GL_17_Енолы (О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин - Органическая химия в 4-х томах (Word))
Описание файла
Файл "GL_17_Енолы" внутри архива находится в папке "О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин - Органическая химия в 4-х томах (Word)". Документ из архива "О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин - Органическая химия в 4-х томах (Word)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "органическая химия" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .
Онлайн просмотр документа "GL_17_Енолы"
Текст из документа "GL_17_Енолы"
74
Глава 17
Енолы и енолят-ионы
17.1. Реакции замещения при -углеродном атоме карбонильных соединений
17.1.1. Галогенирование. Изотопный обмен водорода и рацемизация
17.1.2. Нитрозирование кетонов
17.1.3. Keто-енольная таутомерия
17.2. Кислотность карбонильных соединений
17.3. Реакционная способность енолят-ионов
17.3.1. Алкилирование енолят-ионов
17.8.2. Региоселективность образования енолят-ионов
17.3.3. Ацилирование енолят-ионов
17.3.4. Влияние природы противоиона и растворителя в реакциях енолят-ионов
Синтезы с малоновым и ацетоуксусным эфирами
17.5. Конденсации c участием енолов и енолят-ионов
17.5.1. Альдольная конденсация
17.5.2. Сложноэфирная конденсация Кляйзена и родственные реакции
17.5.3. Реакции Реформатского
17.5.4. Конденсация Кневенагеля
17.5.5. Реакция Манниха
17.5.6. Бензоиновая конденсация
17.5.7. Ион-радикальные конденсации кетонов и сложных эфиров
17.6. Сопряженное присоединение енолят-ионов по Михаэлю
17.7. Аннелирование по Робинсону
17.8. Реакции сопряженного присоединения с участием енаминов
17.1. Реакции замещения при -углеродном атоме карбонильных соединений
17.1.1. Галогенирование. Изотопный обмен водорода и рацемизация
Галогенирование карбонильных соединений относится к числу наиболее подробно изученных реакций. Галогенирование альдегидов и кетонов осуществляется исключительно в -положение по отношению к карбонильной группе и не ускоряется на свету. Галогенирование карбонильных соединений обычно проводят под действием раствора брома, хлора или иода в уксусной кислоте, хлора в соляной кислоте, комплексом брома с диоксаном или ДМФА. Ниже приведены некоторые типичные примеры.
Галогенкетоны широко применяются в органическом синтезе в реакциях бимолекулярного нуклеофильного замещения галогена на другие группировки, а также для получения -ненасыщенных кетонов путем дегидрогалогенирования. Так, например, 2-бром-2-метил-циклогексанон при обработке пиридином образует 2-метилциклогексен-2-он в результате обычного E2-элиминирования.
Галогенирование кетонов катализируется как кислотами, так и основаниями, и скорость галoreнирования в присутствии основания намного выше, чем в кислой среде.
При изучении кинетики и механизма галогенирования кетонов было установлено, что скорость кислотно-катализируемой реакции не зависит ни от концентрации, ни от природы галогена. Так, скорость галoгeнирования ацетона одинакова для бромирования, иодирования и хлорирования и не зависит от концентрации галогена. Аналогичная зависимость была обнаружена и для многих других кетонов: пентанона-3, фенил-вторбутилкетона, 2-метилциклогексанона и др. Это означает, что в медленной, определяющей скорость всей реакции стадии, из кетона образуется какая-то реакционноспособная частица, которая затем быстро реагирует с галогеном с образованием -галогензамещенного кетона, и эта стадия не отражается на скорости всей реакции. Дополнительная информация о механизме этой реакции была получена при изучении дейтероводородного обмена и рацемизации оптически активных карбонильных соединений. Дейтероводородный обмен алифатических и циклических кетонов, катализируемый кислотой, наблюдается только для атомов водорода при -углеродных атомах по отношению к карбонильной группе.
Для одного и того же кетона скорость кислотно-катализируемого галогенирования равна скорости катализируемого кислотой дейтероводородного обмена в идентичных условиях. Как было обнаружено Ингольдом, кислотно-катализируемая рацамизация оптически активного фенил-втор-бутилкетона C6H5СOC*H(СН3)-CН2СН3 протекает с такой же скоростью, как и кислотно-катализируемое иодирование и дейтероводородный обмен. Аналогичная зависимость имеет место для кислотно-катализируемого галогенирования, изотопного обмена и рацемизации 3-фенил-2-бутанона C6H5СOC*H(СН3)-CОСН3 и других кетонов.
Это означает, что во всех этих peaкциях образуется один и тот же интермедиат, и скорость его образования определяет скорость всего процесса галогенирования, изотопного обмена и рацемизации. Для кислотно-катализируемых реакций галогенирования, рацемизации и водородного обмена таким интермедиатом может быть только енол, который имеет плоскость симметрии и поэтому ахирален. Изомеризация енола в кетон приводит к образованию R- или S-энантиомера с равной вероятностью. Изотопный обмен водорода и галогенирование исключительно при -углеродном атоме также согласуется только с механизмом, предусматривающим образование енола в качестве единственного интермедиата.
Механизм кислотного катализа изомеризации кетона в енол заключается в протонировании карбонильной группы с последующим отщеплением протона от -углеродного атома оксониевой формы. Эта стадия формально подобна процессам Е1- элиминирования.
Равновесие протонирования кетона сильно смещено влево, так как карбонильные соединения относятся к очень слабым основаниям. Катион, образующийся при реакции енола с галогеном или катионом дейтерия, стабилизируется отщеплением протона из гидроксильной группы с регенерацией карбонильной группы.
Аналогичный ход рассуждений применим и для катализа тех же реакций основанием. Скорость рацемизации, галогенирования и изотопного обмена для фенил-втор-бутилкетона оказывается одинаковой и при катализе гидроксид-ионом. Однако скорость этих реакций, катализируемых основанием, в тысячу раз превышает скорость кислотно-катализируемого процесса. Из этого следует, что интермедиат, образующийся в присутствии основания, должен быть гораздо более реакционноспособной частицей по сравнению с ковалентным енолом. Такой частицей может быть только енолят-ион, получающийся в результате отщепления протона от углеродного атома карбонильного соединения, как слабой С-Н кислоты.
Плоский, ахиральный еиолят-ион равновероятно протонируется или галогенируется по -углеродному атому с тыла или с фронтальной стороны с образованием рацемической формы кетона или галогензамещенного кетона.
В кислой среде, где галогенированию подвергается енольная форма, можно добиться введения в положение только одного атома галогена. Галогенкетоны имеют более низкую величину рКа и протонируются труднее, чем исходный кетон. Это понижает скорость енолизации галогензамещенного кетона, что благоприятствует введению только одного атома галогена. В противоположность этому галогенирование енолят-иона в основной среде невозможно остановить на стадии монозамещения. Енолят-ион по крайней мере в тысячу раз реакционноспособнее самого енола. Кроме того, более высокая кислотность галогензамещенного кетона предопределяет более высокую скорость депротонирования по сравнению с депротонированием незамещенного кетона. Поэтому все атомы водорода при обоих атомах углерода кетона чрезвычайно легко замещаются на галоген. Галогени-рование кетонов с участием енолят-ионов обычно выполняют в бинарной смеси воды и органического растворителя в присутствии гидроксида натрия или калия, где непрерывно создается стационарная концентрация енолят-иона. В этих условиях метилкетоны первоначально образуют 1,1,1-тригалогенкетоны, которые затем подвергаются щелочному расщеплению до галоформа и аниона карбоновой кислоты:
Это расщепление носит название галоформенной реакции. На галоформенной реакции основан простейший тест на метилкетоны. Раствор испытуемого образца в ТГФ или диоксане смешивают с водным раствором гидроксида натрия и иода. Быстрое образование желтого осадка йодоформа СНI3 указывает на наличие метилкетона.
17.1.2. Нитрозирование кетонов
Алифатические и алициклические кетоны, содержащие метиленовую группу, нитрозируются под действием азотистой кислоты, изоамилнитрита или хлористого нитрозила. Реакционноспособной формой при нитрозировании является енол.
Нитрозосоединение изомеризуется в более стабильное окси-иминопроизводное (изонитрозосоединение). Направление нитрозирования несимметричных кетонов соответствует образованию более стабильного енола и приводит к введению нитрозогруппы у наиболее замещенного -углеродного атома. -Oксиминопроизводные восстанавливают цинком и уксусной кислотой в аминокетоны, используемые в синтезе пирролов по Кнорру.
Аминокетоны можно обычным образом восстанавливать до амино-спиртов. С другой стороны, оксиминокетоны после кислотного гидролиза дают 1,2-дикетоны.
17.1.3. Keто-енольная таутомерия
В предыдущем разделе был подробно описан механизм катализируемой кислотой енолизации кетонов. В действительности кетоны находятся в равновесии с енольной формой и кислота только ускоряет взаимопревращение обеих форм. Равновесие двух форм: кетонной и енольной, отличающихся положением атома водорода и двойной связи, принято называть кето-енольной таутомерией.
Для незамещенных и пространственно не затрудненных кетонов равновесная концентрация енола очень мала и колеблется в интервале от 8.10-6 % для ацетона до 10-4 % для циклoгeксанона . Из этого следует, что для кетонов кето-форма гораздо более стабильна, чем изомерная енольная форма. Иначе говоря, это означает, что енол является на несколько порядков более сильной О-Н кислотой, чем кетон С-H кислотой. В соответветствии с основным принципом термодинамики соотношение кетонной и енольной форм прямо пропорционально отношению величин рКа двух этих форм, т.е. обратно пропорционально кислотности двух форм. Чем более слабой С-H кислотой является кето-форма, тем выше ее содержание в смеси двух таутомеров. Для замещенных кетонов или пространственно затрудненных кетонов ситуация может резко измениться. Так, например, пентафторацетон СF3COCHF2 практически нацело енолизован и превращается в кето-форму только при нагревании в растворе трифторуксусной кислоты при 100° .
Полная енолизация характерна и для других полифторзамещенных кетонов, например:
Для пространственно затрудненных кетонов, содержащих две или три объемных мезитильных группы, енольная форма также более стабильна, чем кето-форма.
Это превращение осуществляется при длительном кипячении в спиртовом растворе хлористого водорода. Но даже в этих условиях енол Mes2C=C(OH)Mes не изомеризуется в кетон.
Содержание енольного таутомера резко возрастает для 1,3-дикетонов и 1,3-кетоэфиров. Доля енольной формы для жидкого ацетилацетона составляет 80%, а для ацетоуксусного эфира 8%. Столь сильное изменение положения таутомерного равновесия, несомненно, обусловлено образованием очень прочной внутримолекулярной водородной связи в еноле. Водородная связь понижает кислотность енольной формы и, следовательно, увеличивает термодинамическую стабильность такого енола.
Данные ИК- и ЯМР-спектооскопии подтверждают наличие внутримолекулярной водородной связи в еноле. Положение равновесия для 1,3-дикетонов и 1,3-кетоэфиров в значительной степени зависит от природы растворителя. Протонные растворители разрушают внутримолекулярную водородную связь в еноле за счет образования межмолекулярной водородной связи. Более полярная кето-форма, наоборот, стабилизируется с помощью водородной связи с полярными молекулами воды или спирта. В результате доля енола в водном растворе снижается до 23% для ацетилацетона и до 6% для ацетоуксусного эфира. Неполярные растворители способствуют енолизации, так как стабилизируют малополярную циклическую енольную форму и дестабилизируют полярную кето-форму. Данные, приведенные в табл. 17.1 убедительно подтверждают выводы о влиянии структурных факторов и природы растворителя на положение кетоенольного таутомерного равновесия для 1,3-дикарбонильных соединений.
Енольная форма ацетоуксусного эфира в индивидуальном виде была выделена Л.Кнорром при обработке сухим газообразным HCl суспензии его натриевого енолята в петролейном эфире при -78 oC. Чистая кетонная форма ацетоуксусного эфира кристаллизуется из раствора ацетоуксусного эфира в гексане при -78°. При хранении обе формы с измеримой скоростью превращаются друг в друга до достижения равновесия. Подобным же образом были выделены при очень низкой температуре енольные формы многих других 1,3-кетоэфиров и 1,3-дикетонов.
Таблица 17.1.
