Слесарев. Основы Химии живого

При наличии в главной цепи более старшей группы кетонная группа обозначается префиксом оксо- и цифрой, указывающей ее

положение:

4 3 2 1

СН3—С—СН2СООН

О

3-оксобутановая кислота

Физико-химические свойства. В карбонильной группе двой­ ная связь сильнополярна (дипольный момент ц » 2,5 Д), так как ее общие электроны смещены к более электроотрицательному ато­ му кислорода. Этот сдвиг электронов вызывает появление на ки­ слородном атоме частичного отрицательного (5-), а на карбониль­ ном атоме углерода - частичного положительного заряда (5+).

За исключением формальдегида, который при нормальных условиях является газом, остальные представители гомологиче­ ских рядов альдегидов и кетонов находятся в жидком или твер­ дом состоянии. Так как альдегиды и кетоны - полярные соеди­ нения, то между их молекулами имеет место диполь-дипольное (ориентационное) взаимодействие (разд. 3.1). Поэтому альдегиды и кетоны имеют более высокие температуры кипения, чем угле­ водороды с близкой молекулярной массой. В то же время их температуры кипения значительно ниже, чем у близких по мо­ лекулярной массе спиртов, так как в отличие от последних они не ассоциированы за счет водородных связей.

18.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ

Реакционные центры альдегидов и кетонов обусловлены на­

личием в их молекулах карбонильной группы. Группа ^ С = о

содержит атомы углерода и кислорода в состоянии ^-гибриди­ зации, поэтому их a-связь и две другие а-связи, образованные карбонильным атомом углерода, лежат в одной плоскости, а п-

связь, образованная за счет бокового перекрывания негибридизованных р-орбиталей атомов углерода и кислорода, перпенди­ кулярна ей. Двойная связь С = 0 по сравнению со связью С=С является одновременно и более реакционноспособной, и более прочной, что обусловлено ее высокой полярностью. В то же вре­ мя карбонильная группа имеет и высокую поляризуемость. Это означает, что имеющиеся на атомах карбонильной группы зна-

тельно увеличены под действием внешних факторов, включая воздействие атакующих реагентов.

Вызванное электроноакцепторным влиянием атома кисло­ рода смещение электронной плотности в молекулах альдегидов

и кетонов способствует формированию в них трех реакционных центров, представленных на схеме:

о

Наличие электронодефицитного углеродного атома карбониль­ ной группы формирует электрофильный центр (1), склонный к

нуклеофильной атаке реагента. Местом электрофильной атаки служит нуклеофильный (основный) центр (2 ) на кислородном

атоме карбонильной группы. Кроме того, в альдегидах и кетонах имеется слабый СН-кислотный центр (3) в a-положении к кар­

бонильной группе, содержащий водородный атом со слабой про­ тонной подвижностью и склонный к атаке свободным радикалом.

Реакционная способность альдегидов, как правило, выше, чем кетонов, так как у них больше пространственная доступ­ ность реакционного центра на карбонильном атоме углерода, больше эффективный положительный заряд на этом атоме, а в то же время степень его окисления меньше, чем в кетонах. По­ следнее обстоятельство повышает его склонность к окислитель- но-восстановительным превращениям, включая его дисмутацию.

18.2.1. КИСЛОТНО-ОСНОВНЫ Е СВОЙСТВА

Основные свойства. Благодаря неподеленной электронной па­ ре кислородного атома альдегиды и кетоны обладают очень сла­ быми основными свойствами (рАГвн+ « - 6 * - 8 ). При взаимодейст­

вии с кислотой (НХ) карбонильное соединение вначале образует с ней ассоциат за счет водородной связи, а потом уже протонированную форму:

Концентрация протонированной формы карбонильных соедине­ ний в 60-80 % H2S04 достигает «1 % . Поэтому в большинстве

реакций, где катализатором является протон, имеет место толь­ ко образование водородной связи с карбонильным атомом ки­

452

слорода, но уже и это значительно увеличивает реакционную способность электрофильного центра (1) карбонильной группы.

Кислотные свойства. Альдегиды и кетоны, имеющие водо­ родный атом при а-углеродном атоме, являются очень слабыми СН-кислотами (рКа » 18 т 20), заметно более слабыми, чем спирты (рК а = 14 ч- 16). В водных растворах с pH = 12 ч- 13 со­ держание их аниона составляет только 1 0 -2 - 1 0~5 % от неио-

низованной формы. Своеобразие строения аниона альдегидов и кетонов заключается в делокализации избыточной электронной плотности между a-углеродным атомом и кислородным атомом карбонильной группы вследствие их сопряжения (разд. 2.1.3):

О-нуклеофил

С-нуклеофил V

Делокализация заряда в анионе карбонильного соединения при­ водит к возникновению в нем двух нуклеофильных (основных) центров: один на а-углеродном атоме, а другой - на кислород­ ном. Анионы с делокализованным в сопряженной системе за­ рядом, имеющие два разных нуклеофильных центра, называют­ ся амбидентными. Протонирование амбидентного аниона кар­

бонильного соединения приводит при С-протонировании к кетотаутомеру (КН), а при О-протонировании - к енол-таутомеру (БН), между которыми устанавливается динамическое равнове­ сие, называемое кето-енольной таутомерией.

К е т о - е н о л ь н а я т а у т о м е р и я . Схема возникновения кето- и енол-таутомеров из их общего амбидентного аниона карбонильного соединения следующая:

ключается в переносе протона от а-углеродного атома на кисло­ родный атом карбонильной группы. Изменение положения про­ тона в молекуле сопровождается изменением положения двойной связи: в кето-таутомере она находится между атомами углерода и

453

кислорода, а в енол-таутомере - между углеродными атомами. Поскольку между кето- и енол-таутомерами осуществляется рав­ новесный перенос протона, то такое равновесие называется прототропной таутомерией кето-енольного типа. Соотношение таутомеров в равновесном состоянии характеризуется константой таутомерного равновесия или ее показателем p^Kf1*.

Константа таутомерного равновесия J5l|Fe связана с констан­ тами кислотности участвующих таутомеров К$н и сле­

дующим образом:

Из представленных уравнений следует, что кето-енольная тау­ томерия, как и всякая прототропная таутомерия, совершаемая через общий амбидентный ион, смещена в сторону того таутомера, кислотные свойства которого слабее, а следовательно, его термодинамическая устойчивость выше. В монокарбонильных соединениях (альдегидах и кетонах) таутомерное равновесие практически полностью смещено в сторону кето-таутомера, так как его кислотность значительно меньше, чем енол-таутомера. Например, в ацетоне содержание енол-таутомера составляет всего 2,5 •10~4 % . При наличии у а-углеродного атома еще од­

ного или двух электроноакцепторных групп резко увеличивает­ ся кислотность кето-таутомера и содержание енол-таутомера зна­ чительно возрастает. Так, в ацетилацетоне (1,3-дикарбонильное соединение) енольная форма преобладает:

ац е т и л а ц е т о н СНз— С— СН2— С— СНз

IIII

Оо

Енол-таутомер ацетилацетона стабилизирован внутримолеку­ лярной водородной связью и наличием в этом таутомере со­ пряжения между связями С=С и С =0, что уменьшает его ки­ слотность.

454

Положение таутомерного равновесия зависит от природы не только карбонильного соединения, но и растворителя. Констан­ ты кислотности кето-таутомера (СН-кислота) и енол-таутомера (ОН-кислота) при замене растворителя меняются в разной сте­ пени вследствие различия сольватационных эффектов. Так, для ацетилацетона содержание енола и значения и pKl£E изме­

няются в зависимости от растворителя следующим образом:

Соединения, для которых наблюдается кето-енольная тау­ томерия, вступают в реакции, характерные для каждого таутомера и их общего аниона. При этом результат реакции зависит не столько от содержания этих форм, так как они находятся в равновесии» сколько от соотношения активности их реакцион­ ных центров. Поэтому результатом реакции может быть один или несколько продуктов в зависимости от природы субстрата и реагента, а также от условий проведения реакции, влияющих на состояние равновесия в таутомерной системе. Явлением ке- то-енольной таутомерии объясняется своеобразие химических свойств таких важных метаболитов, как углеводы, окси- и кетокислоты. В заключение следует отметить, что кето-енольная таутомерия сопровождается внутримолекулярной окислитель­ но-восстановительной дисмутацией за счет углеродных атомов с изменением их степеней окисления на единицу.

18.2.2. ЭЛЕКТРОФ ИЛЬНО -НУКЛЕОФ ИЛЬНЫ Е СВОЙСТВА

Высокие полярность и поляризуемость карбонильной группы способствуют легкому присоединению к ней полярных соедине­ ний или ионов. Присоединяющийся реагент своим нуклеофиль­ ным центром атакует углеродный атом карбонильной группы, и поэтому эти реакции называются нуклеофильным присоединением.

Присоединение воды (гидратация). В водных растворах аль­ дегиды и кетоны обратимо присоединяют молекулу воды с обра­ зованием неустойчивых гидратов:

Степень гидратации карбонильного соединения зависит от характера заместителей R и R', которые влияют на электрофильность углеродного атома карбонильной группы. Так, ацетон (R = R' = СНз; электронодонорные заместители; эффект + /)

455

практически не образует гидрата, ацетальдегид (R = СН3, эф­ фект +J; R' = Н, I = 0) гидратирован на 58 % , а для формаль­ дегида (R = R' = Н; эффект I = 0) степень гидратации состав­

ляет 100 % . Этим объясняется способность формальдегида вы­ зывать необратимую денатурацию белков за счет разрушения их гидратной оболочки и, следовательно, его антисептические и дезинфицирующие свойства. Еще активней гидратируется хлораль CCI3CHO (R ** CCI3; электроноакцепторный заместитель; эффект - /), гидрат которого СС1зСН(ОН)2 настолько устойчив, что выделяется в чистом виде. Хлоралъгидрат применяется в

клинической практике, так как обладает снотворным и противосудорожным действием.

Присоединение спиртов. Спирты легко присоединяются по карбонильной группе альдегидов. При этом вначале обратимо присоединяется одна молекула спирта с образованием неустойчи­ вого полуацеталя, содержащего активную гидроксильную группу:

При обработке полуацеталя избытком спирта его гидроксильная группа замещается с отщеплением воды и образуется ацеталь:

Получение полуацеталей и ацеталей катализируется протоном.

Вто же время ацетали и полуацетали легко гидролизуются из­ бытком воды в кислой среде, из-за чего эти реакции обратимы.

Вщелочной среде ацетали и полуацетали устойчивы.

Кетоны взаимодействуют со спиртами значительно трудней, чем альдегиды, образуя полукетали и кетали:

К о л ь ч а т о - ц е п н а я т а у т о м е р и я . Обратимая реакция образования полуацеталей лежит в основе кольчато-цепной тау­

456

томерии для оксикарбонильных соединений. В молекулах таких соединений содержатся и карбонильная, и спиртовая группы, и имеется возможность их внутримолекулярного взаимодействия с образованием кольчатых полуацеталей. Особенно эффективно это происходит, когда образуются ненапряженные циклы, т. е. пятиили шестичленные. Например, бутанол-4-аль и пентанол- 5-аль легко циклизуются в водных растворах, образуя по паре циклических полуацеталей-таутомеров: а-таутомер (с гидро­ ксильной группой под плоскостью кольца) и Р-таутомер (с гид­ роксильной группой над плоскостью кольца). Углеродный атом С-1 в циклических полуацеталях является хиральным центром, а а- и Р-таутомеры представляют собой зеркальные оптические изомеры - энантиомеры (разд. 15.2):

Эти изомерные превращения происходят достаточно быстро и обратимо, т. е. имеет место динамическая изомерия, называемая кольчато-цепной таутомерией. При кольчато-цепной таутоме­

рии степени окисления углеродных и других атомов не изменя­ ются, т. е. это процесс чисто электрофильно-нуклеофильного вза­ имодействия. Кольчато-цепная таутомерия является характер­ ным свойством таких важных метаболитов, как углеводы, и некоторых природных стероидных гормонов.

Присоединение аммиака, аминов и N-нуклеофилов. Амми­ ак и первичные амины реагируют с альдегидами в две стадии. Первоначально образуется продукт нуклеофильного присоеди­ нения по двойной связи карбонильной группы, который, вслед­ ствие его неустойчивости, отщепляет воду с образованием имина.

Поэтому данный процесс классифицируют как реакцию присое­ динения-отщепления:

457

Образование иминов обратимо, и при действии воды они распа­ даются на исходный амин и карбонильное соединение. Особенно легко обратная реакция протекает в случае аммиака (R' = Н). В случае первичных аминов образуются сравнительно устойчи­ вые замещенные имины, называемые основаниями Шиффа или

азометинами.

Имины альдегидов обычно нестойки, так как легко циклотримеризуются:

Rv Н

Н Н R

Более глубоко эта реакция протекает при взаимодействии формальдегида с аммиаком. В результате получается гексаметилентетрамин (уротропин), который используется как дезинфици­

рующее средство в урологии при воспалении мочевых путей:

уротропин

Легкость взаимодействия формальдегида с аминосоединениями, наряду с его склонностью к реакции гидратации, лежит в осно­ ве необратимой денатурации (свертывания) белков в присутст­ вии формальдегида. Этими особенностями объясняются анти­ септические и дезинфицирующие свойства чистого формальде­ гида и его водных растворов. Формалин - 40 % водный раствор

формальдегида - применяется для хранения анатомических пре­ паратов.

Наряду с аминами альдегиды и кетоны вступают во взаимо­ действие с N-нуклеофилами типа H2N—X, где X = —ОН, —NH2, —NHR. Эти реакции используют для идентификации и выделе­ ния альдегидов и кетонов из смеси, так как образующиеся при этом соединения являются кристаллическими веществами с чет­ кими температурами плавления:

458

no2

2,4-динитрофенилгидразин 2,4-диыитрофенилгидразон

Реакция с 2,4-динитрофенилгидразином является хорошим ди­ агностическим тестом на альдегиды и кетоны, так как при этом образуются ярко окрашенные нерастворимые гидразоны.

Им и н- и ми н на я таутомерия . Среди иминов особое ме­ сто занимают те, в которых при атоме углерода, связанном с атомом азота двойной связью, имеется водородный атом с про­ тонной подвижностью. Для таких иминов характерна прототропная таутомерия: протон переносится от одного углеродного атома, связанного с азотом, на другой углеродный атом, связан­ ный с тем же атомом азота, с одновременным перемещением двойной связи в этой триаде. Такая прототропная таутомерия называется имин-иминной таутомерией. Как всякие прототроп-

ные таутомеры, имин-иминные таутомеры также имеют общий для них амбидентный анион, в котором отрицательный заряд

делокализован между атомами триады ^С “ § — сС :

RCH“ N~— CR— Сч

Обратимый перенос протона в этой системе сопровождается внут­ римолекулярной окислительно-восстановительной дисмутацией за счет углеродных атомов, степени окисления которых изменя­ ются на две единицы. Имин-иминная таутомерия имеет место в ферментативном катализе с пиридоксальфосфатом в качестве кофермента при окислительно-восстановительных превращениях а-аминокислот в реакциях декарбоксилирования и трансаминирования (разд. 21.2.4).

Полимеризация. Простейшие альдегиды - формальдегид и ацетальдегид - легко вступают в реакции циклотримеризации:

459

При нагревании триоксиметилен и паральдегид деполимеризуются. Образование полимеров альдегидов является результатом нуклеофильной атаки атомов кислорода одной молекулы альде­

гида на карбонильный атом углерода другой молекулы. Формальдегид в водном растворе (формалин) постепенно обра­

зует нерастворимый линейный полимер - параформ (/1=8-5- 100),

который выделяется в виде белого осадка:

лн— С^ + НОН — ► НО[—СН20 —]ПН

н

В промышленности получается полиформальдегид (п > 1000) -

дешевый полимерный материал.

Интересный вариант полимеризации формальдегида открыл А. М. Бутлеров (1861). В водных растворах Са(ОН) 2 или Ва(ОН) 2 формальдегид вначале димеризуется в гликолевый альдегид, ко­ торый затем превращается в углевод гексозу:

м о я » .

6 Н— сч

нон н

— ► СН2 — СН— СН— СН— СН— Cv

гексоза

Эта реакция наглядно показывает возможность синтеза в водной среде сложных углеводов из простых соединений при участии минеральных катализаторов. Все рассмотренные реакции при­ соединения являются типично электрофильно-нуклеофильными, за исключением последней, где имеет место изменение степеней окисления углеродных атомов, следовательно, это окислительно­ восстановительная реакция.

18.2.3. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

Реакции присоединения С-нуклеофилов к карбонильным со­ единениям являются окислительно-восстановительными, так как они сопровождаются изменением степеней окисления углерод­ ных атомов.

460