Материал: Синтез непредельных карбонильных соединений

Перекрестная альдольная конденсация карбонильных соединений в протонной среде (вода, спирт), катализируемая гидроксид- или алкоксидионом, имеет ограниченную область применения, если конечной целью является получение самого альдоля. Это определяется целым рядом причин. Константа равновесия для конденсации кетонов в воде не благоприятствует образованию альдоля. Для несимметричных кетонов в образовании альдолей принимают участие оба изомерных енолят-иона, что приводит к образованию сложной смеси продуктов. Эта же неопределенность сохраняется и для конденсации двух различных алифатических альдегидов или для пары алифатический альдегид - алифатический или алициклический кетон. Кроме того, образование альдоля в протонной среде сопровождается дегидратацией в α,β-ненасыщенный альдегид или кетон и скорее может рассматриваться как метод получения именно этих соединений. [4]

Характер протекания альдольной конденсации можно видеть на примере реакции ацетальдегида с основанием, которая при проведении ее в сравнительно мягких условиях дает (β-оксимасляный альдегид (ацетальдоль)

При нагревании реакционной смеси продукт дегидратируется в кротоновый альдегид (бутен-2-аль):

Легкость такой дегидратации (даже в щелочной среде) согласуется с легкостью близких по характеру реакций отщепления, в которые вступают β-замещенные карбонильные соединения.

На первой стадии альдольной конденсации при отрыве α-водорода основанием образуется енолят-анион:

Затем анион присоединяется к карбонильной связи аналогично цианид-иону при образовании циангидрина. Рассмотрение двух резонансных форм енолят-аниона позволяет предположить, что присоединение может происходить по одному из двух путей: атака аниона приводит либо к образованию углерод-углеродной связи, в результате чего образуется альдоль II, либо к образованию связи углерод-кислород и получению α-окси этилвинилового эфира III.

Хотя образование эфира III возможно с точки зрения механизма, оно оказывается гораздо менее вероятным по термодинамическим соображениям. Действительно, в то время как суммарное значение ∆Н (для газовой фазы), вычисленное по энергиям связей, для образования альдоля равно - 4 ккал, для образования эфира III оно составляет +20,4 ккал.

Константа равновесия при альдольной конденсации ацетальдегида имеет благоприятное значение, так же как и для большинства других альдегидов. В случае ацетона в равновесной смеси присутствует лишь несколько процентов продукта присоединения - "диацетонового спирта". Это становится понятным при учете пространственных препятствий и того факта, что карбонильная связь в кетоне приблизительно на 3 ккал прочнее, чем в альдегиде. Несмотря на невыгодное значение константы равновесия, диацетоновый спирт можно получить с хорошим выходом, использовав прибор, изображенный на рис. 1.

Рис. 1. Прибор для получения диацетонового спирта

Ацетон нагревают до кипения; при этом горячий конденсат стекает из обратного холодильника, проходит через пористую гильзу, содержащую твердую окись бария, и устанавливается равновесие с диацетоновым спиртом. Окись бария остается в гильзе, а жидкая фаза возвращается в колбу, где ацетон (кипящий на 110° ниже диацетонового спирта) селективно переходит в газовую фазу и возвращается в зону реакции, чтобы вновь частично превратиться в диацетоновый спирт.

Соединения, участвующие в ключевой стадии при альдольной конденсации, должны быть, как правило, одно - донором пары электронов, а другое - ее акцептором. При образовании ацетальдоля и диацетонового спирта обе роли выполняют одинаковые молекулы, однако это вовсе не является необходимым. Возможны смешанные реакции присоединения самых различных типов. Рассмотрим пару формальдегид - ацетон: формальдегид не может образовать енолят-аниона, так как у него отсутствуют α-водороды, но можно ожидать, что он окажется особенно хорошим акцептором электронной пары. Последнее связано с тем, что он свободен от пространственных препятствий, а также с тем, что прочность карбонильной связи в нем необычно низка (166 ккал, ср. с 179 ккал для ацетона). Ацетон легко образует енолят-анион, но сравнительно плохо подходит для роли акцептора. Следовательно, присоединение ацетона к альдегиду должно происходить (и происходит в действительности) с большой легкостью.

Особо важное значение имеет дегидратация альдолей в α,β-ненасыщенные карбонильные соединения, протекающая наилучшим образом в условиях кислотного катализа. Другим примером может служить дегидратация диацетонового спирта в окись мезитила [5]:

2. Электрофильное присоединение

.1 Гидратация Винилацетилена

В данном случае гидратация идет по тройной связи и винилацетилен проявляет себя как алкин. Алкины, подобно алкенам, способны присоединять по тройной связи галогены, галогеноводороды, воду. Эти реакции протекают в ряду алкинов также по механизму А_Е. Однако алкины менее реакционноспособны по отношению к электрофилам нежели олефины.

Это кажется на первый взгляд странным, так как алкины более ненасыщенны. Однако все объясняется особенностями sp-гибридизованных атомов углерода: из-за их повышенной электроотрицательности π-молекулярное облако сильнее притянуто к ядрам атомов углерода и, как результат, труднее поляризуется. Механизм реакции А_Е у алкинов аналогичен олефинам, однако пониженная поляризуемость затрудняет первую стадию реакции - образование л-комплекса. Также на решающей стадии реакции (присоединения электрофила) образуется винильный катион, менее устойчивый и более богатый энергией в сравнении с насыщенным карбокатионом в случае алкенов. Поэтому реакция присоединения замедляется.

Для присоединения воды к алкину недостаточно присутствия сильной кислоты (H₂SО₄), как в случае алкенов. М.Г.Кучеровым было обнаружено, что процесс облегчается в присутствии ионов двухвалентной ртути (реакция Кучерова)[6].

Предполагают, что и в данном случае реакция начинается с протонирования тройной связи, а образовавшийся карбокатион далее реагирует с водой как с нуклеофилом:

Здесь следует рассмотреть вопрос о том, почему образующийся спирт перегруппировывается в карбонильное соединение (правило Эльтекова - Эрленмейера).

Причина неустойчивости енолов обусловлена наличием - I -эффекта у винильной группы и + М-эффекта у группы ОН, обусловленного способностью атома кислорода подавать неподеленные пары р-электронов электроноакцепторным группам:

Следствием взаимного влияния винильной и ОН-групп является, с одной стороны, повышение кислотности атома водорода гидроксильной группы (по аналогии с фенолом, для которого рК_а»10), а с другой - сосредоточение некоторой избыточной электронной плотности на крайнем атоме углерода винильной группы.

Перегруппировка енола в карбонильное соединение представляется как результат межмолекулярного взаимодействия:

Менее вероятно, что эта перегруппировка представляет собой внутримолекулярную миграцию протона:

Равновесие енол ↔ карбонильное соединение у алифатических альдегидов и кетонов практически нацело смещено вправо. Это объясняют следующими причинами. Во-первых, такая изомеризация сопровождается выигрышем энергии (65 кДж/моль). Следовательно, образующийся спирт, как менее устойчивый, претерпевает перегруппировку.

Во-вторых, в результате перегруппировки образуется менее диссоциированное соединение (рК_а ацетальдегида составляет »20, енола » 10).

Возможно, каталитическое действие соли ртути заключается в том, что в качестве интермедиата образуется ртутьорганическое соединение.

Присоединение воды к гомологам ацетилена протекает легче, присутствие ртутного катализатора необязательно. По-видимому, смещение π-электронной плотности тройной связи под влиянием электронодонорной алкильной группы облегчает протонирование, в соответствии с правилом Марковникова, крайнего атома углерода на первой стадии реакции, что подтверждает правильность предполагаемого механизма реакции гидратации:

Винильная группа, имеющая помимо - I-эффекта еще и + M-эффект, делает тройную связь даже более реакционноспособной, чем двойная. Именно поэтому при взаимодействии с водой винилацетилен образует винилметилкетон [7]:

3. Нуклеофильное присоединение

Синтез α,β-непредельных карбонильных соединений может проходить с использованием самих α,β-непредельных карбонильных соединений. Примером таких реакций служит присоединение литийорганических соединений.

В реакциях α,β-непредельных альдегидов и кетонов с нуклеофильными реагентами могут затрагиваться положения 2 и 4 сопряженной системы, что объясняется эффективностью передачи полярного влияния карбонильной группы через винильную. Таким образом, нуклеофил в обоих случаях атакует электронодефицитные атомы углерода. Стабилизация образовавшегося аниона осуществляется присоединением противоиона к атому кислорода, т.е. по положению 1. В общем виде схема превращений обоих типов выглядит следующим образом (Nu-нуклеофил, А-противоион):

Продукты 1,4-присоединения при А=Н неустойчивы и как другие виниловые спирты переходят в соответствующие альдегиды или кетоны:

Пока еще не найдены общие закономерности, которые бы ни позволили предсказать, по какому пути в том или ином конкретном случае пойдет присоединение. Считается, что α,β-непредельные альдегиды более склонны к 1,2-присоединению, а α,β-непредельные кетоны к 1,4-присоединению. Эти тенденции наблюдаются в реакциях с самыми различными нуклеофилами.

Из реакций α,β-непредельных альдегидов и кетонов с сильными нуклеофилами важное значение имеет взаимодействие с металлоорганическими соединениями.

Показано, что магнийорганические соединения присоединяются α,β-непредельным альдегидам почти исключительно по 1,2-положениям. а к кетонам - преимущественно по 1,4-положениям.

Применение же литийорганических соединений дает возможность получать продукты 1,2-присоединения (т.е. соответствующие спирты) в обоих случаях.

В то же время α,β-непредельные карбонильные соединения независимо от строения взаимодействуют с литийалкилкупратами только с образованием продуктов 1,4-присоединения, что используется для получения альдегидов и кетонов с усложненным углеродным скелетом из продуктов кротоновой конденсации [8]:

4. Реакции отщепления

Реакциями отщепления или элиминации называются реакции, при которых из молекулы удаляются два атома или две группы без замещения другими атомами или группами. В большинстве таких реакций атомы или группы уходят от двух соседних атомов углерода (причем очень часто от одного из них отщепляется протон, а от другого нуклеофил А: или А^-), и между этими атомами углерода образуется кратная связь:

Хорошо известными примерами реакций отщепления могут служить: катализируемое основаниями отщепление галогеноводорода от алкилгалогенидов, катализируемая кислотами дегидратация спиртов, а также разложение гидроокисей четвертичных алкиламмоний-производных по Гофману.

Механизм Е1.

При механизме Е1, так же как и в случае механизма S_N1, скорость реакции зависит только от концентрации субстрата, т. е. в стадии, лимитирующей скорость такой реакции, участвуют только молекулы субстрата. Так, в случае реакций с участием галогенида Ме₃СВг