ловиях кислотного катализа.

Будет ли нуклеофильное присоединение протекать преимущественно как 1,4-присоединение или же по группе С=0, зависит от того, обратима ли данная реакция нли нет. Если она обратима, тогда образование продукта контролируется термодинамически (равновесно; ср. разд. 2.2.3) и преобладающим будет 1,4-присоединение. Это связано с тем, что С=С-аддукт (98), получаемый в ходе 1,4-прнсоединения, термодинамически более устойчив, чем С=Оаддукт (99), поскольку первый содержит остаточную п-связь группы С=0, а она сильнее остаточной п-связи группы С=С:

Н Y

I I R2C—СН—С=0 R2C=CH—С—ОН

II I Y R R

(98) (99)

Стерическое затруднение иа одном участке молекулы может сильно активировать присоединение на другом ее участке. Например, было показано, что PhCH=CHCHO почти на 100 % присоединяет PhMgBr к группе С=0, тогда как в случае соединения PhCH=CHCOCMe3 тот же реагент почти на 100 % присоединяется к С=С-связи. Это также отражает снижение «карбонильной» активности С=0-группы в ряду альдегид > кетон > эфир (ср. разд. 8.1), приводящее к возрастанию доли С=С-присоединеиия.

Амины, тиолы, -ОН (см. разд. 8.4.5) и т. д. также присоединяются к В-углеродному атому а,В-ненасыщенных соединений и сложных эфиров, но наиболее важные реакции соединений, coJ держащих группировку С=С—С=0, — это реакции Михаэля с карбаииоиами; в этих реакциях образуются углерод-углеродные

223

связи. Хорошим примером является синтез 1,1-диметилцикло-гександиона-3,5 (димедон) (104) из 2-метилпентен-2-она-4 (окись мезитила) (100) и карбаниона _СН (C02Et)2:

О 0.0

НС—С Н2С-С Н2С-С

Ме2(^ Ънз ^ Ме2С; ЬНз Ме/ ?н2

_CHC02Et 4CHC02Et НЬ - С т OEt

C02Et C02Et Et02C О

(Ю1) (102) j_-0Et

_ Me2< >H^Me2cf >Н2 Ме/ Ь

О Q 'О

H2c-(f H2c-d h2c-c

J \... —^-». У v.. 1.Гидролиз J \_

НгС — С Н2Ъ— С силйромние НС - С

Et02c ^

(Ю4а) (104) (ЮЗ)

Собственно реакция Михаэля завершается образованием аддукта (101), ио его обработка основанием (_OEt) приводит к карбаниону (102), который в свою очередь может атаковать карбонильный атом углерода одной из C02Et-rpynn. Поскольку ~OEt — хорошая уходящая группа, то она отщепляется и в результате циклизации образуется соединение (103), что напоминает реакцию Дикмана (см. разд. 8.4.8). Гидролиз и декарбоксилирование оставшейся С02Ег-группы приводят затем к желаемому конечному продукту (104), который на «100% существует в енольной форме (104а).

Димедон является ценным реагентом для избирательной идентификации и разделения альдегидов и кетоиов, так как он легко образует производные (105) с альдегидами, но ие с кетонами. Эта избирательность, несомненно, вызвана главным образом стерическими причинами,

О О

\ // * \

)Q-rp( (io5)

но он

224

Глава 8

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ ПО СВЯЗИ С=0

8.1. Строение и реакционная способность.............227

8.2. Простые реакции присоединения..............230

8.2.1. Гидратация....................230

8.2.2. Присоединение спиртов................232

8.2.3. Присоединение тиолов................234

8.2.4. Присоединение циановодорода.............235

8.2.5. Присоединение нона HS03_ и других анионов.......236

8.2.6. Реакции с участием гидрид-ионов............237

8.2.6.1. Ионы комплексных гидридов металлов.......238

8.2.6.2. Реакция Меервейна — Поиидорфа.........239

8.2.6.3. Реакция Канниццаро..............240

8.2.7. Реакции с участием электронов............241

8.3. Реакции присоединения — отщепления............243

8.3.1. Реакции с производными аммиака............244

8.4. Присоединение нуклеофилов с углеродным центром.......246

8.4.1. Взаимодействие с реактивами Гриньяра и другими металлор-ганическими соединениями..............246

8.4.2. Присоединение ацетилид-ионов............. 248

8.4.3. Реакции с другими анионами.............248

8.4.4. Альдольная конденсация............... 249

8.4.5. Присоединение ннтроалканов.............252

8.4.6. Реакция Перкина..................252

8.4.7. Реакции Кнёвенагеля и Штоббе............ 253

8.4.8. Сложноэфирная конденсация Кляйзена......... 254

8.4.9. Бензоиновая конденсация...............257

8.4.10. Бензиловая перегруппировка.............259

8.4.11. Реакция Виттига..................260

8.5. Стереоселективиость реакций присоединения к карбонильным соединениям .........................261

Й.6. Реакции присоединения— отщепления производных карбоновых кислот ..........................263

8.6.1. Присоединение реактивов Гриньяра и других металлорганиче-ских соединений ...................265

8.6.2. Реакции с другими нуклеофильными реагентами......26б

8.6.3. Реакции, катализируемые кислотами...........268

8.7. Присоединение по связи C = N...............272

Карбонильные соединения обладают дипольным моментом р., так как атом кислорода группы С=0 является более электроотрицательным, чем атом углерода:

О II С

Me Me +

М = 2,ЗД

ц = 2,8Д

8 П. Сайке

225

С-> О-Индуктивный эффект, характерный для связи, соеди-^ няющей эти два атома, сказывается и на более легко поляризуемых я-электронах, так что карбонильную группу лучше всего представить гибридной структурой (1):

+ - 6+6- Р R2C = О *> R2C - О т. е. R2C=i--0 = R2C-»-0

(1а) (16) (1аб) \

По аналогии со связью С=С (см. разд. 7.1), можно ожидать, что связь С=0 будет участвовать в реакциях присоединения, но если полярная атака связи С=С обычно начинается только электрофилами, то атака связи С=0 из-за ее полярной природы может начинаться либо электрофильной атакой X* или X по атому кислорода, либо нуклеофильной атакой Y- или Y : по атому углерода (радикальные реакции присоединения к карбонильным соединениям очень редки). Оказалось, что первичная электрофильная атака атома кислорода имеет небольшое значение, за исключением тех реакций, в которых электрофилом является кислота (или кислота Льюиса), когда быстрое обратимое протонирование может предшествовать медленной, скоростьлимитирующей атаке нуклеофилом атома углерода, что и завершает присоединение; присоединение в этом случае катализируется кислотой.

Протонирование усиливает положительный характер карбонильного атома углерода [(2)]

r2C=0: =г=* R2C=6h ¦*-*- R2C—он

и таким путем облегчает нуклеофильную атаку по этому атому. Подобная активация, хотя и в меньшей степени, может быть следствием образования водородных связей кислоты (3) или даже молекул гидроксилсодержащего растворителя (4) с атомом кислорода карбонильной группы:

6+ 6+ R2C = О- R2 С = О-

• • • Н*

Н-А*- Н-0 (3) (4)

В отсутствие такой активации слабые нуклеофилы, например Н20 :, могут реагировать только очень медленно, а сильные нуклеофилы, например ~С = N, не требуют активации вообще. Присоединение могут катализировать и основания, которые превращают слабый нуклеофил HY в более сильный нуклеофил Y-(например, HCN -f- основание -»-_CN). Наконец, хотя кислоты

226

могут активировать карбонильный атом углерода для нуклеофильной атаки, одновременно оии могут уменьшать эффективную концентрацию нуклеофила, например:

"CN + HA —>¦ HCN + А"

RNH2 + HA —»- RNH3 + A"

Таким образом, для многих реакций присоединения к карбонильным соединениям существуют оптимальные значения рН; это важно учитывать в препаративной практике.

8.1. Строение и реакционная способность

В обычных реакциях нуклеофильного присоединения, в которых скоростьлимитирующей стадией является атака нуклеофила Y-, положительный характер карбонильного атома углерода уменьшается при переходе от исходного соединения (5) к переходному состоянию (6) :

б- 6-R2C—О

R2C = 0

(5) (6)

jsR2C - 0" R2C - OH + Y"

Следовательно, можно ожидать, что скорость присоединения должна уменьшаться при введении в молекулу карбонильного соединения электронодонориых групп и увеличиваться при введении электроноакцепторных групп. Так, показано, что скорость присоединения уменьшается в следующем ряду*:

Нх R, R\

v==o > с=о > хс=о w w R*

Соединения, у которых группа С=0 сопряжена со связью С=С (в этом случае конкурирующей реакцией может быть 1,4-присоедииение; ср. разд. 7.6.1) или с бензольным кольцом, также более медленно вступают в реакции присоединения, чем их насыщенные аналоги. Это связано с нарушением стабилизации (путем делокализации) при переходе от исходных

* Поскольку на первой скоростьлимитирующей стадии карбонильные соединения подвергаются атаке со стороны нуклеофильного агента, объективная оценка и$ реакционной способности требует учета доступности (по энергии) их низших свободных молекулярных орбиталей. Например, по данным ЭТС, доступность НСМО резко снижается в ряду: НгС = 0 > СНзСН = 0 > > (СНз)гС=0; значения их электронного сродства соответственно равны: —0,86, —1,19, —1,51 эВ. (Подробное обсуждение этого вопроса и терминах граничных орбиталей см. и кн.: Травень В. Ф. Электронная структура и свойства органических молекул. М.: Химии, 1989, Разд. 8.5.3.)—Прим. ред.

8*

227

карбоксильных соединений (7) и (8) к аддуктам (9) и (10) и предшествующим им п