5.2. Карбанионы, стабилизированные одной (-М)-группой

В разд. 5.1 рассмотрены реакции карбанионов, сравнительно легко образуемых при депротонировании относительно сильных -кислот Соединения типа или [где X — группа с -эффектом], как правило, гораздо более слабые -кислоты (за исключением нитроалканов, около 9—10); они имеют значения примерно в интервале 19—27, и, таким образом, даже сравнительно сильные основания, подобные алкоголятам натрия, могут создавать лишь некоторую равновесную концентрацию карбаниона этих соединений. Чтобы полностью перевести такие соединения в карбанионы, необходимо использовать гораздо более сильные основания, например амиды щелочных металлов. При этом в качестве растворителей нельзя использовать спирты, поскольку спирты — более сильные основания, чем СН-кислоты, и, следовательно, депротонируются легче последних.

5.2.1. Алкилирование

Полезно вспомнить (разд. 5.1.1), что для алкилирования необходимо стехиометрическое количество основания и что для проведения этой реакции с достаточной скоростью должна быть обеспечена высокая начальная концентрация карбаниона. Это означает, что требуются очень сильные основания. Если стабилизация карбаниона осуществляется циано- или эфирной группой, реакции проходят успешно, например:

Если -группа кетонная или альдегидная, то возникают серьезные осложнения. Как кетоны, так и альдегиды способны конденсироваться в присутствии оснований (разд. 3.3.2 и 5.2.4), поэтому реальными побочными процессами будут либо самоконденсация исходного соединения или продукта, либо «смешанные» конденсации. Кроме того, некоторые несимметричные кетоны могут давать смесь двух карбанионов и, следовательно, смесь продуктов алкилирования. Простейший случай — алкилирование альдегидов и кетонов, дающих только один карбанион, поскольку единственной проблемой здесь

является подавление конденсации. Последняя включает атаку карбанионом неионизованного карбонильного соединения; особенно легко это происходит в случае альдегидов. Поэтому важно выбрать такие условия проведения эксперимента, которые обеспечат минимальную концентрацию свободного карбонильного соединения в течение всего процесса. Карбанионы должны получаться количественно постепенным добавлением кетона или альдегида к раствору основания в апротонном растворителе (таким образом, основание всегда будет в избытке), затем следует быстро добавить большой (до десятикратного) избыток алкилирующего агента, чтобы алкилирование оказалось кинетически более предпочтительным процессом. Примеры таких реакций приведены ниже:

Кетоны, имеющие -водороды по обе стороны от карбонильной группы, могут давать (и обычно дают) смесь двух карбанионов, поэтому алкилирование таких кетонов приводит к образованию смеси продуктов. Не всегда легко предвидеть, какой из изомеров будет преобладать. Если депротонирование проводят медленным добавлением кетона к молярному эквиваленту основания в апротонном растворителе, оно, по существу, необратимо. В этом случае соотношение карбанионов определяется относительными скоростями их образования, т. е. скоростями, с которыми отнимаются оба -протона. Этот процесс является кинетически контролируемым. Установлено, что при этом пространственно менее затрудненный -протон, как правило, удаляется быстрее. Это положение иллюстрируется следующими примерами:

Однако если карбанионы генерируются в присутствии источника протонов (даже если таковым является небольшой избыток непрореагировавшего неионизованного кетона), то стадия депротонирования обратима, а процесс является термодинамически контролируемым. Соотношение продуктов, получаемых в этих условиях, может в значительной степени отличаться соотношения продуктов кинетически контролируемых процессов, например:

Все сказанное выше дает лишь упрощенную картину. Соотношение карбанионов (а значит, и соотношение продуктов) зависит и от других причин: например, от структуры кетона, стерических требований основания, природы катиона и растворителя. Полное обсуждение всех упомянутых факторов лежит за пределами этого пособия: для наших целей достаточно знать о трудностях при этих реакциях и об их ограниченном использовании в синтезе. В разд. 5.2.3 мы рассмотрим некоторые косвенные методы синтеза -алкилированных кетонов, которые позволяют избежать указанных трудностей.

Наконец, следует отметить, что нитроалканы, несмотря на их способность алкилироваться в гораздо более мягких условиях, чем другие рассмотренные выше типы соединений, как правило, легче реагируют по кислороду, чем по углероду, как это видно из приводимого ниже примера:

В данном случае не образуется новая углерод-углеродная связь, поэтому данная реакция не имеет прямого отношения к вопросам, рассматриваемым в данной главе.

5.2.2. Ацилирование

Учитывая трудности, касающиеся алкилирования, можно было бы предположить, что аналогичные проблемы возникают и при ацилировании. Это действительно так при ацилирования с использованием ацилгалогенидов и ангидридов. Однако эти реакции сравнительно редко используются в синтезе, поскольку соответствующие продукты (например, 1,3-дикарбонильные соединения) легче получать иными методами. Известные примеры реакций ацилирования данного типа отвечают ожидаемой модели. Для проведения ацилирования в этих случаях требуется один эквивалент очень сильного основания на 1 моль ацилирующего агента, например:

Следует отметить, что продукт второй реакции гораздо легче получить диметилированием ацетоуксусного эфира (разд. 5.1.1).

Простейшим практически важным случаем ацилирования простых кетонов или сложных эфиров является использование в качестве ацилирующих агентов сложных эфиров. Наиболее известный пример такого ацилирования (так называемая «сложноэфирная конденсация» по Кляйзену — образование ацетоуксусного эфира из двух молекул эти ацетата в присутствии этилата натрия:

Аналогичная реакция может протекать и в случае кетонов» или нитрилов:

Эти реакции не следуют общим правилам, которые мы рассмотрели ранее. Этилат натрия — недостаточно сильное

основание, поэтому он не способен обеспечить большую чем равновесную концентрацию карбаниона, образуемого из очень слабых кислот. В то же время основность алкоголята оказывается достаточной для депротонирования продуктов реакции (см. введение к разд. 5.1): поскольку все стадии процесса ацилирования этого типа обратимы [см. реакцию (5.16) и Сайке, с. 252], количественное превращение продуктов в их анионы является движущей силой реакции.

Из сказанного вытекают два важных для синтеза следствия: 1. Реакция не идет с эфирами типа В этом случае продукт ацилирования не имел бы кислотного водорода между двумя карбонильными группами, а значит, была бы невозможна стадия заключительного депротонирования. Успешное проведение ацилирования таких эфиров требует использования гораздо более сильных оснований, под действием которых эфиры могут количественно превращаться в карбанионы:

2. Несимметричные кетоны с -водородами по обеим сторонам от карбонильной группы ацилируются почти исключительно по наименее замещенному углероду, например:

Это легко понять, записав механизм аналогично реакции (5.16). Поскольку все стадии обратимы (реакция контролируется термодинамически), накапливается продукт, который является наиболее сильной кислотой, т. е. образуется самый слабоосновный карбанион. В последнем из приведенных выше примеров соединение 27 — более сильная кислота, чем 28: разница составляет примерно 10 порядков, так как карбанион соединения 27 стабилизируется двумя карбонильными группами. Хотя разница в кислотности между 25 и 26 значительно меньше, этого оказывается достаточно для того, чтобы главным продуктом оказался 25.