Восстановление альдегидов и кетонов гидридами металлов
Обновлено: 04.10.2024
Сопряженные системы двойных связей (углерод-углерод и углерод-кислород) имеются в структуре $\alpha, \beta$-ненасыщенных альдегидов, кетонов, кислот и их производных. Сейчас найдены методы селективного восстановления, которые можно разделить на две большие группы:
- хемоселективное восстановление двойной связи, не затрагивающее функциональные группы;
- хемоселективное восстановление функциональных групп, оставляющее нетронутыми двойные связи.
Также существуют общие методы востановления реагентами, воздействующими на $\alpha, \beta$-ненасыщенные карбонильные соединения неселективно.
Неселективное восстановление
Изучая гидрирование этиленовых углеводородов в наиболее мягких условиях, по Фокину - Вильштеттер, в жидкой фазе (на холоду, над платиновой или палладиевого чернью, в спирте или в уксусной кислоте), Лебедев в 1924 установил, что однозамещенные этилены ($RCH = CH_2$) гидрируются с наибольшей, а четырехзамещенные этилены ($R_2C = CR_2$) с наименьшей скоростью. Дву- и трёхзамещённые этилены ($RCH = CHR$ и $R_2C = CHR$) занимают промежуточные места в этом ряду. Эта закономерность получила название правила Лебедева.
Таким образом, легкость гидрирования этилена на холоду зависит от структуры веществ, подвергающихся гидрированию. Важным структурным фактором является также пространственное расположение заместителей у двойной связи: транс-изомеры соединений ряда этилена гидрируются труднее, чем цис-изомеры. Например, малеиновая и олеиновая кислоты гидрируются с большей скоростью, чем в соответствующие фумаровая и елаидиновая (транс-изомер ненасыщенной кислоты $C_7H_COOH$) кислоты.
Ненасыщенные спирты при гидрировании над платиной на холоду переходят в насыщенные спирты.
Готовые работы на аналогичную тему
В ненасыщенных альдегидах в этих же условиях наряду с гидрированием двойной связи происходит гидрирование и альдегидной группы в первичную спиртовую группу. Таким образом, гидрирования проходит как по углерод-углеродной, так и по углерод-кислородной двойной связи. Например, продуктами гидрирования кротонового альдегида является масляный альдегид (выход ~ 50%) и бутиловый спирт (выход ~ 20%).
Выходы альдегида и спирта зависят от количества платины. Можно проводить исчерпывающее гидрирование ненасыщенных альдегидов также в паровой фазе.
Ненасыщенные кетоны с любым положением двойной связи легко гидрируются по Сабатье. Гидрирование $\alpha, \beta$-ненасыщенных кетонов, например метилстирилкетона, протекает в некоторых случаях с побочным образованием продуктов восстановительной конденсации.
Хемоселективное восстановление двойной связи $\alpha, \beta$-ненасыщенных альдегидах
Восстановление $\alpha, \beta$-ненасыщенных альдегидов можно проводить после защиты альдегидной группы (например, ацилированием) натрием в спирте с последующим снятием защиты действием разбавленной (3% -ной) серной кислоты.
Защиту альдегидной группы $\alpha, \beta$-ненасыщенных альдегидов можно производить и иначе, например, получать силиловий эфир енола соответствующего ненасыщенного альдегида. Изолированные двойные связи при этом остаются нетронутыми. Так обстоит преобразования цитраля в цитроненаль:
Хемоселективное восстановление двойной связи $\alpha, \beta$-ненасыщенных кетонах
Восстановление $\alpha, \beta$-ненасыщенных кетонов осуществляется по двойной связи амальгамой натрия в кислой, нейтральной или щелочной среде.
Боргидрид можно использовать для восстановления $\alpha, \beta$-ненасыщенных кетонов. Боргидрид натрия в пиридине вызывает присоединение водорода с образованием насыщенного кетона, который может дальше восстанавливаться при избытке реагента.
В других растворителях проходит смешанное 1,2 и 1,4-присоединения:
Также используют: комплексные гидриды, литий в аммиаке, смесь алюмогидрида лития и йодида меди.
Хемоселективное восстановление карбонильной группы $\alpha, \beta$-ненасыщенных альдегидах
Выборочное (хемоселективное) восстановление карбонильной группы (без восстановления двойной связи) осуществляется с помощью гидридного агента - комплексного гидрида меди, производного $Fe(CO)_5$, а также систем металл - жидкий аммиак.
Для выборочного восстановления $\alpha, \beta$-ненасыщенных альдегидов до аллилового спирта применяется известная именная реакция Меервейна - Понндорфа - Верлея. Действие алюмогидрида лития в эфире также дает аллиловые спирты. Выборочное восстановление карбонильной группы можно проводить также гетерогенным каталитическим гидрированием, используя хромит меди, платину на угле, ацетат цинка и рениевую чернь.
Хемоселективное 1,2-восстановление в $\alpha, \beta$-ненасыщенных кетонах
Алюмогидрид лития в эфире способствует гладкому 1,2-восстановлению $\alpha, \beta$-ненасыщенных енонов к аллиловым спиртам и является одним из лучших реагентов для этой цели. Недостаток метода - низкая избирательность по отношению к другим функциональным группам. Выдающийся ученый Кори со своей научной группой изучал много реагентов, которые могли бы восстанавливать карбонильную функцию, имея целью одновременного достижения высокой стереоспецифичности процесса.
Очень высокую региоселективнисть показали боргидрид натрия в этиловом спирте и боргидрид цинка, а также триалкилборгидрид лития.
Другие комплексные триалкилборгидридных соединений дают лишь до 40% восстановления, однако добавление кислот Льюиса увеличивает степень восстановления до 97% от общего степени преобразования.
Хемоселективное восстановление двойной связи
Восстанавливать хемоселективную двойную связь в ненасыщенных карбонильных соединениях можно с помощью гетерогенного каталитического гидрирования и гомогенного каталитического гидрирования. К восстановительным агентам первого типа можно отнести благородные металлы: $Pt$, $Pd$; переходные металлы ($Co$, $Ni$, $Cu$), а также их оксиды и гидриды. Часто их осаждают на углерод, а иногда на $CaCO_3$ или на мелкоячеистую поверхность другого металла. Гомогенное каталитическое гидрирование может осуществляться гидридными комплексами редкоземельных элементов, растворимыми в органических растворителях.
Восстановление альдегидов и кетонов гидридами металлов
Восстановление альдегидов и кетонов можно проводить многими методами, в том числе каталитическим гидрированием, с помощью гидридов металлов, растворяющимися металлами, изопропилатом алюминия (реакция Меервейна — Понндорфа — Верлея). В тех случаях, когда стереохимический результат (который будет рассматриваться в дальнейшем) не имеет значения, все методы в применении к ациклическим альдегидам и кетонам дают одинаковые продукты.
Реакция Меервейна — Понндорфа — Верлея [реакция (8.7)] полезна в тех случаях, когда необходимо восстановить карбонильную группу в присутствии других способных к восстановлению групп.
Недавно был предложен общий метод восстановления альдегидов и кетонов, растворенных в инертном растворителе, проланолом-2 с использованием в качестве катализатора дегидратированного нейтрального оксида алюминия. Этому методу
приписывают следующие преимущества: 1) -ненасыщенные альдегиды восстанавливаются в аллильные спирты; 2) альдегиды могут восстанавливаться в присутствии некоторых кетонов;
3) многие неустойчивые к восстановлению функциональные группы (например, нитро, циан, галоген) в ходе реакции не затрагиваются; 4) пропанол-алюминиевый реагент в закрытом сосуде может храниться долгое время; 5) дешевизна реагентов и легкость выделения продуктов реакции.
В тех случаях, когда необходимо принимать во внимание стереохимические факторы, картина становится более сложной. При восстановлении гидридами на стереохимический результат могут влиять два фактора: — термодинамическая устойчивость продукта и пространственные условия подхода реагента. Когда реагент имеет малый размер, влияет преимущественно первый фактор, т. е. преобладает образование термодинамически более устойчивого спирта. Для объемистых реагентов главную роль играет стерический фактор, и атака происходит со стерически наименее затрудненной стороны молекулы. Аналогичные эффекты можно усмотреть и в реакциях
Таблица 8.4. (см. скан) Продукты восстановления -грег-бутилцнклогексаиона
Таблица 8.5. (см. скан) Продукты восстановления -триметилцнклогексанона
электрохимического восстановления, и в реакциях с растворяющимися металлами: они приводят к распределению продуктов, аналогично образующемуся при восстановлении незатрудненными гидридами. Как правило, следовательно, предпочтительно нужно выбирать экспериментально наиболее простой метод с использованием алюмогидрида лития.
Каталитическое гидрирование приводит к цис-присоединению водорода с пространственно наименее затрудненной стороны молекулы. Продукты, образующиеся при восстановлении
4-трет-бутилциклогексанона (14) и 3,3,5-триметилциклогексанона (17) в различных условиях, приведены в табл. 8.4 и 8.5 соответственно. Они служат иллюстрацией важности выбора реагентов при учете стереохимических факторов. Следует отметить, что относительная термодинамическая стабильность соединений 15 и 16 равна приблизительно 4 : 1, а для соединений 18 и 19- 16 : 1.
8.4.3.2. Бимолекулярное восстановление
При взаимодействии кетонов с магнием, цинком или алюминием (используемыми часто в виде амальгам) в отсутствие доноров протонов первоначально образующиеся радикал-анионы димеризуются в дианионы 1,2-диолов. Бимолекулярное восстановление [реакция (8.9)] конкурирует с другими реакциями восстановления при превращениях типа реакции Клемменсена:
8.4.3.3. Восстановление кетогрупп в метиленовые группы
При реакциях кетонов с амальгамой цинка в присутствии минеральной кислоты (реакция Клемменсена) происходит восстановление карбонильной группы в метиленовую. Часто реакцию проводят в присутствии толуола для того, чтобы получить трехфазную систему, в которой кетон в основном находится в верхнем углеводородном слое; протонированное карбонильное соединение, находящееся в водном слое, восстанавливается на металлической поверхности по механизму, показанному на схеме (8.10):
Цель проведения реакции в трехфазной системе — снизить до минимума возможность бимолекулярного восстановления за счет поддержания очень низкой концентрации протонированного карбонильного соединения на поверхности металла. Следующие примеры показывают область применения этой реакции, которая, естественно, не может использоваться для восстановления соединений, чувствительных к кислотам:
Дополняет реакцию восстановления по Клемменсену реакция Кижнера — Вольфа, в ходе которой гидразон кетона подвергается действию сильного основания. Существует несколько модификаций этой реакции, причем одна из наиболее удачных — это метод Хуан — Минлона. В этом случае смесь карбонильного соединения, гидразингидрата и гидроксида калия нагревается в высококипящем растворителе. Было показано, что использование диметилсульфоксида в качестве растворителя позволяет значительно снизить температуру реакции. Для соединений, чувствительных к действию оснований, подходящим вариантом является реакция тозилгидразона кетона с цианоборогидридом натрия. Из-за малой скорости восстановления карбонильных соединений в этих условиях совсем не обязательно получать гидразон заранее:
Гидрогенолиз дитиокеталей кетонов представляет собой очень мягкий метод перевода карбонильных групп в метиленовые. Однако, поскольку требуется большой избыток скелетного никеля на субстрата), метод обычно применяют только для синтеза малых количеств.
В присутствии минеральных кислот альдегиды и кетоны реагируют с одним или двумя молями спирта:
Если взять карбонильное соединение и избыток спирта, то равновесие будет сдвинуто вправо и будет образовываться ацеталь или кеталь. Напротив, при нагревании ацеталей и кеталей с избытком воды в кислой среде происходит гидролиз с образованием альдегида или кетона:
Во втором примере обе гидроксильные группы, участвующие в образовании кеталя, находились в одной молекуле спирта -этандиола), поэтому кеталь имеет циклическое строение.
Сравнительно инертные ацетали и кетали используются как защитные группы для защиты карбонильной группы от нежелательных реакций в ходе многостадийного синтеза. Ниже показан фрагмент многоста дийного синтеза, включающий защиту карбонильной группы:
Исходное соединение А имеет две карбонильные группы, а в конечном продукте гидрокортизоне одна из кетонных групп должна быть восстановлена в спиртовую. Алюмогидрид лития восстановит обе кетонные группы, причем та, которую желательно сохранить неизменной, будет восстанавливаться даже быстрее, поскольку подход реагента к другой группе затруднен из-за стерических препятствий. Чтобы устранить эту трудность, проводят реакцию вещества А с одним молем 1,2-этандиола (этиленгликоля). При этом кеталь образует стерическй
более доступная карбонильная группа, которая, таким образом, оказывается защищенной от действия восстановителей или других реагентов, взаимодействующих с кетонами. Теперь можно восстановить свободную карбонильную группу алюмогидридом лития и получить соединение С. Обратите внимание, что алюмогидрид также восстанавливает сложно-эфирную группу до спиртовой, но не затрагивает двойную углерод-углеродную связь. Далее, проведя необходимое для дальнейших превращений ацилирование спиртовой группы боковой цепи и получив соединение снимают защитную группу действием кислоты. Требуется еще несколько стадий, чтобы превратить вещество в гидрокортизон который применяется в медицине при артрите, ревматизме и воспалительных процессах.
Другим примером использования реакции образования кеталей является синтез гуанадреля, обладающего гипотензивным действием (способностью понижать давление):
(Некоторые детали этого и предыдущего синтезов опущены, чтобы сосредоточиться на обсуждаемой проблеме.)
Восстановление
Альдегиды и кетоны восстанавливаются соответственно до первичных и вторичных спиртов. Можно использовать газообразный водород в йрисутствии катализатора, однако в лаборатории это неудобно, так как Работа с газами требует специального оборудования и навыков работы.
Гораздо чаще применяются комплексные гидриды, такие, как алюмогидрид лития и боргидрид натрия. Символом обозначают любой восстановитель или
Боргидрид натрия можно использовать в виде водного или спиртового раствора, алюмогидрид лития можно растворять только в эфире.
С помощью одного из двух показанных ниже методов карбонильные соединения можно восстановить до алканов:
реакция Вольфа - Кижнера
Оба эти метода применимы для большинства карбонильных соединений, но если в молекуле имеются группы, чувствительные к действию кислоты, следует использовать реакцию Вольфа — Кижнера (восстановление гидразином в присутствии щелочи), а если соединение неустойчиво к действию оснований, следует предпочесть восстановление по Клеменсену амальгамой (раствором в ртути) цинка в соляной кислоте:
В последнем примере применение гидразина и основания нежелательно, так как при этом произойдет замещение атома хлора. Лучше Использовать реакцию Клеменсена.
Окисление
В то время как кетоны не подвергаются окислению, альдегиды окисляются до карбоновых кислот очень легко. При этом могут быть использованы самые разные окислители (мы уже упоминали об этом в гл. 7 и в настоящей главе):
При взаимодействии с двумя молями спирта или одним молем диола альдегиды и кетоны образуют соответственно ацетали и кетали. Альдегиды и кетоны могут быть восстановлены до спиртов с помощью самых различных восстановителей. Восстановлением карбонильных соединений по Вольфу — Кижиеру или по Клеменсену получают алканы. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, кетоны в тех же условиях не реагируют.
Реакции с производными аммиака
Производные аммиака часто используются для идентификации альдегидов и кетонов. При взаимодействии этих соединений происходит следующее:
Карбонильный атом углерода образует двойную связь с атомом азота и отщепляется молекула воды. Многие азотистые производные карбонильных соединений - твердые вещества, тогда как сами альдегиды и кетоны в большинстве своем жидкости. Получив твердое производное альдегида или кетона, сравнив его температуру плавления с табличными значениями, можно определить, какой альдегид или кетон был взят. Три наиболее распространенных типа соединений, используемых для этой цели, показаны ниже. Особенно удобны 2,4-динитрофенилгидразоны, окрашенные в яркий желтый, оранжевый или красный цвета, что также помогает идентифицировать альдегид или кетон.
Ниже приведены температуры плавления азотистых производных некоторых альдегидов и кетонов, (температуры плавления определены с точностью ± 3 °С):
Например, если Вы получили 2,4-динитрофенилгидразон неизвестного альдегида или кетона с температурой плавления 256 °С, следовательно, неизвестное карбонильное соединение — это, вероятно, коричный альдегид или Фбромбензальдегид. Если в дальнейшем Вы установили, что оксим имеет температуру плавления значит Ваше соединение -бромбензальдегид. Поскольку имеются данные по производным практически всех альдегидов и кетонов, они могут быть идентифицированы получением одного или нескольких азотистых производных и сравнением экспериментально найденных температур плавления с табличными значениями.
Галогенирование
Альдегиды и кетоны реагируют с галогенами в присутствии кислоты или основания, а также с гипогалогенитами, образуя -галогенированные соединения:
Для метилкетонов характерна галоформная реакция. При обработке этих соединений избытком галогена в щелочной среде происходит трехкратное галогенирование метильной группы и отщепление тригалогенметана с образованием аниона карбоновой кислоты:
Если в качестве галогена использовать иод, образуется йодоформ, представляющий собой желтое кристаллическое вещество с температурой плавления 119 °С. Эта реакция является пробой на метилкетоны. Образование желтого осадка при обработке образца избытком иода в щелочной среде свидетельствует о присутствии в образце метилкетона.
Реакции присоединения
Наличие в карбонильной группе -связи между атомами углерода и кислорода делает возможным присоединение различных веществ к альдегидам и кетонам:
К этой группе реакций относится уже обсуждавшееся образование полуацеталей и полукеталей:
Большинство реакций присоединения относится к нуклеофил ьному типу. Поскольку атом углерода карбонильной группы несет частичный положительный заряд, на первой стадии нуклеофил присоединяется к атому углерода. Типичная реакция нуклеофильного присоединения - взаимодействие альдегидов и кетонов с цианидами:
Образующийся на первой стадии анион отрывает протон от молекулы растворителя. В итоге образуется органический цианид - нитрил, вихрил можно гидролизовать до карбоновой кислоты:
реакция такого типа используется в синтезе важного ненаркотического анальгетика ибупрофена:
К реакциям нуклеофильного присоединения относится и реакция альдегидов и кетонов с реактивами Гриньяра (см. гл. 7). Приведем еще несколько примеров, давая сразу продукт гидролиза:
Все эти реакции позволяют создавать новый углеродный скелет синтезировать практически любые спирты. Из формальдегида
образуются первичные спирты, из других альдегидов — вторичные, а из кето нов — третичные спирты.
Альдольная конденсация
Альдегиды, имеющие -водородные атомы (атомы водорода при углеродном атоме, соседнем с карбонильным), в щелочной среде вступают в реакцию конденсации, которая является важным методом создания нового углеродного скелета. Например, при обработке ацетальдегида щелочью происходит следующее:
На первой стадии образуется -гидрокеиальдегид, имеющий тривиальное название альдоль, поэтому все реакции этого типа имеют общее название альдольная конденсация. -Гидроксиальдегиды легко дегидратируются с образованием -непредельных альдегидов. В итоге образуется соединение, содержащее вдвое больше углеродных атомов, чем исходный альдегид.
Общий механизмальдольной конденсации таков: 1. Гидроксид-ион отщепляет -протон у небольшой части молекул альдегида. а-Водородные атомы имеют слабокислый характер из-за резонансной стабилизации образующегося аниона:
2. Образовавшийся анион, выступая как нуклеофил, атакует карбонильную группу другой молекулы альдегида, образуя новую углерод-углеродную связь:
3. Новый анион отрывает протон от молекулы воды, регенерируя катализатор - гидроксид-ион:
4. -Гидроксиальдегид легко (часто самопроювольно) теряет воду, превращаясь в -непредельный альдегид:
В результате карбонильный атом углерода одной молекулы альдегида оказывается связанным двойной связью с -углеродным атомом другой молекулы. В приведенных ниже примерах части разных исходных молекул обведены в рамку:
-Непредельные альдегиды могут служить исходными веществами в синтезе самых разных органических соединений с новым углеродным скелетом, поскольку как карбонильная группа, так и двойная углерод-углеродная связь способны ко многим превращениям. Например:
(кликните для просмотра скана)
Реакция Виттига
Альдегиды и кетоны реагируют с так называемыми илидами фосфора с образованием веществ, имеющих новый углеродный скелет. Илиды предварительно получают из триалкилфосфинов, галогеналканов и сильного основания, например, бутиллития :
Обратите внимание, что полученный алкен содержит углеродные фрагменты карбонильного соединения и галогеналкана, а двойная связь соединяет атомы углерода, ранее соединенные с атомами кислорода и галогена. Например:
С целью идентификации альдегиды и кетоны превращают в твердые производные. Оба типа карбонильных соединений в условиях кислого или щелочного катализа галогенируются в а-положение. Метил кетоны при обработке иодом в щелочной среде образуют йодоформ, что является качественной реакцией на метилкетоны. Альдегиды и кетоны в водной среде взаимодействуют с цианидами, давая нитрилы, которые можно гидролизовать до карбоновой кислоты, содрежащей на один углеродный атом больше, чем исходное соединение. При взаимодействии альдегидов и кетонов с раактивами Гриньяра образуются спирты. Альдольная конденсация и реакция Виттига позволяют создавать новый углеродный скелет.
Сводка основных положений гл. 8
1. В соответствии с номенклатурой IUPAC названия альдегидов и кетонов строятся путем добавления суффиксов "аль" или "он" соответственно к названиям углеводородов. Альдегиды
имеют тривиальные названия, совпадающие с названиями карбоновых кислот. Названия кетонов в радикально-функциональной номенклатуре состоят из названий радикалов, соединенных с карбонильной группой, и слова "кетон".
2. Альдегиды и кетоны получают окислением первичных и вторичных спиртов. Восстановление ацилгалогенидов приводит к образованию альдегидов, тогда как взаимодействие ацилгалогенидов с диалкилкадмием дает кетоны. В результате озонолиза алкенов также образуются альдегиды и (или) кетоны.
3. Альдегиды и кетоны реагируют со спиртами, давая ацетали и кетали. Эта реакция используется для защиты карбонильной группы. Восстановление альдегидов и кетонов водородом или гидридами дает спирты. При восстановлении по Клеменсену или по Вольфу - Кижнеру образуются углеводороды. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот. Для идентификации карбонильные соединения переводят в твердые производные, имеющие характеристические температуры плавления. При галогенировании альдегидов и кетонов галогены селективно направляются в -положение. При обработке метил кетонов иодом в щелочной среде образуется йодоформ Карбонильные соединения реагируют с цианидами, образуя нитрилы (которые можно гидролизовать до карбоновых кислот) и присоединяют реактивы Гриньяра, давая спирты. Построение нового углеродного скелета достигается с помощью альдольной конденсации и реакции Виттига.
Реакционная способность альдегидов и кетонов обусловлена полярной карбонильной группой и подвижностью атомов водорода в -положении: Альдегиды и кетоны относятся к числу наиболее активных карбонильных соединений (см. п. 2.5.5), уступая в полярности карбонильной группы лишь галогенангидридам кислот.
Наиболее типичными для альдегидов являются реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе, которые подвержены кислотному или основному катализу. Кислота - катализатор координируется по атому кислорода карбонильной группы, несущему дробный отрицательный заряд, усиливает поляризацию карбонильной группы и облегчает атаку нуклеофила. Основание - катализатор повышает активность реагента, образуя на его основе нуклеофильную частицу:
Реакции альдегидов и кетонов можно разделить на три группы 1) с истинными основаниями; 2) о нсевдокислотами; 3) с криптооснованиями.
3.9.1. Реакции с основаниями
Основания, или нуклеофильные реагенты гидросульфит натрия гидразин гидроксиламин фенилпроизводные аммиака, гидразина, гидроксиламина и др.
Обычно реакции с основаниями катализируются кислотами. Общий механизм реакций с основаниями:
Далее возможны более глубокие превращения, связанные с протонизацией групы и отщеплением воды
и другие продукты уплотнения (альдегидоаммиаки).
Поскольку карбонильная группа альдегида очень активна, донором протона может быть такая слабая кислота, как вода. Кетоны реагируют с аммиаком труднее, образуя более сложные продукты; в) присоединение производных, аммиака, о общей формулой
г) к альдегидам и ко многим кетонам (преимущественно метил-кетонам) присоединяется гидросульфит натрия:
Кетоны с объемными радикалами в реакцию не вступают в связи с пространственными препятствиями.
3.9.2. Реакции с псевдокислотами
Псевдокислоты (слабые кислоты) — это соединения, способные при взаимодействии с сильными основаниями отщеплять протон и генерировать нуклеофильиую частицу: синильная кислота ацетилен альдегиды, кетоны, нитроалканы и другие -кислоты.
В альдегидах и кетопах протон отщепляется лишь из -положения, так как остающаяся пара электронов стабилизируется за счет сопряжения карбонильной группой. Поскольку аннон всегда спарен с катионом (или протоном), енольную форму альдегидов и кетонов можно рассматривать как нуклеофил с двумя реакционными центрами: на атомах углерода (центр наиболее высокой поляризуемости) и кислорода — центр наибольшей электронной плотности:
Енолизации способствуют как кислоты, так и основания-:
в) альдольная конденсация:
Атомы водорода группы в альдоле еще более подвижны, чем в альдегиде, так как они находятся между двумя акцепторами. Вследствие этого легко протекает кротоновая конденсация:
3.9.3. Реакции с криптооснованиями
Криптооснования (или скрытые основания) проявляют основные свойства лишь в ходе реакции и способны отдавать пару электронов с протоном или группой атомов в виде гидрид-аниона карбаниона алкоксианиона . К этому ряду соединений относятся гидриды металлов и др.), алкоголяты металлов магнийорганические и другие элемеитоорганическпе соединения.
Анионы как кинетически самостоятельные частицы, в растворе не существуют и передаются от реагента к субстрату в хелатных (циклических) комплексах.
1. Реакция восстановления кетонов алкоголятами металлов по Меервейну-Понидорфу. Общая схема:
2. Сложноэфирная конденсация Кляйзена — Тищенко:
Один моль альдегида восстанавливается до спирта, второй — окисляется до сложного эфира.
3. Реакция Канниццаро:
Реакция свойственна лишь формальдегидам, альдегидам с третичным атомом углерода в -положении и ароматическим альдегидам. Альдегиды, содержащие в -положении подвижные атомы водорода, подвергаются в щелочной среде альдольной конденсации.
4. Восстановление гидридами металлов. Общий принцип действия восстановителей типа заключается в том, что координационно ненасыщенный металл, в данном случае алюминий, связывается с основным атомом кислорода карбонильной группы, что приводит к ее активации и перемещению к атому углерода гидрид-аниона:
5. Реакция с магнийоргаиическими соединениями. Магнийорганические соединения восстанавливают альдегиды и кетоны до спиртов.
В алкилмагнийгалогениде центральный атом — несет дробный положительный заряд, а алкильный заместитель — отрицательный. В реакции с карбонильными соединениями способен передавать карбанион атому углерода карбонильной группы (а). Если объем большой и нуклеофильная атака затруднена, он передает карбонильной группе гидрид-анион (из -положения) (б). При отсутствии атомов водорода в -положении вырывает протон из молекулы карбонильного соединения (из -положения), вызывая его енолизацию (в);
Часго реакция протекает по всем трем конкурирующим направлениям.
Наряду с перечисленными для альдегидов и кетонов характерны следующие реакции:
1) восстановление до углеводородов:
2) восстановление в спирты:
Окисление альдегидов аммиачным раствором оксида серебра (II) называется реакцией серебряного зеркала (проба Толленса). Кетоны в таких условиях не окисляются. Например:
Кетоны окисляются только сильными окислителями при нагревании. Перманганат калия окисляет кетоны с разрывом углеродной цепи по обе стороны карбонпла. При разных радикалах образуется смесь четырех кислот:
4) полимеризация низших представителей альдегидов (муравьиного и уксусного):
Восстановление альдегидов и кетонов
В отличие от спиртов, для альдегидов и кетонов существует большое количество способов восстановления как к спиртам, так и к углеводородам. Это связано с ненасыщенностью связи $C = O$ (наличием $\pi$-связи), более высокой степенью окисления атома углерода.
Восстановление альдегидов и кетонов к углеводородам
В случае восстановления карбонильных соединений к углеводородам используют три наиболее распространенные метода.
Популярней других - метод Клемменсена (открытый 1913 гг.): Восстановление карбонильной группы амальгамой цинка в концентрированной соляной кислоте.
В этих условиях восстанавливаются алифатические, ароматические и жирноароматические карбонильные соединения, содержащие различные функциональные заместители (например, $COOH$, $COOR$, $OCH_3$, $OH$). Гидроксильная группа, как правило, не восстанавливается, например
Если в молекуле есть сопряженные с карбонильной группой связи $C = C$, то они также восстанавливаются в условиях реакции. Это касается и двойных $C = C$ связей в гетероциклических фрагментах. Галогены в $\alpha$-положении к карбонильной группе замещаются на водород. Побочные реации - образование пинаконов и олефинов.
Для восстановления жирноароматических и чистоароматических кетонов к спиртам применяют цинковую пыль в щелочной среде.
Для повышения выхода продуктов реакции до 90% часто применяют модификацию Мартина, а именно использование кипящего толуола для разведения.
Реакцию Клемменсена чаще применяют для восстановления кетонов. Механизм ее до конца не изучен. По некоторым предположениям реакция идет через образование промежуточных комплексов цинка. Интересно, что из $\alpha$-гидроксикетонов при восстановлении образуются или кетоны, или олефины, а 1,3-дионы вообще притерпевают перегруппировки, например
Второй известный метод - реакция Кижнера - Вольфа (открытая в 1911 г.): взаимодействие альдегидов и кетонов с гидразином с последующим разложением образующегося гидразона, твердым $КОН$.
Реакцию применяют к алифатическим, ароматическим, алициклическим и гетероциклическим соединениям, а также к терпенам, стероидам и к соединениям, которые содержат различные функциональные группы.
Преимущества метода - возможность восстановления соединений, чувствительных к кислотам, а также проведения реакции с большим количеством веществ.
Восстановление по Кижнеру - Вольфу идет труднее, чем по Клемменсену, но его можно применять для высокомолекулярных субстратов.
Наиболее вероятный путь восстановления приведены ниже.
Оригинальная методика почти полностью вытеснена модификацией Хуанг- Минлона, по которой реакцию проводят в кипящем этиленгликоле (или ди- или триэтиленгликоле) с одновременной отгонкой воды и избыточного гидразингидрата. Это позволяет проводить реакцию с большими количествами веществ и при атмосферном давлении, получая продукты с более высокими выходами, например:
Методика. Смешивают 1 моль кетона с 3 молями 85% гидразингидрата, добавляют 4 моля растертого $КОН$ и 1000 мл триэтиленгликоля. Смесь кипятят 2 ч с обратным холодильником. Далее соединяют колбу с прямым холодильником и отгоняют смесь гидразина и воды. Колбу нагревают на металлической бане. Температуру поддерживают до прекращения выделения азота. После охлаждения смеси ее разводят равным объемом воды. Несколько раз экстрагируют эфиром, эфирные вытяжки объединяют с отогнавшимся продуктом, промывают разбавленной $HCl$, водой, сушат хлоридом кальция. Отгоняют эфир, остаток перекристализовуют.
Иногда также применяют модификацию Гарднера, по которой в качестве растворителя берется триэтаноламин. Это способствует в некоторых случаях улучшению выделения продуктов реакции.
Известна еще одна вариация реакции Кижнера - Вольфа - модификация Локка, которая заключается в использовании избыточного порошкообразного $КОН$ для восстановления гидразонов алифатических и ароматических карбонильных соединений. Метод позволяет получать углеводороды с выходами 80-90% в открытом сосуде за 1-3 часа.
Следует отметить, что реакции Клемменсена и Кижнера - Вольфа является комплементарными, поскольку в первой используется кислая среда, а во второй - щелочная. Оба метода очень специфичны по отношению к альдегидам и кетонам, а такое востановление можно проводить в присутноости многих других функциональных групп в молекуле субстратов.
Реакции Клемменсена и Кижнера - Вольфа нашли широкое применение в органической химии, однако реагенты в этих реакциях, будучи ахиральными, не могут вызвать асимметричную индукцию субстрата.
Третий метод восстановления карбонильной группы в метиленовую - реакция с дитиоэтиленгликолем с последующим гидрированием на никеле Ренея.
Для восстановления карбонильных соединений до углеводородов применяются также: $LiAlH_4 - P_2I_4$, лимонен (1-метил-4-изопропенилциклогексен-1, как донор атомов водорода) и $Pd/C - FeCl_3$, и некоторые другие специфические реагенты.
Восстановление альдегидов и кетонов до спиртов
Для восстановления карбонильных соединений до спиртов обычно применяют каталитическое гидрирование, алюмогидрид лития, борогидрид натрия, $Na / C_2H_5OH$. Наиболее широко используются $LiAlH_4$ и $NaBH_4$. Алюмогидрид является очень жестким восстановителем (к тому же пирофорным), способным восстанавливать карбоксильные и эфирные группы.
Борогидрид действует значительно мягче, восстанавливая только карбонильные атомы углерода, к тому же, легче сохраняется и не вспыхивает на воздухе. Он довольно медленно реагирует с водой, что позволяет проводить восстановление в водном растворе без значительного гидролиза реагента.
Побочные реакции при восстановлении кетонов в спирты
При восстановлении кетонов к спиртам (особенно активными металлами) можно наблюдать как побочную реакцию пинаконовую конденсацию. Рассмотрим на примере действия натрия:
По аналогичному механизму происходит взаимодействие ацетона с магнием - реакция Ромберга - Бахмана.
Читайте также: