Страница 103 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.113. Приведите механизм взаимодействия ацетона с этанолом в кислой среде. Какую роль в данном процессе выполняет кислота?

Приведите механизм взаимодействия ацетона с этанолом в кислой среде.

Взаимодействие ацетона (пропан-2-она) с этанолом в кислой среде представляет собой реакцию нуклеофильного присоединения, приводящую к образованию сначала полукеталя, а затем, при избытке спирта, кеталя. Реакция катализируется кислотой и является обратимой.

Общее уравнение реакции: $$ \text{CH}_3\text{COCH}_3 + 2 \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons_{\text{H}^+} (\text{CH}_3)_2\text{C}(\text{OCH}_2\text{CH}_3)_2 + \text{H}_2\text{O} $$

Механизм реакции включает две основные стадии: образование полукеталя и его превращение в кеталь.

Стадия 1: Образование полукеталя (2-этоксипропан-2-ола)

1. Протонирование карбонильного атома кислорода ацетона. Катион водорода $ \text{H}^+ $ (из кислоты) присоединяется к атому кислорода карбонильной группы, что значительно увеличивает электрофильность карбонильного атома углерода за счет образования резонансно-стабилизированного катиона. $$ (\text{CH}_3)_2\text{C=O} + \text{H}^+ \rightleftharpoons [(\text{CH}_3)_2\text{C=}\overset{+}{\text{O}}\text{H} \leftrightarrow (\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OH}] $$
2. Нуклеофильная атака молекулы этанола. Молекула этанола, будучи слабым нуклеофилом, атакует активированный карбонильный атом углерода. $$ [(\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OH}] + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)}\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) $$
3. Депротонирование. Молекула-основание (например, вода или другая молекула спирта) отщепляет протон, образуя нейтральный полукеталь и регенерируя катализатор. $$ (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)}\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)(OCH}_2\text{CH}_3) + \text{H}_3\text{O}^+ $$

Стадия 2: Превращение полукеталя в кеталь (2,2-диэтоксипропан)

1. Протонирование гидроксильной группы полукеталя. Кислота протонирует гидроксильную группу полукеталя, превращая её в хорошую уходящую группу (молекулу воды). $$ (\text{CH}_3)_2\text{C(OH)(OCH}_2\text{CH}_3) + \text{H}^+ \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C}(\overset{+}{\text{O}}\text{H}_2)(\text{OCH}_2\text{CH}_3) $$
2. Отщепление воды. Молекула воды отщепляется, образуя резонансно-стабилизированный карбокатион (оксокарбениевый ион). $$ (\text{CH}_3)_2\text{C}(\overset{+}{\text{O}}\text{H}_2)(\text{OCH}_2\text{CH}_3) \rightleftharpoons [(\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OCH}_2\text{CH}_3 \leftrightarrow (\text{CH}_3)_2\text{C=}\overset{+}{\text{O}}\text{CH}_2\text{CH}_3] + \text{H}_2\text{O} $$
3. Нуклеофильная атака второй молекулы этанола. Вторая молекула этанола атакует карбокатион. $$ [(\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{-OCH}_2\text{CH}_3] + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OCH}_2\text{CH}_3)\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) $$
4. Депротонирование. Отщепление протона приводит к образованию конечного продукта — кеталя, и регенерации катализатора. $$ (\text{CH}_3)_2\text{C(OCH}_2\text{CH}_3)\text{-}\overset{+}{\text{O}}\text{H(CH}_2\text{CH}_3) + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{C(OCH}_2\text{CH}_3)_2 + \text{H}_3\text{O}^+ $$

Ответ: Механизм взаимодействия ацетона с этанолом в кислой среде представляет собой последовательность обратимых реакций. Сначала происходит катализируемое кислотой присоединение одной молекулы этанола к ацетону с образованием промежуточного продукта — полукеталя. Затем, также при участии кислоты, гидроксильная группа полукеталя замещается на этокси-группу от второй молекулы этанола, что приводит к образованию конечного продукта — кеталя (2,2-диэтоксипропана) и молекулы воды.

Какую роль в данном процессе выполняет кислота?

Кислота в данной реакции выполняет роль катализатора. Её функции заключаются в следующем:

• Активация карбонильной группы: Кислота протонирует атом кислорода карбонильной группы ацетона. Это приводит к увеличению положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы ($ \delta^+ $), делая его значительно более сильным электрофилом. Без этой активации атака слабого нуклеофила, каким является этанол, была бы затруднена или протекала бы очень медленно.
• Превращение плохой уходящей группы в хорошую: На второй стадии механизма кислота протонирует гидроксильную группу ($ \text{-OH} $) полукеталя. Гидроксид-ион ($ \text{OH}^- $) является плохой уходящей группой. Протонирование превращает её в группу $ \text{-OH}_2^+ $, которая является хорошей уходящей группой в виде нейтральной молекулы воды ($ \text{H}_2\text{O} $). Это облегчает образование карбокатиона, необходимого для присоединения второй молекулы спирта.

Таким образом, кислота ускоряет реакцию, участвуя в промежуточных стадиях, но регенерируется в конце, то есть не расходуется в ходе суммарного процесса.

Ответ: Кислота выступает в роли катализатора, который, во-первых, активирует карбонильную группу ацетона для нуклеофильной атаки спиртом (повышает электрофильность карбонильного углерода) и, во-вторых, превращает гидроксильную группу промежуточного продукта (полукеталя) в хорошую уходящую группу (воду), облегчая образование конечного продукта (кеталя).

3.114. Реакция синтеза ацеталей из карбонильных соединений и спиртов является обратимой. Как можно сместить равновесие данной реакции в сторону образования ацеталя?

Реакция синтеза ацеталей из карбонильных соединений (альдегидов или кетонов) и спиртов является обратимой реакцией, протекающей в кислой среде. Общее уравнение реакции для альдегида выглядит следующим образом:

$$ R-CHO + 2R'-OH \rightleftharpoons R-CH(OR')_2 + H_2O $$

Здесь $R-CHO$ – это альдегид, $R'-OH$ – спирт, $R-CH(OR')_2$ – ацеталь, а $H_2O$ – вода.

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения химического равновесия в сторону образования продуктов (ацеталя) необходимо либо увеличить концентрацию исходных веществ, либо уменьшить концентрацию продуктов реакции.

Для этого на практике применяют следующие методы:

1. Использование одного из реагентов в большом избытке. Чаще всего реакцию проводят в избытке спирта, который одновременно может служить и растворителем. Увеличение концентрации спирта смещает равновесие вправо в сторону образования ацеталя.

2. Удаление воды из реакционной смеси по мере ее образования. Это наиболее эффективный метод. Удалить воду можно несколькими способами:

   • С помощью азеотропной отгонки. Реакцию ведут в присутствии растворителя (например, толуола), образующего с водой низкокипящую азеотропную смесь. Используя насадку Дина-Старка, эту смесь непрерывно отгоняют, конденсируют и разделяют: вода удаляется из системы, а растворитель возвращается в реактор.

   • С помощью химических дегидратирующих агентов. В реакционную смесь добавляют инертные водоотнимающие вещества, такие как безводный сульфат кальция ($CaSO_4$) или молекулярные сита, которые связывают образующуюся воду.

Часто для достижения максимального выхода продукта эти два метода комбинируют.

Ответ: Для смещения равновесия реакции синтеза ацеталей в сторону их образования необходимо либо использовать большой избыток одного из реагентов (как правило, спирта), либо удалять один из продуктов (воду) из реакционной смеси по мере его образования. На практике для удаления воды чаще всего используют азеотропную отгонку с помощью насадки Дина-Старка или добавляют в реакционную смесь химические дегидратирующие агенты.

3.115. Заполните пропуски в таблице.

Структурная формула	Систематическое название	Тривиальное название
		ацетальдегид
	4-метоксибензальдегид
		кротоновый альдегид
	этандиаль
		масляный альдегид
	метаналь

Для строки с тривиальным названием "ацетальдегид":

Решение: Ацетальдегид – это тривиальное название альдегида, содержащего два атома углерода. Систематическое название происходит от алкана с двумя атомами углерода (этан) с добавлением суффикса "-аль", что дает название "этаналь". Структурная формула состоит из метильной группы ($CH_3$), связанной с альдегидной группой ($-CHO$).

Ответ: Систематическое название – этаналь; структурная формула – $CH_3-CHO$.

Для строки со структурной формулой, где к бензольному кольцу присоединены группы $-CHO$, $-OH$ и $-OCH_3$:

Решение: Основой молекулы является бензальдегид (бензольное кольцо с альдегидной группой). Нумерация атомов в кольце начинается с углерода, связанного с альдегидной группой. В положении 3 находится гидроксильная группа ($-OH$), а в положении 4 – метоксигруппа ($-OCH_3$). Таким образом, систематическое название соединения – 3-гидрокси-4-метоксибензальдегид. Это вещество широко известно под тривиальным названием "ванилин".

Ответ: Систематическое название – 3-гидрокси-4-метоксибензальдегид; тривиальное название – ванилин.

Для строки с систематическим названием "4-метоксибензальдегид":

Решение: Систематическое название "4-метоксибензальдегид" указывает на структуру, в которой к бензольному кольцу в положении 1 присоединена альдегидная группа ($-CHO$), а в положении 4 (пара-положение) – метоксигруппа ($-OCH_3$). Тривиальное название этого соединения – анисовый альдегид.

Ответ: Структурная формула – $p-CH_3O-C_6H_4-CHO$; тривиальное название – анисовый альдегид.

Для строки с тривиальным названием "кротоновый альдегид":

Решение: Кротоновый альдегид – это тривиальное название для ненасыщенного альдегида, содержащего четыре атома углерода. Согласно номенклатуре ИЮПАК, нумерация цепи начинается с атома углерода альдегидной группы. Углеродная цепь состоит из 4 атомов (корень "бут-"), содержит двойную связь (суффикс "-ен-") и альдегидную группу (суффикс "-аль"). Двойная связь расположена между 2-м и 3-м атомами углерода. Таким образом, систематическое название – бут-2-еналь.

Ответ: Систематическое название – бут-2-еналь; структурная формула – $CH_3-CH=CH-CHO$.

Для строки со структурной формулой, содержащей бензольное кольцо, двойную связь и альдегидную группу ($C_6H_5-CH=CH-CHO$):

Решение: Основная цепь содержит 3 атома углерода, включая альдегидную группу, и двойную связь, что соответствует проп-2-еналю. У 3-го атома углерода находится фенильный заместитель ($C_6H_5-$). Следовательно, систематическое название – 3-фенилпроп-2-еналь. Тривиальное название этого соединения – коричный альдегид.

Ответ: Систематическое название – 3-фенилпроп-2-еналь; тривиальное название – коричный альдегид.

Для строки с систематическим названием "этандиаль":

Решение: Систематическое название "этандиаль" указывает на наличие двух атомов углерода (корень "этан-") и двух альдегидных групп (суффикс "-диал"). Каждый атом углерода является частью альдегидной группы. Тривиальное название этого простейшего диальдегида – глиоксаль.

Ответ: Структурная формула – $CHO-CHO$; тривиальное название – глиоксаль.

Для строки с тривиальным названием "масляный альдегид":

Решение: Масляный альдегид – это тривиальное название для насыщенного альдегида с четырьмя атомами углерода. Систематическое название происходит от соответствующего алкана (бутан) с добавлением суффикса "-аль". Таким образом, систематическое название – бутаналь.

Ответ: Систематическое название – бутаналь; структурная формула – $CH_3CH_2CH_2CHO$.

Для строки со структурной формулой $CH_2=CH-CHO$:

Решение: Молекула представляет собой альдегид с тремя атомами углерода (корень "проп-") и двойной связью (суффикс "-ен-"). Нумерация начинается с атома углерода альдегидной группы, поэтому двойная связь находится между 2-м и 3-м атомами. Систематическое название – проп-2-еналь. Тривиальное название этого соединения – акролеин.

Ответ: Систематическое название – проп-2-еналь; тривиальное название – акролеин.

Для строки с систематическим названием "метаналь":

Решение: Систематическое название "метаналь" указывает на простейший альдегид, содержащий всего один атом углерода (корень "метан-"). Его тривиальное название – формальдегид.

Ответ: Структурная формула – $HCHO$; тривиальное название – формальдегид.

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.

3.117. Получите ацетофенон с помощью реакций: а) окисления; б) гидратации; в) электрофильного замещения.

Ацетофенон (метилфенилкетон, $C_6H_5C(O)CH_3$) можно получить несколькими способами, используя различные типы реакций.

а) окисления

Для получения ацетофенона реакцией окисления в качестве исходного вещества необходимо взять вторичный спирт — 1-фенилэтанол ($C_6H_5CH(OH)CH_3$). Окисление вторичных спиртов приводит к образованию кетонов. В качестве окислителя можно использовать сильные окислители, такие как дихромат калия ($K_2Cr_2O_7$) или перманганат калия ($KMnO_4$) в кислой среде.

Реакция с дихроматом калия в присутствии серной кислоты протекает по следующей схеме:

$3C_6H_5CH(OH)CH_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3C_6H_5C(O)CH_3 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O$

В этой реакции оранжевый дихромат-ион ($Cr_2O_7^{2-}$) восстанавливается до зеленого иона хрома(III) ($Cr^{3+}$), а спирт окисляется до кетона.

Ответ: Ацетофенон можно получить окислением 1-фенилэтанола, например, с помощью дихромата калия в кислой среде: $3C_6H_5CH(OH)CH_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3C_6H_5C(O)CH_3 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O$.

б) гидратации

Ацетофенон можно синтезировать путем гидратации (присоединения воды) фенилацетилена ($C_6H_5C \equiv CH$). Эта реакция известна как реакция Кучерова и катализируется солями ртути(II) (например, $HgSO_4$) в кислой среде (например, $H_2SO_4$).

Присоединение воды к тройной связи происходит по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода при тройной связи (в данном случае к атому $CH$), а гидроксильная группа — к наименее гидрированному (атому $C$, связанному с фенильной группой). В результате образуется нестойкое промежуточное соединение — енол (1-фенилвиниловый спирт), который сразу же претерпевает таутомеризацию (изомеризацию) в более стабильный кетон — ацетофенон.

$C_6H_5C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, HgSO_4} [C_6H_5C(OH)=CH_2] \rightarrow C_6H_5C(O)CH_3$

Ответ: Ацетофенон получают гидратацией фенилацетилена по реакции Кучерова: $C_6H_5C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, HgSO_4} C_6H_5C(O)CH_3$.

в) электрофильного замещения

Классическим методом получения ароматических кетонов, в том числе ацетофенона, является реакция ацилирования по Фриделю-Крафтсу. Это реакция электрофильного замещения в ароматическом кольце.

Для синтеза ацетофенона бензол ($C_6H_6$) ацилируют с помощью ацилирующего агента, содержащего ацетильную группу ($CH_3CO-$), например, ацетилхлорида ($CH_3COCl$) или уксусного ангидрида ($(CH_3CO)_2O$). Реакция требует наличия катализатора — кислоты Льюиса, чаще всего безводного хлорида алюминия ($AlCl_3$).

Катализатор ($AlCl_3$) взаимодействует с ацетилхлоридом, образуя высокореакционноспособный электрофил — ацилий-катион ($CH_3C^+=O$), который затем атакует бензольное кольцо, замещая один из атомов водорода.

Уравнение реакции с ацетилхлоридом:

$C_6H_6 + CH_3COCl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5C(O)CH_3 + HCl$

Ответ: Ацетофенон получают ацилированием бензола ацетилхлоридом в присутствии хлорида алюминия (реакция Фриделя-Крафтса): $C_6H_6 + CH_3COCl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5C(O)CH_3 + HCl$.

3.118. Почему для водной обработки алкоголятов магния, полученных при взаимодействии карбонильных соединений с реактивами Гриньяра, вместо растворов кислот лучше использовать раствор хлорида аммония?

Решение

Взаимодействие карбонильных соединений (альдегидов и кетонов) с реактивами Гриньяра ($R-MgX$) — это классический метод синтеза спиртов, который протекает в две основные стадии. Сначала происходит нуклеофильное присоединение алкильной группы реактива Гриньяра к атому углерода карбонильной группы, в результате чего образуется промежуточное соединение — алкоголят магния.

Стадия 1: Образование алкоголята магния.

$R'R''C=O + R-MgX \rightarrow R'R''(R)C-OMgX$

На второй стадии, называемой водной обработкой или гидролизом, этот алкоголят магния необходимо протонировать, чтобы получить конечный продукт — спирт. Для этого в реакционную смесь добавляют протонный донор.

При использовании растворов сильных кислот (например, $HCl$ или $H_2SO_4$) происходит эффективное протонирование алкоголята. Однако сильные кислоты создают сильнокислую среду, которая может вызывать нежелательные побочные реакции. Наиболее распространенной из них является кислотно-катализируемая дегидратация (отщепление воды) от полученного спирта, особенно если он является третичным или вторичным. Это приводит к образованию алкенов в качестве побочных продуктов и, как следствие, к снижению выхода целевого спирта.

Побочная реакция дегидратации:

$R'R''(R)C-OH \xrightarrow{H^+} \text{алкен} + H_2O$

Кроме того, другие функциональные группы в молекуле, чувствительные к сильным кислотам, могут также прореагировать.

Использование насыщенного водного раствора хлорида аммония ($NH_4Cl$) является предпочтительным, так как он служит мягким источником протонов. Хлорид аммония — это соль, образованная слабой кислотой (ионом аммония $NH_4^+$) и сильной кислотой (соляной $HCl$). В водном растворе ион аммония подвергается гидролизу, создавая слабокислую среду (pH около 5):

$NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+$

Эта слабая кислотность является достаточной для того, чтобы протонировать сильноосновный алкоголят и превратить его в спирт, но при этом она недостаточно высока, чтобы вызвать дегидратацию спирта или другие кислотно-катализируемые побочные реакции. Процесс протекает мягко и селективно:

$R'R''(R)C-OMgX + NH_4Cl \rightarrow R'R''(R)C-OH + MgXCl + NH_3$

Еще одним преимуществом использования хлорида аммония является то, что образующийся в ходе реакции аммиак ($NH_3$) связывает ионы магния в растворимые комплексы, что предотвращает образование гелеобразного осадка гидроксида магния ($Mg(OH)_2$), который мог бы образоваться при использовании чистой воды и затруднил бы выделение продукта.

Ответ:

Раствор хлорида аммония используется вместо растворов сильных кислот для водной обработки, так как он является мягким протонным донором. Он создает слабокислую среду, которая эффективно протонирует алкоголят магния до спирта, но при этом является недостаточно агрессивной, чтобы вызывать побочные реакции, в первую очередь — кислотно-катализируемую дегидратацию полученного спирта в алкен. Это позволяет увеличить выход и чистоту целевого продукта.

3.119. Назовите известные вам способы исчерпывающего восстановления карбонильных соединений. Какие ограничения имеет каждый из методов?

Решение

Исчерпывающее восстановление карбонильных соединений (альдегидов и кетонов) — это процесс превращения карбонильной группы ($C=O$) в метиленовую группу ($CH_2$). Существует несколько основных методов для проведения такого превращения, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения.

1. Восстановление по Клемменсену (Clemmensen reduction)

Этот метод заключается в кипячении карбонильного соединения с амальгамированным цинком ($Zn(Hg)$) в концентрированной соляной кислоте ($HCl$).

Общая схема реакции: $$ R-C(=O)-R' \xrightarrow{Zn(Hg), \text{ конц. } HCl, \Delta} R-CH_2-R' $$

Ограничения метода:
• Реакция протекает в жестких кислотных условиях, поэтому метод неприменим для соединений, содержащих кислотно-чувствительные функциональные группы. К таким группам относятся: ацетали, простые эфиры, эпоксиды, третичные спирты (могут дегидратироваться и претерпевать перегруппировки), двойные и тройные связи (могут изомеризоваться или присоединять $HCl$).
• Метод плохо подходит для высокомолекулярных, пространственно затрудненных или нерастворимых в кислоте кетонов.
• Для алифатических альдегидов и кетонов могут преобладать побочные процессы, такие как альдольная конденсация и полимеризация. Наилучшие результаты достигаются для арил-алкил кетонов.

Ответ: Восстановление по Клемменсену использует амальгамированный цинк в концентрированной соляной кислоте. Основным ограничением является использование жестких кислотных условий, что делает метод непригодным для молекул с кислотно-чувствительными группами.

2. Восстановление по Вольфу-Кижнеру (Wolff-Kishner reduction)

Метод заключается в нагревании карбонильного соединения с гидразином ($N_2H_4$) и сильным основанием (например, $KOH$ или трет-бутилатом калия $t-BuOK$) в высококипящем растворителе (например, диэтиленгликоле). Реакция протекает через образование промежуточного гидразона.

Общая схема реакции: $$ R-C(=O)-R' + N_2H_4 \xrightarrow{-H_2O} R-C(=N-NH_2)-R' \xrightarrow{KOH, \Delta} R-CH_2-R' + N_2 \uparrow $$

Ограничения метода:
• Реакция проводится в жестких основных условиях и при высокой температуре, что делает ее неприменимой для соединений, содержащих чувствительные к основанию группы (например, сложноэфирные, амидные группы, которые гидролизуются) или группы, способные к элиминированию (например, уходящие группы в $\beta$-положении).
• Возможна эпимеризация хиральных центров, находящихся в $\alpha$-положении к карбонильной группе.
• Пространственно затрудненные кетоны реагируют очень медленно или не реагируют вовсе.
• Высокие температуры могут приводить к термическому разложению сложных молекул. Использование более мягких модификаций (например, $t-BuOK$ в ДМСО) позволяет проводить реакцию при более низких температурах, но условия все равно остаются сильноосновными.

Ответ: Восстановление по Вольфу-Кижнеру использует гидразин и сильное основание при нагревании. Главное ограничение — жесткие основные условия и высокая температура, что несовместимо с чувствительными к основаниям функциональными группами и термически нестабильными соединениями.

3. Восстановление через тиоацетали (Мозинго, Mozingo reduction)

Это двухстадийный метод, который является наиболее мягким и универсальным из рассматриваемых. На первой стадии карбонильное соединение превращают в циклический тиоацеталь (или тиокеталь) при реакции с дитиолом (например, 1,2-этандитиолом) в присутствии кислотного катализатора. На второй стадии проводят десульфуризацию полученного тиоацеталя с помощью никеля Ренея ($Raney Ni$). Мягкость условий делает метод совместимым с большинством функциональных групп, чувствительных к сильным кислотам или основаниям (сложные эфиры, амиды, лактоны и др.).

Общая схема реакции: $$ R-C(=O)-R' \xrightarrow{\substack{1. \text{ HS(CH}_2\text{)_2SH, H}^+ \\ 2. \text{ Raney Ni}}} R-CH_2-R' $$

Ограничения метода:
• Метод является двухстадийным, что может снижать общий выход продукта.
• Никель Ренея является сильным гидрирующим агентом и может восстанавливать другие функциональные группы в молекуле, такие как нитрогруппы, имины, оксимы, а также двойные и тройные связи (особенно сопряженные). В жестких условиях может затрагивать и ароматические системы.
• Сернистые соединения, используемые на первой стадии, могут "отравлять" другие катализаторы, что необходимо учитывать при планировании многостадийных синтезов.

Ответ: Восстановление через тиоацетали — это мягкий двухстадийный метод, включающий образование тиоацеталя с последующей десульфуризацией никелем Ренея. Ограничения связаны с многостадийностью и неселективностью никеля Ренея, который может восстанавливать и другие функциональные группы.