VII.2.3. Реакции окисления и восстановления карбонильных соединений

В альдегидах и кетонах «карбонильный» атом углерода находится в «средней» степени окисления; поэтому карбонильная группа может быть как окислена, так и восстановлена. Кроме этого, окисляться может активное -положение к карбонильной группе. Таким образом, группа окислительно-восстановительных реакций карбонильных соединений реакций достаточно разнообразна; ее можно разделить на три подгруппы: А. Окисление; Б. Восстановление; В. Диспропорционирование.

А. Реакции окисления.

1. Окисление альдегидов идет легко; они окисляются до соответствующих карбоновых кислот:

Окислителями могут быть КМnО₄, CrO₃; хорошо известно окисление аммиачным раствором оксида серебра (NH₃)₂AgOH («реакция серебряного зеркала»). Окислителем может быть и кислород воздуха; особенно легко окисляются ароматические альдегиды. Окисление кислородом идет по радикальному механизму, в принципе аналогичному механизму окисления алканов; легкость окисления объясняется тем, что в альдегидной группе О=С-Н связь С-Н легко разрывается гомолитически. Первичными продуктами окисления кислородом являются надкислоты; они взаимодействуют с неокисленными альдегидами, в результате чего и образуются карбоновые кислоты:

2. Кетоны, в целом, значительно устойчивее к окислению, чем альдегиды. В нейтральных средах они не реагируют с сильными окислителями, например, с KМnО₄. В жестких условиях, при нагревании в кислых средах, сильные окислители производят деструктивное окисление с разрывом связей С-С по обе стороны карбонильной группы; в результате обычно образуется смесь карбоновых кислот:

Тем не менее, известно несколько специфических реакций окисления кетонов, идущих селективно и приводящих к получению полезных продуктов.

а. Окисление диоксидом селена. Диоксид селена окисляет -положение как альдегидов, так и кетонов, если в этом положении имеется группа СН₂; эта группа окисляется до карбонильной, и образуются 1,2-дикарбонильные соединения:

Предполагается, что окисляется енольная форма карбонильного соединения.

б. Окисление кетонов пероксикислотами (надкислотами) (реакция Байера-Виллигера). При взаимодействии кетонов с надкислотами (лучше ароматическими) образуются сложные эфиры карбоновых кислот; в случае симметричного кетона образуется один эфир:

Формально происходит внедрение атома кислорода между карбонильной группой и связанным с ним радикалом. В действительности эта реакция является перегруппировкой с миграцией группы R:

В начале происходит присоединение надкислоты по карбонильной группе кетона (это обычное присоединение О-нуклеофила); продукт присоединения (470) распадается с образованием устойчивого карбоксилат-аниона и малоустойчивого катиона (471). Затем происходит миграция группы R к атому кислорода и отщепление протона от образовавшегося более устойчивого катиона (472). [Это – формальная схема. Реально распад аддукта (470), миграция R и отщепление протона идут синхронно].

В случае несимметричного кетона могут образоваться два сложных эфира, соответствующих миграции двух разных групп, связанных с карбонилом. Реакция Байера-Виллигера может использоваться для установления положения карбонильной группы в неизвестном карбонильном соединении: образующиеся сложные эфиры при гидролизе дают спирты и карбоновые кислоты, более простые по строению, чем исходный кетон; их строение легче расшифровать, а затем по их структуре можно установить структуру кетона.

Б. Реакции восстановления.

Реакции восстановления карбонильных соединений еще более разнообразны, чем реакции окисления. Можно выделить три типа таких реакций:

1. Восстановление до спиртов; 2. Восстановление карбонильной группы до группы СН₂. 3. Гидроаминирование.

1. Восстановление карбонильных соединений до спиртов.

Это – наиболее распространенный вариант восстановления карбонильных соединений:

Из альдегидов образуются первичные спирты, из кетонов – вторичные.

Известно несколько вариантов восстановления:

а. Каталитическое гидрирование. Эта реакция аналогична восстановлению алкенов, но протекает легче:

В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы.

б. Восстановление водородом в момент выделения. В этом варианте в качестве восстанавливающего реагента используют системы металл-кислота (например Fe – СН₃СООН) или натрий-спирт; выделяющийся в этих системах водород, активный в момент выделения, восстанавливает карбонильные соединения.

в. Восстановление комплексными гидридами металлов. Наиболее удобные лабораторные способы восстановления карбонильных соединений основаны на их взаимодействии с комплексными гидридами металлов; наиболее важные из них – алюмогидрид лития LiAlH₄ (Li⁺AlH₄^-) и борогидрид натрия NaВН₄ (Na⁺BH₄^-). Эти соединения являются донорами гидрид-иона Н^- В этом случае ключевой стадией восстановления является нуклеофильная атака гидрид-иона (который можно считать Н-нуклеофилом) на карбонильную группу. Второй атом водорода (протон) обычно берется из воды. Можно предположить циклический механизм реакции (на примере восстановления борогидридом натрия):

Анион ВН₄^- передает гидрид-ион на карбонильный углерод с образованием интермедиата (473); при гидролизе последнего водой (можно с добавлением кислоты) связь О-В расщепляется, и образуется спирт.

Реакции протекают в мягких условиях, обычно при комнатной температуре; восстановление алюмогидридом проводят в отсутствие воды и спиртов (алюмогидрид лития быстро разлагается водой и спиртами); восстановление борогидридом натрия, напротив, можно проводить в спиртовых и водных растворах.

Важным достоинством комплексных гидридов является их хемоселективность (стр. 85). Алюмогидрид лития восстанавливает карбонильную группу непредельных альдегидов и кетонов, не затрагивая связь С=С. Борогидрид натрия – более мягкий и более хемоселективный реагент: он восстанавливает группу С=О полифункциональных субстратов, не затрагивая находящиеся в них связи С=С, а также сложноэфирные, циано- и нитрогруппы (LiAlH₄ эти группы восстанавливает).

г. Восстановление алкоголятами. При взаимодействии карбонильных соединений с алкоголятами спиртов может происходить переход «гидрид-иона» от алкоголята (из положения к анионному атому кислорода) на карбонильную группу; в итоге карбонильная группа субстрата восстанавливается до гидроксильной, а алкоголят окисляется до соответствующего карбонильного соединения. Эта реакция обратима. Препаративно наиболее удобно использование изопропилата алюминия А1[ОСH(CH₃)₂]₃:

В препаративных целях можно использовать и прямую и обратную реакции. Чаще используют прямую, т.е. восстановление карбонильных соединений. Для этого карбонильное соединение обрабатывают при нагревании избытком изопропилата алюминия, образовавшийся легколетучий ацетон отгоняют, смещая тем самым равновесие вправо; образовавшийся алкоголят (474) гидролизуют и получают спирт R¹R²CH-OH – продукт восстановления кетона. Этот вариант называют восстановлением по Меервейну-Понндорфу-Верлею. Обратную реакцию можно использовать для окисления спиртов R¹R²CH-ОН до карбонильных соединений: для этого получают алюминиевый алкоголят окисляемого спирта и обрабатывают его очень большим избытком ацетона; это смещает равновесие влево (вместо ацетона, лучше использовать циклогексанон). Этот вариант называют окислением по Оппенауэру.

Доказано, что данная равновесная реакция проходит через циклическое переходное состояние (475):

О бразованию такого переходного состояния способствует координация атома алюминия с атомом кислорода карбонильной группы. Затем происходит синхронный электронный переход, приводящий к переносу протона и пары электронов от изопропилатной группы на карбонильный атом углерода, т.е. атаку Н-нуклеофила («гидрид-иона») на группу С=О. Далее реагирует следующий изопропилатный фрагмент смешанного алкоголята (476).

д. Пинаконовое восстановление. Этот своеобразный вариант восстановления протекает при взаимодействии кетонов с амальгамами магния, цинка или алюминия; восстановление сопровождается образованием связи С-С; образуются двутретичные 1,2-диолы, которые называют пинаконами:

Эту реакцию можно назвать восстановительным сочетанием (восстановительной конденсацией) кетонов. По схеме она обратна деструктивному окислению 1,2-диолов иодной кислотой или тетраацетатом свинца (стр. 193).

Реакция протекает с промежуточным образованием анион-радикалов, которые далее рекомбинируют:

Атом магния, содержащий два неспаренных электрона, передает по одному электрону на атомы углерода двух карбонильных групп; -связи разрываются, и образуются два анион-радикала (477); при их рекомбинации образуется магниевый алкоголят диола (478), который при гидролизе образует конечный продукт – 1,2-диол. Пинаконы являются субстратами для пинаколиновой перегруппировки (стр. 189).

Из альдегидов также можно получать 1,2-диолы - путем электрохимического восстановления.

2. Восстановление карбонильной группы до метиленовой.

Общая схема превращения:

В основном, используют два способа осуществления таких реакций; оба они упоминались ранее, при обсуждении способов получения углеводородов.

а. Восстановление по Клемменсену. В данном варианте превращение происходит при действии на карбонильное соединение амальгамы цинка и соляной кислоты; реакция идет на поверхности цинка.

б. Восстановление по Кижнеру – Вольфу. Реакция названа по именам русского химика Н.Кижнера и немецкого химика Л.Вольфа, которые открыли эту реакцию практически одновременно (1911-12 г.г.). Она заключается в нагревании со щелочами гидразонов карбонильных соединений:

По оптимальному варианту (модификация Хуанг-Минлона) нагревают смесь карбонильного соединения, избытка гидразина и щелочи в высококипящем растворителе – диэтиленгликоле НО(СН₂)₂О(СН₂)₂ОН; вначале образуется гидразон, который при повышении температуры до 200 ^оС разлагается. Механизм этого разложения, вероятно, следующий:

Щ елочь катализирует изомеризацию гидразона в производное диазена (479) (прототропная изомеризация наподобие превращения енамина в имин); далее от атома азота диазена (479) гидроксид-анион отрывает протон; от образовавшегося аниона (480) отщепляется молекула азота (это термодинамически выгодно) с генерацией карбаниона (481); последний стабилизируется, отрывая протон от воды.

3. Гидроаминирование (восстановительное аминирование).

Гидрирование карбонильных соединений в присутствии аммиака или первичных аминов приводит к образованию аминов (в присутствии аммиака – первичных, в присутствии первичных аминов – вторичных):

Здесь последовательно протекают две реакции: вначале реагируют карбонильное соединение и аммиак (амин) с образованием имина (азометина), который затем гидрируется до амина.

В некоторых случаях гидроаминирование происходит при одновременном действии на карбонильные соединения аммиака и борогидрида натрия (В.И.Высоцкий, 1970). Более широкую область применения имеет совместное действие на кетоны смеси аммиака и другого восстановителя – цианоборогидрида лития Li(CN)BH₃.

В. Диспропорционирование.

Термин “диспропорционирование” не имеет однозначного толкования. Диспропорционирование «в узком смысле» – химическая реакция, в которой взаимодействуют две одинаковые частицы и образуются две разные:

А + А  В + С

Именно в этом смысле рекомендует использовать этот термин IUPAC. Однако часто этот термин применяют расширительно и используют для обозначения реакций, сопровождающихся перераспределением каких-либо фрагментов (чаще всего водорода) между реагирующими частицами (диспропорционирование и означает перераспределение). Пример такого расширительного толкования – диспропорционирование радикалов, рассмотренное на примере термической деструкции (крекинга) алканов (стр. 64).

Некоторые окислительно-восстановительные превращения карбонильных соединений (прежде всего, альдегидов) относятся к этому типу реакций.

1. Реакция Канниццаро. Эта реакция происходит при действии щелочей на альдегиды, не имеющие атомов водорода в -положении. В частности, она идет с триметилуксусным альдегидом (СН₃)₃С-СН=О, но лучше всего – с ароматическими альдегидами:

Это – классическое диспропорционирование “в узком смысле”: при взаимодействии двух молекул альдегида образуется молекула карбоновой кислоты (разумеется, в виде соли, т.к. среда щелочная) и молекула спирта; таким образом, одна молекула альдегида окисляет другую.

Предполагается, что реакция идет с «гидридным» переносом:

Р еакция начинается с нуклеофильной атаки гидроксид-аниона на карбонильный атом углерода с образованием анионного интермедиата (482). В этом интермедиате имеется сильное «электронное напряжение» (аналогично структуре, возникающей при конденсации кетонов со сложными эфирами, стр. 247); в результате происходит выталкивание «гидрид-иона», который акцептирует вторая молекула альдегида. Образуется карбоновая кислота и алкоголят-анион; далее протон, естественно, переходит от первой молекулы ко второй – в сторону образования более слабой кислоты (спирта).

Известен перекрестный вариант реакции Канниццаро – взаимодействие двух альдегидов, которое может протекать селективно. В частности, при действии щелочей на смесь ароматического альдегида и формальдегида происходит перекрестная реакция, в которой «гидридным донором» является формальдегид:

2. Реакция Тищенко. Эта реакция родственна предыдущей. Она происходит при действии на альдегиды алкоголятов алюминия; продуктами реакции являются сложные эфиры (483), образованные спиртами – продуктами восстановления альдегидов – и кислотами – продуктами их окисления:

В качестве алкоголята лучше брать трет-бутилат алюминия. В эту реакцию вступают и альдегиды, имеющие атомы водорода в -положении.

Механизм этой реакции в деталях неясен, но он, несомненно, включает «гидридный перенос».