Карбонильные соединения

Альдегиды и кетоны, содержащие реакционноспособную группу C=O, вступают в реакции нуклеофильного присоединения по атому углерода и обладают богатой химией енолятов в альфа-положении, которая лежит в основе образования углерод-углеродных связей.

Definition

Карбонильные соединения в данной теме — это альдегиды и кетоны, характеризующиеся карбонильной группой, электрофильный углерод которой и кислые альфа-водороды определяют два их взаимодополняющих типа реакционной способности.

Scope

Эта тема охватывает структуру и реакционную способность альдегидов и кетонов, нуклеофильные присоединения (к спиртам, аминам, углеродным нуклеофилам), кето-енольную таутомерию, образование енолов и енолятов, альфа-галогенирование и алкилирование, а также альдольную и родственные конденсации.

Core questions

• Почему альдегиды обычно более реакционноспособны по отношению к нуклеофилам, чем кетоны?
• Как кислотность альфа-водородов обеспечивает химию енолятов?
• Как альдольная и родственные конденсации строят углеродные скелеты?

Key theories

Нуклеофильное присоединение к карбонильной группе

Нуклеофилы присоединяются к электрофильному карбонильному углероду, образуя тетраэдрические продукты, такие как спирты, полуацетали, ацетали и имины; реакционная способность снижается от альдегидов к кетонам по стерическим и электронным причинам.

Химия енолов/енолятов и альдольная реакция

Депротонирование в альфа-положении к карбонильной группе приводит к образованию нуклеофильного енолята; его присоединение ко второй карбонильной группе (альдольная реакция) образует новую углерод-углеродную связь, что является краеугольным камнем синтеза.

Mechanisms

Присоединение происходит путем нуклеофильной атаки на карбонильный углерод под углом Бюрги-Дуница, с последующим протонированием. Енолизация происходит под действием кислотного (через енол) или основного (через енолят) катализа; образующийся нуклеофильный альфа-углерод атакует электрофилы в реакциях алкилирования, галогенирования и альдольной конденсации. Последующая дегидратация может приводить к образованию альфа,бета-ненасыщенных продуктов.

Clinical relevance

Химия карбонильных соединений занимает центральное место в метаболизме (гликолиз, цикл лимонной кислоты) и в синтезе, где альдольные и родственные реакции используются для построения углеродных каркасов фармацевтических препаратов, ароматизаторов и природных соединений.

History

Альдольная реакция, независимо описанная Вюрцем и Бородиным в 1870-х годах, и более поздняя конденсация Кляйзена утвердили альфа-химию карбонильных соединений как основной способ образования углерод-углеродных связей в классическом синтезе.

Key figures

• Charles-Adolphe Wurtz
• Aleksandr Borodin
• Rainer Ludwig Claisen

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

Что такое кето-енольная таутомерия?

Это быстрое равновесие между карбонильной (кето) формой и ее енольной формой, в которой альфа-водород мигрировал к кислороду и образовалась двойная связь C=C; енол является реакционноспособным видом во многих реакциях альфа-замещения.

Почему альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны?

Кетоны содержат две электронодонорные, стерически объемные алкильные группы на карбонильном углероде, которые как стабилизируют карбонильную группу, так и затрудняют нуклеофильную атаку, делая их менее реакционноспособными, чем альдегиды.