Присоединение и замещение по карбонильной группе

Поляризованная карбонильная группа является наиболее универсальным реакционным центром в органической химии, вступая в реакции нуклеофильного присоединения в альдегидах и кетонах и нуклеофильного ацильного замещения в производных карбоновых кислот.

Definition

Присоединение и замещение по карбонильной группе включают реакции группы C=O с нуклеофилами: прямое присоединение по двойной связи в альдегидах и кетонах и присоединение-отщепление через тетраэдрический интермедиат в производных карбоновых кислот.

Scope

Эта тема охватывает нуклеофильное присоединение к альдегидам и кетонам (с образованием спиртов, гидратов, ацеталей, иминов и циангидринов), механизм нуклеофильного ацильного замещения через тетраэдрический интермедиат, относительную реакционную способность производных кислот и химию енолятов по альфа-углероду.

Core questions

• Почему карбонильный углерод является электрофильным, а кислород — основным?
• Что определяет, будет ли нуклеофил просто присоединяться или присоединяться, а затем отщеплять уходящую группу?
• Как относительная стабильность уходящих групп упорядочивает реакционную способность производных кислот?

Key theories

Механизм через тетраэдрический интермедиат

Нуклеофильная атака на карбонильный углерод генерирует тетраэдрический алкоксид; будет ли он распадаться с отщеплением уходящей группы (замещение) или протонироваться (присоединение), зависит от субстрата.

Порядок реакционной способности ацильных производных

Хлорангидриды кислот > ангидриды > сложные эфиры > амиды по реакционной способности, что отражает как способность уходящей группы, так и электронное донирование, стабилизирующее основное состояние карбонильной группы.

Mechanisms

Нуклеофилы атакуют карбонильный углерод по траектории Бюрги–Дуница. В альдегидах и кетонах образующийся тетраэдрический алкоксид просто протонируется, давая спирт или производный продукт. В производных кислот тетраэдрический интермедиат распадается, отщепляя уходящую группу для регенерации карбонильной группы и осуществления чистого замещения. Кислотный или основной катализ модулирует как электрофильность, так и силу нуклеофила.

Clinical relevance

Химия карбонильных соединений является фундаментальной для биохимии и медицинской химии: образование амидной связи лежит в основе построения пептидов и многих лекарств, гидролиз сложных эфиров регулирует активацию пролекарств, а карбонильные конденсации создают молекулярную сложность в синтезе.

History

Систематическое изучение реакционной способности карбонильных соединений охватывает период от химии конденсации XIX века до кристаллографического анализа Бюрги–Дуница углов нуклеофильной атаки в 1970-х годах, который дал структурную основу для геометрии присоединения по карбонильной группе.

Key figures

• Hans Heinrich Bürgi
• Jack D. Dunitz
• Adolf von Baeyer

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

Почему амиды гораздо менее реакционноспособны, чем хлорангидриды кислот?

Азот донирует свою неподеленную пару электронов в карбонильную группу, стабилизируя основное состояние и делая углерод менее электрофильным; кроме того, амид-анион является плохой уходящей группой, поэтому замещение происходит медленно.

Что такое угол Бюрги–Дуница?

Это приблизительно 107-градусная траектория, по которой нуклеофил приближается к карбонильному углероду, максимизируя перекрывание с π*-орбиталью C=O и минимизируя отталкивание от неподеленных пар электронов кислорода.