I Реакция нуклеофильного приєднання аn

Механізм реакцій нуклеофільного приєднання зумовлюється полярністю звязку С=О,

яка забезпечує виникнення електрофільного (С^+) та основного центрів (:О:). Більшість реакцій А_N протікає за однією із схем:

+Nu: R O^– +H⁺

R–––––––––––> C ––––––––––– R OH

+ – повільно (H)R Nu швидко C

C===O ––– Оксонієвий аніон –––>

(H)R₁ +H⁺ R +Nu: (H)R₁ Nu

Оксосполука –––––––––––> + ––––––––––– продукт

швидко С––ОН повільно реакції А_N

(Н)R₁

Карбкатіон

У першому випадку нуклеофіл атакує електрофільний центр (С^+), внаслідок чого –звязок С=О розривається, а пара електронів , що утворювали –звязок, переходить на атом Оксигену, на якому виникає повний негативний заряд. Карбонільний атом С набуває sp³–гідридизованого стану і утворює –звязок з нуклеофілом (С–Nu). Проміжна сполука – оксонієвий аніон – є сильною основою, тому він легко взаємодіє з будь–якою кислотою, навіть з Н₂О, відщеплюючи від них і приєднуєчи до себе протон.

За іншою схемою механізму А_N на першій стадії відбувається кислотний каталіз – взаємодія карбонільного атома Оксигену із протоном Н⁺ і утворення карбкатіона, з повним позитивним зарядом на атомі Карбону, який переходить у sp³–гібридизований стан і на другій стадії піддається атакуванню нуклефілом.

В обох випадках лімітуючою стадією, що визначає швидкість взаємодії за механізмом А_N в цілому, є приєднання нуклеофілу. Тому зрозуміло, що характер протікання реакції зумовлюється величиною позитивного заряду на карбонільному атомі С, яка залежить від будови вуглеводневого радикалу і природи замісників. Електроноакцепторні замісники (Hal, OH, NH₂, SH тощо) відтягують від карбонільного С електронну густину, збільшуючи позитивний заряд на ньому, і полегшують та прискорюють протікання реакцій А_N. Електронодонорні замісники (С_nH_2n+1), навпаки, за рахунок позитивного індуктивного ефекту (+І) зміщують електронну густину в бік атома С карбонільної групи, тому + на ньому зменшується, а це сповільнює перебіг реакцій А_N. З цієї причини кетони менш реакційноздатні, ніж альдегіди, оскільки сумарний електронодонорний ефект двох радикалів у кетонах сильніший порівняно з одним радикалом у молекулі альдегіду.

Ароматичні оксосполуки теж виявляють меншу активність у реакціях нуклеофільного приєднання. Це пояснюється , –спряженням бензенового кільця з карбонільною групою, внаслідок чого спостерігається помітне зменшення часткового позитивного заряду на карбонільному атомі С.

На реакційну здатність оксосполук впливають і стеричні чинники: обємні радикали ускладнюють атакування нуклеофілом карбонільного атома Карбону і, отже, знижують швидкість реакцій.

Аліциклічні кетони виявляють вищу реакційну здатність порівняно з їх аліфатичними аналогами, що пояснюється відсутністю обертання метиленових груп СН₂ навколо –звязків у циклах, тобто меншими конформаційними можливостями. Підсумовуючи розглянуті чинники, можна розташувати окремі типи карбонільних сполук у ряди за їх активністю в реакціях нуклеофільного приєднання.

Зменшення реакційної здатності в реакціях А_N:

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––>

• за довжиною вуглеводневого радикалу

H–HС=О > CH₃–CH=O > CH₃–CH₂–CH=O > CH₃–(CH₂)_n–CH=O

• за кількістю електроноакцепторних замісників

ССl₃–CH=O > CHCl₂=O > CH₂Cl–CH=O > CH₃–CH=O

• за розташуванням електроноакцепторного замісника

СH₃–CHCl–CH=O > CH₂Cl–CH₂–CH=O

• за природою замісника

СH₃–CHCl–CH=O > CH₃–CH₂–CH=O > CH₃–CH(CH₃)–CH=O

• за положенням карбонільної групи

O

CH₃–CH₂–C > CH₃–C–CH₃

H 

O

• за стеричними і конформаційними факторами

CH₃ CH₃

 

CH₃–CH₂–C–CH₂–CH₃ > CH₃–C–––C–––C–CH₃

   

O CH₃ O CH₃

> CH₃–CH₂–C–CH₂–CH₃



О

– за наявністю ароматичності

О

н–С₆Н₁₄–С > > >

Н

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––>

зменшення реакційної здатності в реакціях А_N

Розглянемо найважливіші реакції приєднання за природою нуклеофілів до карбонільних сполук різних .

І.1. Реакції А_N з оксигенвмісними нуклеофілами

1. Взаємодія з водою характерна для альдегідів, в яких на карбонільному атомі С^+ є досить значний дефіцит електронної густини. Внаслідок реакції утворюються гідратні форми альдегідів – гемінальні діоли, або гем–діоли:

OH

O 

R–C + H₂O R–CH–OH

H

Альдегід Гем–діол

Зміщення рівноваги залежить від реакційної здатності оксосполуки. Наприклад, формальдегід при 25⁰С практично на 100% перебуває в гідратнованому стані, ацетальдегід – вже тільки на 51%, а пропаналь – на 46 %. Для насичених аліфатичних альдегідів з довгим або розгалуженим вуглецевим ланцюгом гідратна форма майже не зустрічається. А незаміщені кетони практично не взаємодіють з водою.

Альдегіди з електроноакцепторними замісниками в –положенні утворюють стійкі гідратні форми, наприклад:

CCl₃–CH=O + H₂O ––> CCl₃–CH(OH)₂

Трихлоретаналь 2,2,2–Трихлоратандіол–1,1

(хлораль) (хлоральгідрат)

Хлоральгідрат використовують як лікарський засіб із снотворною та анестезуючою дією.

2. Взаємодія із спиртами, в яку вступають головним чином альдегіди, меншою мірою – кентони з аліциклічною структурою.

Внаслідок реакції приєднання А_N молекули спирту до молекули альдегіду утворюються напівацеталь – клас органічних сполук, що містять при одному атомі С одночасно і гідроксильну (ОН) і алкоксильну (R–O) групи, наприклад:

OH

O 

СН₃–C + CH₃–CH₂–OH CH₃–CH–O–CH₂–CH₃

H Н⁺

Ацетальдегід Етанол 1–Етоксиетанол–1

(напівацеталь)

Реакція оборотна, оскільки напівацеталі, хоч і виявляють стійкість у лужному середовищі, але піддаються гідролізу в присутності кислоти.

Напівацеталі здатні до подальшої взаємодії з другою молекулою спирту, перетворюючись в ацеталі – речовини, в молекулах яких один атом С сполучений з двома алкоксильними групами:

OH O–CH₂–CH₃

 

СН₃–CH–O–CH₂–CH₃ + CH₃–CH₂–OH CH₃–C––O–CH₂–CH₃ + H₂O

H⁺

Напівацеталь Спирт 1,1–Диетиоксиетан

(ацеталь)

Однак необхідно звернути увагу, що утворення повного ацеталю із напівацеталя проходить вже за механізмом нуклеофільного заміщення.

Загальну схему реакції, яка складається з приєднання за механізмом А_N і заміщення за механізмом S_N, можна представити так:

OH .. OH OH

O +H⁺  C₂H₅OH  + H +H⁺  +H⁺

CH₃–C CH₃–C⁺ H CH₃–CH–O–C₂H₅ CH₃–CH–O–CH₂–CH₃

H Напівацеталь

H + H H + CH₂–CH₃

O .. O

 –H₂O + C₂H₅OH  –H⁺

CH₃–CH–O–CH₂–CH₃ CH₃–CH–O–CH₂–CH₃ CH₃–CH–O–CH₂–CH₃

O–CH₂–CH₃



CH₃–CH–O–CH₂–CH₃

Ацеталь

Стійкість напівацеталей і повних ацеталей до лужного середовища лежить в основі захисту оксогрупи у складі гетеросполук (оксокислот, оксоестерів і т.п.), коли необхідно провести якусь реакцію з іншою функціональною групою, зберігаючи при цьому карбонільну групу. Наприклад, при відновлюванні естеру оксокислоти, спочатку захищають оксогрупу при її взаємодії із спиртом (найчастіше – з етиленгліколем), піддають відновлюванню естерну групу і тільки після цього знімають ацетальний чи напівацетальний захист з карбонілу:

CH₂––CH₂ H⁺

+   ––––––––––––––––––––>

OH OH захист оксогрупи

Метиловий естер Етиленгліколь

2–Оксоциклогексанкарбо–

нової кислоти

(метил–6–оксоциклогексан–

карбоксилат)

[H], кат

–––––––––––––> –––––––––––––––––––––––––>

відновлення естерної групи

знімання захисту

–––––> ––––––––––––––––>

+H₂O, H⁺

2–Гідроксиметил–

циклогексанон

І.2 Реакції А_N із Сульфурвмісними нуклеофілами

Найважливішою є взаємодія з насиченим розчином гідросульфіту натрію, яка дозволяє виділити карбонільні сполуки із їх суміші з іншими органічними речовинами. Внаслідок реакції утворюються кристалічні осади – гідросульфітні похідні оксосполук, або –гідроксисульфонати натрію.

OH OH O

O   

CH₃–C + :S––ONa ––––> CH₃–CH––S–ONa

H  

O O

Етил––гідроксисульфонат натрію

Гідросульфітні похідні гідролізуються у кислому чи лужному середовищі :

R–CH–SO₃Na + HCl –––––––> R–CH=O + NaCl + SO₂ + H₂O

 H₂O

OH

R–CH–SO₃Na + NaHCO₃ –––––––> R–CH=O + Na₂CO₃ + SO₂ + H₂O

 H₂O

OH

І.3 Реакції А_N з Нітрогенвмісними нуклеофілами

Найважливішими N–нуклеофілами є амоніак NH₃ та інші сполуки, які можна розглядати як його похідні: аміни NH₂–R, гідроксиламін NH₂–OH, гідразин NH₂–NH₂ тощо.

Як правило, ці реакції не завершуються нуклеофільним приєднанням – одразу після нього протікає відщеплення води, тому точніше буде позначити їх механізм як А_N –E, тобто сукупність нуклеофільного приєднання та елімінування:

R R

C==O + NH₂–X ––> C==N–X + H₂O

(H)R₁ (H)R₁

Реакція каталізується як кислотами, так і лугами, тому відповідно і гідроліз одержаних похідних може відбуватися у кислому чи нейтральному середовищі.

Механізм реакції приєднання – відщеплення (A_N–E) у загальному вигляді зображується так: O^– H :OH

R + – ..    .. H⁺

C====O + NH₂–X R–C––N⁺––X R––C––N––X 

(H)R₁    

(H)R₁ H (H)R₁ H

Оксосполука Біполярний іон Гем–аміноспирт

H + H

O

 –H₂O + –H⁺

R–C––N––X R–C––N R––C==N––X

   

(H)R₁ H (H)R₁ (H)R₁

Оксонієвий катіон Карбкатіон Імін

1. Взаємодія з амоніаком на першій стадії (А_N) дає гемінальний аміноспирт, який швидко

дегідратується на другій стадії (Е), перетворюючись на імін, або основу Шиффа – клас сполук, що містять у головному ланцюгу іміногрупу >C=NH.

Іміни альдегідів надзвичайно легко циклізуються, утворюючи альдегідоамоніаки – шестичленні цикли, в яких атоми Нітрогену і Карбону розміщуються почергово. Наприклад, внаслідок тримеризації іміну оцтового альдегіду одержують ацетальдегідамоніак, який має торгівельну назву вулкацит і застосовується як прискорювач при вулканізації каучуків:

CH₃

CH

3СН₃–СН=NH ––––––––––––––––> HN NH

Ацетімін Тримеризація

HC CH

H₃C NH CH₃

Ацетальдегідамоніак

Особливу схильність до циклізації виявляє продукт взаємодії формальдегіду з амоніаком. Спочатку утворюється гем– аміноспирт

NH₂

HCH=O + NH₃ ––> CH₂

OH

Амінометанол

який через декілька швидких стадій дає кристалічну сполуку з каркасною структурою, що нагадує кристалічну структуру алмазу, – гексаметилентетрамін (уротропін); сумарно процес зображують схемою:

CH₂

N N

6HCH=O + 4NH₃ ––> + 6H₂O

CH₂ CH₂

N

CH₂ CH₂

CH₂

N

Гексаметилентетрамін (уротропін)

Уротропін використовують у медицині як антисептичний засіб, а також як основу для одержання сильної вибухівки – гексогену:

СН₂ СН₂

O₂N NO₂

N N N N

5 CH₂ CH₂ + 24HO–NO₂ ––––––––––> 5 CH₂ CH₂ + 15 HCOOH + 7N₂+12H₂O

(CH₃CO)₂O

N N

CH₂ CH₂ CH₂ NO₂

N Гексоген

Іміни кетонів подібних сполук не утворюють

2. Взаємодія з аміносполуками приводить до заміщених імінів

R–CH=O + NH₂–R₁ ––––––> R–CH=N–R₁ + H₂O

Альдегід Первинний Заміщений імін

амін

Іміни, утворені з аліфатичних альдегідів і аліфатичних аміносполук,малостійкі; вони швидко розкладаються чи полімеризуються. На відміну від них ароматичні заміщені ініми більш стабільні, наприклад:

Бензальдегід Анілін N–Бензиліденанілін

Подібно до розглянутої проходить реакція під час біохімічних процесів на одній із стадій зорового циклу.

3. Взаємодія з гідроксиламіном дає кристалічні осади – оксими – клас сполук, що містять оксимну групу >C=N–OH:

CH₃–C=O + NH₂–OH ––> CH₃–C=N–OH + H₂O

 

CH₃ Гідроксиламін СН₃

Ацетон Оксим ацетону