МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ ПО КРАТНЫМ СВЯЗЯМ УГЛЕРОД – ГЕТЕРОАТОМ Учебно-методическое пособие для вузов Составитель Н.И. <...> Коптева Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2012 Утверждено научно-методическим советом химического факультета ВГУ 22 марта 2012 г., протокол № 3 Рецензент доктор химических наук, профессор Г.В. Шаталов Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре органической химии химического факультета Воронежского государственного университета. <...> К ним относятся циклоприсоединение, а также другие реакции, идущие через циклические переходные состояния. <...> Присоединение по связи >С=О Связь >С=О полярна и, кроме того, обладает высокой поляризуемостью, вследствие чего реакции нуклеофильного присоединения протекают легче, чем в случае алкенов. <...> Факторы, способствующие увеличению ее полярности (заместители, среда и т.д.), повышают реакционную способность карбонильной группы. <...> Первая – активация группы >С=О за счет образования водородной связи между молекулой недиссоциированной кислоты Н–А и кислородом карбонильной группы с последующим протонированием. <...> Если скорость образования Н-связи близка к скорости присоединения нуклеофила, т.е. процессы протекают почти одновременно, реакция имеет третий порядок. <...> 3 CO H A CO H + A Присоединение нуклеофилов, содержащих кислород или серу, к карбонильной группе представляет собой равновесный процесс. <...> Последний можно представить схемой: B +: HO H + CO H-O CO + H-B+ H-O C O-H + B: Альдегиды реагируют со спиртами с образованием полуацеталей, которые обычно не удается выделить из-за нестабильности. <...> В присутствии сильных минеральных кислот и ионообменных смол в +Н-форме протекает дальнейшая реакция, приводящая к образованию ацеталей <...>
Реакции_нуклеофильного_присоединения_по_кратным_связям_углерод-гетероатом.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ
ПО КРАТНЫМ СВЯЗЯМ УГЛЕРОД – ГЕТЕРОАТОМ
Учебно-методическое пособие для вузов
Составитель
Н.И. Коптева
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2012
Стр.1
РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Наиболее распространены в органических молекулах такие группы, как
>С=О, –N=С<, –С≡N. Разрыв связей в них может осуществляться как по гетеролитическому,
так и по гомолитическому механизму. Известны также
реакции, в которых происходит одновременное изменение состояния нескольких
связей. К ним относятся циклоприсоединение, а также другие реакции,
идущие через циклические переходные состояния. В этих реакциях
происходит одновременное циклическое перераспределение электронной
плотности, которое невозможно рассмотреть как гетеролитический или гомолитический
процесс.
Присоединение по связи >С=О
Связь >С=О полярна и, кроме того, обладает высокой поляризуемостью,
вследствие чего реакции нуклеофильного присоединения протекают
легче, чем в случае алкенов. Факторы, способствующие увеличению ее полярности
(заместители, среда и т.д.), повышают реакционную способность
карбонильной группы.
Характерной особенностью реакций нуклеофильного присоединения
по >С=О является их катализ кислотами. Они осуществляются через несколько
промежуточных стадий. Первая – активация группы >С=О за счет
образования водородной связи между молекулой недиссоциированной кислоты
Н–А и кислородом карбонильной группы с последующим протонированием.
Вторая (лимитирующая) – присоединение нуклеофильного реагента
к образующемуся иону. Третья – отрыв протона анионом кислоты
(или растворителем) от протонированного продукта присоединения.
+
_
CO + HA
+
+
H-B: +
_
A
+
CO H
H-B C OH
+
H-B C OH
A-H + BC OH
Реакция имеет второй порядок.
Если скорость образования Н-связи близка к скорости присоединения
нуклеофила, т.е. процессы протекают почти одновременно, реакция имеет
третий порядок.
3
CO H A CO H + A
Стр.3
CH CH CH C
O
R' C
O
HOH
- HOR"
+
_
C CH CH C
O
R'
R"
OH
C CH CH C
O
R
Реакции с заранее полученными енольными производными служат методом
регулирования стереоселективности альдольной конденсации. В реакции
образуются два новых хиральных центра и в общем случае получаются
четыре стереоизомера альдольного продукта, которые можно представить
следующим образом:
OH O
OH O
R'
R
R'
эритро-(+) - пара
R
R'
OH
O
R
R'
трео-(+) - пара
Как правило, Z-изомеры енольных производных дают эритро-пару, тогда
как из Е-изомеров получается трео-пара.
Альдольная конденсация осуществима также в условиях кислотного катализа,
причем в этом случае реакция обычно сопровождается дегидратацией.
В реакцию с оксогруппой можно ввести любые соединения со связью
С–Н, водород которой отщепляется под действием основания (реакция Кневенагеля).
Наиболее распространенными катализаторами являются пиридин,
пиперидин, соли пиперидиния, аммонийные соли (например, ацетат
аммония) и др. Альдегид или кетон атакуется анионом реакционноспособной
метиленовой группы. Например:
RCOCH2COOC2H5
_
CO CHCOR
COOC2H5
+
C
O
-
CHCOR
COOC2H5
RCOCHCOOC2H5
-
+ HB+
HB+
-B:
C
OH
C
- H2O
C-COR
COOC2H5
6
CHCOR
COOC2H5
OH
O
R
R
R"
O
R
HO_
C
CH CH C
O
R'
_
C CH CH C
O
R
R + HOH
Стр.6
В общем случае в конденсацию Кневенагеля вступают соединения общей
формулы Z–CH2–Z′ , где Z и Z′ могут быть СНО, COR, COOR, CN,
NO2, SOR, SO2R и др.
Помимо реакций через образование карбанионов возможно циклическое
переходное состояние. Так, альдольная конденсация под действием алкоголятов
металлов или щелочей может осуществляться по схеме:
R
C C H
O
Me OH
+
R C C
O
R C C
O
H
OH
Me
C
O
Me
- Me
R
C C C
O
OHOH
-HO-
H2O
R
C C
O
CO
Me
R
C C C
O
OH
Возникает реакционный комплекс, в котором перераспределение электронов
может совершаться легко из-за благоприятного для реакции расположения
атомов в системе и дополнительного увеличения полярности
>С=О группы вследствие образования связи атома кислорода этой группы с
атомом металла в хелате.
Аналогичный механизм с циклическим переходным состоянием предложен
и для реакции восстановления >С=О по Меервейну – Понндорфу –
Верлею алкоголятами алюминия. Основной особенностью этого процесса
является перемещение водорода в виде гидрид-иона, т.е. осуществляется
нуклеофильное присоединение гидрид-иона к карбонильной группе:
R2C H CR2"
O
Al(OR')2
O
+
R
R2C H CR2"
O
Al(OR')2
O
CO + 2R"MgX
R
CO
R' R" Mg-X
R'
R
R"
H2O
R2CHOH +
Al(OR')2
OCHR2
Гриньяра, причем он может быть как шести-, так и четырехцентровым.
C R"
R'
R
CO
R'
R" Mg-X
7
O
Mg-X
R"
Mg-X
R
R' C
R"
OMgX
R' C
OMgX
Циклический электронный перенос осуществляется и при реакции
R
+ R"MgX
Стр.7
Рассмотренный механизм не является единственным. Имеются доказательства
того, что в некоторых случаях, по крайней мере частично, реакция
идет через образование кетильного интермедиата:
RMgX +
Ar C
O
Ar
Ar C
O
.
Ar
Mg+
X
Такой путь реакции называется одноэлектронным переносом. Он наиболее
вероятен для сопряженных (включая ароматические) альдегидов и кетонов,
и его реализации способствует присутствие небольших количеств
переходных металлов, которые часто оказываются примесями в магнии. Такой
механизм подтверждается данными ЭПР-спектров и образованием димера
кетила Ar2C(OH)C(OH)Ar2.
Реакция Реформатского весьма сходна с реакцией Гриньяра. Альдегиды
и кетоны взаимодействуют с α-бромэфирами в присутствии цинка.
Окончательным продуктом после обработки смеси разбавленной кислотой
являются β-оксиэфиры:
R
CO + Br
(H)R
(H)R
R
OH
C
CHCOOC2H5
R'
CHCOOC2H5
R'
Zn
(H)R
R
+ Zn(OH)Br
Подобно альдолям, β-оксиэфиры легко дегидратируются, превращаясь
в α, β-ненасыщенные эфиры.
Механизм реакции Реформатского является предметом дискуссий.
Многие факты свидетельствуют в пользу образования цинковой соли енола
как ключевого промежуточного продукта. Затем эта соль реагирует с оксосоединением
по циклическому шестицентровому механизму:
C COOC2H5
Br
C
O
ZnBr
+
C OC2H5
O
C
Zn
C COOC2H5
ZnBr
O
C C COOC2H5
Zn-Br
8
H3O+
C C- OZnBr
OC2H5
OH
C C COOC2H5
OZnBr
C
H3O+
CHCOOC2H5
R'
. R
R. + Ar C
OMgX
Ar
.
R
Ar C
OMgX
Ar
+ Zn(OH)Br
Стр.8