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
Top Related