27. Альдегиды и кетоны: механизм аn; присоединение гидросульфита натрия, циановодорода, магнийорганических соединений, значение этих реакций.

Нуклеофильное присоединение.

Реакции с серосодержащими нуклеофилами.

Реакция с гидросульфитом натрия. Альдегиды и кетоны при взаимодейст­вии с гидросульфитом натрия образуют гидросульфитные производные (α-гидроксисульфонаты натрия):

В эту реакцию вступают большинство альдегидов, метилкетоны и цикли­ческие кетоны. Реакцию проводят с насыщенным раствором гидросульфита натрия, при этом выпадает в осадок кристаллическое гидросульфитное произ­водное альдегида или кетона. Гидросульфитные производные гидролизуются в исходные соединения в кислой или щелочной среде, их образование использу­ют в целях выделения из смеси и очистки карбонильных соединений.

Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами.

В результате взаимодействия альдегидов и кетонов с углеродсодержащими нуклеофилами наращивается углеродный скелет карбонильного соединения, благодаря чему эти реакции имеют широкое применение в синтетической ор­ганической химии. Такими нуклеофилами служат циановодородная кислота, реактивы Гриньяра, различные соединения с выраженными СН-кислотными свойствами.

Присоединение циановодородной кислоты. Реакция приводит к образова­нию гидроксинитрилов и позволяет удлинить углеродную цепь на один атом уг­лерода:

Реакция катализируется основаниями, потому что в слабой циановодород­ной кислоте концентрация активных нуклеофильных частиц — цианид-ионов — очень низка. Медленной стадией является присоединение цианид-иона.

Гидроксинитрилы гидролизуются в кислой среде в α-гидроксикарбоновые кислоты:

Присоединение магнийорганических соединений. Взаимодействие альде­гидов и кетонов с магнийорганическими соединениями RMgHal (реактивами Гриньяра) является одним из универсальных способов синтеза спиртов: из фомальдегида получают первичные спирты, из других альдегидов — вторич­ные, а из кетонов — третичные:

На первой стадии реакции, которая проводится обычно в среде безводно­го диэтилового эфира, происходит нуклеофильное присоединение магнийорганического соединения к альдегиду или кетону. На следующем этапе образо­вавшийся магниевый алкоголят гидролизуется разбавленной минеральной кислотой или, если образующийся спирт чувствителен к действию кислоты, раствором хлорида аммония.

Аналогично магнийорганическим соединениям происходит присоедине­ние литийорганических соединений. Литийорганические соединения более реакционноспособны, чем реакти­вы Гриньяра, поэтому их применяют в реакциях с малоактивными карбониль­ными соединениями.

27. Альдегиды и кетоны: реакции присоединения-отщепления – образование иминов, оксимов, гидразонов, семикарбазонов, использование этих реакций для идентификации оксосоединений.

Нуклеофильное присоединение.

Реакции с азотсодержащими нуклеофилами.

Альдегиды и кетоны взаимодействуют с различными соединениями, со­держащими аминогруппу, при этом нуклеофильное присоединение чаще всего сопровождается отщеплением воды:

Реакция катализируется как кислотами, так и основаниями, соответствен­но и гидролиз полученных производных может осуществляться в кислой и ще­лочной средах. Присоединение нуклеофила к карбонильному соединению протекает через биполярный ион (I) и приводит к образованию неустойчивого гем-аминоспирта (II), который затем подвергается дегидратации в конечный продукт. Такой ход реакций альдегидов и кетонов с соединениями, содержа­щими аминогруппу, обусловливает их общее название как реакций присоедине­ния-отщепления:

Скорость реакций присоединения-отщепления зависит от pH среды. При сравнительно высоких значениях pH медленной (скоростьопределяющей) стадией является отщепление воды от протонированной формы гем-аминоспирта (III). По мере увеличения кислотности среды концентрация катиона (III) возрастает и скорость реакции растет. При низких значениях pH медленной стадией является взаимодействие карбонильного соединения с нуклеофилом. Это связано с тем, что в сильнокислой среде нуклеофил XNH₂ существует в виде неактивного аммониевого иона XNH₃⁺. Таким образом, кривая зависимости скорости реакции от pH среды имеет колоколообразную форму, как это показано на примере реакции образования оксима ацетона (CH₃)₂C=NOH. Оптимум процесса в данном случае приходится на pH ~ 4.

Реакция с аминами. При взаимодействии альдегидов и кетонов с первич­ными аминами образуются N-замещенные имины (основания Шиффа):

Имины, полученные из алифатических аминов и алифатических карбо­нильных соединений, обычно малоустойчивы, быстро разлагаются или полимеризуются. Производные ароматических аминов или ароматических альдеги­дов более стабильны. Образование иминов происходит в ряде биохимических реакций, например, на одной из стадий зрительного цикла.

Реакция с гидразинами. При взаимодействии альдегидов и кетонов с гид­разином и замещенными гидразинами получаются гидразоны. Свободная ами­ногруппа гидразона способна вступать в реакцию со второй молекулой карбо­нильного соединения с образованием азина, поэтому гидразоны в большинст­ве случаев бывает трудно выделить.

Замещенные гидразины, особенно арилгидразины, образуют в реакциях с карбонильными соединениями устойчивые гидразоны. Арилгидразоны пред­ставляют собой хорошо кристаллизующиеся соединения с четкими температу­рами плавления, благодаря чему их можно использовать для идентификации карбонильных соединений (качественная реакция).

С помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии 2,4-динитрофенилгидразонов проведено количественное определение альдегидов и кетонов, образующихся в атмосфере при фотохимическом окислении углеводородов.

Реакция с гидроксиламином. При взаимодействии альдегидов и кетонов с гидроксил амином получаются соответствующие оксимы, например:

Оксимы представляют собой кристаллические вещества, однако из-за низких температур плавления они не пригодны для идентификации альдеги­дов или кетонов. Образование оксимов лежит в основе оксимного титрования, используемого в фармацевтическом анализе для количественного определения достаточно активных альдегидов и кетонов, например, таким методом опреде­ляют камфору (качественная реакция). Альдегид или кетон вводят в реакцию с гидрохлоридом гидроксиламина, выделившийся при этом хлороводород оттитровывают щелочью.

Реакция с семикарбазидом. При взаимодействии альдегидов и кетонов с семикарбазидом получаются семикарбазоны:

Семикарбазоны — кристаллические вещества с четкими температурами плавления, и поэтому, как и гидрозоны, их используют для идентификации альдегидов и кетонов (качественная реакция). Некоторые семикарбазоны применяют в качестве ле­карственных средств.

27. Альдегиды и кетоны: реакции с участием -СН-кислотного центра – енолизация, строение енолят-иона, кето-енольная таутомерия, галоформная реакция, иодоформная проба, альдольная и кротоновая конденсации. Реакция Канниццаро (механизм).

Нуклеофильное присоединение. Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами.

С соединениями, обладающими СН-кислотными свойствами, альдегиды и кетоны способны вступать в различные реакции конденсации. Соединение, содержащее подвижный водород, в этих реакциях выступает в качестве нуклео­фильного реагента и называется метиленовой компонентой, а альдегид или кетон — карбонильной компонентой. Реакции присоединения часто сопровож­даются отщеплением воды. Реакции конденсации карбонильных соединений протекают в условиях кислотного и основного катализа.

где X и Y — электроноакцепторные заместители (один или два).

Альдольная конденсация. Реакция протекает при действии на альдегиды или кетоны разбавленных щелочей. При этом одна молекула альдегида пред­ставляет собой карбонильную компоненту, а другая — метиленовую.

При действии основания альдегид отщепляет протон от α-СН-кислотного центра и превращается в карбанион (I), заряд в котором делокализован за счет сопряжения. Карбанион, являясь сильным нуклеофилом, присоединяется к другой молекуле альдегида. Стабилизация образовавшегося аниона (II) проис­ходит за счет отщепления протона от какой-либо слабой кислоты, например воды.

Альдольная конденсация — обратимая, обратный процесс назы­вается альдольным расщеплением (ретроальдольной реакцией). Если альдольная конденсация сопровождается отщеплением воды (часто происходит при повышенной температуре), то такая реакция называется кротоновой конденсацией. Протеканию дегидратации способствует наличие в альдоле α-СН-кислотного центра и π,π-сопряжения в образующемся α,β-ненасыщенном альдегиде или кетоне:

Реакции альдольной или кротоновой конденсации часто проводятся в смешанном варианте, когда карбонильная и метиленовая компоненты — разные соединения. Подбор партнеров для этих реакций осуществляется исходя из того, что карбонильная компонента должна иметь высокую реакционную способность в реакциях нуклеофильного присоединения, обычно это различные альдегиды. В то же время метиленовая компонента должна обладать достаточно высокой СН-кислотностью, поэтому ею могут быть разнообразные альдегиды или кетоны, имеющие α-атом водорода. Правильный выбор реагентов позволяет свести к минимуму побочные реакции — самоконденсацию метиленовой компоненты, альтернативную смешанную конденсацию. Например, ароматические альдегиды не имеют α-атома водорода и могут быть только карбонильными компонентами:

Восстановление.

Карбонильные соединения могут быть восстановлены в спирты. Альдегиды восстанавливаются в первичные спирты, кетоны — во вторичные. Некоторые методы позволяют восстановить карбонильную группу в метиленовую.

Диспропорционирование. Альдегиды, у которых отсутствует подвижный водород у α-атома углерода, при действии концентрированного раствора ще­лочи подвергаются диспропорционированию — реакции Канниццар. При этом половина всего количества альдегида восстанавливается в спирт, а другая — окисляется в карбоновую кислоту:

Вначале молекула альдегида присоединяет в качестве нуклеофила гидро­ксид-ион. Медленной стадией реакции является перенос гидрид-иона от обра­зовавшегося на первой стадии аниона к другой молекуле альдегида. Именно на этой стадии молекула альдегида — донор гидрид-иона — окисляется, а мо­лекула, присоединяющая гидрид-ион, восстанавливается. На последней ста­дии происходит перенос протона от сильной кислоты (бензойная кислота) к сильному основанию (бензилоксид-ион).

Катион металла стабилизирует шестизвенное переходное состояние. Если в реакционную смесь добавить 18-краун-6, который образует с металлом прочный комплекс, то выход продуктов резко снижается.

Галоформная реакция. Метилкетоны, а также ацетальдегид при взаимодействии с хлором, бро­мом или иодом в щелочной среде галогенируются по метильной группе, пре­вращаясь в тригалогенопроизводные. Образовавшийся тригалогенокетон или тригалогеноацетальдегид в щелочной среде расщепляется на карбоновую кис­лоту (в виде соли) и галоформ (хлороформ, бромоформ, иодоформ).

Галоформную реакцию используют как способ получения карбоновых кислот, а также для обнаружения метилкетонов и ацетальдегида. Этим целям служит иодоформная проба, проведение которой сопровождается образова­нием йодоформа СНI₃ — кристаллического вещества бледно-желтого цвета с характерным запахом. Иодоформная проба позволяет также идентифици­ровать этанол и вторичные спирты, имеющие в своем составе фрагмент СН₃—СН(ОН)— (качественная реакция). Эти спирты в условиях опыта окисляются в соответствую­щие карбонильные соединения.