Nukleofilne adicijske reakcije (reakcija-AdN). Nukleofilne adicijske reakcije (AN) na karbonilne spojeve
Nukleofilna adicija na alkine započinje pod utjecajem negativno nabijene čestice - nukleofil. Općenito, baze su katalizator za takve reakcije. Opća shema prvog stupnja reakcije nukleofilne adicije:
Tipične nukleofilne adicijske reakcije
Tipičan primjer nukleofilne adicijske reakcije je Favorskyjeva reakcija - adicija alkohola u prisutnosti lužina kako bi se formirali alkenil esteri:
Primarni amini pod djelovanjem baza pridružuju se alkinima i tvore imine:
Analogno tome, acetilen reagira s amonijakom da nastane etilidenimin:
Na visokoj temperaturi u prisutnosti katalizatora imin dehidrogenira i prelazi u acetonitril:
U okruženju vrlo jakih baza (na primjer: KOH + DMSO), acetilen reagira s vodikovim sulfidom, stvarajući divinil sulfid:
Reakcije radikalske adicije
U prisutnosti peroksida ili drugih uvjeta koji potiču stvaranje slobodnih radikala, adicija na alkine odvija se prema radikalskom mehanizmu - suprotno Markovnikovljevom pravilu (Harash efekt):
Prema mehanizmu slobodnih radikala*, reakcija alkina s tiolima može teći:
* - U prisutnosti baza reakcija se odvija po nukleofilnom mehanizmu.
Slično se događa dodavanje karbena:
Reakcije etinilacije
Reakcije etinilacije nazivaju se reakcije povećanja ugljikovog skeleta alkina uz očuvanje trostruke veze. Mogu se odvijati i elektrofilnim i nukleofilnim mehanizmima, ovisno o mediju i reakcijskim uvjetima, prirodi supstrata i vrsti korištenog katalizatora.
Dobivanje acetilenskih alkohola
U prisutnosti jakih baza, alkini s terminalnom trostrukom vezom mogu dodati karbonilne spojeve u alkohole (Favorsky reakcija):
Najvažnija reakcija iz ove skupine je adicija formaldehida na acetilen uz stvaranje propargilnog alkohola, a zatim butin-2-diol-1,4*:
Dobivanje acetilenskih estera i kiselina
Acetilenske kiseline ili njihovi esteri mogu se dobiti Zuzhijevom reakcijom:
Katalizatori: PdCl 2 , CuCl.
Reakcije hidrogeniranja
Heterogena hidrogenacija
Hidrogenacija alkina s vodikom na heterogenim katalizatorima, u pravilu, dovodi do stvaranja cis- veze. Katalizatori hidrogenacije su Ni, Pd, Pt, kao i oksidi ili kompleksi Ir, Ru, Rh i nekih drugih metala.
U prvoj fazi nastaje alken, koji se gotovo odmah hidrogenira u alkan:
Za zaustavljanje reakcije u fazi proizvodnje alkena koriste se Lindlar katalizatori (Pd/PbO/CaCO 3) ili niklov borid.
Kad se acetilen hidrogenira na nikl-kobalt katalizatoru, može se dobiti izobutilen:
Homogena hidrogenacija
Homogeno hidrogeniranje se provodi s natrijevim amidom u tekućem amonijaku ili litij aluminijevim hidridom u tetrahidrofuranu. Tijekom reakcije, trans-alkeni.
Hidroboracija
Alkini lako dodaju diboran suprotno Markovnikovljevom pravilu, stvarajući cis-alkenilborani:
ili oksidirati H 2 O 2 u aldehid ili keton.
1. Reakcije nukleofilne adicije. Heterolitičke reakcije koje uključuju π-veze ugljik-kisik (aldehidi, ketoni). Reakcije karbonilnih spojeva s vodom, alkoholima, tiolima, primarnim aminima. Uloga kiselinske katalize. Hidroliza acetala i imina. Reakcije aldolne adicije, cijepanje. Biološki značaj ovih procesa.
Za aldehide i ketone najkarakterističnije su nukleofilne adicijske reakcije A N.
Opći opis mehanizma nukleofilne adicije A N
Lakoća nukleofilnog napada na ugljikov atom karbonilne skupine aldehida ili ketona ovisi o veličini djelomičnog
pozitivni naboj na ugljikovom atomu, njegovu prostornu dostupnost i acidobazna svojstva medija.
Uzimajući u obzir elektroničke učinke skupina povezanih s karbonilnim atomom ugljika, vrijednost parcijalnog pozitivnog naboja δ+ na njemu u aldehidima i ketonima opada u sljedećem nizu:
Prostorna dostupnost karbonilnog atoma ugljika smanjuje se kada se vodik zamijeni glomaznijim organskim radikalima, pa su aldehidi reaktivniji od ketona.
Opća shema reakcija za nukleofilnu adiciju AN na karbonilnu skupinu uključuje nukleofilni napad na karbonilni ugljik nakon čega slijedi dodavanje elektrofila na atom kisika.
U kiselom okruženju, aktivnost karbonilne skupine, u pravilu, raste, jer zbog protoniranja atoma kisika nastaje pozitivan naboj na atomu ugljika. Kisela kataliza obično se koristi kada napadački nukleofil ima nisku aktivnost.
Prema gornjem mehanizmu odvijaju se brojne važne reakcije aldehida i ketona.
U tijelu se odvijaju mnoge reakcije karakteristične za aldehide i ketone, te su reakcije prikazane u sljedećim dijelovima udžbenika. U ovom poglavlju će se razmotriti najvažnije reakcije aldehida i ketona, koje su sažete u dijagramu.
dodatak alkohola. Alkoholi u reakciji s aldehidima lako stvaraju poluacetale.Poluacetale obično ne izdvajamo zbog svoje nestabilnosti. S viškom alkohola u kiseloj sredini, poluacetali se pretvaraju u acetale.
Upotreba kiselog katalizatora u pretvorbi poluacetala u acetal je jasna iz reakcijskog mehanizma ispod. Središnje mjesto u njemu zauzima stvaranje karbokationa (I), stabiliziranog sudjelovanjem slobodnog para elektrona susjednog atoma kisika (+M učinak skupine C 2 H 5 O).
Reakcije stvaranja poluacetala i acetala su reverzibilne, stoga se acetali i poluacetali lako hidroliziraju viškom vode u kiselom mediju. U alkalnom okruženju, poluacetali su stabilni, budući da je alkoksidion teže napuštajuća skupina od hidroksidnog iona.
Stvaranje acetala često se koristi kao privremena zaštita aldehidne skupine.
Priključak vode. Adicija vode na karbonilnu skupinu - hidratacija - je reverzibilna reakcija. Stupanj hidratacije aldehida ili ketona u vodenoj otopini ovisi o strukturi supstrata.
Produkt hidratacije se u pravilu ne može izolirati destilacijom u slobodnom obliku, jer se raspada na svoje izvorne komponente. Formaldehid u vodenoj otopini je više od 99,9% hidratiziran, acetaldehid je približno pola, a aceton praktički nije hidratiziran.
Formaldehid (formaldehid) ima sposobnost koagulacije proteina. Njegova 40% vodena otopina, nazvana formalin, koristi se u medicini kao dezinfekcijsko sredstvo i konzervans za anatomske preparate.
Triklorocteni aldehid (kloral) je potpuno hidratiziran. Triklorometilna skupina koja privlači elektrone stabilizira kloral hidrat do te mjere da ova kristalna tvar odvaja vodu samo tijekom destilacije u prisutnosti dehidrirajućih tvari - sumporne kiseline itd.
Farmakološki učinak CC1 3 CH(OH) 2 kloralhidrata temelji se na specifičnom učinku aldehidne skupine na organizam, što određuje dezinfekcijska svojstva. Atomi halogena pojačavaju njegovo djelovanje, a hidratacija karbonilne skupine smanjuje toksičnost tvari u cjelini.
Adicija amina i njihovih derivata. Amini i drugi spojevi koji sadrže dušik opće formule NH2X (X = R, NHR) reagiraju s aldehidima i ketonima u dva stupnja. Najprije nastaju nukleofilni adicijski produkti, koji zatim, zbog nestabilnosti, odvajaju vodu. U tom smislu, ovaj proces se općenito klasificira kao reakcija dodavanja-eliminacije.
Kod primarnih amina dobivaju se supstituirani imini (nazivaju se i Schiffove baze).
Imini su međuprodukti mnogih enzimskih procesa. Dobivanje imina prolazi kroz fazu stvaranja amino alkohola, koji su relativno stabilni, na primjer, u interakciji formaldehida s α-aminokiselinama.
Imini su intermedijeri u proizvodnji amina iz aldehida i ketona reduktivnom aminacijom. Ova opća metoda sastoji se u redukciji smjese karbonilnog spoja s amonijakom (ili aminom). Proces se odvija prema shemi adicije-cijepanja uz stvaranje imina, koji se zatim reducira u amin.
Kada aldehidi i ketoni reagiraju s derivatima hidrazina, nastaju hidrazoni. Ova se reakcija može koristiti za izolaciju aldehida i ketona iz smjesa i njihovu kromatografsku identifikaciju.
Schiffove baze i drugi slični spojevi lako se hidroliziraju vodenim otopinama mineralnih kiselina u početne produkte.
U većini slučajeva, reakcije aldehida i ketona s dušikovim bazama zahtijevaju kiselinsku katalizu, koja ubrzava dehidraciju adicijskog produkta. Međutim, ako se kiselost medija previše poveća, reakcija će se usporiti kao rezultat pretvorbe dušične baze u nereaktivnu konjugiranu kiselinu XNH3+.
Prisutnost centra CH-kiseline u molekuli aldehida ili ketona dovodi do činjenice da α-vodikovi atomi ovih karbonilnih spojeva imaju određenu pokretljivost protona. Pod djelovanjem baza takvi se protoni mogu odcijepiti uz stvaranje odgovarajućih karbaniona. Karbanioni imaju ulogu nukleofila u odnosu na karbonilni supstrat. To omogućuje provođenje reakcija u kojima se jedna molekula, kao nukleofil, dodaje karbonilnoj skupini druge molekule neutralnog karbonilnog spoja. Takvi se procesi nazivaju reakcijama kondenzacije.
Kondenzacija je reakcija koja dovodi do nastanka nove veze ugljik-ugljik, a od dvije ili više relativno jednostavnih molekula nastaje nova, složenija molekula.
Dakle, u alkalnom mediju dvije molekule acetaldehida tvore hidroksialdehid s dvostruko većim brojem ugljikovih atoma.
Produkt reakcije koji sadrži hidroksilne i aldehidne skupine naziva se aldol (od riječi aldehid i alkohol), a sama reakcija naziva se aldolna kondenzacija ili aldolna adicija.
Pod djelovanjem baze u karbonilnom spoju dolazi do cijepanja protona s α-položaja i stvaranja karbaniona (I) u kojem se negativni naboj delokalizira uz sudjelovanje karbonilne skupine.
Anion (I) je jak nukleofil (prikazan bojom u sljedećem koraku mehanizma) koji se veže na drugu (neioniziranu) molekulu karbonilnog spoja. Kao rezultat ove interakcije nastaje nova C-C veza i formira se intermedijarni alkoksidni ion (II). U vodenom mediju taj se anion stabilizira odvajanjem protona od molekule vode i pretvara u konačni produkt, aldol.
Reakcija aldolne adicije prikazana je korištenjem propanala kao primjera (molekula koja se pridružuje C=O skupini druge molekule označena je bojom); slična reakcija prikazana je na primjeru acetona.
Kondenzacijski produkt, aldol, sposoban je odcijepiti vodu kako bi nastao α,β-nezasićeni karbonilni spoj. To se obično događa pri povišenim temperaturama. U tom slučaju, reakcija u cjelini naziva se krotonska kondenzacija.
Reakcije kondenzacije mogu se odvijati i u mješovitoj verziji, koristeći različite karbonilne spojeve, a jedan od njih ne mora sadržavati CH-kiselinski centar, kao što su formaldehid i benzaldehid u sljedećim reakcijama:
Aldolna kondenzacija je reverzibilna reakcija; obrnuti proces naziva se aldolno cijepanje (ili retroaldolna reakcija). Obje se reakcije odvijaju u mnogim biokemijskim procesima.
2. Nukleozidi. Hidroliza nukleozida. Nukleotidi. Struktura mononukleotida koji tvore nukleinske kiseline. Hidroliza nukleotida. Ribonukleinske i deoksiribonukleinske kiseline (RNA, DNA). Uloga vodikovih veza u formiranju sekundarne strukture DNA.
U kemiji nukleinskih kiselina, heterociklički spojevi pirimidinske i purinske serije koji su uključeni u njihov sastav obično se nazivaju nukleinskim bazama. Nukleinske baze kao supstituenti u heterociklu mogu sadržavati: ili okso skupinu, kao u uracilu i timinu; ili amino skupina, kao u adeninu; ili obje ove skupine istovremeno, kao u citozinu i gvaninu.
Nukleinske kiseline se razlikuju po svojim heterocikličkim bazama: uracil je uključen samo u RNA, a timin u DNA:
Nukleinske baze tvore vezu na račun jednog od atoma dušika s anomernim središtem pentoze (D-riboza ili 2-deoksi-D-riboza). Ova vrsta veze je analogna normalnoj glikozidnoj vezi i poznata je kao N-glikozidna veza, a sami glikozidi poznati su kao N-glikozidi. U kemiji nukleinskih kiselina nazivaju se nukleozidi. U sastav prirodnih nukleozida ulaze pentoze u furanoznom obliku (atomi ugljika u njima su numerirani brojem s crtom). Glikozidna veza se ostvaruje s N-1 atomom dušika pirimidinske i N-9 purinske baze.
Prirodni nukleozidi su uvijek β-anomeri. Ovisno o prirodi ugljikohidratnog ostatka, razlikuju se ribonukleozidi i deoksiribonukleozidi. Za nukleozide, uobičajeni nazivi su izvedeni iz trivijalnog imena odgovarajuće nukleinske baze sa sufiksima -idin za pirimidin i -ozin za purinske nukleozide.
Iznimka je naziv "timidin" (a ne deoksitimidin), koji se koristi za timin deoksiribozid, koji je dio DNK. U rijetkim slučajevima gdje se timin pojavljuje u RNK, odgovarajući nukleozid naziva se ribotimidin. Troslovni simboli nukleozida razlikuju se od osnovnih simbola po zadnjem slovu. Jednoslovni simboli koriste se samo za ostatke (radikale) nukleozida u složenijim strukturama. Nukleozidi su otporni na hidrolizu u slabo alkalnom mediju, ali se hidroliziraju u kiselom. Purinski nukleozidi se lako hidroliziraju, a pirimidinski teže.
Nukleotidi se nazivaju nukleozidni fosfati. Fosforna kiselina obično esterificira alkoholni hidroksil na C-5" ili C-3" u ostatku riboze (ribonukleotid) ili deoksiriboze (deoksiribonukleotid). Opći princip strukture nukleotida prikazan je na primjeru adenozin fosfata. Za povezivanje tri komponente u molekuli nukleotida koriste se esterske i N-glikozidne veze. Nukleotidi se mogu smatrati, s jedne strane, nukleozidnim esterima (fosfatima), as druge strane, kiselinama (zbog prisutnosti ostatka fosforne kiseline).
Zbog fosfatnog ostatka, nukleotidi pokazuju svojstva dibazične kiseline i pod fiziološkim uvjetima pri pH ~ 7 su u potpuno ioniziranom stanju.
Za nukleotide se koriste dvije vrste naziva (tablica 14.1). Jedan uključuje naziv nukleozida, koji označava položaj fosfatnog ostatka u njemu, na primjer, adenozin-3'-fosfat, uridin-5'-fosfat; drugi je konstruiran dodavanjem -ilne kiseline nazivu pirimidinske baze, kao što je 5'-uridilna kiselina, ili purinske baze, kao što je 3'-adenilna kiselina. Koristeći kod od jednog slova koji je prihvaćen za nukleozide, 5"-fosfati se pišu uz dodatak latiničnog slova "p" ispred simbola nukleozida, 3"-fosfati iza simbola nukleozida. Adenozin-5"-fosfat je označen pA, adenozin-3"-fosfat - Ap, itd. Ove se kratice koriste za bilježenje sekvence nukleotidnih ostataka u nukleinskim kiselinama. U odnosu na slobodne nukleotide u biokemijskoj literaturi, njihova imena se široko koriste kao monofosfati s odrazom ove značajke u skraćenom kodu, na primjer, AMP (ili AMP) za adenozin-5'-fosfat, itd. (vidi tablicu 14.1 ).
U ciklofosfate spadaju nukleotidi u kojima jedna molekula fosforne kiseline istovremeno esterificira dvije hidroksilne skupine ugljikohidratnog ostatka. Gotovo sve stanice sadrže dva nukleozidna ciklofosfata, adenozin-3,5"-ciklofosfat (cAMP) i guanozin-3,5"-ciklofosfat (cGMP). U polinukleotidnim lancima nukleotidne jedinice povezane su preko fosfatne skupine. Fosfatna skupina tvori dvije esterske veze: s C-3" prethodne i C-5" sljedeće nukleotidne jedinice. Okosnica lanca sastoji se od izmjeničnih pentoznih i fosfatnih ostataka, a heterocikličke baze su "viseće" skupine vezane za pentozne ostatke. Nukleotid sa slobodnom 5"-OH skupinom naziva se 5"-terminal, a nukleotid sa slobodnom 3"-OH skupinom naziva se 3"-terminal. Princip izgradnje lanca RNA isti je kao i kod DNA, uz dvije iznimke: D-riboza služi kao pentozni ostatak u RNA, a ne timin, već se u skupu heterocikličkih baza koristi uracil. Primarna struktura nukleinskih kiselina određena je nizom nukleotidnih jedinica povezanih kovalentnim vezama u kontinuirani polinukleotidni lanac.
Važna karakteristika nukleinskih kiselina je sastav nukleotida, tj. skup i kvantitativni odnos komponenti nukleotida. Sastav nukleotida utvrđuje se, u pravilu, proučavanjem produkata hidrolitičkog cijepanja nukleinskih kiselina. Vodikove veze sudjeluju u formiranju sekundarne i tercijarne strukture proteina, a također međusobno povezuju dva lanca DNA.
Nukleozidi su mnogo topljiviji u vodi od matičnih dušičnih baza. Kao i svi glikozidi, nukleozidi su otporni na lužine, ali kada se zagrijavaju, lako se podvrgavaju kiseloj hidrolizi, prekidajući glikozidnu vezu i stvarajući bazu i pentozu:
ALI - N \u003d O → CH 2 -CH - COOH
5. Dobiti β-hidroksimaslačnu kiselinu iz etanala. Navedite uvjete reakcije. Koje su Vam biološki važne reakcije koje se odvijaju po tipu aldolne kondenzacije poznate?
CH 3 - COH + OH - → CH 2 - - COH + H 2 O
CH 3 - COH + CH 2 - - COH → CH 3 - CH - CH 2 - COH → (+ H 2 O, -OH -)
(+ H 2 O, -OH -) → CH 3 - CH - CH 2 - COH
CH 3 - CH - CH 2 - COH + 2OH → CH 3 - CH - CH 2 - COOH +
2Ag + 4NH3 + H2O
Zanimljivo je da se aldolna reakcija često koristi i kod živih organizama. Na primjer, uključen je u slijed faza biosinteze glukoze - glukoneogeneza, kao iu obrnuti proces glikolize, koji dovodi do razgradnje glukoze. Slične procese u organizmima kataliziraju posebni enzimi – aldolaze.
Molekula etanola nije dovoljno aktivan nukleofil za ovu reakciju. Za povećanje aktivnosti elektrofilnog središta (karbonilni ugljik s δ+) koristi se kisela kataliza. U prvoj fazi reakcije, aldehid (1) stupa u interakciju s klorovodikom u glavnom središtu (atom kisika s usamljenim elektronskim parom), tvoreći kation koji postoji u obliku dvije rezonantne strukture (2 i 3). U karbokationu (3) elektrofilni centar već ima puni pozitivni naboj (a ne djelomični, kao u polaznom aldehidu). Dakle, aktivnost elektrofilnog centra je povećana, a može komunicirati sa slabim nukleofilom - molekulom alkohola. Zbog slobodnog elektronskog para kisika nastaje nova C-O veza pa se na njoj javlja pozitivan naboj (4). Za stabilizaciju ovog kationa potrebno je odvojiti proton vodika. Preuzima ga anion Cl - . Nastaje molekula konačnog produkta reakcije, poluacetal.
Istim mehanizmom dolazi do daljnje transformacije hemiacetala u acetal:
 |
Ove su reakcije reverzibilne; u kiselom mediju poluacetali i acetali se hidroliziraju u odgovarajuće aldehide i alkohole. Zato je katalizator u reakcijama njihova nastanka plinoviti klorovodik, a ne njegova vodena otopina.
Reakcija stvaranja acetala često se koristi u organskoj sintezi za zaštitu aldehidne skupine od oksidacije. Nakon reakcije oksidacije, zaštita se "uklanja", tj. provesti kiselinsku hidrolizu.
Ketoni praktički ne reagiraju s alkoholima.
Dodavanje cijanovodične kiseline HCN. Ova reakcija je karakteristična i za aldehide i za ketone. Razmotrite to na primjeru acetona.
Reakcija se odvija u prisutnosti lužine kao katalizatora.
Cijanovodična kiselina je slaba kiselina, s niskim stupnjem disocijacije, tj. loš izvor nukleofilnih čestica (cijanidni anioni CN -). Za aktiviranje nukleofila i korištenje katalizatora:
Nadalje, reakcija se odvija prema općem mehanizmu nukleofilne adicije:
Nukleofil napada elektrofilni centar molekule acetona, C=O π-veza heterolitički puca, oba njegova elektrona odlaze na atom kisika, pa se tamo javlja negativan naboj (1), nastaje nova C-C veza zbog elektrona nukleofila. Anion (1) pridružuje proton vodika iz molekule vode, stvarajući oksinitril (2) i hidroksidni anion, što dokazuje da je lužina bila katalizator ove reakcije.
Cijanhidrini su sposobni za hidrolizu uz stvaranje odgovarajućih okso spojeva i cijanovodične kiseline. Neki cijanhidridi se javljaju prirodno (sintetiziraju ih biljke). Njihova konzumacija (koštice šljiva, trešanja, gorki bademi) može dovesti do trovanja.
Priključak vode. Ova reakcija je reverzibilna. Njegovu ravnotežu kontroliraju prostorni i elektronski čimbenici.
Hidrati većine aldehida, a posebno ketona su nestabilni i postoje samo u otopinama. Hidrat trikloroctene aldehida (kloral) vrlo je stabilan, što je povezano s učinkom privlačenja elektrona atoma klora:
Redukcija ketona dovodi do proizvodnje sekundarnih alkohola, na primjer:
Interakcija s amonijakom i aminima. Amini i njihovi derivati tipa X-NH 2 reagiraju s aldehidima i ketonima u dva stupnja. Prvo dolazi do reakcije nukleofilne adicije, čiji su proizvodi nestabilni i odvajaju se od molekule vode. Stoga se takve reakcije karakteriziraju kao vezanost-rascjep.
Razmotrite mehanizam reakcije na primjeru interakcije acetaldehida s amonijakom.
Imini se nazivaju i Schiffove baze.
Imini su intermedijeri u mnogim enzimskim procesima, kao što je biosinteza
α-aminokiselina u tijelu.
Schiffove baze lako se hidroliziraju vodenim otopinama mineralnih kiselina uz stvaranje početnih produkata. U tijelu dolazi do hidrolize imina u procesu oksidativne deaminacije α-aminokiselina.
Osim amonijaka, primarni amini (R-NH 2), hidroksilamin (NH 2 -OH), hidrazin (NH 2 -NH 2), fenilhidrazin (C 6 H 5 -NH-NH 2 ), semikarbazid (NH 2 -NH -CO-NH 2):
 |
Svi ovi derivati su kristalni spojevi s jasnim talištem, pa se njihova priprava može koristiti za identifikaciju aldehida i ketona. A budući da su ti derivati, poput imina, sposobni za hidrolizu uz stvaranje početnih spojeva, ove se reakcije također mogu koristiti za izolaciju okso spojeva iz smjesa s drugim spojevima.
Kroz fazu stvaranja aldimina tijekom interakcije piridoksal fosfata (vidi str. 195) i α-aminokiselina, odvija se reakcija transaminacije proteina α-aminokiselina (glavni put za biosintezu α-aminokiselina).
Reakcija aldolne kondenzacije karakterističan samo za aldehide, u čijoj strukturi postoji α-CH-kiselinski centar. Reakcija je katalizirana alkalijama.
 |
Kondenzacija je reakcija koja dovodi do usložnjavanja ugljičnog kostura i nastanka nove veze ugljik-ugljik, pri čemu dvije ili više relativno jednostavnih molekula tvore novu, složeniju molekulu.
Ova reakcija počinje u CH-kiselom centru aldehida:
Rezultirajući CH-kiselinski anion se stabilizira p,π-konjugacijom. On je nukleofil u odnosu na drugu molekulu aldehida, a tada se reakcija odvija prema općem mehanizmu nukleofilne adicije:
Kao rezultat reakcije nastaje spoj koji je ald egid i alkohol (alkog ol) je aldol.
Aldolna kondenzacija također se događa u biološkim sustavima. Na primjer, biosinteza limunske kiseline, neuraminske kiseline odvija se mehanizmom aldolne kondenzacije.
Oni aldehidi koji nemaju vodikove atome na α-ugljikovom atomu, t.j. ne pokazuju svojstva CH-kiselina, u prisutnosti lužina reagiraju drugačije. Karakteriziraju se Cannizzarova reakcija. Drugi naziv za ovu reakciju je disproporcioniranje ili reakcija oksidoredukcije: jedna molekula aldehida se oksidira, a druga reducira.
Cannizzarova reakcija tipična je, na primjer, za benzaldehid:
U slučaju formaldehida, Cannizzarova reakcija odvija se u vodenoj otopini bez katalizatora:
 |
Mravlja kiselina se nakuplja u vodenim otopinama formaldehida, pa su te otopine kisele.
Zbog CH-kiselinskog centra, reakcije halogeniranja, na primjer, takozvana jodoformna reakcija:
Ovu reakciju daju svi okso spojevi u čijoj strukturi postoji skupina
Oni. acetaldehid i svi metil ketoni (aceton, metil etil keton, metil propil keton itd.). Dobiveni jodoform ima karakterističan "ljekarnički" miris, a pri dovoljnoj koncentraciji se taloži kao žućkasti talog.
Jodoformna reakcija se koristi kao kvalitativna reakcija za razlikovanje acetaldehida od svih ostalih aldehida. U medicinskoj praksi, jodoformna reakcija se koristi za otkrivanje acetona u urinu dijabetičara.
Reakcije oksidacije aldehida. Aldehidi vrlo lako oksidiraju. Čak i takva slaba oksidacijska sredstva kao što je amonijačna otopina srebrovog hidroksida (Tollensov reagens) i bakrov (II) hidroksid oksidiraju aldehide u odgovarajuće karboksilne kiseline. Obje se ove reakcije koriste kao kvalitativne za detekciju aldehidne skupine.
 |
||
 |
Za aldehide i ketone najkarakterističnije su reakcije nukleofilne adicije A N .
Opći opis mehanizma nukleofilne adicijeA N
Lakoća nukleofilnog napada na ugljikov atom karbonilne skupine aldehida ili ketona ovisi o veličini djelomičnog
pozitivni naboj na ugljikovom atomu, njegovu prostornu dostupnost i acidobazna svojstva medija.
Uzimajući u obzir elektroničke učinke skupina povezanih s karbonilnim atomom ugljika, vrijednost parcijalnog pozitivnog naboja δ+ na njemu u aldehidima i ketonima opada u sljedećem nizu:
Prostorna dostupnost karbonilnog atoma ugljika smanjuje se kada se vodik zamijeni glomaznijim organskim radikalima, pa su aldehidi reaktivniji od ketona.
Opća shema reakcija nukleofilne adicije A N Na karbonilnu skupinu uključuje nukleofilni napad na karbonilni ugljik nakon čega slijedi dodavanje elektrofila atomu kisika.
U kiselom okruženju, aktivnost karbonilne skupine, u pravilu, raste, jer zbog protoniranja atoma kisika nastaje pozitivan naboj na atomu ugljika. Kisela kataliza obično se koristi kada napadački nukleofil ima nisku aktivnost.
Prema gornjem mehanizmu odvijaju se brojne važne reakcije aldehida i ketona.
U tijelu se odvijaju mnoge reakcije karakteristične za aldehide i ketone, te su reakcije prikazane u sljedećim dijelovima udžbenika. U ovom poglavlju raspravljat ćemo o najvažnijim reakcijama aldehida i ketona, koje su sažete u shemi 5.2.
dodatak alkohola. Alkoholi, u interakciji s aldehidima, lako nastaju poluacetali. Hemiacetali se obično ne izoliraju zbog svoje nestabilnosti. S viškom alkohola u kiseloj sredini, poluacetali se pretvaraju u acetali.
Upotreba kiselog katalizatora u pretvorbi poluacetala u acetal je jasna iz reakcijskog mehanizma ispod. Središnje mjesto u njemu zauzima stvaranje karbokationa (I), stabiliziranog sudjelovanjem slobodnog para elektrona susjednog atoma kisika (+M učinak skupine C 2 H 5 O).
Reakcije stvaranja poluacetala i acetala su reverzibilne, stoga se acetali i poluacetali lako hidroliziraju viškom vode u kiselom mediju. U alkalnom okruženju, poluacetali su stabilni, budući da je alkoksidion teže napuštajuća skupina od hidroksidnog iona.
Stvaranje acetala često se koristi kao privremena zaštita aldehidne skupine.
Priključak vode. Dodavanje vode karbonilnoj skupini - hidratacija- reverzibilna reakcija. Stupanj hidratacije aldehida ili ketona u vodenoj otopini ovisi o strukturi supstrata.
Produkt hidratacije se u pravilu ne može izolirati destilacijom u slobodnom obliku, jer se raspada na svoje izvorne komponente. Formaldehid u vodenoj otopini je hidratiziran za više od 99,9%, acetaldehid je približno polovica, a aceton praktički nije hidratiziran.
Formaldehid (formaldehid) ima sposobnost koagulacije proteina. Njegova 40% vodena otopina, tzv formalin, koristi se u medicini kao dezinfekcijsko sredstvo i konzervans anatomskih preparata.
Triklorocteni aldehid (kloral) je potpuno hidratiziran. Triklorometilna skupina koja privlači elektrone stabilizira kloral hidrat do te mjere da ova kristalna tvar odvaja vodu samo tijekom destilacije u prisutnosti dehidrirajućih tvari - sumporne kiseline itd.
Farmakološki učinak CC13CH(OH)2 kloralhidrata temelji se na specifičnom djelovanju aldehidne skupine na organizam, što određuje dezinfekcijska svojstva. Atomi halogena pojačavaju njegovo djelovanje, a hidratacija karbonilne skupine smanjuje toksičnost tvari u cjelini.
Adicija amina i njihovih derivata. Amini i drugi spojevi koji sadrže dušik opće formule NH2X (X = R, NHR) reagiraju s aldehidima i ketonima u dva stupnja. Najprije nastaju nukleofilni adicijski produkti, koji zatim, zbog nestabilnosti, odvajaju vodu. U tom smislu, ovaj proces se općenito klasificira kao reakcija vezanost-odvezanost.
U slučaju primarnih amina, supstituirani imini(također se zove Schiffove baze).
Imini su intermedijeri u mnogim enzimskim procesima. Priprema imina odvija se stvaranjem amino alkohola, koji su relativno stabilni, na primjer, u reakciji formaldehida s α-aminokiselinama (vidi 12.1.4).
Imini su intermedijeri u proizvodnji amina iz aldehida i ketona reduktivna aminacija. Ova opća metoda sastoji se u redukciji smjese karbonilnog spoja s amonijakom (ili aminom). Proces se odvija prema shemi adicije-cijepanja uz stvaranje imina, koji se zatim reducira u amin.
Kada aldehidi i ketoni reagiraju s derivatima hidrazina, hidrazoni. Ova se reakcija može koristiti za izolaciju aldehida i ketona iz smjesa i njihovu kromatografsku identifikaciju.
Schiffove baze i drugi slični spojevi lako se hidroliziraju vodenim otopinama mineralnih kiselina u početne produkte.
U većini slučajeva, reakcije aldehida i ketona s dušikovim bazama zahtijevaju kiselinsku katalizu, koja ubrzava dehidraciju adicijskog produkta. Međutim, ako se kiselost medija previše poveća, reakcija će se usporiti kao rezultat pretvorbe dušične baze u nereaktivnu konjugiranu kiselinu XNH3+.
reakcije polimerizacije. Ove reakcije su karakteristične uglavnom za aldehide. Zagrijavanjem s mineralnim kiselinama aldehidni polimeri se razlažu na početne produkte.
Stvaranje polimera može se promatrati kao rezultat nukleofilnog napada atoma kisika jedne molekule aldehida na karbonilni atom ugljika druge molekule. Dakle, kada formalin stoji, polimer formaldehida, paraform, taloži se u obliku bijelog taloga.
Razmislimo što se može dogoditi ovoj molekuli u vodenoj otopini. Prvo, dajmo ovoj molekuli pravo ime. Najduži lanac sastoji se od tri atoma, korijen imena je "prop". Dakle, tri atoma u najdužem lancu znače podupirač. Sve veze su jednostruke, pa je to propan. Potpisano: propan. Od tri ugljikova atoma glavnog lanca, drugi je povezan s metilnom skupinom i, dodatno, s atomom broma. To znači "2-brom". Zapisat ću: "2-brom-2-metil." Iako ne, neće. Sloppy je izašao, treba mi više mjesta. Dakle, ova tvar će se zvati na sljedeći način. Zapišimo to: 2-brom-2-metilpropan. Kako ova tvar reagira s vodom? U ovom slučaju voda je nukleofil. Ovdje postoje ovi elektronski parovi. Osim toga, atom kisika ima visoku elektronegativnost. Nukleofilna svojstva nisu tako jaka kao hidroksidni anion koji je bio u reakcijama Sn2, ali su još uvijek tu. Slab je nukleofil. Voda je slab nukleofil. Privlače ga pozitivno nabijene jezgre atoma, jer atom kisika ima djelomično negativan naboj zbog svoje elektronegativnosti. I ovdje je djelomičan pozitivan naboj. Čak i ako to nije puni naboj, već samo djelomičan, to još uvijek znači želju da se odrekne elektrona. Slab je nukleofil. Slab nukleofil. Bit će još nekoliko videa o ovoj vrsti reakcija i objasnit ću kada se odvijaju reakcije ovog tipa, a kada reakcije tipa Sn2. No, vratimo se našem primjeru. Molekula sadrži atom broma. Ima visoku elektronegativnost i postaje stabilan dobivanjem negativnog naboja. Prisutnost naboja smanjuje stabilnost. Ali će imati 8 valentnih elektrona. Polako i postupno, atom broma odvlači gustoću elektrona od ugljika. Zbog svoje elektronegativnosti vuče elektrone prema sebi. Pogledajte njegove valentne elektrone. Jedan od njih tvori vezu s atomom ugljika. I ovdje je drugi elektron ove veze. Plus još 6 valentnih elektrona. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. 7 valentnih elektrona. Zamislite da brom povuče elektron iz atoma ugljika. Dopustite da vam pokažem radi jasnoće. Ovaj elektron će biti ovdje. Njega će ovo mjesto privući. Opet, ovo je spor proces, ali je moguć. A budući da je proces spor, dolazi do ravnoteže. Tijekom te intramolekularne reakcije dolazi do ravnoteže. Što će se ovdje dogoditi? Atom ugljika, metilna skupina iza njega, metilna skupina ispred i još jedna skupina na vrhu. I brom je odcijepljen. Nacrtat ću to ovdje. Veza je prekinuta. Evo njegovih originalnih valentnih elektrona: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Drugi elektron je pripadao atomu ugljika, ali brom ga je odnio sa sobom. Kao rezultat, prirodno, nastao je negativan naboj. Ugljik, izgubivši elektron, dobiva pozitivan naboj. Sada dodajmo atom kisika ovdje. Iako, ne, ne kisik, dodajmo molekulu vode. Ovdje je molekula vode. Nacrtat ću molekulu vode. Iako je slab nukleofil, ugljik zaista treba elektron. To je tercijarni karbokation koji je prilično stabilan. Inače se ništa ne bi dogodilo. Da je ovaj atom primarni ili da uopće ne bi bio povezan s ostalima, transformacija u karbokation bila bi izuzetno teška. No, on je tercijaran i stabilan, samo što naboj sve kvari. Treba mu elektron. I on će posuditi ovaj elektron od molekule vode. Voda će prepustiti jedan elektron, na primjer, ovaj, dijeleći se s atomom ugljika. Nukleofil privlači pozitivno nabijena jezgra ugljika. I što je sljedeće? U ovoj fazi reakcija je znatno ubrzana. S lijeve strane je prilično stabilna situacija, a samim tim i ravnoteža. Ali sada se reakcija ubrzava i strelica ide u jednom smjeru. Kao ovo. Ispada tako nešto. Ovdje je izvorni ugljikov atom sa supstituentima. Iza njega je metilna skupina, a ispred njega druga. Voda ulazi u igru. Ovdje je kisik i dva vodika. Atom kisika ima svoje elektrone koje ću prikazati različitim bojama. Ovdje su elektroni. Jedan od elektrona ovog para je doniran ugljiku. Sada je on ovdje. Postoji veza. Elektronski par formirao je vezu. Voda je imala neutralni naboj, ali prepuštanjem jednog od svojih elektrona dobiva pozitivan naboj, pretvarajući se u kation. Naboj je pozitivan. I u tom trenutku druga molekula vode ili čak broma može uzeti jedan od atoma vodika. U tom slučaju, elektron će se vratiti u kisik. Radije bih to nacrtao. Na primjer, postoji još jedna molekula vode. Puno njih. Evo još jedne molekule vode. Slikat ću to ovdje. Ova molekula reagira. Sve se događa u isto vrijeme. Kisik predaje jedan od svojih elektrona atomu vodika. Istodobno se elektron iz vodika vraća svom bivšem vlasniku. Dakle, kisik vraća elektron. Što će biti rezultat? Ponovno crtamo originalnu molekulu. Nacrtajmo originalnu molekulu. Metilna skupina straga, metilna skupina naprijed i još jedna na vrhu. I, naravno, ne zaboravite na kisik s jednim atomom vodika, jer je veza s drugim prekinuta. A ovdje je bromidni anion i njegovih 8 valentnih elektrona. I hidronijev ion. Ovaj atom kisika donirao je elektron vodiku, stvarajući vezu s ovim atomom. Valentni elektroni ovog atoma kisika izgledat će ovako. Ovo dvoje: jedan, dva. Drugi elektron je uključen u vezivanje s ugljikom. Pokazat ću ti u drugoj boji. Ovaj elektron završava upravo ovdje. Još jedan je također na poveznici, ovaj. Sad ću objasniti. Kao dio veze s atomom vodika. To je veza s atomom vodika, ali nije vodikova veza. Nadam se da razumijete. Jedan od valentnih elektrona je sada u vezi. Ovdje je još jedan valentni elektron. Ovaj elektron je vezan na atom vodika. Sada je on ovdje. I još jedan se vratio iz atoma vodika, evo ga. Ponovno ima 6 valentnih elektrona. Preračunajmo: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Ovako dolazi do interakcije 2-bromo-2-metilpropana sa slabim nukleofilom. Govorit ću više o različitim nukleofilima. Što se dogodilo kao rezultat? Najduži lanac ima 3 atoma. Korijen imena i dalje će biti "prop". O hidroksilnoj skupini još nismo govorili, ali sama njena prisutnost znači da je pred nama alkohol. Sufiks "anol" koristi se u nazivima alkohola. Sada ćemo napisati ovo ime - propanol. propanol. Potrebno je naznačiti na kojem se atomu nalazi hidroksilna skupina. To je propanol-2. U redu. Propanol-2. Ne zaboravite također na prisutnost metilne skupine. Ovo je 2-metilpropanol-2. Mehanizam ove reakcije naziva se Sn1. Mislim da razumijete zašto Sn1, a ne Sn2. Zapisat ću to. Sn1 reakcija. S označava "zamjenu". Potpisat ću opet. n označava "nukleofilni", kao što već znamo. Nukleofilni. U reakciji je sudjelovao slabi nukleofil, naime voda. Broj 1 znači najsporiji. Odnosno, ograničavajući stupanj ovog mehanizma događa se uz sudjelovanje samo jednog od reagensa. U prvom koraku ograničavanja brzine, brom uzima elektron od ugljika. Voda nije uključena u ovo. Brzinu reakcije Sn2 određuju oba reagensa, ali ovdje samo jedan. Zato se zove Sn1. Vidimo se! Titlovi zajednice Amara.org
