Реакции альдегидов и кетонов: присоединение углеродных нуклеофилов

Двойная связь С=О, подобно связи С=С, представляет собой комбинацию s- и p-связей (они изоэлектронны). Однако, между этими двумя двойными связями имеются существенные различия:

- C=O значительно прочнее С=С;

- энергия связи С=О (179 ккал/моль) больше, чем энергия двух связей С-О (85.5 ккал/моль), в то время как энергия связи С=С (146 ккал/моль) меньше суммы энергий двух связей С-С (82.6 ккал/моль);

- связь С=О в отличие от С=С полярна.

При этом p-связь поляризована сильнее, чем s-связь. Таким образом, атом углерода карбонильной группы является электронодефицитным центром,
а кислорода - электроноизбыточным
.

d+ d-

Кроме тогo, карбонильная группа увеличивает кислотность атомов Н у соседнего атома С, приводя к увеличению кинетической кислотности (увеличению полярности связи С-Н из-за -I-эффекта карбонильной группы) и термодинамичес-кой кислотности (стабилизация образующегося карбаниона за счет мезомерного эффекта).

В молекулах карбонильных соединений имеется несколько реакционных центоров.

Электрофильный центр - карбонильный атом углерода, возникновение частичного положительного заряда на котором обусловлено полярностью связи С=О. Электрофильный центр участвует в реакциях нуклеофильного присоединения.

Основный центр - атом кислорода с неподеленными парами электронов. С участием основного центра осуществляется кислотный катализ в реакциях присоединения, а также в процессе енолизации. Важно отметить, что альдегиды и кетоны являются жесткими основаниями Льюиса и координируются с жесткими кислотами: H+
, BF3
, ZnCl2
, FeCl3
и т. д.

a-СН-Кислотный центр, возникновение которого обусловлено индуктивным эффектом карбонильной группы. При участии СН-кислотного центра протекают многие реакции карбонильных соединений, в частности реакции конденсации.

Связь С¾Н в альдегидной группе разрывается в реакциях окисления.

Ненасыщенные и ароматические углеводородные радикалы, подвергающиеся атаке электрофильными или нуклеофильными реагентами.

А. Нуклеофильное присоединение
- наиболее характерная реакция карбонильных соединений. Частично положительно заряженный атом углерода карбонильной группы атакуется нуклеофильным реагентом. Получающийся продукт стабилизируется, присоединением на конечной стадии протона. Таким образом, для карбонильных соединений характерны реакции нуклеофильного присоединения
AN
, а не АЕ
, как это характерно для алкенов. Атака карбонильной группы нуклеофилом может происходить снизу или сверху плоского фрагмента молекулы:

(М 2)

Многие реакции нуклеофильного присоединения обратимы и их исход зависит от положения равновесия. Переходное состояние в реакциях АN
будет менее затрудненным, чем в реакциях SN
2, в которых к углероду присоединено сразу 5 атомов. Именно эта незатрудненность и имеется в виду, когда говорят, что карбонильная группа доступна для атаки. Главной же причиной реакционной способности карбонильной группы является не ее полярность, а способность атома кислорода принимать электроны.

Каково же будет влияние заместителей, непосредственно связанных с карбонильной группой? Чем больше частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода, тем легче он атакуется нуклеофильной частицей, поэтому заместители, оттягивающие электроны с атома углерода повышают реакционную способность карбонильной группы, а заместители, подающие - уменьшают. Кетоны в целом менее реакционноспособны, чем альдегиды, поскольку суммарное электронное влияние двух углеводородных радикалов в молекуле кетона сильнее по сравнению с одним радикалом в молекуле альдегида.

В ароматических соединениях бензольное кольцо, находящееся в сопряжении с карбонильной группой, проявляет более сильное электронодонорное действие, чем алкильный радикал. За счет положительного мезомерного эффекта бензольного кольца снижается частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода:

Вследствие сказанного ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособны, чем алифатические.

Стерические факторы также оказывают определенное влияние на реакционную способность карбонильных соединений: объемные радикалы затрудняют подход нуклеофила к карбонильному атому углерода и, следовательно, снижают скорость реакций. Некоторые реакции присоединения в этих случаях вообще не осуществляются. Например, 2,2,4,4-тетраметил-3-пентанон и 2,2,4-триметил-3-пентанон, имеющие объемные трет
-бутильные и изопропильный радикалы, не вступают во многие реакции присоединения.

2,2,4,4-Тетраметил-3-пентанон 2,2,4-Триметил-3-пентанон

По тем же причинам циклические кетоны,
у которых конформационная подвижность радикалов существенно ограничена, более реакционноспособны,
чем их ациклические аналоги. Например, циклопентанон значительно активнее, чем пентанон-3, в молекуле которого осуществляется свободное вращение вокруг всех углерод углеродных связей, вследствие чего приближение нуклеофильной частицы к карбонильной группе затрудняется.

В альдегидах единственный заместитель создает меньше стерических препятствий, чем два заместителя в кетонах.

Электроноакцепторные группировки, такие как -СF3
или CCl3