачіпаючи вуглецево-вуглецеві подвійні зв'язки. Це, крім того, хороший відновник для карбонільних груп карбонових кислот, ефірів та інших похідних кислот, як буде описано в главі 18.

Борогідрид натрію є більш м'яким відновником, ніж гідрид алюмінію літію, і зменшить альдегіди та кетони, але не кислоти або ефіри. Він досить повільно реагує з водою в нейтральному або лужному розчині, що зниження, які є досить швидкими, можуть бути проведені у водному розчині без помітного гідролізу реагенту:

\[\ce{NaBH_4} + 4 \ce{CH_2=O} + 3 \ce{H_2O} \rightarrow 4 \ce{CH_3OH} + \ce{NaOB(OH)_2}\]

Боран (як\(\ce{BH_3}\) у тетрагідрофурану або диметилсульфіду) є ще більш м'яким відновником, ніж\(\ce{BH_4^+}\) для карбонільної групи альдегідів і кетонів. Ця різниця в реактивності може бути використана на користь, коли необхідно вибіркове зменшення. Наприклад, борогідрид зменшує кетоновий карбоніл швидше, ніж подвійний зв'язок вуглець-вуглець, тоді як боран зменшує подвійний зв'язок вуглець-вуглець швидше, ніж карбоніл:

Корисне порівняння реактивності боранів і гідридів металів по відношенню до різних типів множинних зв'язків наведено в табл. 16-6.

Таблиця 16-6: Порівняння продуктів і реакцій функціональних груп для відновлення з бораном і гідридами металів\(^{a,b}\)

Реакція Канніццаро

Характерною реакцією альдегідів без\(\alpha\) водню є самоокислення-відновлення, яке вони зазнають при наявності міцної основи. З метаналом як приклад,

Якщо альдегід має\(\alpha\) водні, інші реакції зазвичай відбуваються швидше.

Механізм цієї реакції, яку зазвичай називають реакцією Канніццаро,\(^4\) поєднує в собі багато особливостей інших процесів, вивчених в цьому розділі. Першим кроком є оборотне додавання гідроксид-іона до карбонільної групи:

Водень може бути перенесений у вигляді гідридного іона в метанал з іона гідроксиалкоксиду, тим самим зменшуючи метанал до метанолу:

Зменшення алкоксидами алюмінію

Передача гідридів, подібна до реакції Канніццаро, також може бути досягнута з\(\ce{C-H}\) групування в іоні алкоксиду, відповідному первинному або вторинному, але не третинному алкоголю. Очікується, що це буде оборотна реакція, оскільки продукти - це ще один алкоксид та інша карбонільна сполука:

Для використання цього процесу рівноваги як практичного методу зменшення потрібні досить особливі умови. Переважно використовувати алкоксид алюмінію\(\ce{Al(OR)_3}\), а не алкоксид натрію, щоб переконатися\(\overset{\oplus}{\ce{Na}} \overset{\ominus}{\ce{O}} \ce{R}\), що реакційна суміш не була занадто сильно основною. (Карбонільні сполуки, особливо альдегіди, чутливі до міцних основ.) Загальна реакція може бути написана

для чого алкоксид отримують з 2-пропанолу. Перевага цього методу полягає в тому, що реакція може бути приведена по суті до завершення шляхом дистиляції 2-пропанону в міру його утворення. Продукт відновлення згодом може бути отриманий кислотним гідролізом алкоксиду алюмінію:

Біологічні реакції

Про них йшлося вже в контексті зворотних реакцій - окислення спиртів (розділ 15-6С).

\(^2\)Вимовляється по-різному, як хворий/id, yill/id, хворий/ide, yill/ide. Диполярні структури, які зазвичай пишуться для ілідів, є надмірно спрощеним представленням зв'язку в цих речовині.

\(^3\)Gem - це абревіатура від geminal (twinned) і є загальним розмовним позначенням для домовленостей, що мають два однакових замінника на одному вуглеці.

\(^4\)Названий на честь свого першовідкривача, того ж Канніццаро, який в 1860 році вніс величезний внесок в проблему отримання самоузгоджених атомних ваг (Розділ 1-1).

Автори та атрибуція

Template:ContribRoberts