Реакция альдольно-кротоновой конденсации, и ее оптимизация (стр. 1 из 3)

Реакция альдольно-кротоновой конденсации и её оптимизация.

Реакциями конденсации обычно называют различные процессы уплотнения органических молекул, приводящие к образованию более сложных соединений в результате возникновения новых связей между атомами. В результате образуются вещество, содержащее одновременно альдегидную и спиртовую группы; оно было названо альдолем (сокращенное название от слова альдегидоалькоголь, т.е. альдегидоспирт), а конденсации карбонильных соединений, протекающая по такому пути и приводящая к веществам типа альдоля, называется реакцией альдольной конденсации. В альдольной конденсации могут участвовать и молекулы разных альдегидов и кетонов. Последние вступают в реакцию главным образом за счет атомов углерода и водорода, находящихся в a-положении к их карбонильной группе; сама же карбонильная группа кетонов в этих реакциях значительно менее активна, чем карбонильная группа альдегидов.

Альдегид и кетон альдоль кротоновый альдегид

В более или менее жестких условиях от продуктов этой реакции отщепляется вода и образуется непредельное оксосоединение (из ацетальадегида ‑ кротоновый альдегид), причем часто промежуточный оксиальдегид или оксикетон не может быть изолирован.

Реакция альдольной конденсации протекает по следующему механизму и катализируется основаниями (в качестве оснований обычно используют гидроксиды и алкоголяты щелочных металлов):

Катализ состоит в том, что ОН^- вырывает Н⁺ из a-звена оксосоединения, а полученный атом атакует карбонильный углерод другой молекулы.

При использовании слабых оснований реакция может оказаться существенно обратимой: пример ‑ конденсация ацетона под действием гидроксида бария:

Слабое основание ‑ гидроксид бария ‑ отрывает протон только от кислорода гидроксильной группы, что и приводит к расщеплению диацетонового спирта (4-гидрокси-4-метилпентанон-2) до ацетона. В данном случае образуется равновесная смесь, в которой содержание диацетонового спирта составляет всего 5% (чтобы осуществить синтез последнего с препаративным выходом, продукт конденсации периодически удаляют из реакционной смеси ‑ для этого применяют аппарат Сосклета). При действии сильным основанием (концентрированный раствор щелочи, карбид кальция) продукт альдольной конденсации сначала теряет протон метиленовой группы, а затем ‑ гидроксид-анион, т.е. дегидратируется, и необратимо переходит в непредельное карбонильное соединение:

б) при кислотном катализе ион водорода вызывает енолизацию одной молекулы оксосоединения и образование карбониего иона из второй:

Кривые стрелки в этих уравнениях означают сдвиг электронов, частично осуществляющийся в молекуле до реакции и завершающийся в реакции образованием новых связей с разрывом старых.

Если работать при низких температурах, то, как правило, нетрудно выделить простые альдоли. Альдоли, полученные из ароматических альдегидов, очень легко дегидратируются, так как при этом образуется достаточно длинная система сопряженных связей. Эта дегидратация особенно легко идет при кислотном катализе, но она идет и при щелочном катализе.

В противоположность другим альдегидам формальдегид может давать аддукты, в которых замещены все водородные атомы у a-углерода метиленового компонента, например:

Это метилольное соединение очень легко вступает в перекрестную реакцию Канниццаро с образованием пентаэритрита.

Так же формальдегид вступает в реакцию, которую впервые осуществил А.М.Бутлеров в 1861 г.

Действуя на формальдегид Ca(OH)₂, он получил густой сироп, оказавшийся смесью сахаристых веществ, содержащих гексозы.

Вначале молекула формальдегида взаимодействует с другой по типу реакции альдольной конденсации:

Далее эта молекула может вступать в аналогичную реакцию и в итоге получается смесь стереоизомеров гексоз.

Тем не менее, оказывается возможным заставить выступить альдегид в качестве метиленового компонента, если снизить карбонильную активность альдегида, предварительно превратив, переведя его в основание Шиффа и превратив последнее, например действием диизопропиламида лития, в соответствующий анион:

Самоконденсация такого аниона идет лишь в малой степени. Реакция с карбонильной группой других альдегидов или кетонов приводит к образованию N-аналогов альдолей, которые перегонкой с водяным паром в присутствии щавелевой кислоты можно перевести в a,b-ненасыщенные альдегиды:

Легкость протекания кротоновой конденсации зависит также от электроноакцепторности карбонильной группы. В альдегидах она больше, и, следовательно, они легче вступают в кротоновую конденсацию, чем кетоны, и из них труднее получить соответствующие альдоли.

Интересно отметить, что в a,b-непредельных карбонильных соединениях ‑ продуктах кротоновой конденсации ‑ влияние карбонильной группы эффективно передается через винильную группу. Особенно ярко это проявляется в случае альдегидов. По этой причине кротоновый альдегид подвергается дальнейшей конденсации, обусловленной протонной подвижностью атомов водорода метильной группы. Аналогичным образом ведут себя получающиеся далее непредельные альдегиды:

Следовательно, свойства соединений, в молекуле которых две группы, оказывают взаимное влияние, разделены винильным фрагментом, будут похожими на свойства соединений, где этого разделения нет. Это явление объясняется высокой эффективностью передачи электронного влияния через винильную группу и называется винилогией, а соответствующие соединения ‑ в данном случае альдегиды общей формулы СН₃(СН=СН)_nСНО, где n=0, 1, 2 и т.д. ‑ винилогами.

Альдегиды, как и кетоны симметричного строения, могут образовывать только один енолят и, следовательно, ‑ только один продукт самоконденсации, а несимметричные кетоны ‑ два енолята и, следовательно, два продукта самоконденсации:

Исключения составляют метилкетоны, отщепляющие при катализе основанием протон только от метильной группы. В результате их самоконденсации протекает однозначно:

Используя принцип альдольно-кротоновой конденсации, можно вводить в реакцию с альдегидам целый ряд соединений, обладающих С-Н-кислотностью. При этом не всегда можно провести четкую границу между этой реакцией и реакцией Кневенагеля.

При синтезе Перкина альдегиды взаимодействуют с ангидридами алифатических карбоновых кислот, причем образуются a,b-ненасыщенные карбоновые кислоты. В качестве оснований, служащих конденсирующими средствами, используют щелочные соли карбоновых кислот или третичные основания (пиридин). Лучше всего идет реакция с ароматическими альдегидами, она приводит к образованию коричных кислот:

Конденсация формальдегида с уксусной кислотой с образованием акриловой кислоты также имеет значение в промышленности.

В жестких условиях в качестве метиленового компонента можно использовать также сложные эфиры карбоновых кислот. Они реагируют с ароматическими альдегидами и кетонами с образованием коричных кислот в присутствии алкоголятов щелочных металлов в качестве катализаторов. (По отношению к алифатическим кетонам сложные эфиры ведут себя как карбонильные компоненты).

Ацетонитрил может конденсироваться с кетонами и ароматическими альдегидами в условиях межфазного катализа в присутствии концентрированного раствора гидроксида калия.

Более кислые сложные эфиры a-хлорозамещенныех жирных кислот реагируют в роли метиленового компонента, как с альдегидами, так и с кетонами. При этом сначала образуется хлорогидрин, который в условиях реакции немедленно отщепляет хлороводород (реакция Дарзана-Кляйзена):

(реакция I)

Полученные таким способом 2,3-эпоксиэфиры (глицидные эфиры) при омылении декарбоксилируются и перегруппировываются в альдегиды:

В условиях межфазного катализа из хлороацетонитрила аналогично реакции I в присутствии гидроксида натрия можно получить 2,3-эпоксипропионитрилы.

В качестве других С-Н-кислотных соединений, реагирующих с альдегидами как метиленовые компоненты, можно назвать, например, a- и g-пиколины, а также циклопентадиен.

Иллюстрацией такого рода синтезов может служить получение кониина ‑ первого алкалоида, синтезированного Ладенбургом в 1886 г.