Альдегиды и кетоны

Отдельные представители		Физические свойства
название	формула	т. пл., °С	т. кип., °С
Альдегиды
Метаналь (муравьиный альдегид, формальдегид)	НС(О)Н	-92	-21
Этаналь (уксусный альдегид, ацетальдегид)	СН3С(О)Н	-121	20
Пропаналь (пропионовый альдегид)	СН3СН2С(О)Н	-81	49
Бутаналь (н-масляный альдегид)	СН3СН2СН2С(О)Н	-99	76
Пропеналь (акролеин)	СН2=СНС(О)Н	-88	55
Бутен-2-аль (кротоновый альдегид)	СН3СН=СНС(О)Н	-69	104
Бензальдегид	С6Н5С(О)Н	-26	178
Кетоны
Пропаном (ацетон)	СН3С(О)СН3	-94	56
Бутанон-2 (метилэтилкетон)	СН3С(О)СН2СН3	-86	80
Ацетофенон (метилфенилкетон)	CH3C(О)C6 H5	21	204

Как соединения, склонные к образованию водородной связи, альдегиды и кетоны могут взаимодействовать с молекулами воды и поэтому хорошо в ней растворяются (особенно первые члены гомологического ряда).

Схематически распределение электронной плотности в альде­гидах и кетонах с учетом передачи электронного влияния электронодефицитного атома углерода карбонильной группы по σ-связям представлено ниже (атом водорода может быть замещен на органи­ческий радикал, указанный в скобках).

Наличие в молекуле альдегида или кетона электрофильного центра — атома углерода карбонильной группы — предопределяет возможность нуклеофильной атаки. Местом электрофильной атаки служит основный (нуклеофильный) центр — атом кислорода кар­бонильной группы. Кроме того, в альдегидах и кетонах имеется слабый СН-кислотный центр, атом водорода которого обладает оп­ределенной протонной подвижностью и может, в частности, под­вергаться атаке основанием.

Легкость нуклеофильной атаки по атому углерода карбониль­ной группы альдегида или кетона зависит от величины эффектив­ного положительного заряда на атоме углерода, его пространствен­ной доступности и кислотно-основных свойств среды. С учетом электронных эффектов групп, связанных с карбонильным атомом углерода, величина δ+ на нем в альдегидах и кетонах убывает в сле­дующем ряду.

Уменьшение δ+ на карбонильном атоме углерода

——————————————————————————————→

–I +I_Н=0 +I_R(R=Alk) +I-эффект двух R-групп

Увеличение пространственной затрудненности для нуклеофильной атаки

——————————————————————————————→

Пространственная доступность карбонильного атома углерода уменьшается при замене водорода на более объемистые органиче­ские радикалы. Поэтому альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны.

Общая схема реакций нуклеофильного присоединения A_N к карбонильной группе включает нуклеофильную атаку по карбо­нильному атому углерода, за которой следует присоединение элек­трофила к атому кислорода.

альдегид (R = Н) переходное продукт

или кетон состояние присоединения

Процесс напоминает бимолекулярное замещение S_N2, но с тем отличием, что принимающий пару электронов атом кислорода не является здесь уходящей группой, а остается в молекуле субстрата.

Карбонильный атом углерода имеет плоскую конфигурацию, поэтому нуклеофильная атака равновероятна с обеих сторон плос­кости.

В тех случаях, когда карбонильный атом углерода является прохиральным центром и в результате реакции возникает хиральный атом углерода, энантиомеры образуются в равных ко­личествах, т. е. получается рацемическая смесь. Следовательно, в обычных условиях, вне организма, эта реакция протекает нестереоселективно.

По приведенному выше механизму осуществляется ряд важных реакций альдегидов и кетонов.

Присоединение воды. Присоединение воды к карбонильной группе — гидратация — обратимая реакция. Степень гидратации альдегида или кетона в водном растворе зависит от строения суб­страта. Продукт гидратации, как правило, в свободном виде выде­лить с помощью перегонки не удается, так как он разлагается на исходные компоненты. Формальдегид в водном растворе гидратирован более чем на 99,9%, ацетальдегид — приблизительно наполо­вину, ацетон практически не гидратирован.

Положение равновесия реакции гидратации указанных соеди­нений можно объяснить с учетом пространственного фактора. Так, образование гидрата ацетона невыгодно, поскольку при этом воз­растает стерическое отталкивание между объемистыми заместите­лями за счет уменьшения угла между ними от -120 до -109,5°.

Трихлороуксусный альдегид (хлораль) гидратирован полно­стью. Наличие электроноакцепторной трихлорометильной группы настолько стабилизирует хлоральгидрат, что это кристаллическое вещество отщепляет воду только при перегонке в присутствии водоотнимающих веществ (H₂SO₄ и др.).

хлораль хлоральгидрат

Другой стабильный гидрат — нингидрин — используется в ка­честве реактива для обнаружения α-аминокислот (см. 12.1.4).

Присоединение спиртов. Спирты при взаимодействии с альде­гидами легко образуют полуацетали. При обработке полуацеталей избытком спирта в кислой среде могут быть получены ацетали (ре­акция напоминает синтез простых эфиров из спиртов).

альдегид полуацеталь

полуацеталь ацеталь

Роль кислотного катализа при превращении полуацеталя в ацеталь становится ясной из приведенной ниже схемы механизма ре­акции. Центральное место в схеме занимает образование карбокатиона (I), стабилизированного за счет участия пары электронов со­седнего атома кислорода (+М-эффект С₂Н₅О-группы).

полуацеталь (I)

ацеталь

Реакции образования полуацеталей и ацеталей обратимы, по­этому ацетали и полуацетали легко гидролизуются избытком воды в кислой среде. В щелочной среде полуацетали устойчивы, так как алкоксид-ион является более трудно уходящей группой, чем гидроксид-ион. Кетоны в аналогичных условиях кеталей не образуют.

Следует отметить, что образование ацеталей часто используется в органическом синтезе как временная защита альдегидной группы.

Присоединение тиолов. Тиолы активнее спиртов в реакциях с альдегидами и кетонами. Они образуют соответствующие тиоаналоги — полутиоацетали и дитиоацетали.

альдегид (R=H) полуацеталь дитиоацеталь

или кетон

Присоединение аминов и их производных. Амины и другие азотсодержащие соединения общего вида NH₂X реагируют с альде­гидами и кетонами в две стадии. Сначала образуются продукты нуклеофильного присоединения, которые затем вследствие неус­тойчивости отщепляют воду. Поэтому данный процесс в целом классифицируют как реакцию присоединения—отщепления.

Амины и их производные реагируют с альдегидами и кетонами с образованием разнообразных соединений. В случае первичных ами­нов получаются имины (их называют также основаниями Шиффа).

Имины — промежуточные продукты во многих ферментатив­ных процессах, например биосинтезе α-аминокислот в организме (см. 12.1.4). Получение иминов протекает через стадию образова­ния карбиноламинов, которые в некоторых случаях относительно устойчивы, например при взаимодействии формальдегида с α-аминокислотами (см. 12.1.4).

альдегид (R=H) первичный карбиноламин имин

или кетон амин

Имины являются промежуточными продуктами в общем спо­собе получения аминов из альдегидов и кетонов путем восстанови­тельного аминирования. Этот способ заключается в восстановлении смеси карбонильного соединения с аммиаком (или амином). Про­цесс протекает по схеме присоединения—отщепления с образова­нием имина, который затем восстанавливается в амин. Восстано­вительное аминирование осуществляется в организме в ходе синте­за α-аминокислот (см. 12.1.5).

альдегид (R=H) имин амин

или кетон

При взаимодействии альдегидов и кетонов с гидроксиламином получаются оксимы, с производными гидразина — гидразоны. Эти реакции могут быть использованы для выделения альдегидов и ке­тонов из реакционной смеси и их идентификации, поскольку обра­зующиеся производные, как правило, представляют собой крис­таллические вещества с четкими температурами плавления.

альдегид (R=H) гидроксиламин оксим

или кетон

альдегид (R=H) фенилгидразин фенилгидразон

или кетон

альдегид (R=H) 2,4-динитрофенилгидразин 2,4-динитрофенилгидразон

или кетон

Основания Шиффа и другие подобные соединения легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образова­нием исходных продуктов.

В большинстве случаев для реакций альдегидов и кетонов с азотистыми основаниями необходим кислотный катализ, ускоряющий дегидратацию про­дукта присоединения. Однако если слишком повысить кислотность среды, то реакция замедлится в результате превращения азотистого основания в нереакционноспособную сопряженную кислоту XNH₃⁺. Поэтому оптимальным обычно является проведение процесса при рН, близком рК_а этой сопряженной кислоты, т. е. в условиях, когда приблизительно половина азотистого основа­ния остается в непротонированной форме. В случае низкоосновных азотистых оснований за счет кислотного катализа также происходит протонирование карбонильной группы субстрата, что повышает электрофильность карбониль­ного атома углерода и тем самым способствует его реакции с этими слабыми нуклеофилами.

Присоединение циановодородной кислоты. В присутствии сле­дов щелочи циановодородная кислота присоединяется к альдеги­дам и кетонам с образованием α-гидроксинитрилов (циангидринов).

альдегид (R=H) α-гидроксинитрил

или кетон

Эта реакция лежит в основе специфических методов получения α-гидрокси- и α-аминокислот.

Присоединение гидридов металлов. Восстановление альдеги­дов и кетонов осуществляют с помощью комплексных гидридов металлов LiAlH₄, KBH₄. Реакция включает нуклеофильную атаку карбонильного атома углерода гидрид-ионом. При последующем гидролизе образовавшегося алкоголята получается первичный или вторичный спирт.

альдегид (R=H) комплексный первичный или

или кетон гидрид металла вторичный спирт

Реакции полимеризации.

Полимеризация характерна только для простейших альде­гидов и кетонов (формальдегид, ацетальдегид, ацетон).

Формальдегид и ацетальдегид легко вступают в реакцию тримеризации:

R = H, CH ₃ триоксиметилен

Продукт тримеризации формальдегида - триоксиметилен - был открыт А. М. Бутлеровым. Триоксиметилен, так же как и тример ацетальдегида - паральдегид, деполимеризуется при нагревании.

При нагревании с минеральными кислотами поли­меры альдегидов распадаются на исходные продукты.

Образование полимеров можно рассматривать как результат нуклеофильной атаки атомом кислорода одной молекулы альдеги­да карбонильного атома углерода другой молекулы. Так, при стоя­нии 40%-го водного раствора формальдегида, называемого форма­лином, в виде белого осадка образуется полимер формальдегида — параформ .

формальдегид параформ (n = 7 – 100)

Реакции конденсации. Наличие в молекуле альдегида или кетона слабого СН-кислотного центра приводит к тому, что α-водородные атомы этих карбонильных соединений обладают некоторой протонной подвижностью.

альдегид (R=H) или кетон

В частности, под действием оснований такие протоны могут от­щепляться с образованием соответствующих карбанионов. По­следние играют роль нуклеофилов по отношению к карбонильным субстратам. Таким образом, оказываются возможными реакции, в которых одна молекула карбонильного соединения (метиленовая компонента) присоединяется к карбонильной группе другого кар­бонильного соединения (карбонильная компонента). Такие про­цессы относятся к реакциям конденсации.

Конденсацией называется реакция, приводящая к усложнению углеродного скелета и возникновению новой углеродной связи, причем из двух или более относительно простых молекул обра­зуется новая, более сложная молекула.

Иногда в результате реакции конденсации выделяется молеку­ла воды или другого вещества.

In vitro реакции конденсации альдегидов и кетонов проходят в присутствии каталитических количеств кислот или щелочей. Так, ацетальдегид на холоду при действии разбавленных растворов ще­лочей превращается в альдоль; при проведении реакции в более жестких условиях альдоль дегидратируется с образованием кротонового альдегида.

уксусный альдегид альдоль кротоновый альдегид

(3-гидроксибутаналь) (бутен-2-аль)

Поэтому конденсацию альдегидов или кетонов, протекающую по первому типу, называют альдольной конденсацией, или альдолъным присоединением, а по второму типу — кротоновой конденсацией. Использование в качестве катализаторов кислот и проведение ре­акции в более жестких условиях способствуют образованию про­дуктов кротоновой конденсации.

Некоторые примеры реакций альдольного присоединения при­ведены ниже.

пропионовый альдегид пропионовый альдегид 3-гидрокси-2-метил-

(карбонильная компонента) (метиленовая компонента) пентаналь, 60%

формальдегид 3-метилпропаналь 3-гидрокси-2,2-диметил-

(карбонильная компонента) (метиленовая компонента) пропаналь, 50%

Реакции альдольного присоединения обратимы. Обратный процесс называется альдольным расщеплением (ретроальдольный распад). В условиях организма осуществляются оба процесса, на­пример, альдольная конденсация пировиноградной кислоты и N-ацетил-D-маннозамина с получением нейраминовой кислоты (см. 13.1.4); сшивание цепей тропоколлагена с образованием коллагена (см. 12.3); альдольное расщепление серина на глицин и формальдегид (см. 12.1.5) и 1,6-дифосфата D-фруктозы на фос­фат дигидроксиацетона и 3-фосфат D-глицеринового альдегида (см. 13.1.5).

Рассмотрим механизм альдольной конденсации в щелочной среде. На первой стадии реакции гидроксид-ион отрывает из α-положения протон, имеющий повышенную подвижность (СН-кислотность) за счет электроноакцепторного влияния карбонильной группы.

Другая причина легкого отщепления протона заключается в об­разовании карбаниона, стабилизированного путем смещения элек­тронной плотности к кислороду. Этот ион, имеющий мезомерное строение (см. 2.3.1), можно называть и енолят-ионом в соответст­вии с его второй граничной структурой.

Следующая стадия реакции — нуклеофильное присоединение мезомерного иона к карбонильной группе другой молекулы карбо­нильного соединения с образованием аниона альдоля. Мезомерный ион на этой стадии реагирует по атому углерода, а не по атому кислорода в соответствии с принципом ЖМКО (см. 5.2), так как относительно мягкий электрофильный центр (атом углерода кар­бонильной группы) предпочтительно связывается с относительно более мягким нуклеофильным центром — атомом углерода мезо­мерного иона, а не более жестким атомом кислорода.

Анион альдоля, являясь алкоксид-ионом, т. е. более сильным основанием, чем гидроксид-ион, отрывает далее протон от воды.

Важным свойством альдегидов, отличающим их от кетонов, яв­ляется способность альдегидов чрезвычайно легко окисляться в карбоновые кислоты (см. 9.1.1).

альдегид карбоновая кислота