Реакционная способность альдегидов и кетонов

Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры химии
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры химии
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
1
Лекция 12
Реакционная способность альдегидов и кетонов
Исходный уровень к лекции 12
– Альдегиды и кетоны
(школьный курс)
Исходный уровень к лекции 13
– Карбоновые кислоты и их производные
(школьный курс)
2
Реакционная способность альдегидов и кетонов
● Классификация карбонильных соединений
• Общая характеристика альдегидов и кетонов
○ Основные способы получения
• Химические свойства альдегидов и кетонов
○ Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами
○ Реакции с серосодержащими нуклеофилами
○ Взаимодействие с азотсодержащими нуклеофилами
○ Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами
○ Окисление и восстановление альдегидов и кетонов
● Приложение: справочный и дополнительный материал
3
Классификация карбонильных соединений
δ
C
δ
O
Основные классы карбонильных соединений
O
O
O
R C
R C
R C R
H
O H
Альдегиды – соединения, в которых карбонильная группа
связана с органическим радикалом и атомом водорода.
Кетоны – соединения, в которых карбонильная группа
связана с двумя органическим и радикалам и.
Карбоновые кислоты – соединения, функциональной
группой в которых является карбоксильная группа –СООН.
4
Результат нуклеофильной атаки
δ
R
C
Oδ
Y
О-
( )
R
X
Х
С
Y
+Н+
- X-
O
ОH
R
С
Х
Y
AN – нуклеофильное присоединение
(альдегиды и кетоны)
R
С
Y
SN – нуклеофильное замещение
(карбоновые кислоты и их
функциональные производные)
Функциональные производные карбоновых кислот – соединения,
содержащие модифицированную карбоксильную группу и при
гидролизе образующие карбоновую кислоту.
5
Общая характеристика альдегидов и кетонов
•
•
•
Полярные соединения; в жидкой фазе их молекулы взаимодействуют
между собой (диполь-дипольное взаимодействие);
следствие — более высокие т. кип. по сравнению с неполярными
соединениями (углеводородами с близкой молеклярной массой.
растворителях.
В отличие от спиртов и карбоновых кислот у альдегидов и кетонов
них отсутствуют подвижные Н-атомы и они не ассоциированы
за счет Н-связей.
За счет склонности (как доноры) к образованию Н-связей хорошо
растворимы в воде.
C
δ–
O
…
H
δ+
H O
6
Альдегиды
Кетоны
O
R C R'
R C
O
H
алифатические
O
СН3 C СН3
H
O
C
СН3
Н C
O
H
ароматические
O
C
O
СН3
H
C
H
C СН3
C
O
O
7
Основные способы получения альдегидов и кетонов
По степени окисления – промежуточное положение между
углеводородами и спиртами с одной стороны и карбоновыми
кислотами и их производными с другой.
─ В результате альдегиды и кетоны получают либо окислением
первых, либо восстановлением вторых классов соединений.
окисление углеводородов
промышленный способ получения ацетальдегида
(Вакер-процесс)
CH2 CH2 +
PdCl2 + H2O
98%
Pd
2 CuCl + 2 HCl
+ 2 CuCl2
+
1
/2 O 2
PdCl2 +
2 CuCl2
2 CuCl
+ H2O
расходуемый окислитель – кислород воздуха
8
окисление спиртов
[O]
R CH R'
OH
R C R'
O
окисление по Оппенауеру
R
CHOH + CH3CCH3
R
O
Al[OCH(CH3)2]3
R
C O + CH3CHCH3
R
OH
окисление гомологов аренов
СН3
СrO3, (CH3CO) 2O
CH(OCOCH3)2
H2O,H+
C
O
H
9
восстановление функциональных производных
карбоновых кислот
– хлорангидриды, сложные эфиры, амиды
LiAlH4 + 3(CH3)3COH
С
C
O
Cl
O
Cl
LiAlH[OC(CH3)3] + H2
LiAlH[OC(CH3)3], -78
oC
O
С
H
O
C
H
10
гидратация алкинов
H C C H + H2O
H+, HgSO4
ацетилен
CH2
O
изомери-
CH OH
зация
CH3
C
H
ацетальдегид
виниловый спирт
(реакция Кучерова, 1881)
R C CH
H2O
Hg2+
ацилирование аренов
RCOCl, AlCl3
_
HCl
ArH
O
H
+
CH3 C Cl
ацетилхлорид
AlCl3
80 °C
R C Ar
O
O
C CH3 +
HCl
метилфенилкетон
(ацетофенон, 95%)
11
гидроформилирование алкенов (оксосинтез)
CH3 CH CH2 + CO + H2
Со2(СО)8, 130 оС, 300 атм
гидролиз гем-дигалогенопроизводных углеводородов
H2O, Ca(OH)2
СНCl2
C
O
H
бензальдегид
СCl2
H2O, Ca(OH)2
С
О
дифенилдихлорометан
12
Химические свойства альдегидов и кетонов
Реакционные центры в молекулах альдегидов и кетонов
1
3
δ–
(H )
α δ'+
C
δ+
C
H(R)
1.
2.
3.
4.
5.
2
O
4 (5)
Участие в реакциях нуклеофильного присоединения AN.
Основные свойства (кислотный катализ в реакциях присоединения.
Реакции конденсации.
Связь С─Н в альдегидах, разрывающаяся при окслении.
Ненасыщенные и ароматические радикалы в кетонах, способные
подвергаться электрофильной или нуклеофильной атаке.
13
Особенности образования двойной связи
в молекулах альдегидов и кетонов
p-орбитали
поляризованная
π-связь
σ-связь
120°
C
O
C
Y–
O
δ+
δ–
C O
Важность кислотного катализа
C
O
+
H+
C
OH
C
OH
14
Кислотный катализ в реакциях
нуклеофильного присоединения
C
+
H
++++
H C
O
++++
δ
δ
O H
H C
C
X
X
Усиление электрофильного центра
15
Схема реакций нуклеофильного присоединения AN
O
(-)
Nu
H+
R C Nu
OH
R δ+ δR'
C O
R C Nu
R'
(-)
H+
R +
Nu
R'
OH
C
R'
O
CCl3
H
CCl3
H
R
C
C
–I
H
O
C
O
R
+I-эффект двух R-групп
+I R (R = Alk)
R
C
H
O
H
IH = 0
O
R
C
R
C
H
H
O
C
R
O
(CH3)3C_C_C(CH3)3
O
16
Особенности реакций присоединения к альдегидам
и несимметричным кетонам
Y
Y
атака Y− сверху
50%
R
R'
C
O
атака Y− снизу
R'
R
R'
OH
R
R'
OH
R
+ HY
R
R'
50%
Y
OH
OH
Y
При ферментативном катализе образуется один из энантиомеров.
17
Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами
Присоединение воды (гидратация)
R
δ
C
O
О
δ
+
H
R С О
Н2 О
Н
R С
Н
Н
Н
О-
О
Н
Н
Н
О
Н
В реакциях гидратации кетоны гораздо менее активны по
сравнению с альдегидами.
18
Положение равновесия в реакции гидратации
Cl
Cl C
Cl
O
+
C
H
Cl
Cl
C
Cl
H2O
OH
C
OH
H
% гидрата
% гидрата
O
O
хлораль
Cl3C
C
100
ацетальдегид CH3
O
O
99
C
50
H
H
формальдегид H
C
ацетон
CH3
C
CH3
0
H
o Хлоральгидрат CCl3CH(OH)2 – проявляет снотворное, анестезирующее
противосудорожное действие (введение галогенов усиливает действие
карбонильной группы, а ее гидратация снижает токсичность).
19
Реакция со спиртами
δ
C
R
O
δ
OH
+
R'OH
H
R
δ
C
O
R'
R C OR' + R'OH
OH
R''OH
R C OR'' + R"OH
R'
OR'
R С
OR' + H2O
Н
H
δ
+
Н+
Н+
OR"
R С
OR" + H2O
R'
Только кетоны с электроноакцепторными заместителями
вступают в реакцию
Ацетали устойчивы в условиях щелочного гидролиза.
20
Особые свойства циклических полуацеталей
Обычные полуацетали, как правило, неустойчивы.
Циклические полуацетали с пяти- и шестичленными циклами
устойчивы; они существуют в равновесии с открытыми формами
– γ - и δ -гидроксиальдегидами.
H
O
CH2CH2CH2CH2C
O
H
O
OH
Использование реакции ацетализации для защиты
карбонильной группы
COOC2H5
+
HOCH2CH2OH
H
COOC2H5
+
O
O
O
21
Кислотный катализ в реакции образования ацеталей
H
++++
O
H + H
О
R С OR'
R C OR' + H
H
Н
H
OR'
R С
Н
OR'
- H+
R
- H2O
+ R'
О
+
С
OR'
Н
+ R'OH
R С OR'
Н
22
Взаимодействие с серосодержащими нуклеофилами
Реакция с тиолами
• Тиолы реагируют легче, чем спирты.
R
C
O +
2 R"S
H
H+
+ H2O
R'
альдегид или кетон
Дитиоацетали используются для защиты карбонильной группы.
Реакция с гидросульфитом натрия
O
R
C
O
+
HO
S
ONa
R'
альдегид или кетон
гидросульфитное производное
Гидросульфитные производные используются для выделения из
смеси и очистки карбонильных соединений.
23
Реакции с азотсодержащими нуклеофилами
Общая схема
R
C
O +
R'
N
O
R
N
+
N
X
+
H2O
R'
H
C
C
X
H
R
R'
R
H
R
OH
C
C
X
R"
H
N
– H2O
H
N
X
R'
X
Реакции присоединения─отщепления
• Зависимость скорости реакции от рН среды.
H
H+
N
X
H3N
X
H
24
Реакция с первичными аминами
Образование иминов (оснований Шиффа)
R
Oδ
δ
C
+
H2NR'
H
- H2O
R С N
Н
H
Н
Н
+
R'
H2O
H
+ H2NR'
-О
R C NR' +
O
R C NR'
H H
Н + H
О
R С
N
-
R'
Н
25
В отличие от альдиминов, при образовании кетиминов требуется
кислотный катализ.
Н+
R
C R'
O
+
+ H2O
R С R'
H2NR''
NR''
кетон
-H2O
+ H+
- H+
R'
R
R' Н
+ H2NR"
+
С O
H
R С
N
НО
Н
R' Н
+
R'
R С
N
R'
О
H +
H
26
Реакция с гидроксиламином
Образование оксимов
R
C
O
+
H2NOH
R'
гидроксиламин
– H2O
оксим
CH3
C
O
+ HCl
+ [H3NOH]Cl
+
H2O
CH 3
ацетон
гидрохлорид
гидроксиламина
оксим ацетона
Оксимное титрование используется в фармацевтическом анализе
для количественного определения альдегидов и кетонов.
27
Реакция с гидразинами
Образование гидразонов
R
C
O
+
H2NNHC6H5
R'
– H2O
фенилгидразин
фенилгидразон
NO2
C6H5CH
O
+
H2N NH
NO2
NO2
– H2O
C6H5CH
N NH
NO2
Образование арилгидразонов используется для идентификации
альдегидов и кетонов.
28
OOOO
2222
HHHH
++++
3333
OOOO
2222
HHHH
++++
3333
HHHH
3333CCCC
HHHH SSSS
''''
CCCC
SSSS CCCC RRRR
++++
HHHH
OOOO
CCCC
RRRR
''''
RRRR
HHHH
SSSS
3333
HHHH
CCCC
2222
++++
HHHH
3333 CCCC
HHHH
OOOO
CCCC
''''
OOOO CCCC RRRR
''''
RRRR
HHHH
OOOO
3333
HHHH
CCCC
2222
++++
RRRR
++++
HHHH
OOOO
CCCC
RRRR
NR''
О
+ H2O
R С R'
R С R' + H2NR"
RRRR
Обратимость реакций нуклеофильного присоединения
по карбонильной группе
Реакции гидролиза
29
Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами
Присоединение циановодородной кислоты
R
C
+ H
O
CN
он -
R'
α-гидроксинитрил
альдегид или кетон
Последующий гидролиз α -гидроксинитрилов приводит к практически
важным α -гидроксикислотам.
Реакция с металлоорганическими соединениями
R δ+
δC O
+
R'
δ-
R"
R"
δ+
M
R
C
R'
R"
OM
H2O, H
+
R
C
OH
R'
30
Реакция с магний- и литийорганическими соединениями
RMgHal ─ реактивы Гриньяра
CH3CH2Br +
Mg
эфир
этилмагнийбромид
CH3
C
O + CH3CH2CH2MgBr
эфир
H3O+
CH3CHCH2CH2CH3
H
OMgBr
пропилмагнийбромид
пентанол-2
O
CH2
CHCH2Li + CH3
C
OLi
CH2CH(CH3)2
CH2
CHCH2
C
CH2CH(CH3)2
CH3
OH
H3O+
CH2
CHCH2
C
CH2CH(CH3)2
CH3
31
Галогенирование
Галоформная реакция *
Галогенирование метилкетонов и ацетальдегида по СН3-группе;
последующее расщепление метилкетона (NaOH) дает галоформ.
R C CH3 + 3 Hal2
O
C6H5C(O)CH3 + 3 Br2
ацетофенон
NaOH
NaOH
R C Hal3
O
C6H5C(O)CBr3
NaOH
CHHal 3 + RCOONa
галоформ
NaOH
CHBr3 + C6H5COONa
бромоформ
Иодоформная проба ─ обнаружение метилкетонов, ацетальдегида,
этанола и вторичных спиртов с фрагментом СН3–СН(ОН)– в результате
образования иодоформа при обработке соединений иодом и NaOH.
Иодоформ CHI3 ─ кристаллическое вещество бледно-желтого цветв
с характерным запахом.
* Схема механизма галоформной реакции приведена в Приложении..
32
Реакции конденсации
Конденсация
─ реакция, приводящая к усложнению
углеродного скелета и возникновению новой углеродной
связи, причем из двух или более относительно простых
молекул образуется новая, более сложная молекула.
В результате конденсации часто выделяется вода или молекула
другого относительно простого вещества.
Реакции альдольной и кротоновой конденсации *
O
CH 3C
+
H
O
H CH 2C
OH
O
O
CH 3CH CH2C
H
H
– H2O
CH3CH
CHC
H
При щелочном катализе образуюся продукты альдольной, при
при кислотном ─ кротоновой конденсации.
* Конденсации альдегидов и кетонов с карбоновыми кислотами
и их производными будут рассмотрены позже.
33
Примеры альдольной конденсации
O
CH3CH2C
H
+ CH3CHC
H
H
C O+
H
H
CH3
O
CC
CH3
H
O KOH
H
KOH
HO CH3 O
CH3CH2CHCHC
H
CH3 O
HOCH2 C C
H
CH3
Альдольное присоединение
Альдольное расщепление (ретроальдольная реакция)
34
Реакции карбонильных соединений с участием
подвижного
α-водородного атома ─ СН-кислотного центра
δ
α
H C
O
C
X
+
OH
H2O
O
C
C
δ
C
X
O
C
X
Реакции с участием енолят-ионов –
важнейшие пути образования
и разрыва углерод-углеродных связей
35
Схема механизма альдольной конденсации
в щелочной среде
α
O
2 R CH C
H
H
основание
OH
R CH2 C
H
O
CH C
H
R
альдоль
+ ОН-;
+ Н2О;
- ОН-
- Н 2О
O
CH C
+
R CH2 C
H
R
O
H
OR CH2 C
H
O
CH C
R
H
36
Реакция Кневенагеля
─ пример реакции с участием метиленовой компоненты
с повышенной СН-кислотностью
O
C H + CH3 NO2
CH CH NO2
H2O
Реакции полимеризации *
H
H
C
n
H
O
H
C
H
O …
H
H
C
O
…C
O
H2O
HOCH2(OCH 2)n–2OCH2OH
H
При нагревании полимеров с минеральными кислотами образуются
исходные продукты.
* Олигомеризация альдегидов рассмотрена в Приложении.
37
Окисление и восстановление альдегидов и кетонов
Окисление
Альдегиды окисляются гораздо легче кетонов;
Реагенты ─ KMnO4 (H2O, OH–), K2Cr2O7/H+, CrO3(vi).
O
[O]
R C
O
R C
OH
H
R C
O
H
+ 2 [Ag(NH3)2]OH
2 Ag
+ RCOONH4 + 3 NH3 + H2O
• Качественная реакция для обнаружения алифатических альдегидов.
Окисление кетонов в сложные эфиры пероксидными соединениями
(реакция Байера─Виллигера, 1899).
O
R C R' + CF3 C
O OH
O
R C OR' + CF3 COOH
O
кетон
38
Восстановление
Каталитическое гидрирование
OH
H
H2 , Ni, 50 °С, 70 атм
O
Присоединение гидридов металлов
R
δ–
δ+
C O
+
R
H M+
OM
C
R'
R'
H3O+
R
H
H
C
OH
R'
• Наиболее часто используют комплексные гидриды ─ LiAlH4, KBH4.
O
C6H 5
C
OH
CH3
+
LiAlH 4
эфир
C6H5 CH CH 3
ацетофенон
39
Восстановление по Клемменсену
HO
O
C CH3
Zn/Hg, HCl (конц), 100 °С
HO
CH2 CH3
Восстановление по Кижнеру─Вольфу
O
H2 N NH 2
C CH2CH 3
C O
N NH2
C CH2CH 3
H+ или OH
KOH, 200 °С
N2
C6H5CH2CH2CH3
CH2
40
Окислительно-восстановительные реакции альдегидов *
реакция Канниццаро (реакция диспропорционирования или дисмутации)
• 60% КОН, 20 оС
O
2 C6H5
KOH
C
H
C6H5CH2OH
+
C6H5OK
бензальдегид
δ+
C6H5 C
O
δ–
OK
K+OH–
C6H 5
H
C
O
C6H5C(O)H
H
OH
C6H5
K
••
•
H
••
C
OH
O
•C
C6H 5
H
O
C6H 5
+ K +–OCH2C6H 5
C
C 6H5COOK
+
C 6H 5CH 2OH
OH
* О диспропорционировании формальдегида и реакции Тищенко
см. в Приложении.
41
Приложение
(справочный и дополнительный материал)
Синтез уротропина
(А.М. Бутлеров)
N
H2C
H
6
C
H
O
+
4 NH3
CH2
N
– 6 H2O
N
N
CH2
CH2
≡
CH2
N
N
N
N
CH2
гексаметилентетрамин
(уротропин)
антисептическое средство
Действие уротропина при воспалении мочевых путей основано
на обратной реакции гидролиза с образованием формальдегида
(моча должна иметь кислую реакцию).
42
Отдельные представители альдегидов и кетонов
и их медико-биологическое значение
Альдегидная группа обусловливает наркотическое действие
и дезинфицирующие свойства.
o Муравьиный альдегид (формальдегид) HС(O)H – единственный
газообазный альдегид, обладает свойством свертывать белки.
– Формалин (40%-ный раствор формальдегида) применяется в качестве
консерванта анатомических препаратов и дезинфицирующего средства.
промышленное получение
2 CH 3OH
+
O2
500 600 oC
2 CH 2 O
+ H2O
полимеризация
O
O
+
O
O
тетрамер
O
O
n CH2 O
O
тример
HO
(CH2O)n
H
параформ, n = 8-12
белый порошок,
используется для хранения
и транспортировки формальдегида
43
Диспропорционирование формальдегида
Формальдегид может диспропорционировать даже в водных растворах;
в результате при хранении они приобретают кислую реакцию.
H
2
C
O
+
H
формальдегид
+
CH3OH
H2O
метанол
HCOOH
муравьиная кислота
Другой причиной образования муравьиной кислоты при хранении
формальдегида может быть окисление его кислородом воздуха,
особенно легко протекающее на свету.
hν
H
C O
+
1
/2 O2
H
формальдегид
HCOOH
муравьиная
кислота
реакция Тищенко
2R
C
O
Н
(C2H5O)3Al
O
R C
OR
44
o Ацетальдегид CH3CHO – низкокипящая жидкость с резким запахом.
CH3
O
CH3
полимеризация
0 oC
O
O
O
O
CH3
CH3
20 oC
O
O
C
CH3
H
CH3
O
CH3
метальдегид (сухой спирт)
CH3
паральдегид
Ацетальдегид – сырье для получения уксусной кислоты, уксусного
ангидрида, этилацетата, хлораля, бутанола-1.
o Акриловый альдегид (акролеин) – простейший ненасыщенный
альдегид, слезоточивая жидкость, продукт термического разложения
жиров (кухонный чад).
промышленное получение
CH2 CH CH3
пропилен
+ O2
CuO, 350 oC
CH2 CH
CH
O
акролеин
Легко полимеризуется, используется в качестве сырья в синтезе
акрилонитрила, глицерина, ряда аминокислот, гетероциклов.
45
Схема механизма галоформной реакции
О
O
R
+ CHCl3
R С
CCl3 + NaOH
C
ONa
+
хлороформ
OH
ОO
R С
OН
CCl3
R
+
C
O
CCl3
H
46