Nukleofila additionsreaktioner (reaktion-AdN). Exempel på nukleofila additionsreaktioner Reversibilitet av nukleofila additionsreaktioner

(reaktioner av addition-klyvning).

Reaktioner av nukleofil substitution som involverar - hybridiserad kolatom. Låt oss överväga mekanismen för reaktioner av denna typ med hjälp av exemplet på interaktionen av karboxylsyror med alkoholer ( förestringsreaktion). I syrans karboxylgrupp, sid, -konjugering, eftersom ett elektronpar av syreatomen i OH-hydroxylgruppen går in i konjugering med en kol-syre-dubbelbindning (-bindning):

Sådan konjugering är å ena sidan orsaken till ökad surhet av karboxylföreningar, och å andra sidan en minskning av den partiella positiva laddningen () på kolatomen i karboxylgruppen (-hybridiserad atom), vilket i hög grad komplicerar nukleofilens direkta attack. För att öka laddningen på kolatomen används ytterligare protonering - syrakatalys (steg I):

I steg II, attacken av nukleofilen (alkoholmolekylen), sker protoneringen av hydroxylgruppen med bildandet av en brunn lämnande grupp, i steg III - dess eliminering och i steg IV - protonregenerering - återgång av katalysatorn med bildandet av slutprodukten - en ester. Reaktionen är reversibel, vilket observeras under hydrolysen av estrar, hydrolysen av fetter i biosystem.

Reaktioner av nukleofil addition. De mest karakteristiska reaktionerna av nukleofil addition () för oxoföreningar - aldehyder och ketoner. Mekanismen för dessa reaktioner har gemensamma drag; det är en tvåstegs jonprocess. Det första steget (begränsande) är en reversibel attack av nukleofilen Nu : med bildandet av den så kallade tetraedriska mellanprodukten. Det andra steget är en snabb elektrofil attack:

Oxoföreningens reaktivitet påverkas av naturen hos R och grupperna. Således minskar införandet av elektrondonerande substituenter reaktiviteten, medan införandet av elektronbortdragande substituenter förstärker den. Därför är aldehyder mer reaktiva än ketoner. Dessutom beror reaktiviteten på nukleofilens natur. Till exempel reagerar RSH-tioler, som är starkare nukleofiler än ROH-alkoholer, med både aldehyder och ketoner och bildar tioacetaler som är resistenta mot hydrolys, medan acetaler, produkterna från tillsats av alkoholer till aldehyder, inte är resistenta mot hydrolys:

Observera att de sista stegen i processen representerar attacken av nukleofilen (alkoholmolekylen) på det elektrofila reaktionscentret (karbocation) och följer mekanismen för nukleofil substitution. De resulterande intermediära föreningarna - hemiacetaler - är instabila. Deras stabilisering är endast möjlig i cyklisk form under bildandet av cykliska hemiacetaler, till exempel 5-hydroxipentanal:

Ett annat exempel på en biologiskt viktig reaktion av denna typ är tillsatsen av aminer och några andra kvävehaltiga föreningar till karbonylföreningar - aldehyder och ketoner. Reaktionen går med mekanismen för nukleofil addition-eliminering (-E), eller nukleofil addition-klyvning:

Andra kvävehaltiga föreningar som fungerar som nukleofiler i dessa reaktioner: hydrazin, hydroxylamin, fenylhydrazin .

Produkterna från -E-reaktionerna är i dessa fall föreningar med den allmänna formeln

kallas hydrazoner (X = ), oximer (X = OH), fenylhydrazoner (X = ), iminer (X = R), som kommer att diskuteras mer i detalj i de relevanta avsnitten.

Förutom de angivna additionsreaktionerna är reaktioner möjliga Annons R- fri radikaltillsats och polymerisation eller polykondensation.

Ad R - tillägg av fria radikaler

Ett exempel på en reaktion polykondensationär polykondensationen av fenol med aldehyder, i synnerhet med formaldehyd, vilket resulterar i bildandet av polymera reaktionsprodukter - fenol-formaldehydhartser och fasta polymerer.

Interaktionen mellan fenol och formaldehyd kan beskrivas med schemat:

Under loppet av ytterligare steg bildas en polymer och biprodukten av polykondensationsreaktionen, i detta fall, är vatten.

KAPITEL 4. OXOFÖRENINGAR (ALDEHYDER OCH KETONER).

Frågor till lektionen.

1. Elektronisk struktur för karbonylgruppen (>C=0) i oxoföreningar.

2. Effekt av substituenter på reaktiviteten av >C=0-bindningar i oxoföreningar.

3. Mekanism för nukleofil addition vid >C=0-bindningen.

4. Reaktioner av nukleofil addition (till exempel vatten, alkoholer, natriumbisulfit, HCN).

5. Reaktioner för addition-eliminering på exemplet med hydroxylamin, hydrazin, aminer.

6. Disproportioneringsreaktion med bensylaldehyd som exempel.

7. Aldol kondensationsreaktionsmekanism.

8. Oxidation av aldehyder och ketoner.

9. Polymerisation av aldehyder.

Beroende på arten av substituenterna associerade med karbonylgruppen delas karbonylföreningar in i följande klasser: aldehyder, ketoner, karboxylsyror och deras funktionella derivat.

Kemin hos aldehyder och ketoner bestäms av närvaron av en karbonylgrupp. Denna grupp är för det första platsen för nukleofil attack och för det andra ökar surheten hos väteatomerna associerade med -kolatomen. Båda dessa effekter är ganska förenliga med strukturen av karbonylgruppen, och i själva verket beror båda på förmågan hos syre att ta på sig en negativ laddning.

(I detta kapitel behandlas endast de enklaste typerna av nukleofila additionsreaktioner. I kapitel 27 kommer också reaktioner av -väteatomer att diskuteras.)

Karbonylgruppen innehåller en kol-syre-dubbelbindning; eftersom de mobila -elektronerna är starkt attraherade av syre, är karbonylgruppens kol ett elektronbristcentrum och karbonylgruppens syre är elektronrikt. Eftersom denna del av molekylen är platt är den relativt lättillgänglig att angripa ovanifrån eller under detta plan i en riktning vinkelrät mot det. Inte överraskande är denna tillgängliga polariserade grupp mycket reaktiv.

Vilken typ av reagens kommer att attackera en sådan grupp? Eftersom det viktigaste steget i dessa reaktioner är bildningen av en bindning med ett elektronbrist (surt) karbonylkol, är karbonylgruppen mest benägen att interagera med elektronrika nukleofila reagens, d.v.s. med baser. Typiska reaktioner av aldehyder och ketoner skulle vara nukleofila additionsreaktioner.

Som förväntat kan den mest exakta bilden av karbonylgruppens reaktivitet erhållas genom att överväga övergångstillståndet för tillsatsen av en nukleofil. Kolatomen i reagenset är trigonal. I övergångstillståndet börjar kolatomen anta den tetraedriska konfiguration den kommer att ha i produkten; sålunda konvergerar grupperna associerade med det något. Därför kan vissa rumsliga svårigheter förväntas, det vill säga stora grupper kommer att förhindra detta tillvägagångssätt i större utsträckning än mindre grupper. Men övergångstillståndet i denna reaktion kommer att vara relativt mindre svårt än övergångstillståndet för, säg, en -reaktion där kol är bundet till fem atomer. Det är denna relativa lätthet som menas när karbonylgruppen sägs vara tillgänglig för attack.

I övergångstillståndet börjar syre att förvärva elektroner och den negativa laddning som det kommer att ha i slutprodukten. Det är syrets tendens att förvärva elektroner, eller snarare dess förmåga att bära en negativ laddning, som är den verkliga orsaken till karbonylgruppens reaktivitet mot nukleofiler. (Karbonylgruppens polaritet är inte orsaken till reaktiviteten, men bara ytterligare en manifestation av syrgas elektronegativitet.)

Aldehyder tenderar att genomgå nukleofil addition lättare än ketoner. Denna skillnad i reaktivitet överensstämmer med naturen hos reaktionens mellantillstånd och förklaras tydligen av den kombinerade verkan av elektroniska och rumsliga faktorer. Ketonen innehåller en andra alkyl- eller arylgrupp, medan aldehyden innehåller en väteatom. Den andra aryl- eller alkylgruppen i ketonen är större än väteatomen i aldehyden och kommer därför att vara mer motståndskraftig mot ökande steriska hinder i övergångstillståndet. Alkylgruppen donerar elektroner och destabiliserar därigenom övergångstillståndet genom att öka den negativa laddningen på syret.

Man kan förvänta sig att arylgruppen med sin elektronåtdragande induktiva effekt (uppgift 18.7, s. 572) skulle stabilisera övergångstillståndet och därigenom påskynda reaktionen; uppenbarligen stabiliserar emellertid denna effekt den initiala ketonen i ännu större utsträckning på grund av resonans (bidrag av struktur I) och, som ett resultat, deaktiverar ketonen i den aktuella reaktionen.

Schema:

Mekanism:

1- Utbildning π-komplex (långsam)

2- Utbildning ϭ-komplex eller kolsyra (långsam)

Kolhydraterär positivt laddade instabila mellanprodukter med en sextett av valenselektroner vid kolatomen.

Nukleofil attack av halogenoniumjonen (snabb)

Reaktionshastigheten beror i huvudsak på strukturen av alkenen. När metylsubstituenter införs i alkenen ökar elektrondensiteten på grund av +I CH 3 och reaktionshastigheten ökar. Å andra sidan sänker trifluormetylgruppen CF 3, på grund av den negativa induktiva effekten, elektrondensiteten i alkenen och försvårar därmed den elektrofila attacken.

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

Öka reaktionshastigheten för alkener med halogener.

När vatten tillsätts till det omättade kolvätet, tillsätts ett fjärde steg (katalysatorretur) till mekanismen.

47-reaktion av elektrofil substitution: heterolytisk reaktion som involverar π-elektronmolnet i det aromatiska systemet (halogenering, nitrering, alkinering).

S E -reaktion av elektrofil substitution..

Interaktionen mellan arener och det elektrofila aggregatet fortskrider också i steg genom bildandet av ϭ- och π-komplex.

Ett karakteristiskt drag hos aromatiska föreningar i bensenserien, fuserade och heterocykliska aromatiska föreningar är deras tendens att ingå reaktioner som inte leder till störningar av det aromatiska systemet - reaktionen utbyte. Tvärtom, i reaktioner som bryter mot aromaticiteten, såsom addition eller oxidation, har aromatiska föreningar en minskad reaktivitet.

Schema:

Mekanism:

Generering av en elektrofil partikel.

2. Bildning av ett π-komplex (långsamt)

3. Bildning av ett ϭ-komplex eller karbokatjon

4. Eliminering av en proton från ϭ-komplexet

Halogenering.

Nitrering.

Alkynisering.

48-Reaktion av nukleofil substitution vid den sp3-hybridiserade kolatomen: heterolytiska reaktioner på grund av polariseringen av ϭ-bindningen kol-heteroatom (halogenderivat, alkoholer).

SN-nukleofil substitutionsreaktion

SN är mest karakteristiska för mättade organiska föreningar som innehåller följande funktionella grupper: halogen, hydroxyl, tiol och aminogrupper.

SN 1 - karakteristisk egenskap för tertiära och delvis sekundära alkanhalider i närvaro av en svag nukleofil och ett polärt lösningsmedel

Mekanism:

jag iscensätter

II etapp

SN 2-karakteristisk för primära och delvis sekundära atomer.

Mekanism:

49-Nukleofil additionsreaktion: heterolytisk reaktion som involverar kol-syre π-bindning (reaktion av aldehyder och ketoner med alkoholer, primära aminer). Påverkan av elektroniska och rumsliga faktorer, syrakatalysens roll. Biologisk betydelse av den nukleofila additionsreaktionen.

En N - Nukleofil additionsreaktion.

karakteristiska för aldehyder och ketoner.

Stor betydelse i biologiskt har en reaktion av karbonylföreningar (aldehyder och ketoner) med ammoniak, med bildning av iminer (Schiff-baser), mycket instabila, lätt hydrolyserade föreningar.

Iminer är mellanprodukter i vissa enzymatiska reaktioner vid syntesen av aminer från aldehyder och ketoner.

Till exempel syntetiseras vissa a-aminosyror i kroppen enligt detta schema.

Interaktionen mellan ammoniak och aldehyder kan kompliceras av eventuell cyklisering. Så, från formaldehyd A.M. Butlerov var den första som fick ett medicinskt preparat - hexametylentetraamin (urotropin), som användes allmänt som ett antiseptiskt medel.

sur katalys tjänar till att aktivera substratet.

reaktionscentra.

Mekanism:

I reaktioner En N en katalysator (oorganisk syra) används för att öka reaktionshastigheten

Schema:

Mekanism:

a) Interaktion med alkoholer. Aldehyder kan reagera med en eller två alkoholmolekyler för att bilda hemiacetaler respektive acetaler.

Hemiacetaler är föreningar som innehåller både hydroxyl- och alkoxylgrupper (OR) vid en kolatom. Acetaler är föreningar som innehåller två alkoxigrupper vid en kolatom:

hemiacetalacetal

Reaktionen för att erhålla acetaler används i stor utsträckning i organiska synteser för att "skydda" den aktiva aldehydgruppen från oönskade reaktioner:

Sådana reaktioner är av särskild betydelse i kolhydraternas kemi.

b) Tillträde av hydrosulfiter tjänar till att isolera aldehyder från blandningar med andra ämnen och att erhålla dem i ren form, eftersom det resulterande sulfoderivatet är mycket lätt att hydrolyseras:

R-CH \u003d O + NaHSO3 → R-CH (OH) -SO3 Na.

i) reaktion med teoli. aldehyder och ketoner reagerar med tioler i en sur miljö, ditioacetal bildas:

G) Tillträde av hydrocyan(blåväte)syra:

CH3-CH \u003d O + H-CN → CH3-CH (CN) -OH.

Den resulterande föreningen innehåller en kolatom mer än den ursprungliga aldehyden eller ketonen, så dessa reaktioner används för att förlänga kolkedjan.

e) Fastsättning av Grignard-reagenset. I organisk syntes används Grignard-reagenset extremt ofta - en av de enklaste organometalliska föreningarna.

När en lösning av en haloalkan i dietyleter tillsätts till magnesiumspån uppstår lätt en exoterm reaktion, magnesium går i lösning och ett Grignard-reagens bildas:

R-X + Mg → R-Mg-X,

där R är en alkyl- eller arylradikal, X är en halogen.

- Interaktionen mellan Grignard-reagenset med formaldehyd kan nästan vilken primär alkohol som helst (förutom metanol) erhållas. För detta hydrolyseras tillsatsprodukten av Grignard-reagenset med vatten.

H2CO + RMgX → R-CH2-O-MgX → R-CH2-OH.

- När du använder andra alifatiska aldehyder kan sekundära alkoholer erhållas:

- Tertiära alkoholer erhålls genom interaktion mellan Grignard-reagenser och ketoner:

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

16. Aldehyder och ketoner. Kemiska egenskaper: kondensationsreaktion, reaktioner med kvävehaltiga föreningar. Enskilda ombud och deras ansökan.

Organiska föreningar i molekylen som det finns en karbonylgrupp C=O av kallas karbonylföreningar eller oxoföreningar. De är indelade i två relaterade grupper - aldehyder och kwton.

Kondensation reaktion:

Aldol kondensation

med föreningar med CH sura egenskaper kan aldehyder och ketoner ingå i olika kondensationsreaktioner. föreningar som innehåller mobilt väte i dessa reaktioner fungerar som ett nukleofilt reagens och kallas mytelinkomponenten, och aldehyder och ketoner kallas karbonylkomponenten. reaktionen av aldolkondensation fortskrider under inverkan av utspädda alkalier på aldehyden eller ketonen. medan en aldehydmolekyl är en metylenkomponent, är den andra en karboxylkomponent.

Under inverkan av en bas tar aldehyden bort en proton från α CH syracentrum och förvandlas till en karbanjon. Karbanjonen är en stark nukleofil och fäster vid en annan aldehydmolekyl. stabiliseringen av den resulterande anjonen sker på grund av elimineringen av en proton från en svag syra.

Mekanism:

Om aldolkondensationen åtföljs av eliminering av vatten (vid hög temperatur), kallas en sådan kondensation krotonisk kondensation:

Reaktionen av aldol eller kratonisk kondensation utförs ofta i en blandad substans. när metylen- och karboxylkomponenterna är olika föreningar. valet av partners för denna reaktion är baserat på det faktum att karbonylkomponenten måste vara mycket reaktiv i nukleofila additionsreaktioner. i grund och botten är det en aldehyd. samtidigt måste metylenkomponenten ha en hög CH-syra - olika aldehyder eller ketoner som har en a-väteatom.

Nukleofila additionsreaktioner - additionsreaktioner där attacken i det inledande skedet utförs av en nukleofil - en partikel som är negativt laddad eller har ett fritt elektronpar.

I det sista steget genomgår den resulterande karbanjonen en elektrofil attack.

Trots mekanismens gemensamma karaktär kännetecknas additionsreaktioner av kol-kol- och kol-heteroatombindningar.

Nukleofila additionsreaktioner är vanligare för trippelbindningar än för dubbelbindningar.

Nukleofila additionsreaktioner vid kol-kolbindningar

Nukleofil addition med flera bindningar är vanligtvis en tvåstegs Ad N 2 process - en bimolekylär nukleofil additionsreaktion:

Nukleofil addition vid C=C-bindningen är ganska sällsynt, och som regel om föreningen innehåller elektronbortdragande substituenter. Michaels reaktion är av största vikt i denna klass:

Infästning vid trippelbindningen liknar vidfästning vid C=C-bindningen:

Nukleofila additionsreaktioner vid en kol-heteroatombindning Nukleofil addition vid en multipel kol-heteroatombindning har Ad N2-mekanismen

Som regel är det hastighetsbegränsande steget i processen en nukleofil attack, elektrofil addition sker snabbt.

Ibland går tillsatsprodukterna in i en elimineringsreaktion, vilket tillsammans ger en substitutionsreaktion:

Nukleofil addition vid C=O-bindningen är mycket vanlig, vilket är av stor praktisk, industriell och laboratoriemässig betydelse.

Acylering av omättade ketoner

Denna metod involverar behandling av substratet med en aldehyd- och cyanidjon i ett polärt aprotiskt lösningsmedel såsom DMF eller Me2SO. Denna metod är tillämpbar på a,b-omättade ketoner, estrar och nitriler.

Kondensering av estrar med ketoner

När estrar kondenseras med ketoner är utbytet av a-diketon lågt, cirka 40 %, detta beror på bireaktionen av estersjälvkondensation.

Hydrolys av nitroföreningar (Nef-reaktion)

Nef-reaktionen är en reaktion av sur hydrolys av nitroföreningar med bildning av karbonylföreningar. Upptäcktes 1892 av den ryske kemisten M.I. Konovalov och J. Nef 1894. Nef-reaktionen består i hydrolys av acylformer av nitroföreningar (nitronsyror), och därför kan primära och sekundära alifatiska och alicykliska nitroföreningar ingå i den.

Nef-reaktionen gör det möjligt att erhålla dikarbonylföreningar med ett utbyte på upp till 80-85%. För att göra detta utförs reaktionen vid pH=1, eftersom nitronsyror i ett mindre surt medium isomeriseras tillbaka till en nitroförening med en minskning av omvandlingen av nitroföreningen, och i ett surare medium bildas biprodukter ökar. Denna reaktion utförs vid t=0-5°C.

Interaktion av ketoner med syraklorider i närvaro av piperidin

Syraklorider reduceras lätt till primära alkoholer under inverkan av litiumaluminiumhydrid. Men om enaminen som erhålls från ketonen under inverkan av piperidin reageras med syraklorider, bildas b-diketoner efter hydrolysen av det initialt erhållna saltet.