Select Page

Реакции карбонильной группы

Присоединение нуклеофилов к карбонильной группе

Карбонильная группа есть во всех альдегидах и кетонах, поэтому реакции карбонильной группы являются общими для обоих классов. Основной тип реакционной способности связан с электрофильным характером карбонильного углерода, а следовательно с взаимодействием карбонильных соединений с нуклеофилами.

В отличие от уже хорошо нам известной химии нуклеофильного замещения на насыщенном атоме углерода (SN2, SN1 и конкурентное элиминирование), которая очень хорошо описывается фактически одной схемой и дает совершенно однотипные результаты, во взаимодействии нуклеофилов с карбонильными соединениями гораздо больше вариантов. Нужно ясно понять, что собственно взаимодействие карбонильной группы с нуклеофилами совершенно одинаково во всех случаях – образуется так называемый тетраэдрический интермедиат – а все разнообразие возникает уже на стадии превращения этого интермедиата в конечные продукты или за счет протонирования, или за счет отщепления воды, или иногда за счет ухода других уходящих групп от тетраэдрического интермедиата.

Вот какие сценарии встречаются в химии взаимодействия нуклеофилов с карбонильным соединением. Возьмем для ясности самый простой кетон – ацетон.

  1. I. Тетраэдрический интермедиат протонируется по бывшему карбонильному кислороду – образуется нейтральный аддукт. Это очень распространенный тип завершения реакции, причем протон может быть взят как во время послереакционной обработки реакционной смеси водой, либо прямо на месте из протоного растворителя или даже сопряженной кислоты нуклеофила. Так присоединяются литий- и магнийорганические соединения, еноляты с образованием альдолей, синильная кислота с образованием циангидринов, происходит гидратация, образование полуацеталей, гидрид-ион при восстановлении карбонильных соединений в спирты комплексными гидридами или по Каниццаро. и т.п.
  2. II. После присоединения уходит вода, причем еще один протон берется от нуклеофила. Такая реакция выглядит как замещение карбонильного кислорода на остаток нуклеофила. Тоже очень популярное завершение. Так образуются всяческие имины, и производные типа оснований Шиффа, гидразонов, оксимов, семикарбазонов, так завершается кротоновая конденсация и ее многочисленные родственники. На этот сценарий очень похожа и реакция Виттига, особенно в варианте Хорнера, хотя в ней от нуклеофила уходит не протон, а фосфорсодержащий остаток, то есть в целом вместо воды уходит более сложная молекула – фосфиноксид, фосфиновая или фосфоновая кислота.
  3. III. После присоединения уходит вода, но второй протон берется из α-положения самого карбонильного соединения. Для этого оно должно такой протон иметь, то есть принадлежать к классу енолизуемых карбонильных соединений. Такой завершение встречается реже, но именно так образуются енамины.
  4. IV. После присоединения уходит вода (обычно с помощью кислотного катализа), но протон ниоткуда не отщепляется, поэтому образуется мезомерно стабилизированный карбокатион, в котором роль мезомерного донора играет бывший нуклеофил. Этот карбокатион в полном соответствии с законами SN1-замещения ( а это именно оно, свалилось как снег на голову, когда уже никто его не чаял больше никогда увидеть) хватает первый попавшийся нуклеофил, а это обычно просто вторая молекула первоначально взятого нуклеофила. Еще раз: тетраэдрический аддукт вступает в SN1-замещение, заменяя свой гидроксил на вторую молекулу нуклеофила. Так образуются полные ацетали и кетали, а также тиоацетали и тиокетали, в том числе 1,3-дитиан. Так полимеризуется формальдегид и ацетальдегид, так же иногда взаимодействуют некоторые альдегиды, особенно тот же формальдегид с аммиаком, образуя с виду чудные аддукты-олигомеры, такие как уротропин.
  5. V. Довольно редкий случай, но иногда из тетраэдрического интермедиата уходит один из заместителей, бывших в исходном кетоне, тогда, когда этот заместитель может унести с собой неподеленную пару, то есть быть более или менее стабилизированным карбанионом. Именно это происходит в галоформной реакции, а если к тому времени все это не забудем, то опознаем этот сценарий в некоторых превращениях ацетоуксусного эфира и его многочисленных родственников, β-кетоэфиров и 1,3-дикарбонильных соединений.

Теперь последовательно начнем разбираться в особенностях самой реакции карбонильного соединения с нуклеофилом, со способами увеличивать скорость таких реакций и с реакционной способностью разных карбонильных соединений.

Реакции нуклеофилов с карбонильными соединениями
Карбонильная группа – довольно простая штука, это просто двойная связь между атомами углерода и кислорода, оба атома находятся в sp2-гибридном состоянии. В этом смысле карбонильная группа очень похожа на то, что мы уже неплохо знаем – на двойную связь С=С. Как и любая кратная связь, и та и эта склонны к реакциям присоединения. Обычная двойная связь в алкенах охотно присоединяет электрофилы на первой стадии, после чего образующийся карбокатион присоединяет нуклеофил. Кратная связь C=O отличается тем, что она уже с своем обычном состоянии довольно сильно поляризована – электронная плотность π-связи сильно смещена в сторону кислорода, что можно выразить мезомерией с помощью граничных структур. Вклад биполярной формы в структуру карбонила довольно невелик (поэтому мы должны рисовать карбонильные соединения с двойной связью C=O, а не с одинарной и зарядами на атомах), но достаточен для наведения существенных зарядов на атомах. Из этого мы сразу видим разницу между C=С и C=O – очевидно, что в карбониле углерод скорее электрофилен, а следовательно карбонильная группа долна присоединять не электрофилы, а нуклеофилы по атому углерода. При этом бывшая π-связь полностью отходит к атому кислорода, на котором образуется приличествующий такому солидному неметаллу отрицательный заряд. Это даже в еще большей степени способствует присоединению нуклеофила к атому углерода.

Итак, еще раз запишем, что происходит в первую очередь при взаимодействии карбонильного соединения и нуклеофила. При этом необходимо иметь в виду одну существенную деталь. Когда мы говорили про нуклеофильное замещение SN2, мы предпочитали иметь чисто анионные нуклеофилы в апротонной среде. Это возможно и в химии карбонильных соединений, но в этом случае чаще используют или анионные нуклеофилы в протонной среде, или даже нуклеофилы в протонированной форме. Посмотрим, как это отражается на механизме взаимодействия. Обратим прежде всего внимание, что при присоединении нуклеофила происходит измение гибридизации с sp2 (плоская форма) до sp3 (тетраэдр) – поэтому продукт присоединения часто называют тетраэдрический аддукт. Как мы дальше увидим, реакция часто на этом не останавливается,  этот аддукт превращается во что-то иное. Поэтому этот первичный, обязательный продукт присоединения еще чаще называют тетраэдрическим интермедиатом. С этой стадии начинается любая реакция карбонильного соединения с нуклеофилами.

  • Анионный нуклеофил в апротонной среде присоединяется к карбонильному углероду, при этом тетраэдрический интермедиат образуется в виде аниона. Реакция часто обратима, но в любом случае, требует завершения для превращения аниона в нейтральный продукт. Как минимум, это кислотный гидролиз реакционной смеси. Типичные примеры – реакция карбонильного соединения с реактивом Гриньяра или литийорганическим соединением, направленная альдольная конденсация, восстановление алюмогидридом лития.
  • Анионный нуклеофил в протонной среде (водной, спиртовой и т.п.) – тетраэдрический интермедиат сразу образуется в нейтральной форме и может быть или выделен,  или превращается далее в конечный продукт реакции. Типичные примеры – ненаправленная альдольная конденсация в присутстви спиртового раствора щелочи или алкоголятов, реакция Каниццаро, образование бисульфитных производных.
  • Нейтральный нуклеофил – сопряженная кислота анионного нуклеофила в любой среде – в тераэдрическом интермедиате протон переходит на атом кислорода, и тетраэдрический интермедиат также образуется в нейтральной форме, и очень часто превращается дальше в конечный устойчивый продукт. Это самый распространенный тип реакции, типичные примеры – гидратация и образование полуацеталей, реакции с азотистыми нуклеофилами, кислотно катализируемая альдольная конденсация.

Для того чтобы делать поменьше ошибок в карбонильной химии и получше понимать, почему для той или иной реакции выбираются те или иные условия, разницу между этими случаями нужно понимать очень хорошо, хотя, на первый взгляд, это и может показаться довольно пустой схоластикой. Но на этом дело не кончается, так как нужно разобраться еще и в том, почему многие реакции карбонильных соединений требуют еще и катализа.

Кислотный катализ присоединения к карбонильной группе
Карбонильная группа в разных карбонильных соединениях может быть более или менее реакционноспособна. И нуклеофилы бывают, как мы уже хорошо знаем, разные. Поэтому неплохо иметь возможности повышать реакционную способность там, где реакции идут медленно или вовсе не идут. Это можно сделать и со стороны карбонильного соединения, и со стороны нуклеофила.

Присутствие протонирующих реагентов (кислот Бренстеда) в реакционной смеси, как мы хорошо знаем из химии SN2, плохо влияет на реакционную способность подавляющего большинства нуклеофилов, но в химии карбонильной группы положительное влияние на электрофильность карбонильного углерода может сильно перевесить негативное влияние на нуклеофил. Влияние это, в первом приближении, заключается в протонировании карбонильного кислорода, что делает карбонильный углерод почти карбокатионом (но не карбокатионом, потому что в двух резонансных формах преобладает форма с протонированным положительным кислородом – вспомните, что это не страшно, так как такой кислород имеет полный октет – посмотрите еще раз, как рисуются граничные структуры). Учтем еще, что в присутствии кислот нуклеофил может присутствовать только в виде сопряженной кислоты. Видим, что положительный заряд на карбонильном кислороде после протонирования растет, и карбонил присоединяет менее реакционноспособный нуклеофил. Дальше либо образуется обычный тетраэдрический аддукт (розовая подсветка), либо происходит протонирование кислорода и уход воды с образованием стабилизированного карбокатиона, а он уже превращается в конечные продукты (голубая подсветка) – и именно этот путь основной, так как в присутствии кислоты тетраэдрические аддукты обычно нестабильны и теряют воду. Что там получается далее мы рассмотри ниже.

Для любителей корректности и не боящихся занудства заметим, что приведенная схема относится к катализу сильной кислотой, серной какой-нибудь. Такой катализ принято называть специфическим кислотным катализом. Сильная кислота в схемах может быть условно заменена символом протона H+ (не H3O+! – гидроксоний писать корректно только если мы имеем дело с разбавленными водными растворами сильных кислот, а это в органике имеет место далеко не всегда, чаще мы имеем дело с растворами в органических растворителях, где никакого гидроксония нет. а есть разнообразные протонирующие частицы, точной природой которых никто не заморачивается, поэтому и пишут просто  H+). Но во многих случаях сильная кислота неприемлема, так как может запротонировать еще и нуклеофил уже не в форму YH, а и дальше в соврешенно нереакционноспособную форму, а также вызывать быструю самоконденсацию карбонильного соединения. В таких случаях используют слабую кислоту типа уксусной. Отличие слабой кислоты от сильной в том, что слабая кислота передает протон непосредственно, а не через посредство среды, как сильная кислота. Мы не имеем права писать H+ в этом случае, а должны писать саму слабую кислоту. Более того, в тех случаях когда основность мала, слабая кислота вообще не может передавать протон (протонировать), а ограничивается только образованием водородной связи. Уже это спсобствует активации карбонильной группы, хотя и намного более слабой. Этот случай называется общим кислотным катализом.

Еще раз повторим – в реальных реакциях выбор катализа (сильной кислотой или слабой, или вообще можно без кислотного катализа) определяется относительной реакционной спсобностью нуклеофила и его протонированной формы (а следовательно основностью нуклеофила), и основностью карбонильного соединения. Реальные примеры посмотрим, когда быдкм обсуждать конкретные реакции присоединения).

И еще одна история – катализ кислотами Льюиса. Это весьма популярный прием в современной органической химии. Кислоты Льюиса обладают способностью образовывать координационную связь с кислородом, и тем самым активировать карбонильный углерод почти так же как это делает протонирование. Степень поляризации карбонильной группы после образования связи с кислотой Льюиса (обычно это атом металла или металлоида) зависит от огромного количества факторов – и от самого металла, его влентного состояния, других лигандов на этом металле. В общем, это неверояно сложно и очень перспективно для действительно тонкой химии.

Основный катализ присоединения к карбонильной группе
В отличие от кислотного катализа, непосредственно влияющего на электрофильность карбонильного углерода, основания не могут влиять на реакционную способность карбонила. Тем не менее, основный катализ в химии присоединения (не путайте с химией енолизации, где основный катализ – основной инструмент воздействия) иногда используется. Работает он со стороны нуклеофила в тех случаях, когда нуклеофил вводится в реакцию в виде сопряженной кислоты, и основание снимает с нее протон, создавая повышенную концентрацию более активного нуклеофильного аниона. Спрашивается – а почему сразу не положить в реакцию нуклеофил в виде аниона? Положить-то можно, но в некоторых случаях это создает неприятную проблему смещения равновесия присоединения в сторону исходных. Вот как это работает, например, для получения циангидринов, ообенно из кетонов. Дело в том, что кетоны весьма неохотно дают циангидрины, и эта реакция хоть как-то идет только для маленьких, стерически наименее затрудненных кетонов – метилкетонов MeCOR и циклоалканонов. При этом, анионная форма тетраэдрического аддукта неустойчива и очень легко разлагаеся на цианид и исходный кетон. Иногда это создает огромные проблемы. Циангидрин ацетона, например, крупнотоннажный продукт химической промышленности, его получают сотнями тонн и даже перевозят по железным дорогам в огромных цистернах, и все отлично. Но если в это вещество попадает хоть немного чего-нибудь основного, иногда достаточно даже контакта с обычным стеклом, то может произойти взрывообразное разложение на ацетон и – HCN! То есть – полный караул. В живых не останется никого. Поэтому при хранении в циангидрин ацетона обязательно добавляют уксусную кислоту, нейтрализующую случайные скачки основности. В таком виде циангидрин ацетона совершенно стабилен. Вот и при получении циангидринов присоединяется к карбонильной группе цианид-ион, но аддукт должен быть немедленно протонирован, иначе равновесие будет смещено в сторону исходных. В синтезе циангидринов поэтому берут HCN, но реакцию ведут в присутствии каталитического количества основания – карбоната калия, щелочи или даже просто цианида. После завершения реакции продукт выделяют после подкисления и тщательной промывки продукта сильной кислотой, чтобы устранить даже случайную возможность сохранения в продукте следов основания. Для хранения продукт стабилизируют кислотой.

Смысл катализа здесь очевиден – основание генерирует из синильной кислоты нуклеофильный цианид-ион, который присоединяется к карбонилу, и анионный аддукт, будучи более основным чем синильная кислота, отрывает от нее протон, переходит в стабильный нейтральный аддукт, циангидрин, – а цианид возвращается в реакцию. Это – совершенно типичный основный катализ.

Другие примеры основного катализа в химии карбонильных соединений – ненаправленная альдольная конденсация в присутствии оснований и ее многочисленные разновидности, до которых мы доберемся в других разделах (реакция Кневенагеля и сложноэфирная конденсация в кислотах, реакция Анри в нитропроизводных). В этих реакциях основание равновесно генерирует более нуклеофильный енолят или его аналоги, которые реагируют с карбонильными соединениями. Обсудим это в своих местах

Реакционная способность карбонильных соединений

Альдегидов и кетонов много. Реакционная способность карбонильной группы, то есть электрофильность карбонильного углерода, изменяется в очень широких пределах, и об этом нужно иметь ясное представление. Далеко не все нуклеофилы реагируют со всеми карбонильными соединениями. В большинстве случаев у каждого нуклеофила есть характерный ряд реакционной способности, то есть круг субстратов, с которыми реакция происходит легко; другой круг, с которыми шансов нет вообще; и переходные субстраты, с которыми реакция идет медленно, но хорошо отзывается, например, на кислотный катализ.

Основные факторы таковы:

  • Безусловно на первом месте собственная электрофильность карбонильного углерода. Если за субстрат отсчета взять формальдегид, что довольно очевидно – проще ничего не придумать, – то сразу скажем, что это очень реакционноспособное карбонильное соединение, легко реагирующее с большинством нуклеофилов, даже самых дохлых.
    • Относительно формальдегида все обычные альдегиды с алкильными группами обладают меньшей реакционной способностью, потому что алкильные группы являются +I-заместителями, гасящими положительный заряд на карбонильном углероде. Еще меньшей реакционной способностью обладают все обычные кетоны – по той же причине, так как донорных групп две.
    • Но у некоторых альдегидов могут быть заместители, меняющие электронный эффект на индуктивный акцепторный -I – такие альдегиды ещё более активны чем формальдегид. Примеры – трихлоруксусный альдегид, он же хлораль; глиоксаль (этандиаль) и фенилглиоксаль (1-фенилэтандиаль)
    • И кетоны бывают такие, у которых оба заместителя – индуктивные акцепторы, такие кетоны без проблем переиграют любой обычный альдегид. Примеры таких кетонов – гексафторацетон и мезоксалевая кислота (тривиальное название 2-оксопропандиовой кислоты, в ней нас интересует центральный карбонил, а карбоксилы – просто заместители).
  • На втором месте стерический фактор. Это очень важно для кетонов. Дело в том, что при присоединении нуклеофила в тетраэдрическом аддукте или интермедиате заместители поневоле сближаются, так как происходит изменение гибридизации и угол между заместителями уменьшается от 120º до 109º. Вроде пустяк, но в реальности заместители часто имеют немаленький объем, и уже в исходном кетоне фактически трутся боками друг об друга (для любителей умных научных словечек скажем, что боками у атомов называются ван-дер-ваальсовы поверхности, а выражение “трутся боками” переводится как “имеют тесный ван-дер-ваальсов контакт”). Тогда после присоединения нуклеофила могла бы начаться самая настоящая давка, и кетон часто благоразумно решает, что не стоит и связываться, категорически отказываясь реагировать.
    • Поэтому среди кетонов самые реакционноспособные – те, у которых один из заместителей маленький метил (ацетон, безусловно, вне конкуренции) – метилкетоны. А также циклоалканоны (циклопентанон и все остальные с большими или меньшими кольцами), потому что у них оба заместителя уже являются частями цикла, который не дает им опасно сблизиться. Среди циклоалканонов есть и своя иерархия, но ей мы займемся позже, когда разберемся, что такое напряжение в циклах
    • Все остальные кетоны хуже, но если заместители хотя бы первичные, то пока терпимо, а если вторичные, или третичные, тогда совсем плохо – с такими кетонами обычно отказываются водиться даже самые отъявленные нуклеофилы типа карбанионов (магний или литийорганика) – вместо ожидаемой реакции присоединения случаются всякие побочные реакции.
  • Есть и третий фактор – делокализация, то есть заместители, обладающие донорным мезомерным эффектом. Обратите внимание, что акцепторный мезомерный эффект не работает, так как сама карбонильная группа – мезомерный акцептор, и цепь сопряжения (вспомните еще раз про мезомерию и цепи сопряжения) всегда составляется из донора и акцептора, между которыми может быть ненасыщенная цепь или ароматическое кольцо. Но мезомерные акцепторы почти всегда одновременно и индуктивные акцепторы, а такие группы увеличивают электрофильность. Такой эффект есть, например, в дикетонах и кетоальдегидах с соседними карбонильными группами.
    Другое дело когда рядом с карбонилом мезомерный донор. Этот фактор сильно влияет на реакционную способность ароматических альдегидов и кетонов, а особенно сильно проявляется в химии карбонильных производных гетероциклических соединений, – вспомним, когда до них доберемся.
  • Мезомерный донор подает электронную плотность на карбонил, снижая электрофильность. Поэтому ароматические альдегиды менее реакционноспособны чем алифатические, а среди кетонов алкиларилкетоны (их еще забавно называют жирноароматическими) намного менее реакционноспособны чем диалкилкетоны с похожим алкилом, и даже метиларилкетоны очень сильно отстают от метилалкилкетонов. А уж диарилкетоны (их еще называют бензофенонами) – это просто эталон праздности и лени, обычно можно и не пытаться прелагать им какой-нибудь нуклеофил, всё равно не заинтересуются.
  • Если а ароматическом кольце есть ещё и орто- или пара-заместители – мезомерные доноры, то реакционная способность ухудшается еще больше. Пара-диметиламинобензальдегид, например, просто позорит класс альдегидов, проявляя какой-то интерес только к действительно сильным нуклеофилам и только в условиях кислотного катализа.
  • Акцепторные заместители в бензольном кольце наоборот увеличивают реакционную способность, но только за счет индуктивного эффекта. Орто-нитробензальдегид, например, весьма охотно реагирует с нуклеофилами, и за это его очень любят в синтезах.

Восстановление карбонильной группы

Реакции восстановления карбонильной группы очень важны. Разнообразные карбонильные соединения легко получаются в результате применения многочисленных методов синтеза, которым мы уделяем много внимания. По разнообразию способов синтеза карбонильные соединения не имеют себе равных среди других классов органических соединений. Большинство синтетических задач так и решаются – сначала собираем максимально похожее карбонильное соединение, и в конце преобразуем карбонильную группу во что-то иное (углеводородный остаток, спирт, амин, карбоновую кислоту и т.п.). Один из наиболее надежных способов преобразования карбонильной группы – восстановление.

Сразу вопрос – а как узнать, что мы имеем дело именно с восстановлением. Это очень просто – нужно вспомнить про существование такой простой характеристики атома как степень окисления. Если в реакции степень окисления увеличивается – это окисление, если уменьшается – это восстановление, а если не изменяется, то это называется, не поверите, – реакция без изменения степени окисления, а если хотите короче, то некоторые знают такой термин – “изогипсическая реакция”. Так как этот термин, мягко говоря, не общепризнан, не удивляйтесь, если встретите удивление, когда его решите использовать. Это не признак невежества, а просто следствие того факта, что терминология органической химии – довольно сырая штука. Итак, в исходном у нас двойная связь C=O, которую рассматривают как две связи с более электроотрицательным элементом. Следовательно, она вносит в степень окисления углерода вклад +2. Если мы ее восстановим до спирта, останется одна связь с вкладом +1 и появится одна C-H с вкладом -1, результат 0 – уменьшение степени окисления на 2, то есть это законное восстановление, а иногда даже говорят точнее – двухэлектронное восстановление. Если получаем две связи C-H, то они дают вклад -2, то есть уменьшение аж на 4 – это четырехэлектронное восстановление. Умея манипулировать такими, в принципе совершенно школьными параметрами, мы легко не только узнаем восстановление и окисление, но и сможем уравнять нужную реакцию и посчитать ее стехиометрию. Вопрос: а почему тогда присоединение реактива Гриньяра к карбонилу не восстановление – ведь степень окисления карбонильного углерода уменьшается на +1? Ответ: и отлично, сами же и ответили – восстановление конечно, одноэлектронное восстановление. А что тогда окислилось? А вот Гриньяр и окислился, там на углероде степень окисления увеличилась на 1. – А почему мы тогда это здесь не рассматриваем??! – Ну, так принято, и все тут! – Какая гадость эта ваша органическая химия, все запутано и перепутано, сил нет! – Другой нет, лопайте эту…

Четыре основные восстановительные реакции карбонильных соединений (над стрелками указано количество электронов на одну молекулу карбонильного соединения):

  1. Восстановление в спирты
  2. Восстановление карбонила в метиленовую группу
  3. Восстановительное сдваивание (это двухэлектронная реакция, но так как в ней участвует две молекулы карбонильного соединения, то на одну приходится один электрон)
  4. Восстановительное аминирование – очень важная реакция, но ей мы займемся позже, когда доберемся до аминов

Восстановление до спиртов

Восстановление до спиртов – это почти всегда не что иное, как нуклеофильное присоединение гидрида к карбонильной группе. Гидрид-ион – вполне обычный нуклеофил. Не совсем. С этим ионом есть две проблемы: а) он такой маленький и злой, что его просто невозможно представить себе в растворах; б) соответствующая сопряженная кислота – просто молекулярный водород, напрямую (напрямую – то есть без участия катализаторов, производных переходных металлов) не взаимодействующий ни с какими органическими соединениями.

Прежде чем мы перейдем к обсуждению, как можно решить эти проблемы, пара слов о возможности просто гидрировать карбонильную группу так, как мы гидрируем двойную связь в алкенах – молекулярным водородом над всякими гетерогенными катализаторами типа палладия или никеля. Ответ здесь довольно простой и категоричный – такие катализаторы существуют, но сами реакции гидрирования связи C=O требуют намного более жестких условий (обычно это нехилое давление водорода, для работы с которым нужны страшные стальные автоклавы, обвешанные манометрами, и установленные в закрытых со всех сторон комнатах, обшитых броней), чем гидрирование двойных и даже тройных связей, которые отлично делают в обычной стеклянной аппаратуре при самых банальных условиях. Мы не будем гидрировать карбонильные группы, и не будем бояться гидрировать обычные кратные связи в карбонильных соединениях – карбонил не пострадает.

Возвращаемся к гидрид-иону. Он очень маленький, с концентрированным зарядом, и поэтому образует необычайно прочные ионные связи в кристаллах. Не родился еще такой растворитель, который был бы способен так засольватировать гидрид-ион и его катион, чтобы компенсировать разрушение кристаллической решетки гидридов. Поэтому гидриды просто ни в чем не растворимы, реакции с ними идут только с поверхности, следовательно довольно медленно, а в реакциях гидрид в основном проявляет свойства очень сильного основания. Ионные гидриды металлов (LiH, NaH, KH, CaH2) поэтому никогда не применяют как восстановители.

Вместо этого используют так называемые доноры гидрида. Доноры гидрида – это молекулы, которые могут отдавать другим молекулам гидрид, фактически осуществляя нуклеофильную атаку гидрида на субстрат.Вопрос первый – как узнать, что передали именно гидрид, а не протон (этим занимаются кислоты и основания Бренстеда), и не атом водорода (этим занимаются доноры атома водорода). Очень просто – по результату. Если результат именно такой, какой был бы, если бы к молекуле просто прицепился бы атом водорода с парой электронов и отрицательным зарядом – значит это оно самое и есть. Рецепт простой – не торопитесь, записывайте уравнения реакций аккуратно, не теряйте заряды и следите за валентностями и степенями окисления – и ничего точно не потеряете и не перепутаете! По крайней мере, пока имеете дело с элементами главных подгрупп – потому что с переходными металлами дела обстоят не так просто.

Доноров гидрида – два воза, и у каждого по маленькой тележке. Первый воз везет всевозможные неионные гидриды металлов и металлоидов, такие как, например, бораны и их аналоги в группе. А также так называемые комплексные гидриды металлов. С этими реагентами все допольно просто – фокус в том, что водород более электроотрицателен чем любой металл и металлоид, но менее электроотрицателен, чем углерод. Следовательно, если такое соединение отдает гидрид, скажем карбонильной группе, то этот водород окисляется (был -1, стал +1), а углерод карбонила восстанавливается на те же пару ступеней степени окисления. Восстановление налицо. Лишившийся одного лиганда металл при этом с удовольствием забирается на кислород с минусом – образуется новый комплекс металла или металлоида, который просто ждет, когда реакция закончится и его гидролизуют подкисленной водой.

Второй воз везет далеко не настолько очевидных пассажиров. В нем органические соединения, имеющие такую связь C-H, разрыв которой с отдачей кому-то гидрида оставляет сильно стабилизированный карбокатион или что-то, во что этот карбокатион может очень легко превратиться. Пока оставим этот воз и займемся первым, попроще.

Восстановление гидридами металлов и металлоидов

Первое, что на ум приходит – уже известные нам бораны. Мы уже видели, как они присоединяются к обычной двойной связи, отдавая гидрид на второй атом углерода. Ровно то же самое произойдет и с карбонильной двойной связью, даже еще охотнее. Поэтому нельзя гидроборировать двойные связи в непредельных карбонильных соединениях без предварительной защиты карбонила, как показано в примере:

А вот просто восстанавливать карбонил в спиртовую группу очень даже можно, только неудобно, – работа с боранами требует специальных навыков и очень тщательного отношения к эксперименту, качественной посуды, работающих мешалок, и т.п. Уже довольно давно придумали, как это упростить. Существуют комплексные соединения с гидридными лигандами, и многие из них весьма доступны, очень просты в работе, и не требуют никаких особенных экспериментальных талантов. От боранов, например, происходит коплексный анион тетрагидроборат, и самая доступная соль с таким анионом – тетрагидроборат натрия, бесцветная, вполне стабильная соль, с которой работают не намного сложнее чем с каким-нибудь карбонатом натрия (банку только надо закрывать не забывать). Тетрагидроборат натрия растворим в спиртах, и даже в воде далеко не сразу гидролизуется. Анион тетрагидробората передает гидрид карбонильной группе, остающиеся на боре гидриды также могут переползти на другие молекулы карбонильных соединений, но каждый следующий делает это с все меньшей охотой, поэтому тетрагидроборат обычно используют в соотношении 1:1, наплевав на остающиеся три гидрида. С альдегидами поактивнее можно и второй гидрид загнать, а иногда даже и третий, но никогда не все четыре. Расточительство? – Да, безусловно. Но вся старая химия такая.

Ближайший аналог бора, алюминий имеет очень похожую химию. РАзница между бором и алюминием очевидна: алюминий – настоящий металл, соответствено, степень разделения зарядов на связях с неметаллами существенно больше, координационное число алюминия также больше (у бора – 4, у алюминия – 6), что приводит к проявлению значительно более выраженной льюисовой кислотности атома металла, и существенно более выраженного гидридного характера атомов водорода. Гидриды алюминия, аланы, похожие на бораны, также применяют и для реакций гидроалюминирования, и для гидридного воссстановления. Но для простых карбонильных соединений, альдегидов и кетонов, это также неудобно и не дает никаких преимуществ.  Так же как и для бора, и здесь предпочитают комплексные гидриды, самый распространенный из которых – тетрагидроалюминат лития, который чаще называют не вполне корректным названием алюмогидрид лития (он же лития алюмогидрид, ЛАГ или LAH). Этот реагент намного более реакционноспособен чем борный аналог, и работать с ним нужно с гораздо большим почтением. Обычно это сероватый мелкий порошок, небольшие порции которого можно быстро взвешивать обычным образом на воздухе, но все операции делают очень вдумчиво и осторожно, потому что он нередко самопроизвольно воспламеняется.

Лучше не связываться с большими количествами этого реагента, а иметь для работы небольшую порцию в маленькой баночке. Большие банки с алюмогидридом очень опасны: не один пожар в лабораториях произошел из-за того, что такую банку уронили, или она сама лопнула, или просто при невинном взвешивании порции для реакции содержимое вспыхивало, и не могло быть погашено. Он очень бурно реагирует с водой, если сразу много, то почти неизбежно с воспламенением и взрывом. Поэтому все реакции с этим реагентом проводят в тщательно обезвоженных растворителях обычно эфирного типа (эфир, ТГФ, диоксан, диметоксиэтан и т.п.). С эфирными растворителями вообще засада, – если они “просто из банки”, то в них накапливается немало гидроперекисей, взаимодействие которых с ЛАГ может привести к взрыву. Поэтому а) при работе с ЛАГ к растворителям нужно относиться серьезно; б) реакции проводить при тщательном контроле температуры и при эффективном охлаждении – нагревать что-то с ЛАГ можно, только если вы совершенно уверены в том, что делаете, и проверили-перепроверили методику синтеза; в) после завершении реакции избытки ЛАГ необходимо в тот же день тщательно разложить, но ни в коем случае сразу водой, как мы привыкли делать (кончилась реакция – выливаем в воду, потом разбираемся). После завершения реакции сначала добавляют этилацетат или ацетон, после перемешивания, осторожно добавляют спирт, и только потом по чуть-чуть сначала воду, и наконец разбавленную соляную кислоту.

Алюмогидрид лития восстанавливает карбонильные группы в альдегидах и кетонах очень легко, при этом расходуются все четыре гидрида, поэтому можно использовать 1/4 моля ЛАГ на моль карбонильного соединения (реально, ЛАГ, особенно старый, частично гидролизован, и не соответствует 100%-ному содержанию формульного вещества, из-за чего обычно используют не 1/4, а чуть побольше, процентов на 10-20 в зависимости от того, насколько древним кажется вам имеющийся запас). Проблема алюмогидрида лития – огромная реакционная способность, он восстанавливает не только карбонил, но и галогены (не количественно), тозилаты, карбоновые кислоты и все их производные, включая нитрилы, нитро-группы, тройные связи. Если стоит задача восстановления альдегидной или кето-круппы в молекулах, где есть что-то из перечисленного, лучше предпочесть NaBH4. К проблеме селективности восстановления комплексными гидридами мы еще вернемся в теме Карбоновые кислоты и их производные.

А почему алюмогидрид – лития, а боргидрид – натрия? Это важно??

Очень важно. Исследовали вобще все возможные комбинации, и много чего еще, и два этих реагента – результат длительной работы, когда из множества выбрали два самых удобных. Дело в том, что катион щелочного металла вовсе не формальная нагрузка к аниону. Катионы щелочных металлов довольно сильно различаются по свойствам, особенно, если речь идет о реакциях не в водном растворе, где все катионы сильно гидратированы, и разницы поэтому мало. В органическом раствоителе катион более-менее открыт, и тогда выясняется, что самый маленький катион лития – весьма неплохая и жесткая кислота Льюиса, катион натрия проявляет свойства кислоты Льюиса, но уже в очень слабой степени, а большие катионы калия-рубидия-цезия свойствами кислоты Льюиса практически не обладают вовсе. Кислота Льюиса, как мы выяснили, обсуждая чуть выше кислотный катализ присоединения по карбонилу, активирует эту группу для атаки нуклеофила. Из двух комплексных гидридов один задумывался как максимально реакционноспособный. Понятно, что это алюмогидрид, а не борогидрид, и тогда понятно, почему алюмогидриду выдали именно литий в виде противоиона. Катион лития дополнительно активирует восстанавливаемую группу. Кроме того, за счет той же Льюисовой кислотности этот катион обеспечивает хорошую растворимость в эфирных растворителях, которые хорошо взаимодействуют с кислотами Льюиса за счет неподеленных пар кислорода. Алюмогидриды натрия и калия тоже известны, натриевая соль даже есть в продаже раза в три дороже литиевой, но применяется очень редко и в очень специфических случаях, и является заметно более слабым восстановителем.

С другой стороны, второму реагенту прочили как раз место максимально мягкого, неагрессивного, селективного. Выбор боргидрида очевиден, а противоион лучше взять не литий. Боргидрид лития хорошо известен, есть в продаже, но это реагент более реакционноспособный чем боргидрид натрия именно за счет дополнительной активации катионом лития. В частности, этот реагент не разбирает между кето-группой и сложными эфирами кислот, то есть работает почти как алюмогидрид лития. У него есть свои специфические применения, но нам он не нужен. Тогда почему не калия? Разница уже не столь велика, но при этом растворимость калиевых солей с комплексными анионами обычно намного ниже натриевых. А реагентом все же лучше пользоваться в растворимом состоянии. Впрочем, мягкость и селективность боргидрида натрия проявляются только, если его использовать в спиртовых растворах. В эфирных растворителях этот восстановитель гораздо более активен, и, в частности, неплохо восстанавливает сложные эфиры, иногда даже останавливаясь на альдегиде, но это недостаточно отработанная и капризная методика, и мы ее использовать не будем.

Восстановление до спиртов - часть 2-я; восстановление алкоксидами и реакция Каниццаро

Кроме гидридов металлов и металлоидов донорами гидрида могут быть и органические соединения с C-H связями. Попробуем понять, когда это возможно. Сразу остановимся на очень важной вещи – не путать CH-кислоты и CH-доноры гидрида. Первые отдают протон и превращаются в карбанионы, и чем карбанион стабильнее и делокализованнее, тем выше CH-кислотность. Вторые отдают гидрид и превращаются … в карбокатионы, и чем карбокатион стабильнее, тем больше способность отдавать гидрид, то есть служить гидридным восстановителем. Сразу заметим, что обычные наши игры со стабильностью карбокатионов в ряду первичный-вторичный-третичный здесь недостаточны, и изобутан не получается использовать в качестве донора гидрида с образованием трет-бутильного карбокатиона (на самом деле, такие реакции есть, но нам они не встретятся). Нужна гораздо более серьезная стабилизация. Один выбор напрашивается – ароматическая стабилизация. Но тоже не будем его трогать, хотя любознательные при желании сами найдут примеры таких реакций. Другой выбор не так очевиден – уход гидрида от алкоксилатов. Под отрицательным кислородом должен быть хотя бы один атом водорода. Если он уйдет в виде гидрида, останется карбокатион, который оказывается просто граничной структурой, показывающей смещение электронной плотности в карбонильном соединении. То есть, тут карбокатион так стабилизирован соседним мезомерным донором – отрицательным кислородом, что это уже и не карбокатион никакой, а просто карбонильная группа в молекуле альдегида или кетона. Так вот почему все алкоксиды являются восстановителями, и не просто восстановителями, а восстановителями конкретного типа – донорами гидрида! Это очень хорошо известное свойство всех алкоксидов кроме третичных типа трет-бутилата, котрое является причиной побочных реакций, когда мы хотим от алкоксида чего-нибудь одного (например, быть основанием или нуклеофилом), а получаем в продуктах неожиданные побочные.

А как это свойство реализовать на практике, например для восстановления альдегидов или кетонов. О, а здесь засада на засаде, дело почти безнадежно! Во-первых, потому что из самого алкоксида получится альдегид или кетон – и как разобрать, где тут исходное карбонильное соединение, а где продукт. Да тут и равновесием попахивает – реакция-то симметрична: и слева и справа алкоксид и карбонил. Во-вторых, раз алкоксид, значит реакция идет в присутствии сильного основания, и карбонильные соединения в этих условиях будут вступать в альдольную конденсацию – и самоконденсацию, и перекрестную. Можно представить себе, какая каша при этом получилась бы.

Ситуация кажется безнадежной, но из нее есть очень остроумный выход. Можно использовать не алкоксиды щелочных металлов, обладающие высокой основностью, а алкоксиды других металлов, практически основностью не обладающие. Здесь нет ничего нового – мы же знаем, что, например, гидроксид натрия – сильное основание (щелочь по-старинному), а гидроксид, скажем, алюминия – очень слабое основание, да даже и амфотерное, тоесть, одновременно и слабое основание и слабая кислота. Если сделать алкоксид алюминия, а это несложно – активированный, например, амальгамированный алюминий бурно растворяется в спиртах, – можно именно его использовать как восстановитель. Традиционно предпочитают использовать изо-пропилат алюминия, он легко получается и отлично хранится в виде раствора в изопропаноле. Это оказывается даже более эффективным, так как атом алюминия в алкоксилате обладает свойствами кислоты Льюиса, то есть, одновременно активирует карбонильную группу (посмотрите выше в обсуждении кислотного катализа реакций карбонила с нуклеофилами – там обсуждался и случай катализа кислотой Льюиса). Это очень любят рисовать в виде такого промежуточного комплекса, в котором собран и металл, и алкоксид, и карбонил, а собственно перенос гидрида происходит, когда все это хозяйство выстраивается в виде шестичленного цикла – и это называется шестичленное переходное состояние.

Продукт восстановления остается в комплексе с алюминием и покорно здет завершения реакции и подкисления. Впрочем, есть выход еще лучше. Во-первых, изопропилат алюминия используют в каталитических количествах, а реакцию ведут в избытке изопропанола. Изопропанол вытесняет продукт реакции из комплекса с алюминием и постоянно регенерирует изопропилат алюминия. Обратим внимание, что все это по-прежнему равновесие, и задача еще и в том, чтобы это равновесие сместить в сторону продукта восстановления. Вызов ЛеШателье достигают сразу двумя способами – используют избыток изопропанола (он слева в равновесии), и отгоняют образующийся из него ацетон (температура кипения спирта почти на 30º выше температуры кипения кетона, и ацетон поэтому без проблем отгоняется). Так и восстанавливают фактически изопропанолом разные альдегиды и кетоны. Это очень мягкая и селективная реакция, почти ничего другого при этом не восстанавливается. Это еще и очень дешево: изопропанол и алюминий очень доступные и дешевые вещества.

Но фокусы на этом не заканчиваются. Поскольку реакция обратима, ее можно и вспять погнать – ЛеШателье позволяет смещеть равновесие и туда и обратно, если удается найти способ. В данном случае это просто. Если реакция в одну сторону – это восстановление изопропанолом карбонильных соединений, то реакция в другую сторону – окисление спиртов ацетоном. Беем избыток ацетона и едем в сторону окисления. Здесь только не получится дополнительно смещать равновесие отгонкой, но это всего лишь значит, что избыток ацетона придется брать побольше. Это тоже очень мягкая и селективная реакция. Итак, имеем одну обратимую реакцию в присутствии изопропилата алюминия, которую можно по желанию смещать либо туда, либо обратно. Удивительно, но прямая и обратная реакция имеют разные названия: восстановление карбонильных соединений изопропанолом называют восстановлением по Меервейну-Пондорфу-Верлею. А окисление вторичных спиртов ацетоном называют окислением по Оппенауэру (не путайте с Оппенгеймером). Иногда все же вспоминают, что это одна и та же реакция, и называют ее всей четверкой – реакцией Меервейна-Пондорфа-Верлея-Оппенауэра. Не всем удается договорить это до конца, не забыв по дороге, о чем вообще эта реакция. Поэтому понапрасну не рискуйте.

Реакция Каниццаро

Еще один CH-донор гидрида очень похож на алкоксид. Фактически это и есть алкоксид, но своеобразный – это тетраэдрический аддукт гидроксид-иона и альдегидной группы. Этот аддукт готов сбагрить гидрид-ион кому угодно, но долго искать не приходится, ведь пор руками всегда есть тот же альдегид, потому что присоединение гидроксида к карбонилу – реакция небыстрая, и всегда остается непрореагировавший альдегид. В результате происходит восстановление альдегидом альдегида, и если альдегид один и тот же, то одновременно и окисление альдегидом альдегида. Когда с одним и тем же веществом происходит такой конфуз (альдегид альдегиду и восстановитель и окислитель), всю реакцию называют диспропорционированием.

Открыл эту реакцию итальянский химик Станислао Каниццаро (на самом деле Каниддзаро) Вот, оказывается в Италии кроме певцов, футболистов и мафиози, иногда урождались и химики (если кто-то вспомнит еще и Авогадро, то будет неправ – граф Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро был подданным Сардинского королевства, то есть пьемонтцем, и до образования Италии самую малость не дожил). Будучи уроженцем Палермо, столицы мафии, Каниддзаро вполне мог бы стать и ее видным членом, если бы не уродился так давно, когда и мафии никакой еще не было; поэтому пришлось ему поневоле стать сначала революционером, потом весьма крупным химиком, а в конце так даже и настоящим сенатором Королевства Италия. Скоро вся прогрессивная общественность будет отмечать 200-летие со дня рождения Каниццаро, а столетие со дня кончины мы уже прошляпили в 2010. Вот такие современные реакции мы изучаем.

Полезность реакции Каниццаро весьма невелика, так как редко кому нужно получать одновременно и кислоту, и спирт из одного альдегида, а если нужно только что-то одно, то выход естественно не может быть выше 50%. Но бывает и перекрестная реакция Каниццаро, использующая тот факт, что формальдегид в присоединении нуклеофилов активнее любых других альдегидов (и кетонов), поэтому избытком формальдегида можно восстанавливать другие карбонильные соединения. Проблема в том, что реакция Каниццаро требует высокой концентрации щелочи, а это условия альдольной конденсации, и разделить альдольную конденсацию и реакцию Каниццаро в таких условиях почти невозможно. Можно только совместить, и так получается реакция исчерпывающего гидроксиметилирования – посмотрите в Методах на соответствующей вкладке.

А еще бывает внутримолекулярная реакция Каниццаро, если альдегидная и другая карбонильная группа находятся в одной молекуле либо в непосредственном соседстве, либо на таком расстоянии, чтобы гидрид передавался в формально 5- или 6-тичленном цикле. В последнем случае образующаясчя гидроксикислота еще и теряет воду, образуя внутримолекулярный сложный эфир, лактон. Это уже довольно интересная реакция с неплохим потенциалом использования.

Реакция Тищенко (строго факультативно)

Гораздо более полезный вариант реакции Каниццаро открыл В.Е.Тищенко в самом начале XX века. Удивительно, но он использовал ровно тот же прием, который работает в реакциях Меервейна-Пондорфа-Верлея-Оппенауэра – взял алкоксид алюминия вместо простой щелочи или алкоксида щелочного металла – но сделал это почти на 30 лет раньше. Действие алкоксидов алюминия на альдегиды также вызывает перенос гидрида с одной молекулы на другую, то есть реакцию Каниццаро, но поскольку оба альдегида в этот момент находятся рядом в виде лигандов в комплексе алюминия, то этот процесс происходит намного чище и количественней, а кроме того образующися спирт и кислота (в виде карбоксилата аалюминия) немедленно реагируют и образуют сложный эфир. Настоящий механизм этой реакции намного сложнее, и мы не будем его трогать. Важно понять, что это реакция каталитическая – использует каталитические количества алкоксида алюминия, и поэтому очень привлекательная и для промышленности (этилацетат, важнейший растворитель, делают в значительной степени из ацетальдегида именно так, а не этерификацией этанола уксусной кислотой).

Кроме того, как и другие каталитические реакции, она очень интересна для исследователей, потому что можно пробовать другие катализаторы, производные других металлов, и добиваться расширения возможностей, селективности и т.п. Действительно, в отличие от довольно бесполезной реакции Каниццаро, реакция Тищенко получила значительное развитие, и очень часто в современных версиях используется в сложных синтезах.

Полный снос карбонила. Метод Клемменсена.
Восстановление до CH2 можно считать полным сносом карбонила – был карбонил, – и нет его. На первый взгляд, это кажется идиотизмом, ведь мы понимаем, что карбонильная группа придает соединениям множество важных свойств и обширную реакционную способность, а убогий CH2 – это, можно сказать, просто одно из скромных звеньев в структуре органического соединения, бесмысленное и бессловесное. Но не будем торопиться. Когда мы строим структуру органического соединения и ищем пути синтеза, нам нужны и активные реакционные центры типа кратных связей, функциональных групп и т.п., – но нужно и то, что все это объединяет в одну молекулу. Мы хорошо понимаем, что наличие карбонила открывает огромные возможности – реакций на карбониле и рядом с ним море, и среди них очен много реакций образования C-C связей, за счет которых и строится новая молекула из более простых фрагментов. С карбонильной группой вообще ничто не может сравниться в этом смысле. Но молекулы, которые нам нужно построить для решения задачи или для дела, вовсе не всегда содержат карбонильные группы. Даже среди алканов есть толковые вещества, например, с интересным запахом. Целью синтеза может вообще быть все, что угодно. И очень часто синтез планируют и осуществляют именно так: а) строим нечто очень близкое к конечному результату, создаем скелет, используя мощный арсенал карбонильной химии (ох и любим же мы словечки из военного дела – вообще-то с помощью арсеналов редко что-то создают, а чаще скорее уничтожают); б) убираем к чертовой бабушке карбонил или карбонилы; в) немного подправляем результат (снимаем защиты, изменяем какие-то заместители уже не трогая скелета и т.п.). Готово!

Вот поэтому методы убирания карбонила так важны. И мы должны в них разбираться хотя бы немного, чтобы не делать совсем уж комических ошибок.

Метод Клемменсена

Это самый простой, и поэтому самый легкозапоминающийся метод. Но не стоит так уж сильно им увлекаться. Метод прост как сапог – берем кетон, амальгамированный цинк (это просто гранулированный цинк, блямбочки такие маленькие и тяжеленькие, который перед реакцией обработали раствором сулемы, чтобы они стали красивыми и блестящими), и долго кипятим все с концентрированной соляной кислотой. Если есть проблемы с растворимостью, а они есть почти всегда, так как соляная кислота – это в основном вода, а в воде органика нерастворима, – добавляют этанол или уксусную кислоту как сорастворители. В этом месте нормальный человек должен насторожиться – как это кипятим кетон с концентрированной соляной кислотой??! Попробуйте на досуге добавить, скажем, в ацетон немного концентрированной солянки, и даже просто дать немного постоять – увидите, как все потемнеет и в воздухе разольется неповторимый аромат продуктов кротоновой конденсации. Кетоны, и тем более альдегиды в присутствии сильных кислот быстро подвергаются самоконденсации, и сделать с этим ничего нельзя. Поэтому реакция Клемменсена чрезвычайно узка – ее применяют практически только к ароматическим альдегидам (которые не могут самоконденсироваться) и ароматическим же кетонам, которые хоть иногда и могут, но настолько ленивы (сопряжение сильно уменьшает электрофильность карбонила), что успевают раньше восстановиться. И все! К тому же она довольно неудобна в том смысле, что после реакции остается груда использованного цинка, загаженного ртутью, и ни к чему больше не пригодного. Но из-за ртути это нельзя просто выбросить, а нужно годами хранить в отдельной банке и бережно передать потомкам в ожидании того, что когда-нибудь кто-нибудь займется безопасной утилизацией этих отходов. В литературе иногда можно найти хитрые модификации метода, позволяющие иногда и алифатические кетоны восстанавливать – но это трудновоспроизводимые трюки для мастеров синтеза.

Время от времени возникает вопрос о механизме реакции. Гоните его, этот вопрос, со всей решительностью. Но если не гонится, то попробуем разобраться (дальше строго факультативно). Вообще-то в первом приближении здесь все очень просто: есть активный металл, а это, как мы уже знаем, источник электронов. Электроны липнут к карбонилу точно так же, как в методе сосстановительной димеризации, разобранном чуть ниже, дальше забираем протон, получаем спирт, который уж как-нибудь восстановится, ну или даже представим себе, что цинк может забрать кислород, создав что-то типа уходящей группы. Не забываем, что цинк двухвалентен, поэтому электроны швыряет сразу по два, иначе пришлось бы рисовать одновалентный цинк, а с этим возьни слишком много, потому что химия одновалентного цинка хоть и известна, но очень экзотична. Что-то типа такого:

Это вполне правдоподобный механизм, и на этом можно и остановиться. Скажем только, что он не объясняет несколько важных вещей. Во-первых, зачем цинк амальгамируют перед реакцией. Удивительно, но это не увеличивает, а уменьшает его реакционную способность в обыденном смысле этого слова. Всем в школе показывали, как просто блямбочки цинка реагируют с солянкой – растворяются с шипением, так ведь получают водород в смешном аппарате Киппа. А вот блестящие, амальгамированные блямбочки с солянкой реагируют настолько медленно, что этого вообще можно не заметить. Для реакции Клемменсена поэтому берут чудовищный избыток цинка – от трех до десятикратного и выше (стехиометрия реакции 4-электронная – на моль карбонила два моля цинка и 4 моля HCl). И в конце реакции “на глаз” весь цинк остается цел и невредим и все так же блестящ (на самом деле он все же похудел в соответствии со стехиометрией реакции, иначе на нас М.В.Ломоносов бы очень обиделся). Похоже что реакция идет на поверхности амальгамы цинка, то есть металлического раствора цинка в ртути. И в этом виде цинк имеет совершенно особые свойства, например, не реагирует с сильной кислотой с выделением водорода, но реагирует с собственно карбонильной группой, внедряясь по связи C=O, образуя при этом нечто похожее то ли на карбен, но скорее на карбеноид. Нарисовать это можно разными способами – проверить-то все равно невозможно. Но при этом важно не рисовать вздор, строго следить за валентностями, степенями окисления и прочими формальностями, делающими химию наукой.

Вот на этом мы точно должны остановиться, так как разбирать тонкости металлоорганической химии нам точно сейчас не нужно.

Полный снос карбонила - часть вторая. Реакция Кижнера-Вольфа и модификация "Хуанг-Минлона"
Гораздо более универсальный метод чем Клемменсен. Но и тут не все просто.

Реакция была открыта почти одновременно  с Клемменсеном прямо перед Первой мировой войной, а кроме того Николай Кижнер (по-английски почему-то его пишут как Kishner или Kischner), работая в Томске, и Людвиг Вольф, работая в Йене, открыли реакцию независимо и практически одновременно. Реакция состоит в том, что карбонильное соединение переводят в гидразон, гидразон выделяют и отдельно разлагают, причем в оригинальной реакции методы разложения были не очень удобными и довольно опасными – либо щелочными металлами, либо платиной. Поэтому, реакция была сначала не очень популярна.

То, чем мы пользуемся под названием реакция Кижнера-Вольфа, смешно и странно называется “модификация Хуанг-Минлона”. Что за бред? Это один человек или два? Откуда они? или он? Сам виноват. Написал статью в 1946 в Журнале американского химического общества, тогда довольно скромном, и так и подписался – Huang-Minglon, и ни имени, ничего, – так статьи подписывать как-то не принято. Но в 1946-м людям было не до того, чтобы соблюдать формальности, так и оставили. И с тех пор мучаются: метод важный и популярный, а что это за хуанг-минглон такой (или такие – через черточку обычно пишут соавторов). На самом деле, это совершенно мемориальная фигура – первый китайский ученый-химик. Сейчас китайскими учеными никого не удивишь, в любом журнале половина статей из Китая, а вторая половина не из Китая, но написана китайцами. Но тогда с Китаем дела обстояли весьма скверно – по количеству войн и революций эта страна точно была впереди почти всего остального человечества, и там было не до науки. Но нашелся и там целеустремленный человек, выучился, уехал в Европу и США, долго там работал, был сотрудником знаменитого американского химика Физера, многотомный справочник которого Реагенты для органического синтеза еще недавно лежал под подушкой каждого органика, и написал очень полезную статью на полторы странички. Физер включил метод в свой справочник, и с тех пор именно этим методом все и пользуются. Фамилия у человека была Huang, по-нашему Хуан. А имя у китайцев состоит из двух слогов (двух иероглифов), и это как раз и есть Minglon или Ming-long, не важно, как-то редко мы называем методы по имени-фамилии – метод Пупкина-Васи или Смита-Джона. Но в китайцах до недавнего времени мало кто разбирался, где там имя, где фамилия, и вообще может быть у них все по-другому. Но нет, не по другому, и сейчас это приходится знать, потому что все время нужно цитировать китайские работы, и поневоле все разобрались, что фамилии (семейные имена) у китайцев очень короткие и похожие, а вот имена длинные и очень разные. Но цитировать и упоминать нужно именно кототкую фамилию. Запомним, поэтому, что фамилия первого китайского химика просто Хуан, а то, что он Мин-лон знают его друзья и родственники, а нам до лампочки. Пользоваться мы поэтому будем модификацией Хуана реакции Кижнера-Вольфа.  Добавлю еще и то, что доктор Хуан вернулся в Китай уже при Мао, и удивительным образом сохранился во время жутких событий Большого скачка и Культурной революции, когда быть ученым и образованным человеком было приблизительно так же комфортно, как мышью в клетке удава. Но все пережил, достиг немалых почестей и званий. Так или иначе, это первый китайский химик. И точно не последний.

Что же придумал хитроумный Хуан? В химии больше всего ценится возможность провести многостадийный процесс, что называется “в одном ведре” без выделения промежуточных веществ, и желательно с реактивами подешевле. Вот Хуан и предложил взять карбонильное соединение, добавить к нему гидразин в виде самой доступной продажной формы, гидразин-гидрата (чистый гидразин очень опасен и ядовит, и его трудно достать, а его гидрат, особенно не самый крепкий, 85%-ный, прост в обращении и практически безопасен, и есть в любой лаборатории), туда же добавить обычную щелочь, и как следует нагреть. Чтобы щелочь растворилась и нагреть можно было посильнее, используют специальный растворитель – диэтиленгликоль или триэтиленгликоль с очень высокой температурой кипения и способностью сольватировать ионы щелочных металлов за счет образования хелатных комплексов (если посмотрите на молекулу триэтиленгликоля, то увидите, что это ровно половинка 18-краун-6 эфира). Продукт реакции очень часто отгоняется из реакционной смеси вместе с водой и избытком гидразина, но даже если он нелетуч, его выделяют после реакции, хорошенько все подкислив и отмыв водой, как полагается.

Внимание: когда применяете эту реакцию, помните о том, что ее условия весьма жестоки, ваши вещества подвергаются действию сильного основания при высокой температуре. В молекуле не может быть атомов галогенов кроме фтора (будет элиминирование), сопряженных кратных связей (съедут или будут взаимодействовать с гидразином), тройных связей (будет ацетилен-алленовая перегруппировка), гидролизуемых групп (нитрилов, амидов, сложных эфиров и т.п. – будут гидролизованы). Но – могут быть спиртовые и карбоксильные группы, изолированные двойные связи, простые эфиры, амины, естественно, любые алкилы, и в этом отношении это гораздо более мощный и удобный метод, чем Клемменсен. Лучшего у нас не будет.

Эти ограничения важно учитывать. Кто-то обязательно возопит, что неужели мы должны запоминать все эти дурацкие ограничения, это же жизни не хватит. Правильно возвысил голос товарищ, – конечно же, не должны. Запоминать не должны. Точно жизни не хватит. Но понимать, как работает тот или иной метод, должны. А если мы понимаем, как работает метод, мы и сами разберемся, какие у него ограничения и возможности, ведь вариантов в химии не так уж и много.

Вообще говоря, со времен подвигов первого, но не последнего китайского химика разработана куча дополнительных модификаций этой реакции, еще более селективных, но гораздо более дорогих и сложных, и мы не будем на них останавливаться. Прогресс не стоит на месте, и за ним не угонишься.

Механизм этой реакции можно не знать. Его легко написать исходя из общих соображений, и он довольно прост и очевиден. Как известно из театрального фольклора, если в какой-то постановке в первом действии на стене висит ружье, то в последнем оно обязательно выстрелит и кого-нибудь положит. Вот и в химии, если в каком-то реагенте рядом два атома азота, то в конце реакции они обязательно вылетят вон в виде невероятно стабильной и выгодной молекулы азота. Если постмотрим на молекулу гидразона, увидим эти самые два атома азота, только связь между ними простая, а нужно в конце сделать тройную. Вот этим и займемся. Реакция идет в присутствии сильного основания, значит отщепляется протон, видимо, от азота. Дальше мы аккуратно рисуем граничные структуры для получившегося аниона, видим, что отрицательный заряд делокализован между эти азотом и атомом углерода, обратимо протонируем, и получаем изомерную (таутомерную) форму гидразона уже с двойной связью между азотами. Все такие молекулы страшно неустойчивы, легко выбрасывают азот – хотите, пишите радикально, хотите через отщепление еще одного протона – и дело сделано.

 Десульфуризация (строго факультативно)

Как видим, ни метод Клемменсена, ни реакция Кижнера-Вольфа не являются универсальными – в одном мешает сильная кислота, в другом сильное основание. Нет ли метода помягче? Довольно популярна так называемая десульфуризация, основанная на том, что связи C-S легко рвутся в восстановительных условиях. Особенно часто используют условия гидрирования в присутствии разных никелевых катализаторов, самый простой из которых – губчатый никель, он же никель Ренея, получаемый растворением в водной щелочи никель-алюминиевого сплава, – алюминий растворяется, оставляя никель в виде мелкого пористого порошка с огромной поверхностью. Никелевые катализаторы известны своей способностью убирать серу почти из любых положений – это называется десульфуризация. Это свойство именно никеля, другие распространенные катализаторы гидрирования типа палладия, платины и других платиновых металлов серой отравляются и не работают. Никель же не брезглив, готов сносить любую вонь, и действительно сносит ее. Эту реакцию часто применяют и для избавления от карбонильной группы, предварительно превратив их в циклические тиоацетали. Но метод тоже не универсален. Это ведь условия довольно жесткого гидрирования, в котором не выживают двойные и тройные связи (гидрируются), галогены, особенно тяжелые (происходит гидрогенолиз), нитро-группы (восстанавлваются до аминов), ну и никакой другой серы (снесут). Зато нет проблем с гидролизуемыми группами (сложными эфирами, нитрилами, амидами), да даже и с карбонилом, если только вы сможете сделать молекулу, в которой есть и защищенная и незащищенная карбонильная группа.

Самая частая ошибка любителей десульфуризации, это применение метода к убиранию карбонила из сопряженных ненасыщенных альдегидов и кетонов типа продуктов кротоновой конденсации. Еще раз повторим – это гидрирование, и двойная связь в этих условиях гидрируется. Бывают примеры в литературе, когда эта двойная связь так загромождена и захламлена заместителями, что катализатору к ней с водородом не подобраться. Не надо трясти этими примерами, если вы их найдете, это – исключения. Стерику “на глазок” оценить нельзя – в таких случаях всегда сначала делали эксперимент, а потом радовались, что все так здорово получилось, хотя и не должно было. А потом, естественно, утверждали, что так и было задумано. Но выход, на самом деле, есть, и довольно надежный. Связи C-S рвутся не только гидрированием на никеле, но и восстановлением за счет прилипания электрона – то есть, воссстановлением натрием или литием в жидком аммиаке. И это работает, двойная связь остается на месте. Причем обратите внимание, что если бы исходный непредельный кетон так восстанавливали, то восстановилась бы как раз двойная связь.

Одно из применений десульфуризации является дополнением к дитиановому методу синтеза альдегидов и кетонов. После приделывания заместителей к дитиану вместо гидролиза проводят десульфуризацию водородом над никелем (если нет двойных связей), или натрием в аммиаке (если есть двойная связь). Фактически это дает нам метод синтеза алканов, когда на один углерод надеваются один или два углеродных фрагмента. В принципе, это не так уж и круто, ведь дитиан можно было по-обычному гидролизовать, а дальше просто отхуанить карбонильный кислород гидразином и щелочью, ведь это гораздо проще и безопаснее, чем брать где-то водород или, тем более, жидкий аммиак с натрием. Да мы ничего и не выигрываем, потому что ограничения дитианового метода гораздо жестче чем модификации Хуана реакции Кижнера-Вольфа. Тем не менее, мы экономим целую стадию, и это, в принципе, хорошо.

Восстановительная димеризация

Одна из самых старинных реакций – ей почти 160 лет. Это неудивительно – в те времена обожали пробовать смешивать разные вещества с активными металлами, особенно в виде амальгам, потому что других реактивов пока было немного. В оригинальной версии использован магний, активированный лошадиной дозой сулемы (хлорида ртути(II)), и инертный растворитель, бензол с избытком ацетона. Строго говоря, называть это амальгамой магния (а именно это имеют в виду, когда записывают Mg/Hg) неверно – в реакции сулему добавляют прямо в реакционную смесь, и она действует просто, вскрывая поверхность металла от окисленной пленки на поверхности.

Активный непереходный металл – очень простая вещь: единственно, что он может сделать, это отдать свои электроны любому, кто захочет их взять.

Куда попадают электроны, если их принимает какая-то нормальная устойчивая молекула? Сразу скажем, что далеко не все молекулы принимают лишние электроны. Молекулы алканов, или, например, спиртов или аминов не принимают лишние электроны, и вообще среди насыщенных молекул, не содержащих кратных связей, только галогенпроизводные принимают лишние электроны (и тут же разваливаются). Но молекулы с кратными связями электроны принимают. Когда лишний электрон прилипает к молекуле, образуется анион-радикал (анион – потому что лишний электрон несет отрицательный заряд, радикал – потому что он же становится неспаренным, так как в нормальных устойчивых молекулах все электроны спарены, а число их заведомо четное). Как узнать структуру анион-радикала? Для молекул посложнее это непростая задача – нужно знать электронную структуру и то, как устроена низшая свободная молекулярная орбиталь, куда, собственно этот лишний электрон и попадает. Но для молекул попроще можно и обойтись общими соображениями. Вот карбонильное соединение – куда прилипнет лишний электрон. Понятно, что к карбонильной группе, к ее π-связи, и тогда на этой связи окажется не два электрона, как положено, а три. Связь от этого ослабнет, расползется к атомам углерода и кислорода, которым придется поделить три электрона. Поровну не получится, электроны, вопреки тому, что утверждал товарищ Ленин в книге Материализм и эмпириокритицизм, неделимы. Одному достанется пара, другому один. Догадайтесь с трех раз, кому достанется больше, а кому меньше – углероду или кислороду. В терминах граничных структур это означает, что из двух возможных остается одна – и это углеродный радикал и кислородный анион. Два таких радикала могли бы встретиться и рекомбинировать, но это маловероятно, так как это заряженные частицы, которые отталкиваются. Гораздо лучше будет, если изначально использован не щелочной металл, а металл из второй-третьей-четвертой групп, который модет отдавать по одному электрону сразу нескольким молекулам карбонильного соединения, и тут же связывать их в комплекс с одновременно образующимся катионом металла, тогда и встреча радикалов не будет омрачена отталкиванием, да и получаются такие радикалы, скорее всего, прямо на поверхности металла по несколько штук рядом. В результате рекомбинации радикалов в координационной сфере металла непосредственно образуется хелатный комплекс диола с металлом, кислотный гидролиз которого дает свободный диол.

Впервые эта реакция была открыта для ацетона. Получающийся при этом 2,3-диметилбутан-2,3-диол при выделении кристаллизуется в виде гидрата – огромных бесцветных кристаллов, похожих на прозрачные пластинки. Внешний вид этого вещества настолько характерен, что первооткрыватель, разинув рот от изумления вызывающей красотой кристаллов, назвал полученное вещество пинаконом, что почти буквально по-гречески означает пластинки, от греческого корня, означающего нечто плоское – пластинку, доску, табличку. Картинные галереи в некоторых городах мира (Ватикане, Милане, Мюнхене…) называются пинакотеками – это однокоренные слова с пинаконом, потому что художники до эпохи Возрождения, а некоторые так и сильно после писали не на холсте, а на досках, и никто не удивляется, когда картины старых матеров называют досками, как у нас иногда иконы. Еще более забавно, что эти слова родственны и слову, обозначающему сосну (английское pine или латинское pinus), а там недалеко и до русского пня. Языковые игры на этом не заканчиваются. И в английском, и других языках этот диол называется не пинакон, а пинакол, но в русский слово попало из немецкого – главного языка старой классической органической химии. Немцы с тех пор тоже сломались и перешли на пинакол, а мы, известные любители древних традиций и прочих скрепок, так и живем с пинаконом. Наше название несколько сбивает с толку, так как мы привыкли к правильным суффиксам и -он ассоциируется с кетоном, а не спиртом. С этим словом придется свыкнуться, так как пинаконами называют не только продукт сдваивания ацетона, но и все подобные продукты, а саму реакцию у нас называют пинаконовым сочетанием или пинаконовой димеризацией (по-английски, pinacol coupling).

Для реакции используют самые различные металлы, от магния и цинка до ванадия и самария. Историческая методика – магний в присутствии хлорида ртути в сухом бензоле годится для ацетона и похожих алифатических кетонов (циклогексанона, метилэтилкетона и т.п.). Она не работает для альдегидов, ароматических кетонов и многих других карбонильных соединений. За 160 лет предложены десятки (многие десятки) альтернативных методов, одни из которых годятся для одних субстратов, другие для других – и разбираться в этой мешанине методов смысла нет, понадобится – найдете подходящую методику сами. Более-менее общей является модификация, предложенная выдающимся химиком Ю. Кори – амальгамированный магний в присутствии четыреххлористого титана в ТГФ – она неплохо работает и для альдегидов и для многих кетонов. Роль TiCl4 в ней не до конца понятна, но скорее всего Ti(4+) сначала восстанавливается магнием до низковалентного титана, а он уже и восстанавливает карбонильное соединение, причём оба анион-радикала оказываются связанными в комплекс с ионом титана. Титан очень любит кислород, и с огромным удовольствием принимает лиганды, связанные черех кислород. Вы можете сказать, что и магний тоже очень любит кислород – вон как горит ярко. Да, конечно, и этому мы и обязаны первоначальным выбором именно магния, а не какого-то другого металла. Но титан любит кислород в миллион раз больше магния, и когда горит титановая стружка, горящий рядом магний покажется тусклым тлением. В авиации есть такое понятие – титановый пожар – когда загораются детали самолёта или двигателя, сделанные из титана. Это по-настоящему страшно, поэтому в современных самолётах всё сделано так, чтобы это никогда не случилось, но всё же иногда случается, как всего год назад 22 августа 2018 года с Ту-204 в Уфе – тогда самолёт удалось быстро посадить и он догорал на земле.

Версию с добавкой TiCl4 мы и возьмем за основную, и будем использовать во всех случаях.

Обратите внимание, что образующиеся пинаконы, то есть диолы могут иметь трео- или эритро-конфигурации. В реальности обычные пинаконовые димеризации неселективны и дают смеси. Есть современные стереоселективные варианты, но мы их трогать не будем. Если нам нужны конкретные диастереоизомеры диолов, к нашим услугам хорошо нам известное дигидроксилирование алкенов. А пинаконы обычно получают только с одним намерением – немедленно учинить пинакон-пинаколиновую перегруппировку.

Реакция Мак Мурри (Марри, Мерри) (строго факультативно)

Весьма давно было подмечено, что в присутствии соединений титана вместо пинаконов (диолов) получаются олефины с тем же скелетом. После долгой работы по оптимизации именно этого направления появилась отдельная реакция, которая носит имя McMurry. В переводе на русский имеем проблему, как это передать более-менее правдоподобно. Получается то ли МакМурри, то ли МакМерри. Второе немного ближе к произношению, поэтому на нем и остановимся, хотя в литературе можно встретить оба, да еще и МакМарри, да еще и все то же самое, но раздельно или через дефис. Как хорошо, что в русской литературе обычно не бывает предметных указателей, а то найти эту реакцию было бы непросто. Но при поиске в сети это стоит иметь в виду.

Для осуществления реакции используют смеси, которые на месте генерируют низковалентный и очень активный титан – или Ti(0) или Ti(1+). В качестве восстановителей используют или щелочные металлы – литий или калий (на бумаге это ничего, а в жизни может закончиться скверно), алюмогидрид лития или цинк-медную пару. Результатом является сдваивание карбонильного соединения в алкен. Реакция предпочитает двать в основном менее стерически нагруженный олефин, в частности, из альдегидов получается больше транс- чем цис-, но в целом, на стереоселективность лучше не полагаться. При этом, реакция МакМерри удивительно мощна, работает гораздо лучше обычной пинаконовой димеризации, даже в очень непростых случаях – именно с ее помощью получены многие интересные и важные молекулы. Вот пара примеров – синтез оранжевого пигмента морковки β-транс-каротина из ретиналя, показывающий, что реакция спокойно относится к нагромождению сопряженных связей. Второй пример – сдваивание кетона 2-адамантанона в адамантилиденадамантан – а это тот самый олефин, который затем был использован для (первого и последнего) доказательства существования и участия циклических бромониевых ионов при присоединении брома к двойной связи. Реакцию МакМерри вообще обожают исследователи, занимающиеся синтезом новых сильно сопряженных материалов, так как она обычно без проблем сшивает любые кетоны, даже невероятно громоздкие и сильно сопряженные, в новые молекулы, сразу удваивая длину цепей сопряжения (вон, на примере каротина видно как из пяти сопряженных двойных связей сразу получить одиннадцать).