Реакции по альфа-углеродному атому альдегидов и кетонов

Кето-енольная таутомерия.

Водород в a -положении к карбонильной группе обладает кислотными свойствами, так как образующийся при его отщеплении анион стабилизируется за счет резонанса.

Результатом протонной подвижности атома водорода в a -положении является способность карбонильных соединений к образованию енольных форм за счет миграции протона из a -положения к атому кислорода карбонильной группы.

Кетон и енол являются таутомерами. Таутомеры – это изомеры, способные быстро и обратимо превращаться друг в друга за счет миграции какой-либо группы (в данном случае – протона). Равновесие между кетоном и енолом называют кето-енольной таутомерией.

Процесс енолизации катализируется кислотами и основаниями. Енолизация под действием основания может быть представлена следующей схемой:

Большинство карбонильных соединений существуют преимущественно в кетонной форме. Содержание енольной формы возрастает с увеличением кислотности карбонильного соединения, а также в случае дополнительной стабилизации енольной формы за счет водородной связи или за счет сопряжения.

Таблица 8. Содержание енольных форм и кислотность карбонильных соединений 
 

Например, в 1,3-дикарбонильных соединениях подвижность протонов метиленовой группы резко увеличивается за счет электроноакцепторного влияния двух карбонильных групп. Кроме того, енольная форма стабилизируется за счет наличия в ней системы сопряженных p -связей и внутримолекулярной водородной связи.

Если соединение в енольной форме представляет собой сопряженную систему с высокой энергией стабилизации, то енольная форма преобладает. Например, фенол существует только в енольной форме.

Енолизация и образование енолят-анионов являются первыми стадиями реакций карбонильных соединений, протекающих по a -углеродному атому. Важнейшими из них являются галогенирование иальдольно-кротоновая конденсация.

Галогенирование.

Альдегиды и кетоны легко вступают в реакцию с галогенами (Cl2, Br2, I2) с образованием исключительноa -галогенпроизводных.

Реакция катализируется кислотами или основаниями. Скорость реакции не зависит от концентрации и природы галогена. Процесс протекает через образование енольной формы (медленная стадия), которая затем реагирует с галогеном (быстрая стадия). Таким образом, галоген не участвует в скорость-определяющей стадии процесса.

Если карбонильное соединение содержит несколько a -водородных атомов, то замещение каждого последующего происходит быстрее, чем предыдущего, вследствие увеличения их кислотности под действием электроноакцепторного влияния галогена. В щелочной среде ацетальдегид и метилкетоны дают тригалогенпроизводные, которые затем расщеплятся под действием избытка щелочи с образованием тригалогенметанов (галоформная реакция).

Расщепление трииодацетона протекает как реакция нуклеофильного замещения. группы CI3- гидроксид-анионом, подобно SN-реакциям в карбоксильной группе (см. лек. №12).

Иодоформ выпадает из реакционной смеси в виде бледно-желтого кристаллического осадка с характерным запахом. Иодоформную реакцию используют в аналитических целях для обнаружения соединений типа СH3-CO-R, в том числе в клинических лабораториях для диагностики сахарного диабета.

Реакции конденсации.

В присутствии каталитических количеств кислот или щелочей карбонильные соединения, содержащие a -водородные атомы, претерпевают конденсацию с образованием b -гидроксикарбонильных соединений.

В образовании связи С-С участвуют карбонильный атом углерода одной молекулы (карбонильной компоненты) и a -углеродный атом другой молекулы (метиленовой компоненты). Эта реакция носит название альдольной конденсации (по названию продукта конденсации ацетальдегида – альдоля).

При нагревании реакционной смеси продукт легко дегидратируется с образованием a ,b -непредельного карбонильного соединения.

Такой тип конденсации носит название кротоновой (по названию продукта конденсации ацетальдегида – кротонового альдегида).

Рассмотрим механизм альдольной конденсации в щелочной среде. На первой стадии гидроксид-анион отрывает протон из a -положения карбонильного соединения с образованием енолят-аниона. Затем енолят анион как нуклеофил атакует карбонильный атом углерода другой молекулы карбонильного соединения. Образующийся тетраэдрический интермедиат (алкоксид-анион) является сильным основанием и отрывает далее протон от молекулы воды.

При альдольной конденсации двух различных карбонильных соединений (перекрестная альдольная конденсация) возможно образование 4-х разных продуктов. Однако этого можно избежать, если одно из карбонильных соединений не содержит a -водородных атомов (например, ароматические альдегиды или формальдегид) и не может выступать в качестве метиленовой компоненты.

В качестве метиленовой компоненты в реакциях конденсации могут выступать не только карбонильные соединения, но и другие С-Н-кислоты. Реакции конденсации имеют препаративное значение, так как позволяют наращивать цепь углеродных атомов. По типу альдольной конденсации и ретроальдольного распада (обратный процесс) протекают многие биохимические процессы: гликолиз, синтез лимонной кислоты в цикле Кребса, синтез нейраминовой кислоты.