Енолят-анионы и енамины. Таутомерия. Альдольные реакции

Рефераты по химии » Енолят-анионы и енамины. Таутомерия. Альдольные реакции

Енолят-анионы и енамины

Карбонильная группа полярна и частично положительный заряд с ее атома углерода передается на соседний (a-атом) углерода делая соединенные с ним атомы водорода подвижными.

Альдегиды и кетоны могут проявлять таким образом свойства С-Н-кислот. Конечно кислотность карбонильных соединений очень мала тем не менее именно кислотностью a-атомов водорода объясняются многие их химические свойства. Кислотность a водородов в альдегидах и кетонах объясняется прежде всего тем что при этом анион образующийся из них при отщеплении протона стабилизирован резонансом. Отрицательный заряд в нем делокализован.

(1)

енолят-анион

Резонансно стабилизированный анион может присоединять протон или к атому углерода или к атому кислорода. В первом случае образуется кетонная форма а во втором енольная форма.

Енолят-анионы могут реагировать с алкилгалогенидами по механизму SN 2

(2)

или с альдегидами и кетонами

(3)

енолят-анион кетон тетраэдральный промежуточный

продукт присоединения

к карбонильной группе

Таутомерия

Итак подвижный атом водорода хотя и очень медленно может переходить к кислороду с образованием так называемой енольной формы:


Кетонные и енольные формы карбонильных соединений являются своеобразными структурными изомерами. Поскольку эти изомеры легко переходят друг в друга под действием кислот или оснований для такого вида изомерии используется специальный термин таутомерия.

Например:


(>99%) (1 5x10-4 %)

Енольная форма обычных альдегидов и кетонов не была выделена в чистом виде т.к. она быстро превращается в карбонильную форму.

Для b-дикарбонильных соединений енольная форма может быть выделена в чистом виде так как у этих соединений енольные формы достаточно стабильны причем в некоторых случаях они даже более стабильны чем карбонильные.

2 4-пентандион (24%) енольная форма (76%)

Cтабильность енольной формы b-дикарбонильных соединений объясняется возникающим сопряжением и образованием внутримолекулярной водородной связи:

Превращение карбонильных и енольных форм друг в друга является примером таутомерного превращения понятие о котором мы теперь можем сформулировать в общем виде.

Термин таутомерия обозначает обратимое превращение органических соединений. Чаще всего таутомерия относится к миграции протонов т.е. перемещению протона от одного атома к другому при котором как правило происходит перемещение двойной связи. В определенном смысле таутомерный сдвиг протонов является внутримолекулярным кислотно-основным превращением. Возникающие при миграции протона изомеры называют таутомерами.

При таутомерных превращениях оптических изомеров они могут превращаться в рацемическую смесь. Например (R)-втор-бутилфенилкетон при стоянии перестает вращать плоскость поляризованного света.

(4)

(R)-втор-бутилфенилкетон енол

(R)-втор-бутилфенилкетон (S)-втор-бутилфенилкетон

Упр. 1. Напишите формулу 2 4-циклогексадиен-1-она и объясните почему он существует практически только в енольной форме?

Альдольные реакции

При действии на ацетальдегид разбавленного раствора NaOH при обычной или даже пониженной температуре происходит его димеризация с образованием 3-гидроксибутаналя. Поскольку 3-гидроксибутаналь одновременно является альдегидом и спиртом (алкоголь) его обычно называют “альдоль а реакции такого типа стали называть альдольными реакциямиили реакциями альдольного присоединения.


(5)

3-гидроксибутаналь (альдоль)

Кетоны также вступают в катализируемое основаниями альдольное присоединение равновесие не столь благоприятно как в случае альдегидов. Это препятствие преодолевается проведением реакции в условиях быстрого выведения продукта из реакционной смеси. Из ацетона например таким путем может быть получен диацетоновый спирт:



4-гидрокси-4-метил-2-пентанон

Альдольное присоединение проходит по трехстадийному механизму. На первой стадии основание (гидроксид-анион) отрывает протон от a углерода молекулы ацетальдегида давая енолят-ион с делокализованным отрицательным зарядом:

(М 1)

енолят-анион

На второй стадии енолят-анион выступает в роли нуклеофила и атакует карбонильный атом углерода другой молекулы ацетальдегида. На этой стадии образуется алкоксид-анион.

алкоксид-анион

На третьей стадии алкоксид-анион отрывает протон от молекулы воды и превращается в альдоль.

более сильное адьдоль менее сильное основание

В механизме альдольного присоединения проявляются два основных свойства карбонильных соединений: кислотность a водородов и склонность карбонильной группы к реакциям нуклеофильного присоединения.

Если реакционную смесь образующуюся при альдольном присоединии нагреть то происходит дегидратация приводящая к образованию кротонового альдегида (2-бутеналя):

(7)

кротоновый альдегид

Следует помнить что подвижными в карбонильных соединениях являются лишь a-атомы водорода.

(8)

2-метил-3-гидроксипентаналь

Упр 2. На примере пропионового альдегида разберите механизм альдольного присоединения в условиях щелочногo катализа.

Дегидратация легко происходит по тому что участвующий в ней a водород подвижен а в образующемся продукте возникает сопряжение. В некоторых альдольных реакциях дегидратация осуществляется так легко что альдоль выделить и не удается.

Превращение альдегида в непредельный альдегид через альдоль называется альдольной (кротоновой) конденсацией. Конденсацией называют реакцию в результате которой молекулы соединяясь выделяют небольшие молекулы таких веществ как вода или спирт.

продукт присоединения продукт конденсации

не выделяют еналь

В такую же конденсацию вступают и кетоны

Альдольная конденсация может катализироваться и кислотами. Так ацетон в присутствии HCl превращается в 4-метил-3-пентен-2-он. Реакция начинается с образования енола:

(9)

(М 2)

Енол далее присоединяется к протонированной форме другой молекулы ацетона:

Затем происходит дегидратация и образуется 4-метил-3-пентен-2-он (окись мезитила):

(окись мезитила)

В альдольных реакциях могут участвовать и два различных карбонильных соединения. В этом случае их называют перекрестными альдольными реакциями. Использование в перекресной альдольной реакции карбонильных соединений каждое из которых имеет a водороды не рационально так как при этом образуются многокомпонентные смеси продуктов реакции.

Частным случаем перекресной альдольной конденсации является реакция Клайзена-Шмидта. Она заключается в конденсации ароматических альдегидов с алифатическими и жирноароматическими альдегидами и кетонами в присутствии водных растворов щелочей и приводит к образованию a b-ненасыщенных альдегидов или кетонов.

(10)

коричный альдегид

(11)

бензальацетон

(12)

дибензальацетон

(13)

бензальвцетофенон

Дикарбонильные соединения легко вступают во внутримолекулярные альдольные реакции особенно в том случае когда при этом образуются пяти и шестичленные циклы:

(14)

6-Оксогептаналь 1-ацетилциклогексен

Упр. 3. Напишите реакции альдольного присоединения (а) бутаналя

(б) циклогексанона (в) фенилацетальдегида и (г) циклопентанона.

Ответ:

Продукты альдольного присоединения образуются в результате нуклеофильного присоединенния a-углеродного атома одной молекулы к карбонильной группе другой.

(а) (б)

Упр. 4. Нарисуйте продуктыдегидратации альдолей из упр.3

Ответ:

(а)(б)

Упр. 5. Катализируемая кислотой альдольная конденсация ацетона может приводить и к образованию 2 6-диметил-2 5-гептадиен-4-она (форона). Напишите эту реакцию и объясните ее механизм.

Упр. 6. Нагревание ацетона с серной кислотой приводит к образованию

1 3 5-триметилбензола (мезитилена). Напишите эту реакцию.

Упр. 7. Нарисуйте прдуктыкатализируемых щелочью следующих реакций альдольного присоединения: (а) бутаналь (б) циклогексанон (в)фенилацетальдегид (г) циклопентанон

Упр. 9. Напишите внутримолекулярные реакции альдольной конденсации приводящие к образованию


(а) (б) (с)