Альдольно-кротоновая конденсация

Гораздо чаще чем альдоли, при самоконденсации получают продукты их дегидратации. Такие продукты часто называют по-русски продуктами кротоновой конденсации, или продуктами кротонизации, или даже просто кротоновыми продуктами (на английском языке вы этих терминов не найдёте – у нас терминология своя, и неудивительно – молва, по свидетельству одного странствующего немца, приписывает открытие альдольной конденсации Александру Порфирьевичу Бородину, о чём он сам, впрочем, ничего не написал – был, видимо, сильно занят сочинением Князя Игоря). Кротоновым альдегидом называется простейший продукт этого типа, продукт дегидратации ацетальдоля. Многим это название напомнит весьма популярное комнатное растение кротон (Кротон или Кодиеум пестролистный) с яркими цвестастыми листьями, и не зря, соответствующую кислоту, кротоновую, в старину якобы нашли в продуктах омыления кротонового масла, содержащегося как в этом комнатном растении, так и в его близком родственнике, тропическом лекарственном растении Кротоне слабительном. С кротоновым маслом связано множество занятных историй, так как оно известно издревле и много раз было использовано во всяких исторических каверзах.

Дегидратация альдоля делает саму конденсацию практически необратимой, хотя каждая из стадий принципиально обратима, но равновесие дегидратации/гидратации смещено уже в сторону продукта дегидратации, и это смещает весь процесс в сторону этого продукта. В терминах констант равновесий это означает, что константа равновесия образования альдоля можеб быть больше единицы (для альдегидов), или меньше единицы (для кетонов), но в любом случае это равновесие подвижно и никогда не бывает сильно смещено в сторону продуктов. А вот дегидратация альдоля – это уже равновесие, сильно смещённое в сторону продукта дегидратации (константа равновесия сильно больше единицы), и к тому же, в эту константу в числителе входит еще вода, которую легко удалять (она даже может это делать сама выделяясь в отдельную несмешивающуюся фазу), а тогда общее равновесие образование продукта дегидратации альдоля совсем смещается в сторону этого продукта еще и с помощью Ле Шателье.   

Конденсация с образованием продукта дегидратации – буду называть её кротоновой конденсацией, нужно же использовать преимущества родного языка, ведь очень редко бывает так, что по-русски короче, чем по-английски – требует или кислотного или основного катализа. Обратите на это внимание – речь сейчас идёт только о самоконденсации, не пытайтесь обобщить то, что мы узнаем про самоконденсацию, на конденсацию двух разных карбонильных соединений (перекрёстную или, по-другому, кросс-конденсацию) – там очень много существенных нюансов. В самоконденсации

• кислотный катализ всегда приводит к продукту дегидратации альдоля, иными словами, кислотно-катализируемой всегда является кротоновая конденсация, хотя обратное неверно так как
• основный катализ приводит к альдолю в уже рассмотренных выше случаях, во всех других, а именно в самоконденсации енолизуемых кетонов, образуются продукты дегидратации даже в присутствии оснований, а это означает, что кротоновая конденсация вполне может катализироваться основаниями.

Почему кислотный катализ приводит к кротоновому продукту довольно ясно. Для простоты запишем механизм для самого простого варианта кислотного катализа – за счёт протонирования сильной кислотой (напомню, что этот вариант кислотного катализа принято называть специфическим). Кислота катализирует как превращение кето-формы в енол, так и собственно конденсацию енола с кето-формой, электрофильность которой повышается при протонировании, что делает ее способной реагировать с енолом. Первоначальный продукт, протонированный альдоль, после переноса протона, обратимо теряет воду и превращается в продукт дегидратации. Последнее равновесие, хоть и настоящее, но практически полностью смещено вправо в сторону конечного продукта, что делает всю реакцию фактически необратимой.   Кроме этого еще бывает вариант катализа слабой кислотой, за счёт активации водородными связями – в кротоновой конденсации это работает всё же редко, поэтому оставим. И ещё есть катализ кислотами Льюиса – всякими солями и комплексами металлов, работающих за счёт координации металла по атомам кислорода: это очень распространённый вариант и самоконденсации и кросс-конденсации, но мы оставим его до обсуждения направленной конденсации.

А вот почему основный катализ может приводить и приводит к продукту дегидратации. О, это очень просто. Надо просто никогда не забывать про законы равновесия. И помнить, что равновесие одно, от катализа оно (положение равновесия) не зависит, хотя скорость достижения равновесия, естественно, зависит. И даже детали механизма тоже от катализа зависят. И это тоже понятно, механизм влияет на скорость, но никак не влияет на равновесие (положение равновесия или, что то же самое, константу равновесия, если быть точным). Запишем механизм, использовав в качестве основания гидроксид-ион. Можно было бы и другое основание взять, это не принципиально. Итак, при оновном катализе обратимо образующийся енолят реагирует с самим карбонильным соединением, образуя альдоль. И если мы запишем механизм отщепления воды от альдоля, мы в очередной раз устроим себе встречу со старым знакомым. Всё в химии взаимосвязано: отщепление от альдоля это обратная реакция к 1,4-присоединению гидроксид-иона к ненасыщенному карбонильному соединению. Более того, если мы ещё раз прочитаем в обратную сторону 1,4-присоединение, то увидим, что это не что иное как элиминирование по механизму E1cb – помните такой? Отщепление от сопряжённого основания, в данном случае это енолят альдоля, и именно енолят альдоля образуется при присоединении гидроксид-иона к двойной связи карбонильного соединенения. Круг замкнулся. Теперь нам точно понятно, почему в присутствии основания происходит дегидратация точно так же, как в присутствии кислот, хотя и по другому механизму.  

В случае кетонов первое равновесие смещено в сторону исходных кетонов, альдоля в равновесной смеси мало. Поэтому, что бы мы не делали, на альдоле мы остановиться не можем. Но равновесие альдоль-дегидратированный альдоль смещено уже в сторону второго. Понятно почему: возникает сопряжённая двойная связь, да ещё и сильно замещенная – ведь когда реагируют кетоны, все заместители на образующейся двойной связи не водороды. Это тоже стабилизирующий эффект. В принципе, могла бы вмешаться стерика, но до этого дело доходит редко, так как кетоны с большими заместителями вообще не очень охотно вступают в реакции альдольной конденсации, особенно ненаправленной.

На практике кислотный катализ для кротоновой конденсации (самоконденсации!) используют чаще, чем основный. Для альдегидов это почти единственный выбор получить кротоновый продукт сразу, а не дегидратацией альдоля, то есть в две стадии. Для кетонов возможны оба типа катализа. Используют как самые простые катализаторы типа раствора HCl в этаноле (это можно получить очень просто, добавив к этанолу любое вещество, которое с ним бурно реагирует с выделением HCl – хлористый тионил, триметилхлорсилан, безводный хлорид алюминия), так и много численные кислоты Льюиса типа TiCl4 или алкоксилатов алюминия.

Для простых альдегидов кротоновая конденсация идёт легко в присутствии самых разнообразных кислот. Самый простой енолизуемый альдегид даёт кротоновый альдегид в полном смысле этого слова. Кротоновый альдегид настолько реакционноспособен, что очень легко конденсируется дальше во всевозможные продукты и по механизму альдольно-кротоновой конденсации, и через присоединение по Михаэлю, поэтому в промышленности, где очень не любят реакции с большим количеством побочных продуктов, предпочитают альдольную конденсацию в присутствии водной щёлочи, и последующую дегидратацию ацетальдоля. Кротоновый альдегид производят в промышленности в немаленьких количествах, и используют дальше в многочисленных синтезах всяких полезных веществ, в первую очередь сорбиновой кислоты, самого популярного пищевого консерванта (поэтому у неё и её солей международные Е-индексы, Е200-Е203 идут в самом начале раздела консервантов).

Но самая важная альдольно-кротоновая конденсация в промышленности не получение кротонового альдегида из ацетальдегида, а конденсация н-масляного альдегида (который, кстати, ещё не так давно получали гидрированием кротонового альдегида, но в 21 веке перешли на гидроформилирование пропилена в присутствии родиевого катализатора). Масляный альдегид тоже предпочитают конденсировать в две стадии, через промежуточный альдоль – продукт получается чище. Продукт конденсации в основном гидрируют в 2-этилгексиловый спирт. Это с виду странный спирт – один из самых крупнотоннажных продуктов мировой химической промышленности, в год его производят около 5 миллионов тонн, больше чем большинство лругих спиртов за исключением метилового, этилового и бутилового, да и от них отстаёт совсем немного. Если будете заниматься органической химией, особенно такой, которая имеет практическое применение, не раз и не два столкнётесь с этим остатком. Эту штуку используют везде, где нужно придать какому-то веществу или композиции повышенную растворимость в неполярных средах (маслах, жирах, и т.п.), уменьшить вязкость, увеличить пластичность и т.п.

 

Самоконденсация кетонов хоть с кислотным, хоть с основным катализом практически всегда даёт продукты дегидратации, и мы уже обсудили почему. Среди таких продуктов много весьма знаменитых и полезных веществ.

Особенно плодотворен на продукты кротоновой самоконденсации ацетон. Ацетон очень легко вступает в самоконденсацию в присутствии сильных кислот, образуя целый спектр интересных и полезных продуктов. Самый простой продукт носит название окиси мезитила. Почему мезитила, какая к чёрту окись, что за странное название? Это такой исторический след, очень занятный. Ацетон одним из первых получил прусский естествоиспытатель и изобретатель очень модных нынче шарлатанских идей про витальную силу и прочий вздор барон Карл фон Райхенбах при нагревании древесины, перегоняя получившуюся жидкую смесь он выделил промежуточную фракцию, которую и назвал мезит, что как раз и значит “промежуточный”. Серьёзные химики в 1830-х стали разбираться и нашли, что это то же самое, что получается при сильном нагревании солей уксусной кислоты, и по этой причине получило название пироуксусный спирт. Слово “ацетон” тогда тоже уже было, но им называлось не конкретное соединение, а любые продукты, получающиеся при сильном нагревании солей органических кислот. Первый такой продукт был получен из уксусной кислоты, откуда, собственно, и возникло само слово ацетон, только понимали его тогда не как название конкретного соединения, а как такой общий термин – всякое вещество, получающееся при термическом разложении солей органических кислот. В таком смысле продукт из солей уксусной кислоты называли конкретнее, не просто ацетон, а “уксусный ацетон”, и в последующие лет 50 название ацетоны сначала было единственным для обозначения таких веществ, потом возникло понятие структуры и классов органических соединений, параллельно возникло слово кетоны буквально как синоним слова ацетоны (собственно, это просто сокращение слова ацетоны, появившееся сначала у французов – acétone/cétone, но немцы заменили во втором слове це на к, оттуда и пошло всем известное название класса), и только с конца 19 века ацетон стал ацетоном, а названием класса стало только “кетоны”.

Дальше всех продвинулся ирландский учёный и политик сэр Роберт Кейн в конце 1830-х. В те времена органических соединений стало известно уже довольно много, для каждого из них определяли элементный состав и обнаружили, что в органических соединениях часто встречаются повторяющиеся куски, а сами молекулы как будто представляют собой комбинации этих кусков – радикалов. И каждый хотел найти какой-то новый кусок, новый радикал. Вот Кейн взялся за пироуксусный спирт, он же ацетон, он же мезит, и представил его формулу как C₃H₆O = C₃H₅-OH, и назвал то, что ему показалось новым радикалом C₃H₅ – мезитилом. И получилось у него поэтому, что ацетон следует называть мезитиловым спиртом. Тогда никто не вкладывал в слово спирт понятие “представитель класса спиртов”, а просто комбинировали радикал с остатком OH, да и вообще спиртами обычно называли легколетучие органические вещества, получаемые при нагревании какого-нибудь материала (от первоначального смысла слова спирт – дух, нечто летучее). И захотел молодой профессор Кейн найти другие производные радикала мезитила. И добавил к ацетону серной кислоты и стал это перегонять. И получил продукт кротоновой конденсации и определил его состав. Мы его тоже знаем – это два ацетона минус вода, то есть C₆H₁₀O, а это просто раскладывается как C₃H₅-O-C₃H₅. Сейчас бы мы это могли попробовать назвать эфиром, если бы еще знали структуру и были уверены, что два остатка связаны с одним кислородом, но тогда ничего подобного известно не было, а к анализу – даже не формул, а просто состава – подходили как к паззлу “найди повторяющиеся кусочки и подгони друг к другу”, и в таких ситуациях по аналогии с соединениями элементов использовали слово окись (оксид). Вот и получилась окись мезитила, и живёт с нами уже 180 лет – это одно из самых старых названий органических соединений. Пытался Кейн получить и другие производные мезитила, нагревал ацетон с хлористым водородом, надеясь получить хлорид мезитила – не получил. Ещё разные опыты, с тем же успехом. Но ещё один раз ему повезло. Добавил он побольше серной кислоты, всё почернело и заколдобилось, но из этой мерзкой жижи смог отогнать он соединение, которое мы нынче знаем, как 1,3,5-триметилбензол. Состав его C₉H₁₂, но это нам понятно, а в те времена ещё не умели определять молярную массу негазообразных веществ (напомню, что молярная масса газов определяется по относительной плотности по воздуху или другому известному простому газу, это работает для газов и легколетучих веществ, которые можно легко превратить в пар, в частности, плостность самого ацетона в газовой фазе была уже тогда определена очень точно). Поэтому получилось, что состав соотвествует формуле C₃H₄, а это C₃H₅ – H. Радикал минус водород тогда называли окончанием -илен (этил – этилен, ацетил – ацетилен и т.п.), вот и получился мезитилен. И это название дошло до нас, и даже узаконено ИЮПАКом. Из всего этого следует и то, что Кейну принадлежит приоритет в открытии альдольно-кротоновой конденсации, но так как в те времена еще никто ничего не знал о том, как идут органические реакции и что такое вообще структура, он не мог должным образом описать своё открытие, и приоритет этот историей не зафиксирован: альдольно-кротоновую конденсацию переоткрыли несколько десятилетий спустя уже с большим знанием дела сразу несколько учёных, среди которых и Бородин, и Кьёцца, и Вюрц, и Кляйзен, и Фиттиг, так что это в некотором смысле совместная ирландско-итальянско-русско-немецко-французская разработка. Про Кейна, впрочем, забыли ещё и потому, что он забросил химию ради политики раньше, чем эта самая химия стала серьёзной наукой с мощным научным сообществом – поэтому он не успел вписаться в это сообщество, и был забыт. Очень жаль, потому что статья про мезитил у него написана в 1839 году так чётко и аккуратно, что местами читается почти как современная.

Вернёмся к химии. Добавление сильных кислот или оснований к ацетону приводит к самоконденсации, но у этой реакции никогда не бывает одного продукта. Первый продукт самоконденсации, окись мезитила, быстро подхватывает ещё одну молекулу ацетона и процесс идёт дальше – образуется смесь. Из этой смеси довольно легко отогнать окись мезитила, она кипит около 130ºС а всё остальное – гораздо выше, но выходы не будут очень высоки. Поэтому препаративно окись мезитила предпочитают получать дегидратацией альдоля – диацетонового спирта, который, как мы знаем, можно получить в чистом виде довольно легко. Эта реакция очень легко происходит при нагревании в присутствии буквально нескольких крупинок иода. Молекулярный иод часто используют как катализатор дегидратации в тех случаях, когда дегидратация очень выгодна и легко идёт, например, образуется сопряжённая двойная связь. Механизм действия иода до конца до сих пор не понятен, но часто считают, что дело в образовании каталитических количеств сильной кислоты, HI, то есть реакция идёт как кислотно-катализируемая дегидратация. В то же время иод не вызывает побочных реакций, по сравнению со специально добавленной сильной кислотой, например, серной, фосфорной или толуолсульфоновой, в присутствии которых окись мезитила, как енолизуемый кетон, самоконденсируется дальше. 

Просто при самоконденсации ацетона в присутствии сильных кислот получается немало второго продукта самоконденсации. Это соединение, которое называется форон, а почему, узнаем ниже, – получается очень просто: это продукт кротоновой конденсации окиси мезитила с ацетоном по свободной метильной группе. Именно ацетон здесь вступает карбонильной компонентой, и мы знаем почему – ацетон это маленький кетон без стерических проблем с более доступной карбонильной группой. К тому же у окиси мезитила карбонил сопряжён с двойной связью, а это снижает электрофильность карбонильной группы. Поэтому в этом случае фактически идёт перекрёстная конденсация двух разных енолизуемых кетонов, но она оказывается довольно селективной. Это не значит, что эта реакция обладает высокой селективностью, в таких конденсациях всегда много побочных продуктов, но основной продукт вполне неплохо получается. Впрочем мы уже скоро выясним, что в этой смеси всё-таки есть ещё один продукт, и он как раз получается, когда ацетон и окись мезитила меняются ролями в кротоновой конденсации.  

Кислотно катализируемую конденсацию ацетона очень хорошо делают в промышленных условиях, используя всякие кислотные катализаторы, как любят в промышленности, какие-нибудь твёрдые, гетерогенные, чтобы легко можно было удалять катализатор из продуктов реакции. Мы не будем заморачиваться конкретными условиями, а просто покажем обобщённую сильную кислоту – в этом случае это совсем не принципиально, а если вам захочется, в литературе вы найдёте десятки конкретных условий, отличающихся природой кислоты, температурой, временем и прочими условиями, но с приблизительно одинаковым результатом – образуется смесь окиси мезитила и форона плюс немало тёмной зловонной смолы. Всё это перегоняют, выделяют непрореагировавший ацетон, чистую окись мезитила (основной продукт всегда – до 60-70%) и чистый форон (второй продукт, от 10 до 30%). Оба эти вещества весьма востребованы как полупродукты тонкого органического синтеза, из них делают много полезного. 

Ещё в глубокую старину в труде ирландца Кейна было известно, что если конденсацию вести максимально жёстко, при добавлении весьма большого количества концентрированной серной кислоты и выдерживания такой смеси в течение нескольких дней, получается омерзительная зловонная чёрная жижа. В этой жиже всё что могло осмолиться уже осмолилось, и не осмолилось только то, что не может просто так осмолиться. Скорее всего там ничего такого и быть не может, ведь и исходное, и все известные нам продукты – весьма реакционноспособные вещества, кетоны, еноны, как они могут не осмолиться в концентрированной серной кислоте, ведь каждый из них способен конденсироваться дальше, до бесконечности – каждый имеет и карбонил и енолизуемые положения, как это можно остановить.. Чтобы завершить славное дело полного осмоления, в конце смесь еще и нагревают, и на всякий случай пробуют из неё что-то отогнать, просто так или с водяным паром. Отчаянная попытка – что там может быть, черна и зловонна бездна, в аду такого, наверно, не встретишь, а если встретишь, то это было бы хорошим местом для некоторых особенно отмороженных злодеев, мы знаем их имена. Мы вообще-то уже знаем, что может выжить в несовместимых с жизнью условиях – простая ароматика, бензол с несложными заместителями типа метилов. Но откуда там это? Посмотрим-ка на возможный продукт кротоновой конденсации ацетона с окисью мезитила, в которой участники поменялись ролями – ацетон стал метиленовой компонентой, а окись мезитила – карбонильной. Вот он, рядом с обычным продуктом, фороном. Красивого названия у него нет, потому что он быстро превращается дальше и из смеси не выделяется.Так мы получили ненасыщенный кетон, у которого есть возможность вступить в ещё одну кротоновую конденсацию, причём внутримолекулярную, но при этом немного необычную. В ненасыщенных карбонильных соединениях возможна енолизация с участием не только α-водородов, но и атомов водорода, отделённых от карбонила двойными связями. Это явление раньше любили называть винилогией, по аналогии с гомологией, но только когда разница между двумя молекулами не метиленовая, а винильная группа. Как мы знаем, в таких случаях такая вставная двойная связь работает как удлинитель сопряжения – проводник мезомерного эффекта. Посмотрим на простом примере, сравнив уксусный и кротоновый альдегиды. Как видим, хотя у кротонового альдегида нет α-водородов, но енол он образует отлично, и этот енол вовлекает в дело очень далёкий от карбонила атом – γ-углерод, который также становится нуклеофильным. Есть некоторый соблазн назвать такой удлиннённый енол диенолом, но так обычно не делают, и так всё понятно. Точно такие же фокусы можно было бы разрисовать и для енолята, и для енамина, и для эфира. Мы не будем слишком глубоко это копать, потому что у таких соединений весьма непростая химия, которая не сводится просто к удлинению – у них возникает дополнительный нуклеофильный центр, а значит и конкуренция, и проблема селективности, в общем мороки на порядок больше.

Зато мы теперь понимаем, что в альтернативном продукте кротоновой конденсации окиси мезитила и форона очень даже возможна внутримолекулярная кротоновая конденсация как раз на таком удалённом нуклеофильном центре с образованием того, что мы, а за нами и Природа, так любим – шестичленный цикл, и этот цикл оказывается ароматическим. Перерисуем структуру так, чтобы этот путь был хорошо виден, и получим этот интересный результат – внутримолекулярная кротоновая конденсация может дать продукт, не являющийся карбонильным соединением. Да, нам придётся не просто перерисовать, но и понять, что речь идёт о транс- и цис-изомерах, то есть о настоящей изомеризации, но это не проблема – во-первых, мы ничего не знаем про то, какой изомер там получился, во-вторых, сопряжённые двойные связи слабее обычных и изомеризуются довольно легко, в-третьих, условия у этой реакции достаточно жёсткие. Вряд ли это может быть помехой. Рисуем.

Всё вроде красиво. Но человек внимательный не может не насторожиться. Постойте-ка, скажет она или он, что-то тут не так. Чтобы произошла альдольно-кротоновая конденсация нам нужен карбонил и нуклеофильная форма енолизуемого соединения, пусть енол. Но они нужны одновременно. А поскольку оба этих фрагмента в этом случае находятся в одной молекуле, они зависят друг от друга. И там, где енол, нет карбонила, а там, где карбонил, нет енола. И как же тогда пойдёт конденсация??? Караул, опять жулики и воры впаривают нам туфту, а мы, доверчивые, чуть не купились на эту “красоту”. Где красота, там обман, не правда ли?

Так, но реакция-то идёт. Продукт циклизации получается. Придётся придумать что-то другое. Возможно, вот что. Уйдём совсем от химии енолов и карбонильных соединений. В химии очень много реакций, в которых что-то интересное происходит, когда встречаются несколько двойных связей в такой ситуации, когда возможно одновременное перемещение шести электронов в циклическом переходном состоянии, что приводит к согдасованному разрыву и образованию связей. Такие реакции называются перициклическими. С одной из них мы хорошо знакомы – это реакция Дильса-Альдера. Есть и другие, например, вот такая: 

Это называется без затей гексатриен-циклогексадиеновой перегруппировкой. Это довольно редкая реакция, идёт она почти всегда только в сторону цикла просто при нагревании сопряжённого гексатриена. Не будем подробно на ней останавливаться, в программе у нас её нет и не предвидится, хотя одна очень похожая перегруппировка у нас есть и мы ей будем заниматься, может и про эту ещё вспомним. Давайте теперь нарисуем, что будет, если такая реакция произойдёт с енолом, который мы уже нарисовали. Как видим, всё отлично. Перегруппировка даёт спирт, который безусловно в кислой среде тут же выбросит воду с образованием ароматической системы, и получится тот же мезитилен, только уже без необходимости применять негодный механизм и делать вид, что всё в порядке. Хороша наука химия – какая-нибудь лазейка найдётся всегда, стоит только поискать! И так и должно быть – ведь главное в том, что реакция идёт, это экспериментальный факт, а значит должно быть и убедительное объяснение (механизм) почему.

В условиях основного катализа ацетон даёт немного другие продукты. Сначала всё равно образуется окись мезитила. И к ней тоже пристраивается ещё одна молекула ацетона, но поскольку реакция происходит в присутствии основания, то не в виде енола, а в виде более нуклеофильного енолята. А енолят к енону, как мы знаем, присоединяется не по 1,2-пути, а по 1,4-пути. И продукт такой реакции – дикетон, будет иметь карбонил и енолизуемое положение (карбонильную и метиленовую компоненту) на таком расстоянии, что внутримолекулярная альдольная конденсация приведёт к образованию 6-членного цикла, что очень выгодно. Получится такой ненасыщенный кетон, циклогексенон с метилами. Вообще, это не что иное как аннелирование по Робинсону ацетона окисью мезитила. И хотя, безусловно, самокондесация ацетона в основной среде не может быть селективной, и в реальности получается сложная смесь продуктов, но при тщательной оптимизации условий, времени реакции, соотношения реагентов и катализатора, изофорон получается фактически как основной продукт. В промышленности для производства этого производного циклогексенона ацетон конденсируют в присуьствии небольшого количества водной щёлочи, и продукты реакции подвергают аккуратной фракционной перегонке. 

Фокус в том, что этот продукт имеет тот же состав, что и форон, продукт конденсации ацетона в кислой среде, это изомер форона. И очень долго эти два продукта вообще не могли различить – состав у них одинаковый и кипят они почти при одной и той же температуре. Нагревали ацетон кто с кислотами, кто с щелочами, после реакции перегоняли и получали практически одинаковые фракции – и по температуре кипения, и по элементному составу. Почти весь 19 век их считали одним и тем же веществом, и полагали, что уксусный ацетон и в присутствии щелочей, и в присутствии сильных кислот даёт одно и то же – окись мезитила из двух молекул ацетона и продукт из трёх молекул ацетона. Как же он называется?

О, это детективная история – история вещества-самозванца, позаимствовавшего чужое имя. Этой истории больше 150 лет и она до сих пор не закончена – это можно легко увидеть, если посмотреть статьи в Википедии про соединение, называемое “форон”. Что за форон такой? Читаем википедию: это продукт самоконденсации ацетона – тот самый, который получается в кислой среде. Хорошо, это мы и так знаем, а почему всё таки название такое загадочное – почему форон? А потому что какие-то древние французы в глубокой старине, когда было принято все новооткрытые органические кислоты в виде кальциевых солей как следует нагревать,  получили это соединение нагреванием кальциевой соли камфорной кислоты. Сначала они назвали это соединение камфорилом, а чуть позже вспомнили, что такие вещества стало принято называть ацетонами, то есть это по признаку реакции, в которой он получен, камфорный ацетон. Чуть позже сократили в камфорон, и довольно быстро появилась и совсем краткая форма – форон, эти названия стали употреблять вперемешку. Через некоторое время это вещество сравнили с продуктом самоконденсации настоящего ацетона (уксусного ацетона, по тем понятиям). Состав у них оказался одинаковый, кипят они очень близко, по тем временам можно было сказать, что одинаково. И хорошо нам знакомый Рудольф Фиттиг (реакция Вюрца-Фиттига никому не нужна, но исторически очень важна, а ещё Фиттиг открыл пинакон и  пинакон-пинаколиновую перегруппировку, правда не смог в ней разобраться) предположил, что это одно соединение. Это было почти ровно 150 лет назад. И судя по главе в Википедии, оказался прав, потому что она этот вывод добросовестно повторяет. И не одна, а вмесие с еще немаленьким количеством всяких книжек и справочников.

Нам остаётся или поверить, или всё же попробовать понять, что на самом деле. Просто потому что камфорная кислота как-то совсем не вяжется с кродуктами кротоновой самоконденсации ацетона. И вот что получается. Камфорная кислота образуется из природного кетона, камфоры, как говорили в старину, энергичным окислением. При этом сгорает та часть камфоры, в которой находится карбонильная группа, а всё остальное – насыщенный цикл без двойных связей и легкоокисляемых групп остаётся нетронутым. 

А теперь попробуйте представить себе, как из камфорной кислоты может получиться форон. При нагревании кальциевых солей обычно получаются кетоны. Это одна из древнейших органических реакций, известных ещё в 1830-х, когда всё делали совсем наощупь, не имея никаких методов исследования кроме определения соотношения элементов. И, как уже было замечено, вначале продукты таких реакций называли ацетонами, а слово кетон появилось много позже, когда уже более-менее стали представлять структуру. Итак, некие французы на заре органической химии нагрели кальциевую соль камфорной кислоты и получили нечто, названное камфорным ацетоном, или камфороном. И как на беду, состав этого соединения оказался таким же как у продукта самоконденсации настоящего ацетона (в те времена известного как пироуксусный спирт или мезитиловый спирт или уксусный ацетон, в зависимости от того, каким методом он был добыт), и температура кипения тоже (что не удивительно, изомеры, особенно соединений одного класса кипят очень близко). Это заблуждение царило весь 19 век, хотя время от времени кто-то начинал сомневаться, что продукт из камфорной кислоты – то же самое соединение, что и продукт самоконденсации ацетона. Но до открытия современных методов исследования структуры почти единственным способом разбираться, что происходит в реакциях было выделение продуктов, которые подвергались простым превращениям – гидрированию, окислению, получению простых производных – с буквальным сравнением внешнего вида и физических констант получаемых соединений. Объем данных быстро накапливался, сравнения становились всё более точными и безошибочными, но и ошибок оставалось довольно много – физические константы для близких по структуре соединений, тем более изомерных, часто очень близки.

Если мы посмотрим современными глазами на то, что может получиться при пиролизе солей камфорной кислоты, получим, как из других двухосновных кислот,  циклический кетон. У этого кетона будет небольшая проблема – он получится бициклическим, и один из его циклов окажется четырёхчленным, то есть достаточно неустойчивым, сильно напряжённым. Поэтому неудивительно, что в весьма жёстких условиях пиролиза такой цикл лопнет, образуются два радикала, которые обменяются атомами водорода, и получится конечный продукт довольно простого строения – производное циклопентанона. Такой кетон тоже был получен независимо из других исходных, а в начале 20 века Луи Буво, замечательный французский химик, с которым мы ещё не раз встретимся, получил его перекрестной кротоновой конденсацией метилциклопентанона и ацетона (до открытия направленной конденсации такие перекрёстные реакции делали, используя всякие специфические трюки – сейчас мы этого повторять не будем).   

И действительно, именно это и получается. Исторический камфорон не имеет никакого отношения к форону, и это стало ясно уже на рубеже прошлого и позапрошлого веков. Но традиция переписывать старые ошибки настолько сильна, что до сих пор легко встретить утверждение, что форон и камфорон – одно и то же соединение. И приблизительно тогда же окончательно разобрались и в том, что продукт самоконденсации в кислой среде и основной среде – разные соединения. Второй стали называть изофороном. Вот они все три рядышком.

Из всех трёх самое большое значение имеет именно изофорон. Его производят в весьма больших количествах в промышленности, потому что это и очень ценное сырьё для тонкого органического синтеза, и весьма полезный специальный растворитель. Когда мы дойдём до фенолов, узнаем, что основной метод промышленного синтеза фенола – кумольный метод – производит кроме фенола и ацетон. Фенол гораздо более востребован рынком,чем ацетон, и излишки ацетона часто перерабытывают именно в изофорон.

Кротоновая самоконденсация других простых кетонов тоже хорошо известна и даёт много полезных и интересных продуктов.

Очень легко подвергаются самоконденсации два типа кетонов:

• симметричные, у которых в енолизуемом положении метиленовые группы
• енолизуемые только с одной стороны, и желательно, чтобы там просто был метил.

Наиболее популярными производными первого типа являются циклические кетоны – циклоалканоны. Они действительно очень легко самоконденсируются хоть в присутствии кислот, хоть в присутствии сильных оснований (щелочей, алкоголятов), в основном образуя очень симпатичные продукты, например:

Реакции в кислой среде часто дают большие выходы потому что в присутствии сильных оснований первоначальные продуты легче втупают в разные реакции, например, в ещё одну конденсацию. Лёгкое оратимое образование енолятов приводит и к тому, что двойная связь между циклами норовит заползти внутрь одного из циклов, где ей намного уютнее (это общее свойство так называмых экзоциклических – торчащих наружу из цикла – двойных связей).

Таким продуктам очень легко найти применение в синтезе. Учитывая то, что простые циклоалканоны очень легкодоступны, а реакция кротоновой самоконденсации очень проста в выполнении, хотя и никогда не даёт высоких выходов из-за изобилия побочных реакций, такие бициклические ненасыщенные еноны очень привлекательны для органического синтеза.

Из второй группы очень часто встречаются хорошо нам знакомые ацетофеноны – продукты ацетилирования ароматических соединений. В таких кетонах кабонильная группа сопряжена с ароматическим кольцом, что делает её ну просто очень ленивой. Из-за этого ацетофеноны гораздо устойчивее в присутствии кислот и оснований, и совсем неохотно ступают в кротоновую самоконденсацию. На самом деле, это хорошо, а не плохо, потому что именно это позволяет нам получать эти соединения ацилированием по Фриделю-Крафтсу – в условиях этой реакции получающиеся ацетофеноны находятся в смеси в присутствии очень сильной кислоты, например, хлорида алюминия и хлористого водорода, а такая комбинация имеет все признаки даже не просто кислоты, а суперкислоты. При обработке реакционной смеси мы тоже не очень церемонимся – льём соляную кислоту. И ничего, с ацетофеноном ничего не происходит. Какой-нибудь ацетон или циклогексанон в таких условиях быстро сконденсировался бы до состояния хорошего битума. А ацетофенону – как с гуся вода. И тем не менее ацетофенон и замещённые ацетофеноны вполне можно заставить вступить в альдольно-кротоновую самоконденсацию и в присутствии кислот (труднее), и в присутствии оснований (легче), хотя во всех случаях приходится запастись терпением и вести реакции при нагревании. Результаты такой конденсации – вполне полезные ненасыщенные кетоны, часто используемые в синтезе. То, что эти вещества интересны и важны можно понять хотя бы потому, что у них есть сокращённое название – дипноны. Это просто такое речевое упрощение более длинного названия 1,3-дифенилбут-2-ен-1-оны (diphenylbutenones – dypnones). Никто не парился бы придумывать краткое название для соединений, которые даром никому не нужны. На схеме в качестве катализаторов условно показаны символы кислоты и щёлочи, в реальности используют множество разных катализаторов как кислотных (HCl, тионилхлорид в спирте, трет-бутилат алюминия и т.п.), так и основных (этилат натрия).