(reakcije adicije-cijepanja).

Reakcije nukleofilne supstitucije koje uključuju - hibridizirani atom ugljika. Razmotrimo mehanizam reakcija ovog tipa na primjeru interakcije karboksilnih kiselina s alkoholima ( reakcija esterifikacije). U karboksilnoj grupi kiseline, str, -konjugacija, budući da par elektrona atoma kisika OH hidroksilne grupe ulazi u konjugaciju s dvostrukom vezom ugljik-kisik (-vezom):

Takva konjugacija je uzrok, s jedne strane, povećane kiselosti karboksilnih spojeva, as druge strane smanjenja parcijalnog pozitivnog naboja () na atomu ugljika karboksilne grupe (-hibridizirani atom), što uvelike otežava direktan napad nukleofila. Da bi se povećao naboj na atomu ugljika, koristi se dodatna protonacija - kisela kataliza (faza I):

U fazi II, napada nukleofila (molekula alkohola), dolazi do protonacije hidroksilne grupe sa formiranjem dobro odlazeće grupe, u fazi III - njena eliminacija i u fazi IV - regeneracija protona - vraćanje katalizatora sa formiranje konačnog proizvoda - estera. Reakcija je reverzibilna, što se uočava tokom hidrolize estera, hidrolize masti u biosistemima.

Reakcije nukleofilne adicije. Najkarakterističnije reakcije nukleofilne adicije () za okso spojeve - aldehide i ketone. Mehanizam ovih reakcija ima zajedničke karakteristike, radi se o dvostepenom ionskom procesu. Prva faza (ograničavanje) je reverzibilni napad nukleofila Nu : sa formiranjem takozvanog tetraedarskog intermedijera. Druga faza je brzi napad elektrofila:

Na reaktivnost okso jedinjenja utiče priroda R i grupa. Dakle, uvođenje supstituenata koji doniraju elektrone smanjuje reaktivnost, dok je uvođenje supstituenata koji povlače elektron povećava. Stoga su aldehidi reaktivniji od ketona. Osim toga, reaktivnost ovisi o prirodi nukleofila. Na primjer, RSH tioli, koji su jači nukleofili od ROH alkohola, reagiraju i sa aldehidima i ketonima, formirajući tioacetale otporne na hidrolizu, dok acetali, produkti dodavanja alkohola u aldehide, nisu otporni na hidrolizu:

Napominjemo da posljednje faze procesa predstavljaju napad nukleofila (molekula alkohola) na elektrofilni reakcioni centar (karbokation) i prate mehanizam nukleofilne supstitucije. Rezultirajuća intermedijarna jedinjenja - hemiacetali - su nestabilna. Njihova stabilizacija je moguća samo u cikličnom obliku tokom formiranja cikličkih hemiacetala, na primjer, 5-hidroksipentanala:

Drugi primjer biološki važne reakcije ovog tipa je dodavanje amina i nekih drugih spojeva koji sadrže dušik karbonilnim spojevima - aldehidima i ketonima. Reakcija ide dalje mehanizam nukleofilne adicije-eliminacije (-E), ili nukleofilne adicije-cijepanja:

Drugi spojevi koji sadrže dušik koji djeluju kao nukleofili u ovim reakcijama: hidrazin, hidroksilamin, fenilhidrazin .

Proizvodi -E reakcija u ovim slučajevima su spojevi opće formule

zvane hidrazoni (X = ), oksimi (X = OH), fenilhidrazoni (X = ), imini (X = R), o kojima će se detaljnije govoriti u relevantnim poglavljima.

Pored navedenih reakcija adicije moguće su i reakcije Ad R- adicija slobodnih radikala i polimerizacija ili polikondenzacija.

Ad R - adicija slobodnih radikala

Primjer reakcije polikondenzacija je polikondenzacija fenola s aldehidima, posebno s formaldehidom, što rezultira stvaranjem proizvoda polimerne reakcije - fenol-formaldehidne smole i čvrstih polimera.

Interakcija fenola s formaldehidom može se opisati shemom:

U toku daljnjih koraka formira se polimer, a nusproizvod reakcije polikondenzacije, u ovom slučaju, je voda.

POGLAVLJE 4. OKSO JEDINJENJA (ALDEHIDI I KETONI).

Pitanja za lekciju.

1. Elektronska struktura karbonilne grupe (>C=0) u okso jedinjenjima.

2. Utjecaj supstituenata na reaktivnost >C=0-veza u okso jedinjenjima.

3. Mehanizam nukleofilne adicije na >C=0 vezi.

4. Reakcije nukleofilne adicije (na primjer, voda, alkoholi, natrijum bisulfit, HCN).

5. Reakcije adicije-eliminacije na primjeru hidroksilamina, hidrazina, amina.

6. Reakcija disproporcioniranja koristeći benzilaldehid kao primjer.

7. Mehanizam reakcije kondenzacije aldola.

8. Oksidacija aldehida i ketona.

9. Polimerizacija aldehida.

Ovisno o prirodi supstituenata povezanih s karbonilnom grupom, karbonilna jedinjenja se dijele u sljedeće klase: aldehidi, ketoni, karboksilne kiseline i njihovi funkcionalni derivati.

Oni su derivati ​​ugljikovodika, u čijim molekulima su dva atoma vodika, smještena na jednom atomu ugljika, zamijenjena atomom kisika. Ovako dobijena grupa >C=O naziva se karbonilna grupa ili okso grupa. Ako je karbonilna grupa vezana na jedan atom vodika i ugljikovodični radikal (ili na dva atoma vodika), tada se takvi spojevi nazivaju aldehidi, a grupa se naziva aldehidna grupa; ako je karbonilna grupa vezana za dva ugljikovodična radikala, spojevi se nazivaju ketoni, a grupa se naziva keto grupa. Dakle, aldehidi i ketoni su jedna klasa organska materija- okso jedinjenja.

Atomske orbitale ugljika karbonilne grupe su u stanju sp 2 hibridizacije. Tri hibridne orbitale koje se nalaze u istoj ravni pod uglom od »120° jedna u odnosu na drugu učestvuju u formiranju tri s- veze. Nehibridna p-orbitala atoma ugljika, smještena okomito na ravninu u kojoj leže s- veze, učestvuje u formiranju p-veze sa atomom kiseonika. Dvostruka veza ugljik-kisik je polarna, gustina elektrona je pomjerena na elektronegativniji atom kisika, na kojem nastaje djelomični negativni naboj, a na atomu ugljika karbonilne grupe, djelomični pozitivni naboj:

Iz ovoga slijedi da reakcija karakteristična za karbonilnu grupu mora biti nukleofilni napad na atom ugljika. U molekulama karbonilnih spojeva, osim elektrofilnog centra - atoma ugljika okso grupe - postoje i drugi reakcioni centri. Atom kisika, zbog usamljenog para elektrona, djeluje kao glavni centar u reakcijama, reagirajući s kiselinama. Aldehidi i ketoni su slabe baze, koncentracija protoniranog oblika karbonilnog spoja doseže vrijednosti \u003e 0,1-1% samo u 60-80% sumporne kiseline.

Kao rezultat dodavanja protona zbog formiranja s-veze O-N povećava elektrofilnost atoma ugljika okso grupe i olakšava dodavanje nukleofilne čestice.

Hidratacija ketona je moguća samo u prisustvu kiselina ili alkalija kao katalizatora.

Mehanizam reakcije hidratacije u kiseloj katalizi:

U prvoj fazi, proton se vezuje za atom kiseonika karbonilne grupe (zbog usamljenog para kiseonikovih elektrona) sa formiranjem oksonijum kationa, koji se u sledećoj fazi pretvara u karbokation, što se lako (zbog na cijeli pozitivan naboj na ugljiku) podvrgnut nukleofilnom napadu molekula vode. Rezultirajući oksonijum kation se stabilizuje eliminacijom protona (recikliranje katalizatora).

Mehanizam reakcije hidratacije u bazičnoj katalizi:

Kada se hidratacija provodi u alkalnom okruženju, hidroksidni ion napada elektrofilni atom ugljika karbonilne grupe da bi formirao oksonijum anion, koji se dalje stabilizuje eliminacijom protona iz molekula vode.

Za razliku od većine karbonilnih jedinjenja, 2,2,2-trikloretanal (hloral) lako reaguje sa vodom, formirajući stabilan proizvod hidratacije - hloralhidrat, koji se koristi u medicini i veterini kao sedativ i hipnotik. Povećana reaktivnost ovog jedinjenja objašnjava se snažnim efektom povlačenja elektrona trihlorometil grupe, što povećava efektivno pozitivno naelektrisanje karbonilnog atoma ugljenika i takođe stabilizuje produkt reakcije.

Reakcije na dodavanje alkohola

U prisustvu suvog hlorovodonika, aldehidi reaguju sa alkoholima i formiraju acetale. U većini slučajeva, srednje formirani hemiacetali ne mogu se izolovati u slobodnom obliku. Treba napomenuti da se konverzija hemiacetala u acetale ne događa bez kiselih katalizatora.

Pretvaranje aldehida u hemiacetale odvija se mehanizmom nukleofilne adicije A N, a naknadna konverzija hemiacetala u acetal je nukleofilna supstitucija.

Potreba za korištenjem kiselinske katalize u konverziji hemiacetala u acetale je zbog činjenice da OH grupa slabo odlazi. Da bi se pretvorila u dobru odlazeću grupu - molekulu H 2 O - koriste se kiseline kao katalizatori.

U slučaju reakcija ketona sa alkoholima, pozitivan naboj na atomu ugljika karbonilne grupe je nedovoljan za direktan napad molekula alkohola, pa se na ovaj način ne mogu dobiti ketali monohidričnih alkohola. Dobivaju se upotrebom ortoestera mravlje kiseline.

Reakcije stvaranja hemiacetala i acetala karakteristične su za prirodne heteropolifunkcionalne spojeve - ugljikohidrate. Monosaharidi su, u pravilu, polihidroksi aldehidi ili polihidroksi ketoni, unutar čijih molekula dolazi do interakcije između hidroksilne i karbonilne grupe, što dovodi do stvaranja heterocikla:

Ciklični oblici monosaharida su ciklički hemiacetali ili ciklički hemiketali. Stvaranje oligosaharida i polisaharida je reakcija stvaranja acetala koja se ponavlja mnogo puta:

Polisaharidi, poput acetala, podležu hidrolizi samo u kiseloj sredini.

Dodatak RSH merkaptana aldehidima i ketonima dovodi do stvaranja tioacetala, respektivno. Sposobnost molekula merkaptana da efikasno napadnu atom ugljenika karbonilne grupe ketona odražava veću sklonost RSH (u poređenju sa ROH) da formira efektivne nukleofile RS - , odnosno veću kiselost tiola u odnosu na alkohole.

Razmislimo o tome šta se može dogoditi ovom molekulu u vodenom rastvoru. Prvo, dajmo ovom molekulu pravo ime. Najduži lanac se sastoji od tri atoma, korijen imena je "rekvizit". Dakle, tri atoma u najdužem lancu znače potporu. Sve veze su jednostruke, tako da je propan. Potpisano: propan. Od tri atoma ugljika glavnog lanca, drugi je povezan s metilnom grupom i, pored toga, s atomom broma. To znači "2-brom". Zapisaću: "2-bromo-2-metil." Iako ne, neće. Sloppy je izašao, treba mi više prostora. Dakle, ova supstanca će se zvati na sljedeći način. Hajde da to zapišemo: 2-bromo-2-metilpropan. Kako ova supstanca reaguje sa vodom? U ovom slučaju, voda je nukleofil. Ovdje se nalaze ovi elektronski parovi. Osim toga, atom kisika ima visoku elektronegativnost. Nukleofilna svojstva nisu tako jaka kao hidroksid anion koji je bio u Sn2 reakcijama, ali su još uvijek tu. To je slab nukleofil. Voda je slab nukleofil. Privlači je pozitivno nabijena jezgra atoma , jer atom kisika ima djelomično negativan naboj zbog svoje elektronegativnosti. I ovdje je djelomični pozitivan naboj. Čak i ako ovo nije puno punjenje, već samo djelomično, to i dalje znači želju da se odustane od elektrona. To je slab nukleofil. Slab nukleofil. Biće još nekoliko videa o ovoj vrsti reakcija i objasniću kada se dešavaju reakcije ovog tipa, a kada reakcije tipa Sn2. No, vratimo se našem primjeru. Molekul sadrži atom broma. Ima visoku elektronegativnost i postaje stabilan dobivanjem negativnog naboja. Prisustvo punjenja umanjuje stabilnost. Ali će imati 8 valentnih elektrona. Polako i postepeno, atom broma povlači gustinu elektrona od ugljika. On vuče elektrone prema sebi zbog svoje elektronegativnosti. Pogledajte njegove valentne elektrone. Jedan od njih stvara vezu s atomom ugljika. A evo i drugog elektrona ove veze. Plus još 6 valentnih elektrona. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. 7 valentnih elektrona. Zamislite da brom izvlači elektron iz atoma ugljika. Da vam pokažem radi jasnoće. Ovaj elektron će biti ovdje. Privući će ga ovo mjesto. Opet, ovo je spor proces, ali je moguć. A pošto je proces spor, dolazi do ravnoteže. U toku ove intramolekularne reakcije dolazi do ravnoteže. Šta će se ovdje dogoditi? Atom ugljika, metilna grupa iza njega, metilna grupa ispred, i još jedna grupa na vrhu. I brom se odvaja. Nacrtaću ga ovde. Veza je prekinuta. Evo njegovih originalnih valentnih elektrona: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Još jedan elektron pripadao je atomu ugljika, ali ga je brom odnio sa sobom. Kao rezultat toga, prirodno je nastao negativni naboj. Ugljik, izgubivši elektron, prima pozitivan naboj. Sada dodajmo atom kiseonika ovde. Iako, ne, ne kiseonik, dodajmo molekul vode. Evo molekula vode. Nacrtaću molekul vode. Iako je slab nukleofil, ugljenik zaista treba elektron. To je tercijarni karbokation koji je prilično stabilan. Inače se ništa ne bi dogodilo. Kada bi ovaj atom bio primarni ili ne bi bio povezan s drugim uopće, transformacija u karbokation bi bila izuzetno teška. Međutim, ona je tercijarna i stabilna, samo što naboj sve kvari. Treba mu elektron. I on će posuditi ovaj elektron od molekula vode. Voda će odustati od jednog elektrona, na primjer, ovog, koji dijeli s atomom ugljika. Nukleofil privlači pozitivno nabijeno jezgro ugljika. I šta je sljedeće? U ovoj fazi reakcija je znatno ubrzana. Na lijevoj strani je prilično stabilna situacija, a samim tim i ravnoteža. Ali sada se reakcija ubrzava i strelica ide u jednom smjeru. Volim ovo. Ispada tako nešto. Ovdje je originalni atom ugljika sa supstituentima. Iza njega je jedna metil grupa, a ispred njega još jedna. Voda dolazi u igru. Evo kiseonika i dva vodonika. Atom kiseonika ima svoje elektrone, koje ću prikazati različitim bojama. Evo elektrona. Jedan od elektrona ovog para je doniran ugljeniku. Sada je ovdje. Postoji veza. Elektronski par je formirao vezu. Voda je imala neutralan naboj, ali odustajanjem od jednog od svojih elektrona, dobija pozitivan naboj, pretvarajući se u kation. Naelektrisanje je pozitivno. I u tom trenutku, drugi molekul vode ili čak brom može uzeti jedan od atoma vodika. U tom slučaju, elektron će se vratiti u kisik. Radije bih to nacrtao. Na primjer, postoji još jedan molekul vode. Puno njih. Evo još jednog molekula vode. Zamisliću to ovde. Ovaj molekul reaguje. Sve se dešava u isto vreme. Kiseonik donira jedan od svojih elektrona atomu vodonika. U isto vrijeme, elektron iz vodika vraća se svom bivšem vlasniku. Dakle, kiseonik vraća elektron. Šta će biti rezultat? Ponovo crtamo originalni molekul. Nacrtajmo originalni molekul. Metilna grupa pozadi, metilna grupa napred i još jedna na vrhu. I, naravno, ne zaboravite na kisik s jednim atomom vodika, jer je veza s drugim prekinuta. A evo i bromidnog anjona i njegovih 8 valentnih elektrona. I hidronijum jon. Ovaj atom kisika donirao je elektron vodiku, formirajući vezu s ovim atomom. Valentni elektroni ovog atoma kiseonika će izgledati ovako. Ovo dvoje: jedan, dva. Drugi elektron je uključen u vezu sa ugljikom. Pokazaću ti u drugoj boji. Ovaj elektron završava upravo ovdje. Još jedan je također na linku, ovaj. Sad ću objasniti. Kao dio veze s atomom vodika. To je veza za atom vodonika, ali nije vodonikova veza. Nadam se da razumete. Jedan od valentnih elektrona je sada u vezi. Evo još jednog valentnog elektrona. Ovaj elektron je vezan za atom vodonika. Sada je ovdje. I još jedan se vratio iz atoma vodonika, evo ga. Ponovo ima 6 valentnih elektrona. Preračunajmo: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Ovako 2-bromo-2-metilpropan stupa u interakciju sa slabim nukleofilom. Govorit ću više o različitim nukleofilima. Šta se dogodilo kao rezultat? Najduži lanac ima 3 atoma. Koren imena će i dalje biti "prop". Još nismo govorili o hidroksilnoj grupi, ali samo njeno prisustvo znači da imamo alkohol ispred sebe. Sufiks "anol" se koristi u nazivima alkohola. Sada ćemo zapisati ovo ime - propanol. Propanol. Potrebno je naznačiti na kojem atomu se nalazi hidroksilna grupa. To je propanol-2. Dobro. Propanol-2. Ne zaboravite i na prisustvo metilne grupe. Ovo je 2-metilpropanol-2. Mehanizam ove reakcije naziva se Sn1. Mislim da razumijete zašto Sn1 a ne Sn2. Zapisaću to. Sn1 reakcija. S znači "zamjena". Potpisaću ponovo. n označava "nukleofilno", kao što već znamo. Nukleofilna. Reakcija je uključivala slab nukleofil, odnosno vodu. Broj 1 znači najsporiji. Odnosno, ograničavajući stupanj ovog mehanizma javlja se uz sudjelovanje samo jednog od reagensa. U prvom koraku ograničavanja brzine, brom uzima elektron iz ugljika. Voda nije uključena u ovo. Brzinu reakcije Sn2 određuju oba reagensa, ali ovdje samo jedan. Zato se i zove Sn1. Vidimo se! Titlovi Amara.org zajednice

Šema:

mehanizam:

1- Obrazovanje π-kompleks (spor)

2- Obrazovanje ϭ-kompleks ili karbokation (spor)

Karbokationi su pozitivno nabijeni nestabilni intermedijari sa sekstetom valentnih elektrona na atomu ugljika.

Nukleofilni napad halogenonijum jona (brzi)

Brzina reakcije u suštini zavisi od strukture alkena. Kada se metilni supstituenti uvedu u alken, povećava se elektronska gustina zbog +I CH 3 i brzina reakcije se povećava. S druge strane, trifluorometil grupa CF 3, zbog negativnog induktivnog efekta, smanjuje gustinu elektrona u alkenu i time otežava elektrofilni napad.

CF3CH=CH2< CH 2 =CH 2 < CH 3 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH 2 < (CH 3) 2 CH=CH(CH 3) 2

Povećanje brzine reakcije alkena sa halogenima.

Kada se nezasićenom ugljovodoniku doda voda, mehanizmu se dodaje četvrta faza (povratak katalizatora).

47-reakcija elektrofilne supstitucije: heterolitička reakcija koja uključuje π-elektronski oblak aromatskog sistema (halogenacija, nitriranje, alkinacija).

S E -reakcija elektrofilne supstitucije..

Interakcija arena sa elektrofilnim agregatom takođe se odvija u fazama kroz formiranje ϭ i π-kompleksa.

Karakteristična karakteristika aromatskih jedinjenja serije benzena, fuzionisanih i heterocikličnih aromatskih jedinjenja je njihova sklonost da stupaju u reakcije koje ne dovode do narušavanja aromatičnog sistema - reakcija zamjena. Naprotiv, u reakcijama koje narušavaju aromatičnost, kao što su dodavanje ili oksidacija, aromatični spojevi imaju smanjenu reaktivnost.

Šema:

mehanizam:

Generisanje elektrofilne čestice.

2. Formiranje π-kompleksa (sporo)

3. Formiranje ϭ-kompleksa ili karbokationa

4. Eliminacija protona iz ϭ-kompleksa

Halogenacija.

Nitracija.

Alkinizacija.

48-Reakcija nukleofilne supstitucije na sp 3 -hibridizovanom atomu ugljenika: heterolitičke reakcije usled polarizacije ugljenik-heteroatoma ϭ veze (halogen derivati, alkoholi).

SN-Nukleofilna supstitucijska reakcija

SN su najkarakterističnije za zasićene organska jedinjenja koji sadrži sljedeće funkcionalne grupe: halogen, hidroksil, tiol i amino grupu.

SN 1 - karakteristična karakteristika tercijarnih i djelimično sekundarnih alkan halogenida u prisustvu slabog nukleofila i polarnog otapala

mehanizam:

I stage

II faza

SN 2-karakteristike primarnih i djelimično sekundarnih atoma.

mehanizam:

49-Reakcija nukleofilne adicije: heterolitička reakcija koja uključuje ugljik-kiseonik π-vezu (reakcija aldehida i ketona sa alkoholima, primarnim aminima). Utjecaj elektronskih i prostornih faktora, uloga kiselinske katalize. Biološki značaj reakcije nukleofilne adicije.

A N - Nukleofilna reakcija adicije.

karakterističan za aldehide i ketone.

Velika važnost in biološki ima reakciju karbonilnih jedinjenja (aldehida i ketona) sa amonijakom, sa stvaranjem imina (Schiffove baze), vrlo nestabilnih, lako hidroliziranih jedinjenja.

Imini su intermedijeri u nekim enzimskim reakcijama u sintezi amina iz aldehida i ketona.

Na primjer, neke α-amino kiseline se sintetiziraju u tijelu prema ovoj shemi.

Interakcija amonijaka sa aldehidima može biti komplikovana mogućom ciklizacijom. Dakle, iz formaldehida A.M. Butlerov je prvi dobio medicinski preparat - heksametilentetraamin (urotropin), koji je bio naširoko korišćen kao antiseptik.

kisela kataliza služi za aktiviranje supstrata.

reakcionih centara.

mehanizam:

U reakcijama A N a katalizator (anorganska kiselina) se koristi za povećanje brzine reakcije

Šema:

mehanizam:

Reakcije nukleofilne adicije (reakcija-AdN)

Dvostruka veza u karbonilnoj grupi je visoko polarizirana zbog velike razlike u elektronegativnosti između kisika i ugljika. Gustoća elektrona je pomjerena na atom kisika i atom ugljika karbonilne grupe pokazuje elektrofilna svojstva. Stoga, karbonilne spojeve karakteriziraju reakcije adicije nukleofila na atom ugljika s nedostatkom elektrona.

Korak koji ograničava brzinu reakcije je napad nukleofilne čestice elektrofilnog atoma ugljika karbonilne grupe, uz stvaranje veze zbog elektrona nukleofila. Istovremeno dolazi do heterolitičkog cijepanja C=O p-veze, što dovodi do stvaranja alkoksidnog jona. U ovom slučaju, karbonil ugljenik prelazi u stanje sp 3 hibridizacija.

Alkoksidni ion je jaka baza i stoga se brzo protonira kako bi formirao neutralni krajnji proizvod.

Ako reagira dušični nukleofil (amini, hidroksilamin, itd.), tada nastali neutralni adicijski proizvod podliježe dehidraciji da nastane dvostruka veza između karbonilnog ugljika i nukleofilnog agensa.

Nukleofilno dodavanje karbonilnoj grupi je reverzibilan proces, sa izuzetkom reakcija koje se odvijaju sa stvaranjem alkohola i sa dodatkom organometalnih jedinjenja.

Aldehidi su reaktivniji u reakcijama adicije nukleofilnih reagensa od ketona. To je zbog odsustva steričnih prepreka aldehidima da napadnu nukleofilni agens. A u ketonima, dvije alkilne grupe stvaraju sterične prepreke nukleofilu da napadne i formira tetraedarski proizvod adicije. Na nisku reaktivnost ketona utječe i njihova veća termodinamička stabilnost u odnosu na aldehide (toplota stvaranja ketona je manja od topline stvaranja odgovarajućeg aldehida).