Реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе

Важнейший тип реакций карбонильной группы — реакции нуклеофильного присоединения; такие реакции обозначаются символом Ad_N (Addition nucleophilic). Склонность к протеканию именно этого типа реакций вызвана наличием частичного положительного заряда на карбонильном атоме углерода — на него и направляется нуклеофильная атака; протекание реакции облегчается тем, что полярная и легко поляризуемая я-связь весьма склонна к гетеролитическому разрыву. Присоединение предполагает реакцию с бинарным реагентом X^ft+-Y*", содержащим как нуклеофильный, так и электрофильный фрагменты; при этом нуклеофильный фрагмент всегда присоединяется в лимитирующей (скоростьопределяющей) стадии. В этом отношении присоединение к карбонильной группе прямо противоположно присоединению к связи С=С алкенов — там в лимитирующей стадии присоединяется электрофильный фрагмент.

Формально схема присоединения выглядит следующим образом:

Весьма распространен случай, когда Х=Н — реагент типа H-Y:

Довольно часто используются реагенты типа ЬЬУ (ЬгYH^5-); в этом случае реакция может не ограничиться присоединением: от продукта присоединения может отщепляться вода. В этом случае формальным результатом реакции является замещение карбонильного кислорода на фрагмент Y (схема присоединение — отщепление):

Легкость протекания нуклеофильного присоединения зависит от строения как субстрата (карбонильного соединения), так и нуклеофильного реагента.

• 1. Реакция идет тем быстрее, чем сильнее нуклеофил, потому что нуклеофил присоединяется в лимитирующей стадии.
• 2. Реакция протекает тем легче, чем больше величина частичного положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы; поэтому акцепторные заместители, связанные с карбонильной группой, облегчают протекание реакций, а донорные — затрудняют. В частности, такие соединения, как трихлоруксусный альдегид (хлораль) ССЬСН=0 и гексафторацетон CF3COCF3 исключительно реакционноспособны.
• 3. Реакции чувствительны к пространственному фактору, т.к. карбонильный атом углерода в исходном карбонильном соединении трехкоординирован, а в продукте присоединения (и в переходном состоянии) — тетракоординирован; поэтому если в субстрате и (или) реагенте содержатся объемные группы, в переходном состоянии возникает пространственное напряжение, и протекание реакций затрудняется. Например, дитреш-бутилкетон весьма мало реакционноспособен.
• 4. При прочих равных условиях карбонильная группа альдегидов активнее карбонильной группы кетонов. Причины: А. Пространственный фактор: водород — самый малый заместитель, поэтому пространственное напряжение для альдегидов меньше, чем для кетонов; Б. Электронный фактор: если с карбонильной группой связаны алкильные радикалы, то они, обладая донорным +1-эффектом, замедляют реакции; два радикала в кетонах замедляют их больше, чем один радикал в альдегидах.
• 5. Карбонильная группа, связанная с ароматическим ядром, имеет пониженную активность, потому что после присоединения исчезает сопряжение:

Реакции нуклеофильного присоединения могут идти:

A. Без катализа — если реагирующая система достаточно активна;

Б. С кислотным катализом; кислотный катализ активирует субстрат, т. е. карбонильную группу: происходит О-протонирование с образованием структуры (399) (стр. 279), при этом возрастает величина частичного положительного заряда на атоме углерода;

B. С основным катализом', этот катализ активирует нуклеофильный реагент типа HY (H₂Y), превращая незаряженный реагент в активный анион:

Реакции нуклеофильного присоединения во многих случаях обратимы.

Реакции нуклеофильного присоединения идут с разнообразными типами нуклеофильных реагентов.

Продукты реакции — гем-диолы. Вода — слабый нуклеофил, поэтому для обычных карбонильных соединений реакция требует катализа (кислотного или основного). Лишь наиболее активные карбонильные соединения, такие как хлораль СС1зСН=0, реагируют с водой без катализа. Лгм-диолы в большинстве случаев неустойчивы: возникает отталкивание между электронными оболочками двух электроотрицательных атомов кислорода; поэтому равновесие во многих случаях сдвинуто влево. Однако, если при карбонильной группе имеется сильный электроноакцепторный заместитель, то он, оттягивая электронную плотность от атомов кислорода, стабилизирует гем-диол. В частности, хлораль в присутствии воды превращается в устойчивый хлоральгидрат: СС1₃СН=0 + НОН СС1₃СН (ОН)₂ Б. Присоединение спиртов имеет большее значение; в большинстве случаев оно также требует катализа; в частности, реакции идут в присутствии безводных кислот (НС1,/?-толуолсульфокислота):

Присоединение одной молекулы спирта приводит к образованию продукта присоединения (401) — полуацеталя; спирт при этом выступает в качестве реагента типа H-Y. При избытке спирта полуацеталь реагирует со второй молекулой спирта с образованием соединения (402), называемого полным ацеталем или просто ацеталем. Механизм превращения следующий:

Реакции с Онуклеофилами. А. Реакция с водой:

Это — типичный механизм присоединения с кислотным катализом. Реакция начинается с электрофильной атаки протона на атом кислорода — О-протонирования. Затем происходит нуклеофильная_атака молекулы спирта на протонированную карбонильную группу; эта стадия является скоростьоп— ределяющей далее от образовавшегося протонированного полуацеталя отщепляется протон с образованием полуацеталя (401).

Дальнейшее превращение полуацеталя (401) в ацеталь (402) — нуклеофильное замещение группы ОН на группу OR. Вначале идет О-протонирование группы ОН, а затем собственно замещение по механизму S_N1; такое замещение идет легче, чем в обычных спиртах, потому что катион (403), образующийся после ухода нуклеофуга, стабилизирован +М-эффектом группы OR. Реакция микроскопически обратима, т. е обратимыми являются все стадии образования как полуацеталя, так и ацеталя. Поэтому в присутствии водных растворов кислот ацетали гидролизуются; образование ацеталей следует проводить в безводной среде. В то же время в щелочных средах ацетали устойчивы.

Образование полуацеталей и ацеталей с одноатомными спиртами лучше проходит с альдегидами и обычно плохо — с кетонами. Значительно лучше идет образование полных ацеталей с 1,2-диоламщ реакция хорошо идет и с альдегидами и с кетонами:

При этом образуются циклические ацетали; с наиболее часто применяемым простейшим 1,2-диолом — этиленгликолем — образуются этиленацетали (404) (для кетонов — этиленкетали). Эту реакцию используют для защиты карбонильной группы — временного блокирования ее карбонильной функции. Простейший пример такой защиты приведен ниже:

Допустим, необходимо превратить нитроацетон в аминоацетон. Прямое восстановление нитроацетона здесь неприменимо, т.к. будет восстанавливаться не только нитрогруппа, но и карбонильная группа. Поэтому карбонильную группу защищают путем образования этиленкеталя (405). Затем нитрогруппу этиленкеталя восстанавливают (этиленкетальный фрагмент при этом не затрагивается). После этого снимают защиту путем кислотного гидролиза полученного при этом этиленкеталя (406) и получают целевой продукт — аминоацетон.

Для у— и 5-гидроксикарбонильных соединений (и альдегидов и кетонов) очень легко происходит внутримолекулярное образование соответственно 5- и 6-членных циклических полуацеталей; оно не требует кислотного катализа:

Образование циклических полуацеталей — одно из наиболее типичных превращений в химии углеводов; этот класс соединений будет рассмотрен несколько позднее.