Реакция α-замещения карбонила

Эта статья в значительной степени или полностью основана на одном источнике . Соответствующее обсуждение можно найти на странице обсуждения . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив ссылки на дополнительные источники . Найти источники:  "Carbonyl α-substitution response" – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( сентябрь 2015 г. )

Реакции α-замещения карбонила происходят в положении рядом с карбонильной группой , α-положении, и включают замещение α - водорода электрофилом через промежуточный ион енола или енолята . ^[1]

Поскольку их двойные связи богаты электронами, енолы ведут себя как нуклеофилы и реагируют с электрофилами во многом так же, как алкены . Но из-за резонансного электронного донорства неподеленной пары электронов на соседнем кислороде енолы более богаты электронами и, соответственно, более реакционноспособны, чем алкены. Обратите внимание на следующую карту электростатического потенциала этенола (H _{2 C=CHOH), как на} α-углероде имеется значительное количество электронной плотности .

Когда алкен реагирует с электрофилом, таким как HCl , начальное добавление H ⁺ дает промежуточный катион , а последующая реакция с Cl ^{− дает} продукт присоединения . Однако, когда енол реагирует с электрофилом, то только начальный шаг присоединения тот же самый. Вместо того, чтобы реагировать с CI ⁻ и давать продукт присоединения, промежуточный катион теряет протон OH ⁻ и давать α-замещенное карбонильное соединение . ^{[1] : 845}

Особенно распространенной реакцией α-замещения в лаборатории является галогенирование альдегидов и кетонов в их α - положениях посредством реакции Cl ₂ , Br ₂ или I ₂ в кислом растворе. Часто используется растворитель бром в уксусной кислоте .

Примечательно, что галогенирование кетонов также происходит в биологических системах , особенно в морских водорослях , где были обнаружены дибромацетальдегид, бромацетон , 1,1,1-трибромацетон и другие родственные соединения.

Галогенирование представляет собой типичную реакцию α-замещения, которая протекает путем катализируемого кислотой образования промежуточного енола. ^{[1] : 846}

Водород в α-положении карбонильного соединения является слабокислым и может быть удален сильным основанием с образованием енолят-иона. Например, при сравнении ацетона (pKa ₌ 19,3) с этаном (pKa ₌ 60) наличие соседней карбонильной группы увеличивает кислотность кетона по сравнению с алканом в 10 ⁴⁰ раз .

Абстрагирование протона от карбонильного соединения происходит, когда связь a CH ориентирована примерно параллельно p-орбиталям карбонильной группы. Атом углерода α енолят-иона sp ² -гибридизован и имеет p-орбиталь, которая перекрывает соседние карбонильные p-орбитали. Таким образом, отрицательный заряд распределяется электроотрицательным атомом кислорода, а енолят-ион стабилизируется резонансом .

Карбонильные соединения более кислые, чем алканы, по той же причине, по которой карбоновые кислоты более кислые, чем спирты . В обоих случаях анионы стабилизируются резонансом. Однако енолят -ионы отличаются от карбоксилат-ионов тем, что их две резонансные формы не эквивалентны — форма с отрицательным зарядом на кислороде имеет меньшую энергию, чем форма с зарядом на углероде. Тем не менее, принцип резонансной стабилизации одинаков в обоих случаях.

Поскольку карбонильные соединения являются лишь слабокислыми, для образования енолят-иона необходимо сильное основание. Если в качестве основания используется алкоксид, такой как этоксид натрия , депротонирование происходит только в объеме около 0,1%, поскольку ацетон является более слабой кислотой, чем этанол (pK _a = 16). Однако, если используется более сильное основание, такое как гидрид натрия (NaH) или диизопропиламид лития ( LDA ), карбонильное соединение может быть полностью преобразовано в его енолят-ион. Диизопропиламид лития (LDA), который легко получить реакцией сильного основания бутиллития с диизопропиламином , широко используется в лаборатории в качестве основания для получения енолят-ионов из карбонильных соединений.

Многие типы карбонильных соединений, включая альдегиды , кетоны , эфиры , тиоэфиры , карбоновые кислоты и амиды , могут быть преобразованы в енолят-ионы путем реакции с LDA. Обратите внимание, что нитрилы также являются кислотными и могут быть преобразованы в енолят-подобные анионы (называемые нитрил-анионами ).

Когда атом водорода окружен двумя карбонильными группами, его кислотность еще больше усиливается. Эта усиленная кислотность β-дикарбонильных соединений обусловлена ​​стабилизацией образующихся енолят-ионов путем делокализации отрицательного заряда по обеим карбонильным группам. ^{[1] : 850}

Ионы енолята более полезны, чем енолы, по двум причинам. Во-первых, чистые енолы обычно не могут быть выделены, а вместо этого генерируются только как короткоживущие промежуточные продукты в низкой концентрации . Напротив, стабильные растворы чистых ионов енолята легко готовятся из большинства карбонильных соединений путем реакции с сильным основанием. Во-вторых, ионы енолята более реакционноспособны, чем енолы, и вступают во многие реакции, в которые енолы не вступают. В то время как енолы нейтральны, ионы енолята отрицательно заряжены, что делает их гораздо лучшими нуклеофилами. В результате ионы енолята более распространены, чем енолы, как в лабораторной, так и в биологической химии.

Поскольку они являются резонансными гибридами двух неэквивалентных форм, енолят-ионы можно рассматривать либо как виниловые алкоксиды (C=C- O ⁻ ), либо как α-кетокарбанионы ( ⁻ CC= O). Таким образом, енолят-ионы могут реагировать с электрофилами либо на кислороде, либо на углероде. Реакция на кислороде дает производное енола, тогда как реакция на углероде дает α-замещенное карбонильное соединение. Оба вида реакционной способности известны, но реакция на углероде более распространена. ^{[1] : 853}

Возможно, самой важной реакцией енолят-ионов является их алкилирование путем обработки алкилгалогенидом или тозилатом , в результате чего образуется новая связь CC и две более мелкие части объединяются в одну большую молекулу . Алкилирование происходит, когда нуклеофильный енолят-ион реагирует с электрофильным алкилгалогенидом в реакции SN ₂ и вытесняет уходящую группу посредством атаки с обратной стороны.

Реакции алкилирования подчиняются тем же ограничениям, которые влияют на все реакции SN _2. Таким образом, уходящая группа X в алкилирующем агенте RX может быть хлоридом , бромидом , йодидом или тозилатом . Алкильная группа R должна быть первичной или метильной, и предпочтительно аллильной или бензильной . Вторичные галогениды реагируют плохо, а третичные галогениды вообще не реагируют, поскольку вместо этого происходит конкурирующее элиминирование E2 HX. Виниловые и арилгалогениды также нереакционноспособны, поскольку стерически предотвращается подход с обратной стороны. ^{[1] : 855}