Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Владимирский государственный университет им. Столетовых

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Реакции нуклеофильного присоединения по кратным связям углерод-гетероатом (110

..pdf

Скачиваний:

Добавлен:

15.11.2022

Размер:

244.69 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ ПО КРАТНЫМ СВЯЗЯМ УГЛЕРОД – ГЕТЕРОАТОМ

Учебно-методическое пособие для вузов

Составитель Н.И. Коптева

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2012

Утверждено научно-методическим советом химического факультета ВГУ 22 марта 2012 г., протокол № 3

Рецензент доктор химических наук, профессор Г.В. Шаталов

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре органической химии химического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 4-го курса дневного и 5-го курса вечернего отделений химического факультета.

Для специальности 020101 – Химия

РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Наиболее распространены в органических молекулах такие группы, как >С=О, –N=С<, –С≡N. Разрыв связей в них может осуществляться как по гетеролитическому, так и по гомолитическому механизму. Известны также реакции, в которых происходит одновременное изменение состояния нескольких связей. К ним относятся циклоприсоединение, а также другие реакции, идущие через циклические переходные состояния. В этих реакциях происходит одновременное циклическое перераспределение электронной плотности, которое невозможно рассмотреть как гетеролитический или гомолитический процесс.

Присоединение по связи >С=О

Связь >С=О полярна и, кроме того, обладает высокой поляризуемостью, вследствие чего реакции нуклеофильного присоединения протекают легче, чем в случае алкенов. Факторы, способствующие увеличению ее полярности (заместители, среда и т.д.), повышают реакционную способность карбонильной группы.

Характерной особенностью реакций нуклеофильного присоединения по >С=О является их катализ кислотами. Они осуществляются через несколько промежуточных стадий. Первая – активация группы >С=О за счет образования водородной связи между молекулой недиссоциированной кислоты Н–А и кислородом карбонильной группы с последующим протонированием. Вторая (лимитирующая) – присоединение нуклеофильного реагента к образующемуся иону. Третья – отрыв протона анионом кислоты (или растворителем) от протонированного продукта присоединения.

C O + HA

C O H A

C O H + A

H-B: +

C O H

H-B

A _ +

A-H + B

H-B

Реакция имеет второй порядок.

Если скорость образования Н-связи близка к скорости присоединения нуклеофила, т.е. процессы протекают почти одновременно, реакция имеет третий порядок.

Присоединение нуклеофилов, содержащих кислород или серу, к карбонильной группе представляет собой равновесный процесс. Эта реакция подвержена как общему кислотному, так и общему основному катализу. Последний можно представить схемой:

B: + H

+ C O

H-O

+ H-B+

O-H + B:

H-O

Альдегиды реагируют со спиртами с образованием полуацеталей, которые обычно не удается выделить из-за нестабильности. В присутствии сильных минеральных кислот и ионообменных смол в +Н-форме протекает дальнейшая реакция, приводящая к образованию ацеталей, которые можно выделить из реакционной смеси после ее нейтрализации. Ключевым интермедиатом в этой реакции служит стабилизованный кислородом катион, образующийся при отщеплении воды от протонированной формы полуацеталя:

H+

R'OH

C OR'

H2O

+ R'OH

OR'

R CH

H2O

OR'

Образование ацеталя не катализируется основанием, а сами ацетали устойчивы к щелочному гидролизу.

Образование ацеталей используют в лабораторных синтезах для защиты альдегидной группы при проведении реакций в щелочной среде. Если этого не сделать, большинство альдегидов будет медленно полимеризоваться.

При взаимодействии альдегидов и вицинальных гликолей образуются пятичленные циклические ацетали – 1,3-диоксоланы. Эта реакция приводит к образованию гетероцикла потому, что обе ОН-группы принадлежат одной и той же молекуле:

OH H

C+ HO-CH2

CH2-OH

CH2-CH2-OH

+OH2

C O

- H2O

- H

CH2

H O

CH2

Это пример внутримолекулярного образования полуацеталя. Подобные реакции важны для понимания химии углеводов.

Кетали образуются в результате реакции кетона с вицинальными диолами, которая используется в химии стероидов.

Альдегиды реагируют также с тиолами, давая полуацетали, а в присутствии кислот – тиоацетали.

По карбонильной группе осуществляется присоединение и углеродных нуклеофилов (нитрил-анион, енамины, нитроалканы, реактив Гриньяра, β-дикетоны и т.д.).

В присутствии кислот или оснований оксосоединения реагируют с образованием α-гидроксинитрилов. Реакция обратима, но с низшими альдегидами протекает почти полное превращение:

CN + B:

H-B+ + -CN

-CN

H+

C O

O-H

Реакция имеет первый порядок по оксосоединению и первый порядок по иону цианида, и ее катализ относится к тому же общему кислотному или общему основному типу, как и в других случаях обратимого присоединения по >С=О группе.

Гидролиз циангидринов до соответствующих α-гидроксикарбоновых кислот является важным синтетическим методом. Некоторые циангидрины встречаются в природе, т.к. их синтезируют растения.

Альдегиды, имеющие α-водородный атом, в присутствии оснований вступают в альдольную конденсацию:

B: +

H C

- HB+

C +

H C

CH2 C

CH C + B:

H R

Образующиеся β-гидроксиальдегид (альдоль) или β-гидроксикетон в некоторых случаях в процессе реакции дегидратируются. Если дегидратация не идет самопроизвольно, ее легко провести, т. к. образующаяся двойная связь будет сопряжена со связью >С=О. Вся реакционная система находится в равновесии (включая стадию дегидратации), и α, β-нена-сыщенные и β-гидроксизамещенные альдегиды и кетоны можно расщепить при обработке гидроксил-анионом. Обратная реакция известна под названием ретроальдольной.

По принципу винилогии активным водородом может быть и атом в γ-положении α, β-ненасыщенного карбонильного соединения:

HO-

+ HOH

_ C

C R

HOH

- HO-

Реакции с заранее полученными енольными производными служат методом регулирования стереоселективности альдольной конденсации. В реакции образуются два новых хиральных центра и в общем случае получаются четыре стереоизомера альдольного продукта, которые можно представить следующим образом:

OH O	O H O			OH O	OH O
R'	R R'	R	R'	R R'	R
эритро-(+) - пара				трео-(+) - пара

Как правило, Z-изомеры енольных производных дают эритро-пару, тогда как из Е-изомеров получается трео-пара.

Альдольная конденсация осуществима также в условиях кислотного катализа, причем в этом случае реакция обычно сопровождается дегидратацией.

В реакцию с оксогруппой можно ввести любые соединения со связью С–Н, водород которой отщепляется под действием основания (реакция Кневенагеля). Наиболее распространенными катализаторами являются пиридин, пиперидин, соли пиперидиния, аммонийные соли (например, ацетат аммония) и др. Альдегид или кетон атакуется анионом реакционноспособной метиленовой группы. Например:

RCOCH2COOC2H5

+ HB+

RCOCHCOOC2H5

HB+

C O + CHCOR

CHCOR

-B:

COOC

O-

COOC

OH COOC2H5

CC-COR

- H2O COOC2H5

В общем случае в конденсацию Кневенагеля вступают соединения общей формулы Z–CH2– Z′, где Z и Z′ могут быть СНО, COR, COOR, CN, NO2, SOR, SO2R и др.

Помимо реакций через образование карбанионов возможно циклическое переходное состояние. Так, альдольная конденсация под действием алкоголятов металлов или щелочей может осуществляться по схеме:

R C C H		R C C				R C C		C O
R C C H		R C C		H	- H2O	R C C
O +			O	OH	- H2O	O
Me OH			O	OH		O
			Me			Me
R C C	C		R C C C		HOH	R C	C	C
O	O			O -	-HO-	R C		C
O	O	- Me	O	O -	-HO-	O		OH
Me						O		OH

Возникает реакционный комплекс, в котором перераспределение электронов может совершаться легко из-за благоприятного для реакции расположения атомов в системе и дополнительного увеличения полярности >С=О группы вследствие образования связи атома кислорода этой группы с атомом металла в хелате.

Аналогичный механизм с циклическим переходным состоянием предложен и для реакции восстановления >С=О по Меервейну – Понндорфу – Верлею алкоголятами алюминия. Основной особенностью этого процесса является перемещение водорода в виде гидрид-иона, т.е. осуществляется нуклеофильное присоединение гидрид-иона к карбонильной группе:

R2C	H	CR2"	R2C	H	CR2"	H2O	R2CHOH	+	Al(OR')2
	+
O		O	O		O				OCHR2
	Al(OR')2			Al(OR')2

Циклический электронный перенос осуществляется и при реакции Гриньяра, причем он может быть как шести-, так и четырехцентровым.

R		R	R"		R		R"
R					R		R"
C O + 2R"MgX		R' C		Mg-X	R'	C	+ R"MgX
R'		O		R"	R'		OMgX
R'		O

		R	Mg-X
R		R	O			R
C	O	C	O			R'	C OMgX
C	O	R' R"				R'	C OMgX
R' R"	Mg-X	R' R"	Mg-X				R"

Рассмотренный механизм не является единственным. Имеются доказательства того, что в некоторых случаях, по крайней мере частично, реакция идет через образование кетильного интермедиата:

RMgX + Ar

R. +

OMgX

Mg.

Такой путь реакции называется одноэлектронным переносом. Он наиболее вероятен для сопряженных (включая ароматические) альдегидов и кетонов, и его реализации способствует присутствие небольших количеств переходных металлов, которые часто оказываются примесями в магнии. Такой механизм подтверждается данными ЭПР-спектров и образованием ди-

мера кетила Ar2C(OH)C(OH)Ar2.

Реакция Реформатского весьма сходна с реакцией Гриньяра. Альдегиды и кетоны взаимодействуют с α-бромэфирами в присутствии цинка. Окончательным продуктом после обработки смеси разбавленной кислотой являются β-оксиэфиры:

OZnBr

H3O+

O +

CHCOOC2H5

(H)R

R C CHCOOC2H5 + Zn(OH)Br (H)R R'

Подобно альдолям, β-оксиэфиры легко дегидратируются, превращаясь в α, β-ненасыщенные эфиры.

Механизм реакции Реформатского является предметом дискуссий. Многие факты свидетельствуют в пользу образования цинковой соли енола как ключевого промежуточного продукта. Затем эта соль реагирует с оксосоединением по циклическому шестицентровому механизму:

COOC2H5

C- OZnBr

ZnBr

OC2H5

ZnBr

Zn-Br

H O+

+ Zn(OH)Br

C +

C C

COOC2H5

C C

COOC2H5

OC2H5

Чтобы избежать дегидратации образующегося α-оксиэфира, подкисление проводят раствором хлорида аммония.

При действии на оксогруппу первичного или вторичного амина в присутствии водорода и катализатора гидрирования происходит восстановительное амминирование карбонильного соединения. В случае вторичных аминов реакция идет через стадию гидрогенолиза (А), при использовании аммиака и первичных аминов возможен и другой путь (В) наряду с гидрогенолизом:

R'(H)

гидрогенолиз

+ R NH

(A)

R'(H)

(B)

N-R

гидрирование

Вместо водорода в присутствии катализаторов можно использовать и другие восстановители: боргидрид натрия, пентакарбонил железа, цианоборгидрид натрия и т.д. Применяют также аммониевые соли муравьиной кислоты или соответствующие соли аминов (реакция Лейкарта).

При использовании аммиака в качестве реагента первоначально образующийся продукт может снова вступить в реакцию, причем продукт этой реакции оказывается также реакционноспособным, поэтому обычно получают вторичные и третичные амины:

C O	CH	CH	CH
C O	CH	NH	N CH
	NH2	CH	CH

Для уменьшения доли побочных процессов оксосоединения обрабатывают избытком аммиака или амина.

Карбонильные соединения вступают в реакцию аминометилирования с первичными или вторичными аминами и соединениями с подвижным атомом водорода (реакция Манниха). Учитывая многообразие компонентов, а также биологическую активность оснований Манниха, эту реакцию можно рассматривать как представляющую интерес для изучения реакционной способности исходных соединений, зависимости «структура – свойства» и получения веществ с заданными свойствами. В реакцию аминометилирования вступают алифатические и алициклические альдегиды и кетоны, ароматические и гетероциклические оксосоединения, β-кетоэфиры, производные малоновой кислоты, нитросоединения, ароматические и гетероциклические молекулы с подвижными Н-атомами цикла (пиррол, хинальдин, α-пиколин

и др.). В качестве аминокомпонентов используют аммиак, первичные и вторичные алифатические и гетроциклические амины, гидразин, гидроксиламин.

На основании кинетических исследований были выдвинуты предложения о механизме реакции Манниха.

Для реакции, катализируемой основаниями:

NR2

R2NH

;

CH2

- H2O

NR2

CH2

CH2COR'

Для кислотного катализа:

H+

NR2

R2NH

- H2O

NR2

- H+

При обработке некоторых альдегидов цианид-ионами образуются бензоины (бензоиновая конденсация). Эту реакцию можно рассматривать как присоединение одной молекулы альдегида к группе С=О другой молекулы. Она характерна для ароматических альдегидов, да и то не для всех. Общепринятым механизмом бензоиновой конденсации является следующий:

ArCHO

C-

+ CN

OH O

Ar + CN

CN H

1 / 21 2 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]