Реакции нуклеофильного присоединения (реакция-AdN)

Двойная связь в карбонильной группе сильно поляризована из-за большого различия в электроотрицательности кислорода и углерода. Электронная плотность смещена к атому кислорода и углеродный атом карбонильной группы проявляет электрофильные свойства. Поэтому для карбонильных соединений характерны реакции присоединения нуклеофилов к электронодефицитному атому углерода.

Лимитирующей стадией реакции является атака нуклеофильной частицы электрофильного углеродного атома карбонильной группы, с образованием связи за счет электронов нуклеофила. Одновременно происходит гетеролитический разрыв р-связи С=О, что приводит к образованию алкоксид-иона. При этом карбонильный углерод переходит в состояние sp 3 гибридизации.

Алкоксид-ион является сильным основанием и поэтому быстро протонируется с образованием нейтрального конечного продукта присоединения.

Если в реакцию вступает азотистый нуклеофил (амины, гидроксиламин, и т.д.), то образовавшийся нейтральный продукт присоединения подвергается дегидратации с образованием двойной связи между карбонильным углеродом и нуклеофильным агентом.

Нуклеофильное присоединение к карбонильной группе - процесс обратимый, за исключением реакций идущих с образованием спиртов и с присоединением металлоорганических соединений.

Альдегиды более реакционноспособны в реакциях присоединения нуклеофильных реагентов по сравнению с кетонами. Это связано с отсутствием стерических препятствий у альдегидов для атаки нуклеофильного агента. А в кетонах две алкильные группы создают пространственные затруднения для атаки нуклеофила и образования тетраэдрического продукта присоединения. Так же на низкую реакционную способность кетонов оказывает их более высокая термодинамическая стабильность по сравнению с альдегидами (теплота образования кетона ниже теплоты образования соответствующего альдегида).

Реакции нуклеофильного присоединения - реакции присоединения, в которых атаку на начальной стадии осуществляет нуклеофил - частица, заряженная отрицательно или имеющая свободную электронную пару.

На конечной стадии образующийся карбанион подвергается электрофильной атаке .

Несмотря на общность механизма различают реакции присоединения по связи углерод-углерод и углерод-гетероатом.

Реакции нуклеофильного присоединения более распространены для тройных, чем для двойных связей.

Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-углерод

Нуклеофильное присоединение по кратной связи обычно двухстадийный процесс Ad N 2 - реакция бимолекулярного нуклеофильного присоединения:

Нуклеофильное присоединение по связи С=C встречается достаточно редко, и, как правило, если в соединении имеются электроноакцепторные заместители. Наибольшее значение имеет в этом классе реакция Михаэля:

Присоединение по тройной связи аналогично присоединению по связи С=C:

Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-гетероатом Нуклеофильное присоединение по кратной связи углерод-гетероатом имеет механизм Ad N 2

Как правило, лимитирующей стадией процесса является нуклеофильная атака, электрофильное присоединение происходит быстро .

Иногда продукты присоединения вступают в реакцию отщепления, тем самым совокупно давая реакцию замещения:

Hуклеофильное присоединение по связи С=O очень распространено, что имеет большое практическое, промышленное и лабораторное значение.

Ацилирование ненасыщенных кетонов

Данный метод включает обработку субстрата альдегидом и цианид-ионом в полярном апротонном растворителе, таком, как ДМФ или Me 2 SO. Этот метод применим к a,b-ненасыщенным кетоном, сложным эфирам и нитрилам .

Конденсация сложных эфиров с кетонами

При конденсации сложных эфиров с кетонами выход?-дикетона невысок, около 40%, это объясняется побочной реакцией самоконденсации сложного эфира .

Гидролиз нитросоединений (Реакция Нефа)

Реакция Нефа - реакция кислотного гидролиза нитросоединений с образованием карбонильных соединений. Открыта в 1892 г. российским химиком М.И. Коноваловым и Дж. Нефом в 1894 г. Реакция Нефа заключается в гидролизе ацильных форм нитросоединений (нитроновых кислот), и поэтому в неё могут вступать первичные и вторичные алифатические и алициклические нитросоединения.

Реакция Нефа позволяет получить дикарбонильные соединения с выходом до 80-85 %. Для этого реакция проводится при pH=1, так как в менее кислой среде нитроновые кислоты изомеризуются обратно в нитросоединение со снижением конверсии нитросоединения, а в более кислой - повышается образование побочных продуктов. Данную реакцию проводят при t=0-5 0 C .

Взаимодействие кетонов с хлорангидридами в присутствии пиперидина

Хлорангидриды легко восстанавливаются до первичных спиртов под действием алюмогидрида лития. Но если енамин, полученный из кетона под действием пиперидина, вводить в реакцию с хлорангидридами, то после гидролиза первоначально полученной соли образуются b-дикетоны .

Схема:

Механизм:

1- Образование π-комплекса (медл)

2- Образование ϭ- комплекса или карбкатиона (медл)

Карбкатионы – положительно заряженные нестабильные интермедиаты с секстетом валентных электронов у атома углерода.

Нуклеофильная атака галагенониевого иона (быстро)

Скорость реакции существенно зависит от строения алкена. При введение в алкен метильных заместителей увеличивается электронная плотность за счёт +I CH 3 и скорость реакции возрастает. С другой стороны трифтометильная группа CF 3 вследствие отрицательного индуктивного эффекта понижает электронную плотность в алкене и тем самым затрудняет электрофильную атаку.

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

Увеличение скорости реакции алкенов галогенами.

При добавлении к ненасыщенному углеводороду воды, в механизм добавляется четвёртая стадия (возврат катализатора).

47-реакция электрофильного замещения: гетеролитическая реакция с участием π-электронного облака ароматической системы (галогенирование, нитрование, алкинирование).

S E -реакция электрофильного замещения..

Взаимодействие аренов с электрофильным агрегатом протекает также стадийно через образование ϭ и π-комплексов.

Характерной особенностью ароматических соединений бензольного ряда, конденсированных и гетероциклических ароматических соединений являетс их склонность вступать в реакции, не приводящие к нарушению ароматической системы – реакции замещения . Напротив, в реакциях, нарушающих ароматичность, таких, кК присоединение или окисление, ароматические соединения обладают пониженной реакционной способностью.

Схема:

Механизм:

Генерирование электрофильной частицы.

2. Образование π-комплекса (медл)

3. Образование ϭ- комплекса или карбкатиона

4. Отщепление протона от ϭ-комплекса

Галогенирование.

Нитрование.

Алкинирование.

48-Реакция нуклеофильного замещения у sp 3 -гибридизованного атома углерода: гетеролитические реакции обусловленные поляризацией ϭ-связи углерод-гетероатом (галогенпроизводные, спирты).

SN-Реакция нуклеофильного замещения

SN наиболее характерны для насыщенных органических соединений, содержащих следующие функциональные группы: галоген, гидроксильную, тиольную и аминогруппу.

SN 1 – характерны характерны для третичных и частично вторичных алкангалогенидов при наличии слабого нуклеофила и полярного растворителя

Механизм:

I стадия

II стадия

SN 2 -характерен для первичных и частично вторичных атомомв.

Механизм:

49-Реакция нуклеофильного присоединения: гетеролитическая реакция с участием π-связи углерод-кислород (взаимодействие альдегидов и кетонов со спиртами, первичными аминами). Влияние электронных и пространственных факторов, роль кислотного катализа. Биологическое значение реакции нуклеофильного присоединения.

A N -Реакция нуклеофильного присоединения.

Характерны для альдегидов и кетонов.

Большое значение в биологическом плане имеет реакция карбонильных соединений (альдегидов и кетонов) с аммиаком, при этом образуются имины (основания Шиффа), очень неустойчивые, легкогидролизующиеся соединения.

Имины являются промежуточными продуктами в некотоорых ферментативных реакциях, при синтезе аминов из альдегидов и кетонов.

Например, в организме по такой схеме синтезируются некоторые α-аминокислоты.

Взаимодействие аммиака с альдегидами может осложняться возможной циклизацией. Так, из формальдегида А.М. Бутлеров впервые получил медицинский препарат – гексаметилентетраамин (уротропин), получивший широкое применение в качестве антисептического средства.

Кислотный катализ служит для активации субстрата.

Реакционные центры.

Механизм:

В реакциях A N для увеличения скорости реакции используется катализатор (неорганическая кислота)

Схема:

Механизм:

Химия альдегидов и кетонов определяется наличием карбонильной группы. Эта группа, во-первых, является местом нуклеофильной атаки и, во-вторых, увеличивает кислотность атомов водорода, связанных с -углеродным атомом. Оба эти эффекта вполне согласуются со строением карбонильной группы, и по сути дела оба обусловлены способностью кислорода принимать отрицательный заряд.

(В этой главе рассмотрены лишь простейшие типы реакций нуклеофильного присоединения. В гл. 27 будут обсуждены также реакции -водородных атомов.)

Карбонильная группа содержит двойную углерод-кислородную связь; поскольку подвижные -электроны сильно оттянуты к кислороду, углерод карбонильной группы является электронодефицитным центром, а кислород карбонильной группы - электроноизбыточным. Поскольку эта часть молекулы плоская, она относительно доступна для атаки сверху или снизу от этой плоскости в направлении, перпендикулярном к нему. Не удивительно, что эта доступная поляризованная группа очень реакционноспособна.

Какого рода реагенты будут атаковать такую группу? Поскольку важнейшая стадия в этих реакциях - образование связи с электронодефецитным (кислым) карбонильным углеродом, то карбонильная группа более всего склонна к взаимодействию с электроноизбыточными нуклеофильными реагентами, т. е. с основаниями. Типичными реакциями альдегидов и кетонов будут реакции нуклеофильного присоединения.

Как и следовало ожидать, наиболее верную картину реакционной способности карбонильной группы можно получить, если рассмотреть переходное состояние для присоединения нуклеофила. В реагенте атом углерода тригонален. В переходном состоянии атом углерода начинает принимать тетраэдрическую конфигурацию, которую он будет иметь в продукте; таким образом, связанные с ним группы несколько сближаются. Поэтому можно ожидать проявления некоторых пространственных затруднений, т. е. большие группы будут в большей степени препятствовать этому сближению, чем группы меньшего размера. Но переходное состояние в этой реакции будет относительно менее затрудненным, чем переходное состояние для, скажем, -реакции, в котором углерод связан с пятью атомами. Именно эта относительная незатрудненность и имеется в виду, когда говорят, что карбонильная группа доступна для атаки.

В переходном состоянии кислород начинает приобретать электроны и отрицательный заряд, который он будет иметь в конечном продукте. Именно тенденция кислорода приобретать электроны, точнее его способность нести отрицательный заряд, и является действительной причиной реакционноспособнасти карбонильной группы по отношению к нуклеофилам, (Полярность карбонильной группы не является причиной реакционноспособности, а лишь еще одним проявлением электроотрицательности кислорода.)

Альдегиды, как правило, легче вступают в реакцию нуклеофильного присоединения, чем кетоны. Это различие в реакционной способности согласуется с характером промежуточного состояния реакции и, по-видимому, объясняется совместным действием электронных и пространственных факторов. Кетон содержит вторую алкильную или арильную группу, а альдегид - атом водорода. Вторая арильная или алкильная группа кетона больше, чем атом водорода в альдегиде, и поэтому она в большей степени будет препятствовать увеличению пространственной затрудненности в переходном состоянии. Алкильная группа подает электроны и тем самым дестабилизует переходное состояние за счет усиления отрицательного заряда на кислороде.

Можно было ожидать, что арильная группа с ее электронооттягивающим индуктивным эффектом (задача 18.7, стр. 572) будет стабилизовать переходное состояние и тем самым ускорять реакцию; однако, по-видимому, этот эффект еще в большей степени стабилизует исходный кетон вследствие резонанса (вклад структуры I) и в результате дезактивирует кетон в рассматриваемой реакции.

Нуклеофильное присоединение к алкинам инициируется под воздействием отрицательно заряженной частицы - нуклеофила . В общем случае, катализатором таких реакций являются основания. Общая схема первой стадии реакции нуклеофильного присоединения:

Типовые реакции нуклеофильного присоединения

· Характерным примером реакции нуклеофильного присоединения является Реакция Фаворского - присоединение спиртов в присутствии щелочей с образованием алкенильных эфиров:

· Первичные амины под действием оснований присоединяются к алкинам с образованием иминов :

По аналогии ацетилен реагирует с аммиаком, образуя этилиденимин :

При высокой температуре в присутствии катализатора имин дегидрируется и превращается в ацетонитрил:

· В среде очень сильных оснований (например: КОН+ДМСО) ацетилен реагирует с сероводородом, образуя дивинилсульфид :

Реакции радикального присоединения

В присутствии перекисей или других условиях, способствующих образованию свободных радикалов, присоединение к алкинам идет по радикальному механизму - против правила Марковникова(эффект Хараша):

По свободнорадикальному механизму* может протекать реакция алкинов с тиолами:

* - В присутствии оснований реакция идет по нуклеофильному механизму.

Аналогично происходит присоединение карбенов:

Реакции этинилирования

Реакциями этинилирования называют реакции увеличения углеродного скелета алкинов с сохранением тройной связи. Они могут протекать как по электрофильному, так и нуклеофильному механизму в зависимости от среды и условий реакции, характера субстрата, а также типа используемого катализатора.

Получение ацетиленовых спиртов

В присутствии сильных оснований алкины с концевой тройной связью способны присоединять карбонильные соединения с образованием спиртов (Реакция Фаворского):

Важнейшей реакцией из этой группы является присоединения формальдегида к ацетилену с образованием пропаргилового спирта и далее бутин-2-диола-1,4 * :

Получение ацетиленовых эфиров и кислот

Ацетиленовые кислоты или их эфиры можно получить по реакции Цужи :

Катализаторы: PdCl 2 , CuCl.

Реакции гидрирования

Гетерогенное гидрирование

Гидрирование алкинов водородом на гетерогенных катализаторах, как правило, приводит к образованию цис -присоединения . Катализаторами гидрирования служат Ni, Pd, Pt, а также оксиды или комплексы Ir, Ru, Rh и некоторых других металлов.

На первой стадии образуется алкен, который практически сразу же гидрируется до алкана:

Для остановки реакции на стадии получения алкена используют катализаторы Линдлара (Pd/PbO/CaCO 3) или борид никеля.

При гидрировании ацетилена на никель-кобальтовом катализаторе можно получить изобутилен:

Гомогенное гидрирование

Гомогенное гидрирование проводят в амидом натрия в жидком аммиаке или алюмогидридом лития в тетрагидрофуране. В ходе реакции образуются транс -алкены.

Гидроборирование

Алкины легко присоединяют диборан против правила Марковникова, образуя цис -алкенилбораны:

или окислить H 2 O 2 до альдегида или кетона .