Реакции нуклеофильного присоединения альдегидов и кетонов

Реакции нуклеофильного присоединения альдегидов и кетонов 

 

Альдегиды и кетоны легко  присоединяют нуклеофильные реагенты по С=О связи. Процесс начинается с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода. Затем образующийся на первой стадии тетраэдрический интермедиат присоединяет протон и дает продукт присоединения:

Активность карбонильных соединений в Ad_N–реакциях зависит от величины эффективного положительного заряда на карбонильном атоме углерода и объема заместителей у карбонильной группы. Электронодонорные и объемистые заместители затрудняют реакцию, электроноакцепторные заместители повышают реакционную способность карбонильного соединения. Поэтому альдегиды в Ad_N–реакциях активнее, чем кетоны.

Активность карбонильных соединений повышается в присутствии  кислотных катализаторов, которые  увеличивают положительный заряд  на карбонильном атоме углерода:

Альдегиды и кетоны присоединяют воду, спирты, тиолы, синильную кислоту, гидросульфит натрия, соединения типа NH₂X. Все реакции присоединения идут быстро, в мягких условиях, однако образующиеся продукты, как правило, термодинамически не устойчивы. Поэтому реакции протекают обратимо, и содержание продуктов присоединения в равновесной смеси может быть низким.

Присоединение воды.

Альдегиды и кетоны присоединяют воду с образованием гидратов. Реакция  протекает обратимо. Образующиеся гидраты  термодинамически не стабильны. Равновесие смещено в сторону продуктов присоединения только в случае активных карбонильных соединений.

Продукт гидратации трихлоруксусного альдегида хлоральгидрат – устойчивое кристаллическое соединение, которое используется в медицине как успокаивающее и снотворное средство.

Присоединение спиртов и тиолов.

Альдегиды присоединяют спирты с образованием полуацеталей. При избытке спирта и в присутствии кислотного катализатора реакция идет дальше – до образования ацеталей

Реакция образования полуацеталя протекает как нуклеофильное присоединение и ускоряется в присутствии кислот или оснований.

Процесс образования ацеталя идет как нуклеофильное замещение ОН группы в полуацетале и возможен только в условиях кислотного катализа, когда группа ОН превращается в хорошую уходящую группу (H₂O).

Образование ацеталей – обратимый процесс. В кислой среде полуацетали и ацетали легко гидролизуются. В щелочной среде гидролиз не идет. Реакции образования и гидролиза ацеталей играют важную роль в химии углеводов.

Кетоны в аналогичных  условиях кеталей не дают.

Тиолы как более сильные нуклеофилы, чем спирты, образуют продукты присоединения и с альдегидами, и с кетонами.

Присоединение синильной кислоты

Синильная кислота присоединяется к карбонильным соединением в условиях основного катализа с образованием циангидринов.

Реакция имеет препаративное значение и используется в синтезе a -гидрокси- и a -аминокислот (см. лек. № 14). Плоды некоторых растений (например, горький миндаль) содержат циангидрины. Выделяющаяся при их расщеплении синильная кислота оказывает отравляющее действие.

Присоединение бисульфита натрия.

Альдегиды и метилкетоны присоединяют бисульфит натрия NaHSO₃ c образованием бисульфитных производных.

Бисульфитные производные  карбонильных соединений – кристаллические  вещества, не растворимые в избытке  раствора бисульфита натрия. Реакция  используется выделения карбонильных соединений из смесей. Карбонильное соединение может быть легко регенерировано обработкой бисульфитного производного кислотой или щелочью.

  
   
 

Взаимодействие  с соединениями общей формулы NH₂X.

Реакции протекают по общей  схеме как процесс присоединения-отщепления. Образующийся на первой стадии продукт  присоединения не устойчив и легко  отщепляет воду.

По приведенной схеме  с карбонильными соединениями реагируют  аммиак, первичные амины, гидразин, замещенные гидразины, гидроксиламин.

Образующиеся производные  представляют собой кристаллические  вещества, которые используют для  выделения и идентификации карбонильных соединений.

Имины (основания Шиффа) являются промежуточными продуктами во многих ферментативных процессах (трансаминирование под действием кофермента пиридоксальфосфата; восстановительное аминирование кетокислот при участии кофермента НАД  Н). При каталитическом гидрировании иминов образуются амины. Процесс используется для синтеза аминов из альдегидов и кетонов и называется восстановительным аминированием.

Восстановительное аминирование протекает in vivo в ходе синтеза аминокислот