Реакции карбонильных соединений с С-нуклеофилами — л-электронными системами

В данных реакциях в роли С-нуклеофильных фрагментов выступают ароматические ядра и связи С=С; нуклеофильные свойства алкенов, аренов и их производных уже неоднократно обсуждались.

• 1. Конденсация альдегидов с фенолами. Реакция рассматривалась в разделе «Фенолы» на примере конденсации фенола с формальдегидом. Она рассматривалась как электрофильное замещение в ароматическом ядре; если же посмотреть на нее «с другой стороны», считая альдегид субстратом, а фенол — реагентом, то ее можно рассматривать как нуклеофильное присоединение электроноизбыточного ароматического ядра фенола к карбонильной группе, активированной О-протонированием.
• 2. Реакция формальдегида с алкенами (реакция Принса). Взаимодействие протекает в присутствии кислотных катализаторов:

Первоначальными продуктами реакции являются 1,3-диолы; далее они могут реагировать со следующей молекулой формальдегида с образованием циклических ацеталей (1,3-диоксоланов). В зависимости от строения алкена и условий реакция может остановиться на образовании диола или идти дальше Электронная пара я-связи алкена образует связь с атомом углерода карбонильной группы, активированной О-протонированием; образуется катионный интермедиат (458), который присоединяет воду; после депротонирования интермедиата (459) образуется 1,3-диол.

Если рассматривать реакцию «с обратной стороны», считая алкен субстратом, то ее можно считать сопряженным электрофильным присоединением протонированного формальдегида и воды к алкенам.

В реакцию Принса вступают и некоторые другие альдегиды, например, хлораль, но формальдегид используется чаще всего.

Далее рассмотрим реакции, в которых в роли я-электронных С-нуклеофилов выступают енольные формы карбонильных соединений.

3. Альдольно-кротоновая конденсация с кислотным катализом.

Как уже упоминалось, альдольно-кротоновая конденсация может катализироваться не только основаниями, но и кислотами. В этом случае, в отличие от основного катализа, не образуется карбанионных С-нуклеофильных частиц; роль С-нуклеофила выполняет связь С=С енольной формы метиленовой компоненты. Эта связь реагирует с группой С=0 карбонильной компоненты, активированной О-протонированием :

до диоксолана. Механизм образования 1,3-Диолов включает взаимодействие карбонильного соединения с я-нуклеофилом при кислотном катализе:

Кислота катализирует процесс енолизации метиленовой компоненты. Двойная связь енола (460) обладает повышенной нуклеофильностыо за счет донорного (+М-) эффекта группы ОН; я-электронная пара этой связи легко образует связь с О-протонированной карбонильной группой соединения (461) (карбонильной компоненты). Образующийся протонированный альдоль (462) отщепляет протон с образованием продукта альдольной конденсации.

4. Использование силиловых эфиров енолов для направленной альдольной конденсации. В качестве метиленовой компоненты в реакциях альдольной конденсации можно использовать триметилсилиловые эфиры енолов, получаемые из кетонов и триметилхлорсилана в присутствии основания:

При взаимодействии этих эфиров с карбонильными соединениями в присутствии таких кислот Льюиса, как TiCl₄, образуют продукты альдольной конденсации:

Электроноизбыточная связь С=С силилового эфира енола нуклеофильно атакует карбонильную группу альдегида, активированную образованием комплекса с TiCU; от продукта присоединения отщепляется тримстилхлорсилан, и после гидролиза титанового алкоголята образуется альдоль. Данный вариант позволяет, в частности, препаративно получать продукты альдольной конденсации циклических кетонов с одним молем альдегида, что весьма затруднительно при обычной конденсации под действием основания.

5. Реакция Манниха. Это — одна из весьма широко применяемых реакций; она получила название по имени немецкого химика К.Манниха, впервые систематически ее изучившего. Реакция протекает при взаимодействии карбонильного соединения, содержащего связи С-Н в a-положении, с формальдегидом и вторичным амином; чаще всего реакция катализируется кислотой:

Из вторичных аминов наиболее часто используют диметиламин, а также циклические вторичные амины — пиперидин и морфолин. Формальным результатом реакции является замещение а-атома водорода в карбонильном соединении (463) на аминометильную группуCH₂NR₂, поэтому реакцию часто называют аминометилированием. Продукт этой реакции (464) — Р-аминокетон, который называют также основанием Манниха.

При рассмотрении механизма реакции Манниха легко заметить его сходство с механизмом кислотно-катализируемой альдольной конденсации:

При этом карбонильное соединение (463) является метиленовой компонентой; оно реагирует в енольной форме. Аналогом же карбонильной компоненты является продукт взаимодействия формальдегида и вторичного амина в кислой среде — так называемый катион Манниха (465). Он образуется после присоединения вторичного амина по карбонильной группе формальдегида и отщепления от продукта присоединения группы ОН (после ее О-протонирования); катион стабилизирован делокализацией заряда и потому образуется легко. Далее все аналогично кислотно-катализируемой альдольной конденсации.

Основания Манниха широко используются в органическом синтезе, поскольку они легко генерируют (с отщеплением вторичного амина) а-метиленкетоны (соединения, содержащие фрагментСО-С=СН2) — весьма реакционноспособные а, р-непредельные карбонильные соединения.