Реакционные центры в молекулах оксосоединений

Более электроотрицательный атом кислорода смещает к себе электронную плотность, создавая на атоме углерода карбонильной группы частичный положительный заряд. Углерод карбонильной группы становится электрофильным центром. За счёт неподеленной электронной пары кислород является основным центром. Альдегидная группа смещает электронную плотность с соседнего атома углерода (α-атом), создавая на нем частичный положительный заряд. За счёт этого C-H-связи поляризуются, возникает CH-кислотный центр.

Электрофильный центр в молекулах оксосоединений может быть атакован нуклеофильным реагентом. Реакции протекают с разрывом π-связи (присоединение). Значит, для альдегидов и кетонов характерны реакции нуклеофильного присоединения (A_N).

Легкость протекания реакций нуклеофильного присоединения зависит от величины δ⁺ на электрофильном центре и от его пространственной доступности.

Сравним активность муравьиного, уксусного, трихлоруксусного альдегидов и ацетона.

С позиций величины заряда на электрофильном центре наибольшей реакционной способностью обладает трихлоруксусный альдегид, т.к. три электроноакцепторных заместителя способствуют его увеличению. В молекуле муравьиного альдегида заместитель отсутствует. В молекуле уксусного альдегида метильная группа понижает частичный положительный заряд на углероде карбонильной группы, а значит, понижает и активность. В молекуле ацетона таких электронодонорных заместителей два, а значит, активность ещё ниже. Таким образом, электроноакцепторные заместители в радикале повышают активность оксосоединений в реакциях A_N, а электронодонорные заметители – понижают.

С позиций доступности реакционного центра ацетон также является наименее реакционноспособным, т.к. возникают пространственные затруднения для атаки нуклеофилом (реакционный центр «экранирован» двумя крупными углеводородными радикалами).

В целом, альдегиды более реакционноспособны в реакциях нуклеофильного присоединения, чем кетоны.

Механизм реакции нуклеофильного присоединения может быть описан следующим образом:

Нуклеофильная частица (Nu^-) атакует электрофильный центр молекулы оксосоединения (1). π-Связь разрывается гетеролитически, и оба её электрона уходят к атому кислорода. Новая связь C-Nu образуется за счёт электронов нуклеофила. Образовавшаяся отрицательная частица (2) дальше взаимодействует с электрофилом, давая продукт нуклеофильного присоединения (3).

По приведенному механизму протекает ряд важных реакций альдегидов и кетонов, в которых нуклеофилами являются, например, H₂O, R-OH, HCN, H^-, NH₃, R-NH₂.

Примеры реакций нуклеофильного присоединения

Взаимодействие со спиртами. Альдегиды при взаимодействии со спиртами образуют полуацетали, а при избытке спирта – ацетали. Реакция протекает в присутствии катализатора – газообразного хлороводорода.

Молекула этанола не является достаточно активным нуклеофилом для этой реакции. Чтобы увеличить активность электрофильного центра (карбонильный углерод с δ+) и используют кислотный катализ. На первой стадии реакции альдегид (1) взаимодействует с хлороводородом по основному центру (атом кислорода с неподеленной электронной парой), образуя катион, который существует в виде двух резонансных структур (2 и 3). В карбкатионе (3) на электрофильном центре уже полный положительный заряд (а не частичный, как в исходном альдегиде). Таким образом, активность электрофильного центра увеличилась, и он может взаимодействовать со слабым нуклеофилом – молекулой спирта. Новая связь C-O образуется за счет неподеленной электронной пары кислорода, поэтому на нем появляется положительный заряд (4). Для стабилизации этому катиону необходимо отщепить протон водорода. Его принимает анион Cl^-. Образуется молекула конечного продукта реакции – полуацеталя.

По такому же механизму происходит дальнейшее превращение полуацеталя в ацеталь:

Эти реакции обратимы, в кислой среде полуацетали и ацетали гидролизуются до соответствующих альдегидов и спиртов. Вот почему катализатором в реакциях их образования является газообразный хлороводород, а не его водный раствор.

Реакцию образования ацеталей часто используют в органическом синтезе для защиты альдегидной группы от окисления. После проведения реакции окисления защиту «снимают», т.е. проводят кислотный гидролиз.

Кетоны в реакцию со спиртами практически не вступают.

Присоединение синильной кислоты HCN. Эта реакция характерна и для альдегидов, и для кетонов. Рассмотрим её на примере ацетона.

Реакция протекает в присутствии щелочи в качестве катализатора.

Синильная кислота – слабая кислота, с малой степенью диссоциации, т.е. плохой источник нуклеофилных частиц (цианид-анионов CN^-). Для активизации нуклеофила и используют катализатор:

Далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

Нуклеофил атакует электрофильный центр молекулы ацетона, π-связь C=O разрывается гетеролитически, оба ее электрона уходят к атому кислорода, поэтому там появляется отрицательный заряд (1), новая связь C-C образуется за счет электронов нуклеофила. Анион (1) присоединяет протон водорода от молекулы воды, образуя оксинитрил (2) и гидроксид-анион, что доказывает, что щелочь являлась катализатором этой реакции.

Циангидрины способны к гидролизу с образованием соответствующих оксосоединений и синильной кислоты. Некоторые циангидриды встречаются в природе (синтезируются растениями). Употребление их в пищу (косточки сливы, вишни, горького миндаля) может привести к отравлению.

Присоединение воды. Эта реакция обратима. Её равновесие контролируется стерическими и электронными факторами.

Гидраты большинства альдегидов и особенно кетонов неустойчивы, существуют только в растворах. Гидрат трихлоруксусного альдегида (хлораля) очень устойчив, что связано с электроноакцепторным действием атомов хлора:

Хлоралгидрат используется в медицине как снотворное и успокаивающее средство.

Присоединение гидридов металлов. В результате этой реакции происходит восстановление альдегидов и кетонов. В качестве реагентов используют гидриды лития и натрия (LiH, NaH) или алюмогидрид лития (LiAlH₄). В качестве нуклеофильной частицы выступает гидрид-ион (H^-).

На первой стадии реакции образуется алкоголят, при последующем гидролизе которого получается соответствующий спирт. При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты:

Восстановление кетонов приводит к получению вторичных спиртов, например:

Взаимодействие с аммиаком и аминами. Амины и их производные типа X-NH₂ реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала протекает реакция нуклеофильного присоединения, продукты которой неустойчивы и отщепляют молекулу воды. Поэтому такие реакции характеризуют как присоединение-отщепление.

Рассмотрим механизм реакции на примере взаимодействия ацетальдегида с аммиаком.

Имины называют также основаниями Шиффа.

Имины являются промежуточными продуктами во многих ферментативных процессах, например, в биосинтезе
α-аминокислот в организме.

Основания Шиффа легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образованием исходных продуктов. В организме гидролиз иминов происходит в процессе окислительного дезаминирования α-аминокислот.

Помимо аммиака, в реакцию просоединения-отщепления с альдегидами и кетонами вступают первичные амины (R-NH₂), гидроксиламин (NH₂-OH), гидразин (NH₂-NH₂), фенилгидразин (C₆H₅-NH-NH₂), семикарбазид (NH₂-NH-CO-NH₂):

Все эти производные – кристаллические соединения с чёткими температурами плавления, поэтому их получение может использоваться для идентификации альдегидов и кетонов. А так как эти производные так же, как и имины способны к гидролизу с образованием исходных соединений, то данные реакции могут использоваться и для выделения оксосоединений из смесей с другими соединениями.

Через стадию образования альдимина при взаимодействии пиридоксальфосфата (см. стр. 195) и α-аминокислоты протекает реакция переаминирования белковых α-аминокислот (основной путь биосинтеза α-аминокислот).

Реакция альдольной конденсации характерна только для альдегидов, в структуре которых есть α-CH-кислотный центр. Реакция катализируется щелочами.

Конденсацией называется реакция, приводящая к усложнению углеродного скелета и возникновению новой углерод-углеродной связи, при этом из двух или более относительно простых молекул образуется новая более сложная молекула.

Эта реакция начинается по CH-кислотному центру альдегида:

Образующийся анион CH-кислоты стабилизирован за счёт p,π-сопряжения. Он является нуклеофилом по отношению к другой молекуле альдегида, и далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

В результате реакции образуется соединение, являющееся альдегидом и спиртом (алкоголь) – альдоль.

Альдольная конденсация имеет место и в биологических системах. Например, биосинтез лимонной кислоты, нейраминовой кислоты протекает по механизму альдольной конденсации.

Те альдегиды, которые не имеют атомов водорода при α-углеродном атоме, т.е. не проявляют CH-кислотных свойств, в присутствии щелочей реагируют по-иному. Для них характерна реакция Канниццаро. Другое название этой реакции – диспропорционирование, или реакция оксидоредукции: одна молекула альдегида при этом окисляется, а другая – восстанавливается.

Реакция Канниццаро характерна, например, для бензальдегида:

В случае формальдегида реакция Канниццаро протекает в водном растворе без катализатора:

В водных растворах формальдегида накапливается муравьиная кислота, поэтому эти растворы имеют кислую реакцию.

За счёт CH-кислотного центра протекают также реакции галогенирования, например, так называемая иодоформная реакция:

Эту реакцию дают все оксосоединения, в структуре которых есть группа

, т.е. уксусный альдегид и все метилкетоны (ацетон, метилэтилкетон, метилпропилкетон и т.п.). Образующийся иодоформ обладает характерным «аптечным» запахом, а при достаточной концентрации выпадает в виде желтоватого осадка.

Иодоформную реакцию используют как качественную, чтобы отличить уксусный альдегид от всех других альдегидов. В медицинской практике иодоформную реакцию используют для обнаружения ацетона в моче больных сахарным диабетом.

Реакции окисления альдегидов. Альдегиды окисляются очень легко. Даже такие слабые окислители, как аммиачный раствор гидроксида серебра (реактив Толленса) и гидроксид меди (II), окисляют альдегиды в соответствующие карбоновые кислоты. Обе эти реакции используют как качественные для обнаружения альдегидной группы.