1. Нуклеофильное присоединение (an)) по карбонильному

углеродному атому:

Реакции присоединения по С=О выражаются схемой:

Действие C-нуклеофилов. Углеродцентрированные нуклеофилы являются карбанионами, т.к. атом углерода в обычных органических соединениях не имеет свободной неподеленной пары электронов. Карбанионы образуются в результате отрыва протона от С–Н-кислот. Нуклеофилами такого типа в реакциях альдегидов и кетонов являются цианид-анион (^–С≡N), алкинид-анионы (^–С≡С–R), реактивы Гриньяра (R–MgCl), альдегиды, кетоны и др. карбонильные соединения в присутствии оснований.

1) Cинильная кислота (в присутствии катализатора основного характера) с карбонильными соединениями образует α-гидроксинитрилы:

Механизм реакции:

H–C≡N + ^–OH  ^–С≡N + H₂O

2. Магнийорганические реагенты RMgX c карбонильными соединениями

образуют смешанные алкоголяты, которые при гидролизе образуют спирты.

Формальдегид с реактивами Гриньяра образует первичные спирты, а с остальные альдегиды – вторичные спирты. Кетоны в данной схеме дают третичные спирты:

3. Получение ацетиленовых спиртов присоединением ацетиленовых

углеводородов к карбонильным соединениям в присутствии оснований (например, NaNH₂):

НС≡СH + НСН=О → НС≡С–СН₂–ОН

НС≡С–СН₂–ОН + НСН=О → НО–СН₂–С≡С–СН₂–ОН

Действие О- и S-нуклеофилов. Кислород и серосодержащие нуклеофилы вступают в реакции по положительно заряженному карбонильному атому углерода за счет свободной пары электронов на атомах азота и серы.

1) С водой, как со слабым нуклеофилом, реагируют самые активные карбонильные соединения. Только они могут образовывать нестойкие гемм-диолы. В свою очередь, дегидратация этих гидратных форм приводит к карбонильным соединениям, например формальдегид:

Положение равновесия зависит от стерических и электронных факторов. Электроноакцепторные заместители (например, атомы хлора), а также катализ минеральной кислотой смещают равновесие в сторону образования диолов, ускоряя прямую реакцию за счет увеличения электрофильности карбонильного углеродного атома. Так, ниже приведено содержание гидратных форм некоторых альдегидов и кетонов в водных растворах при рН 7: формальдегид, хлораль (трихлоруксусный альдегид), гексафторацетон – по 100%, уксусный альдегид – 58%, ацетон, бензальдегид – очень мало.

2) Cпирты (в зависимости от соотношения реагентов) в кислой среде

образуют полуацетали и ацетали:

Рассмотрим механизм образования ацеталей и кеталей на примерах взаимодействия бензальдегида с метанолом и ацетона с этиленгликолем в условиях катализа минеральной кислотой:

Полуацеталь

ацеталь

В отличие от альдегидов, образующих ацетали в результате взаимодействия со спиртами в условиях катализа минеральной кислотой, кетоны из-за их меньшей реакционной способности в подобную реакцию вступают редко. Для получения кеталей часто приходится использовать другие методы, например реакцию кетонов с ортомуравьиным эфиром:

Ацетали и кетали легко гидролизуются в кислой среде (см. схему механизма реакции их образования в обратном направлении). В щелочной среде эти вещества гидролизу не подвергаются, так как гидроксилу не с чем реагировать в молекулах этих соедине­ний. Поскольку ацетали и кетали не окисляются, не реагируют с восстановителями и устойчивы к действию оснований, этими свойствами пользуются, когда необходимо защитить карбонильную группу. Например, если надо окислить акролеин в глицериновый альдегид, то перед действием на исходное вещество перманганатом калия превращают альдегидную группу в ацетальную, которая не боится действия окислителя. Выполнив окисление по двойной связи, снимают ацетальную защиту с альдегидной группы кислотным гидролизом в мягких условиях:

Аналогично альдегиды и кетоны образуют с тиоспиртами тиоацетали и тиокетали. Эти реакции идут несколько легче, чем со спиртами, т.к. атом серы более нуклеофилен, чем атом кислорода, ибо последний, обладая большим сродством к электрону, сильнее удерживает электронную пару при себе:

3) Гидросульфит натрия (NaHSO₃) образует кристаллические осадки

гидросульфитных производных с альдегидами, метилкетонами и пространственно незатрудненными циклическими кетонами:

Способность образовывать гидросульфитные производные используют для отделения и очистки карбонильных соединений указанных типов от примеси веществ, с которыми гидросульфит натрия не вступает в реакцию. Карбонильное соединение переводят в осадок гидросуль­фитного производного, отделяют фильтрованием и регенерируют кипячением в содовом растворе или действием кислотой:

RCH(OH)SO₃Na + Na₂CO₃  2 RCHO + 2 Na₂SO₃ + CO₂ + H₂O

RCH(OH)SO₃Na + HCl  RCHO + NaCl + SO₂ + H₂O

Действие N-нуклеофилов. Аммиак и его производные (NH₂–X) реагируют по карбонильному атому углерода за счет свободной пары электронов атома азота, причем обычная реакция A_N завершается отщеплением молекулы воды от продукта реакции:

1) Аммиак. Взаимодействие формальдегида с аммиаком приводит к образованию уротропина (гексаметилентетраамина):

При действии аммиака на альдегиды или кетоны образуются имины (альдимины или кетимины соответственно), например:

СН₃–СН₂–СН₂–СН=О + NН₃  СН₃–СН₂–СН₂–СН=NH

Однако, имины, как правило, неустойчивы и спонтанно полимеризуются.

При обработке водой имины легко гидролизуются до исходных карбонильных соединений:

СН₃–СН₂–СН₂–СН=NH + 2 H₂O  СН₃–СН₂–СН₂–СН=О + NН₄OH

При взаимодействии альдегидов с аммиаком в присутствии водорода и никелевого катализатора происходит восстановительное аминирование с образованием амина.

2) Карбонильные соединения с первичными аминами образуют N-замещенные имины – соединения общей формулы RRC=NR. Кетоны реагируют медленнее, чем альдегиды. Соединения, содержащие хотя бы один ароматический радикал отличаются большой устойчивостью; их называют основаниями Шиффа.

Бензальанилин

Гидролиз полученных соединений дает исходные вещества, гидрирование – вторичные амины.

3) Гидроксиламин (NH₂OH) с карбонильными соединениями образуют производные, называемые оксимами:

Например, диацетил (бутандион-2,3) c избытком гидроксиламина образует диметилглиоксим (реактив Чугаева), применяемый в аналитической химии для обнаружения катиона Ni ²⁺ :

Восстановлением оксимов можно получать первичные амины.

Оксимы – кристаллические устойчивые соединения, применяются для идентификации карбонильных соединений.

4) С гидразином (NH₂NH₂) карбонильные соединения образуют два типа производных – гидразоны и азины.

Гидразоны – продукты взаимодействия эквимолярных количеств карбонильного соединения (альдегида или кетона) и гидразина:

При соотношении реагентов 2:1 образуются азины карбонильных соединений.

Монозамещенные гидразины (фенилгидразин, п-нитрофенилгидразин, 2,4-динитрофенилгидразин) дают только один продукт:

Образующиеся фенилгидразоны представляют собой легко очищаемые кристаллизацией производные с четкими температурами плавления; они очень удобны для химической идентификации карбонильных соединений. Замещенные фенилгидразоны используют также для синтеза азотсодержащих гетероциклических соединений – гомологов индола по методу Фишера, представляющим собой внутримолекулярную циклизацию фенил-гидразонов альдегидов и кетонов ароматического ряда в присутствии ZnCl₂ и H₂SO₄:

5) Семикарбазид (NH₂NHСONH₂) при взаимодействии с альдегидами и кетонами образуют семикарбазоны, например:

семикарбазон 5-нитрофурфурола

(фурацилин)

Следует отметить, что два атома азота семикарбазида, сопряженные с группой С=О получают частичный положительный заряд в результате образования резонансных структур:

поэтому только атом азота, отмеченный стрелочкой является нуклеофильным и участвует в этой реакции.

Действие галогеннуклеофилов. Альдегиды и кетоны по реакции A_N реагируют с галогенидами фосфора, например:

Продуктами являются геминальные дигалогенпроизводные. Они образуются по следующей схеме: