Реакције адиције алдехида и кетона. Алдолна кондензација

Подсети се... 
Нуклеофилне честице могу да буду негативни јони и молекули са атомима који имају слободан пар електрона, на пример: хидроксидни јон, карбанјон, цијанидни јон, молекул воде, молекул амонијака и слични молекули и јони.

Реактивност алдехида и кетона одређена је структуром и поларношћу карбонилне групе.

Карбонилна група може се упоредити с двоструком везом у молекулима алкена. Међутим, за разлику од двоструке везе у молекулима алкена, карбонилна група је поларна, при чему је атом угљеника у њој делимично позитивно наелектрисан. Због тога се при реакцијама алдехида и кетона за атом угљеника из карбонилне групе везује нуклеофилна честица реагенса. И док је за алкене карактеристична електрофилна адиција, алдехиди и кетони учествују у реакцијама нуклеофилне адиције (1).

Већина реакција нуклеофилне адиције алдехида и кетона јесте равнотежна, а положај равнотеже зависи од стабилности учесника реакције при датим условима. Поједини адициони производи су нестабилна једињења и лако се даље разграђују или учествују у реакцијама трансформација с другим молекулом присутним у реакционој смеши.

На молекуле карбонилних једињења могу се адирати молекули воде, молекули амонијака и деривата амонијака, алкохоли, цијановодоник итд.

1. Реакција адиције воде
Вода се може адирати на молекул алдехида или кетона, при чему настаје нестабилно једињење – карбонил-хидрат (2). То једињење толико је нестабилно да се из водене средине само у ретким случајевима може изоловати у чистом облику. Реакција се може убрзати у киселој или у базној средини.

2. Реакције адиције амонијака
Уколико карбонилно једињење реагује са амонијаком, атом азота из молекула амонијака везује се за карбонилни атом угљеника, при чему се раскида π веза. Настали производ је, као и у случају карбонилхидрата, нестабилан и лако се разлаже уз одвајање молекула воде (дехидратација, тј. елиминација воде). Настали производ припада класи имина (3).

Приказане реакције (адиција и елиминација) могу да се споје у једну једначину у којој је представљено само почетно и крајње стање (4).

Слично амонијаку с алдехидима и кетонима реагују и деривати амонијака: хидроксил-амин (NH₂–OH), хидразин (NH₂–NH₂) и други, дајући оксиме, хидразоне и друга слична једињења.

3. Реакција адиције алкохола
Алдехиди и кетони могу у киселој или базној средини да реагују с молекулима алкохола. Адицијом једног молекула алкохола на један молекул карбонилног једињења (5) настају полуацетали (хемиацетали).

У формули молекула полуацетала увек су за један атом угљеника везане хидроксилна и алкоксидна група (слика 1).

Aко се, у киселој средини, дода вишак алкохола, реакција се наставља супституцијом хидроксилне групе полуацетала новом алкоксидном групом. Настала једињења су ацетали (7).

Ацетали су нешто стабилнији од полуацетала и могу се изоловати у чистом облику. То се постиже тако што се уклоне киселина и вода након формирања ацетала.

У формули молекула ацетала за исти атом угљеника везане су две алкоксидне групе (слика 2). При одређивању којој групи једињења припада одређено једињење са две алкоксидне групе, важно је разликовати ацетале од етара. На пример, 1,2-диметоксипропан је етар, а 1,1-диметоксипропан је ацетал.

Полуацетали и ацетали важни су за разумевање својстава угљених хидрата. На пример, у молекулу глукозе постоје и алдехидна и хидроксилна група. Због тога се у међусобној реакцији тих група гради циклични полуацетални облик глукозе, при чему својства глукозе у том облику имају сличности с другим цикличним полуацеталима.

4. Реакција адиције цијановодоника
Адицијом молекула цијановодоника на молекул алдехида или кетона настаје цијанхидрин (оксинитрил) (8).

Цијанхидрини су важна једињења, јер се даље могу трансформисати у друга органска једињења. На пример, адицијом цијановодоника на етанал (ацеталдехид) настаје одговарајући цијанхидрин, а његовом хидролизом млечна киселина (9).

5. Грињарова реакција алдехида и кетона
Грињаров реагенс може реаговати са алдехидима и кетонима. У првом кораку те реакције настаје со алкохола, а будући да се те соли лако хидролизују (потичу од слабе киселине), даљом хидролизом настаје алкохол (10).

Када се упореде формула полазног молекула карбонилног једињења и крај њег производа молекула алкохола, може се уочити да производ садржи алкил-групу из Грињаровог реагенса (11).

У табели испод дат је преглед начина на које се структура и врста карбонилног једињења одређује структуру и врсту насталог алкохола.

Алдолну адицију, односно кондензацију, открили су 1872. године независно један од другог Шарл А. Вурц (стр. 79) и руски научник Александар П. Бородин (1833–1887). To је важна реакција у синтези различитих фармацеутских производа, на пример антибиотика (тетрациклина) и препарата који се користе у лечењу различитих обољења. То је реакција која је заступљена и у метаболизму.

Важан аспект реакција алдолне кондензације је то што у њима настаје нова веза између атома угљеника (С–С веза). Реакција алдолне адиције је нуклеофилна адиција. У тој реакцији се не додаје посебан нуклеофилни реагенс, већ од једног молекула карбонилног једињења помоћу базе настаје нуклеофилна честица, која напада електрофилни атом угљеника другог молекула карбонилног једињења. Као производ реакције настаје алдол, чији је назив сложеница од „алд” као алдехид и „ол” као алкохол (12).

Алдолна адиција је реакција двају или више молекула карбонилних једињења у базној средини.

Алдоли су β-хидроксиалдехиди или β-хидроксикетони, јер се хидроксилна група увек налази на β-aтому угљеника.

Реакцијом алдолне адиције могу се добити производи реакције два молекула истог карбонилног једињења или производи укрштене алдолне адиције, када реагују молекули различитих карбонилних једињења (13).

Реакција се дешава у два корака. У првом кораку настаје нуклеофилна честица од једног молекула карбонилног једињења (на пример, етанала) (14). Та нуклеофилна честица је енолатни јон.

База „напада” делимично позитивно наелектрисан атом водоника са α-атома угљеника. Због тога је за реакцију алдолне адиције кључно да бар један од молекула има атом водоника на α-атому угљеника.

У другом кораку реакције настали јон везује се за делимично позитивно наелектрисан атом угљеника другог молекула карбонилног једињења, а атом кисеоника из карбонилне групе везује јон водоника из воде (15). Почетна количина хидроксидних јона у тој реакцији се не мења.

Уколико се настали производ загреје, може доћи до елиминације молекула воде и тада настаје незасићено карбонилно једињење. Ако је то њен крајњи прозвод реакције, онда је та реакција алдолна кондензација. Двострука веза и карбонилна двострука веза у молекулу производа увек су конјуговане, а једињење се означава као α, β-незасићени алдехид или кетон (16).

Уколико ниједан од полазних молекула карбонилног једињења не поседује атом водоника, на α-атому угљеника не може се десити алдолна адиција (кондензација). Због тога је могуће издвојити услове који су потребни за реакцију алдолне адиције и то су:

1. један од молекула карбонилног једињења мора да има атом водоника на α-атому угљеника,
2. у реакцији мора да постоји база (хидроксидни јон) – да би настала нуклеофилна честица.

За разлику од других једињења која садрже карбонилну групу, као што су естри, карбоксилне киселине, ацил-халогениди, за карбонилна једињења није карактеристична реакција супституције.

Oсим реакција нуклеофилне адиције и алдолне кондензације, алдехиди и кетони учествују и у више оксидоредукционих процеса.