Примеры реакций нуклеофильного присоединения

Взаимодействие со спиртами. Альдегиды при взаимодействии со спиртами образуют полуацетали, а при избытке спирта – ацетали. Реакция протекает в присутствии катализатора – газообразного хлороводорода.

Молекула этанола не является достаточно активным нуклеофилом для этой реакции. Чтобы увеличить активность электрофильного центра (карбонильный углерод с δ+) и используют кислотный катализ. На первой стадии реакции альдегид (1) взаимодействует с хлороводородом по основному центру (атом кислорода с неподеленной электронной парой), образуя катион, который существует в виде двух резонансных структур (2 и 3). В карбкатионе (3) на электрофильном центре уже полный положительный заряд (а не частичный, как в исходном альдегиде). Таким образом, активность электрофильного центра увеличилась, и он может взаимодействовать со слабым нуклеофилом – молекулой спирта. Новая связь C-O образуется за счет неподеленной электронной пары кислорода, поэтому на нем появляется положительный заряд (4). Для стабилизации этому катиону необходимо отщепить протон водорода. Его принимает анион Cl^-. Образуется молекула конечного продукта реакции – полуацеталя.

По такому же механизму происходит дальнейшее превращение полуацеталя в ацеталь:

Эти реакции обратимы, в кислой среде полуацетали и ацетали гидролизуются до соответствующих альдегидов и спиртов. Вот почему катализатором в реакциях их образования является газообразный хлороводород, а не его водный раствор.

Реакцию образования ацеталей часто используют в органическом синтезе для защиты альдегидной группы от окисления. После проведения реакции окисления защиту «снимают», т.е. проводят кислотный гидролиз.

Кетоны в реакцию со спиртами практически не вступают.

Присоединение синильной кислоты HCN. Эта реакция характерна и для альдегидов, и для кетонов. Рассмотрим её на примере ацетона.

Реакция протекает в присутствии щелочи в качестве катализатора.

Синильная кислота – слабая кислота, с малой степенью диссоциации, т.е. плохой источник нуклеофилных частиц (цианид-анионов CN^-). Для активизации нуклеофила и используют катализатор:

Далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

Нуклеофил атакует электрофильный центр молекулы ацетона, π-связь C=O разрывается гетеролитически, оба ее электрона уходят к атому кислорода, поэтому там появляется отрицательный заряд (1), новая связь C-C образуется за счет электронов нуклеофила. Анион (1) присоединяет протон водорода от молекулы воды, образуя оксинитрил (2) и гидроксид-анион, что доказывает, что щелочь являлась катализатором этой реакции.

Циангидрины способны к гидролизу с образованием соответствующих оксосоединений и синильной кислоты. Некоторые циангидриды встречаются в природе (синтезируются растениями). Употребление их в пищу (косточки сливы, вишни, горького миндаля) может привести к отравлению.

Присоединение воды. Эта реакция обратима. Её равновесие контролируется стерическими и электронными факторами.

Гидраты большинства альдегидов и особенно кетонов неустойчивы, существуют только в растворах. Гидрат трихлоруксусного альдегида (хлораля) очень устойчив, что связано с электроноакцепторным действием атомов хлора:

Хлоралгидрат используется в медицине как снотворное и успокаивающее средство.

Присоединение гидридов металлов. В результате этой реакции происходит восстановление альдегидов и кетонов. В качестве реагентов используют гидриды лития и натрия (LiH, NaH) или алюмогидрид лития (LiAlH₄). В качестве нуклеофильной частицы выступает гидрид-ион (H^-).

На первой стадии реакции образуется алкоголят, при последующем гидролизе которого получается соответствующий спирт. При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты:

Восстановление кетонов приводит к получению вторичных спиртов, например:

Взаимодействие с аммиаком и аминами. Амины и их производные типа X-NH₂ реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала протекает реакция нуклеофильного присоединения, продукты которой неустойчивы и отщепляют молекулу воды. Поэтому такие реакции характеризуют как присоединение-отщепление.

Рассмотрим механизм реакции на примере взаимодействия ацетальдегида с аммиаком.

Имины называют также основаниями Шиффа.

Имины являются промежуточными продуктами во многих ферментативных процессах, например, в биосинтезе
α-аминокислот в организме.

Основания Шиффа легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образованием исходных продуктов. В организме гидролиз иминов происходит в процессе окислительного дезаминирования α-аминокислот.

Помимо аммиака, в реакцию просоединения-отщепления с альдегидами и кетонами вступают первичные амины (R-NH₂), гидроксиламин (NH₂-OH), гидразин (NH₂-NH₂), фенилгидразин (C₆H₅-NH-NH₂), семикарбазид (NH₂-NH-CO-NH₂):

Все эти производные – кристаллические соединения с чёткими температурами плавления, поэтому их получение может использоваться для идентификации альдегидов и кетонов. А так как эти производные так же, как и имины способны к гидролизу с образованием исходных соединений, то данные реакции могут использоваться и для выделения оксосоединений из смесей с другими соединениями.

Через стадию образования альдимина при взаимодействии пиридоксальфосфата (см. стр. 195) и α-аминокислоты протекает реакция переаминирования белковых α-аминокислот (основной путь биосинтеза α-аминокислот).

Реакция альдольной конденсации характерна только для альдегидов, в структуре которых есть α-CH-кислотный центр. Реакция катализируется щелочами.

Конденсацией называется реакция, приводящая к усложнению углеродного скелета и возникновению новой углерод-углеродной связи, при этом из двух или более относительно простых молекул образуется новая более сложная молекула.

Эта реакция начинается по CH-кислотному центру альдегида:

Образующийся анион CH-кислоты стабилизирован за счёт p,π-сопряжения. Он является нуклеофилом по отношению к другой молекуле альдегида, и далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

В результате реакции образуется соединение, являющееся альдегидом и спиртом (алкоголь) – альдоль.

Альдольная конденсация имеет место и в биологических системах. Например, биосинтез лимонной кислоты, нейраминовой кислоты протекает по механизму альдольной конденсации.

Те альдегиды, которые не имеют атомов водорода при α-углеродном атоме, т.е. не проявляют CH-кислотных свойств, в присутствии щелочей реагируют по-иному. Для них характерна реакция Канниццаро. Другое название этой реакции – диспропорционирование, или реакция оксидоредукции: одна молекула альдегида при этом окисляется, а другая – восстанавливается.

Реакция Канниццаро характерна, например, для бензальдегида:

В случае формальдегида реакция Канниццаро протекает в водном растворе без катализатора:

В водных растворах формальдегида накапливается муравьиная кислота, поэтому эти растворы имеют кислую реакцию.

За счёт CH-кислотного центра протекают также реакции галогенирования, например, так называемая иодоформная реакция:

Эту реакцию дают все оксосоединения, в структуре которых есть группа

, т.е. уксусный альдегид и все метилкетоны (ацетон, метилэтилкетон, метилпропилкетон и т.п.). Образующийся иодоформ обладает характерным «аптечным» запахом, а при достаточной концентрации выпадает в виде желтоватого осадка.

Иодоформную реакцию используют как качественную, чтобы отличить уксусный альдегид от всех других альдегидов. В медицинской практике иодоформную реакцию используют для обнаружения ацетона в моче больных сахарным диабетом.

Реакции окисления альдегидов. Альдегиды окисляются очень легко. Даже такие слабые окислители, как аммиачный раствор гидроксида серебра (реактив Толленса) и гидроксид меди (II), окисляют альдегиды в соответствующие карбоновые кислоты. Обе эти реакции используют как качественные для обнаружения альдегидной группы.