4.2.2. Реакции нуклеофильного присоединения

к карбонильной группе альдегидов и кетонов ( А_N )

В карбонильной группе присутствуют две связи π и σраспределение электронной плотности , неравномерное вследствие различной электроотрицательности атомов углерода и кислорода , которые находятся вsp²– гибридном состоянии. Создаются два центра, которые отзываются на активные частицы с противоположными зарядами ( + ) и ( - )

б+ б–

> С = О

электрофильный центр нуклеофильный центр

атакует частица ( -) или с атакует частица (+ ),

повышенной электронной электрофил Е⁺.

плотностью, нуклеофил Nu

Донорные заместители подают электронную плотность в сторону атома углерода и снижают величину заряда б+ . Акцепторные заместители смещают электронную плотность от атома углерода и увеличивают заряд б+, усиливая поляризацию связи ( условно изображены разные величины частичных зарядов).

б+ б+

R—> СН = О R<— СН = О

донор акцептор

Акцепторные заместители должны увеличивать скорости реакций, а донорные заместители- уменьшать.

Химические свойства карбонильных соединений:

1. реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе

2. электрофильные реакции замещения у атома углерода в соседнем, α– положении к карбонильной группе.

Реакции нуклеофильного присоединения

Карбонильные соединения реагируют с достаточно большим количеством

нуклеофилов :

НОН, RОН , НСN,RSН , Н₂S,RNН₂, НС1, НВг,NаНSО₃( натрия гидросульфит),RNHNH₂( гидразин).

Механизм реакции становится ясным, если представить схему процесса и образование двух возможных промежуточных соединений:

А) Первым атакует ( Е⁺) электрофил. Образуется карбокатион, на атоме углерода появляется заряд (+). Атом углерода имеет гибридизациюsp² и тригональное строение .

б + б - ( +)

> С = О + Е⁺ Nu^– ——>> С — О — Е

Б) Первым атакует (Nu^–) нуклеофил. Образуется анион, отрицательный заряд локализован на атоме кислорода, атом углерода тетраэдрический, гибридизацияsp³, образует 4 ковалентные связи.

б+ б-

> С = О + Е⁺ Nu^– ——>> С — О ^{( - )}

^|

Nu

Понятно, что анион( вариант Б) является более устойчивым,, чем карбокатион

( вариант А ). Известно множество примеров существования устойчивых анионов :

гидроксид НО ^–, анионы неорганических и органических кислотRCOO^–.

Поэтому реакции с участием карбонильной группы проходят по механизму нуклеофильного присоединения. Для большинства реакций требуется кислая среда, которая способствует образованию карбокатиона, к которому легко присоединяется

нуклеофильная частица.

б+ б- + Nu

> С = О + Н⁺ ——>> С – О —Н ⁺ ——>> С — О^– + Н⁺

^|

Nu

1. Присоединение воды. Обратимая гидратация карбонильной группы происходит при растворении альдегида в воде, образуются гем-диолы, которые существуют только в растворе. Формальдегид гидратирован на 100% , ацетальдегид- на 58%, ацетон – менее 1%. Эти данные доказывают снижение реакционной способности карбонильной группы под влиянием заместителей с (+) индуктивным эффектом. Водный раствор формальдегида- формалин,w=40%, используется для изготовления анатомических и гистологических препаратов.

R—СН = О + НОН <=>R—СН – ОН

|

ОН гидрат альдегида

Трихлорэтаналь( жидкость, Т кип. 97⁰) присоединяет воду и существует в виде устойчивого кристаллического соединения- хлоралгидрата СС1₃СНО • Н₂О, который использовали как успокаивающее и снотворное средство, и сейчас применяют в ветеринарии. Пример этого соединения подтверждает, что заместители с (–) индуктивным эффектом увеличивают реакционную способность карбонильной группы и устойчивость продуктов присоединения.

ОН

|

С1₃С- СНО + НОН —> С1₃С– С – ОН

трихлорэтаналь | хлоралгидрат

ОН

2. Образование полуацеталей и ацеталей

Альдегиды в кислой среде образуют полуацетали при взаимодействии со спиртами. Полуацеталь сохраняет свойства альдегида и качественные реакции, характерные для альдегидной группы( «серебряного зеркала» и др.). При действии избытка спирта полуацеталь превращается в ацеталь, который не сохраняет свойства альдегидной группы. Гидролиз полуацеталя и ацеталя возможен только в кислой среде и не возможен в щелочной.

б+ б- б+ б - ROH

R—СН = О +Н —ОR<=>R—СН – ОН——>R—СН –ОR

А_N|S_N|

ОR ОR

полуацеталь ацеталь

Циклические полуацетали – результат внутримолекулярной реакции А_N, которая возможна у гидроксиальдегидов, если гидроксигруппа находится в положении 4 или 5 в углеродной цепи.

б-

СН₂– СН₂– СН₂–СН₂– СНО СН₂–СН₂– СН–ОН

| <=> | |

О - НСН₂–СН₂–О циклический полуацеталь

5-гидроксипентаналь шестичленный цикл носит название пирановый

пространственное строение «кресло»

Среди природных соединений распространены циклические полуацетали моносахаридов ( подробно в лекции по теме « Углеводы»).

Полуацетали образуются в качестве промежуточных соединений при обмене пировиноградной и α– кетоглутаровой кислот при участии витамина В₁– тиаминпирофосфата.

3.Образование циангидринов- присоединение циановодородаНСN к карбонильной группе альдегидов и кетонов

Реакция катализируется основаниями. т.к. НСN– слабая кислота. Циангидрины распространены в природе, в растениях они связывают синильную кислоту. В горьком миндале содержится до 2-4% циановодорода, много в вишневых и незрелых косточках

абрикоса, поэтому они представляют опасность при употреблении в пищу или изготовлении варенья, компотов с косточками.

Бензоциангидрин синтезируется некоторыми насекомыми и используется в качестве защиты, парализуя дыхательный центр врагов-насекомых.

С₆Н₅— СН = О +НСN ——> С₆Н₅— СН — ОН

|

бензальдегидСN бензоциангидрин

4.Образование тиополуацеталей - присоединение тиолов( синонимы - тиоспиртов, меркаптанов)

Реакция исключительно важна для понимания процессов с участием ферментов, которые в своем активном центре содержат тиольные группы аминокислоты цистеина.

R—СН = О +Н —SR<=>R—СН – ОН

А_N|

SR

тиополуацеталь

Образование тиополуацеталей in vivoнеобходимо в процессе реакций биологического окисления.( см. раздел «реакции окисления биоорганических соединений).

4. Присоединение натрия гидросульфита

Используют для очистки альдегидов от посторонних примесей. Продукт присоединения выпадает в осадок в спиртовом или

эфирном растворе. Его отделяют, проводят гидролиз, выделяется чистый альдегид.

R—СН = О +NаНSО₃ <=>R—СН — О Н

|

SО₃ ^– Nа⁺

6.Взаимодействие с аминами и гидразинами- образование азометинов( синоним- основания Шиффа) и гидразоновВ процессе взаимодействия карбонильных соединений с аминами и гидразинами реакция А_Nзатем сопровождается элиминированием воды . Процесс можно обозначить

( А_N –Е ) .

R₁—СН = О +NH₂–R₂ <=>R₁—СН – ОН——>Н₂О +R₁—СН =N–R₂

| азометин

NH–R₂

Азометины- твердые кристаллические вещества, имеющие четкие температуры плавления, что позволяет проводить идентификацию альдегидов в виде оснований Шиффа.

В клетках in vivoобразование азометинов происходит с участием витамина В ₆

в процессе метаболизма природных аминокислот: декарбоксилирования и транс(пере)аминирования. Витамин В ₆ существует в трех активных формах: альдегидной ( пиридоксаль ) и амино( пиридоксамин ), что позволяет ему образовывать азометины в виде альдегида и в виде амина.

Подробно участие витамина В ₆ в обмене аминокислотin vivoрассматривается в лекции «Природные аминокислоты».