РЕАКЦИИ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ

Реакции со спиртами

В присутствии минеральных кислот альдегиды и кетоны реагируют с одним или двумя молями спирта:

Если взять карбонильное соединение и избыток спирта, то равновесие будет сдвинуто вправо и будет образовываться ацеталь или кеталь. Напротив, при нагревании ацеталей и кеталей с избытком воды в кислой среде происходит гидролиз с образованием альдегида или кетона:

Во втором примере обе гидроксильные группы, участвующие в образовании кеталя, находились в одной молекуле спирта -этандиола), поэтому кеталь имеет циклическое строение.

Сравнительно инертные ацетали и кетали используются как защитные группы для защиты карбонильной группы от нежелательных реакций в ходе многостадийного синтеза. Ниже показан фрагмент многоста дийного синтеза, включающий защиту карбонильной группы:

(см. скан)

Исходное соединение А имеет две карбонильные группы, а в конечном продукте гидрокортизоне одна из кетонных групп должна быть восстановлена в спиртовую. Алюмогидрид лития восстановит обе кетонные группы, причем та, которую желательно сохранить неизменной, будет восстанавливаться даже быстрее, поскольку подход реагента к другой группе затруднен из-за стерических препятствий. Чтобы устранить эту трудность, проводят реакцию вещества А с одним молем 1,2-этандиола (этиленгликоля). При этом кеталь образует стерическй

более доступная карбонильная группа, которая, таким образом, оказывается защищенной от действия восстановителей или других реагентов, взаимодействующих с кетонами. Теперь можно восстановить свободную карбонильную группу алюмогидридом лития и получить соединение С. Обратите внимание, что алюмогидрид также восстанавливает сложно-эфирную группу до спиртовой, но не затрагивает двойную углерод-углеродную связь. Далее, проведя необходимое для дальнейших превращений ацилирование спиртовой группы боковой цепи и получив соединение снимают защитную группу действием кислоты. Требуется еще несколько стадий, чтобы превратить вещество в гидрокортизон который применяется в медицине при артрите, ревматизме и воспалительных процессах.

Другим примером использования реакции образования кеталей является синтез гуанадреля, обладающего гипотензивным действием (способностью понижать давление):

(Некоторые детали этого и предыдущего синтезов опущены, чтобы сосредоточиться на обсуждаемой проблеме.)

Восстановление

Альдегиды и кетоны восстанавливаются соответственно до первичных и вторичных спиртов. Можно использовать газообразный водород в йрисутствии катализатора, однако в лаборатории это неудобно, так как Работа с газами требует специального оборудования и навыков работы.

Гораздо чаще применяются комплексные гидриды, такие, как алюмогидрид лития и боргидрид натрия. Символом обозначают любой восстановитель или

Конкретные примеры:

Боргидрид натрия можно использовать в виде водного или спиртового раствора, алюмогидрид лития можно растворять только в эфире.

С помощью одного из двух показанных ниже методов карбонильные соединения можно восстановить до алканов:

реакция Вольфа - Кижнера

реакция Клеменсена

Оба эти метода применимы для большинства карбонильных соединений, но если в молекуле имеются группы, чувствительные к действию кислоты, следует использовать реакцию Вольфа — Кижнера (восстановление гидразином в присутствии щелочи), а если соединение неустойчиво к действию оснований, следует предпочесть восстановление по Клеменсену амальгамой (раствором в ртути) цинка в соляной кислоте:

В последнем примере применение гидразина и основания нежелательно, так как при этом произойдет замещение атома хлора. Лучше Использовать реакцию Клеменсена.

Окисление

В то время как кетоны не подвергаются окислению, альдегиды окисляются до карбоновых кислот очень легко. При этом могут быть использованы самые разные окислители (мы уже упоминали об этом в гл. 7 и в настоящей главе):

Примеры:

При взаимодействии с двумя молями спирта или одним молем диола альдегиды и кетоны образуют соответственно ацетали и кетали. Альдегиды и кетоны могут быть восстановлены до спиртов с помощью самых различных восстановителей. Восстановлением карбонильных соединений по Вольфу — Кижиеру или по Клеменсену получают алканы. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, кетоны в тех же условиях не реагируют.

Реакции с производными аммиака

Производные аммиака часто используются для идентификации альдегидов и кетонов. При взаимодействии этих соединений происходит следующее:

Карбонильный атом углерода образует двойную связь с атомом азота и отщепляется молекула воды. Многие азотистые производные карбонильных соединений - твердые вещества, тогда как сами альдегиды и кетоны в большинстве своем жидкости. Получив твердое производное альдегида или кетона, сравнив его температуру плавления с табличными значениями, можно определить, какой альдегид или кетон был взят. Три наиболее распространенных типа соединений, используемых для этой цели, показаны ниже. Особенно удобны 2,4-динитрофенилгидразоны, окрашенные в яркий желтый, оранжевый или красный цвета, что также помогает идентифицировать альдегид или кетон.

(см. скан)

Ниже приведены температуры плавления азотистых производных некоторых альдегидов и кетонов, (температуры плавления определены с точностью ± 3 °С):

(см. скан)

Например, если Вы получили 2,4-динитрофенилгидразон неизвестного альдегида или кетона с температурой плавления 256 °С, следовательно, неизвестное карбонильное соединение — это, вероятно, коричный альдегид или Фбромбензальдегид. Если в дальнейшем Вы установили, что оксим имеет температуру плавления значит Ваше соединение -бромбензальдегид. Поскольку имеются данные по производным практически всех альдегидов и кетонов, они могут быть идентифицированы получением одного или нескольких азотистых производных и сравнением экспериментально найденных температур плавления с табличными значениями.

Галогенирование

Альдегиды и кетоны реагируют с галогенами в присутствии кислоты или основания, а также с гипогалогенитами, образуя -галогенированные соединения:

Например:

Для метилкетонов характерна галоформная реакция. При обработке этих соединений избытком галогена в щелочной среде происходит трехкратное галогенирование метильной группы и отщепление тригалогенметана с образованием аниона карбоновой кислоты:

Если в качестве галогена использовать иод, образуется йодоформ, представляющий собой желтое кристаллическое вещество с температурой плавления 119 °С. Эта реакция является пробой на метилкетоны. Образование желтого осадка при обработке образца избытком иода в щелочной среде свидетельствует о присутствии в образце метилкетона.

Реакции присоединения

Наличие в карбонильной группе -связи между атомами углерода и кислорода делает возможным присоединение различных веществ к альдегидам и кетонам:

К этой группе реакций относится уже обсуждавшееся образование полуацеталей и полукеталей:

Большинство реакций присоединения относится к нуклеофил ьному типу. Поскольку атом углерода карбонильной группы несет частичный положительный заряд, на первой стадии нуклеофил присоединяется к атому углерода. Типичная реакция нуклеофильного присоединения - взаимодействие альдегидов и кетонов с цианидами:

Образующийся на первой стадии анион отрывает протон от молекулы растворителя. В итоге образуется органический цианид - нитрил, вихрил можно гидролизовать до карбоновой кислоты:

реакция такого типа используется в синтезе важного ненаркотического анальгетика ибупрофена:

К реакциям нуклеофильного присоединения относится и реакция альдегидов и кетонов с реактивами Гриньяра (см. гл. 7). Приведем еще несколько примеров, давая сразу продукт гидролиза:

Все эти реакции позволяют создавать новый углеродный скелет синтезировать практически любые спирты. Из формальдегида

образуются первичные спирты, из других альдегидов — вторичные, а из кето нов — третичные спирты.

Альдольная конденсация

Альдегиды, имеющие -водородные атомы (атомы водорода при углеродном атоме, соседнем с карбонильным), в щелочной среде вступают в реакцию конденсации, которая является важным методом создания нового углеродного скелета. Например, при обработке ацетальдегида щелочью происходит следующее:

На первой стадии образуется -гидрокеиальдегид, имеющий тривиальное название альдоль, поэтому все реакции этого типа имеют общее название альдольная конденсация. -Гидроксиальдегиды легко дегидратируются с образованием -непредельных альдегидов. В итоге образуется соединение, содержащее вдвое больше углеродных атомов, чем исходный альдегид.

Общий механизмальдольной конденсации таков: 1. Гидроксид-ион отщепляет -протон у небольшой части молекул альдегида. а-Водородные атомы имеют слабокислый характер из-за резонансной стабилизации образующегося аниона:

2. Образовавшийся анион, выступая как нуклеофил, атакует карбонильную группу другой молекулы альдегида, образуя новую углерод-углеродную связь:

3. Новый анион отрывает протон от молекулы воды, регенерируя катализатор - гидроксид-ион:

4. -Гидроксиальдегид легко (часто самопроювольно) теряет воду, превращаясь в -непредельный альдегид:

В результате карбонильный атом углерода одной молекулы альдегида оказывается связанным двойной связью с -углеродным атомом другой молекулы. В приведенных ниже примерах части разных исходных молекул обведены в рамку:

-Непредельные альдегиды могут служить исходными веществами в синтезе самых разных органических соединений с новым углеродным скелетом, поскольку как карбонильная группа, так и двойная углерод-углеродная связь способны ко многим превращениям. Например:

(кликните для просмотра скана)

Реакция Виттига

Альдегиды и кетоны реагируют с так называемыми илидами фосфора с образованием веществ, имеющих новый углеродный скелет. Илиды предварительно получают из триалкилфосфинов, галогеналканов и сильного основания, например, бутиллития :

Обратите внимание, что полученный алкен содержит углеродные фрагменты карбонильного соединения и галогеналкана, а двойная связь соединяет атомы углерода, ранее соединенные с атомами кислорода и галогена. Например:

С целью идентификации альдегиды и кетоны превращают в твердые производные. Оба типа карбонильных соединений в условиях кислого или щелочного катализа галогенируются в а-положение. Метил кетоны при обработке иодом в щелочной среде образуют йодоформ, что является качественной реакцией на метилкетоны. Альдегиды и кетоны в водной среде взаимодействуют с цианидами, давая нитрилы, которые можно гидролизовать до карбоновой кислоты, содрежащей на один углеродный атом больше, чем исходное соединение. При взаимодействии альдегидов и кетонов с раактивами Гриньяра образуются спирты. Альдольная конденсация и реакция Виттига позволяют создавать новый углеродный скелет.

Сводка основных положений гл. 8

1. В соответствии с номенклатурой IUPAC названия альдегидов и кетонов строятся путем добавления суффиксов "аль" или "он" соответственно к названиям углеводородов. Альдегиды

имеют тривиальные названия, совпадающие с названиями карбоновых кислот. Названия кетонов в радикально-функциональной номенклатуре состоят из названий радикалов, соединенных с карбонильной группой, и слова "кетон".

2. Альдегиды и кетоны получают окислением первичных и вторичных спиртов. Восстановление ацилгалогенидов приводит к образованию альдегидов, тогда как взаимодействие ацилгалогенидов с диалкилкадмием дает кетоны. В результате озонолиза алкенов также образуются альдегиды и (или) кетоны.

3. Альдегиды и кетоны реагируют со спиртами, давая ацетали и кетали. Эта реакция используется для защиты карбонильной группы. Восстановление альдегидов и кетонов водородом или гидридами дает спирты. При восстановлении по Клеменсену или по Вольфу - Кижнеру образуются углеводороды. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот. Для идентификации карбонильные соединения переводят в твердые производные, имеющие характеристические температуры плавления. При галогенировании альдегидов и кетонов галогены селективно направляются в -положение. При обработке метил кетонов иодом в щелочной среде образуется йодоформ Карбонильные соединения реагируют с цианидами, образуя нитрилы (которые можно гидролизовать до карбоновых кислот) и присоединяют реактивы Гриньяра, давая спирты. Построение нового углеродного скелета достигается с помощью альдольной конденсации и реакции Виттига.

Ключевые слова

(см. скан)

Вопросы для развития навыков

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ