Нуклеофилни реакции на додавање (AdN реакција). Примери на реакции на нуклеофилно додавање Реверзибилност на реакции на нуклеофилно додавање

(реакции на додавање-елиминација).

Нуклеофилни реакции на супституција кои вклучуваат - хибридизиран јаглероден атом.Да го разгледаме механизмот на реакции од овој тип користејќи го примерот на интеракцијата на карбоксилните киселини со алкохолите ( реакција на естерификација). Во карбоксилната група на киселината се реализира стр, -конјугација, бидејќи парот електрони на атом на кислород од хидроксилната група OH влегува во конјугација со двојна врска јаглерод-кислород (-врска):

Оваа конјугација е причина, од една страна, за зголемена киселост на карбоксилните соединенија, а од друга, за намалување на делумното позитивно полнење () на јаглеродниот атом на карбоксилната група (-хибридизиран атом), што во голема мера го отежнува директниот напад на нуклеофилот. За да се зголеми полнењето на јаглеродниот атом, се користи дополнителна протонација - киселинска катализа (фаза I):

Во стадиум II, настанува напад на нуклеофилот (молекула на алкохол), протонирање на хидроксилната група со формирање на заминувачка група, во стадиум III - нејзина елиминација и во стадиум IV - регенерација на протонот - враќање на катализаторот со формирање на финалниот производ - естер. Реакцијата е реверзибилна, што се забележува при хидролиза на естери и хидролиза на масти во биосистемите.

Нуклеофилни реакции на додавање.Најтипични нуклеофилни реакции на додавање () се за оксо соединенија - алдехиди и кетони. Механизмот на овие реакции има заеднички карактеристики, тој е двостепен јонски процес. Првата фаза (ограничување) е реверзибилен напад од нуклеофилот Ну : со формирање на таканаречениот тетраедарен меѓупростор. Втората фаза е брз напад со електрофил:

Реактивноста на оксо соединението е под влијание на природата на R и групите. Така, воведувањето на супституенти кои донираат електрони ја намалува реактивноста, а воведувањето на супституенти кои повлекуваат електрони ја подобрува. Затоа, алдехидите се поактивни во реакциите од кетоните. Покрај тоа, реактивноста зависи од природата на нуклеофилот. На пример, RSH тиолите, кои се посилни нуклеофили од ROH алкохолите, реагираат и со алдехиди и со кетони, формирајќи тиоацетали кои се отпорни на хидролиза, додека ацеталите, производите од додавањето на алкохоли во алдехидите, не се отпорни на хидролиза:

Забележете дека последните фази од процесот претставуваат напад од нуклеофил (молекула на алкохол) на центар за електрофилна реакција (карбокација) и го следат механизмот на нуклеофилна супституција. Добиените меѓусоединенија - хемиацетали - се нестабилни. Нивната стабилизација е можна само во циклична форма со формирање на циклични хемиацетали, на пример 5-хидроксипентанал:

Друг пример за биолошки важна реакција од овој тип е додавањето на амини и некои други соединенија што содржат азот во карбонилни соединенија - алдехиди и кетони. Реакцијата оди според механизам на нуклеофилно додавање-елиминација (-E), или нуклеофилно додавање-елиминација:

Други соединенија што содржат азот кои делуваат како нуклеофили во овие реакции: хидразин, хидроксиламин, фенилхидразин .

Производите од реакциите -Е во овие случаи се соединенија со општата формула

наречени хидразони (X =), оксими (X = OH), фенил-хидразони (X =), имини (X = R), за кои подетално ќе се дискутира во соодветните делови.

Покрај горенаведените реакции на додавање, можни се реакции Огласот Р- додавање на слободни радикали и полимеризација или поликондензација.

Реклама R - додавање на слободни радикали

Пример за реакција поликондензацијае поликондензација на фенол со алдехиди, особено со формалдехид, што резултира со формирање на производи од полимерна реакција - фенол-формалдехидни смоли и цврсти полимери.

Интеракцијата на фенол со формалдехид може да се опише со следнава шема:

Во текот на понатамошните чекори, се формира полимер, а нуспроизводот на реакцијата на поликондензација, во овој случај, е вода.

ПОГЛАВЈЕ 4. ОКСОСОединенија (АЛДЕХИДИ И КЕТОНИ).

Прашања за лекцијата.

1. Електронска структура на карбонилната група (>C=0) во оксо соединенија.

2. Влијанието на супституентите врз реактивноста на >C=0 врските во оксо соединенијата.

3. Механизам на нуклеофилно додавање преку врска >C=0.

4. Нуклеофилни реакции на додавање (користејќи го примерот на вода, алкохоли, натриум бисулфит, HCN).

5. Реакции на додавање-елиминација користејќи го примерот на хидроксиламин, хидразин, амини.

6. Реакција на диспропорција користејќи бензилалдехид како пример.

7. Механизам на реакција на кондензација на алдол.

8. Оксидација на алдехиди и кетони.

9. Полимеризација на алдехиди.

Во зависност од природата на супституентите поврзани со карбонилната група, карбонилните соединенија се поделени во следните класи: алдехиди, кетони, карбоксилни киселини и нивните функционални деривати.

Хемијата на алдехидите и кетоните се определува со присуство на карбонилна група. Оваа група, прво, е место на нуклеофилен напад и, второ, ја зголемува киселоста на атомите на водород поврзани со атомот -јаглерод. И двата од овие ефекти се сосема конзистентни со структурата на карбонилната група, а всушност и двата се должат на способноста на кислородот да преземе негативен полнеж.

(Ова поглавје ги опфаќа само наједноставните типови на нуклеофилни реакции на додавање. Реакциите на атоми на водород исто така ќе бидат разгледани во Поглавје 27.)

Карбонилната група содржи двојна врска јаглерод-кислород; Бидејќи мобилните електрони се силно привлечени од кислородот, јаглеродот од карбонилната група е центар со недостаток на електрони, а кислородот од карбонилната група е богат со електрони. Бидејќи овој дел од молекулата е рамен, релативно е достапен да се нападне од горе или под оваа рамнина во насока нормална на неа. Не е изненадувачки што оваа достапна поларизирана група е многу реактивна.

Какви реагенси ќе нападнат таква група? Бидејќи најважната фаза во овие реакции е формирањето на врска со јаглерод со дефицит на електрони (кисел), карбонилната група е најмногу склона да комуницира со нуклеофилни реагенси богати со електрони, т.е. со бази. Типични реакции на алдехиди и кетони ќе бидат нуклеофилни реакции на додавање.

Како што би се очекувало, најточната слика за реактивноста на карбонилната група може да се добие со разгледување на преодната состојба за нуклеофилско додавање. Во реагенсот, јаглеродниот атом е тригонален. Во преодната состојба, јаглеродниот атом почнува да ја презема тетраедарската конфигурација што би ја имал во производот; така, групите поврзани со него се нешто поблиски. Затоа, можеме да очекуваме да се појават некои просторни тешкотии, т.е., големите групи ќе ја попречат оваа конвергенција во поголема мера отколку помалите групи. Но, преодната состојба во оваа реакција ќе биде релативно помалку попречена од состојбата на транзиција, да речеме, за реакција во која јаглеродот е поврзан со пет атоми. Токму оваа релативна леснотија на тешкотија се подразбира кога се вели дека карбонилната група е нападната.

Во преодната состојба, кислородот почнува да добива електрони и негативниот полнеж што ќе го има во финалниот производ. Склоноста на кислородот да стекнува електрони, поточно неговата способност да носи негативен полнеж, е вистинската причина за реактивноста на карбонилната група кон нуклеофилите (Поларитетот на карбонилната група не е причина за реактивност, туку само уште една манифестација на електронегативноста на кислородот.)

Алдехидите генерално подлежат на нуклеофилни реакции на додавање полесно од кетоните. Оваа разлика во реактивноста е во согласност со природата на средната состојба на реакцијата и, очигледно, се објаснува со комбинираното дејство на електронските и просторните фактори. Кетонот содржи втора алкилна или арилна група, а алдехидот содржи атом на водород. Втората арилна или алкилна група на кетонот е поголема од водородниот атом на алдехидот и затоа ќе има поголема веројатност да го инхибира зголемувањето на стеричната пречка во преодната состојба. Алкилната група донира електрони и со тоа ја дестабилизира преодната состојба со зголемување на негативниот полнеж на кислородот.

Може да се очекува дека арилната група, со својот индуктивен ефект на повлекување електрони (Проблем 18.7, стр. 572), ќе ја стабилизира преодната состојба и со тоа ќе ја забрза реакцијата; сепак, се чини дека овој ефект дополнително го стабилизира почетниот кетон поради резонанца (придонес од структурата I) и, како резултат на тоа, го деактивира кетонот во односната реакција.

Шема:

Механизам:

1- Образование π-комплекс (medl)

2- Образование ϭ- комплекс или карбокација (medl)

Карбокации– позитивно наелектризирани нестабилни посредници со секстет валентни електрони во јаглеродниот атом.

Нуклеофилен напад на јон на галагенониум (брз)

Брзината на реакција значително зависи од структурата на алкенот. Кога метил супституентите се воведуваат во алкен, густината на електроните се зголемува поради +I CH 3 и брзината на реакцијата се зголемува. Од друга страна, трифлутометил групата CF 3, поради негативен индуктивен ефект, ја намалува густината на електроните во алкенот и со тоа го попречува електрофилниот напад.

CF 3 CH=CH 2< CH 2 =CH 2 < CH 3 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH(CH 3) 2

Зголемување на брзината на реакција на алкените со халогени.

Кога се додава вода на незаситените јаглеводороди, во механизмот се додава четврта фаза (враќање на катализаторот).

47-реакција на електрофилна супституција: хетеролитичка реакција која го вклучува π-електронскиот облак на ароматичниот систем (халогенација, нитрација, алкилација).

S E-реакција на електрофилна супституција..

Интеракцијата на арените со електрофилен агрегат исто така се јавува во фази преку формирање на ϭ и π комплекси.

Карактеристична карактеристика на ароматичните соединенија од бензенската серија, кондензираните и хетероцикличните ароматични соединенија е нивната тенденција да влегуваат во реакции кои не доведуваат до нарушување на ароматичниот систем - реакции замена. Напротив, во реакциите кои ја нарушуваат ароматичноста, како што се додавање или оксидација, ароматичните соединенија имаат намалена реактивност.

Шема:

Механизам:

Генерирање на електрофилна честичка.

2. Формирање на π-комплекс (бавно)

3. Формирање на ϭ-комплекс или карбокација

4. Апстракција на протон од ϭ-комплексот

Халогенација.

Нитрација.

Алкилација.

48-Нуклеофилна супституциона реакција на sp3-хибридизиран јаглероден атом: хетеролитички реакции предизвикани од поларизација на врската φ-јаглерод-хетероатом (халогени деривати, алкохоли).

SN-Нуклеофилна супституциона реакција

SN се најкарактеристични за заситените органски соединенија кои ги содржат следните функционални групи: халоген, хидроксил, тиол и амино група.

SN 1 - карактеристика на терциерни и делумно секундарни алканхалиди во присуство на слаб нуклеофил и поларен растворувач

Механизам:

Фаза I

Фаза II

SN 2-карактеристика на примарните и делумно секундарните атоми.

Механизам:

49-Нуклеофилна реакција на додавање: хетеролитичка реакција која вклучува π-јаглерод-кислородна врска (интеракција на алдехиди и кетони со алкохоли, примарни амини). Влијание на електронски и просторни фактори, улогата на киселинската катализа. Биолошко значење на нуклеофилната реакција на додавање.

N-нуклеофилна реакција на додавање.

Карактеристично за алдехиди и кетони.

Голема вредност во биолошкиима реакција на карбонилните соединенија (алдехиди и кетони) со амонијак, кој произведува имини (Шифови бази), многу нестабилни, лесно хидролизирани соединенија.

Имините се меѓупроизводи во некои ензимски реакции во синтезата на амини од алдехиди и кетони.

На пример, некои α-амино киселини се синтетизираат во телото според оваа шема.

Интеракцијата на амонијакот со алдехидите може да биде комплицирана со можна циклизација. Значи, од формалдехид А.М. Батлеров беше првиот што прими медицински лек - хексаметилентетраамин (уротропин), кој беше широко користен како антисептик.

Киселина катализаслужи за активирање на подлогата.

Центри за реакција.

Механизам:

Во реакциитеЗа зголемување на брзината на реакцијата се користи катализатор N a (неорганска киселина).

Шема:

Механизам:

А) Интеракција со алкохоли.Алдехидите можат да реагираат со една или две молекули на алкохол за да формираат хемиацетали и ацетали, соодветно.

Хемиацеталите се соединенија кои содржат хидроксилни и алкокси (ИЛИ) групи во ист јаглероден атом. Ацеталите се соединенија кои содржат две алкокси групи во еден јаглероден атом:

хемиацетал ацетал

Реакцијата за производство на ацетали е широко користена во органските синтези за да се „заштити“ активната алдехидна група од несакани реакции:

Ваквите реакции се особено важни во хемијата на јаглехидратите.

б) Додавање на хидросулфитислужи за изолирање на алдехиди од мешавини со други супстанции и нивно добивање во чиста форма, бидејќи добиениот сулфо дериват многу лесно се хидролизира:

R-CH=O + NaHSO 3 → R-CH(OH)-SO 3 Na.

V) реакција со теоли. алдехидите и кетоните реагираат со тиоли во кисела средина, се формира дитиоацетал:

G) Додавање на водород цијанид(водоцијанска) киселина:

CH 3 -CH=O + H-CN → CH 3 -CH(CN)-OH.

Добиеното соединение содржи еден јаглероден атом повеќе од почетниот алдехид или кетон, па реакциите како овие се користат за продолжување на јаглеродниот синџир.

г) Додавање на Grignard реагенс. Во органската синтеза, реагенсот Грињард, едно од наједноставните органометални соединенија, исклучително често се користи.

Кога растворот на халоалкан во диетил етер се додава на магнезиумските превртувања, лесно се јавува егзотермна реакција, магнезиумот влегува во раствор и се формира Грињард реагенс:

R-X + Mg → R-Mg-X,

каде што R е алкил или арил радикал, X е халоген.

- Интеракција на Грињард реагенсСо формалдехид можете да добиете речиси секој примарен алкохол (освен метанол). За да го направите ова, адитивниот производ на реагенсот Грињард се хидролизира со вода.

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

- Кога се користат други алифатични алдехиди, може да се добијат секундарни алкохоли:

- Терциерните алкохоли се добиваат со реакција на Грињардовите реагенси со кетони:

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

16. Алдехиди и кетони. Хемиски својства: реакција на кондензација, реакции со соединенија што содржат азот. Индивидуалните претставници и нивната примена.

Органските соединенија чија молекула содржи карбонилна група C=O се нарекуваат карбонилни соединенија или оксо соединенија. Тие се поделени во две сродни групи - алдехиди и квони.

Реакција на кондензација:

Алдолска кондензација

Со соединенијата кои имаат киселински својства на CH, алдехидите и кетоните можат да влезат во различни реакции на кондензација. соединенијата кои содржат подвижен водород во овие реакции делуваат како нуклеофилен реагенс и се нарекуваат мителенска компонента, а алдехидите и кетоните се нарекуваат карбонилна компонента. Реакцијата на кондензација на алдол се јавува кога алдехидот или кетонот се изложени на разредени алкали. во овој случај, едната молекула на алдехид претставува метиленска компонента, другата јаглеродна компонента.

Под дејство на база, алдехидот апстрахира протон од центарот α CH киселина и се претвора во карбанион. Карбанионот е силен нуклеофил и се прикачува на друга молекула на алдехид. стабилизирање на добиениот анјон се јавува поради апстракција на протон од слаба киселина.

Механизам:

Ако кондензацијата на алдол е придружена со елиминација на вода (на висока температура), тогаш таквата кондензација се нарекува Кротонска кондензација:

Реакциите на алдол или кратонска кондензација често се изведуваат во мешана материја. кога метиленските и јаглеродните компоненти се различни соединенија. изборот на партнери за оваа реакција се врши врз основа на тоа што карбонилната компонента мора да има висока реактивност во реакциите на нуклеофилно додавање. Тоа е главно алдехид. во исто време, метиленската компонента мора да има висока киселост на CH - различни алдехиди или кетони кои имаат атом на α-водород.

Нуклеофилни адициски реакции се реакции на додавање во кои нападот во почетната фаза го врши нуклеофил - честичка која е негативно наелектризирана или има слободен електронски пар.

Во последната фаза, добиениот карбанион е подложен на електрофилен напад.

И покрај заедништвото на механизмот, реакциите на додавање се разликуваат со врски јаглерод-јаглерод и јаглерод-хетероатом.

Нуклеофилните реакции на додавање се почести за тројни врски отколку за двојни врски.

Нуклеофилни реакции на додавање на јаглерод-јаглеродни врски

Нуклеофилното додавање на повеќекратна врска обично е процес во два чекора Ad N 2 - бимолекуларна нуклеофилна реакција на додавање:

Нуклеофилното додавање на врската C=C е доста ретко, и, по правило, ако соединението содржи супституенти кои повлекуваат електрони. Реакцијата на Мајкл е од најголема важност во оваа класа:

Собирањето преку тројна врска е слично на собирањето преку врската C=C:

Нуклеофилни адициски реакции при врска јаглерод-хетероатом Нуклеофилното додавање при повеќекратна врска јаглерод-хетероатом има механизам Ad N 2

Како по правило, чекорот за ограничување на стапката во процесот е нуклеофилен напад што се случува брзо.

Понекогаш производите за додавање подлежат на реакција на елиминација, со што колективно даваат реакција на замена:

Нуклеофилното додавање на врската C=O е многу вообичаено, што е од големо практично, индустриско и лабораториско значење.

Ацилација на незаситени кетони

Овој метод вклучува третирање на подлогата со алдехид и цијанид јон во поларен апротички растворувач како што се DMF или Me 2 SO. Овој метод е применлив за a,b-незаситени кетони, естри и нитрили.

Кондензација на естри со кетони

При кондензирање на естерите со кетони, приносот на β-дикетонот е низок, околу 40%, ова се објаснува со страничната реакција на самокондензација на естерот.

Хидролиза на нитро соединенија (неф реакција)

Неф реакцијата е реакција на киселинска хидролиза на нитро соединенија со формирање на карбонилни соединенија. Откриен во 1892 година од рускиот хемичар М.И. Коновалов и Ј. Неф во 1894. Неф-реакцијата се состои од хидролиза на ацилни форми на нитро соединенија (нитронски киселини) и затоа во неа можат да влезат примарни и секундарни алифатични и алициклични нитро-соединенија.

Неф реакцијата овозможува да се добијат дикарбонилни соединенија со принос до 80-85%. За да се направи ова, реакцијата се изведува на pH = 1, бидејќи во помалку кисела средина азомерните киселини се изомеризираат назад во нитро соединение со намалување на конверзијата на нитро соединението, а во покисела средина се формира со -производите се зголемуваат. Оваа реакција се изведува на t=0-5 0 C.

Интеракција на кетони со киселински хлориди во присуство на пиперидин

Киселините хлориди лесно се редуцираат во примарни алкохоли со дејство на литиум алуминиум хидрид. Но, ако енаминот добиен од кетонот под влијание на пиперидин се реагира со киселински хлориди, тогаш по хидролиза на првично добиената сол, се формираат б-дикетони.