Химия · Органическая химия · 3 курс

Карбонильные соединения и синтез

Как в колбе синтезируют запахи банана, корицы и ванили?

Ситуация

В пищевых ароматизаторах и парфюмерном цехе запах банана даёт изоамилацетат, корицы — коричный альдегид, ванили — ванилин, миндаля — бензальдегид; у всех есть карбонильная группа C=O. Технолог в одной колбе получает «банановую эссенцию» из уксусной кислоты и изоамилового спирта, в другой из бензальдегида и ацетона выпадают жёлтые кристаллы, в третьей из реактива Гриньяра в сухом эфире строится новая связь C–C. Почему из кислоты и спирта, взятых в равных количествах, эфир никогда не образуется полностью, почему реактиву Гриньяра вредит даже одна капля воды, а ацетон не даёт серебряного зеркала?

Тема

Карбонильные соединения, карбоновые кислоты и металлоорганический синтез. Цех парфюмерных и пищевых ароматизаторов: коричный альдегид, ванилин, сложные эфиры с фруктовым запахом (изоамилацетат — банан). В лаборатории из бензальдегида и ацетона…

Ключевые понятия

Нуклеофильное присоединение и кето-енольная таутомерия
Альдольная реакция и сложные эфиры
Реактив Гриньяра и кросс-сочетание

Формулы

R_{2} C = O + Nu^{-} \overset{}{\to} R_{2} C (Nu) O^{-} \overset{\overset{}{H^{+}}}{\to} R_{2} C (Nu) OH

Нуклеофильное присоединение: тетраэдрический алкоксид, затем протонирование.

K = \frac{[эфир] [H_{2} O]}{[кислота] [спирт]} \approx 4

Равновесие этерификации (уксусная кислота + этанол): при 1 : 1 $x^{2} / {(1 - x)}^{2} = 4$ , то есть $x = 2 / 3$ .

CH_{3} COCH_{2} COOC_{2} H_{5} \overset{}{⇌} CH_{3} C (OH) = CHCOOC_{2} H_{5}

Кето-енольная таутомерия. Метод Мейера: $n (Br_{2}) = c V = n (енол)$ , доля енола $= c V M / m$ .

C_{6} H_{5} MgBr + CO_{2} \overset{}{\to} C_{6} H_{5} COOMgBr \overset{\overset{}{H_{3} O^{+}}}{\to} C_{6} H_{5} COOH

Реактив Гриньяра + CO₂ → бензойная кислота (новая связь C–C).

2 CH_{3} CHO \overset{\overset{}{OH^{-}}}{\to} CH_{3} CH (OH) CH_{2} CHO \overset{\overset{}{t}}{\to} CH_{3} CH = CHCHO + H_{2} O

Альдольное присоединение и кротоновая конденсация.

Теория

Карбонильная группа: строение, номенклатура, способы получения

Карбонильный углерод sp²-гибридный: группа C=O плоская, углы ≈ 120°, длина связи 121 пм. Кислород электроотрицательнее, поэтому C=O полярна: углерод δ+ (электрофил), кислород δ− (основание); дипольный момент ацетона ≈ 2,9 D. Свободная π*-орбиталь находится на углероде — нуклеофил подходит к нему под углом ≈ 107° к связи C=O (угол Бюрги–Дюнитца). Альдегиды RCHO (названия на «-аль»: метаналь, этаналь, бензальдегид) и кетоны R₂CO («-он»: пропанон — ацетон, бутанон, ацетофенон); бывают предельные, непредельные (акролеин, коричный альдегид), ароматические, дикарбонильные соединения. Альдегиды активнее кетонов: одной алкильной группой меньше — углерод более положителен и более доступен. Способы получения карбонильной группы: окисление спиртов (первичные → альдегид, вторичные → кетон) и дегидрирование на меди; гидратация алкинов (Кучеров: из ацетилена этаналь, из гомологов кетоны; через гидроборирование виниlбораны → альдегиды); озонолиз алкенов или процесс Вакера ( $2 CH_{2} = CH_{2} + O_{2} \overset{\overset{}{PdCl_{2}, CuCl_{2}}}{\to} 2 CH_{3} CHO$ ); каталитическое окисление алканов воздухом (циклогексан → циклогексанол и циклогексанон); ароматические кетоны — ацилирование по Фриделю–Крафтсу; кумольный метод (фенол и ацетон); гидролиз гем-дигалогенидов; реактив Гриньяра + нитрилы. Радикально-цепные реакции алканов (галогенирование, сульфохлорирование, сульфоокисление, нитрование по Коновалову; в суперкислотах — электрофильное замещение, Ола), электрофильное присоединение к алкенам (правило Марковникова, перекисный эффект Караша), аллильное галогенирование (NBS или Cl₂ при высокой температуре), присоединение HX к алкинам и реакция Кучерова рассматриваются в эксперименте «Радикальный и электрофильный механизмы»; здесь они — источники карбонильных соединений. К алкинам идёт и нуклеофильное присоединение: спиртов (виниловые эфиры), уксусной кислоты (винилацетат), HCN (акрилонитрил). В ИК-спектре C=O ≈ 1715 см⁻¹ (кетон), ≈ 1725 (альдегид), ≈ 1735 (сложный эфир) — эксперимент «Спектры: определение строения». Школьный уровень — «Фенол, альдегиды и кетоны».

Нуклеофильное присоединение и кето-енольная таутомерия

Нуклеофил присоединяется к углероду C=O, π-электроны уходят на кислород — получается тетраэдрический алкоксид, затем он протонируется. Сильные нуклеофилы (H⁻ — NaBH₄, LiAlH₄; R⁻ — реактив Гриньяра; CN⁻) присоединяются напрямую, слабые (H₂O, ROH, амины) — при кислотном катализе (C=O протонируется, углерод активируется). Вода — гидраты $R_{2} C (OH)_{2}$ : равновесие зависит от электронных и пространственных факторов (на доске); гидрат хлораля — устойчивое твёрдое вещество. Спирты — полуацетали и ацетали (катализ H⁺; ацеталь устойчив в основной среде — способ защиты карбонила); формальдегид полимеризуется — полиацетали (параформ, триоксан, полиформальдегид — конструкционный пластик). HCN — циангидрины (основный катализ); к плоскому карбонилу атака с двух сторон равновероятна — хиральный продукт образуется в виде рацемата. NaHSO₃ — бисульфитные соединения (альдегиды и метилкетоны). Азотные нуклеофилы: первичные амины — имины (основания Шиффа), вторичные — енамины, гидроксиламин — оксимы, гидразины — гидразоны (2,4-динитрофенилгидразоны — жёлто-оранжевые осадки, качественная реакция на карбонил); реакция идёт через карбиноламин, отщепление воды требует кислоты, но в очень кислой среде амин протонируется — поэтому скорость максимальна при pH ≈ 4–5 (L27). Кето-енольная таутомерия: карбонильное соединение с α-H находится в равновесии со своей енольной формой (при кислотном или основном катализе, через енолят). В простых кетонах енола очень мало (в ацетоне несколько частей на миллиард), а в β-дикарбонильных соединениях енол стабилизирован сопряжением и внутренней водородной связью: ацетоуксусный эфир в жидком состоянии ≈ 8 % енола, в воде ≈ 0,4 %, в гексане ≈ 46 % — неполярный растворитель благоприятствует енолу с внутренней H-связью. Качественные реакции (L10): с FeCl₃ — фиолетово-красный цвет; бромная вода обесцвечивает (Br₂ присоединяется к связи C=C енола), затем кето-форма снова енолизуется, и цвет возвращается. Метод Мейера: быстрое бромное титрование при 0 °C — $n (Br_{2}) = n (енол)$ ; переход кето → енол медленный, поэтому титруют быстро.

Альдольно-кротоновая конденсация, реакция Реформатского, гетерофункциональные соединения

Основный катализ: OH⁻ отрывает α-H → енолят (C-нуклеофил) → присоединяется к другому карбонилу, образуя алкоксид → протонируется до альдоля (β-гидроксикарбонильное соединение). При нагревании, особенно если выгодно сопряжение, альдоль отщепляет воду — кротоновая конденсация (E1cB: через енолят, уходит OH⁻) — α,β-непредельное карбонильное соединение. Кислотный катализ: карбонил протонируется, енол (более слабый нуклеофил) атакует протонированный карбонил (сильный электрофил); вода отщепляется по пути E1. Кляйзен–Шмидт (смешанный альдоль): бензальдегид без α-H — только электрофил: с ацетоном даёт бензальацетон, с избытком бензальдегида — дибензальацетон (жёлтые кристаллы); реакция Перкина — бензальдегид + уксусный ангидрид + CH₃COONa → коричная кислота; фенолфталеин — фталевый ангидрид + 2 фенола (H₂SO₄); пентаэритрит — уксусный альдегид + 4 формальдегида (три альдольных присоединения и перекрёстная реакция Канниццаро). Реакция Канниццаро: альдегиды без α-H в концентрированной щёлочи диспропорционируют на спирт и соль карбоновой кислоты. Реакция Реформатского: α-бромэфир + Zn → цинковый енолят (мягче реактива Гриньяра — не атакует сложноэфирную группу) → присоединяется к альдегиду или кетону, после гидролиза даёт β-гидроксиэфир, из него — β-гидроксикислоту. Гетерофункциональные соединения: гидроксикислоты — молочная (кислое молоко), яблочная, лимонная, винная (виноград), салициловая кислота (из гликозида салицина в коре ивы); при нагревании α-гидроксикислоты дают лактиды, β- — непредельные кислоты, γ- и δ- — лактоны. Альдегидо- и кетокислоты — глиоксалевая кислота, пировиноградная кислота CH₃COCOOH, ацетоуксусная кислота (легко декарбоксилируется: ацетон + CO₂ — кетоновые тела). Аминокислоты — внутренние соли (подробнее — в теме о пептидах).

Карбоновые кислоты и их производные

Строение: карбоксильная группа –COOH; кислотность (уксусная кислота pKa 4,76) объясняется тем, что отрицательный заряд в карбоксилат-ионе поровну распределён между двумя атомами кислорода (обе связи C–O 127 пм); акцепторные заместители повышают кислотность (ClCH₂COOH 2,9; CCl₃COOH 0,7). Виды: предельные (муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, пальмитиновая, стеариновая), непредельные (акриловая, олеиновая), ароматические (бензойная), двухосновные (щавелевая, малоновая, адипиновая, фталевая, терефталевая). Названия: «-овая кислота» (этановая, бутановая). Получение: окисление первичных спиртов и альдегидов, окисление алкилбензолов KMnO₄ (бензойная кислота), гидролиз нитрилов, реактив Гриньяра + CO₂, малоновый эфирный синтез; в промышленности — карбонилирование метанола (уксусная кислота), окисление п-ксилола воздухом (терефталевая кислота). Производные и их реакционная способность: ацилхлорид > ангидрид > сложный эфир ≈ кислота > амид > карбоксилат — чем слабее основание уходящая группа и чем меньше она отдаёт электронов на C=O за счёт резонанса, тем активнее производное (частота C=O в ИК-спектре тоже снижается примерно в этом порядке: ≈ 1800 → 1580 см⁻¹; у ангидрида две линии, 1820 и 1760). Нуклеофильное замещение при sp²-углероде (ацильное замещение) — присоединение-отщепление: нуклеофил образует тетраэдрический интермедиат, затем уходит уходящая группа; от более активного производного к менее активному перейти легко (ацилхлорид + NH₃ → амид; анилин + уксусный ангидрид → ацетанилид). Этерификация (Фишер): катализ кислотой, обратима, K ≈ 4 (уксусная кислота + этанол); для повышения выхода используют принцип Ле Шателье — изменяют количество одного из веществ в равновесии. Опыт со спиртом, меченным ¹⁸O: ¹⁸O остаётся в эфире — отщепляется OH-группа кислоты (разрывается ацильная связь C–O). Гидролиз: кислотный — обратимый; щелочной (омыление) — необратимый: образовавшаяся кислота сразу превращается в стабилизированный резонансом карбоксилат-ион, который со спиртом снова не реагирует. Природные источники: уксус (скисшее вино), муравьиная кислота (муравьи, крапива), масляная кислота (сливочное масло), жирные кислоты (жиры и масла), сложные эфиры — запах фруктов и цветов (изоамилацетат — банан, этилбутаноат — ананас). Школьный уровень — «Кислоты, эфиры и мыло».

Металлоорганические соединения и кросс-сочетание

Магнийорганические соединения (В. Гриньяр, 1900): $RX + Mg \overset{\overset{}{э ф и р}}{\to} RMgX$ — в сухом эфире или ТГФ (кислород эфира сольватирует магний), кристаллик иода запускает реакцию. Связь C–Mg полярна: углерод δ− — сильный нуклеофил и основание: вода, спирт, кислота сразу разрушают его ( $RMgX + H_{2} O \overset{}{\to} RH + Mg (OH) X$ ), поэтому посуду сушат, а от влаги воздуха защищает трубка с CaCl₂. Реакции: CO₂ → карбоновые кислоты; HCHO → первичные, остальные альдегиды → вторичные, кетоны → третичные спирты; сложные эфиры → третичные спирты (промежуточный кетон активнее эфира); нитрилы → кетоны; эпоксиды → спирты. Литийорганические RLi ( $RX + 2 Li \overset{}{\to} RLi + LiX$ ) — ещё активнее. Медьорганические — купраты Гилмана R₂CuLi: синтез Кори–Хауса с галогеналканами (R–R′), 1,4-присоединение к α,β-непредельным кетонам. Цинкорганические — реактив Реформатского, реакция Симмонса–Смита (циклопропанирование), сочетание Негиши. Палладийорганические — кросс-сочетание: катализатор Pd(0), окислительное присоединение (Ar–X), трансметаллирование (Сузуки — ArB(OH)₂, Негиши — ArZnX, Кумада — ArMgX, Соногашира — алкин + Cu), восстановительное элиминирование (Ar–Ar′); реакция Хека — арилгалогенид + алкен + основание: через син-миграционное присоединение и β-гидридное элиминирование (цикл на доске); Цудзи–Трост — аллилирование через π-аллильные комплексы палладия. Нобелевская премия 2010 года — Р. Хек, Э. Негиши, А. Сузуки. Метатезис алкенов — тоже металлоорганический катализ (подробнее — в эксперименте «Радикальный и электрофильный механизмы»). Реакция Вюрца: $2 RX + 2 Na \overset{}{\to} R - R + 2 NaX$ (н-октан, дибензил).

Окисление и восстановление; лаборатория, безопасность и модель

Окисление: альдегиды окисляются легко — реактив Толленса (серебряное зеркало), реактив Фелинга (красный Cu₂O; ароматические альдегиды с Фелингом почти не реагируют), KMnO₄, K₂Cr₂O₇; кетоны окисляются с трудом (под действием сильного окислителя с разрывом связи C–C: циклогексанон → адипиновая кислота). Боковые цепи: толуол → бензойная кислота (KMnO₄), п-ксилол → терефталевая кислота, антрацен → антрахинон (CrO₃). Алкены: KMnO₄ (холодный — диол, горячий — разрыв), озонолиз → карбонильные соединения. Восстановление: NaBH₄ (альдегиды и кетоны → спирты), LiAlH₄ (также эфиры и кислоты), каталитическое гидрирование (H₂/Ni, Pt — гетерогенное; гомогенное — катализатор Уилкинсона), Клемменсен (Zn(Hg) + HCl) и Кижнер–Вольф (N₂H₄, KOH): C=O → CH₂; Канниццаро — диспропорционирование. Лабораторные работы: L9 — сложные эфиры и ацетанилид; L10 — проба на енол, бензальацетон, дибензальацетон, коричная кислота, фенолфталеин, пентаэритрит; L11 — н-октан, дибензил, бензойная кислота, бензгидрол, трифенилкарбинол; L12 — бензойная, терефталевая, адипиновая кислоты, ацетон, антрахинон, бензальдегид, циклогексанол; L27 — имины, оксимы, гидразоны. Безопасность: диэтиловый эфир очень легко воспламеняется и при хранении накапливает пероксиды — не открытый огонь, а электронагреватель; натрий и реактив Гриньяра бурно реагируют с водой; бром ядовит и вызывает ожоги (вытяжной шкаф, перчатки); HCN и цианиды чрезвычайно ядовиты — синтез циангидрина только в специальной лаборатории; соединения хрома(VI) канцерогенны; при окислении концентрированной HNO₃ выделяется NO₂; защитные очки обязательны; реактивы нельзя нюхать и пробовать на вкус. Модель: доли гидрата и енола — приблизительные литературные значения (зависят от температуры и концентрации); скорость перехода кето → енол, константы скорости этерификации и альдольной реакции, выход реактива Гриньяра (92 %) и потери на влаге — модельные; K = 4 принято для всех первичных спиртов; «вывод воды» — общая модель смещения равновесия (в случае этилацетата на практике отгоняют не воду, а сам образующийся эфир — L9); зависимость скорости образования имина от pH качественная; молекулы схематичны (1 Å ≈ 4,5 см), лабораторное время ускорено.

Знаете ли вы?

Магнийорганические соединения открыл в 1900 году в Лионе Виктор Гриньяр; за эту работу в 1912 году он вместе с Полем Сабатье получил Нобелевскую премию по химии.
Изоамилацетат с запахом банана входит в состав феромона тревоги пчёл: запах, выделяющийся при ужалении одной пчелой, призывает других к нападению.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Распознавание органических веществ — 10 класс
Стереохимия и конформации — 2 курс
Радикальный и электрофильный механизмы — 3 курс
SN1, SN2 и элиминирование — 3 курс
Ароматическое кольцо и азокрасители — 3 курс
Гетероциклы и ДНК — 3 курс
Аминокислоты и белки — 3 курс
Физика макромолекул — 3 курс
Синтез и кинетика полимеров — 3 курс
Химия полимерных материалов — 3 курс