Реферат. Что такое карбонильные соединения

Реферат.

§1. Что такое карбонильные соединения.

Карбонильными соединениями называют алифатические (ациклические, не имеющие цикла), ароматические (циклические) или смешанные органические соединения, содержащие группу C=O (карбонильную группу). «Соединения, в которых карбонильная группа соединена с двумя радикалами, называют кетонами. Соединения, где карбонильная группа соединена с одним радикалом и одним атомом водорода, называются альдегидами.» [Р]

Простейший альдегид – формальдегид (HCOH). Наличие в этом соединении валентных углов, близких к 120 °, указывает на sp2-гибридизацию карбонильного углерода. В формальдегиде углерод образует 3 σ-связи с двумя атомами водорода и кислородом. В карбонильной группе также возникает π-связь (результат перекрывания не участвующей в гибридизации р-орбитали углерода и р-орбитали кислорода).

Кислород обладает более высокой электроотрицательностью, чем углерод. Вследствие этого электроны σ- и π- связи углерода сильно смещены к атому кислорода. На атоме углерода образуется частичный положительный заряд δ+, а на атоме кислорода образуется частичный отрицательный заряд δ. «Другими словами, карбонильная группа обладает высокой полярностью» [Р].

Активность карбонильной группы определяется величиной частичного положительного заряда δ+ на карбонильном атоме углерода. Она также сильно зависит от природы заместителей R и R1. «С усилением электроноакцепторных свойств этих заместителей карбонильная активность увеличивается, а с усилением электронодонорных свойств – уменьшается» [Б]. Отсюда можно сделать вывод, что альдегиды более активны, чем кетоны.

§2. Реакции присоединения по двойной связи.

«Химическим следствием полярности карбонильной группы являются разнообразные реакции присоединения различных полярных агентов по карбонильной группе» [Р]. Количество реакций по C=O связи намного превосходит число реакций присоединения по кратной углерод-углеродной связи (для последних реакций характерен электрофильный механизм присоединения). Активностью карбонильной группы определяется легкость взаимодействия карбонильных соединений с нуклеофильными агентами.

Нуклеофилом в химии называется такой реагент, который образует химическую связь с электрофилом, предоставляя электронную пару, образующую новую связь. Такая реакция проходит по донорно-акцепторному механизму. Присоединение нуклеофильного агента по карбонильной группе – обратимый процесс. Примеры нуклеофильных агентов:

нейтральные молекулы (аммиак, первичные и вторичные амины, вода, спирты и др.)

анионы (CN, HSO3, H и др.)

Нуклеофильный агент атакует карбонильный атом углерода перпендикулярно плоскости двойной связи, при этом углерод изменяет свою гибридизацию с sp2 до sp3.

Присоединение нуклеофильных агентов по карбонильной группе является обратимым процессом практически во всех случаях. Исключение составляет реакция восстановления карбонильной группы с помощью комплексных гидридов LiAlН4; NaBH4; LiBH4, с образованием первичных или вторичных спиртов, а также присоединение металлоорганических соединений.

Реакции присоединения по двойной связи в карбонильных соединениях относят к реакции нуклеофильного присоединения AN.

Альдегиды более реакционноспособны в реакциях присоединения нуклеофильных реагентов по сравнению с кетонами. Более высокая реакционная способность альдегидов отчасти связана с отсутствием стерических (геометрических) препятствий для атаки нуклеофильного агента. В кетонах две алкильные группы создают препятствия для образования продукта присоединения, это объясняется пространственным строением молекул.

Реакция с водой. Альдегиды и в значительно меньшей степени кетоны обратимо присоединяют воду, образуя гидратные формы (гем-диолы):

Механизм гидратации карбонильных соединений изучен очень подробно, поскольку эта реакция моделирует другие, более сложные процессы нуклеофильного присоединения к карбонильной группе.

В первой, быстрой, стадии происходит образование комплекса кислоты НВ с карбонильной группой, в котором резко усиливается электрофильный характер карбонильного углерода. Во второй, медленной стадии, определяющей скорость всего процесса, к этому комплексу присоединяется вода. Завершается процесс гидратации депротонированием образовавшейся во второй стадии частицы.

Образующиеся гидратные формы обычно неустойчивы, выделить их не удается.

Реакция со спиртами. Спирты обратимо присоединяются к карбонильным соединениям с образованием полуацеталей:

Полуацетали при взаимодействии со второй молекулой спирта превращаются в ацетали (или кетали – если карбонильное соединение — кетон):

Ацетали получают из альдегидов или кетонов в присутствии кислоты. Реакция начинается с протонирования молекулы карбонильного соединения. Протонированная частица легче реагирует с таким слабым нуклеофилом, как молекула спирта. После присоединения спирта происходит отщепление протона (возврат катализатора) от оксониевого иона и образуется полуацеталь. Дальнейшее превращение полуацеталя в ацеталь протекает только в условиях кислотного катализа и представляет собой реакцию мономолекулярного нуклеофильного замещения. Молекула полуацеталя протонируется по гидроксильной группе, которая при этом превращается в хорошую уходящую группу — молекулу воды. После отщепления воды возникает карбокатион (II), стабилизированный при участии неподеленной пары электронов атома кислорода этоксигруппы. К карбокатиону присоединяется нуклеофил (молекула спирта), затем отщепляется протон, и образуется конечный продукт.

Для кетонов равновесие смещено в сторону исходных реагентов, и для получения кеталей требуется применять «специальные» методы, например азеотропную отгонку воды с толуолом или ксилолом.

В современной синтетической практике для получения и ацеталей, и кеталей применяют этиленгликоль, 1,3-пропиленгликоль или 2,2-диметил-1,3-пропандиол с азеотропной отгонкой воды в присутствии п-толуолсульфокислоты в качестве катализатора:

Ацетали и кетали нашли широкое применение в качестве защитной группы для карбонила альдегида и кетона. Ацетали и кетали относятся к классу простых эфиров с двумя алкоксильными группами у одного атома углерода. Подобно другим простым эфирам они стабильны по отношению к сильным основаниям — магний- и литийорганическим соединениям, гидриду и амиду натрия, комплексным гидридам и др. Это позволяет для бифункциональных соединений, содержащих карбонильную группу, осуществлять избирательное превращение с участием другой группы, что можно проиллюстрировать двумя следующими примерами:

Присоединение гидросульфитов служит для выделения альдегидов из смесей с другими веществами и для получения их в чистом виде, поскольку полученное сульфопроизводное очень легко гидролизуется:

В эту реакцию вступают большинство альдегидов, метилкетоны и циклические кетоны. Реакцию проводят с насыщенным раствором гидросульфита натрия, при этом выпадает осадок кристаллического гидросульфитного производного.

Присоединение реактивов Гриньяра. Взаимодействие альдегидов и кетонов с магнийорганическими соединениями RMgHal (реактив Гриньяра) является одним из универсальных способов получения спиртов: из формальдегида получают первичные спирты, из других альдегидов – вторичные спирты, а из кетонов – третичные.

По Гриньяру реакцию с использованием магния проводят в две стадии. Сначала к магниевой стружке в абсолютном диэтиловом эфире прибавляют по каплям эфирный раствор алкилгалогенида. Вскоре начинается экзотермическая реакция, эфир закипает, а магний постепенно переходит в раствор, образуя магнийорганическое соединение состава RMgX (реактив Гриньяра).

На следующей стадии к полученному эфирному раствору реактива Гриньяра добавляют карбонильное соединение и после разложения водой или разбавленной минеральной кислотой для растворения основной соли магния выделяют соответствующий спирт (реакция Гриньяра).

Реактив Гриньяра как нуклеофил легко атакует карбонильный углерод, имеющий частичный положительный заряд, смещая пи-электроны на кислород. В результате этого происходит присоединение частицы RMgX по двойной связи карбонильной группы с образованием магниевого алкоголята, гидролиз которого приводит к получению спирта:

Присоединение циановодорода. Альдегиды и пространственно незатрудненные кетоны присоединяют цианистый водород с образованием циангидринов:

Механизм этой реакции был установлен Лепуортом в 1904 г. Фактически это была первая органическая реакция, для которой был детально изучен механизм превращения. Лепуорт обнаружил, что реакция обратима, а скорость ее прямо пропорциональна концентрации карбонильного соединения, цианистого водорода и основания. Цианистоводородная (синильная) кислота является слабой кислотой Образующийся при ее депротонировании цианид-ион присоединяется к карбонильному углероду, происходит протонирование образовавшейся частицы:

В органическом синтезе циангидрины широко применяются для синтеза альфа, бета-ненасыщенных соединений, альфа-оксикислот и α-аминокислот:

Реакции с азотсодержащими нуклеофилами. Альдегиды и кетоны взаимодействуют с различными соединениями, содержащими аминогруппу, при этом нуклеофильное присоединение чаще всего сопровождается отщеплением воды:

Реакция катализируется как кислотами, так и основаниями, соответственно и гидролиз полученных производных может осуществляться в кислой и щелочной средах. Присоединение нуклеофила к карбонильному соединению протекает через биполярный ион (I) и приводит к образованию неустойчивого гем-аминоспирта (II), который затем подвергается дегидратации в конечный продукт. Такой ход реакций альдегидов и кетонов с соединениями, содержащими аминогруппу, обусловливает их общее название как реакций присоединения—отщепления:

Реакция с гидразином. При взаимодействии альдегидов и кетонов с гидразином и замещенными гидразинами получаются гидразоны. Свободная аминогруппа гидразона способна вступать в реакцию со второй молекулой карбонильного соединения с образованием азина, поэтому гидразоны в большинстве случаев бывает трудно выделить.

§3. Реакция образования иминов

При взаимодействии альдегидов и кетонов с первичными аминами образуются N-замещенные имины или основания Шиффа (азометины):

Механизм реакции достаточно сложен:

Имины, полученные из алифатических аминов и алифатических карбонильных соединений, обычно малоустойчивы, быстро разлагаются или полимеризуются. Производные ароматических аминов или ароматических альдегидов более стабильны. Образование иминов происходит в ряде биохимических реакций, например, на одной из стадий зрительного цикла.





Внимание, только СЕГОДНЯ!