Нуклеофильді қосылу реакциялары (реакция-AdN). Нуклеофильді қосылу реакцияларының мысалдары Нуклеофильді қосылу реакцияларының қайтымдылығы

(қосу-бөлу реакциялары).

Нуклеофильді орын басу реакциялары – гибридтелген көміртек атомы.Осы түрдегі реакциялардың механизмін карбон қышқылдарының спирттермен әрекеттесу мысалында қарастырайық ( этерификация реакциясы). Қышқылдың карбоксил тобында б, -конъюгация, өйткені OH гидроксил тобының оттегі атомының электрон жұбы көміртек-оттегі қос байланысымен (-байланыс) конъюгацияға түседі:

Мұндай конъюгация, бір жағынан, карбоксил қосылыстарының қышқылдығының жоғарылауына, ал екінші жағынан, карбоксил тобының (-гибридтенген атом) көміртегі атомындағы ішінара оң зарядтың () төмендеуіне себеп болады, бұл өте қиындатады. нуклеофильдің тікелей шабуылы. Көміртек атомындағы зарядты арттыру үшін қосымша протондау қолданылады - қышқылдық катализ (I кезең):

II кезеңде нуклеофилдің (спирт молекуласының) шабуылы, жақсы кететін топтың түзілуімен гидроксил тобының протондануы жүреді, III кезеңде - оның жойылуы және IV кезеңде - протонның регенерациясы - катализатордың қайтарылуы. соңғы өнім – күрделі эфирдің түзілуі. Реакция қайтымды, ол күрделі эфирлердің гидролизі, биожүйедегі майлардың гидролизі кезінде байқалады.

Нуклеофильді қосылу реакциялары.Оксоқосылыстар - альдегидтер мен кетондар үшін нуклеофильді қосудың () ең тән реакциялары. Бұл реакциялардың механизмінің ортақ белгілері бар, ол екі сатылы иондық процесс. Бірінші кезең (шектеу) - Nu нуклеофильдің қайтымды шабуылы : тетраэдрлік аралық деп аталатын түзілуімен. Екінші кезең - жылдам электрофилдік шабуыл:

Оксоқосылыстың реактивтілігіне R және топтардың табиғаты әсер етеді. Осылайша, электрон беретін орынбасарларды енгізу реактивтілікті төмендетеді, ал электрон алып кететін орынбасарларды енгізу оны күшейтеді. Сондықтан альдегидтер кетондарға қарағанда белсендірек. Сонымен қатар реактивтілік нуклеофилдің табиғатына байланысты. Мысалы, RSH тиолдары, ROH спирттеріне қарағанда күшті нуклеофильдер болғандықтан, альдегидтермен де, кетондармен де әрекеттеседі, гидролизге төзімді тиоацеталдарды түзеді, ал альдегидтерге спирттерді қосу өнімдері ацеталдар гидролизге төзімді емес:

Процестің соңғы кезеңдері нуклеофильдің (алкоголь молекуласының) электрофильді реакция орталығына (карбокация) шабуылын білдіретінін және нуклеофильді алмастыру механизмін ұстанатынын ескеріңіз. Алынған аралық қосылыстар – гемиацеталдар – тұрақсыз. Олардың тұрақтануы циклдік гемиацеталдар түзілген кезде циклдік түрде ғана мүмкін болады, мысалы, 5-гидроксипентанал:

Бұл түрдегі биологиялық маңызды реакцияның тағы бір мысалы ретінде карбонилді қосылыстарға - альдегидтер мен кетондарға аминдердің және кейбір басқа азоты бар қосылыстардың қосылуы жатады. Реакция жалғасады нуклеофильді қосылу-жою механизмі (-E) немесе нуклеофильді қосылу-бөліну:

Осы реакцияларда нуклеофильдер қызметін атқаратын құрамында азоты бар басқа қосылыстар: гидразин, гидроксиламин, фенилгидразин .

Бұл жағдайларда -Е реакцияларының өнімдері жалпы формуланың қосылыстары болып табылады

гидразондар (X = ), оксимдер (X = OH), фенилгидразондар (X = ), иминдер (X = R) деп аталады, олар тиісті тарауларда толығырақ қарастырылады.

Көрсетілген қосу реакцияларына қосымша реакциялар болуы мүмкін Жарнама Р- бос радикалды қосу және полимерлеу немесе поликонденсация.

Ad R – бос радикалды қосу

Реакцияның мысалы поликонденсацияфенолдың альдегидтермен, атап айтқанда формальдегидпен поликонденсациялануы болып табылады, нәтижесінде полимерлік реакция өнімдері – фенолформальдегидті шайырлар және қатты полимерлер түзіледі.

Фенолдың формальдегидпен әрекеттесуін мына схемамен сипаттауға болады:

Келесі қадамдар барысында полимер түзіледі және поликонденсация реакциясының қосымша өнімі бұл жағдайда су болып табылады.

4-ТАРАУ. ОКСО ҚОСЫЛЫСТАР (АЛЬДЕГИДТЕР ЖӘНЕ КЕТОНДАР).

Сабаққа арналған сұрақтар.

1. Оксоқосылыстардағы карбонил тобының (>C=0) электрондық құрылымы.

2. Оксоқосылыстардағы >С=0-байланыстардың реакциялық қабілетіне орынбасарлардың әсері.

3. >C=0 байланыс кезіндегі нуклеофильді қосылу механизмі.

4. Нуклеофильді қосылу реакциялары (мысалы, су, спирттер, натрий бисульфиті, HCN).

5. Гидроксиламин, гидразин, аминдер мысалында қосу-элиминация реакциялары.

6. Мысал ретінде бензилальдегидті қолдану арқылы диспропорциялану реакциясы.

7. Альдол конденсация реакциясының механизмі.

8. Альдегидтер мен кетондардың тотығуы.

9. Альдегидтердің полимерленуі.

Карбонил тобымен байланысқан орынбасарлардың табиғатына байланысты карбонил қосылыстары келесі кластарға бөлінеді: альдегидтер, кетондар, карбон қышқылдары және олардың функционалды туындылары.

Альдегидтер мен кетондардың химиясы карбонил тобының болуымен анықталады. Бұл топ, біріншіден, нуклеофильді шабуылдың орны болып табылады, екіншіден, -көміртек атомымен байланысқан сутегі атомдарының қышқылдығын арттырады. Бұл әсерлердің екеуі де карбонил тобының құрылымына әбден сәйкес келеді және іс жүзінде екеуі де оттегінің теріс зарядты қабылдау қабілетіне байланысты.

(Бұл тарауда нуклеофильді қосылу реакцияларының ең қарапайым түрлері ғана қарастырылады. 27-тарауда -сутек атомдарының реакциялары да қарастырылады.)

Карбонил тобында көміртек-оттегі қос байланысы бар; жылжымалы -электрондар оттегіге күшті тартылатындықтан, көміртегінің карбонил тобы электрон тапшылығы бар орталық, ал оттегінің карбонил тобы электронға бай. Молекуланың бұл бөлігі тегіс болғандықтан, оған перпендикуляр бағытта осы жазықтықтың үстінде немесе төменнен шабуыл жасауға салыстырмалы түрде қол жетімді. Таңқаларлық емес, бұл қол жетімді поляризацияланған топ жоғары реактивті.

Мұндай топқа қандай реагенттер шабуыл жасайды? Бұл реакциялардың ең маңызды кезеңі электрон тапшылығы бар (қышқылдық) карбонилді көміртегімен байланыстың түзілуі болғандықтан, карбонил тобы электронға бай нуклеофильді реагенттермен, яғни негіздермен әрекеттесуге бейім. Альдегидтер мен кетондардың типтік реакциялары нуклеофильді қосылу реакциялары болады.

Күтілгендей, карбонил тобының реактивтілігінің ең дәл суретін нуклеофилді қосу үшін өтпелі күйді қарастыру арқылы алуға болады. Реагенттегі көміртегі атомы тригональды. Өтпелі күйде көміртегі атомы өнімде болатын тетраэдрлік конфигурацияны қабылдай бастайды; осылайша, онымен байланысты топтар біршама жақындайды. Сондықтан кейбір кеңістіктік қиындықтарды күтуге болады, яғни үлкен топтар бұл тәсілді кіші топтарға қарағанда көбірек болдырмайды. Бірақ бұл реакциядағы өтпелі күй, мысалы, көміртегі бес атоммен байланысқан -реакция үшін өтпелі күйге қарағанда салыстырмалы түрде қиынырақ болады. Дәл осы салыстырмалы қарапайымдылық, бұл карбонил тобы шабуылға қол жетімді деп айтылған кезде.

Өтпелі күйде оттегі электрондарды және соңғы өнімде болатын теріс зарядты ала бастайды. Карбонил тобының нуклеофильдерге реактивтілігінің нақты себебі оттегінің электрондарды алуға бейімділігі, дәлірек айтсақ, теріс зарядты тасымалдау қабілеті болып табылады.(Карбонил тобының полярлығы реактивтіліктің себебі емес, бірақ оттегінің электртерістігінің тағы бір көрінісі ғана.)

Альдегидтер кетондарға қарағанда нуклеофильді қосылуға бейім. Реактивтіліктің бұл айырмашылығы реакцияның аралық күйінің сипатына сәйкес келеді және, шамасы, электрондық және кеңістіктік факторлардың бірлескен әрекетімен түсіндіріледі. Кетонның құрамында екінші алкил немесе арил тобы бар, ал альдегидте сутегі атомы бар. Кетонның екінші арыл немесе алкил тобы альдегидтің сутегі атомынан үлкенірек, сондықтан өтпелі күйдегі стерикалық кедергінің күшеюіне төзімдірек болады. Алкил тобы электрондарды береді және осылайша оттегінің теріс зарядын арттыру арқылы өтпелі күйді тұрақсыздандырады.

Арил тобы өзінің электрондарды тарту индуктивті әсерімен (18.7-есеп, 572-бет) өтпелі күйді тұрақтандырады және сол арқылы реакцияны жылдамдатады деп күтуге болады; дегенмен, шамасы, бұл әсер резонанстық (I құрылымның үлесі) есебінен бастапқы кетонды одан да көп дәрежеде тұрақтандырады және нәтижесінде қарастырылып отырған реакциядағы кетонды деактивациялайды.

Схема:

Механизм:

1- Білім π-комплекс (баяу)

2- Білім ϭ-комплекс немесе карбокация (баяу)

Карбокациондаркөміртегі атомында валенттік электрондардың секстеті бар оң зарядты тұрақсыз аралық өнімдер.

Галогеноний ионының нуклеофильді шабуылы (жылдам)

Реакция жылдамдығы негізінен алкеннің құрылымына байланысты. Алкенге метил алмастырғыштарды енгізгенде +I CH 3 есебінен электрон тығыздығы артады және реакция жылдамдығы артады. Екінші жағынан, CF 3 трифторметил тобы теріс индуктивті әсерге байланысты алкендегі электрондардың тығыздығын төмендетеді және осылайша электрофильдік шабуылды қиындатады.

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

Алкендердің галогендермен әрекеттесу жылдамдығын арттыру.

Қанықпаған көмірсутекке су қосылғанда механизмге төртінші кезең (катализатордың қайтарылуы) қосылады.

47-электрофильді орынбасу реакциясы: ароматты жүйенің π-электронды бұлты қатысатын гетеролитикалық реакция (галогендеу, нитрлеу, алкиндеу).

S E -электрофильді орынбасу реакциясы..

Арендердің электрофильді агрегатпен әрекеттесуі де ϭ және π-кешендердің түзілуі арқылы кезең-кезеңімен жүреді.

Бензол қатарындағы ароматты қосылыстардың, балқытылған және гетероциклді ароматты қосылыстардың тән ерекшелігі олардың ароматты жүйенің бұзылуына әкелмейтін реакцияларға түсуге бейімділігі – реакция. ауыстыру. Керісінше, қосу немесе тотығу сияқты ароматтылықты бұзатын реакцияларда ароматты қосылыстардың реактивтілігі төмендейді.

Схема:

Механизм:

Электрофильді бөлшектің пайда болуы.

2. π-комплекстің түзілуі (баяу)

3. ϭ-комплекстің немесе карбокатионның түзілуі

4. ϭ-комплекстен протонның жойылуы

Галогендеу.

Нитрлеу.

Алкинизация.

48-sp 3-гибридтенген көміртек атомындағы нуклеофильді орын басу реакциясы: ϭ-байланыс көміртек-гетероатомының поляризациясы нәтижесіндегі гетеролитикалық реакциялар (галоген туындылары, спирттер).

SN-нуклеофильді орын басу реакциясы

SN келесі функционалдық топтардан тұратын қаныққан органикалық қосылыстарға ең тән: галоген, гидроксил, тиол және амин топтары.

SN 1 – әлсіз нуклеофил мен полярлы еріткіштің қатысуымен үшінші және жартылай екінші ретті алканды галогенидтерге тән.

Механизм:

I кезең

II кезең

SN 2-бастапқы және жартылай қайталама атомдарға тән.

Механизм:

49-Нуклеофильді қосылу реакциясы: көміртегі-оттегі π-байланыстың қатысуымен өтетін гетеролитикалық реакция (альдегидтер мен кетондардың спирттермен, біріншілік аминдермен әрекеттесуі). Электрондық және кеңістіктік факторлардың әсері, қышқылдық катализдің рөлі. Нуклеофильді қосылу реакциясының биологиялық маңызы.

A N - нуклеофильді қосылу реакциясы.

альдегидтер мен кетондарға тән.

жылы үлкен мән биологиялықкарбонилді қосылыстардың (альдегидтер мен кетондардың) аммиакпен реакциясы бар, иминдердің түзілуімен (Шиф негіздері), өте тұрақсыз, оңай гидролизденетін қосылыстар.

Иминдер альдегидтер мен кетондардан аминдер синтезінде кейбір ферментативті реакциялардың аралық өнімдері болып табылады.

Мысалы, кейбір α-амин қышқылдары организмде осы схема бойынша синтезделеді.

Аммиактың альдегидтермен әрекеттесуі мүмкін циклдену арқылы қиындауы мүмкін. Сонымен, формальдегидтен А.М. Бутлеров бірінші болып антисептик ретінде кеңінен қолданылған медициналық препарат – гексаметилентетраамин (уротропин) алды.

қышқылдық катализсубстратты белсендіруге қызмет етеді.

реакция орталықтары.

Механизм:

РеакциялардаРеакция жылдамдығын арттыру үшін A N a катализаторы (бейорганикалық қышқыл) қолданылады

Схема:

Механизм:

а) Спирттермен әрекеттесу.Альдегидтер бір немесе екі спирт молекуласымен әрекеттесіп, сәйкесінше гемиацеталдар мен ацеталдарды түзе алады.

Гемиацеталдар - бір көміртегі атомында гидроксил және алкоксиль (OR) топтары бар қосылыстар. Ацетальдар – бір көміртегі атомында екі алкокси тобы бар қосылыстар:

гемиацетальды ацеталь

Ацеталдарды алу реакциясы белсенді альдегид тобын жағымсыз реакциялардан «қорғау» үшін органикалық синтезде кеңінен қолданылады:

Мұндай реакциялардың көмірсулар химиясында ерекше маңызы бар.

б) Гидросульфиттердің қосылуыальдегидтерді басқа заттармен қоспалардан бөліп алу және оларды таза күйінде алу үшін қызмет етеді, өйткені алынған сульфотуынды өте оңай гидролизденеді:

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

в) теолимен реакция. альдегидтер мен кетондар қышқыл ортада тиолдармен әрекеттеседі, дитиацетальды түзіледі:

G) Гидроцианның қосылуы(гидроциандық) қышқыл:

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

Алынған қосылыста бастапқы альдегидке немесе кетонға қарағанда бір көміртек атомы көп болады, сондықтан бұл реакциялар көміртек тізбегін ұзарту үшін қолданылады.

д) Гринард реагентінің қосылуы. Органикалық синтезде ең қарапайым металлорганикалық қосылыстардың бірі болып табылатын Гринард реактиві өте жиі қолданылады.

Магний жоңқаларына диэтил эфиріндегі галоалкан ерітіндісін қосқанда оңай экзотермиялық реакция жүреді, магний ерітіндіге өтеді және Гринард реактиві түзіледі:

R-X + Mg → R-Mg-X,

мұндағы R – алкил немесе арил радикалы, X – галоген.

- Гринард реагентінің әрекеттесуіформальдегидпен кез келген дерлік бастапқы спиртті (метанолдан басқа) алуға болады. Ол үшін Гринард реагентінің қосылған өнімі сумен гидролизденеді.

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

- Кез келген басқа алифатты альдегидтерді қолданғанда екінші реттік спирттер алуға болады:

- Үшіншілік спирттер Гринард реагенттерінің кетондармен әрекеттесуінен алынады:

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

16. Альдегидтер және кетондар. Химиялық қасиеттері: конденсация реакциясы, құрамында азот бар қосылыстармен реакциялар. Жеке өкілдер және олардың қолданылуы.

Молекуласында C=O карбонил тобы бар органикалық қосылыстар карбонилді қосылыстар немесе оксоқосылыстар деп аталады. Олар екі туысқан топқа бөлінеді - альдегидтер және квтондар.

Конденсация реакциясы:

Альдол конденсациясы

CH қышқылдық қасиеттері бар қосылыстармен альдегидтер мен кетондар әртүрлі конденсация реакцияларына түсуге қабілетті. Бұл реакцияларда қозғалмалы сутегі бар қосылыстар нуклеофильді реагент ретінде әрекет етеді және оны мителиндік компонент, ал альдегидтер мен кетондар карбонил компоненті деп аталады. альдол конденсация реакциясы альдегидке немесе кетонға сұйылтылған сілтілердің әсерінен жүреді. альдегидтің бір молекуласы метилен компоненті болса, екіншісі карбоксилдік компонент.

Негіздің әсерінен альдегид α CH қышқыл орталығынан протонды алып тастап, карбанионға айналады. Карбанион күшті нуклеофил болып табылады және басқа альдегид молекуласымен байланысады. пайда болған анионның тұрақтануы әлсіз қышқылдан протонның жойылуына байланысты болады.

Механизм:

Егер альдол конденсациясы судың жойылуымен (жоғары температурада) жүрсе, онда мұндай конденсация кротондық конденсация деп аталады:

Альдол немесе кратоникалық конденсация реакциясы көбінесе аралас затта жүргізіледі. метилен және карбоксил компоненттері әртүрлі қосылыстар болған кезде. бұл реакцияға серіктестерді таңдау нуклеофильді қосылу реакцияларында карбонил компонентінің жоғары реактивті болуы керек екендігіне негізделген. Негізінен бұл альдегид. сонымен бірге метилен компоненті жоғары CH-қышқылдылыққа ие болуы керек - α-сутегі атомы бар әртүрлі альдегидтер немесе кетондар.

Нуклеофильді қосылу реакциялары – бастапқы сатыдағы шабуылды нуклеофил – теріс зарядталған немесе бос электрон жұбы бар бөлшек жүзеге асыратын қосылу реакциялары.

Соңғы кезеңде алынған карбанион электрофильдік шабуылға ұшырайды.

Механизмнің ортақтығына қарамастан, қосылу реакциялары көміртегі-көміртек және көміртек-гетероатомдық байланыстармен ерекшеленеді.

Нуклеофильді қосылу реакциялары қос байланысқа қарағанда үштік байланыстар үшін жиі кездеседі.

Көміртек-көміртек байланысындағы нуклеофильді қосылу реакциялары

Көп байланыс нуклеофильді қосылу әдетте екі сатылы Ad N 2 процесі - бимолекулалық нуклеофильді қосылу реакциясы:

С=С байланысындағы нуклеофильді қосылу өте сирек кездеседі және, әдетте, қосылыс құрамында электрондарды тартып алатын орынбасарлар болса. Майкл реакциясы осы сыныпта ең маңызды болып табылады:

Үштік байланыстағы қосылу C=C байланысындағы тіркемеге ұқсас:

Көміртек-гетероатомдық байланыстағы нуклеофильді қосылу реакциялары Көп көміртегі-гетероатомдық байланыстағы нуклеофильді қосылу Ad N 2 механизміне ие.

Әдетте, процестің жылдамдығын шектейтін сатысы нуклеофильді шабуыл болып табылады, электрофильді қосылу тез жүреді.

Кейде қосылған өнімдер элиминация реакциясына түседі, осылайша бірігіп алмастыру реакциясын береді:

С=О байланысындағы нуклеофильді қосылу өте кең таралған, оның практикалық, өндірістік және зертханалық маңызы зор.

Қанықпаған кетондардың ацилденуі

Бұл әдіс субстратты альдегидпен және цианид ионымен DMF немесе Me 2 SO сияқты полярлы апротикалық еріткіште өңдеуді қамтиды. Бұл әдіс a,b-қанықпаған кетондарға, күрделі эфирлерге және нитрилдерге қолданылады.

Күрделі эфирлердің кетондармен конденсациялануы

Күрделі эфирлерді кетондармен конденсациялағанда α-дикетонның шығымы төмен, шамамен 40%, бұл күрделі эфирдің өздігінен конденсациялануының жанама реакциясына байланысты.

Нитроқосылыстардың гидролизі (Неф реакциясы)

Неф реакциясы – нитроқосылыстардың қышқылдық гидролиздену реакциясы, карбонилді қосылыстардың түзілуі. 1892 жылы орыс химигі М.И. Коновалов және Дж.Неф 1894 ж. Неф реакциясы нитроқосылыстардың (нитрон қышқылдары) ацилдік формаларының гидролизінен тұрады, сондықтан оған біріншілік және қайталама алифатты және алициклді нитроқосылыстар түсуі мүмкін.

Неф реакциясы 80-85% шығымдылығымен дикарбонилді қосылыстарды алуға мүмкіндік береді. Ол үшін реакция рН=1 кезінде жүргізіледі, өйткені қышқылдығы аз ортада нитрон қышқылдары нитроқосылыстың айналуының төмендеуімен қайтадан нитроқосылысқа айналады, ал қышқылдығы жоғары ортада түзіледі. жанама өнімдер көбейеді. Бұл реакция t=0-5 0 С кезінде жүзеге асады.

Пиперидиннің қатысуымен кетондардың қышқыл хлоридтерімен әрекеттесуі

Қышқыл хлоридтер литий алюминий гидридінің әсерінен бастапқы спирттерге оңай тотықсызданады. Бірақ егер кетоннан пиперидин әсерінен алынған энамин қышқыл хлоридтермен әрекеттессе, онда бастапқы алынған тұз гидролизден кейін b-дикетондар түзіледі.