КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

«Реакционная способность альдегидов и кетонов. Реакции

нуклеофильного присоединения.

СЛАЙД – ЛЕКЦИЯ НА ТЕМУ:

Цель лекции

• Расширить и углубить знания о связи строения и реакционной способности карбонильных соединений.

План лекции

• 1. Классификация и номенклатура альдегидов и кетонов.

• 2. Физические свойства.

• 3. Способы получения.

• 4. Основные реакционные центры.

• 5. Влияние строения на реакционную способность в реакциях нуклеофильного присоединения.

• 6. Стереохимический результат присоединения к альдегидам и кетонам нуклеофильных реагентов.

• 7. Химические свойства.

• 8. Медико-биологическое значение.

Карбонильные соединения

Альдегиды Кетоны

Определение:

альдегидами называются соединения, в которых карбонильная группа соединена с углеводородным радикалом и атомом водорода, а кетонами – карбонильные соединения с двумя углеводородными радикалами

Классификация и номенклатура альдегидов

По характеру углеводородного радикала:

1) алифатические

насыщенные

2) алифатические

ненасыщенные

3) ароматические

ТН уксусный альдегид

МН этаналь

ТН акриловый альдегид

МН пропеналь

ТН бензальдегид

Гомологический ряд насыщенных альдегидов состава С1 – С5

С1

С2

С3

С4

С5

ТН муравьиный альдегид; формальдегид

МН метаналь

ТН уксусный альдегид; ацетальдегид

МН этаналь

ТН пропионовый альдегидМН пропаналь

ТН масляный альдегид

МН бутаналь

ТН валериановый альдегид МН пентаналь

Классификация и номенклатура кетоновПо характеру углеводородных радикалов:

1) алифатические насыщенные

2) ароматические

3) смешанные

ТН ацетон

РН диметилкетон

МН пропанон

РН дифенилкетон

РН метилфенилкетон

ТН ацетофенон

Физические свойствакарбонильных соединений

Агрегатное состояние

Формальдегид – газ, все остальные – жидкости; высшие – твердые соединения. Альдегиды и кетоны имеют более низкие температуры кипения, чем спирты и карбоновые кислоты с тем же числом

атомов углерода. Растворимость

Первые представители (формальдегид, ацетальдегид, ацетон) хорошо растворимы в воде за счет образования водородных связей или гидратных форм. По мере удлинения углеродной цепи растворимость карбонильных соединений в воде снижается. Карбонильные соединения хорошо растворимы в полярных органических растворителях. Некоторые из них (ацетон, метилэтилкетон) широко используются как растворители.

Способы получения

1. Термокаталитическое окисление алканов

R-CH3 R-CHOO2, t, кат

О2, t, катСН4 НСНО (основной промышленный способ)метан формальде-

гид

2. Гидроформилирование алкенов (оксосинтез)

Сo (СО)8, t, PСН3-СН=СН2 + СО + Н2 CH3-CH2-CH2-CHO + (CH3)2CH-CHO

пропен бутаналь 2-метилпропа-наль

Способы получения

3. Гидратация алкинов (реакция Кучерова)Н+, Hg2+

НС≡СН + НОН СН3-СНОацетилен ацетальдегид

Н+, Hg2+СН3-С≡СН + НОН СН3-С-СН3

Oпропин ацетон

4. Окисление гомологов аренов

СН3

толуол

СН(OCOCH3)2

ацилаль

СНO

бензаль-дегид

CrO3, (CH3CO)2O H2O, H+

Способы получения

5. Ацилирование аренов

AlCl3

- HCl+ СН3-COCl

ацетилхло-рид

С - СН3

Ометилфенилкетон

6. Гидролиз гем-дигалогенпроизводных углеводородов

H2O, NaOH

-2 NaClСH3-CHCl2 CH3-CHO1,1 – дихлор-

этанацетальдегид

H2O, NaOH

-2 NaCl

O

CH3-CCl2-CH3 CH3-C-CH3

ацетон2,2 – дихлор-пропан

Способы получения

7. Окисление спиртов Окислители: K2Cr2O7/H+, KMnO4/H+, CuO, CrO3

[O] [O]R-CH2-OH R-CHO R-COOH

первичный спирт

альдегид карбоновая к-та

[O]R-CH-R‘ R-C-R'

OH OВтор. спирт кетон

8. Дегидрирование спиртов ZnO, tR-CH2-OH R-CHO

альдегид

ZnO, tR-CH-R‘ R-C-R'

OH O кетон

Способы получения9. Восстановление функциональных производных карбоновых кислот

[H]R-CONR2 R-CHO + R2NH амид

[H]

-HCl R-COCl R-CHO

хлорангидрид

кислоты

Способы получения

( RCOO)2Ca C R

O

R

10. Пиролиз солей карбоновых кислот

tCaCO3

адипиновая кислота циклопентанон

_

Ва(ОН)2, 240˚СCOOH

COOHC O

- ВаСО3

Реакционные центры в молекулах карбонильных соединений на примере уксусного альдегида

С- Н

кислотный

центр

электрофильный центр

реакции нуклеофильного присоединения (АN)

основный оксониевый центр

нуклеофильный центр

δ’ + < δ +

δ -:

Общая схема реакции нуклеофильного присоединения в карбонильных соединениях

δ+ δ-+ Е – Nu [Nu... ] -

E +

Факторы, определяющие реакционную способность карбонильных соединений в

реакциях AN

1. Электронный. Обусловлен величиной δ+ на карбонильном атоме углерода. Чем больше величина заряда, тем больше реакционная способность.

На величину заряда влияют заместители. Электронодонорные заместители уменьшают величину δ+ ,тем самым уменьшают реакционную способность, электроноакцепторы действуют наоборот.

Факторы, определяющие реакционную способность карбонильных соединений в

реакциях AN

2.Стерический. Обусловлен доступностью электрофильного центра, на которую влияют число и строение заместителей при карбонильном атоме углерода. Объёмные радикалы затрудняют подход нуклеофила и, следовательно, снижают реакционную способность.

3. Кислотно-основные свойства среды.

Сравнение реакционной способности альдегидов и кетонов реакциях нуклеофильного присоединения

трихлоруксусный альдегид

уксусныйальдегид

ацетон

δ+ δ+ δ+

- I CCl3 , э. а. + I CH3

, э. д. + I CH3 , 2 э. д.

Сравнение реакционной способности альдегидов и кетонов реакциях AN

Выводы:

1. Альдегиды обладают большей реакционной способностью, чем кетоны.

2. Электроноакцепторные заместители увеличивают реакционную способность, электронодонорные заместители – уменьшают.

3. Ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособные, чем алифатические.

4. В гомологическом ряду насыщенных альдегидов реакционная способность уменьшается.

Стереохимия реакций нуклеофильного присоединения

Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами

ПРИСОЕДИНЕНИЕ ВОДЫ

+ НОН

формальдегид гидрат формальдегида

δ+

+ НОН

ТН хлораль хлоральгидрат устойчив

Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами

δ +δ -

+ С2Н5ОННСI сух.

ПРИСОЕДИНЕНИЕ СПИРТОВ

уксусный альдегид

этиловый спирт

полуацеталь неустойчив

+ С2Н5ОН

НСI сух.

+ НОН

ацеталь, устойчив диэтилацеталь уксусного альдегида

Механизм реакции образования полуацеталей

δ + : Н+ CI-

[ ]

+ CH3CH2OH

CI-

+ HCI

Реакции с серасодержащими нуклеофилами 1. Присоединение гидросульфита натрия

+CH3 -CO

Hэтаналь

O=SONa

OH O

OOH

CH3 – CH – S – ONa

гидросульфитное производное

для выделения из смеси и очистки карбонильных соединений

2. Реакция с тиолами

CH3 –CH2-CO

Hпропаналь+ 2С2H5SH

.. HCl

CH3 – CH2 – CH – SC2H5 + H2O

SC2H5

Дитиоацеталь

1,1 – ди(этилтио)пропандля «защиты» карбонильной группы

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами АN - E

МЕХАНИЗМ:

+ NH2 - X

Н2О +

монозамещенный имин

δ +

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами АN - E

+ NH3

этаналь

+ Н2О

+ Н2О

имин

+ NH2- CH3

N-замещенный имин

этаналь метиламин

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами АN - E

+ NH2- ОН + Н2О

ацетон

ацетон

оксим

+ NH2 – NH2

гидроксиламин

гидразин гидразон

+ Н2О

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами АN - E

NNH O2NH2

NHNH2

NHNH2NH2C

O

фенилгидразин

фенилгидразоны

п-нитрофенилгидразин

п-нитрофенилгидразоны

семикарбазид

семикарбазоны

Взаимодействие формальдегида с аммиаком

6 НСНО + 4 NНз → (СН2)6N4 + 6 Н2О

гексаметилентетрамин

N N

N

N

Гексаметилентетрамин используется в медицине как антисептическое средство. Является пролекарством, т.к. антисептическим свойством обладает формальдегид, образующийся при его гидролизе в организме.

Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами

Присоединение циановодородной кислоты

CH3-C-CH3

O

+ HCNOH -

CH3 –CH2-CO

Hпропаналь

+ HCNOH -

CH3-CH2-CH-C≡N

OH оксинитрил

2-гидроксибутанонитрил

CH3-C-CH3

HO CN2-гидрокси-2 метил-

пропанонитрил

CH3-C-CH3

HO CN

+ 2H2OH+

NH4+CH3-C-COOH

OH

CH3

α-гидроксикислота

2-гидрокси-2-метилпропановая к-та

Механизм реакции присоединения HCN

быстро

HCN + HO -

слабая к-таC≡N + H2O нуклеофил

CH3 –CH2-CO

H

δ+δ-

+ CNмедленно

CH3-CH2-CH-C≡N

OH2O

H2OCH3-CH2-CH-C≡N

OH

+ OH-

возврат

катализатора

Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами

Присоединение магнийорганических соединений

уксусный

альдегид

CH3-СO

H

δ-δ+

CH3-CH-OMgBr

CH3

H2OCH3-CH-OH

CH3

-Mg(OH)Br

втор.спирт

пропанол - 2

+ СH3-Mg-Brδ- δ+

метилмагний-

бромид

+ СH3-Mg-Brδ+δ-

CH3-C-CH3

Oкетон

ацетон

δ+

δ-CH3-C-CH3

OMgBr

CH3

H2O

-Mg(OH)BrCH3-C-CH3

OH

CH3

третичный спирт

2-метилпропанол-2

Реакции с углеродсодержащими нуклеофиламиРеакции с участием С-Н-кислотного центра

С=OR

R’(R‘=H)

(карбонильная

компонента)

+H

H

СX

Y

C-H кислота

(метиленовая

компонента)

AN R – C – C – X

R’

OH H

Yпродукт

конденсации

-H2O

R

R‘

С=CX

Y

продукт

дегидратации

Альдольная конденсация

уксусный

альдегид

CH3-СO

H

2 KOH tCH3-CH-CH2-СO

HOH альдоль

3-гидроксибутаналь

CH3-CH=CH-СO

H-H2O α,β-ненасыщ.

альдегид,

бутен-2-аль

Реакции с углеродсодержащими нуклеофиламиМеханизм реакции альдольной конденсации

CH2

H

CHO + OH-

-H2O

CH2-CH=O

карбанион

СH2=CH-O-

CH3-СO

H

δ+

+ CH2-CH=OAN

CH3-CH-СH2 -CH =O

O–

H2O

H2OCH3-CH-СH2 –CHO + HO–

OH альдоль

Обратный процесс – альдольное расщепление (ретроальдольная реакция)

Реакции оксидоредукции (Канниццаро)

КОН конц.

+

бензальдегид соль кислоты бензоат калия

первичный спирт бензиловый спирт

2

H2O

2 HCOOН + СН3-ОН

формальдегидмуравьиная кислота

метанол

Восстановление карбонильных соединений

Восстанавливающие реагенты: Н2 / Ni, NaH, LiAlH4

пропаналь альдегид

+ Н2

Ni, t

пропанол-1

первичный спирт

ацетон кетон

+ NaH+ -

δ +

δ -алкоголят

Н2О

- NaОH

пропанол-2 вторичный спирт

Реакции окисления

окисление

δ +

Реакция «серебряного зеркала»

+ [Ag(NH3)2]OH CH3-COOH + Ag + NH3+H2O

уксусный альдегид

+ Сu(OH)2

tCH3-COOH + Cu2O + H2O

оранжево- красный

Реакция образования йодоформа

I2, NaOH NaOH

CHI3 + R-COONa

бледно-желтый больничный запах

йодоформ

соль кислоты

Реакция образования йодоформа

R=H

этаналь

I2, NaOH NaOH

CHI3 + HCOONa

формиат Na

R=CH3

ацетон

I2, NaOH NaOH

CHI3 + CH3-COONaацетат Na