Реакции на нуклеофилно присъединяване (реакция-AdN). Примери за реакции на нуклеофилно присъединяване. Обратимост на реакциите на нуклеофилно присъединяване

(реакции на добавяне-разцепване).

Реакции на нуклеофилно заместване с участието на - хибридизиран въглероден атом.Нека разгледаме механизма на реакции от този тип, като използваме примера за взаимодействие на карбоксилни киселини с алкохоли ( реакция на естерификация). В карбоксилната група на киселината, стр, -конюгиране, тъй като двойка електрони на кислородния атом на OH хидроксилната група влиза в конюгация с двойна връзка въглерод-кислород (-връзка):

Такова конюгиране е причина, от една страна, за повишена киселинност на карбоксилните съединения, а от друга страна, намаляване на частичния положителен заряд () на въглеродния атом на карбоксилната група (-хибридизиран атом), което значително усложнява директната атака на нуклеофила. За да се увеличи зарядът на въглеродния атом, се използва допълнително протониране - киселинна катализа (етап I):

На етап II, атаката на нуклеофила (алкохолна молекула), настъпва протонирането на хидроксилната група с образуването на добре напускаща група, на етап III - нейното елиминиране и на етап IV - регенерация на протони - връщане на катализатора с образуването на крайния продукт - естер. Реакцията е обратима, което се наблюдава при хидролизата на естерите, хидролизата на мазнините в биосистемите.

Реакции на нуклеофилно присъединяване.Най-характерните реакции на нуклеофилно присъединяване () за оксо съединения - алдехиди и кетони. Механизмът на тези реакции има общи черти, това е двуетапен йонен процес. Първият етап (ограничаващ) е обратима атака от нуклеофила Nu : с образуването на така наречения тетраедричен междинен продукт. Вторият етап е бърза електрофилна атака:

Реактивността на оксо съединението се влияе от природата на R и групите. По този начин въвеждането на електрон-донорни заместители намалява реактивността, докато въвеждането на електрон-оттеглящи заместители я повишава. Следователно алдехидите са по-реактивни от кетоните. В допълнение, реактивността зависи от природата на нуклеофила. Например RSH тиолите, които са по-силни нуклеофили от ROH алкохолите, реагират както с алдехиди, така и с кетони, образувайки тиоацетали, устойчиви на хидролиза, докато ацеталите, продуктите на добавяне на алкохоли към алдехиди, не са устойчиви на хидролиза:

Моля, обърнете внимание, че последните етапи на процеса представляват атаката на нуклеофила (алкохолна молекула) върху електрофилния реакционен център (карбокатион) и следват механизма на нуклеофилно заместване. Получените междинни съединения - полуацетали - са нестабилни. Тяхната стабилизация е възможна само в циклична форма по време на образуването на циклични полуацетали, например 5-хидроксипентанал:

Друг пример за биологично важна реакция от този тип е добавянето на амини и някои други азотсъдържащи съединения към карбонилни съединения - алдехиди и кетони. Реакцията продължава механизмът на нуклеофилно добавяне-елиминиране (-E) или нуклеофилно добавяне-разцепване:

Други азотсъдържащи съединения, които действат като нуклеофили в тези реакции: хидразин, хидроксиламин, фенилхидразин .

Продуктите на -Е реакциите в тези случаи са съединения с обща формула

наречени хидразони (X =), оксими (X = OH), фенилхидразони (X =), имини (X = R), които ще бъдат разгледани по-подробно в съответните раздели.

В допълнение към посочените реакции на присъединяване са възможни реакции Реклама R- добавяне на свободни радикали и полимеризация или поликондензация.

Ad R - добавяне на свободни радикали

Пример за реакция поликондензацияе поликондензацията на фенол с алдехиди, по-специално с формалдехид, което води до образуването на полимерни реакционни продукти - фенолформалдехидни смоли и твърди полимери.

Взаимодействието на фенол с формалдехид може да се опише по схемата:

В хода на следващите етапи се образува полимер и страничният продукт от реакцията на поликондензация, в този случай, е вода.

ГЛАВА 4. ОКСО СЪЕДИНЕНИЯ (АЛДЕХИДИ И КЕТОНИ).

Въпроси към урока.

1. Електронна структура на карбонилната група (>C=0) в оксо съединения.

2. Влияние на заместителите върху реактивността на >C=0-връзките в оксосъединенията.

3. Механизъм на нуклеофилно присъединяване при >C=0 връзка.

4. Реакции на нуклеофилно присъединяване (например вода, алкохоли, натриев бисулфит, HCN).

5. Реакции на добавяне-елиминиране на примера на хидроксиламин, хидразин, амини.

6. Реакция на диспропорциониране с използване на бензилалдехид като пример.

7. Механизъм на реакцията на алдолна кондензация.

8. Окисляване на алдехиди и кетони.

9. Полимеризация на алдехиди.

В зависимост от естеството на заместителите, свързани с карбонилната група, карбонилните съединения се разделят на следните класове: алдехиди, кетони, карбоксилни киселини и техните функционални производни.

Химията на алдехидите и кетоните се определя от наличието на карбонилна група. Тази група, първо, е мястото на нуклеофилна атака и, второ, повишава киселинността на водородните атоми, свързани с -въглеродния атом. И двата ефекта са напълно съвместими със структурата на карбонилната група и всъщност и двата се дължат на способността на кислорода да поема отрицателен заряд.

(В тази глава се разглеждат само най-простите видове реакции на нуклеофилно присъединяване. В глава 27 реакциите на -водородни атоми също ще бъдат обсъдени.)

Карбонилната група съдържа двойна връзка въглерод-кислород; тъй като мобилните -електрони са силно привлечени от кислорода, карбонилната група въглерод е център с дефицит на електрони, а карбонилната група кислород е богата на електрони. Тъй като тази част от молекулата е плоска, тя е относително достъпна за атака отгоре или под тази равнина в посока, перпендикулярна на нея. Не е изненадващо, че тази налична поляризирана група е силно реактивна.

Какви реагенти ще атакуват такава група? Тъй като най-важният етап в тези реакции е образуването на връзка с електрон-дефицитен (кисел) карбонил въглерод, карбонилната група е най-склонна да взаимодейства с богати на електрони нуклеофилни реагенти, т.е. с основи. Типични реакции на алдехиди и кетони биха били реакции на нуклеофилно присъединяване.

Както се очаква, най-точната картина на реактивността на карбонилната група може да се получи чрез разглеждане на преходното състояние за добавяне на нуклеофил. Въглеродният атом в реагента е тригонален. В преходното състояние въглеродният атом започва да приема тетраедричната конфигурация, която ще има в продукта; по този начин групите, свързани с него, донякъде се сближават. Следователно могат да се очакват някои пространствени трудности, т.е. големите групи ще възпрепятстват този подход в по-голяма степен, отколкото по-малките групи. Но преходното състояние в тази реакция ще бъде относително по-малко трудно от преходното състояние за, да речем, реакция, в която въглеродът е свързан с пет атома. Именно тази относителна лекота се има предвид, когато се казва, че карбонилната група е достъпна за атака.

В преходното състояние кислородът започва да придобива електрони и отрицателния заряд, който ще има в крайния продукт. Тенденцията на кислорода да придобива електрони, или по-скоро способността му да носи отрицателен заряд, е истинската причина за реактивността на карбонилната група спрямо нуклеофилите (Полярността на карбонилната група не е причина за реактивността, а само друго проявление на електроотрицателността на кислорода.)

Алдехидите са склонни да се подлагат на нуклеофилно добавяне по-лесно от кетоните. Тази разлика в реактивността е в съответствие с естеството на междинното състояние на реакцията и, очевидно, се обяснява с комбинираното действие на електронни и пространствени фактори. Кетонът съдържа втора алкилова или арилова група, докато алдехидът съдържа водороден атом. Втората арилова или алкилова група на кетона е по-голяма от водородния атом на алдехида и следователно ще бъде по-устойчива на увеличаване на пространственото препятствие в преходното състояние. Алкилната група отдава електрони и по този начин дестабилизира преходното състояние чрез увеличаване на отрицателния заряд на кислорода.

Човек би могъл да очаква, че ариловата група, с нейния прибиращ електрони индуктивен ефект (задача 18.7, стр. 572), ще стабилизира преходното състояние и по този начин ще ускори реакцията; очевидно обаче този ефект стабилизира първоначалния кетон в още по-голяма степен поради резонанс (принос на структура I) и в резултат на това деактивира кетона в разглежданата реакция.

Схема:

Механизъм:

1- Образование π-комплекс (бавен)

2- Образование ϭ-комплекс или карбокатион (бавен)

Карбокатиониса положително заредени нестабилни междинни съединения със секстет от валентни електрони при въглеродния атом.

Нуклеофилна атака на халогенониевия йон (бърза)

Скоростта на реакцията зависи основно от структурата на алкена. Когато метиловите заместители се въвеждат в алкена, електронната плътност се увеличава поради +I CH 3 и скоростта на реакцията се увеличава. От друга страна, трифлуорометиловата група CF 3, поради отрицателния индуктивен ефект, намалява електронната плътност в алкена и по този начин прави електрофилната атака по-трудна.

CF3CH=CH2< CH 2 =CH 2 < CH 3 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH(CH 3) 2

Увеличаване на скоростта на реакция на алкени с халогени.

Когато към ненаситения въглеводород се добави вода, към механизма се добавя четвърта степен (връщане на катализатора).

47-реакция на електрофилно заместване: хетеролитична реакция, включваща π-електронния облак на ароматната система (халогениране, нитриране, алкиниране).

S E -реакция на електрофилно заместване..

Взаимодействието на арените с електрофилния агрегат също протича на етапи чрез образуването на ϭ и π-комплекси.

Характерна особеност на ароматните съединения от бензеновата серия, кондензираните и хетероцикличните ароматни съединения е тяхната склонност да влизат в реакции, които не водят до разрушаване на ароматната система - реакцията заместване. Напротив, при реакции, които нарушават ароматността, като добавяне или окисляване, ароматните съединения имат намалена реактивност.

Схема:

Механизъм:

Генериране на електрофилна частица.

2. Образуване на π-комплекс (бавно)

3. Образуване на ϭ-комплекс или карбокатион

4. Елиминиране на протон от ϭ-комплекса

Халогениране.

Нитриране.

Алкинизация.

48-Реакция на нуклеофилно заместване при sp3-хибридизирания въглероден атом: хетеролитични реакции, дължащи се на поляризацията на ϭ-връзката въглерод-хетероатом (халогенни производни, алкохоли).

SN-Реакция на нуклеофилно заместване

SN са най-характерни за наситени органични съединения, съдържащи следните функционални групи: халогенни, хидроксилни, тиолови и аминогрупи.

SN 1 - характеристика на третични и частично вторични алканови халиди в присъствието на слаб нуклеофил и полярен разтворител

Механизъм:

I етап

II етап

SN 2-характеристика на първични и частично вторични атоми.

Механизъм:

49-Нуклеофилна реакция на присъединяване: хетеролитична реакция, включваща π-връзка въглерод-кислород (реакция на алдехиди и кетони с алкохоли, първични амини). Влияние на електронни и пространствени фактори, роля на киселинната катализа. Биологично значение на реакцията на нуклеофилно присъединяване.

A N - Реакция на нуклеофилно присъединяване.

характеристика на алдехиди и кетони.

Голямо значение в биологичноима реакция на карбонилни съединения (алдехиди и кетони) с амоняк, с образуване на имини (бази на Шиф), много нестабилни, лесно хидролизирани съединения.

Имините са междинни продукти в някои ензимни реакции при синтеза на амини от алдехиди и кетони.

Например някои α-аминокиселини се синтезират в организма по тази схема.

Взаимодействието на амоняка с алдехиди може да бъде усложнено от възможна циклизация. И така, от формалдехид A.M. Бутлеров е първият, който получава медицински препарат - хексаметилентетраамин (уротропин), който се използва широко като антисептик.

киселинна катализаслужи за активиране на субстрата.

реакционни центрове.

Механизъм:

В реакциите N a катализатор (неорганична киселина) се използва за увеличаване на скоростта на реакцията

Схема:

Механизъм:

а) Взаимодействие с алкохоли.Алдехидите могат да реагират с една или две алкохолни молекули, за да образуват съответно полуацетали и ацетали.

Хемиацеталите са съединения, съдържащи както хидроксилни, така и алкоксилни (OR) групи при един въглероден атом. Ацеталите са съединения, съдържащи две алкокси групи при един въглероден атом:

полуацетал ацетал

Реакцията за получаване на ацетали се използва широко в органичния синтез за "защита" на активната алдехидна група от нежелани реакции:

Такива реакции са от особено значение в химията на въглехидратите.

б) Присъединяване на хидросулфитислужи за изолиране на алдехиди от смеси с други вещества и получаването им в чиста форма, тъй като полученото сулфопроизводно много лесно се хидролизира:

R-CH \u003d O + NaHSO 3 → R-CH (OH) -SO 3 Na.

V) реакция с теоли. алдехидите и кетоните реагират с тиоли в кисела среда, образува се дитиоацетал:

G) Присъединяване на циановодород(циановодородна) киселина:

CH 3 -CH \u003d O + H-CN → CH 3 -CH (CN) -OH.

Полученото съединение съдържа един въглероден атом повече от оригиналния алдехид или кетон, така че тези реакции се използват за удължаване на въглеродната верига.

д) Прикрепване на реактива на Гринярд. В органичния синтез изключително често се използва реактивът на Гриняр - едно от най-простите органометални съединения.

Когато разтвор на халоалкан в диетилов етер се добави към магнезиеви стърготини, лесно възниква екзотермична реакция, магнезият преминава в разтвор и се образува реактив на Гриняр:

R-X + Mg → R-Mg-X,

където R е алкилов или арилов радикал, X е халоген.

- Взаимодействието на реактива на Гринярдс формалдехид може да се получи почти всеки първичен алкохол (с изключение на метанола). За тази цел продуктът на добавяне на реактива на Гринярд се хидролизира с вода.

H 2 CO + RMgX → R-CH 2 -O-MgX → R-CH 2 -OH.

- При използване на други алифатни алдехиди могат да се получат вторични алкохоли:

- Третичните алкохоли се получават чрез взаимодействие на реактиви на Гриняр с кетони:

(CH 3) 2 C \u003d O + R-MgX → (CH 3) 2 C (R) -O-MgX → (CH 3) 2 C (R) -OH

16. Алдехиди и кетони. Химични свойства: реакция на кондензация, реакции с азотсъдържащи съединения. Индивидуални представители и тяхното приложение.

Органичните съединения, в молекулата на които има карбонилна група С=О, се наричат ​​карбонилни съединения или оксо съединения. Те се делят на две свързани групи – алдехиди и квтони.

Реакция на кондензация:

Алдолна кондензация

със съединения с СН киселинни свойства, алдехидите и кетоните могат да влизат в различни реакции на кондензация. съединения, съдържащи подвижен водород, в тези реакции действат като нуклеофилни реагенти и се наричат ​​мителинов компонент, а алдехидите и кетоните се наричат ​​карбонилни компоненти. реакцията на алдолна кондензация протича под действието на разредени алкали върху алдехида или кетона. докато едната алдехидна молекула е метиленов компонент, другата е карбоксилен компонент.

Под действието на основа алдехидът отнема протон от киселинния център α CH и се превръща в карбанион. Карбанионът е силен нуклеофил и се свързва с друга алдехидна молекула. стабилизирането на получения анион възниква поради елиминирането на протон от слаба киселина.

Механизъм:

Ако алдолната кондензация е придружена от елиминиране на вода (при висока температура), тогава такава кондензация се нарича кротонна кондензация:

Реакцията на алдолна или кратонова кондензация често се извършва в смесено вещество. когато метиленовите и карбоксилните компоненти са различни съединения. изборът на партньори за тази реакция се основава на факта, че карбонилният компонент трябва да бъде силно реактивен в реакции на нуклеофилно присъединяване. основно това е алдехид. в същото време метиленовият компонент трябва да има висока CH-киселинност - различни алдехиди или кетони с α-водороден атом.

Реакции на нуклеофилно присъединяване - реакции на присъединяване, при които атаката в началния етап се осъществява от нуклеофил - частица, която е отрицателно заредена или има свободна електронна двойка.

В последния етап полученият карбанион претърпява електрофилна атака.

Въпреки сходството на механизма, реакциите на присъединяване се отличават с връзки въглерод-въглерод и въглерод-хетероатом.

Реакциите на нуклеофилно присъединяване са по-чести за тройни връзки, отколкото за двойни връзки.

Реакции на нуклеофилно присъединяване при въглерод-въглеродни връзки

Нуклеофилното добавяне на множество връзки обикновено е двуетапен процес на Ad N 2 - реакция на бимолекулно нуклеофилно добавяне:

Нуклеофилното добавяне при връзката C=C е доста рядко и, като правило, ако съединението съдържа електрон-оттеглящи заместители. Реакцията на Майкъл е от най-голямо значение в този клас:

Прикрепването при тройната връзка е подобно на прикрепването при C=C връзката:

Реакции на нуклеофилно присъединяване при връзка въглерод-хетероатом Нуклеофилното присъединяване при връзка с множество въглерод-хетероатом има механизма Ad N 2

Като правило, етапът на ограничаване на скоростта на процеса е нуклеофилна атака, електрофилното добавяне настъпва бързо.

Понякога продуктите на добавяне влизат в реакция на елиминиране, като по този начин колективно дават реакция на заместване:

Нуклеофилното добавяне при C=O връзката е много често, което е от голямо практическо, индустриално и лабораторно значение.

Ацилиране на ненаситени кетони

Този метод включва третиране на субстрата с алдехид и цианиден йон в полярен апротонен разтворител като DMF или Me2SO. Този метод е приложим за a,b-ненаситени кетони, естери и нитрили.

Кондензация на естери с кетони

Когато естерите се кондензират с кетони, добивът на α-дикетон е нисък, около 40%, това се дължи на страничната реакция на самокондензация на естер.

Хидролиза на нитро съединения (Nef реакция)

Реакцията на Nef е реакция на киселинна хидролиза на нитро съединения с образуването на карбонилни съединения. Открит е през 1892 г. от руския химик M.I. Konovalov и J. Nef през 1894 г. Реакцията на Nef се състои в хидролиза на ацилни форми на нитросъединения (нитронови киселини) и следователно първични и вторични алифатни и алициклични нитросъединения могат да влязат в нея.

Реакцията на Nef дава възможност за получаване на дикарбонилни съединения с добив до 80-85%. За да направите това, реакцията се провежда при рН = 1, тъй като в по-малко кисела среда нитроновите киселини се изомеризират обратно в нитросъединение с намаляване на превръщането на нитросъединението, а в по-киселинна среда, образуването на страничните продукти се увеличават. Тази реакция се провежда при t=0-5°С.

Взаимодействие на кетони с киселинни хлориди в присъствието на пиперидин

Киселинните хлориди лесно се редуцират до първични алкохоли под действието на литиево-алуминиев хидрид. Но ако енаминът, получен от кетона под действието на пиперидин, реагира с киселинни хлориди, тогава след хидролизата на първоначално получената сол се образуват b-дикетони.