Методы получения карбонильных соединений

Министерство образования Российской Федерации
Ростовский государственный университет
Е.Б.Цупак
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к спецкурсу “Методы синтеза органических соединений”
Методы получения карбонильных соединений
Ростов-на-Дону
2001
2
Карбонильная группа С=О, как самостоятельная функциональная
группа, входит в состав молекул двух классов соединений - альдегидов
и кетонов. Альдегиды и кетоны занимают промежуточное положение
между спиртами и карбоновыми кислотами. Поэтому они могут быть
получены как методами окисления первых, так и восстановления
вторых.
Фрагмент
молекул
карбоновых
кислот,
состоящий
из
карбонила и углеводородного радикала, называется ацилом. В синтезах
альдегидов и кетонов используются реакции ацилирования молекул
органических соединений по углеродному атому. Применимы также
реакции гидролиза и гидратации. Следует отметить, что не всегда
реакция, ведущая к кетону, применима для получения альдегида и
наоборот.
ПОЛУЧЕНИЕ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ МЕТОДОМ ОКИСЛЕНИЯ
Альдегиды и кетоны получают окислением или каталитическим
дегидрированием соответственно первичных и вторичных спиртов.
Дегидрирование как препаративный метод применяется в лабораторной
практике весьма редко.
R
OH
, C
R
H
[O]
R
, C O
R
Для химического окисления обычно применяют бихроматы
натрия или калия, хромовый ангидрид в серной кислоте. Согласно
принятой точке зрения механизм окисления включает в себя две стадии:
сначала образуется сложный эфир алкилхромат, затем происходит его
распад на карбонильное соединение и хромистую кислоту H2CrO3,
которая тотчас диспропорционирует, с образованием более устойчивых
соединений шести- и трехвалентного хрома.
3
R
1)
R
HO
+
C H
R
O
Cr
OH
HO
R
O
2)
C H
O
R
O
+6
R
Cr
O
C O
+
H 2CrO3
OH
+4
3)
OCrO3H
+ H 2O
алкилхромат
R
R
C H
+3
3 H 2CrO3
2 HCrO2
+
+6
H 2CrO4 +
H 2O
Как правило, альдегиды окисляются легче соответствующих
спиртов. Поэтому образующийся в процессе окисления альдегид
необходимо изолировать от действия окислителя. При проведении
синтезов низших алифатических альдегидов, последние по мере
образования рекомендуют отгонять, поскольку они кипят ниже
окисляемых спиртов. Тем не менее, высоких выходов при этом достичь
не удается.
CH 2
CH 3 CH 2
OH
K 2Cr 2O7
H 2SO4
нагревание
CH 3 CH 2 C
O
H
45 %
Если
удаление
альдегида
из
реакционной
массы
путем
невозможна, окисление ведут в среде, которая химически связывает
альдегид в соединение, устойчивое к действию окислителей. Так,
синтез легко окисляющегося кислородом воздуха бензальдегида из
бензилового спирта удобно проводить в уксусном ангидриде. При этом
сначала выделяют диацетильное производное ацеталя бензальдегида, из
которого альдегид получают гидролизом в разбавленной кислоте.
C 6H 5CH 2OH
CrO3
(CH 3CO)2O
C 6H 5
OCOCH 3
H 2O/H
CH
OCOCH 3
O
C 6H 5 C
70 %
H
4
Хорошие выходы альдегидов достигаются при использовании
селективных окислителей, то есть таких, которые взаимодействуют со
спиртами, но не затрагивают альдегидный карбонил или могут окислять
его до кислотной функции сравнительно медленно.
Для окисления первичных спиртов бензилового и аллилового
типов более других реагентов подходит двуокись марганца. Реакцию
ведут в бензоле на холоду или при кипении с азеотропной отгонкой
воды. Активную MnO2 готовят следующим образом: осадок двуокиси
марганца, получаемый взаимодействием MnSO4 с KMnO4, тщательно
отмывают на фильтре от щелочи и избытка перманганата калия и перед
употреблением высушивают либо в сушильном шкафу при 120 оС, либо
с помощью отгонки воды в виде азеотропа с бензолом. Реакция
окисления спиртов двуокисью марганца идет на границе жидкой и
твердой фаз и это требует применения 5-10-кратного избытка
окислителя по массе.
CH 2OH
CHO
акт. MnO2
бензол
нагревание
N
N
68%
Среди других специфических окислителей следует назвать
двуокись
селена
(в
диоксане
или
толуоле
при
90
о
С),
диметилсульфоксид, гипохлорит калия, тетраацетат свинца, комплекс
оксида хрома (VI) с пиридином (реактив Коллинза).
Получение кетонов окислением вторичных спиртов протекает без
осложнений, так как сами кетоны устойчивы на холоду к действию
большинства окислителей, даже таких активных, как перманганат калия
и соединения хрома (VI). Например, циклооктанон из циклооктанола
получают по способу Джонсона в присутствии постоянного избытка
окислителя:
в
соответствии
с
прописью
ацетоновый
раствор
5
циклооктанола прибавляют к раствору хромового ангидрида в
разбавленной серной кислоте.
O
OH
CrO3
H 2SO4, H 2O
95 %
Для
окисления
вторично-спиртовой
группы
в
сложных
молекулах, содержащих такие фрагменты, которые также могут
взаимодействовать с окислителем, используют более мягкие и
селективные окислительные агенты.
Первичные
карбонильные
соединения
вторичные
соединения
в
Оппенауэра).
и
действием
присутствии
Она
спирты
можно
другого
алкоголятов
представляет
собой
превратить
в
карбонильного
алюминия
(реакция
процесс,
обратный
восстановлению кетонов по Меервейну-Пондорфу-Верлею. Окисление
проходит в мягких условиях. Для получения альдегидов рекомендуют
использовать алкоголят того спирта, который окисляют, а в качестве
акцептора
гидрид-иона
-
альдегиды, имеющие
более
высокую
температуру кипения, чем синтезируемый альдегид.
CH 2OH
(C6H 5CH 2O)3Al
C6H 5CH CH CH O
CHO
94 %
Предшественниками альдегидов и кетонов могут служить также
двухатомные спирты - 1,2-гликоли. Их окисление осуществляют йодной
кислотой в водном растворе или тетраацетатом свинца в органических
средах (хлороформ, метиленхлорид). В ходе реакции связь между
атомами углерода спиртовых групп разрывается, при этом образуется
две молекулы карбонильных соединений. Полагают, что механизм
реакции включает в себя промежуточное образование циклического
эфира окислителя с обеими гидроксильными группами.
6
C OH
+ H IO4
C OH
C
O
C
O
C O
IO 3H
_ HIO
3
C O
Образование оксосоединений в реакции расщепления 1,2гликолей
проходит
количественным.
почти
всегда
Принадлежность
с
выходами,
продуктов
близкими
превращения
к
альдегидам или кетонам определяется строением исходного гликоля:
первично-спиртовая группа дает формил, вторичный гидроксил кетогруппу.
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
H IO 4
CH CH CH 2OH
CH 3
O
CH C
H
OH
+ H C
O
H
100 %
Исходными веществами в синтезах альдегидов и кетонов в
реакциях окисления вместо спиртов могут служить соединения,
содержащие активированные метильные и метиленовые группы.
Алкильные заместители окисляются, как правило, в более жестких
условиях, чем спиртовые группы. Тем не менее, применение
рассмотренных выше мер предохранения альдегидов от дальнейшего
окисления в ходе реакции по мере их образования из первичных
алканолов, позволяет и в этом случае проводить синтезы с достаточно
высокими выходами. Так,
п-нитробензальдегид синтезируют из п-
нитротолуола путем окисления его в уксусном ангидриде, который
связывает альдегид в диацетоксипроизводное.
7
CH 3
CH(OCOCH 3)2
CHO
⊕
H 2O/H
CrO3
(CH 3CO)2O
NO2
NO2
NO2
50%
Алкильные группы, особенно если они связаны с такими
заместителями,
которые
обладают
возможностью
кето-енольной
таутомерии, удобно превращать в карбонил действием селенистого
ангидрида. Считают, что сначала образуется сложный эфир окислителя
с енольной формой исходного соединения, который затем распадается.
При этом селенистый ангидрид восстанавливается до селена. Реакция
начинается быстрее в присутствии небольших количеств воды. Это дает
основание предполагать, что окислитель реагирует в форме селенистой
кислоты.
H
O
H
C
+
C
R
_
_ H 2O
+ H 2O
OH
O
Se
OH
H
O
C
C
O
C
R
Se
H
H
O
H
+
C
R
Se + H 2O
O
OH
Указанным способом, например, фенилглиоксаль получают из
ацетофенона.
O
C
CH 3
O
SeO2
диоксан
90 o C
C
C O
H
70 %
Окисление метиленовых соединений не требуется применения
особых мер предосторожности, если в их молекулах не содержатся
заместители, склонные к окислению. Так, 2-бензоилпиридин легко
получают
из
2-бензилпиридина
перманганата калия.
действием
водного
раствора
8
K MnO4
N
H 2O
CH 2
N
C
O
86 %
Альдегиды и, отчасти кетоны, могут быть синтезированы из 2алкил(аралкил)азагетаренов путем нитрозирования по α-углеродному
атому заместителя и последующего гидролиза образующегося при этом
оксима. Реакция требует использования сильных оснований и,
вероятно, идет через промежуточное образование С-аниона, который
как нуклеофил атакует молекулу алкилнитрита. Образующееся при
этом С-нитрозосоединение изомеризуется в оксим. Так, 2-пиридинкарбоксальдоксим получают из α-пиколина, последовательно действуя
на него в среде жидкого аммиака амидом натрия, затем бутилнитритом.
Оксимы альдегидов и кетонов, как правило, легко гидролизуются до
соответстветствующих карбонильных соединений.
C4H 9ON O
N aN H 2
N
NH3
(жидкий)
CH 3
N
CH 2
N
CH 2
NH3
(жидкий)
H 2O/H
N
CH 2
N
Группа
превращениях
N
CHO
75 %
O
синтезов
N
CH NOH
альдегидов
галогенметильных
основана
групп.
на
окислительных
Используемая
для
превращения в альдегиды соединений типа бензилхлоридов реакция
Соммле
представляет
собой
взаимодействие
галогенметильного
производного с гексаметилентетрамином и последующий гидролиз
аддукта в слабокислой среде. Согласно современной точке зрения,
первый этап реакции Соммле представляет собой (аналогично реакции
9
Делепина) образование амина в результате взаимодействия галогенида с
гексаметилентетрамином и последующего кислотного расщепления
четвертичной
соли.
Далее
амин
реагирует
с
формальдегидом,
освобождающимся из гексаметилентетрамина, и превращается в имин
1, который дегидрирует другую молекулу амина, превращая его в имин
2. Последний в результате гидролиза переходит в альдегид.
(CH 2)6N 4
RCH 2Cl
H
RCH 2NH 2 +
RCH 2NH 2
H
(CH 2)6N 4CH 2R X
RCH 2N CH 2 + H 2O
O C
1
H
RCH 2N
RCH 2NH 2
CH 2
H 2O/H
RCH NH
RCHO
2
Так, 2-формилтиофен с удовлетворительным выходом получают
по реакции Соммле из 2-хлорметилтиофена.
(CH 2)6N 4
S
CH 2Cl
O
50 % AcOH
CH 2N(CH 2)6N 3
S
Cl
Альдегиды
синтезируют
из
C
S
H
50 %
галогенметильных
соединений,
действуя на них диметилсульфоксидом (ДМСО). Считают, что реагент,
благодаря
нуклеофильным
образовавшаяся
свойствам
сульфониевая
соль
,
замещает
разлагается
галоген,
основанием
а
на
диметилсульфид и альдегид.
RCH 2Cl
+
S O _
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
Cl
RCHO
RCH O
H
+
S
_
H
CH 3
CH 3 S
RCH
H
O
S
CH 2
CH 3
Например, капроновый альдегид получают из 1-йодгексана. Его
выделяют в виде 2,4-динитрофенилгидразона.
10
DMSO
CH 3(CH 2)4CH 2 I
В
некоторых
CH 3(CH 2)4CHO
150 o C, 3 мин
случаях
кетоны
86 %
могут
быть
получены
из
соединений, в молекулах которых имеется третичный атом углерода,
связанный с ароматическим кольцом. Синтез заключается в окислении
углеводорода кислородом воздуха в гидроперекись и разложении
последних в кислой среде. Этот способ применяется, например, в
промышленности для получения ацетона и фенола из кумола
(изопропилбензола).
R
R
Ar
C O OH
R
+H
_H O
2
Ar + H 2O
Ar
Ar + CH 3COCH 3
C O
R
Ar OH
+
H
Другой путь состоит во взаимодействии соответствующих
триарилметилхлоридов с 90%-ной перекисью водорода. Гидропероксид
после
протонирования
образованием
иона
кислотой,
оксония,
вероятно,
который
расщепляется
с
перегруппировывается
в
карбокатион. Из последнего образуются кетон и фенол.
NO 2
O 2N
C Cl
NO 2
H 2O2
O 2N
C
NO 2
O 2N
OOH
H
NO 2
CO
NO2
94 %
+
O 2N
OH
11
В ряде случаев источниками альдегидов и кетонов могут быть
первичные
и
вторичные
нитроалканы.
Их
ацинитроформа
в
присутствии кислот претерпевает внутримолекулярное окислительновосстановительное превращение (реакция Нефа), в результате которого
образуется
карбонильное
соединение.
Нитрогруппа
при
этом
восстанавливается до закиси азота.
R
R
,
+H
C
O
R
O
O
R C R
,
R
+H
C
N
OH
R
,
C
N
OH
R
HO
N
OH
+ H 2O
_H
OH
,
R C R _
H 2O
N
HO
OH
O
,
R
,
C R + 1/2 N 2O + 1/2 H 2O
N
O
В реакцию Нефа можно вводить не только сами нитроалканы, но
также эфиры ацинитросоединений. Например, из этилового эфира паранитрофенилнитрометана образуется пара-нитробензальдегид с выходом
82 % (в виде 2,4-динитрофенилгидразона альдегида).
O
O 2N
H 2SO4
CH N
H 2O, C2H 5OH
OC 2H 5
O 2N
CH O
82 %
На основе реакции Нефа разработан модифицированный способ
получения карбонильных соединений, заключающийся в титровании
растворов
алкилнитронатов
калия
перманганатом
калия. Выход
циклобутанона, полученного по этой методике, указан в расчете на 2,4динитрофенилгидразон.
O
H
NO2
K OH
N OK
O
K MnO4
97 %
12
РЕАКЦИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Почти
все
рассмотренные
выше
способы
получения
карбонильных соединений, основанные на реакциях окисления, в
равной мере используются для синтеза альдегидов и кетонов. Исходные
вещества и методики проведения реакций восстановления, имеющие
цель получение соединений этих двух классов, принципиально
различаются. То обстоятельство, что в молекулах альдегидов карбонил
находится на конце углеродной цепи, открывает прямой путь к их
синтезу
путем
восстановления
карбоновых
кислот
(или
их
производных). Напротив, список соединений, пригодных для получения
кетонов методом восстановления, весьма ограничен.
Для
синтеза
альдегидов
можно
использовать
доступные
галогенангидриды кислот. Привлекает своей простотой реакция
Роземунда. Методика ее проведения состоит в пропускании водорода
через
раствор
хлорангидрида
в
органическом
растворителе,
содержащим катализатор (как правило, 5%-ный палладий на угле или
на сульфате бария).
COCl
CHO
H2
Pd/BaSO4
80 %
Восстановление по Брауну и Субба Рао, проводят три-третбутилатом алюмогидрида лития в диглиме (диметиловом эфире
диэтиленгликоля).
13
LiAlH 4
+ 3 (CH 3)3COH
LiAlH[OC(CH 3)3]3 + 3 H 2
CHO
COCl
LiAlH [OC(CH 3)3]3
диглим, -78 oС
CHO
COCl
Брауном предложено также использование этого восстановителя
для превращения в альдегиды других производных карбоновых кислот:
нитрилов, амидов. Позднее три-трет-бутоксиалюмогидрид лития был
заменен более активным триэтоксиалюмогидридом лития, который
получают действием алюмогидрида лития на этилацетат.
O
C
O
N(CH 3)2
LiAlH(OC2H 5)3
C
H
(C2H 5)2O
78 %
Превращение в альдегиды нитрилов может быть осуществлено
действием фосфорноватистой кислотой или гипофосфитом натрия в
уксуснокислой среде на никеле Ренея, а также муравьиной кислотой
или гидразином.
C N
O
N i Ренея
C
N aH 2PO 2, CH 3COOH
H
90 %
Восстановление нитрилов в альдегиды удобно проводить также
безводным хлоридом олова (II) в условиях реакции Стефена.
Восстановитель
готовят
путем
тщательного
обезвоживания
кристаллического SnCl2 действием уксусного ангидрида или путем
длительного выдерживания в вакуум-эксикаторе над серной кислотой.
Реакцию проводят в диэтиловом эфире, этилацетате или этилформиате,
пропуская через реакционную смесь ток сухого хлороводорода.
14
Считают, что превращение протекает через стадию присоединения
хлорида олова к нитрильной группе, образующаяся при этом иминиевая
соль гидролизуется в альдегид.
2 RC N + SnCl2 + 4HCl
(RCH NH2 )2
2_
SnCl6
2 RCHO
Выходы альдегида не всегда высокие и в значительной степени
зависят, вероятно, от стерических факторов. Так, если β-цианонафталин
превращается в альдегид на 80 %, то для α-изомера реакция идет лишь
на 20 % (“мешает” атом водорода, стоящего в пери-положении).
4-Метил-5-цианотиазол превращают в соответствующий альдегид
с выходом 40 %.
CN
CHO
S
SnCl2
N
S
CH 3
CH 3
N
40 %
Метод восстановления позволяет получать кетоны из α-дикетонов
и α-кетоспиртов действием на них йодоводородом. Циклодеканон,
например, образуется с выходом 80 % из 1,2-циклодекандиона при
кипячении с HI в уксусной кислоте в течение 2.5 часа.
O
O
C
(CH 2)8
C
HI
CH 3COOH
C
O
(CH 2)8
C
H
H 80 %
Кетоны можно получать из нитроалкенов винильного типа.
Нитроалкен восстанавливают железом в соляной кислоте. Полагают,
что нитрогруппа восстанавливается до N-винилгидроксиламина и
образующийся
гидролизуется.
в
результате
его
перегруппировки
кетоксим
15
Fe
ArCH CR
NO2
H Cl
ArCH CR
ArCH 2CR
NHOH
H 2O/H
ArCH 2CR
NOH
O
При достаточном количестве кислоты реакцию можно провести в
одну операцию. Сами нитроалкены получают путем конденсации
альдегидов с нитроалканами. Таким образом, рассматриваемая реакция
делает возможным получение кетонов из альдегидов. Например, ортометоксифенилацетон
превратив
его
синтезируют
из
предварительно
орто-метоксибензальдегида,
в
1-(орто-метоксифенил)-2-
нитропропен.
CH 3
CHO
OCH 3
CH C NO 2
C2H 5N O2
C 4H 9N H 2
F e, H Cl
OCH 3
CH 3
CH 2 C
OCH 3
O
70 %
СИНТЕЗ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ МЕТОДОМ АЦИЛИРОВАНИЯ
Введение группы R-CO в органическую молекулу называется
ацилированием. С-формилированием получают альдегиды, введение
других ацилов карбоновых кислот приводит к образованию кетонов.
Следует отметить, что практически все ацилирующие реагенты
являются достаточно слабыми электрофилами. Исключение составляют
ацилгалогениды и ангидриды карбоновых кислот в присутствии кислот
Льюиса, которые способны к ацилированию субстратов, сравнимых по
нуклеофильности с бензолом и его гомологами. Ацилирование по
Фриделю-Крафтсу
ароматических
соединений,
содержащих
16
электроноакцепторные заместители, осуществить не удается. Другие
ацилирующие реагенты могут взаимодействовать с субстратами,
которые обладают еще более высокой электронной плотностью фенолы, ариламины, π-избыточные гетарены, алкильные карбанионы,
реактивы Гриньяра.
Путем электрофильного ацилирования ароматических соединений
могут быть получены как альдегиды, так и кетоны. При использовании
в условиях реакции Фриделя-Крафтса галогенангидридов ацилирование
проходит успешно и кетоны образуются, как правило, с высокими
выходами. В качестве катализаторов применяют кислоты Льюиса,
которые за счет координации с карбонильным атомом кислорода
галогенангидрида индуцируют положительный заряд на карбонильном
атоме углерода, повышая его электрофильность. В реакцию не
обязательно
вводить
галогенангидриды
и
ангидриды,
можно
использовать карбоновые кислоты в присутствии тионилхлорида. Роль
последнего состоит в том, что он переводит кислоту в хлорангидрид,
который с участием катализатора ацилирует ароматическое кольцо.
O
R
C
+
Cl
AlCl3
R
C
O AlCl3
R C
O AlCl3
Cl
Cl
Например, никотиновая кислота в этих условиях превращает
бензол в 3-бензоилпиридин с почти количественным выходом.
O
C OH
C
SOCl2
N
Из-за
O
O
N
недоступности
Cl
C
C 6H 6
AlCl3
N
95 %
хлорангидрида
муравьиной
кислоты
формилирование ароматических соединений по Фриделю-Крафтсу
17
проводят
с
использованием
дихлорметилалкиловых
эфиров.
Предполагают, что в ходе реакции образуется интермедиат, который в
результате гидролиза переходит в альдегид.
Cl
CH 3 O CH + AlCl3
Cl
CH 3
O
CH 3 O CH AlCl4
Cl
CH
Cl
Ar H
Ar
OCH 3
CH
Cl
CH 3 O CH AlCl4
Cl
H 2O
Ar
CHO
Этот способ оказался удобным, например, для синтеза α-тиофенкарбоксальдегида.
CH 3OCHCl2
AlCl3
S
CHO
S
90 %
Дихлорметиловые эфиры получают нагреванием алкилформиатов
с PCl5 в инертном органическом растворителе или с POCl3.
Получение
кетонов
электронодонорными
из
ароматических
заместителями
может
соединений
быть
с
осуществлено
действием нитрилов в присутствии хлороводорода и хлорида цинка
(реакция Хеша). Вероятно, нитрильный атом азота координирует с
протоном или хлоридом цинка, генерируя карбониевый ион, который
атакует ароматический субстрат.
H
CH 3 C N
ZnCl2
CH 3 C N H
CH 3 C N H
или
CH 3 C N
ZnCl2
CH 3 C N
ZnC l2
Хорошим примером применения этого способа может служить
ацетилирование флороглюцина.
18
OH
OH
C
CH 3CN
HO
OH
O
HCl, ZnCl2
HO
CH 3
OH
85 %
Удобными источниками ацилирующих реагентов в синтезах
жирно-ароматических альдегидов и кетонов являются ортоэфиры. К
сожалению, выбор их ограничен лишь низшими гомологами - эфирами
ортомуравьиной и ортоуксусной кислотами. Субстратами в этом
превращении служат фенолы и другие π-избыточные ароматические
соединения. Считают, что ортоэфир реагирует с кислотой Льюиса,
превращаясь в катион карбония, который атакует орто-положение
ароматического кольца субстрата. Образующийся в результате этого
ацеталь, легко переходит в кислой среде в карбонильное соединение.
OH
OH
OC 2H 5
OH
C OC 2H 5
H C(OC2H 5)3
H
C6H 6, AlCl3
CHO
H 2O/H
97 %
Широкое применение в синтезе оксосоединений находят сложные
эфиры
карбоновых
кислот.
Их
используют
для
ацилирования
активированных метильных групп и металлоорганических соединений.
Классическим
примером
такой
реакции
ацилирования
является
сложноэфирная конденсация Клайзена, которая состоит в образовании
молекулы эфира β-кетокислоты из двух молекул сложного эфира
карбоновой кислоты. С помощью этой реакции могут быть получены βдикетоны и β-кетоальдегиды. Согласно современным представлениям,
метильная группа одной молекулы эфира, находящаяся под влиянием
соседнего карбонила, в результате отрыва протона сильным основанием
превращается в резонансно стабилизированный карбанион. Последний
ацилируется в ходе электрофильной атаки другой молекулой сложного
эфира.
19
O
R CH 2 C
OR
R
_ C H OH
2 5
,
CH C
OR
R
R CH C
,
OR
,
OR
+
R
,
CH C
OR
,
O
O
R CH C
O
O
+ OC2H 5
R CH 2 C
CH 2 C
OR
,OR
,
O
R CH 2 C
O
CH C
OR
R
,
+ OR
O
O
,
Конденсация Клайзена дает возможность получать трудно
доступные альдегидокетоны.
O
Cl
C
CH 3
H COOCH 3
CH 3ON a
толуол
O
Cl
C
O
CH 2 C
56 %
H
Как частный случай ацилирования сложными эфирами может
рассматриваться
перегруппировка
Фриса.
Ацильный
фрагмент
фениловых эфиров карбоновых кислот в присутствии кислот Льюиса
мигрирует от фенольного атома кислорода в орто- и пара-положения
ароматического ядра.
O
O
C C 2H 5
AlCl3
OH
O
OH
C C H
2 5
+
жидкий CS2
35 %
C
O
50 %
OC 2H 5
Сложные эфиры весьма легко ацилируют металлоорганические
соединения. Знакомясь с методами синтеза третичных спиртов, мы
касались вопроса об образовании кетонов при взаимодействии сложных
эфиров с реактивами Гриньяра. Было отмечено, что образующийся
20
кетон легко реагирует с избытком магнийорганического соединения,
превращаясь в третичный спирт. Поэтому для синтеза кетонов
рекомендуется
прибавлять
магнийорганического
реактив
соединения,
результатов в синтезах кетонов
Гриньяра
удается
достичь
Гриньяра
но
не
к
раствору
наоборот.
Хороших
из сложных эфиров и реактивов
даже
с
реагентами,
имеющими
разветвленные алкильные цепи. Это утверждение справедливо и для
случаев
ацилирования
металлоорганических
соединений
ацилхлоридами.
CH 3
CH 3 C
+
Li
CH 3
O
C C
C 2H 5O
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
выход 70 %
CH 3
CH 3 C CO C
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3 C M gCl
CH 3
CH 3
O
+
Cl
C C
CH 3
CH 3
F eCl3
выход 72 %
CH 3
В указанных реакциях применяют органические соединения не
только щелочных (Li, Na, K) и щелочно-земельных металлов (Mg), но
также кадмия и цинка.
Среди
способов
получения
кетонов
с
использованием
металлоорганических соединений самым надежным считается реакция
присоединения реактива Гриньяра к нитрилам. Промежуточная соль
кетимина,
образующаяся
в
результате
присоединения
реактива
Гриньяра к цианогруппе, гидролизуется в процессе выделения.
Например,
из
нитрила
метоксиуксусной
фенилмагнийбромида получают ω-метоксиацетофенон
кислоты
и
21
M gBr
N
M gBr + N C
CH 2 OCH 3
C
CH 2 OCH 3
H 2O/H
O
C
CH 2 OCH 3
78 %
Наряду с указанными выше производными карбоновых кислот во
взаимодействие с металлоорганическими соединениями можно вводить
амиды. Чаще, однако, N,N-дизамещенные амиды используют для
синтеза карбонильных соединений как ацилирующие реагенты в
условиях реакции Вильсмайера. Электрофильность этих реагентов
невелика, но достаточна для успешной атаки ароматического ядра
фенолов, ариламинов, π-избыточных гетероциклов.
R 2N C H
POCl3
O
Реакция
Cl
Cl
R 2N C H _
OPOCl2
OPOCl2
Вильсмайера
дает
R 2N C H
наилучшие
результаты
при
формилировании, но в ряде случаев с ее помощью удается получить с
удовлетворительными выходами также кетоны.
O
N
H
ClCH 2CON (C2H 5)2
C
POCl3
CH 2Cl
54 %
H CON (CH 3)2
N
H
POCl3
O
N
C
H
H
78 %
ОБРАЗОВАНИЕ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ В РЕАКЦИЯХ ГИДРАТАЦИИ И
ГИДРОЛИЗА
Получение уксусного альдегида из ацетилена по Кучерову
является частным случаем образования карбонильных соединений в
22
реакциях присоединения воды к ацетиленой связи. Доказано, что
гидратация ацетилена в присутствии серной кислоты и сульфата ртути
дает промежуточный виниловый спирт, который изомеризуется в
ацетальдегид - более устойчивую таутомерную форму.
Ориентация
H
H
H 2O
H C C H
CH 3 CHO
C C
H 2SO 4, HgSO4
H
присоединения
к
OH
несимметричным
алкинам
подчиняется правилу Марковникова, поэтому присоединение воды к
гомологам
ацетилена
приводит
в
образованию
кетонов.
Если
заместитель при кратной связи обладает сильным -I-эффектом,
присоединение происходит против правила Марковникова. Учитывая
стремление енолов переходить в карбонильную форму, кетоны можно
получать гидролизом непредельных простых эфиров и сложных эфиров
енолов.
Эфиры
спиртов
винилового
типа
синтезируют
путем
присоединения алканолов к ацетиленовой связи. Алкилвиниловые
эфиры,
в
отличие
от
диалкиловых
эфиров,
довольно
легко
гидролизуются в кислой среде и это свойство позволяет использовать
их как исходные вещества для синтеза карбонильных соединений. Так,
при пропускании тока трифторметилацетилена через раствор этилата
натрия
в
спирте
образуется
этилтрифторметилвиниловый
эфир
(присоединение против правила Марковникова). Его кислотный
гидролиз приводит к 3,3,3-трифторпропаналю.
CF 3 C CH
C2H 5OH
C2H 5ON a
CF 3 CH CH
89 %
H 2O/H
H
CF 3 CH 2 C
OC 2H 5
O
Сложные эфиры виниловых спиртов, продуктами гидролиза
которых также являются карбонильные соединения, образуются в
результате присоединения карбоновых кислот к ацетиленам..
23
F 3C
C C
CH 3COOH , (CH 3CO)2O
CF 3
CH 3COON a
CF 3CH 2C
CF 3CH C CF 3
OCOCH 3
H (H 2SO 4)
C4H 9OH
CF 3
O
95 % (на последней стадии)
Действием воды можно заместить галоген при насыщенном атоме
углерода гидроксильной группой. Таким же образом можно вместо
двух атомов галогена, если они стоят при одном атоме углерода,
получить
карбонильный
кислород.
Гидролиз
геминальных
дигалогеналканов проводят в присутствии слабых оснований, например
карбоната
натрия.
Синтез
самих
гем-дигалогенидов,
особенно
бензилиденового типа, не является трудно выполнимой задачей: эти
соединения получают путем бромирования метильных групп, стоящих
в ароматическом кольце, бромом на свету при нагревании.
Br
2 Br 2
CH 3
hν
Br
CHBr 2
H 2O
N a 2CO 3
Br
CHO
60 %
Гидролиз дихлорметильной группы, вероятно, имеет место на
последней стадии реакции Реймера-Тимана, которую используют для
синтеза
ароматических
и
гетероароматических
альдегидов.
Превращение идет с участием дихлоркарбена, образующегося в
результате
дегидрохлорирования
хлороформа
щелочью.
Эта
реакционноспособная частица с двумя неспаренными электронами
присоединяется
к
орто-углеродному
атому
фенолят-аниона.
Стремление к стабилизации образующего при этом анионного σкомплекса приводит к восстановлению ароматичности фенолят-аниона,
который отличается от исходного присутствием в орто-положении
дихлорметильного заместителя. Затем в условиях сильно щелочной
среды происходит гидролитическое образование формильной группы.
Реакцию можно применять лишь для получения альдегидов ряда
24
фенола, нафтола и π-избыточных гетероциклических соединений. В
частности, этим способом синтезируют салициловый альдегид
CHCl3 +
O
CCl2
Na OH
O
+
O
H
Na Cl
H 2O
H
O
C Cl2
CCl2
CCl2
+
CHO
H 2O
К образованию альдегидов и кетонов приводит гидролиз
различных
азотистых
производных
карбонильных
соединений:
оксимов, семикарбазонов, гидразонов. оснований Шиффа и других. Так,
кислотный гидролиз изонитрозопропиофенона в 10%-ной серной
кислоте проходит с образованием ацетилбензоила с выходом 70 %.
O NOH
C C CH 3
10% H 2SO4
O O
C C CH 3
70 %
Особое место в синтезах карбонильных соединений занимают
малоновый и ацетоуксусный эфиры. Как и другие β-дикарбонильные
соединения они имеют метиленовую группу, расположенную между
двумя карбонилами и потому обладающую повышенной кислотностью.
Это свойство используют для введения в их молекулы различных
заместителей. С другой стороны, малоновая и ацетоуксусная килоты
являются соединениями, весьма нестойкими к нагреванию, легко
отщепляющими карбоксильную группу в форме CO2. Из малоновой
кислоты при этом образуются замещенные уксусные кислоты.
Ацетоуксусный эфир в условиях гидролиза превращается в ацетон. Как
считают,
декарбоксилированиепромежуточно
образующейся
ацетоуксусной кислоты идет через циклическое шестицентровое
состояние. Поскольку в структуре β-кето- и β-дикарбоновых кислот уже
заложена
такая
конструкция,
отщепление
угольного
ангидрида
25
протекает весьма легко. После ухода молекулы диоксида углерода
образуется енол, который таутомеризуется в конечный продукт.
H
O
O
CH 3 C
C
OH
O
_ CO
2
CH 2
CH 3
O
C
CH 3 C
CH 2
CH 3
Таким образом, синтез кетона состоит из стадии ацилирования
метиленовой группы малонового эфира или алкилирования группы СН2
ацетоуксусного эфира и последующего гидролиза, в ходе которого
происходит также декарбоксилирование возникающей кислоты. В тех
случаях, когда замещенный ацетоуксусный эфир при гидролизе не дает
нужного продукта или гидролиз проходит с неудовлетворительным
выходом, эфир подвергают пиролизу при 525 оС.
CO CH 3
CH 3(CH 2)4CH
COOC 2H 5
Синтез
кетона
демонстрирует
невозможно
ацетофенона.
с
Выход: при гидролизе 61 %
при пиролизе 71 %
помощью
следующий
получить
Поэтому
с
CH 3(CH 2)4COCH 3
_ C H OH , CO
2 5
2
малонового
пример:
хорошим
наглядно
орто-нитроацетофенон
выходом
используют
эфира
путем
обходной
нитрования
путь
синтеза,
включающий в себя ацилирование этоксимагниймалонового эфира
орто-нитробензоилхлоридом и гидролиз образующегося продукта. В
процессе гидролиза происходит декарбоксилирование малонового
эфира. Суммарный выход достигает 60 %.
26
COOC 2H 5
CH 2
COOC 2H 5
+
M g(OC 2H 5)2
COOC 2H 5
C
COOC 2H 5
O
COOC 2H 5
O
COOC 2H 5
+
Cl
CHM gOC 2H 5
C
CH
NO2
COOC 2H 5
O
COOC 2H 5
C
CH
NO2
CHM gOC 2H 5 + C 2H 5OH
абс. этанол
NO2
H 2O/H
COOC 2H 5
+ M gClOH
COOC 2H 5
O
C CH 3
NO2
ЛИТЕРАТУРА
1. Бюлер К., Пирсон Д. //Органические синтезы.-М.: Мир, 1973.Ч.2.-С.5-200.
3. Общая органическая химия.-М.: Химия, 1982.-Т.2.-С.491-499,
529-550, 571-576, 696-720, 769-781, 834-837.
5. Агрономов А.Е. Избранные главы органической химии.-М.:
Химия, 1990.
6. Марч Дж. Органическая химия.-М.: Мир, 1988.-Т.1-4.