Учебное пособие: Енолят-анионы и енамины. Таутомерия. Альдольные реакции

Енолят-анионы и енамины

Карбонильная группа полярна и частично положительный заряд с ее атома углерода передается на соседний (a-атом) углерода, делая соединенные с ним атомы водорода подвижными.

Альдегиды и кетоны могут проявлять, таким образом, свойства С-Н-кислот. Конечно, кислотность карбонильных соединений очень мала, тем не менее именно кислотностью a-атомов водорода объясняются многие их химические свойства. Кислотность a водородов в альдегидах и кетонах объясняется, прежде всего, тем, что при этом анион, образующийся из них при отщеплении протона, стабилизирован резонансом. Отрицательный заряд в нем делокализован.

(1)

енолят-анион

Резонансно стабилизированный анион может присоединять протон или к атому углерода или к атому кислорода. В первом случае образуется кетонная форма, а во втором енольная форма.

Енолят-анионы могут реагировать с алкилгалогенидами по механизму S_N2

 (2)

или с альдегидами и кетонами

 (3)

енолят-анион кетон тетраэдральный промежуточный

продукт присоединения

к карбонильной группе

Таутомерия

Итак, подвижный атом водорода, хотя и очень медленно может переходить к кислороду с образованием, так называемой, енольной формы:

Кетонные и енольные формы карбонильных соединений являются своеобразными структурными изомерами. Поскольку эти изомеры легко переходят друг в друга под действием кислот или оснований для такого вида изомерии используется специальный термин таутомерия.

Например:

(>99%) (1,5x10^-4%)

Енольная форма обычных альдегидов и кетонов не была выделена в чистом виде, т.к. она быстро превращается в карбонильную форму.

Для b-дикарбонильных соединений енольная форма может быть выделена в чистом виде, так как у этих соединений енольные формы достаточно стабильны, причем в некоторых случаях они даже более стабильны, чем карбонильные.

2,4-пентандион (24%) енольная форма (76%)

Cтабильность енольной формы b-дикарбонильных соединений объясняется возникающим сопряжением и образованием внутримолекулярной водородной связи:

Превращение карбонильных и енольных форм друг в друга является примером таутомерного превращения, понятие о котором мы теперь можем сформулировать в общем виде.

Термин таутомерия обозначает обратимое превращение органических соединений. Чаще всего таутомерия относится к миграции протонов, т.е. перемещению протона от одного атома к другому, при котором, как правило, происходит перемещение двойной связи. В определенном смысле таутомерный сдвиг протонов является внутримолекулярным кислотно-основным превращением. Возникающие при миграции протона изомеры называют таутомерами.

При таутомерных превращениях оптических изомеров они могут превращаться в рацемическую смесь. Например, (R)-втор-бутилфенилкетон при стоянии перестает вращать плоскость поляризованного света.

(4)

(R)-втор-бутилфенилкетон енол

(R)-втор-бутилфенилкетон (S)-втор-бутилфенилкетон

Упр. 1. Напишите формулу 2,4-циклогексадиен-1-она и объясните, почему он существует практически только в енольной форме?

Альдольные реакции

При действии на ацетальдегид разбавленного раствора NaOH при обычной или даже пониженной температуре происходит его димеризация с образованием 3-гидроксибутаналя. Поскольку 3-гидроксибутаналь одновременно является альдегидом и спиртом (алкоголь) его обычно называют “альдоль”, а реакции такого типа стали называть альдольными реакциями или реакциями альдольного присоединения.

(5)

3-гидроксибутаналь (альдоль)

Кетоны также вступают в катализируемое основаниями альдольное присоединение, равновесие не столь благоприятно, как в случае альдегидов. Это препятствие преодолевается проведением реакции в условиях быстрого выведения продукта из реакционной смеси. Из ацетона, например, таким путем может быть получен диацетоновый спирт:

4-гидрокси-4-метил-2-пентанон

Альдольное присоединение проходит по трехстадийному механизму. На первой стадии основание (гидроксид-анион) отрывает протон от a углерода молекулы ацетальдегида давая енолят-ион с делокализованным отрицательным зарядом:

(М 1)

енолят-анион

На второй стадии енолят-анион выступает в роли нуклеофила и атакует карбонильный атом углерода другой молекулы ацетальдегида. На этой стадии образуется алкоксид-анион.

алкоксид-анион

На третьей стадии алкоксид-анион отрывает протон от молекулы воды и превращается в альдоль.

более сильное адьдоль менее сильное основание

В механизме альдольного присоединения проявляются два основных свойства карбонильных соединений: кислотность a водородов и склонность карбонильной группы к реакциям нуклеофильного присоединения.

Если реакционную смесь, образующуюся при альдольном присоединии, нагреть то происходит дегидратация, приводящая к образованию кротонового альдегида (2-бутеналя):

(7)

кротоновый альдегид

Следует помнить, что подвижными в карбонильных соединениях являются лишь a-атомы водорода.

(8)

2-метил-3-гидроксипентаналь

Упр 2. На примере пропионового альдегида разберите механизм альдольного присоединения в условиях щелочногo катализа.

Дегидратация легко происходит по тому, что участвующий в ней a водород подвижен, а в образующемся продукте возникает сопряжение. В некоторых альдольных реакциях дегидратация осуществляется так легко, что альдоль выделить и не удается.

Превращение альдегида в непредельный альдегид через альдоль называется альдольной (кротоновой) конденсацией. Конденсацией называют реакцию, в результате которой молекулы соединяясь, выделяют небольшие молекулы таких веществ как вода или спирт.

продукт присоединения продукт конденсации

не выделяют еналь

В такую же конденсацию вступают и кетоны

Альдольная конденсация может катализироваться и кислотами. Так, ацетон в присутствии HCl превращается в 4-метил-3-пентен-2-он. Реакция начинается с образования енола:

 (9)

 (М 2)

Енол далее присоединяется к протонированной форме другой молекулы ацетона:

Затем происходит дегидратация и образуется 4-метил-3-пентен-2-он (окись мезитила):

(окись мезитила)

В альдольных реакциях могут участвовать и два различных карбонильных соединения. В этом случае их называют перекрестными альдольными реакциями. Использование в перекресной альдольной реакции карбонильных соединений, каждое из которых имеет a водороды не рационально, так как при этом образуются многокомпонентные смеси продуктов реакции.

Частным случаем перекресной альдольной конденсации является реакция Клайзена-Шмидта. Она заключается в конденсации ароматических альдегидов с алифатическими и жирноароматическими альдегидами и кетонами в присутствии водных растворов щелочей и приводит к образованию a,b-ненасыщенных альдегидов или кетонов.

 (10)

коричный альдегид

 (11)

бензальацетон

 (12)

дибензальацетон

 (13)

бензальвцетофенон

Дикарбонильные соединения легко вступают во внутримолекулярные альдольные реакции особенно в том случае, когда при этом образуются пяти и шестичленные циклы:

 (14)

6-Оксогептаналь 1-ацетилциклогексен

Упр. 3. Напишите реакции альдольного присоединения (а) бутаналя,

(б) циклогексанона, (в) фенилацетальдегида и (г) циклопентанона.

Ответ:

Продукты альдольного присоединения образуются в результате нуклеофильного присоединенния a-углеродного атома одной молекулы к карбонильной группе другой.

(а)  (б)

Упр. 4. Нарисуйте продукты дегидратации альдолей из упр.3

Ответ:

(а)(б)

Упр. 5. Катализируемая кислотой альдольная конденсация ацетона может приводить и к образованию 2,6-диметил-2,5-гептадиен-4-она (форона). Напишите эту реакцию и объясните ее механизм.

Упр. 6. Нагревание ацетона с серной кислотой приводит к образованию

1,3,5-триметилбензола (мезитилена). Напишите эту реакцию.

Упр. 7. Нарисуйте прдукты катализируемых щелочью следующих реакций альдольного присоединения: (а) бутаналь, (б) циклогексанон, (в)фенилацетальдегид, (г) циклопентанон

Упр. 9. Напишите внутримолекулярные реакции альдольной конденсации, приводящие к образованию

(а) (б) (с)