Добавил:

Nemo_Nemorino Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара

Предмет:

Органическая химия

Файл:

Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2

..pdf

Скачиваний:

1186

Добавлен:

02.10.2020

Размер:

4.05 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 4546 / 5546 47 48 49 50 51 52 53 54 55 > Следующая >>>

19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны

451

Стадия 1 — основание, применяемое в каталитических количествах, превращает циановодород в цианид-ион, который и является нуклеофильным реагентом:

H CN + B H B + C N

В качестве основания применяют NaOH, H2O; K2CO3, KCN, третичные амины.

Стадия 2 — медленное присоединение цианид-иона к карбонильной группе с образованием алкоксид-иона:

	δ	O
δ	O
δ

RC + C N R C CN

H H

Стадия 3 — быстрое протонирование алкоксид-иона:

+ B

катализатор

Реакция обратима на всех стадиях. Выход циангидрина обусловлен пространственным строением карбонильного соединения и составляет 80–100%.

Вследствие высокой токсичности HCN препаративное получение циангидринов проводят с применением цианидов натрия или калия и с добавлением минеральных кислот (HCl, H2SO4). Циановодород генерируется in situ и с высоким выходом образует циангидрин.

Циангидрины содержат нитрильную группу. Как и другие нитрилы, они могут подвергаться гидролизу при кипячении с водным раствором кислоты. При этом образуются α-гидроксикислоты или ненасыщенные кислоты:

HCN

H2O

CH3

COOH

(основание)

HCl, t

α-гидрокси-

(R, S)-молочная

ацетальдегид

пропаннитрил

кислота

CH3

HCN

H2SO4

CH3

CH2

COOH

(основание)

CH3

ацетон	2-гидрокси-2-метил-	метакриловая
	пропаннитрил	кислота

452	Глава 19. Альдегиды и кетоны

Присоединение реагентов Гриньяра и литийорганических соединений. Стереохимия реакций AdN. В ходе этой реакции образуются смешанные алкоксиды магния или лития, которые легко гидролизуются до спиртов:

OMgX

+ R'

H2O

MgX

реагент

альдегид

Гриньяра

спирт

Реакцию применяют для синтеза первичных, вторичных и третичных спиртов:

	O			O Li
	O	+ н-C4H9Li				H2O
C6H5	C		C6H5	C	C4H9-н	H2O
C6H5	C		C6H5	C	C4H9-н
	H	бутиллитий		H
бензальдегид				H
бензальдегид

C6H5 C* C4H9-н

1-фенилпентанол

Продуктом последней реакции является рацемическая форма, образованная двумя энантиомерами 1-фенилпентанола. Такой стереохимический результат объясняется тем, что оба реагента являются ахиральными.

При наличии неодинаковых пространственных условий на стадии присоединения нуклеофила к карбонильной группе реакция протекает как стереоспецифическая. Например, в реакции (2S)-2-метилциклопентанона с метиллитием диастереомеры образуются в неравных количествах: 90% (1R,2S)-1,2-диметилциклопентанола и 10% (1S,2S)-1,2-диметилциклопен- танола.

O				HO CH3		CH3 OH
				HO CH3		CH3 OH
		H	1) CH3Li	H		H
		H		H		H
		CH3		CH3	+	CH3
		CH3	2) H3O	CH3	+	CH3
			2) H3O
(2S)-2-метилцикло-				(1R,2S)-1,2-диметил-		(1S,2S)-1,2-диметил-
	пентанон			циклопентанол		циклопентанол
				(90%)		(10%)

При наличии стерических затруднений в реагентах реакции металлоорганических соединений с альдегидами и кетонами могут сопровождаться побочными превращениями.

19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны

453

Одним из таких превращений является реакция енолизации:

(CH3)2CH C CH(CH3)2 + CH3MgBr

диизопропилкетон

OMgBr

H3O

(CH3)2CH

C(CH3)2

(CH3)2CH

CH(CH3)2

–CH

диизопропилкетон

BrMgO

CH3

H3O

HO CH3

(CH3)2CH

CH(CH3)2

(CH3)2CH

CH(CH3)2.

2,3,4-триметил-3-пентанол

В частности, при взаимодействии диизопропилкетона с реагентом Гриньяра металлоорганическое соединение выступает как основание и отрывает α-про- тон от стерически затрудненного исходного кетона. Образующийся енолят магния при последующей обработке водой гидролизуется до исходного кетона.

Еще одним примером побочного превращения при взаимодействии затрудненного кетона с затрудненным С-нуклеофилом является следующая реакция:

CH(CH3)2 + (CH3)2CHMgBr

H3O

(CH3)2CH

HO H

(CH3)2CH

CH(CH3)2 + CH3CH

CH2

2,4-диметил-3-пентанол

пропен

Как видно, в этой реакции вместо стерически затрудненного нуклеофила к атому углерода карбонильной группы присоединяется гидрид-ион. При этом исходный затрудненный кетон восстанавливается до соответствующего спирта.

O CH CH3

C CH2

– CH3CH CH2

MgX

OH3O

C H

Побочные превращения значительно меньше осложняют реакции стерически затрудненных кетонов при применении литийорганических соеди-

454 Глава 19. Альдегиды и кетоны

нений. Это объясняется их более высокой реакционной способностью и возможностью применения при низких температурах:

(Me3C)2C	O	+ Me3CLi	эфир	H3O	(Me3C)3COH

			–78 °C
ди-трет-бутил-		трет-бутил-		3-трет-бутил-2,2,4,4-тетраметил-
кетон		литий			3-пентанол (80%)

Присоединение ацетиленидов. Ацетиленид натрия в жидком аммиаке реагирует с альдегидами и кетонами с образованием алкоксидов, гидролизом которых получают соответствующие ацетиленовые спирты:

CH3CH2

CH3

+ HC

C Na

NH3 (жидк.)

ацетиленид

бутанон

натрия

CH3

H2O

CH3

CH3CH2

O Na

3-метил-1-пентин-3-ол

1-Этинилциклогексанол. Сухой ацетилен (1 моль) пропускают через раствор амида натрия, приготовленного из натрия (23 г; 1 моль) в 1 л жидкого аммиака. К полученному ацетилениду натрия по каплям прибавляют циклогексанон (98 г; 1,2 моль). Аммиак испаряют, и к остатку прибавляют 400 мл ледяной воды, подкисленной 50%-й H2SO4. Продукт экстрагируют эфиром и выделяют перегонкой, т. кип. 73 °С (12 мм рт. ст.). Выход 87 г (70%).

Реакция Виттига. Взаимодействие альдегидов и кетонов с реагентами Виттига с образованием алкенов называют реакцией Виттига (1949 г.).

Реагент Виттига получают в две стадии.

Стадия 1 — взаимодействие трифенилфосфина (или других фосфинов) с галогеналканом, способным вступать в реакции SN2, с получением соли фосфония:

(C	H )		P	+ CH	CH	Br	[(C	H )		P	CH CH		]Br
6	5	3		3	2		6	5	3		2	3
трифенилфосфин				этилбромид			этилтрифенилфосфонийбромид

Поскольку фосфины являются хорошими нуклеофилами и слабыми основаниями, получение солей фосфония не осложняется реакцией элиминирования даже при применении вторичных алкилгалогенидов:

I		P(C6H5)3I
	+ P(C6H5)3
	+ P(C6H5)3
	трифенил-
иод-	фосфин	циклогексилтрифенил-
иод-		циклогексилтрифенил-
циклогексан		фосфонийиодид

19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны

455

Стадия 2 — превращение соли фосфония действием сильных оснований (CH3ONa, NaNH2, C6H5Na, (CH3)3COK) в реагент Виттига, называемый илидом, или фосфораном:

[(C6H5)3P CH CH3]Br	CH3ONa	(C6H5)3Р СH CH3	(C6H5)3Р СH CH3
	–NaBr,

H–CH3ОН

Легкость протекания этого превращения объясняется повышенной кислотностью протона алкильной группы, соседнего с положительно заряженным атомом фосфора в соли фосфония.

В последующей реакции с карбонильным соединением реагент Виттига карбанионным центром атакует атом углерода карбонильной группы альдегида или кетона. Промежуточно образуется продукт присоединения в виде внутренней соли (бетаин), которая при низкой температуре циклизуется до оксафосфетана. Оксафосфетан при нагревании до 0 °С превращается далее в алкен и трифенилфосфиноксид:

CH3 δ

–78 °C

CH3

–78 °C

O +

CH3

P(C6H5)3

ацетон

илид (фосфоран)

бетаин

CH3

0 °C

CH3 C CH CH3

CH3

P(C6H5)3

оксафосфетан

2-метил-2-бутен

P(C6H5)3

трифенилфосфиноксид

Реакция стереоселективна и сопровождается преимущественным обра-

зованием транс-изомера. Реакция Виттига служит прекрасным методом синтеза алкенов. Она названа в честь немецкого химика Г. Виттига, кото-

рый за ее изучение в 1979 г. был удостоен Нобелевской премии. Ниже приведены примеры получения алкенов с применением реактивов Виттига.

Получение 2-метилпропена

a) (C6H5)3P

+ CH3Br

[(C6H5)3P

CH3]Br

C6H5Li

(C6H5)3 P

CH2

трифенил-

бромметан

метилтрифенил-

илид

фосфин

фосфонийбромид

б) (C6H5)3P

CH2 + H3C

CH3

(C6H5)3P

H3C

CH3

трифенил-

CH2

фосфиноксид

ацетон

2-метилпропен

456

Глава 19. Альдегиды и кетоны

Получение 1-фенил-1,3-бутадиена

a) (C6H5)3P + CH2

CH2

трифенил-

аллилхлорид

фосфин

[(C6H5)3P

CH2

CH2]Cl

CH3O Nа

ДМФА

(C6H5)3P CH CHCH2

O б) (C6H5)3P CH CHCH2 + C6H5 C

(C6H5)3P O + C6H5 CHCH CHCH2

1-фенил-1,3-бутадиен

Особенностью получения алкена по реакции Виттига является образование лишь одного структурного изомера. Например, при дегидратации 1-метилцик- логексанола образуется 1-метилциклогексен как более стабильный изомер:

CH OH	CH3
3

H2SO4

1-метил- 1-метил- циклогексанол циклогексен

Менее стабильный изомер, однако, легко может быть получен реакцией Виттига.

CH2

25 °C

+ Ph3P

CH2

Ph3P

эфир

циклогексанон

метиленциклогексан

ГАЛОГЕН-НУКЛЕОФИЛЫ

Альдегиды и кетоны по реакции AdN реагируют и с галоген-нуклеофилами. В качестве реагентов применяют галогениды фосфора и серы, но чаще всего — хлорид фосфора(V):

R		R	Cl
C	O + PCl5	C	+ POCl3


R		R	Cl

Продуктами реакции являются гем-дигалогенпроизводные.

19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны

457

Весьма логичной представляется схема превращений исходного кетона до карбокатиона в качестве интермедиата по механизму SN1:

R δ

O + PCl5

PCl4

+ Cl

R C O PCl4 SN1

–POCl4

R монохлорид

R			R	Cl
C	Cl	Cl		C

R			R	Cl

Альтернативный путь введения второго атома хлора атакой промежуточно образовавшегося монохлорида хлорид-ионом по схеме SN2 представляется маловероятным из-за очевидных затруднений такой реакции с участием третичного галогеналкана, каким фактически является монохлорид.

В рамках предложенной схемы получает объяснение и факт образования винилхлоридов, которые оказываются побочными (а в ряде случаев и преобладающими) продуктами взаимодействия альдегидов и кетонов с PCl5. Вероятнее всего, винилхлорид образуется из промежуточного карбокатиона по реакции Е1:

	R'			R		R'		R
					Cl
R'		C	C	Cl		C	C	+ HCl



						R'		Cl
	H

винилхлорид

Образование винилхлорида по реакции Е2 потребовало бы достаточно сильного основания, которое в реакционной смеси отсутствует.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ В РЕАКЦИЯХ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Как видно, все реакции АdN с карбонильными соединениями идут по следующей общей схеме:

			Nuδ		≠	Nu
δ	δ	Nu		δ
C	O		C O			C O

C OH

карбонильное	переходное	аддукт (промежу-	продукт
соединение	состояние	точный анион)	присоединения

Реакционная способность карбонильных соединений и положение равновесия образования аддукта зависят от электронных влияний заместителей у карбонильной группы и пространственных факторов. Наиболее реакционноспособными являются алифатические альдегиды, а среди них — формальдегид. Реакционная способность ароматических альдегидов и кетонов по сравнению с алифатическими существенно ниже вследствие того, что положительный заряд с карбонильного С-атома в значительной мере делокализован по С-атомам бензольного кольца.

458	Глава 19. Альдегиды и кетоны

Реакционная способность альдегидов и кетонов снижается в рядах:

> R

R';

;

OCH3 O

CH3CH2CH2C	> CH3C		C ;

HCH3 H

		X
	O	O
C	>	C
	H	H
	H	H
		X

Электронодонорные заместители, связанные с карбонильной группой, уменьшают, а электроноакцепторные — увеличивают реакционную способность карбонильного соединения:

		O	Cl				O
CH3		C	< Cl		C		C
CH3		C	< Cl		C		C
		H	Cl				H
	O			O				O
C			C				C
	H			H		<		H
	H			H				H
		<
		<


OCH3							N
							O O

С точки зрения квантово-химических представлений реакции альдегидов и кетонов с нуклеофильными реагентами подчиняются орбитальному контролю. Согласно этому подходу, определяющим полагают перекрывание ВЗМО нуклеофильного реагента — донора электронов — с НСМО кар-

19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны										459

Рис. 19.3. Энергетическая диаграмма нуклеофильного присоединения к карбонильному соединению в терминах теории молекулярных орбиталей

бонильного соединения — акцептора электронов. НСМО карбонильного соединения локализована в области карбонильной группы и обозначается как π*(С=О). Наибольшее участие в ее формировании принимает атом углерода, по которому и осуществляется атака нуклеофила (рис. 19.3).

Как показывают квантово-химические расчеты, при переходе от формальдегида к ацетальдегиду и ацетону симметрия НСМО этих соединений не меняется, но значения энергии НСМО увеличиваются, соответственно, на 0,38 и 0,65 эВ. В рамках концепции граничных орбиталей такой рост энергии НСМО должен вызвать значительное снижение ее доступности в реакциях с нуклеофильными реагентами и, как следствие, уменьшение реакционной способности (рис. 19.4).

Рис. 19.4. Энергетическая диаграмма низших свободных молекулярных орбиталей формальдегида, ацетальдегида и ацетона

460	Глава 19. Альдегиды и кетоны

Присоединение–отщепление N-нуклеофилов

Вкачестве N-нуклеофилов в этом разделе будут рассмотрены аммиак, ами-

ны и их производные общей формулы R–NH2, где R = H, Alk, Ar, OH, NH2, NH–Ar, NH–C(O)–NH2, NH–C(S)–NH2. Взаимодействие альдегидов и кетонов со вторичными аминами рассматривается в т. III, гл. 23.

Реакции с N-нуклеофилами протекают в несколько стадий, среди которых следует выделить две:

1)нуклеофильное присоединение (AdN);

2)отщепление (Е).

Всоответствии с этим механизм взаимодействия альдегидов и кетонов с N-нуклеофилами можно классифицировать как механизм AdN–E.

Стадия 1 — медленное присоединение нуклеофила к атому углерода карбонильной группы (AdN):

O H