16.3.1.A. Гидратация карбонильных соединений

Гидратация альдегидов и кетонов не играет никакой роли в органическом синтезе, но как простейшая модельная реакция позволяет понять основные черты механизма нуклеофильного присоединения к карбонильной группе. Константа равновесия обратимой реакции присоединения воды зависит от природы за­местителей при карбонильной группе:

Для формальдегида К 25 оС = 2280, для его гомологов СН3СНО - С3Н7СНО константа равновесия изменяется в диапазоне от 0,2 до единицы; а для кетонов К 25 оС составляет величину порядка 10 -3 . Это означает, что формальдегид в воде на 99,999% превра­щается в метандиол СН2(ОН)2; уксусный альдегид гидратирован на 58%, для других альдегидов в водном растворе присутствуют в соизмеримом количестве исходное соединение и его гидратная форма. Кетоны практически не гидратированы в водном растворе.

Рис. 16.1.Энергетическая диаграмма для обратимого присоединения нуклеофильного агентаNuHк альдегидам и кетонам

Для -галогензамещенных альдегидов и кетонов, в отличие от незамещенных карбонильных соединений, характерны очень высокие значения констант равновесия гидратации. Так, напри­мер, для трихлоруксусного альдегида (хлораля) константа равно­весия равна 3•10 4 , а для гексафторацетона она еще выше:

Оба эти карбонильные соединения образуют настолько стабиль­ные гидраты, что регенерированы могут быть только при обра­ботке концентрированной серной кислотой.

Механизм гидратации карбонильных соединений изучен очень подробно, поскольку эта реакция моделирует другие, более слож­ные процессы нуклеофильного присоединения к карбонильной группе.

Гидратация карбонильных соединений подвержена как обще­му кислотному, так и общему основному катализу. При общем кислотном катализе в первой, быстрой, стадии происходит обра­зование комплекса кислоты НВ с карбонильной группой, в кото­ром резко усиливается электрофильный характер карбонильного углерода. Во второй, медленной стадии, определяющей скорость всего процесса, к этому комплексу присоединяется вода. Быстрое депротонирование оксониевого интермедиата завершает процесс:

Альтернативный механизм предполагает электрофильный катализ и нуклеофильную атаку как согласованный процесс, в котором циклическое переходное состояние включает три молекулы воды:

Имеются веские аргументы в пользу согласованного механиз­ма, основанные на измерении скоростей переноса протона. Сле­дует отметить, что согласованный механизм может иметь место для всех реакций нуклеофильного присоединения по карбониль­ной группе и в кислой и в основной среде. Для гидратации кар­бонильной группы, катализируемой основанием, роль основания сводится к образованию из воды более реакционноспособного нуклеофильного агента - гидроксид-иона:

16.3.1.Б.Образование ацеталей и кеталей при присоединении спиртов

Спирты также обратимо присоединяются к альдегидам и кетонам, но, в отличие от гидратации, эта реакция играет важную роль в органическом синтезе. Продукт присоединения одного моля спирта к альдегиду или кетону называют соответственно полуацеталем или полукеталем:

Ацетали и кетали образуются во второй стадии из полуацеталей или полукеталей при присоединении второй молекулы спирта и дегидратации:

Образование полуацеталя и полукеталя с точки зрения меха­низма процесса абсолютно аналогично присоединению воды и характеризуется примерно теми же величинами констант равно­весия. Вторая стадия катализируется только кислотами, поскольку определяющей скорость стадией в этом процессе является от­щепление гидроксид-иона из тетраэдрического полуацеталя, а это невозможно в щелочной среде:

Константа равновесия благоприятствует образованию ацеталей при взаимодействии альдегидов с одноатомными спиртами, катализируемом НС1, п-толуолсулъфокислотой, эфиратом трех­фтористого бора или хлористым кальцием:

Для кетонов равновесие смещено в сторону исходных реа­гентов, и для получения кеталей требуется применять «специ­альные» методы, например азеотропную отгонку воды с толуо­лом или ксилолом. Образование ацеталей и кеталей позволяет оценить роль энтропийного фактора в равновесных процессах присоединения к карбонильной группе. Присоединение спиртов к карбонильной группе альдегидов и кетонов - экзотермичес­кий процесс, причем энтальпия образования ацеталя H° выше энтальпии образования кеталя:

Величины Н° отражают более высокую стабильность кетонов по сравнению с альдегидами и показывают, что наименее ста­бильным карбонильным соединением является формальдегид. Образование кеталей также экзотермично, а константа равнове­сия тем не менее мала. Это становится понятным, если принять во внимание, что константа равновесия определяется изменени­ем свободной энергии G о , а величина G о зависит от измене­ния и энтальпии и энтропии, так как

G о = Н°TS°

В процессах образования ацеталей и кеталей из трех молекул реагентов получаются две молекулы продуктов реакции, что со­ответствует понижению энтропии. Для ацеталей более высокое значение Н°компенсирует понижение энтропии. В процессе образования кеталей энтропийный фактор, напротив, играет ре­шающую роль. Неблагоприятное влияние энтропийного члена можно свести к минимуму, если для получения кеталей исполь­зовать 1,2- или 2,3-диолы. В современной синтетической прак­тике для получения и ацеталей, и кеталей применяют этиленгликоль, 1,3-пропиленгликоль или 2,2-диметил-1,3-пропандиол с азеотропной отгонкой воды в присутствии п-толуолсульфокислоты в качестве катализатора:

Циклические кетали являются производными соответствен­но 1,3-диоксолана и 1,3-диоксана. Диметил- и диэтилацетали и кетали могут быть получены при взаимодействии карбонильных соединений с ортомуравьиным эфиром в бензоле в присутствии п-толуолсульфокислоты:

При стоянии альдегиды склонны к образованию циклических или полимерных ацеталей. Формальдегид при этом дает твердый линейный полимер, называемый параформальдегидом (параформ):

При нагревании твердого параформа до 180-200 о С регенериру­ется формальдегид. Газообразный формальдегид очень хорошо растворим в воде, его насыщенный 37%-й водный раствор называется формалином.

Формальдегид образует также циклический тример - триоксан; такой же тример для ацетальдегида называется паральдегид. Оба тримера при нагревании в присутствии следов кислотных агентов деполимеризуются до альдегидов.

Триоксан и паральдегид следует рассматривать как циклические ацетали.

Ацетали и кетали нашли широкое применение в качестве защитной группы для карбонила альдегида и кетона. Ацетали и кетали относятся к классу простых эфиров с двумя алкоксильными группами у одного атома углерода. Подобно дру­гим простым эфирам они стабильны по отношению к силь­ным основаниям - магний- и литийорганическим соедине­ниям, гидриду и амиду натрия, комплексным гидридам и др. Это позволяет для бифункциональных соединений, содержа­щих карбонильную группу, осуществлять избирательное пре­вращение с участием другой группы, что можно проиллюстри­ровать двумя следующими примерами: