Материал: Синтез непредельных карбонильных соединений

Непредельные альдегиды и кетоны, молекулы которых содержат кратные углерод-углеродную и углерод-кислородную связи, не проявляют свойств, которые не были бы присущи алкенам, с одной стороны, и альдегидам и кетонам - с другой.

Комбинация указанных кратных связей придает молекуле органического соединения особые свойства в том случае, когда эти связи находятся в сопряженном положении, т.е. когда винильный и карбонильный фрагменты непосредственно связаны между собой.

Альдегиды и кетоны такого строения называют α,β-непредельными, поскольку кратная связь углерод-углерод в них расположена между α- и β - углеродными атомами.

Простейшим представителем таких соединений является акролеин.

Присутствие в одной молекуле карбонильной функции и двойной связи придает соединениям особые свойства, но только в том случае, если группы расположены близко друг к другу. Наибольший интерес представляют кумулированные и сопряженные системы.

Сопряжение карбонильной группы и двойной связи сильно сказывается на спектральных свойствах, особенно на ультрафиолетовых спектрах, вследствие стабилизации возбужденных электронных состояний, в которые при π→π* - переходах важный вклад вносят полярные резонансные структуры.

Резонанс такого типа в основном состоянии играет значительно меньшую роль, но выражен все же достаточно сильно для того, чтобы с его помощью можно было объяснить сравнительно небольшое отличие дипольных моментов насыщенных и α,β-ненасыщенных альдегидов, например:

СН₃СН₂СНО СН₂ = СН -СНО

µ = 2,7 единицы Дебая µ = 3,0 единицы Дебая

Влияние сопряжения сказывается также на частотах карбонильной группы в ИК-спектрах и спектрах ЯМР. Что касается последних, то было найдено, что сигналы протонов при β-углеродном атоме а,β-ненасыщенных карбонильных соединений обычно лежат на 0,7-1,7 м. д. в более слабом поле, чем сигналы протонов обычных олефинов. Для α-протонов этот эффект выражен слабее. [1]

α,β-Непредельные альдегиды и кетоны, являются винилогами соответствующих альдегидов и кетонов, не содержащих винильной группы. В них фрагмент, включающий винильную и карбонильную группы, выступает как своеобразная единая система. Для упрощения рассмотрения реакционной способности указанной системы все атомы в ней нумеруются:

В УФ-спектрах α,β-непредельных альдегидов и кетонов, как и в УФ-спектрах, сопряженных алкадиенов максимумы поглощения сдвинуты в более длинноволновую область по сравнению с соответствующими насыщенными соединениями (батохромный сдвиг), а интенсивности пиков несколько увеличены. То же относится к производным α,β-непредельных альдегидов и кетонов. В ряде случаев это может быть использовано в целях идентификации [2].

Химические свойства

α,β-Ненасыщенные карбонильные соединения могут вступать в обычные реакции присоединения и конденсации по карбонильной группе, такие, как образование циангидридов и гидразонов и присоединение металлоорганических соединений. Эти реакции, однако, могут осложняться (если не перекрываться полностью) 1,4 присоединением. Реактивы Гриньяра могут взаимодействовать либо по типу 1,2-присоединения (с карбонильной), либо по типу 1,4-присоединения, в которое вовлекаются как карбонильная группа, так и двойная связь. Условия баланса между двумя направлениями реакций настолько чувствительны к различным воздействиям, что сравнительно небольшие изменения характера пространственных препятствий оказываются достаточными для того, чтобы сделать один из процессов доминирующим.

В случае цианистого водорода образование циангидрина обычно происходит быстрее, чем 1,4-присоединение, и если положение равновесия выгодно (как и для большинства альдегидов), то наблюдается только 1,2-присоединение.

Образование циангидринов кетонов менее выгодно, и в результате 1,4-присоединение приводит к β-цианкетону.

Присоединение галогеноводородов к α,β-ненасыщенным альдегидам и кетонам приводит к тому, что галоген вступает в β-положение. Если винильная группа сопряжена с карбонильной функцией, то образование продукта происходит против правила Марковникова.

Направление присоединения к α,β-ненасыщенным кислотам имеет аналогичный характер: продукты соответствуют реакции 1,4-типа.

Для многих α,β-ненасыщенных альдегидов и кетонов взаимодействие с гидразином приводит вследствие двух последовательных реакций 1,2- и 1,4-присоединения к образованию циклических продуктов, называемых пиразолинами.

Синтез β, γ - ненасыщенных альдегидов и кетонов обычно представляет определенные трудности; они легко перегруппировываются в α,β - непредельные изомеры, в частности, в присутствии реагентов основного характера [24]:

Таким образом, непредельные карбонильные соединения являются важными органическими соединениями, которые используются в синтезе ряда веществ, в том числе и лекарственных препаратов.

1. Реакции с участием енолов и енолят-ионов

.1 Нуклеофильное замещение с участием енолят-анионов

Енолят-анион может быть с хорошим выходом получен из кетона (если последний содержит α-водородный атом) при действии сильных нуклеофильных агентов, подобных амидам натрия или калия. Образовавшийся таким образом енолят-анион теоретически может вступать в S_N-реакции с алкилгалогенидами двумя различными способами. Так, в случае трет-бутилметилкетона и йодистого метила возможны следующие реакции, отличающиеся только положением, в которое направляется атака:

Выше в связи с альдольной конденсацией рассматривалась возможность протекания реакций енолят-аниона таким образом, как если бы заряд был в значительной степени сконцентрирован либо на атоме углерода, либо на атоме кислорода. Существует, однако, глубокое различие между альдольной конденсацией и рассматриваемыми здесь реакциями, поскольку в первом случае реакция по кислороду, как указывалось, весьма невыгодна термодинамически по сравнению с реакцией по углероду. В то же время и О - и С-алкилирование аниона термодинамически выгодно. Кроме того, алкилирование в отличие от альдольного присоединения в обычных условиях необратимо, и поэтому продукт О-алкилирования не может перейти в продукт С-алкилирования, несмотря на то, что последний на 24 ккал более стабилен. Реакционная способность галогенида часто оказывается определяющей для протекания алкилирования по С- и О- направлению. Решающим фактором, по-видимому, является степень образования новой связи углеродом в галогениде в переходном состоянии, отделяющем исходные реагенты от продуктов реакции. Если образование новой связи произошло в значительной степени (это обычно оказывается необходимым для того, чтобы "вытолкнуть" уходящую группу из галогенида, реакционная способность которого в S_N2-рeакциях невелика), то следует ожидать преимущественного алкилирования по углероду. В такой ситуации переходное состояние оказывается в большей степени сходным с продуктами реакции, и С-алкилирование соответствует более устойчивому продукту

Если же реакционная способность галогенида велика, то образование новой связи в переходном состоянии осуществляется в гораздо меньшей степени и переходное состояние поэтому весьма сходно с исходными реагентами. При этом может произойти О-алкилирование, т.к. заряд енолят-аниона в большей степени сконцентрирован на атоме кислорода, чем на углероде [3].

.2 Конденсации енолят-анионов

.2.1 Альдольная конденсация

Енолят-анионы принимают участие во многих важных синтетических реакциях карбонильных соединений - они либо присоединяются по двойным связям, либо выступают в качестве атакующих агентов при нуклеофильном замещении. Если присоединение происходит по двойной связи карбонильной группы, то эта реакция носит название альдольной конденсации (альдольного присоединения).

Продукт присоединения енолят-иона к альдегиду представляет собой β-гидроксиальдегид (3-гидроксиальдегид), получивший тривиальное название альдоль (где аль - альдегид, ол - спирт). Именно поэтому реакция получила такое название. В классических условиях енолят-ион, принимающий участие в альдольной конденсации, генерируется из карбонильного соединения при отщеплении протона с помощью гидроксидиона в водной или водно-спиртовой среде при 0-5°С. Так, например, пропаналь при обработке водным раствором гидроксида натрия при 0-5°С в течение 5 часов образует З-гидрокси-2-метилпентаналь с выходом 55-60%, а уксусный альдегид дает альдоль с выходом 50%:

В более жестких условиях альдоли подвергаются дегидратации с образованием α,β-ненасыщенных альдегидов, что делает весь процесс в целом необратимым:

Механизм альдольной конденсации, катализируемой основанием, включает три стадии:

В первой стадии образуется енолят-ион. Равновесная концентрация енолят-иона очень мала и редко превышает 1-3%, поскольку рК_а альдегида примерно равно 17-18, а рКа воды равно 15,7. Присоединение енолят-иона к карбонильной группе неионизированной молекулы альдегида во второй стадии определяет скорость всего процесса. Дегидратация альдоля в α,β-ненасыщенный альдегид также катализируется основанием и протекает с промежуточным образованием енолят-иона альдоля:

Альдольная конденсация катализируется не только основанием, но также и кислотами. В кислой среде, как и следовало ожидать, определяющей скорость стадией процесса является присоединение енола к карбонильной группе:

В кислой среде практически невозможно остановить реакцию на стадии образования альдоля, и конечным продуктом оказывается α,β-ненасыщенный альдегид - продукт его дегидратации. Для кетонов константа равновесия образования альдоля гораздо ниже, чем для альдегидов. Для смещения равновесия в сторону альдоля разработана специальная экспериментальная техника, которая оказалась эффективной для простейших низкокипящих кетонов - ацетона, пентанона-3 и некоторых других кетонов:

1.2.2 Внутримолекулярная циклизация дикетонов

Внутримолекулярная циклизация дикетонов представляет собой важный и оригинальный метод синтеза циклических соединений.

1.2.3 Перекрестная альдольная конденсация

В классических условиях альдольной конденсации в водном растворе гидроксида натрия из смеси двух алифатических альдегидов в общем случае получаются все четыре возможных альдоля. Чтобы перекрестная альдольная конденсация была препаративно полезна, реакция должна быть строго селективной. Это возможно тогда, когда один компонент выполняет роль только нуклеофильного агента, а другой - только карбонильного акцептора. Некоторые следствия из этого ограничения очевидны. Ароматические и гетероциклические альдегиды, так же как и формальдегид, выполняют роль карбонильной компоненты в перекрестной альдольной конденсации, поскольку они не содержат водорода при α-углеродном атоме:

1.2.4 Реакция Кляйзена-Шмидта

Перекрестная (смешанная) альдольная конденсация ароматических альдегидов с кетонами, приводящая к образованию α,β-ненасыщенных жирноароматических кетонов, известна под названием реакции Кляйзена-Шмидта:

Источник: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=882799

Смотрите также:



17. Введение 18. Линейные программы 19. Ветвления 20. Программирование циклических алгоритмов
Анализ эффективности инвестиций предприятия на примере ООО «СпецПримСтрой»
Сборные железобетонные ребристые плиты перекрытия
_-___-~1
_3 тема - Диффузия
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы
_Штерн Вильям, Дифференциальная психология и ее методические основы
- Описание типа СЭТ7009