Нуклеофильное присоединение синильной кислоты, бисульфита натрия, реактива Гриньяра, ацетиленидов

В карбонильном соединении атом углерода плоский, легко доступен для атаки нуклеофила сверху или снизу от этой плоскости (I).

В переходном состоянии (II) нуклеофил, подавая электроны на атом углерода, начинает образовывать с ним s-связь, а кислород приобретает электроны, атом углерода становится близок к тетраэдрическому. Продукт реакции присоединения (III) - ион, в котором атом углерода находится в sр³-гибридном состоянии - тетраэдр, на кислороде - целый отрицательный заряд. Именно способность кислорода нести отрицательный заряд обусловливает реакционную способность карбонильных соединений по отношению к нуклеофилам. Стабилизация полученного иона происходит за счет присоединения протона воды или кислоты (IV).

Реакционная способность карбонильных соединений определяется пространственными и электронными факторами. Поскольку в переходном состоянии углерод карбонила начинает принимать тетраэдрическую конфигурацию, и атомы, связанные с ним, несколько сближаются, то чем больше группы R₁ и R₂, тем сильнее они препятствуют такому сближению. При увеличении объема заместителей, расположенных у атома углерода карбонила, реакционная способность уменьшается.

В том же направлении действуют и электронные факторы. Алкильные группы проявляют электронодонорный индукционный эффект, дестабилизируют переходное состояние, увеличивая отрицательный заряд на атоме углерода, который подвергается атаке нуклеофила.

Присоединение цианид-иона. Цианистый водород присоединяется ко многим альдегидам и кетонам, образуя циангидрины.

Реакцию проводят, добавляя минеральную кислоту к смеси карбонильного соединения и цианистого натрия, количество добавляемой кислоты должно быть недостаточным для связывания всех цианид-ионов.

Эти реакции имеют практическое применение для получения a-оксикислот, цианалкенов и непредельных кислот.

Присоединение бисульфита. Бисульфит натрия присоединяется к большинству альдегидов и метилкетонов.

Эту реакцию используют для очистки карбонильных соединений: полученный кристаллический продукт отделяют от некарбонильных примесей и добавлением кислоты или основания регенерируют карбонильное соединение.

Присоединение реактива Гриньяра. Реактивы Гриньяра присоединяются к альдегидам и кетонам быстро и необратимо.

Органический остаток, переносимый с парой электронов на углерод карбонильной группы, является сильным нуклеофилом. Другая молекула действует как кислота Льюиса, облегчает присоединение нуклеофила СН₃^y.

Присоединение ацетиленидов. Альдегиды и кетоны реагируют с ацетиленидом натрия, образуя алкоксиды натрия, гидролиз которых приводит к образованию спиртов, содержащих тройную связь.

5.2.2. Нуклеофильное присоединение - отщепление G–NH₂ и спиртов

C альдегидами и кетонами взаимодействуют соединения, родственныеаммиаку и спирты в этом случае реакция протекает как нуклеофильное присоединение с последующим отщеплением воды.

Примеры нуклеофильных реагентов и продуктов взаимодействия приведены ниже.

Поскольку нуклеофил слабый (частица, не имеющая заряда), его присоединение катализируется кислотой. Предварительное протонирование карбонильного соединения делает его более реакционноспособным: на карбонильном углероде увеличивается положительный заряд (I), что позволяет кислороду приобрести пару электронов в результате нуклеофильной атаки, не получая при этом отрицательного заряда (II).

Продукты присоединения (IV) содержат группу с двойной связью , образующуюся в результате элиминирования молекулы воды из первоначального аддукта (II).

Следует учесть, что производные аммиака и спирты являются основаниями и взаимодействуют с кислотами, теряя приэтом способность реагировать как нуклеофилы.

Кислотность среды, при которой присоединение будет протекать легче всего, определяется основностью реагента и реакционной способностью карбонильного соединения: раствор должен быть настолько слабокислым, чтобы значительное количество реагента оставалось не протонированным, и настолько сильнокислым, чтобы сделать достаточно реакционноспособным карбонильное соединение.

Взаимодействие с гидроксиламином. Перегруппировка Бекмана. Продуктом взаимодействия альдегида или кетона с гидроксиламином является оксим. Скорость образования оксима максимальна при рН ~ 4.

Ранее оксимы применяли главным образом для идентификации альдегидов и кетонов. Однако они представляют интерес и для органического синтеза. Например, восстановлением оксимов могут быть получены первичные амины.

Оксимы при действии на них кислот превращаются в замещенные амиды кислот (перегруппировка Бекмана).

Сначала происходит протонирование оксима (I) и отщепление воды. Синхронно с отщеплением воды к атому азота из анти-положения мигрирует радикал R₁. Карбокатион (II) захватывает молекулу воды с образованием оксоний-иона (III). Промежуточное соединение с гидроксилом у углерода при двойной связи (IV) перегруппировывается в амид (V).

Бекмановская перегруппировка имеет промышленное значение при получении капролактама, используемого для получения высокомолекулярного поликапроамида – капрона (см. п. 10.2).

Взаимодействие со спиртами, образование ацеталей. Альдегид в безводном спирте, содержащем небольшое количество безводной кислоты, обычно хлористого водорода, превращается в ацеталь.

Воду удаляют по мере ее образования в виде азеотропа с бензолом и этиловым спиртом (Т_кип. = 64,9 ^оС).

Присоединение одной молекулы спирта приводит к образованию полуацеталя.

Полуацеталь представляет собой спирт и простой эфир одновременно, в присутствии кислот полуацеталь как спирт реагирует со второй молекулой спирта.

Ацетали – простые эфиры и как простые эфиры устойчивы по отношению к основаниям, но в отличие от них расщепляются кислотами значительно легче. Это объясняется тем, что на лимитирующей стадии обеих реакций – образование и расщепление ацеталей – образуется устойчивый карбониевый ион.

Первичные ароматические амины взаимодействуют с ароматическими альдегидами с образованием оснований Шиффа.

Эти реакции не требуют катализатора.

Реакция ароматических альдегидов с ароматическими аминами используют для защиты аминогруппы, так как полученные соединения легко гидролизуются в кислой среде с образованием исходных альдегида и амина.

Шиффовы основания, образовавшиеся при взаимодействии первичных ароматических аминов с алифатическими альдегидами, неустойчивы и легко полимеризуются.