Альдегиды и кетоны: физические и химические свойства. Механизм реакции нуклеофильного присоединения (AN)

1. Реакции нуклеофильного присоединения характерны для альдегидов и кетонов.

Наличие в молекуле альдегида или кетона электрофильного центра — атома углерода карбонильной группы — предопределяет возможность нуклеофильной атаки. Местом электрофильной атаки служит основный (нуклеофильный) центр — атом кислорода карбонильной группы. Кроме того, в альдегидах и кетонах имеется слабый СН-кислотный центр, атом водорода которого обладает с определенной протонной подвижностью и может, в частности, подвергаться атаке основанием. Легкость нуклеофильной атаки по атому углерода карбонильной группы альдегида или кетона зависит от величины эффективного положительного заряда на атоме углерода, его пространственной доступности и кислотно-основных свойств среды. С учетом электронных эффектов групп, связанных с карбонильным атомом углерода, величина дельта+ на нем в альдегидах и кетонах убывает в следующем ряду.

Пространственная доступность карбонильного атома углерода уменьшается при замене водорода на более объемистые органические радикалы. Поэтому альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны.

Общая схема реакций нуклеофильного присоединения АN к карбонильной группе включает нуклеофильную атаку по карбонильному атому углерода, за которой следует присоединение электрофила к атому кислорода.

Процесс напоминает бимолекулярное замещение SN2, но с тем отличием, что принимающий пару электронов атом кислорода не является здесь уходящей группой, а остается в молекуле субстрата. Карбонильный атом углерода имеет плоскую конфигурацию поэтому нуклеофильная атака равновероятна с обеих сторон плоскости.

2. Присоединение воды к карбонильной группе — гидратация — обратимая реакция. Степень гидратации альдегида или кетона в водном растворе зависит от строения субстрата. Продукт гидратации, как правило, в свободном виде выделить с помощью перегонки не удается, так как он разлагается на исходные компоненты. Формальдегид в водном растворе гидратирован более чем на 99,9%, ацетальдегид — приблизительно наполовину, ацетон практически не гидратирован.

Присоединение спиртов. Спирты при взаимодействии с альдегидами легко образуют полуацетали. При обработке полуацеталей избытком спирта в кислой среде могут быть получены ацетали (реакция напоминает синтез простых эфиров из спиртов).

Присоединение аминов. Амины и другие азотсодержащие соединения общего вида NН2Х реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала образуются продукты нуклеофильного присоединения которые затем вследствие неустойчивости отщепляют воду. Поэтому данный процесс в целом классифицируют как реакцию присоединения-отщепления.

Присоединение циановодородной кислоты. В присутствии следов щелочи циановодородная кислота присоединяется к альдегидам и кетонам с образованием альфа-гидроксинитрилов (циангидринов). Эта реакция лежит в основе специфических методов получения альфа-гидрокси- и альфа-аминокислот

3. Реакции образования полуацеталей и ацеталей обратимы, потому что ацетали и полуацетали легко гидролизуются избытком воды в кислой среде. В щелочной среде полуацетали устойчивы, так как алкоксид-ион является более трудно уходящей группой чем гидроксид-ион. Кетоны в аналогичных условиях кеталей не образуют.

Имины — промежуточные продукты во многих ферментативных процессах, например биосинтезе альфа-амикокислот в организме. Получение иминов протекает через стадию образования карбиноламинов, которые в некоторых случаях относительно устойчивы например при взаимодействии формальдегида с альфа-аминокислотами.

4. Реакции конденсации альдегидов и кетонов проходят в присутствии каталитических количеств кислот или щелочей. Так, ацетальдегид на холоду при действии разбавленных растворов щелочей превращается в альдоль; при проведении реакции в более жёстких условиях адьдоль дегидратируется с образованием кротонового альдегида.

Поэтому конденсацию альдегидов или кетонов, протекающую по первому типу, называют альдольной конденсацией, илиальдольным присоединением, а по второму типу — кротоновой конденсацией. Использование в качестве катализаторов кислот и проведение реакции в более жестких условиях способствуют образованию продуктов кротоновой конденсации. Реакции альдольного присоединения обратимы. Обратный процесс называется альдольным расщеплением (ретроальдольный распад).

Рассмотрим механизм альдольной конденсации в щелочной среде. На первой стадии реакции гидроксид-ион отрывает из альфа-положения протон, имеющий повышенную подвижность за счет электроноакцепторного влияния карбонильной группы.

Другая причина легкого отщепления протона заключается в образовании карбаниона, стабилизированного путем смещения электронной плотности к кислороду. Этот ион, имеющий мезомерное строение, можно называть и енолят-ионом всоответствии с его второй граничной структурой. Следующая стадия реакции — нуклеофильное присоединение мезомерного иона к карбонильной группе другой молекулы карбонильного соединения с образованием аниона альдоля. Мезомерный ион на этой стадии реагирует по атому углерода, а не по атому кислорода в соответствии с принципом ЖМКО, так как относительно мягкий электрофильный центр (атом углерода карбонильной группы) предпочтительно связывается с относительно более мягким нуклеофильным центром — атомом углерода мезомерного иона, а не более жестким атомом кислорода. Анион альдоля, являясь алкоксид-ионом, т. е. более сильным основанием, чем гидроксид-ион, отрывает далее протон от воды.