Пожарский А.Ф., Гулевская А.В.и др. Практикум по органической химии
Подождите немного. Документ загружается.
121
бавляют к ним гирьки весом 2.3 г. Затем вынимают из банки кусок
натрия, помещают его на фильтровальную бумагу, промокают ею
керосин на поверхности натрия и, придерживая натрий пинцетом,
обрезают корку ножом; обрезки помещают обратно в банку с нат-
рием (или в специальную банку с обрезками натрия под слоем ке-
росина). Очищенный от корки натрий вносят в стоящий на весах
бюкс сначала довольно большими кусками (0.5 г), а затем более
мелкими, пока не будет получен необходимый вес (2.3 г). Бюкс
с натрием переносят на рабочий стол, а бумагу обезвреживают
(см. раздел 1.2.4).
«Факел» представляет собой большой горящий ком ваты, плотно 3.
намотанный на стальной стержень.
Контрольные вопросы
Предложите другой возможный метод синтеза этилового эфира 1.
β-нафтола.
Зачем эфирную вытяжку продукта реакции промывают щелоч ным 2.
раствором?
Можно ли при перегонке в вакууме применять кипятильные ка-3.
мешки?
3.3. Реакции конденсации карбонильных соединений
3.3.1. Теоретические основы метода
Программа семинара
Типы карбонильных соединений: альдегиды, кетоны, карбо-
новые кислоты, их эфиры, амиды, ангидриды, галогенангидриды.
Поляризация и реакционная способность карбонильной группы.
Реакции карбонильных соединений, протекающие по типу »присоеди-
нения» и «присоединения-отщепления». Реакции конденсации, обу-
словленные особыми свойствами α-метиленового звена карбонилсо-
держащих соединений: альдольная, сложноэфирная (по Кляйзену),
реакция Перкина, Кневенагеля, Дикмана. Кислотный и основной ка-
тализ.
Методические указания
Карбонильная группа – одна из важнейших функциональных
групп в органической химии. Во-первых, она входит в состав мно-
жества самых распространенных соединений: альдегидов, кетонов,
карбоновых кислот, сложных эфиров, галогенангидридов, амидов, ан-
гидридов кислот и др. Во-вторых, карбонилсодержащие соединения
отличаются таким разнообразием синтетически полезных реакций,
которому не может составить конкуренцию ни один другой класс ор-
ганических веществ. Многие из этих реакций широко распространены
в природе, прежде всего в процессах биосинтеза. Наконец, в-третьих,
превращения с участием карбонильной группы имеют фундаменталь-
ное теоретическое значение.
122
Подавляющее большинство реакций карбонильных соединений
начинается с присоединения нуклеофила к поляризованной карбо-
нильной группе (А). Присоединение сильно облегчается, когда карбо-
нильный кислород протонирован (Б) или координирован с кислотой
Льюиса, например, с ионом какого-либо металла (В). Поэтому неред-
ко в синтетической практике для ускорения соответствующей реакции
ее проводят в присутствии протонных или Льюисовских кислот (кис-
лотный катализ).
C O
δ+
δ−
C O
Nu
-
H C O M
n+
а
б
в
+
Nu
-
Nu
-
По существу вся классификация реакций карбонильных соедине-
ний основана на дальнейшей судьбе первичного продукта присоеди-
нения нуклеофила и, отчасти, на типе нуклеофила. Здесь возможен
ряд случаев. Если карбонильный кислород в субстрате связан с хоро-
шо уходящей группой Х (Х = Hal
−
, RCO
2
−
и т. п.), то последняя после
присоединения нуклеофила обычно отщепляется, оставляя нуклео-
фил связанным с соответствующим ацилом. Этот тип реакций, назы-
ваемый ацилированием, был рассмотрен нами ранее (раздел 3.1). В
альдегидах и кетонах подобное направление реакции невозможно,
поскольку гидрид-ион и углеводородный анион – плохие уходящие
группы. Поэтому многие реакции альдегидов и кетонов так и заканчи-
ваются на стадии присоединения. К их числу относятся такие превра-
щения как восстановление альдегидов и кетонов до спиртов, гидра-
тация, образование циангидринов, образование спиртов в результате
присоединения металлорганических соединений (табл. 9).
Как видно, нуклеофилы, присоединяющиеся к карбонильной груп-
пе, могут быть нейтральными (вода, спирты, амины, тиолы) или ани-
онными (Н
−
, ОН
−
, SH
−
, карбанионы). Последние, естественно, намного
активнее. В этой связи реакции присоединения в случае малоактив-
ных нуклеофилов, например, спиртов, часто проводят в присутствии
оснований, способствующих образованию анионной формы нуклео-
фила (основной катализ).
R
C
R
1
O
+ NuH
R
C
R
1
OH
Nu
(с нейтральными нуклеофилами)
R
C
R
1
O
+ Nu
R
C
R
1
O
Nu
R
C
R
1
OH
Nu
(с анионными нуклеофилами)
123
Таблица 9
Реакции присоединения нуклеофилов к альдегидам и кетонам
Нуклеофил Схема реакции Тип реакции
Н
−
(гидрид-
ные восста-
новители)
или Н
2
в присут-
ствии ката-
лизатора
C O
+ H
2
CH OH
Восстановление до
спиртов
Н
2
О
C O
+ H
2
O
C
OH
OH
Гидратация
ROH
C O
+ ROH
C
OR
OH
Образование по-
луацеталей
HCN
C O
+ HCN
C
CN
OH
Циангидринный
синтез
NaHSO
3
C O
+ NaHSO
3
C
SO
3
Na
OH
Образование би-
сульфитных соеди-
нений
RMgI
C O
+ RMgI
C
OMgI
R
C
OH
R
+ Mg(OH)I
H
3
O
Металлоргани-
ческий синтез
спиртов
В тех случаях, когда нуклеофил содержит первичную аминогруп-
пу, возможна последующая стабилизация аддукта путем отщепления
молекулы воды:
R
C
R
1
O
+ NH
2
R
2
R
C
R
1
OH
NHR
2
R
C
R
1
N R
2
+ H
2
O
.
Реакции присоединения−отщепления приводят к таким важным в
препаративном отношении веществам как оксимы, гидразоны, азоме-
тины и др. (табл. 10).
124
Таблица 10
Реакции присоединения-отщепления в ряду альдегидов и кетонов
Нуклеофил Схема реакции Тип продукта
NH
2
OH
C O + NH
2
OH C N OH
+ H
2
O
Альдоксимы, кетоксимы
NH
3
C O
+ NH
3
C N H
+ H
2
O
Альдимины, кетимины
RNH
2
C O
+ RNH
2
C N R
+ H
2
O
Азометины (основания
Шиффа)
NH
2
NH
2
C O + NH
2
NH
2
C N NH
2
+ H
2
O
Гидразоны
C
6
H
5
NHNH
2
C O + C
6
H
5
NH
2
NH
2
C N NHC
6
H
5
+ H
2
O
Фенилгидразоны
NH
2
NHC
O
NH
2
C O
+ C N NH
+ H
2
O
NH
2
NH C
O
NH
2
C
O
NH
2
Семикарбазоны
NH
2
NHC
S
NH
2
C O
+ C N NH
+ H
2
O
NH
2
NH C
S
NH
2
C
S
NH
2
Тиосемикарбазоны
125
Все карбонильные соединения, содержащие в α-положении к
карбонильной группе связи С-Н, склонны к кето-енольной таутомерии.
Склонность к таутомеризации обусловлена тремя причинами: 1) элек-
троноакцепторным характером карбонильной группы, способствую-
щим увеличению кислотности соседних связей С-Н; 2) определенной
основностью карбонильного кислорода, к которому перескакивает
протон, и 3) резонансной стабилизацией енола, в котором неподелен-
ная электронная пара гидроксила сопряжена с двойной связью С=С.
R
1
CH
2
C
O
R
R
1
CH C
OH
R
..
кето-форма енол
R
1
CH C
O
R
R
1
CH C
O
R
R
1
CH C
O
R
Г
Д Е
B B
В случае простых альдегидов и кетонов (ацетальдегид, ацетон и
т. п.) концентрация енола в смеси обычно мала и составляет доли
процента. Однако, если в молекуле присутствуют дополнительные
акцепторные группы, СН-кислотность резко увеличивается и енол мо-
жет стать доминирующим таутомером. К числу подобных соединений
относятся малоновый, циануксусный и ацетоуксусный эфиры, ацети-
лацетон и т. п. Последний на 85 % состоит из енольной формы, стаби-
лизированной внутримолекулярной водородной связью.
H
2
C
CO
2
C
2
H
5
CO
2
C
2
H
5
NC CH
2
C
O
OC
2
H
5
C CH
2
C
O
OC
2
H
5
O
CH
3
малоновый
эфир
циануксусный
эфир
ацетоукусуный
эфир
CH
3
C C
CH
3
O O
CH
3
C C
CH
3
O O
H
ацетилацетон
C
H
C
H
2
Обладая СН-кислотностью, карбонильные соединения способны
при действии оснований образовывать соответствующий анион, кото-
рый является общим для кето-формы и енольной формы. Его можно
представить в виде резонансного гибрида двух структур с минусом на
углеродном (Г) и кислородном (Д) атоме или же одной мезомерной
структурой (Е) с рассредоточенным зарядом.
126
Чтобы нацело превратить в анион такие слабые СН-кислоты как
ацетальдегид или ацетон, требуется действовать на них такими силь-
ными основаниями как гидрид натрия или диизопропиламид лития. В
случае же более кислого малонового эфира или ацетилацетона до-
статочно использовать метилат натрия в метаноле.
Анионы карбонильных соединений – весьма активные нуклеофи-
лы и, хотя большая часть отрицательного заряда у них сосредоточена
на кислороде (он более электроотрицателен, чем углерод), в реакци-
ях они выступают большей частью как С-нуклеофилы. К числу важ-
нейших превращений этого типа относятся многочисленные реакции
конденсации, в ходе которых такой карбанион атакует карбонильный
углерод другой неионизированной молекулы. При этом образуется но-
вая связь С-С и углерод-углеродная цепь соответственно удлиняется.
Простейший пример – самоконденсация ацетальдегида в присутствии
щелочи. Ее первичным продуктом является 3-гидроксибутаналь или
альдоль (отсюда и название подобных конденсаций «альдольные»).
Альдоль легко отщепляет молекулу воды, превращаясь в кротоновый
альдегид.
CH
3
C
O
H
+ OH
CH
2
C
O
H
+ H
2
O
CH
3
C
O
H
CH
2
C
O
H
CH
2
C
O
H
C
O
H
CH
3
CH
2
C
O
H
C
OH
H
CH
3
CH C
O
H
CHCH
3
альдоль
кротоновый
альдегид
H
2
O
Следует подчеркнуть, что для протекания альдольной конденса-
ции достаточно небольшого количества щелочи, так как реакция мо-
жет протекать до конца через небольшие количества карбаниона аце-
тальдегида. Интересно, что альдольная конденсация катализируется
не только щелочью, но и кислотами. Это объясняется тем, что кисло-
ты ускоряют переход кето-формы в енол, который и является в этом
случае нуклеофилом. Кроме того, кислоты активизируют и само кар-
бонильное соединение, превращая его в протонированную форму.
CH
3
C
O
H
+ H
CH
2
C
OH
H
+ H
CH
3
C
OH
H
CH
2
C
OH
H
C
OH
H
CH
3
CH
2
C
O
H
C
OH
H
CH
3
альдоль
H
CH
2
C
OH
H
..
..
CH
2
C
OH
H
..
..
- H
127
Ароматические альдегиды не могут вступать в подобные само-
конденсации, так как у них отсутствуют кислотные связи С-Н. Однако
для них возможна перекрестная конденсация с карбанионом другого
карбонильного соединения. Соответствующим примером может слу-
жить реакция Перкина, ведущая к образованию коричной кислоты
при взаимодействии бензальдегида с уксусным ангидридом в присут-
ствии безводного ацетата калия. Роль основания выполняет в этом
случае ацетат-ион, превращающий уксусный ангидрид в карбанион.
Последний и является нуклеофилом в данной реакции, который ата-
кует карбонильную группу бензальдегида с образованием вначале
спирта, а затем и коричной кислоты в результате отщепления молеку-
лы воды и гидролитического расщепления ангидридной группы.
CH
3
C
O
O
C
O
CH
3
+ CH
3
CO
2
CH
2
C
O
O
C
O
CH
3
+ CH
3
CO
2
H
CH
2
C
O
O
C
O
CH
3
C
6
H
5
C
O
H
CH
2
C
O
O
C
O
CH
3
C
O
H
C
6
H
5
CH
2
C
O
O
C
O
CH
3
C
OH
H
C
6
H
5
CH C
O
OH
CHC
6
H
5
+ CH
3
CO
2
H
коричная
кислота
-H
2
O
CH
3
CO
2
H
К числу других превращений этого типа можно отнести реакцию
Кневенагеля и сложноэфирную конденсацию:
Ar C
O
H
+
H
2
C
COOH
COOH
пиридин
C
COOH
COOH
C
OH
Ar
H
- H
2
O
- CO
2
C
H
COOHC
H
Ar
реакция Кневенагеля
H
сложно-эфирная конденсация
а) CH
3
CO
2
C
2
H
5
+ C
2
H
5
O CH
2
CO
2
C
2
H
5
+ C
2
H
5
OH
CH
3
C
O
OC
2
H
5
б)
+
CH
3
C
O
OC
2
H
5
CH
2
CO
2
C
2
H
5
- C
2
H
5
O
CH
3
C
O
CH
2
CO
2
C
2
H
5
ацетоуксусный эфир
CH
2
CO
2
C
2
H
5
128
Внутримолекулярный вариант сложноэфирной конденсации из-
вестен как реакция Дикмана:
(CH
2
)
4
COOC
2
H
5
C
2
H
5
OOC
толуол
O
CO
2
C
2
H
5
Na
3.3.2. Прописи синтезов
Дибензилиденацетон
C
6
H
5
C
O
H
2
+
CH
3
C
O
CH
3
C
6
H
5
CH CH C
O
CH CH C
6
H
5
+ 2 H
2
O
NaOH
Реактивы: свежеперегнанный бензальдегид – 2.1 г, свежеперег-
нанный ацетон – 0.3 г, едкий натр – 2 г, этанол – 16 мл, этилацетат.
Посуда и оборудование: колба круглодонная трехгорлая на 50 мл,
стаканы химические на 20 и 100 мл, воронка коническая со стеклян-
ным гвоздиком, колба Бунзена или пробирка для отсасывания, мерная
посуда на 10 и 20 мл, термометр, механическая мешалка, электро-
плитка.
Продолжительность 1.5 часа.
В трехгорлой колбе на 50 мл, снабженной механической мешал-
кой и термометром, растворяют 2 г едкого натра в 20 мл воды и при-
ливают 16 мл этанола. В мерном «пальчике» или пробирке готовят
смесь 2.1 г бензальдегида и 0.3 г ацетона. При тщательном переме-
шивании приливают половину приготовленной смеси в реакционную
колбу, поддерживая температуру 20–25 °С. Через 2–3 мин начинает-
ся выделение осадка. Спустя 15 мин в колбу приливают оставшуюся
смесь бензальдегида и ацетона, смывают остатки этих веществ из
«пальчика» 2–3 мл этанола. Массу перемешивают еще 20 мин, осадок
отфильтровывают на воронке с гвоздиком, тщательно промывают на
фильтре водой до нейтральной реакции фильтрата, сушат на воздухе.
Продукт очищают перекристаллизацией из этилацетата. Выход 1.8 г
(77 %).
Дибензилиденацетон – желтое кристаллическое вещество с т. пл.
112 °С. ИК спектр (KBr), ν, см
-1
: 1590 (С-С
аром
), 1665 (C=O), 2850-3020
(С-Н). Спектр ПМР (CDCl
3
, 300 МГц), δ, м.д.: 7.07 (д, 2Н, СН=CH-C=O,
J
CH=CH
= 15.81 Гц), 7.39 (м, 6Н, Н-3,4,5 аром.), 7.60 (м, 4Н, Н-2,6 аром.),
7.73 (д, 2Н, СН=CH-C=O).
Опыты с дибензилиденацетоном
Несколько кристаллов дибензилиденацетона растворяют при 1.
нагревании в воде и, охладив, смешивают с 1–2 мл бромной
129
воды. Объясните наблюдаемые явления и напишите уравнение
соответствую щей реакции.
Смешивают 0.05 г дибензилиденацетона с 1 мл 2 %-ного2. раство-
ра перманганата калия, тщательно перемешивают. Через некото-
рое время появляется запах горького миндаля (бензальдегида).
Напишите уравнение реакции.
Контрольные вопросы
Какие побочные реакции могут сопровождать образование дибен-1.
зилиденацетона? Напишите их уравнения и назовите продукты.
Чем можно объяснить: а) желтую окраску дибензилиденацетона 2.
(сравните с бесцветной окраской коричной кислоты); б) понижен-
ную частоту поглощения карбонильной группы в ИК спектре ди-
бензилиденацетона?
Бензальацетофенон (халкон)
C
6
H
5
C
O
H
+
CH
3
C
O
C
6
H
5
C
6
H
5
CH CH C
O
C
6
H
5
+ H
2
O
NaOH
Реактивы: свежеперегнанный ацетофенон – 13 г, свежеперегнан-
ный бензалъдегид – 11.5 г, едкий натр – 6 г, этанол.
Посуда и оборудование: колба круглодонная трехгорлая на 250 мл,
стакан химический на 250 мл, воронка коническая, воронка Бюхнера,
колба Бунзена, мерная посуда на 50 мл, термометр, мешалка механи-
ческая, электроплитка,
Продолжительность 5 часов.
В трехгорлой колбе на 250 мл растворяют 6 г едкого натра в 50 мл
воды и приливают 35 мл этанола. Колбу снабжают механичес кой ме-
шалкой, термометром и помещают в баню со льдом. При энер гичном
перемешивании к реакционной смеси приливают 13 г ацетофенона,
а затем порциями 11.5 г бензальдегида, поддерживая температуру в
интервале 15–30 °С. Смесь перемешивают при этой тем пературе еще
2–3 ч, пока содержимое колбы не превратится в гус тую эмульсию. Для
кристаллизации реакционную смесь оставляют на ночь в холодильни-
ке, а затем отфильтровывают образовавшийся желтый осадок на во-
ронке Бюхнера. Промывают осадок на фильтре водой до нейтральной
реакции промывных вод, а затем 2–3 мл этанола. Выход 19 г (84 %).
Продукт очищают перекристаллиза цией из этанола.
Бензальацетофенон (халкон) – светложелтые кристаллы с т. пл.
55–57 °С. ИК спектр (вазелиновое масло), ν, см
-1
: 1449 (С-С
аром
), 1609
(С-С
аром
), 1664 (C=O). Спектр ПМР (CDCl
3
, 300 МГц), δ, м.д.: 7.38-7.64
(м, 3Н, 9Н, аром. и СН=СН-С=О), 7.81 (д, 1Н, СН=СН-С=О, J
CH=CH
=
=15.81 Гц), 8.01 (дт, 2Н, Н-2,6 аром., J
2,3
= 6.98 Гц).
130
Опыты с халконом
Проведите опыты на ненасыщенность халкона с раствором
перманганата калия и бромной водой. Напишите уравнения соот-
ветствующих реакций, назовите продукты.
Контрольные вопросы
Какие побочные процессы могут сопровождать образование хал-1.
кона?
Можно ли на основе данных спектра ПМР судить о 2. цис- или
трансструктуре полученного продукта?
Коричная кислота
C
6
H
5
C
O
H
+ C
6
H
5
CH CH COOH
+ CH
3
COOH
(CH
3
CO)
2
O
CH
3
COOK
Реактивы: свежеперегнанный бензальдегид – 3.5 г, уксусный ан-
гидрид – 5 г, свежесплавленный ацетат калия – 3.4 г, карбо нат натрия,
конц. соляная кислота, прокаленный хлорид кальция.
Посуда и оборудование: колбы круглодонные на 100 и 500 мл,
колба коническая на 250 мл, стакан химический на 250 мл, насад ка
Вюрца, аллонж, воздушный холодильник, холодильник Либиха, во-
ронка коническая (∅10 см), воронка Бюхнера, колба Бунзена, хлор-
кальциевая трубка, парообразователь, электроплитка,
Продолжительность 7 часов.
Внимание! Синтез проводят только в сухой посуде, в вытяж ном
шкафу!
В круглодонную колбу на 100 мл вносят 3.5 г бензальдегида, 5 г
уксусного ангидрида и 3.4 г свежеплавленного ацетата калия. Колбу
снабжают обратным воздушным холодильником с трубкой, напол-
ненной прокаленным хлоридом кальция. Реакционную смесь нагре-
вают при слабом кипении 3 ч. Затем, не охлаждая, ее переливают
в круглодонную колбу на 500 мл, остатки со стенок колбы смывают
небольшим количеством заранее приготовленной горячей воды и при-
бавляют к ней сначала твер дый карбонат натрия до рН 7, а затем его
насыщенный раствор до явно щелочной реакции.
Собирают стандартный прибор для перегонки с водяным паром,
последовательно соединив перегонную колбу с насадкой Вюрца, нис-
ходящим водяным холодильником, аллонжем и конической колбой-
приемником (см. рис. 23). Отгоняют не вошедший в реакцию бензаль-
дегид до тех пор, пока дистиллят, поступающий в приемник, не станет
прозрачным.
Для отделения маслянистых примесей оставшуюся в перегон-
ной колбе горячую жидкость фильтруют через большой складчатый
фильтр в коническую колбу на 250 мл. Фильтрат охлаждают до ком-
натной температуры и далее подкисляют конц. HCl до рН 1–2, прибав-