Реакции карбонильных соединений
Общие сведения
Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) характеризуются наличием сильно поляризованной двойной связи между атомами углерода и кислорода. Разница в электроотрицательности этих элементов приводит к возникновению значительного дипольного момента, из-за чего карбонильный атом углерода приобретает выраженный электрофильный характер. Вследствие высокой полярности кратной связи карбонильная группа способна присоединять широкий спектр полярных реагентов, что делает химию карбонильных соединений значительно более разнообразной по сравнению с химией обычных алкенов. Реакционная способность альдегидов в реакциях нуклеофильного присоединения в целом выше, чем у кетонов. Это связано с тем, что кетоны термодинамически более стабильны (разница в теплоте образования составляет порядка 7–8 килокалорий на моль в пользу кетонов). Наименее стабильным карбонильным соединением является формальдегид, не имеющий алкильных заместителей, что обуславливает его колоссальную химическую активность.
Классификация
Реакции карбонильных соединений чрезвычайно обширны и классифицируются по нескольким основным направлениям. Фундаментальную группу составляют реакции нуклеофильного присоединения, которые по механизму протекания подразделяются на два типа обратимых процессов. Первый тип включает реакции, при которых образуется тетраэдрический анионный интермедиат, впоследствии протонирующийся по атому кислорода. По этому пути протекает образование ацеталей, кеталей, тиоацеталей, тиокеталей, циангидринов, а также формирование енолят-ионов. Второй тип реакций характеризуется тем, что нейтральный продукт присоединения подвергается последующей дегидратации. Отщепление молекулы воды приводит к образованию новой двойной связи между карбонильным углеродом и нуклеофильным агентом, что типично для синтеза иминов, енаминов и гидразонов. Помимо нуклеофильного присоединения, реакции классифицируются на окислительно-восстановительные процессы (окисление до кислот, восстановление до спиртов или углеводородов), реакции сопряженного присоединения для альфа,бета-ненасыщенных систем, а также реакции декарбонилирования.
Способы получения
Реакции карбонильных соединений выступают мощнейшим инструментом органического синтеза, позволяющим получать разнообразные классы химических веществ. Восстановление альдегидов и кетонов приводит к образованию первичных и вторичных спиртов соответственно. Для этого применяются комплексные гидриды металлов. Боргидрид натрия обеспечивает избирательное восстановление карбонильной группы, не затрагивая другие функциональные фрагменты. Алюмогидрид лития является более сильным, но менее селективным реагентом; его восстанавливающую способность можно модифицировать добавлением хлорида алюминия. Широко применяется каталитическое гидрирование на таких катализаторах, как платина, палладий, рутений на угле или никель Ренея. Синтез третичных и сложных вторичных спиртов осуществляется путем нуклеофильного присоединения металлоорганических соединений (реактивов Гриньяра или литийорганических реагентов), при этом использование литийорганики позволяет минимизировать побочные процессы енолизации.
Важным направлением является синтез углеводородов путем полного восстановления карбонильной группы. По методу Клемменсена ароматические и жирноароматические кетоны восстанавливаются амальгамированным цинком в присутствии соляной кислоты (в том числе в двухфазной системе с толуолом для повышения выхода), превращаясь в алкилбензолы, хотя точный механизм этой реакции остается невыясненным. Реакция Кижнера — Вольфа позволяет получать алканы посредством щелочного термического разложения гидразонов в протонных высококипящих растворителях (диэтиленгликоль, триэтиленгликоль). Получение углеводородов возможно и за счет прямого декарбонилирования (отщепления угарного газа) при помощи комплексов переходных металлов, в частности катализатора Уилкинсона.
Синтез алкенов со строго определенным положением двойной связи осуществляется с помощью реакции Виттига. В ходе этого процесса карбонильные соединения реагируют с илидами фосфора (фосфоранами), образуя алкен и оксид фосфина. При использовании илидов серы вместо алкенов синтезируются оксираны. Присоединение аминов позволяет получать имины (из первичных аминов) и енамины (из вторичных аминов, таких как пирролидин, пиперидин или морфолин). Взаимодействие с синильной кислотой ведет к синтезу циангидринов — ключевых интермедиатов для получения альфа,бета-ненасыщенных соединений и альфа-аминокислот.
Свойства
Химические свойства альдегидов и кетонов определяются обратимостью и условиями протекания реакций присоединения. Гидратация альдегидов приводит к образованию геминальных диолов, причем процесс подвержен как общему кислотному, так и общему основному катализу. Формальдегид в водном растворе практически полностью превращается в метандиол, в то время как кетоны гидратируются в крайне незначительной степени. Взаимодействие со спиртами протекает экзотермически через стадию образования полуацеталей (или полукеталей). Присоединение второй молекулы спирта при кислотном катализе дает ацетали и кетали. Поскольку для кетонов равновесие смещено в сторону исходных реагентов, для синтеза кеталей применяют специальные методы, такие как азеотропная отгонка выделяющейся воды с толуолом или ксилолом. Ацетали и кетали устойчивы к действию сильных оснований (литийорганики, гидридов, амида натрия), что обуславливает их использование в качестве защитных групп. Формальдегид склонен к образованию линейных полимеров (параформальдегид, регенерирующийся при нагревании до 200 градусов Цельсия) или циклических тримеров (триоксан).
Особыми свойствами обладают производные, образующиеся при реакции карбонильных соединений с тиолами. Тиоацетали и тиокетали образуются с более высокими выходами, чем их кислородные аналоги. Циклический тиоацеталь формальдегида, 1,3-дитиан, обладает слабой кислотностью протона из-за влияния двух атомов серы. Под действием бутиллития он образует карбанион, способный выступать в роли нуклеофила. Этот эффект обращения полярности позволяет алкилировать бывший электрофильный карбонильный углерод, превращая его в инструмент для синтеза сложных альдегидов и кетонов. Кроме того, тиоацетали подвергаются обессериванию под действием никеля Ренея, превращаясь в метиленовые группы.
Присоединение цианистого водорода (механизм Лапворта) является классической обратимой реакцией, скорость которой определяется стадией атаки цианид-иона. Альтернативно применяют триметилсилилцианид с катализатором (цианидом калия) для получения силиловых эфиров циангидринов с высокими выходами. Взаимодействие с гидросульфитом натрия (в виде 40-процентного водного раствора) приводит к образованию кристаллических альфа-гидроксисульфонатов. Эта реакция специфична для альдегидов и метилкетанов (высшие кетоны в нее не вступают) и позволяет выделять их из смесей, поскольку исходные вещества легко регенерируются при обработке кислотой или карбонатом натрия.
Альфа,бета-ненасыщенные карбонильные соединения благодаря сопряжению способны к реакциям 1,4-присоединения. Амины, цианистый водород и триалкилбораны присоединяются в бета-положение, образуя соответствующие производные. Литийорганические соединения атакуют преимущественно карбонильную группу (1,2-присоединение), тогда как диалкилкупраты селективно присоединяются в 1,4-положение. Для избирательного восстановления карбонильной группы в таких системах применяют диизобутилалюминийгидрид (ДИБАЛ) в толуоле при низких температурах.
Окислительные свойства ярко отличают альдегиды от кетонов. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот перманганатом калия или реагентом Джонса (при температуре от 0 до 20 градусов Цельсия с выходами свыше 80 процентов). Специфическим и селективным окислителем является водно-спиртово-аммиачный раствор оксида серебра (реагент Толленса), который не затрагивает кратные связи и гидроксильные группы. Кетоны устойчивы к мягкому окислению; расщепление углеродного скелета происходит лишь при жестких условиях (горячий щелочной раствор перманганата калия, азотная кислота). Однако окисление кетонов перкислотами (трифторнадуксусной, пербензойной) приводит к образованию сложных эфиров (реакция Байера — Виллигера). Альдегиды склонны к автоокислению на свету и на воздухе по радикально-цепному механизму, поэтому их следует хранить в темноте. Специфической реакцией альдегидов, не имеющих атомов водорода в альфа-положении, является реакция Канниццаро — щелочное диспропорционирование с образованием первичного спирта и карбоновой кислоты.
Применение
Реакции карбонильных соединений являются фундаментом современного органического синтеза. Ацетали и кетали повсеместно используются как надежные защитные группы, позволяющие проводить многостадийные химические превращения сложных молекул без затрагивания чувствительного карбонильного центра. Использование 1,3-дитианов для обращения полярности (умполунг) произвело революцию в подходах к конструированию углеродного скелета в тонком органическом синтезе.
Реакция Виттига имеет колоссальное прикладное значение для региоспецифического синтеза сложных полиеновых структур. В промышленности она используется для синтеза витаминов группы А (например, витамина А1 в Германии), витамина D, а также биологически активных феромонов насекомых, включая бомбикол (феромон тутового шелкопряда). Циангидрины являются важнейшими исходными реагентами для масштабного производства альфа-аминокислот и акриловых полимеров.
Гидросульфитные производные, благодаря их кристаллической структуре, широко применяются в лабораторной и промышленной практике для очистки и выделения альдегидов и метилкетанов из сложных реакционных смесей. Реакция Толленса (реакция серебряного зеркала), наряду с получением кристаллических гидразонов и иминов, служит важнейшим аналитическим методом идентификации карбонильных соединений. Окисление ароматических альдегидов перкислотами является модификацией реакции Дакина, открывая путь к получению многоатомных фенолов (пирокатехина, гидрохинона, пирогаллола), которые востребованы в химической и фармацевтической индустрии.