Номер 142, страница 108 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

Уровень 2. 3.2. Карбонильные соединения. Тема 3. Кислородсодержащие органические соединения - номер 142, страница 108.

Условие.

3.142. Перекрёстная альдольная конденсация (альдольная конденсация, в которой заранее однозначно определено, кто будет являться нуклеофилом, а кто электрофилом) является важнейшим методом органического синтеза. Какими методами можно осуществить данное превращение? Благодаря чему удаётся достичь высокой селективности в данных реакциях?

Решение 3.

Перекрёстная альдольная конденсация, в которой однозначно определены нуклеофильная и электрофильная компоненты, является мощным инструментом органического синтеза. Проблема обычной перекрёстной конденсации заключается в том, что при смешении двух разных енолизуемых карбонильных соединений в присутствии основания образуется сложная смесь из четырёх продуктов (два продукта самоконденсации и два продукта перекрёстной конденсации). Чтобы избежать этого и провести реакцию селективно, применяют специальные методы.

Какими методами можно осуществить данное превращение?

Для проведения направленной (селективной) перекрёстной альдольной конденсации существует несколько ключевых подходов:

1. Использование одного не енолизуемого компонента (реакция Кляйзена-Шмидта). Один из реагентов не должен иметь $\alpha$-водородных атомов и, следовательно, не может образовывать енолят. Такие соединения, как бензальдегид ($C_6H_5CHO$), формальдегид ($HCHO$) или пивалиновый альдегид ($(CH_3)_3CCHO$), могут выступать только в роли электрофильной компоненты. Енолизуемый компонент (например, ацетон) медленно добавляют к смеси не енолизуемого альдегида и основания ($NaOH$ или $KOH$). Это поддерживает низкую концентрацию енолизуемого компонента, минимизируя его самоконденсацию и направляя реакцию в сторону образования продукта перекрёстной конденсации.

2. Направленный альдольный синтез с предварительным формированием енолята. Это наиболее общий и управляемый метод. Карбонильное соединение, которое должно выступить в роли нуклеофила, полностью и необратимо переводят в енолят-анион действием стехиометрического количества сильного, ненуклеофильного, пространственно затруднённого основания. Чаще всего для этой цели используют диизопропиламид лития (LDA) при низкой температуре (обычно -78°C) в апротонном растворителе (например, тетрагидрофуране, ТГФ). После того как весь нуклеофильный компонент превращён в енолят, к реакционной смеси медленно добавляют второе карбонильное соединение (электрофил). Поскольку в смеси отсутствует исходный нуклеофильный компонент и свободное основание, возможна только одна реакция — атака енолята на добавленный электрофил.

3. Использование енольных эквивалентов. Вместо прямого получения енолятов можно использовать их стабильные производные, которые вводятся в реакцию с электрофилом в контролируемых условиях.

• Силиловые еноловые эфиры (реакция Мукаямы). Карбонильное соединение превращают в силиловый еноловый эфир (например, действием триметилхлорсилана $Me_3SiCl$ в присутствии триэтиламина $Et_3N$). Эти производные стабильны и могут быть выделены. Их реакцию с альдегидом или кетоном инициируют кислотой Льюиса (например, $TiCl_4$), которая активирует электрофильный компонент.
• Енамины (синтез по Сторку). Енамины, получаемые реакцией кетона или альдегида со вторичным амином (например, пирролидином), являются хорошими нуклеофилами и могут быть использованы для атаки на электрофильные карбонильные соединения.

Ответ: Направленное превращение можно осуществить следующими методами: 1) реакцией Кляйзена-Шмидта, используя один не енолизуемый карбонильный компонент; 2) направленным альдольным синтезом через предварительное и полное формирование енолята с помощью сильных оснований (например, LDA); 3) использованием стабильных енольных эквивалентов, таких как силиловые еноловые эфиры (реакция Мукаямы) или енамины (синтез по Сторку).

Благодаря чему удается достичь высокой селективности в данных реакциях?

Высокая селективность в направленных альдольных реакциях достигается за счёт строгого контроля над тем, какое соединение выступает в роли нуклеофила (енолята), а какое — в роли электрофила (карбонильной компоненты). Это исключает образование нежелательных побочных продуктов.

Основной принцип — предопределение реакционных ролей. Это достигается несколькими путями в зависимости от метода:

1. В реакции Кляйзена-Шмидта селективность обеспечивается самой природой реагентов. Один из партнёров структурно неспособен быть нуклеофилом (нет $\alpha$-водородов), что однозначно отводит ему роль электрофила. Кинетический контроль (медленное добавление енолизуемого компонента) предотвращает его самоконденсацию.

2. В направленном синтезе с LDA селективность является результатом полного и необратимого превращения одного из реагентов в нуклеофил (енолят) до введения в реакцию второго реагента (электрофила). К моменту добавления электрофила в реакционной смеси присутствует только один тип нуклеофила (заранее сформированный енолят) и нет свободного основания. Это исключает все другие возможные пути реакции (самоконденсацию обоих компонентов и образование не того перекрёстного продукта).

3. При использовании енольных эквивалентов (силиловых эфиров или енаминов) нуклеофильный компонент готовится и, зачастую, выделяется в виде стабильного производного заранее. Реакция инициируется только после добавления электрофила и катализатора (кислоты Льюиса для силиловых эфиров). Таким образом, роли также чётко разделены ещё до начала основной реакции.

Кроме того, направленные методы позволяют достигать и других видов селективности:

• Региоселективность: При использовании несимметричных кетонов можно селективно формировать либо кинетический енолят (атака по менее замещённому $\alpha$-атому, используя LDA при -78°C), либо термодинамический енолят (атака по более замещённому $\alpha$-атому, используя более слабые основания или повышенную температуру). Это позволяет точно контролировать, с какой стороны молекулы кетона произойдёт реакция.
• Стереоселективность: Выбор условий реакции (металл в основании, растворитель) позволяет контролировать геометрию (Z/E) образующегося енолята, что, в свою очередь, согласно модели Циммермана-Тракслера, определяет относительную стереохимию (син-/анти-) в образующемся продукте — альдоле.

Ответ: Высокая селективность достигается благодаря тому, что роли нуклеофила и электрофила строго предопределены до начала их взаимодействия. Это реализуется либо за счет выбора не енолизуемого электрофила, либо, что более универсально, за счет предварительного и полного превращения нуклеофильного компонента в его активную форму (енолят или енольный эквивалент) в условиях, исключающих побочные реакции.