8.1. Реакции нуклеофильного присоединения (an) к альдегидам и кетонам

Гидратация (образование гидратов)

Многие карбонильные соединения (альдегиды, кетоны, содержащие электроноакцепторные группы у карбонильной группы) в водных растворах частично или полностью гидратируются. Реакция начинается с нуклеофильной атаки молекулы воды на карбонильный атом углерода с образованием тетраэдрического промежуточного соединения с разноименными зарядами на двух атомах кислорода. Затем переход протона от кислотного центра (положительно заряженный кислород) на основный центр (отрицательно заряженный атом кислорода) приводит к образованию гидрата.

Как и большинство реакций нуклеофильного присоединения по карбонильной группе, реакция гидратации обратима.

По содержанию гидратированной формы в растворе можно судить об относительной легкости реакций (A_N):

Трихлоруксусный альдегид (хлораль) рядом с карбонильной группой содержит электроноакцепторную трихлорметильную группу, увеличивающую положительный заряд на карбонильном углероде. Гидрат этого альдегида (хлоралгидрат), обладающий снотворным и седативным эффектами, способный вызывать лёгкую анальгезию и использующийся как противосудорожное средство, — устойчивое твердое соединение.

Муравьиный альдегид в водном растворе (40%-ный раствор формальдегида в воде называется формалином и используется для консервации анатомических препаратов) практически полностью гидратирован, однако выделить гидрат в чистом состоянии при обычных условиях невозможно.

При переходе от формальдегида к уксусному альдегиду содержание гидрата уменьшается, а ацетон практически не гидратируется. Это связано, во-первых, с наличием электронодонорных алкильных групп, уменьшающих положительный заряд на карбонильном углероде и, во-вторых, с увеличением пространственных затруднений при атаке нуклеофилом карбонильной группы.

Присоединение спиртов

Механизм присоединения спиртов аналогичен механизму реакции гидратации. Альдегиды легко присоединяют спирты с образованием полуацеталей, при избытке спирта в кислой среде возможно образование ацеталей:

Ацетали — устойчивые вещества, которые можно выделить в индивидуальном состоянии. В кислых средах они гидролизуются с образованием карбонильного соединения и спирта. Ацетализация используется для защиты альдегидной группы от окисления.

Кетоны вступают в эту реакцию только если они содержат электроноакцепторные заместители.

Реакция образования ацеталя из полуацеталя протекает по механизму (S_N1). Кислотный катализ необходим для превращения плохой уходящей группы (-ОН) в хорошую уходящую группу (молекулу воды):

Присоединение тиолов

Тиолы более нуклеофильны, чем спирты, поэтому они реагируют с карбонильными соединениями легче:

Образование полутиоацеталей и дитиоацеталей является важной промежуточной стадией во многих ферментативных реакциях.

Реакции альдегидов и кетонов с первичными аминами. Образование иминов (оснований Шиффа)

Амины легко присоединяются по карбонильной группе альдегидов с образованием промежуточного тетраэдрического продукта, в котором атом кислорода заряжен отрицательно, а атом азота — положительно. Затем происходит перенос протона от кислотного центра (связь ⁺N-H) к основному центру (–О^-), в результате чего получается продукт присоединения (карбиноламин), который неустойчив и легко отщепляет воду с образованием конечного продукта (имина).

Формально эту реакцию можно рассматривать, как замещение атома кислорода на атом азота, однако на самом деле это последовательность реакций нуклеофильного присоединения (S_N) и последующего элиминирования (Е).

В отличие от альдиминов, образование кетиминов часто требует кислотного катализа вследствие пониженной электрофильности атома углерода карбонильной группы и некоторых пространственных затруднений.

Кислоты протонируют карбонильную группу и усиливают электрофильный центр:

Все стадии этих процессов обратимы, поэтому имины в избытке воды могут подвергаться гидролизу, распадаясь на карбонильное соединение и первичный амин, особенно в кислых средах, в которых амин превращается в аммонийную соль.

Образование и гидролиз иминов играет важную роль в ряде биохимических процессов, особенно связанных с превращениями аминокислот.