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 С 1 – С 5 С1С1 С2С2 С3С3 С4С4 С5С5 ТН муравьиный альдегид; формальдегид МН метаналь ТН уксусный альдегид; ацетальдегид МН этаналь ТН пропионовый альдегид МН пропаналь ТН масляный альдегид МН бутаналь ТН валериановый альдегид МН пентаналь

Классификация и номенклатура кетонов По характеру углеводородных радикалов: 1)алифатические насыщенные 2)ароматические 3)смешанные ТН ацетон РН диметилкетон МН пропанон РН дифенилкетон РН метилфенилкетон ТН ацетофенон

Физические свойства карбонильных 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-CH 3 R-CHO O 2, t, кат О 2, t, кат СН 4 НСНО (основной промышленный способ) метанформальде- гид 2. Гидроформилирование алкенов (оксосинтез) Сo (СО) 8, t, P СН 3 -СН=СН 2 + СО + Н 2 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CHO + (CH 3 ) 2 CH-CHO пропенбутаналь2-метилпропа- наль

Способы получения 3. Гидратация алкинов (реакция Кучерова) Н +, Hg 2+ НССН + НОН СН 3 -СНО ацетилен ацетальдегид Н +, Hg 2+ СН 3 -ССН + НОН СН 3 -С-СН 3 O пропинацетон 4. Окисление гомологов аренов СН 3 толуол СН(OCOCH 3 ) 2 ацилаль СНO бензаль- дегид CrO 3, (CH 3 CO) 2 O H 2 O, H +

Способы получения 5. Ацилирование аренов AlCl 3 - HCl + СН 3 -COCl ацетилхло- рид С - СН 3 О метилфенилкетон 6. Г идролиз гем-дигалогенпроизводных углеводородов H 2 O, NaOH -2 NaCl СH 3 -CHCl 2 CH 3 -CHO 1,1 – дихлор- этан ацетальдегид H 2 O, NaOH -2 NaCl O CH 3 -CCl 2 -CH 3 CH 3 -C-CH 3 ацетон 2,2 – дихлор- пропан

Способы получения 7. Окисление спиртов Окислители: K 2 Cr 2 O 7 /H +, KMnO 4 /H +, CuO, CrO 3 [O] R-CH 2 -OH R-CHO R-COOH первичный спирт альдегидкарбоновая к-та [O] R-CH-R R-C-R' OHO Втор. спирт кетон 8. Дегидрирование спиртов ZnO, t R-CH 2 -OH R-CHO альдегид ZnO, t R-CH-R R-C-R' OHO кетон

Способы получения 9. В осстановление функциональных производных карбоновых кислот [H] R-CONR 2 R-CHO + R 2 NH амид [H] -HCl R-COCl R-CHO хлорангидрид кислоты

Способы получения 10. Пиролиз солей карбоновых кислот t адипиновая кислота циклопентанон _ Ва(ОН) 2, 240˚С - ВаСО 3

Реакционные центры в молекулах карбонильных соединений на примере уксусного альдегида С- Н кислотный центр электрофильный центр реакции нуклеофильного присоединения (А N ) основный оксониевый центр нуклеофильный центр δ +

Общая схема реакции нуклеофильного присоединения в карбонильных соединениях δ+δ+δ-δ- + Е – Nu [ Nu... ] - E +

Факторы, определяющие реакционную способность карбонильных соединений в реакциях A N 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 A N 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 уксусный альдегид ацетон δ+δ+ δ+δ+ δ+δ+ - I CCl 3, э. а.+ I CH 3, э. д.+ I CH 3, 2 э. д.

Сравнение реакционной способности альдегидов и кетонов реакциях A N 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 формальдегидгидрат формальдегида δ+δ+ + НОН ТН хлораль хлоральгидрат устойчив

Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами δ +δ + δ -δ - + С 2 Н 5 ОН НСI сух. ПРИСОЕДИНЕНИЕ СПИРТОВ уксусный альдегид этиловый спирт полуацеталь неустойчив + С 2 Н 5 ОН НСI сух. + НОН ацеталь, устойчив диэтилацеталь уксусного альдегида

Механизм реакции образования полуацеталей δ +δ +: Н + CI - [] + CH 3 CH 2 OH CI- + HCI

Реакции с серасодержащими нуклеофилами 1. Присоединение гидросульфита натрия + CH 3 -C O H этаналь O=S ONa OH O O CH 3 – CH – S – ONa гидросульфитное производное для выделения из смеси и очистки карбонильных соединений 2. Реакция с тиолами CH 3 –CH 2 -C O H пропаналь + 2С 2 H 5 SH.. HCl CH 3 – CH 2 – CH – SC 2 H 5 + H 2 O SC 2 H 5 Дитиоацеталь 1,1 – ди(этилтио)пропан для «защиты» карбонильной группы

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами А N - E МЕХАНИЗМ: + NH 2 - X Н 2 О + монозамещенный имин δ +δ +

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами А N - E + NH 3 этаналь + Н 2 О имин + NH 2 - CH 3 N-замещенный имин этаналь метиламин

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами А N - E + NH 2 - ОН+ Н 2 О ацетон оксим + NH 2 – NH 2 гидроксиламин гидразингидразон + Н 2 О

Реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами А N - E фенилгидразин фенилгидразоны п-нитрофенилгидразин п-нитрофенилгидразоны семикарбазид семикарбазоны

Взаимодействие формальдегида с аммиаком 6 НСНО + 4 NНз (СН 2 ) 6 N Н 2 О гексаметилентетрамин 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 CH 3 -C-CH 3 O + HCN OH - CH 3 –CH 2 -C O H пропаналь + HCN OH - CH 3 -CH 2 -CH-CN OH оксинитрил 2-гидроксибутанонитрил CH 3 -C-CH 3 HOCN 2-гидрокси-2 метил- пропанонитрил CH 3 -C-CH 3 HOCN + 2H 2 O H+H+ NH 4 + CH 3 -C-COOH OH CH 3 α-гидроксикислота 2-гидрокси-2-метилпропановая к-та

Механизм реакции присоединения HCN быстро HCN + HO - слабая к-та CN + H 2 O нуклеофил CH 3 –CH 2 -C O H δ+δ+ δ-δ- + CN медленно CH 3 -CH 2 -CH-CN O H2OH2O H2OH2O OH + OH - возврат катализатора

Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами Присоединение магнийорганических соединений уксусный альдегид CH 3 -С O H δ-δ- δ+δ+ CH 3 -C H -OMgBr CH 3 H2OH2O CH 3 -CH-OH CH 3 -Mg(OH)Br втор.спирт пропанол СH 3 -Mg-Br δ-δ-δ+δ+ метилмагний- бромид + СH 3 -Mg-Br δ+δ+ δ-δ- CH 3 -C-CH 3 O кетон ацетон δ+δ+ δ-δ- CH 3 -C-CH 3 OMgBr CH 3 H2OH2O -Mg(OH)Br CH 3 -C-CH 3 OH CH 3 третичный спирт 2-метилпропанол-2

Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами Реакции с участием С-Н-кислотного центра С=OС=O R R (R=H) (карбонильная компонента) + H H С X Y C-H кислота (метиленовая компонента) ANAN R – C – C – X R OHH Y продукт конденсации -H 2 O R R С=C X Y продукт дегидратации Альдольная конденсация уксусный альдегид CH 3 -С O H 2 KOH t CH 3 -CH-CH 2 -С O H OH альдоль 3-гидроксибутаналь CH 3 -CH=CH-С O H -H 2 O α,β-ненасыщ. альдегид, бутен-2-аль

Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами Механизм реакции альдольной конденсации CH 2 H CHO+ OH - -H 2 O CH 2 - CH=O карбанион СH 2 =CH-O - CH 3 -С O H δ+δ+ + CH 2 -CH=O ANAN CH 3 -CH-СH 2 -CH =O O–O– H2OH2O H2OH2O CH 3 -CH-СH 2 –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 H2OH2O 2 HCOOН + СН 3 -ОН формальдегид муравьиная кислота метанол

Восстановление карбонильных соединений Восстанавливающие реагенты: Н 2 / Ni, NaH, LiAlH 4 пропаналь альдегид + Н 2 Ni, t пропанол-1 первичный спирт ацетон кетон + NaH + - δ +δ + δ -δ - алкоголят Н2ОН2О - NaОH пропанол-2 вторичный спирт

Реакции окисления окисление δ + Реакция «серебряного зеркала» + [Ag(NH 3 ) 2 ]OHCH 3 -COOH+ Ag+ NH 3 +H 2 O уксусный альдегид + Сu(OH) 2 t CH 3 -COOH+ Cu 2 O+ H 2 O оранжево- красный

Реакция образования йодоформа I 2, NaOHNaOH CHI 3 + R-COONa бледно-желтый больничный запах йодоформ соль кислоты

Реакция образования йодоформа R=H этаналь I 2, NaOHNaOH CHI 3 + HCOONa формиат Na R=CH 3 ацетон I 2, NaOH NaOH CHI 3 + CH 3 -COONa ацетат Na