Номер 116, страница 103 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.116. Почему ацетали можно рассматривать как защитные группы для карбонильных соединений? От каких реагентов защищает ацетальная защита? Как можно снять такую защиту? Почему чаще всего в качестве защиты используют ацетали этиленгликоля и других двухатомных спиртов?

Почему ацетали можно рассматривать как защитные группы для карбонильных соединений?

Защитная группа в органическом синтезе — это функциональная группа, которая временно вводится в молекулу для блокировки (защиты) другой, более реакционноспособной группы от нежелательных превращений на последующих стадиях синтеза. Карбонильная группа (в альдегидах и кетонах) является электрофильной и легко вступает в реакции с нуклеофилами, а также может быть восстановлена или окислена.

При реакции карбонильного соединения со спиртом в кислой среде образуется ацеталь. Эта реакция обратима: $R_2C=O + 2 R'OH \rightleftharpoons R_2C(OR')_2 + H_2O$

Ацетали по своей химической природе являются простыми эфирами. В отличие от исходных карбонильных соединений, они устойчивы к действию нуклеофилов (например, металлоорганических соединений), оснований и многих восстановителей. Превращая карбонильную группу в ацетальную, мы временно "маскируем" её реакционную способность, что позволяет проводить необходимые химические превращения в других частях молекулы, не затрагивая карбонил. После этого ацетальную группу можно легко удалить, регенерируя исходную карбонильную группу.

Ответ: Ацетали рассматривают как защитные группы, потому что они временно превращают реакционноспособную карбонильную группу в химически инертную ацетальную группу, которая устойчива к действию нуклеофилов, оснований и восстановителей, а затем может быть легко удалена с восстановлением исходного карбонила.

От каких реагентов защищает ацетальная защита?

Ацетальная защита эффективно предохраняет карбонильную группу от воздействия широкого круга реагентов, к которым она в незащищенном виде чувствительна. Основные классы таких реагентов:

• Сильные нуклеофилы и основания: Ацетали стабильны в щелочной и нейтральной среде. Они не реагируют с:
  • Металлоорганическими соединениями, такими как реактивы Гриньяра ($RMgX$) и литийорганические соединения ($RLi$).
  • Гидридными восстановителями, такими как алюмогидрид лития ($LiAlH_4$) и борогидрид натрия ($NaBH_4$).
  • Цианид-ионами ($CN^−$), енолятами, илидами Виттига и другими нуклеофильными реагентами.
• Восстановители: Помимо гидридных восстановителей, ацетали устойчивы и к каталитическому гидрированию в мягких условиях, при которых альдегиды и кетоны восстанавливаются до спиртов.
• Окислители: Ацетали, как правило, более устойчивы к окислению, чем альдегиды.

Ответ: Ацетальная защита защищает карбонильную группу от действия сильных нуклеофилов (реактивов Гриньяра, литийорганических соединений), оснований, а также гидридных восстановителей ($LiAlH_4$, $NaBH_4$).

Как можно снять такую защиту?

Снятие ацетальной защиты (депротекция) представляет собой процесс, обратный её установке. Поскольку образование ацеталя является равновесной реакцией, катализируемой кислотой, для её снятия необходимо сместить равновесие в сторону исходных веществ — карбонильного соединения и спирта.

Это достигается путем гидролиза ацеталя в водном растворе кислоты. Избыток воды по закону действующих масс смещает равновесие в сторону образования карбонильного соединения. $R_2C(OR')_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} R_2C=O + 2 R'OH$

В качестве катализатора обычно используют разбавленные водные растворы сильных кислот (например, $HCl$, $H_2SO_4$) или кислые ионообменные смолы.

Ответ: Ацетальную защиту снимают путем кислотного гидролиза, то есть обработкой ацеталя водным раствором кислоты.

Почему чаще всего в качестве защиты используют ацетали этиленгликоля и других двухатомных спиртов?

Использование двухатомных спиртов (диолов), таких как этиленгликоль ($HO-CH_2-CH_2-OH$) или 1,3-пропандиол, для образования циклических ацеталей имеет значительные преимущества по сравнению с использованием двух молекул одноатомного спирта для образования ациклических ацеталей.

Основная причина заключается в термодинамике реакции. Рассмотрим энтропийный фактор:

• Образование ациклического ацеталя: 1 молекула кетона + 2 молекулы спирта $\rightarrow$ 1 молекула ацеталя + 1 молекула воды. В ходе реакции из трех молекул реагентов образуются две молекулы продуктов. Это приводит к значительному уменьшению энтропии ($ΔS < 0$), что термодинамически невыгодно.
• Образование циклического ацеталя: 1 молекула кетона + 1 молекула диола $\rightarrow$ 1 молекула циклического ацеталя + 1 молекула воды. В этом случае из двух молекул реагентов образуются две молекулы продуктов. Изменение энтропии близко к нулю ($ΔS \approx 0$), что делает реакцию значительно более выгодной по сравнению с образованием ациклического ацеталя.

Более благоприятная энтропия смещает равновесие в сторону образования продукта, что приводит к более высоким выходам циклических ацеталей. Кроме того, циклические ацетали (особенно пяти- и шестичленные) часто более стабильны и легче образуются на практике.

Ответ: Ацетали двухатомных спиртов (циклические ацетали) используют чаще, так как их образование является термодинамически более выгодным (из-за меньшего уменьшения энтропии), что приводит к более высоким выходам и большей эффективности реакции по сравнению с образованием ациклических ацеталей из одноатомных спиртов.