GL_16_Альдегиды&Кетоны (1125827), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Рис. 16.1. Энергетическая диаграмма для обратимого присоединения нуклеофильного агента NuH к альдегидам и кетонам
Для -галогензамещенных альдегидов и кетонов, в отличие от незамещенных карбонильных соединений, характерны очень высокие значения констант равновесия гидратации. Так, например, для трихлоруксусного альдегида (хлораля) константа равновесия равна 3•104, а для гексафторацетона она еще выше:
Оба эти карбонильные соединения образуют настолько стабильные гидраты, что регенерированы могут быть только при обработке концентрированной серной кислотой.
Механизм гидратации карбонильных соединений изучен очень подробно, поскольку эта реакция моделирует другие, более сложные процессы нуклеофильного присоединения к карбонильной группе.
Гидратация карбонильных соединений подвержена как общему кислотному, так и общему основному катализу. При общем кислотном катализе в первой, быстрой, стадии происходит образование комплекса кислоты НВ с карбонильной группой, в котором резко усиливается электрофильный характер карбонильного углерода. Во второй, медленной стадии, определяющей скорость всего процесса, к этому комплексу присоединяется вода. Быстрое депротонирование оксониевого интермедиата завершает процесс:
Альтернативный механизм предполагает электрофильный катализ и нуклеофильную атаку как согласованный процесс, в котором циклическое переходное состояние включает три молекулы воды:
Имеются веские аргументы в пользу согласованного механизма, основанные на измерении скоростей переноса протона. Следует отметить, что согласованный механизм может иметь место для всех реакций нуклеофильного присоединения по карбонильной группе и в кислой и в основной среде. Для гидратации карбонильной группы, катализируемой основанием, роль основания сводится к образованию из воды более реакционноспособного нуклеофильного агента - гидроксид-иона:
16.3.1.б. ОБРАЗОВАНИЕ АЦЕТАЛЕЙ И КЕТАЛЕЙ ПРИ ПРИСОЕДИНЕНИИ СПИРТОВ
Спирты также обратимо присоединяются к альдегидам и кетонам, но, в отличие от гидратации, эта реакция играет важную роль в органическом синтезе. Продукт присоединения одного моля спирта к альдегиду или кетону называют соответственно полуацеталем или полукеталем:
Ацетали и кетали образуются во второй стадии из полуацеталей или полукеталей при присоединении второй молекулы спирта и дегидратации:
Образование полуацеталя и полукеталя с точки зрения механизма процесса абсолютно аналогично присоединению воды и характеризуется примерно теми же величинами констант равновесия. Вторая стадия катализируется только кислотами, поскольку определяющей скорость стадией в этом процессе является отщепление гидроксид-иона из тетраэдрического полуацеталя, а это невозможно в щелочной среде:
Константа равновесия благоприятствует образованию ацеталей при взаимодействии альдегидов с одноатомными спиртами, катализируемом НС1, п-толуолсулъфокислотой, эфиратом трехфтористого бора или хлористым кальцием:
Для кетонов равновесие смещено в сторону исходных реагентов, и для получения кеталей требуется применять «специальные» методы, например азеотропную отгонку воды с толуолом или ксилолом. Образование ацеталей и кеталей позволяет оценить роль энтропийного фактора в равновесных процессах присоединения к карбонильной группе. Присоединение спиртов к карбонильной группе альдегидов и кетонов - экзотермический процесс, причем энтальпия образования ацеталя H° выше энтальпии образования кеталя:
Величины Н° отражают более высокую стабильность кетонов по сравнению с альдегидами и показывают, что наименее стабильным карбонильным соединением является формальдегид. Образование кеталей также экзотермично, а константа равновесия тем не менее мала. Это становится понятным, если принять во внимание, что константа равновесия определяется изменением свободной энергии Gо, а величина Gо зависит от изменения и энтальпии и энтропии, так как
Gо = Н°TS°
В процессах образования ацеталей и кеталей из трех молекул реагентов получаются две молекулы продуктов реакции, что соответствует понижению энтропии. Для ацеталей более высокое значение Н°компенсирует понижение энтропии. В процессе образования кеталей энтропийный фактор, напротив, играет решающую роль. Неблагоприятное влияние энтропийного члена можно свести к минимуму, если для получения кеталей использовать 1,2- или 2,3-диолы. В современной синтетической практике для получения и ацеталей, и кеталей применяют этиленгликоль, 1,3-пропиленгликоль или 2,2-диметил-1,3-пропандиол с азеотропной отгонкой воды в присутствии п-толуолсульфокислоты в качестве катализатора:
Циклические кетали являются производными соответственно 1,3-диоксолана и 1,3-диоксана. Диметил- и диэтилацетали и кетали могут быть получены при взаимодействии карбонильных соединений с ортомуравьиным эфиром в бензоле в присутствии п-толуолсульфокислоты:
При стоянии альдегиды склонны к образованию циклических или полимерных ацеталей. Формальдегид при этом дает твердый линейный полимер, называемый параформальдегидом (параформ):
При нагревании твердого параформа до 180-200 оС регенерируется формальдегид. Газообразный формальдегид очень хорошо растворим в воде, его насыщенный 37%-й водный раствор называется формалином.
Формальдегид образует также циклический тример - триоксан; такой же тример для ацетальдегида называется паральдегид. Оба тримера при нагревании в присутствии следов кислотных агентов деполимеризуются до альдегидов.
Триоксан и паральдегид следует рассматривать как циклические ацетали.
Ацетали и кетали нашли широкое применение в качестве защитной группы для карбонила альдегида и кетона. Ацетали и кетали относятся к классу простых эфиров с двумя алкоксильными группами у одного атома углерода. Подобно другим простым эфирам они стабильны по отношению к сильным основаниям - магний- и литийорганическим соединениям, гидриду и амиду натрия, комплексным гидридам и др. Это позволяет для бифункциональных соединений, содержащих карбонильную группу, осуществлять избирательное превращение с участием другой группы, что можно проиллюстрировать двумя следующими примерами:
Пиролизом ацеталей и кеталей получают простые эфиры енолов:
16.3.1.в. ТИОАЦЕТАЛИ И ТИОКЕТАЛИ
С сернистыми аналогами спиртов (тиолами) альдегиды и кетоны образуют тиоацетали и тиокетали. Выходы тиоацеталей и тиокеталей обычно выше, чем ацеталей и кеталей:
Тиоацетали и тиокетали нашли совершенно неожиданную область применения после того как было обнаружено, что скелетный никель Ренея вызывает обессеривание сульфидов. Эта реакция открыла простой и доступный путь превращения карбонильной группы кетонов в СН2-группу. Оба процесса: образование тиокеталей и десульфуризация идут в очень мягких условиях при 20-50 °С, что нередко позволяет проводить эту реакцию в присутствии других функциональных групп:
В современном органическом синтезе совершенно исключительное положение занял циклический тиоацеталь формальдегида и 1,3-пропандитиола - шестичленный 1,3-дитиан.
1,3-Дитиан благодаря влиянию двух атомов серы обладает слабой С-Н кислотностью (рКа= 31). При действии такого сильного основания, как бутиллитий, он количественно превращается в карбанион. Анион 1,3-дитиана является ключевым реагентом многих важнейших превращений. Алкилирование литиевой соли 1,3-дитиана открывает путь к получению самых разнообразных альдегидов (Кори, Зеебах, 1969-1970 гг.):
При повторном металлировании и алкилировании образуются симметричные или несимметричные кетоны:
Своеобразие этой реакции заключается в том, что, превращая альдегид в циклический тиоацеталь, удается в конечном итоге алкилировать альдегид по карбонильному атому углерода с помощью электрофильного алкилирующего агента. Превращение электрофильного карбонильного углерода в нуклеофильный центр карбаниона 1,3-дитиана получило название «обращение полярности». Реакция проводится в исключительно мягких условиях и характеризуется очень высокими выходами конечных продуктов - альдегидов и кетонов:
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
