Реакции присоединения по карбонильной группе

А. Восстановление (гидрирование) – синтез первичных и вторичных спиртов.При восстановлении или гидрировании альдегидов получают первичные спирты, из кетонов образуются вторичные спирты.

а) гидрирование

б) восстановление боргидридом натрия (NaBH₄) и алюмогидридом лития (LiAlH₄)

Б. Присоединение HCN – образование циангидринов или нитрилов 2-оксикислот. Реакция носит название циангидринного синтеза и используется при получении 2 – окси – и 2 – аминокислот.

Механизм Ad_Nu – нуклеофильное присоединение по карбонильной группе

 

Nu ^-– СºN (нитрил–анион)

В качестве реагента также можно использовать КСN в присутствии воды.

В. Присоединение NaHSO₃ (гидросульфита натрия) – образование бисульфитного производного (качественная реакция)

Механизм Ad_Nu, Nu – атом серы за счет НПЭ:

Эту реакцию используют для выделения альдегидов из смеси с другими соединениями, так как бисульфитные производные легко кристаллизуются [17].

Г. Присоединение реактивов Гриньяра – синтез спиртов всех типов.

а) из формальдегида получают первичные спирты

б) из других альдегидов получают вторичные спирты

Д. Присоединение слабых нуклеофилов

Для присоединения слабых нуклеофилов необходим кислый катализ.

а) Присоединение H₂O_, НХ Х=Cl, Br

Реакции с этими реагентами обратимы, продукты присоединения (аддукты) нестабильны.

Исключением являются аддукты воды и альдегидов, имеющих акцепторные группы.

б) Присоединение спиртов – образование полуацеталей, ацеталей. Присоединение одной молекулы спирта к альдегиду приводит к синтезу полуацеталей. При дальнейшем взаимодействии со второй молекулой спирта из полуацеталя образуется ацеталь. Полуацетали содержат при одном атоме углерода гидроксильную и алкоксигруппы, у ацеталей – при одном атоме углерода две алкоксигруппы.

Механизм образования полуацеталя и ацеталя приведен ниже:

1.2.2 Реакции присоединения-отщепления (реакции с азотистыми нуклеофилами). Реакции с соединениями с общей формулой NH₂–X, где Х = H, OH, NH₂, NH-C₆H₅, NH-C(O)NH₂, NH-C₆H₃(о, п – NO₂) идут в два этапа, промежуточные аддукты нестабильны.

Общая схема реакции:

А. Реакция с аммиаком – образование иминов.

Альдимины нестойки и вступают в реакции циклизации. При взаимодействии 6 молей формальдегида и 4 молей аммиака образуется уротропин (гексаметилентетрамин), впервые синтезированный А.М. Бутлеровым в 1859 году. Уротропин используется для лечения мочевыводящих путей, его комплекс с хлористым кальцием называется кальцексом и применятся в качестве антигриппозного средства [16].

Б. Реакции с гидразином – NH₂-NH₂, фенилгидразином - NH₂-NH-C₆H₅ и с 2,4-динитрофенилгидразином - NH₂-NH-C₆H₃-2,4-(NO₂)₂ – образование гидразонов, фенилгидразонов и 2,4-динитрофенилгидразонов.

По аналогичной схеме образуются фенилгидразоны и 2,4–динитрофенилгидразоны. 2,4–Динитрофенилгидразоны особенно широко используются для идентификации альдегидов и кетонов. Они обладают высокими температурами плавления, легко кристаллизуются, имеют четкие спектральные данные.

В. Реакция с гидроксиламином - NH₂OH – образование оксимов.

Эта одна из качественных реакций на альдегидную группу. Оксимы – кристаллические вещества, легко кристаллизуются.

Реакция с семикарбазидом – NH₂–NH–CONH₂ – образование семикарбазонов.

Все выше описанные реакции катализируются слабыми кислотами, в случае реакции с 2,4-динитрофенилгидразином реакция идет в присутствии концентрированной серной кислоты. Механизм однотипен – нуклеофильное присоединение-отщепление и описан ниже в общем виде:

Х=H, OH, NH₂, NH-C₆H₅, NH-C(O)NH₂

Получаемые имино–производные при кислом или щелочном гидролизе дают исходные альдегиды (кетоны).

1.2.3 Реакции с участием атомов водорода при a – углеродном атоме

Для альдегидов и кетонов, имеющих атомы водорода в a–положении характерно явление таутомерии.

Таутомерия – это процесс динамической изомеризации. Структурные изомеры (в данном случае таутомеры), взаимно превращаясь, находятся в состоянии динамического равновесия. Как правило, при изомеризации происходит перенос протона, в этом случае таутомерию называют прототропной.

При наличии двух a–положений в кетонах возможно образование двух енолов.

Альдегиды и кетоны образуются через енолы при гидратации алкинов по реакции Кучерова. Енолы или енолят − анионы являются промежуточными соединениями в реакциях галоидирования и конденсации карбонильных соединений.

А. Галоидирование карбонильных соединений (идет только по α–положению). Хлорирование идет легко и без катализатора, в зависимости от количества реагента и строения соединения можно ввести от одного до трех атомов хлора. При бромировании используют 1 моль реагента в присутствии щелочи.

а) Хлорирование. Хлорирование хлором идет без катализатора, результат зависит от количества хлора, можно получить моно, ди и трихлорпроизводные (для этаналя).

 

 

б) Бромирование

в) Галоформное расщепление (изб. I₂, Cl₂ или Br₂, NaОН (конц.))

Качественная реакция на наличие ацетильного фрагмента (СН₃СО) в карбонильных соединениях. При реакции с йодом и бромом выпадает окрашенный осадок галоформа, обладающий специфическим запахом.

Механизм реакции

Галоформному расщеплению подвергаются ацетальдегид и метилалкилкетоны, при этом кроме галоформа в реакции образуются натриевые соли карбоновых кислот.

Б. Реакции альдольной и кротоновой конденсации. Конденсация – это реакция, приводящая к усложнению углеводородного скелета. В альдольной и кротоновой конденсациях участвуют две молекулы карбонильного соединения. Одна молекула – карбонильная компонента, реагирует с помощью карбонильной группы, другая – метиленовая компонента за счет атомов водорода α − положения.

а) Альдольная конденсация (реакция катализируется основаниями)

Механизм Ad_Nu

Альдоли способны при нагревании в щелочной среде отщеплять воду и превращаться в a,b – непредельные альдегиды (кетоны).

б) Кротоновая конденсация (в кислой среде при нагревании). Протекает по механизму Аd_E.

В кислой среде при нагревании конденсация не останавливается на стадии образования альдоля. Происходит внутримолекулярная дегидратация альдоля до непредельного альдегида или кетона. При участии в реакции пропаналя, бутаналя и других альдегидов получают альдегиды и кетоны, имеющие в положении С–2 алкильную группу.

Механизм Ad_Е

1.2.4 Реакции окисления. Альдегиды окисляются в мягких условиях до карбоновых кислот, проявляя свойства восстановителей.

Реакции с растворами Толенса (реакция серебряного зеркала) и Фелинга используются при идентификации карбонильных соединений.

В ароматических соединениях бензольное кольцо (1.3), находящееся в сопряжении с карбонильной группой, проявляет более сильное электронодонорное действие, чем алкильный радикал. За счет положительного мезамерного эффекта бензольного кольца снижается частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода [9 –11]:

1.3 1.4

Вследствие сказанного ароматические альдегиды менее реакционноспособны, чем алифатические (1.4). Карбонильная группа является сильным электроакцептором и всегда –I, –М эффект, оттягивает электронную плотность от арилаÞ мета -ориентант, дезактиватор. За счет слабого электронодонорного действия бензойного ядра связь С–Н формильной группе сильнее поляризована и химически активна:

 

 

 

Рис.3 Химические превращения ароматических альдегидов

В молекулах альдегидов отсутствуют атомы водорода, способные к образованию водородных связей. Поэтому их температуры кипения ниже, чем у соответствующих спиртов. Метаналь (формальдегид) – газ, альдегиды С₂–C₅ – жидкости, высшие – твердые вещества. Низшие гомологи растворимы в воде, благодаря образованию водородных связей между атомами водорода молекул воды и карбонильными атомами кислорода. С увеличением углеводородного радикала растворимость в воде падает [18]. Ароматические альдегиды являются высококипящими жидкостями или легкоплавкими твердыми веществами. Ароматическое ядро сильно уменьшает их растворимость в воде [8,9,20].

Все альдегиды имеют сильный запах. Для низших альдегидов характерен неприятный запах. Альдегиды содержащие, 8-12 атомов углерода (С_8-12) являются душистыми веществами [20–22]. Парфюмерные композиции с альдегидами (бензальдегид, ваниль, анисовый и салициловый альдегиды, пропаналь, мирценаль, деканаль, додеканаль, нонаналь, цитраль,гидрок-сицитронеллаль, фенилальдегид) уже давно стали классикой в парфюмерии (Chanel №5-децеальдегид) [18]. Следует отметить, что наибольший объем мирового производства альдегидов (несколько млн. т/год) приходится на альдегиды С₁–С₄ [23].

Способность альдегидов и кетонов участвовать в различных превращениях определила их основное применение в качестве исходных соединений для синтеза разнообразных органических веществ: спиртов, карбоновых кислот и их ангидридов, кислородсодержащих гетероциклов, лекарственных препаратов (уротропин), полимерных продуктов (фенолоформальдегидные смолы, полиформальдегид), в производстве всевозможных душистых веществ (на основе бензальдегида) и красителей, пищевых ароматизаторов, как коррозионный ингибитор для стальных и железных сплавов (коричный альдегид) [24-26].

Альдегиды применяют для получения спиртов (бутилового, 2-этил-гексанола, пентаэритрита и др.), карбоновых кислот и их производных (уксусной, надуксусной, уксусного ангидрида, винилацетата), антиоксидантов, пиридиновых оснований [27–29].

Коричный альдегид используется как фунгицид. Его низкая токсичность и доказанная эффективность для более чем 40 различных зерновых культур делают его идеальным для сельского хозяйства. Кроме этого коричный альдегид применяется в качестве инсектицида и средства для отпугивания животных (кошек и собак) [26]. Некоторые альдегиды (формальдегид, паральдегид, цитраль) применяют в медицинской практике. Альдегиды обладают выраженным противовоспалительным действием, а также успокаивают центральную нервную систему. Одни из них снижают давление, другие понижают температуру при лихорадке. К ним относятся цитраль (содержится в лимоне, лимонной траве, цитронелле, герани и др.); цитронеллал (содержится в цитронелле, эвкалипте, лимоне, мелиссе и др.); фелландраль (содержится во многих эфирных маслах, экстрагированных из деревьев); анисовый альдегид (содержится в анисе, ванили и др.); коричный альдегид (в больших количествах содержится в коре коричного дерева и в небольших листьях) [30–32].

Физиологическое действие препаратов, имеющих в молекуле альдегидную группу, различно и зависит главным образом от характера алкильного остатка, связанного с карбонильным углеродом (табл. 1) [3,8,19–29,33–36].

 

Таблица 1 − Лекарственные препараты содержащие в молекуле альдегидную группу, и их основное действие в организме

Формула	Название	Действие на организм
	Раствор формальдегида (Формалин)	Антисептическое
	Хлоралгидрат	Снотворное, Противосудорожное
	Глюкоза	Общеукрепляющее
	Цитраль	Укрепляет артериальное давление крови
	Циминаль	Противомикробное

 

Наличие альдегидной группы придает соединениям наркотические свойства, табл.1. Удлинение алкильного радикала в молекуле альдегида приводит к усилению физиологической активности, но вместе с этим возрастает и токсичность. Введение галогена в молекулу альдегида повышает его наркотическое (снотворное) действие. Так, наркотические свойства хлораля (1.5) более выражены, чем у ацетальдегида (1.6).

 

1.5 1.6 1.7

Альдегидная группа усиливает токсичность вещества, но она может быть значительно снижена путем образования гидратной формы альдегида (1.7). Способность к образованию гидратной формы проявляется лишь у хлорированного альдегида. Так, гидратная форма хлораля мало токсична, в такой форме хлораль применяется в медицине под названием хлоралгидрата, проявляющего снотворное действие [32,34,35].

Альдегиды играют большую роль в биологических процессах, являясь промежуточными продуктами окисления аминов (образующихся декарбоксилированием аминокислот) до жирных кислот [37].

В ИК-спектрах альдегидов характеристические полосы поглощения

v _С=О лежат в области 1740-1720 см^-1 (алифатические альдегиды), 1715-1695 см^-1 (ароматические), 1705-1685 см^-1 (непредельные); V _C-H – в области 2880-2650 см^-1. Химический сдвиг альдегидного протона в спектрах ЯМР (1Н) – в области 9,4-9,7 м.д. (алифатические альдегиды) и 9,6-10,1 м.д. (ароматические). Характерный дублет в спектрах ЯМР (¹³С), обусловленный группой ¹³СНО – в области 190-205 м.д. (на 5-10 м.д. в более сильном поле, чем сдвиги ¹³СО соответствующих кетонов). Электронные спектры содержат полосы с λ _макс 290 нм для RCHO (R = CH₃, C₂H₅, С₃Н₇), 345 нм для акролеина и 327 нм для кротонового альдегида (во всех случаях ∆λ ≈ 15-25); масс-спектры (RCHO)-пики, отвечающие ионам (НСО)⁺, (RCO)⁺ и R⁺. Если альдегиды имеют атомы Н в γ-положении, то для линейных соединений характерны пики при т/е 44, а для α-разветвленных - при т/е 44 + 12и, где п — 1, 2, 3... [38−40].