2.2.2. Реакции с s-нуклеофилами

Атом серы в аналогах спиртов – меркаптанах (тиолах) – является более сильным нуклеофилом, поэтому меркаптаны легче присоединяются к альдегидам и кетонам. При этом образуются продукты, аналогичные полуацеталям и ацеталям, например, при взаимодействии бензальдегида с двумя эквивалентами метантиола (метилмеркаптана) в кислой среде образуется диметилтиоацеталь бензальдегида.

Альдегиды и кетоны легко реагируют с гидросульфитом натрия, образуя так называемые бисульфитные производные, которые представляют собой хорошо кристаллизующиеся соединения и поэтому могут быть использованы для выделения и очистки альдегидов и кетонов.

бисульфитное производное ацетона

(2-гидрокси-2-пропансульфонат натрия)

Механизм реакции – нуклеофильное присоединение бисульфит-аниона:

2.2.3. Реакции с n-нуклеофилами

Многие N-нуклеофилы, с которыми вступают в реакции альдегиды и кетоны, содержат аминогруппу, и их строение может быть отражено общей формулой NН₂-Y. Механизм, по которому происходит присоединение таких нуклеофилов, выглядит в общем виде следующим образом.

Нуклеофильное присоединение приводит к аддукту, представляющему собой биполярный ион, в котором бывший нуклеофильный атом азота, отдавший пару электронов на образование новой связи, заряжен положительно, а принявший при гетеролитическом разрыве π-связи пару электронов бывший электрофильный атом углерода карбонильной группы заряжен отрицательно. После внутримолекулярного переноса протона (в результате кислотно-основного взаимодействия) образуется неустойчивый геминальный аминоспирт, дегидратация которого и дает конечный продукт реакции. В таблице приведены нуклеофильные реагенты и продукты реакции, а также их названия.

В качестве иллюстрации к этой таблице рассмотрим некоторые примеры. Так, при взаимодействии пропаналя с аммиаком образуется имин пропаналя.

Бензальдегид с анилином очень легко образуют основание Шиффа – так называемый бензилиденанилин (или бензальанилин).

ТАБЛИЦА

Некоторые Ν-нуклеофилы и продукты их взаимодействия с альдегидами и кетонами

Нуклеофил		Продукт
Формула	Название	Формула	Название
NН3	аммиак		имин
R"NН2	алкиламин (первичный амин)		N-алкилимин (азометин, основание Шиффа)
NН2ОН	гидроксиламин		оксим
NН2NН2	гидразин		гидразон

При взаимодействии с гидроксиламином ацетон превращается в ацетоноксим, а реакция ацетофенона с гидразином приводит к образованию гидразона ацетофенона:

Широкое использование для идентификации альдегидов и кетонов нашли 2,4-динитрофенилгидразоны, которые получают взаимодействием альдегидов и кетонов с 2,4-динитрофенилгидразином.

2.2.4. Реакции с с-нуклеофилами

В качестве С-нуклеофилов в реакциях с альдегидами и кетонами выступают соединения, являющиеся С-Н-кислотами, т.е. соединения, способные в присутствии основания дать заметные концентрации сопряженного основания, которое и является С-нуклеофилом. Поэтому практически все реакции альдегидов и кетонов с С-нуклеофилами происходят в присутствии основного катализатора.

а) Этинилирование альдегидов и кетонов. Ацетилен и другие алкины, имеющие концевую тройную связь, проявляют С-Н-кислотные свойства, поэтому в присутствии оснований они могут реагировать с альдегидами и кетонами. Так, по реакции Реппе ацетилен присоединяется к формальдегиду в присутствии ацетиленида меди (основный катализатор) с образованием 2-пропин-1-ола и далее 2-бутин-1,4-диола:

Известная реакция Фаворского, лежащая в основе синтеза изопрена, является нуклеофильным присоединением ацетилена к ацетону.

Механизм этой реакции включает генерирование С-нуклеофильой частицы в результате кислотно-основного взаимодействия ацетилена как кислоты с гидроксидом калия, последующее присоединение ацетиленид-аниона к карбонильной группе и протонирование образовавшегося алкоксид-аниона (гидролиз).

б) Взаимодействие с синильной кислотой. Циановодород присоединяется по карбонильной группе альдегидов и кетонов в присутствии цианидов металлов как катализаторов. Механизм этой реакции аналогичен взаимодействию кетонов с ацетиленом. Продуктами присоединения являются так называемые циангидрины. Бензальдегид реагирует с синильной кислотой с образованием циангидрида бензальдегида (или 2-гидрокси-2-фенилэтаннитрила):

в) Реакция Гриньяра. Реакция альдегидов и кетонов с магнийорганическими соединениями также относится к нуклеофильному присоединению (см. Способы получения спиртов).

г) Альдольно-кротоновая конденсация. В альдольно-кротоновую конденсацию вступают альдегиды и кетоны, имеющие в α-положении к карбонильной группе атом водорода. Так, например, в присутствии едкого натра в качестве катализатора уксусный альдегид превращается в соединение, которое получило название альдол (альдегидоспирт). Последний при дегидратации в кислой среде образует кротоновый альдегид (2-бутеналь).

Механизм этой реакции также включает стадию генерирования С-нуклеофила из молекулы уксусного альдегида, имеющего в α-положении атом водорода и обладающего поэтому С-Н-кислотными свойствами. Образовавшийся карбанион, как нуклеофил, присоединяется к карбонильному атому углерода, а последующее протонирование алкоксид-аниона приводит к продукту альдольной конденсации.

Бутаналь в щелочной среде также образует продукт альдольной конденсации:

Следующий пример иллюстрирует альдольно-кротоновую конденсацию ароматического кетона (ацетофенона), альдол которого самопроизвольно дегидратируется до ненасыщенного кетона.

Таким образом, в основе альдольной конденсации лежит взаимодействие карбонильной группы одной молекулы альдегида или кетона (карбонильная компонента) с С-нуклеофилом, образующимся под действием основания из второй молекулы альдегида или кетона (метиленовая или С-Н-кислотная компонента).

Все рассмотренные примеры альдольно-кротоновой конденсации представляют собой самоконденсацию альдегида или кетона. Возможно протекание альдольно-кротоновой конденсации и между молекулами двух различных соединений. Однако направленной такая перекрестная конденсация может быть только в некоторых случаях.

• Один из участников реакции не является енолизующимся альдегидом или кетоном, т.е. в этой компоненте отсутствует атом водорода в α-положении. Это соединение, таким образом, может выполнять только роль карбонильной компоненты. Например, взаимодействие пропаналя с формальдегидом в щелочной среде протекает как направленная альдольно-кротоновая конденсация, поскольку в молекуле формальдегида нет атома водорода в α-положении и этот альдегид может выступать только как карбонильная компонента, а пропаналь – как метиленовая (С-Н-кислотная).

В реакциях альдольной конденсации с участием формальдегида происходит гидроксиметилирование (т.е. замещение атома водорода на группу НОСН₂) метиленовой компоненты по α-положению. При наличии нескольких атомов водорода в этом положении и избытке формальдегида может произойти замещение всех этих атомов на гидроксиметильную группу, например:

Кроме формальдегида, карбонильной компонентой в перекрестной альдольно-кротоновой конденсации выступает и бензальдегид. Особенностью этого альдегида является то, что даже в щелочной среде в качестве продукта реакции сразу образуется продукт кротоновой конденсации, т.е. самопроизвольно происходит дегидратация альдола. Так, например, при взаимодействии бензальдегида с ацетоном в соотношении 2:1 в присутствии едкого натра образуется 1,5-дифенил-1,4-пентадиен-3-он.

• Если обе компоненты имеют атомы водорода в α-положении, но вещества различаются по реакционной способности в реакциях нуклеофильного присоединения, то более реакционноспособное соединение будет выступать в роли карбонильной компоненты. Поэтому, если в перекрестной альдольно-кротоновой конденсации принимают участие альдегид и кетон, то альдегид будет реагировать как карбонильная компонента, а кетон – как метиленовая, например:

д) Реакция Перкина. При взаимодействии бензальдегида и других ароматических альдегидов с ангидридом уксусной кислоты в присутствии ацетата калия в качестве катализатора происходит реакция, аналогичная альдольно-кротоновой конденсации, где в качестве С-Н-кислотной компоненты фигурирует уксусный ангидрид. При этом после гидролиза смешанного ангидрида образуются коричная и уксусная кислоты.