Реакції альдегідів і кетонів

Подвійний зв'язок С = О, подібно зв'язку С = С, являє собою комбінацію s-і p-зв'язків (вони ізоелектронних). Проте, між цими двома подвійними зв'язками є істотні відмінності:
- C = O значно міцніше С = С;
- Енергія зв'язку С = О (179 ккал / моль) більше, ніж енергія двох зв'язків С-О (85.5 ккал / моль), в той час як енергія зв'язку С = С (146 ккал / моль) менше суми енергій двох зв'язків С- З (82.6 ккал / моль);
- Зв'язок С = О на відміну від С = С полярна.
При цьому p-зв'язок поляризована сильніше, ніж s-зв'язок. Таким чином, атом вуглецю карбонільної групи є електронодефіцітним центром, а кисню - електроноізбиточним.


d + d-
Крім тогo, карбонильная група збільшує кислотність атомів Н в сусіднього атома С, приводячи до збільшення кінетичної кислотності (збільшення полярності зв'язку С-Н з-за-I-ефекту карбонільної групи) і термодінамічес-кою кислотності (стабілізація утворюється карбаніона за рахунок мезомерного ефекту) .
У молекулах карбонільних сполук є кілька реакційних центором.
Електрофільні центр - карбонільних атом вуглецю, виникнення часткового позитивного заряду на якому обумовлено полярністю зв'язку С = О. Електрофільні центр бере участь в реакціях нуклеофільного приєднання.
Основний центр - атом кисню з неподіленими парами електронів. За участю основного центру здійснюється кислотний каталіз у реакціях приєднання, а також у процесі енолізаціі. Важливо відзначити, що альдегіди і кетони є жорсткими підставами Льюїса і координуються з жорсткими кислотами: H ^+, BF _3, ZnCl _2, FeCl ₃ і т. д.
a-СН-Кислотний центр, виникнення якого обумовлено індуктивним ефектом карбонільної групи. За участю СН-кислотного центру протікають багато реакції карбонільних сполук, зокрема реакції конденсації.
Зв'язок З ¾ Н в альдегідної групи розривається в реакціях окислення.
Ненасичені і ароматичні вуглеводні радикали, котрі піддаються атаці електрофільними або нуклеофілами.

А. Нуклеофільне приєднання - найбільш характерна реакція карбонільних сполук. Частково позитивно заряджений атом вуглецю карбонільної групи атакується нуклеофілів реагентом. Добутий продукт стабілізується, приєднанням на кінцевій стадії протона. Таким чином, для карбонільних сполук характерні реакції нуклеофільного приєднання A _N, а не А _Е, як це характерно для алкенів. Атака карбонільної групи нуклеофілом може відбуватися знизу або зверху плоского фрагмента молекули:
(М 2)
Багато реакції нуклеофільного приєднання оборотні і їх результат залежить від положення рівноваги. Перехідний стан в реакціях А _N буде менш утрудненим, ніж в реакціях S _N 2, в яких до вуглецю приєднано відразу 5 атомів. Саме ця незатрудненность і мається на увазі, коли кажуть, що карбонільна група доступна для атаки. Головною ж причиною реакційної здатності карбонільної групи є не її полярність, а здатність атома кисню приймати електрони.
Яким же буде вплив заступників, безпосередньо пов'язаних з карбонільної групою? Чим більше частковий позитивний заряд на карбонільного атомі вуглецю, тим легше він атакується нуклеофільної часткою, тому заступники, відтягували електрони з атома вуглецю підвищують реакційну здатність карбонільної групи, а заступники, що подають - зменшують. Кетони в цілому менш реакційноздатні, ніж альдегіди, оскільки сумарна електронне вплив двох вуглеводневих радикалів в молекулі кетону сильніший у порівнянні з одним радикалом у молекулі альдегіду.
У ароматичних з'єднаннях бензольне кільце, що знаходиться у сполученні з карбонільної групою, проявляє більш сильне електронодонорні дію, ніж алкільних радикал. За рахунок позитивного мезомерного ефекту бензольного кільця знижується частковий позитивний заряд на карбонільного атомі вуглецю:

Внаслідок сказаного ароматичні альдегіди і кетони менш реакційноздатні, ніж аліфатичні.
Стеричні фактори також надають певний вплив на реакційну здатність карбонільних сполук: об'ємні радикали ускладнюють підхід нуклеофіл до карбонильному атому вуглецю і, отже, знижують швидкість реакцій. Деякі реакції приєднання в цих випадках взагалі не здійснюються. Наприклад, 2,2,4,4-тетраметил-3-пентанон і 2,2,4-триметил-3-пентанон, що мають об'ємні трет-бутільние і ізопропільний радикали, не вступають в багато реакції приєднання.

2,2,4,4-тетраметил-3-пентанон 2,2,4-триметил-3-пентанон
З тих же причин циклічні кетони, у яких конформаційна рухливість радикалів істотно обмежена, більш реакційноздатні, ніж їх ациклічні аналоги. Наприклад, ціклопентанон значно активніше, ніж пентанон-3, в молекулі якої здійснюється вільне обертання навколо всіх вуглець вуглецевих зв'язків, внаслідок чого наближення нуклеофільної частки до карбонільної групи ускладнюється.
У альдегідах єдиний заступник створює менше стеричних перешкод, ніж два заступники в кетонах.
Електроноакцепторні угруповання, такі як-СF ₃ або CCl ₃ збільшують реакційну здатність карбонільної групи. Крім того, кетони термодинамічно більш стійкі, ніж альдегіди.
Реакції по карбонільної групи можуть каталізувати як кислотами завдяки збільшенню позитивного заряду на атомі вуглецю.
(М 3)
так і підставами. У цьому випадку каталізатор віднімає протон від реагенту, даючи більш сильний нуклеофіл:
(М 4)

Приєднання вуглецевих нуклеофілів

У результаті взаємодії альдегідів і кетонів з вуглецевими нуклеофіл-ми утворюються нові зв'язки З ¾ С. Такими нуклеофилами служать реактиви Гри-

ньяра, літійорганічних з'єднання, ацетіленіди і ціановодородная кислота.

А. Приєднання реактивів Гриньяра
Особлива цінність реактивів Гриньяра полягає в їх здатності створювати нові зв'язки З ¾ С. Різниця в електронегативності між вуглецем і магнієм (2,5 - 1,2 = 1,3), зумовлює полярність зв'язку між цими атомами та наявність часткового негативного заряду на атомі вуглецю і часткового позитивно-го заряду на атомі магнію. У реакціях реактиви Гриньяра ведуть себе як карбаніони. Карбаніони є хорошими нуклеофилами і легко приєднуються до карбонільної групи. Магнійорганіческіе з'єднання вступають в реакції нуклеофільного приєднання до альдегідів і кетонів з утворенням алкоксідов, гідролізуються в спирти:

Приєднання до формальдегіду приводить до утворення первинних спиртів.

(17)
Інші альдегіди дають вторинні спирти:
(18)
1-Ціклогексілетанол
З кетонів отримують третинні спирти:

2-феніл-2-пропанол
(19)
Б. Приєднання літійорганічних сполук
Літійорганічних з'єднання більш реакційноздатні, ніж магнійлрганічес коментарі й забезпечують більший вихід цільового продукту. ОНАКО з ними можна працювати тільки в атмосфері інертного газу. Нижче наводиться приклад використання літійорганічних з'єднання для отримання стерично утрудненого третинного спирту.
(20)
Феніллітій 3,3-диметил-2-бутанон 3,3-диметил-2-феіл-2-бутанол
В. Приєднання ацетіленідов металів
Етінід-аніон також є нуклеофілом. Утворені при цьому спирти містять дві функціональні групи, кожна з яких може бути далі модифікована.
(21)
1-етінілціклогексанол
Гідратація отриманого алкінола призводить до утворення a-гідроксікетона, а гидроборирования-окислення - b-гідроксіальдегіда.
(22)
1-ацетілціклогексанол
(A-гідроксікетон)
(23)
2 - (1-гідроксіціклогексіл) етаналь
(B-гідроксікетон)
Упр. 8. Напишіть реакції одержання 2-феніл-2-бутанолу за допомогою реактивів Гриньяра (3 комбінації).
Г. Ціангідрінний синтез
Ціановодород приєднується до альдегідів і кетонів з утворенням a-окси-нітрилів (ціангідрінов). Сама синильна кислота є дуже слабким нуклеофілом і тому реагує дуже повільно. З набагато більшою швидкістю карбонильная група реагує з ціанід-іоном.
Альдегіди легко утворюють ціангідріни. Кетони з розгалуженою ланцюгом вуглецевих атомів, а також вищі кетони ціангідрінов не утворюють. Реакцію зазвичай проводять, додаючи мінеральну кислоту до суміші карбонільного з'єднання і водного розчину ціаніду натрію.
(24)
2-гідроксіпропаннітріл
(Ацетальдегідціангідрін)
Гідролізом ціангідрінов отримують a-оксикислоти:
(25)
нітрил a-оксипро-молочна
піоновой кислоти кислота
(26)

ацетонціангідрін
Реакція проходить при лужному каталізі за наступним механізмом:

(М 5)
При гідролізі ацетонциангидріна в присутності соляної кислоти утворюється 2-гідрокси-2-метілпропановая кислота, а при його обробці концентрованої сірчаної кислотою - метакрилова кислота:
(27,28)
2-гідрокси-2-метілпропановая к-та метакрилова к-та
Ацетонціангідрін широко використовується в лабораторній практиці для отримання інших ціангідрінов, наприклад:


(29)

ціклогексанонціангідрін

У цій реакції використовується оборотність реакцій приєднання до карбонільної групи.
Упр.9. Напишіть реакції ацетону і пропіонової альдегіду з синильною кислотою. Який механізм цих реакцій? Яка з цих сполук і чому буде легше вступати в реакцію? Поясніть, чому освіта ціангідрінов прискорюється додаванням підстав, а не додаванням кислот?
Д. Реакція Реформатського
До дії цінкорганіческіх сполук на альдегіди і кетони зводиться реакція Реформатського:
(30)
пропаналь етілбромацетат етил-3-гідроксівалероат
Упр. 10. Напишіть реакції одержання нижче наступних сполук з відповідних альдегідів і кетонів з реакції Реформатського:
(В)