Тема 7. Нуклеофильные реакции в ряду карбонильных соединений

Реакции нуклеофильного замещения с участием sр²-гибридизованного атома углерода.

Механизм реакций этого типа рассмотрим на примере взаимодействия карбоновых кислот со спиртами (реакция этерификации). В карбоксильной группе кислоты реализуется р,- сопряжение, поскольку пара электронов атома кислорода гидроксильной группы ОН вступает в сопряжение с двойной углерод-кислородной связью (-связью):

Такое сопряжение является причиной, с одной стороны, повышенной кислотности карбоксильных соединений, а с другой уменьшения частичного положительного заряда (+) на атом углерода карбоксильной группы (sр²-гибридизованном атоме) что значительно затрудняет непосредственную атаку нуклеофила.

С целью увеличения заряда на атоме углерода используют дополнительное протонирование — кислотный катализ (стадия I):

На стадии II происходит атака нуклеофила (молекулы спирта R'OH), протонирование гидроксильной группы с образованием хорошо уходящей группы Н₂О, на стадии III — ее отщепление и на стадии IV — регенерация протона — возврат катализатора с образованием конечного продукта — сложного эфира.

Реакции нуклеофильного присоединения. Наиболее характерны реакции нуклеофильного присоединения (A_N) для оксосоединений — альдегидов и кетонов. Механизм этих реакций имеет общие черты, это двухстадийный ионный процесс. Первая стадия (лими­тирующая) представляет собой обратимую атаку нуклеофилом (Nu) с образованием так называемого тетраэдрического интермедиата. Вторая стадия — быстрая атака электрофилом:

На реакционную способность оксосоединения оказывает вли­яние природа групп R и R'. Так, введение электронодонорных заместителей снижает реакционную способность, а электроноакцепторных — усиливает. Поэтому альдегиды более активны в ре­акциях A_N, чем кетоны. Кроме того, реакционная способность за­висит от природы нуклеофила. Например, тиолы RSH, являясь более сильными нуклеофилами, чем спирты ROH, вступают в реакцию A_N как с альдегидами, так и с кетонами, образуя устойчи­вые к гидролизу тиоацетали, тогда как ацетали — продукты присо­единения спиртов к альдегидам — к гидролизу не устойчивы

Обратите внимание, что последние стадии процесса представляют собой атаку нуклеофила (молекулы спирта R'OH) на электрофильный реакционный центр (карбкатион) и идут по механизму нуклеофильного замещения S_N. Образующиеся промежуточные соединения — полуацетали — являются неустойчивыми. Стабилизация их возможна только в циклической форме при образовании циклических полуацеталей, например 5-гидроксипентаналя:

Д ругой пример биологически важной реакции этого типа - присоединение аминов и некоторых других азотсодержащих соединений к карбонильным соединениям – альдегидам и кетонам. Реакция идет по механизму нуклеофильного присоединения – эли минирования (A_N—E):

Другие азотсодержащие соединения, выступающие в этих реакциях в роли нуклеофила: гидразин NH₂–NH₂, фенилгидразин, С₆Н₅–NH–NH₂,гидроксиламин NH₂–ОН.

Продуктами реакций A_N—E этих случаях являются соединения, называемые гидразонами, фенил-гидразонами, оксимами.

Р еакции конденсации. Протекают в присутствии катализаторов, чаще щелочной природы. Приводят к усложнению углеродного скелета. Характерным примером являются альдольная и кротоновая конденсации:

Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот.

Только с чисто формальных позиций можно рассматривать кар­боксильную группу как комбинацию карбонильной и гидроксильной функций. Фактически их взаимное влияние друг на друга таково, что полностью изменяет их собственные свойства.

П оляризация двойной связи С=О силь­но возрастает за счет дополнительного сдвига свободной элек­тронной пары с соседнего атома кислорода гидроксильной группы:

Следствием является значительное ослабление связи О–Н в гидроксиле и легкость отщепления атома водорода от него в виде про­тона (Н⁺). Появление пониженной электронной плотности (+) на центральном углеродном атоме карбоксила приводит также к оттяги­ванию -электронов соседней связи С – С к карбоксильной группе и появлению (как у альдегидов и кетонов) пониженной электронной плотности (+) на - углеродном атоме кислоты.

Самыми слабыми кислотными свойствами обладают предельные монокарбоновые кислоты. Кислотность двухосновных, непредельных или замещённых кислот (галогенкислоты, гидрокси- и оксокислоты и т.п.) заметно выще, что определяется электроноакцепторным действием заместителей и стабилизацией промежуточного аниона.

В общем производные карбоновых кислот по сравнению с альдегидами и кетонами труднее подвергаются нуклеофильной атаке, так как электрофильность карбонильного атома углерода обычно снижается за счет - М-эффекта функционального заместителя, связанного с атомом углерода карбонильной группы. По этой причине для проведения реакций оказывается необходимым кислотный катализ – протонирование aтома кислорода карбонильной группы, что ведет к появлению дополнительного заряда на атоме углерода, что облегчает атаку нуклеофилом.

В итоге механизм катализируемой кислотой реакции по сравнению с механизмом некатализируемой реакции включает предварительную стадию протонирования и заключительную стадию депротонирования.

Реакции конденсации, в основе которых лежит способность одного карбонильного соединения присоединяться к карбонильной группе этого же или другого карбонильного вбединения, характерны и для производных карбоновых кислот, в частности рюжных эфиров и тиоэфиров. Такие реакции имеют большое биологическое значение. С их помощью в организме происходит образование новых связей углерод—углерод. Непременными участниками реакций по типу альдольного присоединения in vivo являются тиоэфиры карбоновых кислот — производные кофермента А. При конденсации ацетилкофермента А по типу альдольного присоединения из двух молекул ацетилкофермента А образу­ются ацетоацетилкофермент А и кофермент А.

Контрольные задания

1. Примером биологически важной реакции является присоединение аминов и некоторых других азотсодержащих соединений к карбонильным соединениям – альдегидам и кетонам. Напишите уравнение присоединения гидразина к пентаналю. Назовите продукт реакции. Поясните, можно ли с помощью этой реакции провести выделение и идентификацию пентаналя?

2. Наличие какой функциональной группы в молекуле формальдегида подтверждает реакция получения его динитрофенилгидразона:

а) карбоксильной; б) гидроксильной; в) карбонильной; г) метильной; д) атома водорода.

3. Для чего можно использовать реакцию альдегида с динитрофенилгидразином:

1) идентификации альдегида; 2) окисления альдегида; 3) восстановления альдегида; 4) выделения альдегида из смеси с карбоновой кислотой; 5) выделения альдегида из смеси с кетоном.

4. Приведите формулу изомера пропаналя. Будут ли для него характерны те реакции нуклеофильного присоединения, которые характерны для пропаналя?

5. Одним из феромонов является этиловый эфир 4-фенил-2-бутеновой кислоты (этилциннамат). Получите это соединение по реакции этерификации.

6. В реакции этерификации группа –ОН отщепляется (для образования воды) от молекулы: а) спирта; б) альдегида; в) кетона; г) кислоты? Приведите уравнение реакции этерификации.

7. Почему реакцию этерификации ведут, как правило, при температуре 100-105 С:

1) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования сложного эфира;

2) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования кислоты;

3) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования спирта.