Конспекты по общему курсу Органической химии у ф а 2008

Превращение полуацеталя в ацеталь в присутствии основания должно было бы происходить как S_N2-реакция с плохой уходящей группой ОН

поэтому она и не реализуется.

Следует отметить, что кетали трудно получить ацеталированием кетонов спиртами из-за невыгодного положения равновесия. В этом случае приходится прибегать либо к методам нарушения равновесия, либо использовать обходные пути. Хорошие результаты получены при синтезе кеталей из ортоэфиров и кетонов

Механизм гидролиза является обратным механизму ацеталирования. Понятно, что ацетали неспособны к щелочному гидролизу.

Превращение карбонильных соединений в ацетали и последующий гидролиз их широко используется для защиты карбонильной функциональной группы. Кроме того, химия ацеталей имеет исключительное значение при изучении углеводов.
3.5. К образованию линейных и циклических полимеров способны только простые альдегиды.

Уже упоминалось, что в водной среде формальдегид существует только в виде полиоксиметиленгликолей, находящихся в равновесии. При осторожном упаривании воды их можно выделить и получить так называемый параформальдегид. При нагревании параформальдегида в разбавленной кислоте получается 1,3,5-триоксан

Известен аналогичный циклический тример – паральдегид и для ацетальдегида
Полимерные формы альдегидов при нагревании деполимеризуются до мономерного альдегида. Поэтому они являются удобным источником альдегидов.
3.6. Обмен кислорода карбонильной группы. Для альдегидов и кетонов известны реакции замещения кислорода карбонильной группы на атомы хлора или фтора. При этом получаются гем-дигалогенпроизводные

3.7. Реакции с участием - водородных атомов. Водородные атомы, имеющиеся в молекуле альдегидов и кетонов, различаются по своей способности вступать в реакции замещения. По какой-то причине водороды, связанные с углеродом, соседним с карбонильной группой, оказываются самыми кислыми и подвижными. Поэтому при взаимодействии с основаниями они переходят к основанию, происходит ионизация карбонильного соединения и образование карбаниона

Нетрудно видеть, что отрицательный заряд в анионе может принадлежать не только углероду, но и кислороду. Более того, с учетом способности кислорода принимать отрицательный заряд, большая часть заряда будет на кислороде, т.е. ион будет в большей степени представлять собой анион енола, чем карбанион

Таким образом, ионизация α-водородного атома приводит к аниону, представляющему собой резонансный гибрид приведенных выше структур, со значительным вкладом структуры с зарядом на кислороде. А это означает, в свою очередь, эффективное рассредоточение заряда в анионе, стабилизацию последнего и легкость его образования. Все это невозможно при ионизации с участием других водородных атомов карбонильного соединения. Теперь становится понятной причина подвижности соседних с карбонилом водородных атомов. Скорее всего, кислый характер α- водородных атомов будет выражен очень слабо, однако они будут более подвижными, чем другие. Следует отметить, что слабая кислотность означает, что протон в молекуле связан с сильным основанием. Поэтому карбанион, образующийся при ионизации α-водородных атомов в альдегидах и кетонах, будет представлять собой сильный нуклеофил.

Рассмотрим реакцию ацетона с бромом. Она протекает с образованием бромацетона

Дальнейший ход событий зависит от природы катализатора. В случае кислотного катализа основным продуктом реакции оказывается бромацетон. При бромировании в присутствии основания реакция идет до конца, т.е. до замещения всех водородных атомов в метильной группе и лишь после этого возможно участие в реакции другой метильной группы ацетона. Из этих наблюдений над реакцией следует, что при бромировании ацетона каждый последующий продукт реакции по отношению к брому более активен, чем предыдущий
Еще одна особенность галогенирования альдегидов и кетонов в присутствии основания заключается в том, что катализатор энергично атакует конечный продукт реакции по карбонильной двойной связи. При этом вначале образуется продукт нуклеофильного присоединения, потом происходит разрыв углерод-углеродной связи

Такое развитие реакции приводит к образованию карбоновой кислоты и тригалогенметана (хлороформа, бромоформа и иодоформа), происходит так называемая галоформная реакция.

Любопытно отметить, что атомы галогена в α- галогенальдегидах и кетонах в S_N1 – реакциях весьма инертны. В то же время при S_N2 – замещении они исключительно подвижны по сравнению с галогеналкилами.

Галогенирование альдегидов и кетонов используется для получения ценных продуктов, например, трихлоруксусного альдегида (хлораля), галоформов. Галоформная реакция широко применяется для обнаружения метилкетонов. При галоформной реакции с участием иода и основания метилкетоны дают иодоформ, представляющий собой малорастворимое твердое вещество ярко - желтого цвета.

При изучении механизма реакции альдегидов и кетонов с галогенами установлено следующее.

При бромировании ацетона в присутствии основания

скорость реакции зависит от концентрации ацетона и основания и не зависит от концентрации галогена

Это означает, что на самой медленной стадии реакции (лимитирующей стадии), скорость которой измеряют, галоген не участвует. Бром вступает в реакцию на ее быстрой стадии. Об этом свидетельствует и то обстоятельство, что бромирование, хлорирование и иодирование ацетона, при прочих равных условиях, протекают с одинаковыми скоростями. Если бы галогены вступали в реакцию в лимитирующей стадии, то различие их природы и реакционной способности привело бы к разным скоростям галогенирования.

Что же может происходить с ацетоном с участием основания?

Прежде всего, возможно уже рассмотренное выше нуклеофильное присоединение по карбонильной группе

Другое возможное направление реакции – отрыв основанием водородного атома от метильной группы ацетона с образованием аниона с делокализованным зарядом

В общем случае эти два возможных направления превращения ацетона конкурируют друг с другом. Однако, судя по результатам реакции, скорость отрыва протона значительно выше, чем скорость нуклеофильного присоединения, хотя такое соотношение скоростей не остается неизменным по ходу реакции.

Имеются и другие доводы в пользу трактовки первой стадии реакции между кетоном и галогеном как реакции отрыва протона от α- углеродного атома. Представим себе, что модельный кетон, содержащий единственный водородный атом при асимметрическом α- углероде, взаимодействует с дейтерированным основанием. Каков будет результат реакции? Основание будет отрывать этот единственный атом водорода – протий с образованием карбаниона (можно уже каждый раз не оговаривать, что на самом деле значительная часть отрицательного заряда принадлежит кислороду). Единственное, что может сделать этот карбанион, оторвать, в свою очередь, водородный атом (дейтерий) от дейтерированной воды. При этом дейтерий может присоединиться к электроноизбыточному углероду с двух сторон плоскости равновероятно. Вспомним, что карбанион имеет плоское строение.

Таким образом, при взаимодействии одного из энантиомеров модельного кетона с дейтерировнным основанием произойдет обмен протия на дейтерий и образование равных количеств энантиомеров, т.е. рацемизация

Удивительно, что скорости реакции модельного кетона с хлором, бромом и иодом, скорости дейтерообмена и рацемизации оказались одинаковыми. Этого и следовало ожидать, поскольку во всех этих реакциях лимитирующая стадия одна и та же – образование карбаниона.

Таким образом, предположение об образовании карбкатиона при галогенировании карбонильных соединений в присутствии оснований вполне обосновано. В целом механизм бромирования ацетона следующий:

3.7.2. Альдольная конденсация. Другая реакция альдегидов и кетонов, протекающая с участием α- водородных атомов – альдольная конденсация. Она протекает под каталитическим воздействием оснований и кислот и заключается в конденсации двух молекул карбонильного соединения с образованием оксиальдегидов и оксикетонов. Вот несколько примеров

При катализе основаниями события при альдольной конденсации развиваются также как и при галогенировании карбонильных соединений. Вначале образуется карбанион, который дальше как нуклеофил присоединяется ко второй молекуле альдегида или кетона

Синтетические возможности альдольной конденсации значительно расширились с обнаружением так называемой перекрестной альдольной конденсации. В этом случае в реакцию вступают два разных альдегида. Вовлечение в реакцию просто двух альдегидов не представляет особого интереса – получаться четыре разных альдоля, которые еще надо разделить. Но если из двух альдегидов один не будет иметь α- водородных атомов, то картина меняется.

Рассмотрим совместную конденсацию формальдегида и ацетальдегида в присутствии основания. Очевидно, что реагировать с основанием может только ацетальдегид

Возникший нуклеофил будет атаковать карбонильную группу альдегидов. Если это окажется ацетальдегид, то получится альдоль. Гораздо больший интерес представляет нуклеофильное присоединение карбаниона к формальдегиду. В этом случае результатом реакции будет альдоль, в образовании которого приняли участие оба альдегида – 3-оксипропаналь

Поскольку продуктом реакции действительно оказывается оксипропаналь, то приходится допустить, что для карбаниона при нуклеофильной атаке более предпочтительным партнером является формальдегид

Это может быть объяснено тем, что ион, получающийся при присоединении карбаниона к ацетальдегиду, дестабилизирован метильной группой и труднее образуется.

Перекрестная альдольная конденсация с участием формальдегида и ацетальдегида не прекращается с образованием 3-оксипропаналя. Реакция повторяется еще дважды и приводит к триоксиметилацетальдегиду, но и он не является конечным продуктом реакции. Этот оксиальдегид, лишенный - водородных атомов, вступает, как и другие альдегиды подобного типа, в реакцию Канницаро (см. раздел 3.3). Реакция в данном случае также протекает как перекрестная, т.е. с участием оксиальдегида (восстанавливается) и формальдегида (окисляется)
Конечным продуктом конденсации формальдегида и ацетальдегида под каталитическим действием оснований является четырехатомный первичный спирт – пентаэритрит. Сложные эфиры этого спирта применяются как пластификаторы и синтетические смазочные масла. Альдольная конденсация, а также перекрестная альдольная конденсация, предоставляют широкие возможности при синтезе практически важных продуктов.
3.8. Кето – енольная таутомерия. При обсуждении гидратации алкинов по Кучерову уже упоминался этот вид таутомерии - установление равновесия между карбонильными соединениями и изомерными им ненасыщенными спиртами. Дополнительное обсуждение этого вопроса связано с тем, что рассмотренные выше реакции галогенирования и альдольной конденсации карбонильных соединений протекают и в условиях кислотного катализа. Предполагается, что в этом случае в реакции принимает участие енольная форма альдегида или кетона, а кислота способствует быстрому достижению положения равновесия между таутомерами, не затрагивая само положение равновесия.

Енолизация ацетона под влиянием кислоты происходит по следующей схеме

В реакции кислотного бромирования ацетона дальше происходит электрофильное присоединение галогена к енолу

В случае альдольной конденсации к енолу присоединяется протонированная форма того же кетона

Существенная особенность кислотной альдольной конденсации заключается в том, продукт реакции даже при комнатной температуре претерпевает дегидратацию. При этом образуется непредельное карбонильное соединение. Например, конденсация ацетальдегида в кислой среде приводит к кротоновому альдегиду

Легкость протекания дегидратации объясняет невозможность прерывания кислотной альдольной конденсации на стадии образования альдоля. Реакция обычно идет до ненасыщенного карбонильного соединения и называется кротоновой конденсацией.
2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны.
В молекуле ненасыщенных альдегидов и кетонов имеются углеродные атомы, связанные двойной связью, и карбонильная группа. В зависимости от относительного расположения функциональных групп непредельные альдегиды и кетоны могут быть подразделены на три группы. Наибольший интерес представляют случаи, когда двойные связи С=С– и С=О сопряжены (их разделяет одна простая связь) или кумулированы (двойные связи примыкают к общему углероду). Разумеется, что такие соединения будут проявлять свойства, присущие и алкенам и оксосоединениям. Однако особенности строения обусловят и своеобразие в ходе этих реакций.
2.1. Оксосоединения с сопряженными двойными связями.
Простейшими представителями соединений с сопряженной системой двойных связей являются акролеин (пропеналь) и бутенон.

Известно несколько методов получения акролеина.

Акролеин является обычным продуктом дегидратации глицерина (200⁰, катализатор – гидросульфаты щелочных металлов, например, КНSО₄). Вероятная схема реакции включает дегидратацию с участием вторичного гидроксила, изомеризацию полученного енола в альдегид (кето-енольная таутомерия), кротонизацию кетоформы

Другой метод получения акролеина основан на окислении пропилена в присутствии CuO при 350 - 400⁰

Более универсальным методом получения ненасыщенных карбонильных соединений является кротоновая или перекрестная кротоновая конденсация. Синтез кротонового альдегида уже рассматривалась. Для получения акролеина надо исходить из формальдегида и ацетальдегида (силикагель, 300⁰)

Аналогично получают и ненасыщенные кетоны. Реакцию с участием альдегида и кетона проводят с использованием щелочного катализатора, а кетоны кротонизируют в присутствии кислот

Ненасыщенные альдегиды и кетоны рассматриваемого типа могут вступать в реакции электрофильного присоединения за счет С=С-связи и нуклеофильного присоединения по С=О-связи. А из-за сопряжения этих связей присоединение может идти по типу 1,2- и 1,4-присоединения. Необычное сопряжение полярной и неполярной двойных связей может сказаться на соотношении между этими типами присоединения. Рассматриваемые дальше конкретные реакции иллюстрируют сказанное. Вообще же следует отметить, что оксосоединения с сопряженными двойными связями проявляют высокую реакционную способность.

Одним из проявлений высокой активности олефиновой двойной связи является то, что ненасыщенные альдегиды и кетоны легко полимеризуются. Часто приходится даже подавлять эту их склонность, используя ингибиторы.

Все ненасыщенные карбонильные соединения в кислой среде легко гидратируются. Можно было бы представить эту реакцию как реакцию электрофильного 1,2-присоединения, протекающую против правила Марковникова

Однако есть основания считать, что в данном случае имеет место 1,4-присоединение к системе сопряженных двойных связей с образованием соответствующего енола, который по мере образования вступает в таутомерные отношения с своей кетоформой

Предполагаемый механизм реакции включает протонирование непредельного карбонильного соединения по кислороду с образованием катиона аллильного типа, стабилизацию последнего в реакции с водой и установление кето - енольного равновесия
Аналогично присоединяется хлористоводородная кислота

Таким образом, нет оснований считать, что электрофильное присоединение к С=С – связи происходит с нарушением правила Марковникова. Это нарушение кажущееся. На самом деле имеет место 1,4-присоединение и начинается оно с присоединения протона к электроотрицательному кислороду, а не к углероду двойной связи.

Интересно протекает взаимодействие ненасыщенных карбонильных соединений с нуклеофильным реагентом - синильной кислотой в присутствии основания. В случае альдегидов 1,2-присоединение превалирует над 1,4-присоединением и продуктом реакции оказывается циангидрин

Кетоны же присоединяют цианистый водород к концам сопряженной системы двойных связей с образованием - цианкетона

Известны и другие реакции нуклеофильного 1,4-присоединения к ненасыщенным кетонам. Например, к окиси мезитила легко присоединяется аммиак с образованием диацетонамина

2.2. Кетены.

или же уксусной кислоты

Для синтеза замещенных кетенов можно использовать старый метод Штаудингера (1905 г.), заключающийся в отнятии цинком атомов брома от бромангидридов α-бромзамещенных кислот

Кетены своеобразно построены и напоминают непредельные кетоны. В то же время эти соединения не проявляют свойств, присущих кетонам: не образуют оксимы, фенилгидрозоны и др. производные. Судя по реакциям, в которые они вступают, кетены могут рассматриваться как своеобразные ангидриды кислот, с помощью которых удобно вводить в молекулу кислотный остаток – ацил. Следующие реакции ацетилирования с помощью кетена подтверждают сказанное

В заключение отметим, что кетен легко самопроизвольно димеризуется в дикетен, представляющий собой β-лактон енола ацетоуксусного эфира. При взаимодействии с этиловым спиртом он превращается в в ацетоуксусный эфир

3. Диальдегиды и дикетоны.

Простейшим диальдегидом является глиоксаль или этандиаль, представляющий собой просто соединение двух альдегидных групп. Его получают осторожным окислением (двуокись селена) этанола, уксусного альдегида, этиленгликоля и др. Чаще всего применяется окисление этиленгликоля воздухом при 250 – 300⁰ на медном катализаторе

Альдегидные группы в глиоксале проявляют высокую реакционную способность и дают обычные продукты присоединения с участием одной или двух карбонильных групп. Также не является неожиданным вступление глиоксаля во внутримолекулярную реакцию Канницаро с образованием оксиуксусной кислоты при воздействии концентрированной щелочи

Первым членом гомологического ряда дикетонов с соседним расположением карбонильных групп является диметилглиоксаль (диацетил), называемый, по систематической номенклатуре, 2,3-бутандионом. Его получают окислением бутанона или кетоспиртов

Другой путь к дикетонам – реакция азотистой кислоты с активными α- водородными атомами кетонов. Получающиеся при этом монооксимы дикетонов при кислотном гидролизе дают - диоксосоединения

Дикетоны проявляют высокую реакционную способность и вступают в обычные реакции, характерные для карбонильных соединений.

Из производных диацетила широко известен диметилглиоксим

Этот оксим способен, как это было установлено Чугаевым, образовать окрашенные, нерастворимые внутрикомплексные соединения (клешнеобразные, хелатные) с катионами металлов. Комплесообразование с никелем служит для качественного и количественного определения этого металла

Любопытно отметить, что диацетил придает сливочному маслу характерный для него запах. Причем, для запаха достаточно содержание в 1 кг масла десятых долей миллиграмма дикетона. Поэтому диацетил добавляется в маргарины и сыры.

Из других дикетонов широко известен ацетилацетон или 1,3-пентандион, обычно получаемый по Кляйзену конденсацией ацетона с этилацтетатом в присутствии этилата натрия

Предполагается, что конденсация по Кляйзену сводится к известной реакции нуклеофильного присоединения

Ацетилацетон проявляет некоторые неожиданные свойства, реагирует не только как кетон, но и как спирт, например, с металлическим натрием. Однако такое поведение ацетилацетона легко объясняется с учетом возможности существования кетона и в енольной форме

Енольная форма ацетилацетона проявляет определенную кислотность. Еноляты щелочных металлов могут вступать в реакции нуклеофильного замещения с участием галогенпроизводных алканов. При этом, как правило, происходит С-алкилирование

Известны еноляты не только щелочных металлов, но и железа, меди, хрома, алюминия и др. Они представляют собой внутрикомплексные хелатные соли. Способность дикетонов к образованию хелатов используется для извлечения катионов металлов.

Карбоновые кислоты

которая называется карбоксильной группой (карбоксилом). Карбоксил в соединении может быть связан с алкильной группой (предельные карбоновые кислоты) или остатком алкена (непредельные карбоновые кислоты). Кроме того, карбоновая кислота может содержать несколько карбоксилов. От их числа зависит основность кислоты.

Многие одноосновные предельные карбоновые кислоты стали известны благодаря содержанию в доступных природных продуктах. Поэтому в тривиальных названиях кислот широко отражен их природный источник. Например, три кислоты, содержащие в своей молекуле 6, 8 и 10 углеродных атомов, были выделены из продуктов гидролиза сливочного масла из козьего жира и названы соответственно капроновой, каприловой и каприновой кислотами (от латинского caper – коза).

Ниже приведены наиболее часто встречающиеся кислоты и их названия по тривиальной и систематической номенклатурам

По систематической номенклатуре карбоновая кислота свое название получает от названия соответствующего углеводорода, которому в данном соединении соответствует наиболее длинная цепь углеродных атомов. Цепь нумеруется, причем отсчет начинается от карбоксильного углерода. В названии указываются не вошедшие в главную цепь радикалы-заместители, и их положение.

Следует отметить, что некоторые кислоты с большим количеством углеродов в молекуле, относят в высшим жирным кислотам (например, пальмитиновая и стеариновая). Этим названием объединяются встречающиеся в природе кислоты с неразветвленной цепью, которые в виде эфиров входят в состав жиров, восков и масел растений и животных.

При отнятии гидроксильной группы от карбоксила получаются одновалентные кислотные остатки или ацилы, а при отщеплении водорода – так называемые ацилатные группы

СН₃СО- ацетил СН₃СОО- ацетат

СН₃СН₂СО- пропионил СН₃СН₂СОО- пропионат

СН₃СН₂СН₂СО- бутирил СН₃СН₂СН₂СОО- бутират

СН₃СН₂СН₂СН₂СО- валерил СН₃СН₂СН₂СН₂СОО- валерат
Названия производных карбоновых кислот связаны с названиями самих кислот. Как составляются названия производных кислот, видно из приводимых ниже примеров
СН₃СООН СН₃СООNa СН₃СОCl

уксусная кислота ацетат натрия ацетилхлорид

этан