Реакции нуклеофильного присоединения

1.1 Присоединение магнийалкилов:

где Х = Н, Alk

Вследствие большой полярности связи С^δ––Мg^δ+ магнийорганические соединения – довольно сильные нуклеофилы, поэтому реакция протекает очень легко. Образующийся продукт присоединения (алкоголят) при разложении водой превращается в соответствующий спирт.

1.2 Присоединение бисульфита натрия. Анион SО₃^– является сильным нуклеофилом, поэтому реакция альдегидов с NаHSО₃ протекает очень легко в отсутствие катализаторов при энергичном встряхивании с насыщенным водным раствором соли:

Бисульфитные производные легко кристаллизуются, не растворяются в избытке бисульфита, легко регенерируют исходное карбонильное соединение при нагревании с разбавленной кислотой или содой. Поэтому эту реакцию используют:

· как качественную на альдегиды;

· для выделения альдегидов из смесей или с целью их очистки.

В ряду кетонов эта реакция возможна только для наименее простран­ственно затрудненных соединений типа метилкетонов.

1.3 Присоединение синильной кислоты. Синильная кислота – слабо­диссоциирующее соединение и. соответственно, плохой источник цианид-иона как нуклеофила. Поэтому в этой реакции используют основные катализаторы, которые способствуют отщеплению протона и образованию цианид-аниона.

Присоединение цианид-иона к кетонам протекает труднее, чем к аль­дегидам, а с ароматическими кетонами типа Аr–СО–Аr цианид-ионы практически не реагируют. Синтетическая ценность этой реакции заключается в возможности удлинения углеродной цепи на один атом и получения гидроксикарбоновых кислот.

1.4 Присоединение воды. Вследствие того, что вода – слабый нуклеофил, реакция обратима, и положение равновесия определяется строением субстрата, т. е. реакционной способностью карбонильного соединения:

1.5 Присоединение спиртов. Эта реакция протекает по той же схеме, что и присоединение воды:

2. Реакции с N-нуклеофилами (реакции присоединения-отщепления). К числу N- нуклеофилов (азотистых оснований) относятся аммиак NН₃ и ряд его производных с общей формулой NH₂–X, например, NH₂–R, NH₂–NH₂, NH₂–NH–Аr, NH₂–ОН и др. Обычно используют кислые катализаторы для активации субстрата и дегидратации аддукта. Однако в сильнокислой среде азотистые основания превращаются в соли и теряют нуклеофильные свойства, поэтому каждую конкретную реакцию следует проводить при оптимальном значении рН среды. Учитывая кислый катализ, механизм взаимодействия карбонильного соединения с азотистым основанием можно представить следующим образом:

Как видно из схемы, на лимитирующей стадии протекает типичная для карбонильных соединений A_N реакция. Однако промежуточный аддукт неустойчив, так как энергия двух простых связей C–N и С–О (305,9 + 356,2 = 662,1 кДж/моль) больше энергии двойной связи C=N (615,9 кДж/моль). Следовательно, энергия аддукта относительно велика и поэтому легко протекает его дегидратация. Таким образом, реакции карбонильных соединений с N -нуклеофилами можно рассматривать как нуклеофильное замещение атома кислорода карбонильной группы (S_N).

2.1 Образование иминов и оксимов:

При реакции самого аммиака с карбонильными соединениями обра­зуются неустойчивые и склонные к полимеризации имины. Имины, со­держащие хотя бы один ароматический заместитель у карбонильного углерода (Аr–СН=N–R), являются устойчивыми продуктами. Они известны как основания Шиффа (часть 2, глава 2).

2.1.1Гидролиз иминов. Имины легко гидролизуются в кислой или щелочной среде, что позволяет отделить карбонильные соединения от соединений других классов и выделить их в чистом виде:

2.1.2Гидролиз оксимов. Оксимы, как и многие производные карбонильных соединений, в водных растворах кислот могут подвергаться гидролизу, регенерируя исходное карбонильное соединение и гидроксиламин. В присутствии сильных кислот альдоксимы могут подвергаться дегидратации:

2.2.3 Перегруппировка Бекмана (1886 г.). Оксимы кетонов под действием сильных кислот (концентрированной H₂SO₄, полифосфорной кислоты) или РОСl₃, РСl₅ претерпевают перегруппировку с образованием амидов кислот:

Следует отметить две характерные особенности механизма перегруппировки:

· миграция углеводородного заместителя и разрыв связи N–О протекают как одновременный процесс, так что атом азота не получает в процессе реакции полного положительного заряда;

· в протонированном оксиме обычно мигрирует R- группа, находящаяся в транс -положении к ОН -группе.

Оксимы, как и все другие продукты взаимодействия карбонильных соединений с N -нуклеофилами, благодаря π -связи могут существовать в виде цис - транс -изомеров, называемых в отличие от алкенов син - и анти -формами. Роль второго заместителя у атома азота выполняет электронная пара. Если ОН -группа и меньший заместитель находятся по одну сторону плоскости π- связи, этот изомер называют син -изомером, а если по разные стороны – анти -изомером.

Получающиеся амиды легко гидролизуются с образованием первичного амина и карбоновой кислоты, поэтому эта реакция дает возможность по структре установить строение исходного кетона, а также конфигурацию оксимов. Кроме того, перегруппировка Бекмана может быть использована в синтезе амидов, первичных аминов и кислот, в частности, нашла применение в промышленности перегруппировка оксима циклогексанона с целью получения капролактама – исходного соединения для производства полиамидного синтетического волокна капрон:

2.2 Образование гидразонов:

2.3 Реакция Кижнера–Вольфа (1911 г.). Гидразоны при нагревании со щелочами или алкоголятами расщепляются с выделением азота и образованием углеводорода:

3. Реакции с галогенцентрированными нуклеофилами. Альдегиды и кетоны при взаимодействии с РСl₅ образуют геминальные дигалогенуглеводороды через внутримолекулярное нуклеофильное замещение:

4. Реакции восстановления альдегидов и кетонов. Альдегиды и кетоны могут быть восстановлены в зависимости от условий реакции до соответствующих спиртов либо углеводородов, если в молекуле имеются связи С=С, С≡С, C≡N, то они в присутствии катализаторов восстанавливаются легче, чем карбонильная группа. Каталитическое гидрирование альдегидов и кетонов приводит к соответствующим спиртам (катализаторы – Ni, Рt, Рd):

4.1

4.2

4.3 Метод Клеменсена (1913 г.). Восстановление карбонильной группы активными металлами (или амальгамами) в кислой среде приводит к образованию углеводородов:

4.4 Восстановление по Кижнеру-Вольфу (1911 г.). Прямое нагревание оксосоединения с гидразином и КОН в высококипящем полярном растворителе:

4.5 Восстановление комплексными гидридами металлов (NaBН₄, LiAlН₄). Реакции восстановления карбонильной группы гидридами металлов по механизму могут быть отнесены к типичным A_N реакциям:

Атакующей частицей служит анион BН₄^– (или AlН₄^–), который и переносит гидрид-ион на карбонильный атом углерода. Главное достоинство этих реагентов по сравнению с другими заключается в том, что они содержат много активного водорода в малом количестве вещества. Так, в случае LiAlН₄ для восстановления используются все четыре атома водорода.

4.5.1 Алюмогидрид лития – мощный и поэтому недостаточно селективный восстановитель. В его присутствии восстанавливаются параллельно с карбонильной группой и кратные связи, группы –NO₂, –ON, сложно-эфирные группы – COOR, сопряженные с карбонильной группой:

4.5.2 Борогидрид натрия – более мягкий восстановитель, селективно восстанавливающий карбонильные группы, не затрагивающий сопряженные с ними двойные связи. Это позволяет получать дефицитные ненасыщенные спирты:

Поиск по сайту: