Задача 6. Получите пропионовый альдегид и диэтилкетон всеми известными способами.
Получение пропионового альдегида (пропаналя):
1. Каталитическое дегидрирование пропилового спирта: Пропиловый спирт (пропанол-1) при нагревании с катализатором (например, медью) дегидрируется, образуя пропионовый альдегид. \[\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH \xrightarrow{Cu, t^\circ} CH_3CH_2CHO + H_2}\] 2. Окисление пропилового спирта: Пропиловый спирт можно окислить до пропионового альдегида мягкими окислителями, например, дихроматом калия в серной кислоте. Важно контролировать условия, чтобы избежать дальнейшего окисления до пропионовой кислоты. \[\mathrm{3CH_3CH_2CH_2OH + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3CH_2CHO + K_2SO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + 7H_2O}\] 3. Гидратация пропина (реакция Кучерова): Пропин (метилацетилен) в присутствии солей ртути и серной кислоты присоединяет воду, образуя пропионовый альдегид. \[\mathrm{CH_3C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3CH_2CHO}\] 4. Восстановление пропионитрила: Пропионитрил можно восстановить до пропионового альдегида с помощью диизобутилалюминийгидрида (ДИБАЛ-Н) или других восстановителей. \[\mathrm{CH_3CH_2CN \xrightarrow{ДИБАЛ-Н} CH_3CH_2CHO}\] 5. Восстановление хлорангидрида пропионовой кислоты: Хлорангидрид пропионовой кислоты можно восстановить до пропионового альдегида по реакции Розенмунда (гидрирование над палладием на сульфате бария). \[\mathrm{CH_3CH_2COCl + H_2 \xrightarrow{Pd/BaSO_4} CH_3CH_2CHO + HCl}\] 6. Озонолиз алкенов: Озонолиз 1-бутена с последующим восстановительным расщеплением дает пропионовый альдегид и формальдегид. \[\mathrm{CH_3CH_2CH=CH_2 \xrightarrow{1) O_3; 2) Zn/H_2O} CH_3CH_2CHO + HCHO}\]
Получение диэтилкетона (пентанона-3):
1. Каталитическое дегидрирование пентанола-3: Пентанол-3 при нагревании с катализатором (например, медью) дегидрируется, образуя диэтилкетон. \[\mathrm{CH_3CH_2CH(OH)CH_2CH_3 \xrightarrow{Cu, t^\circ} CH_3CH_2COCH_2CH_3 + H_2}\] 2. Окисление пентанола-3: Пентанол-3 можно окислить до диэтилкетона с помощью окислителей, таких как дихромат калия в серной кислоте. \[\mathrm{3CH_3CH_2CH(OH)CH_2CH_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3CH_2COCH_2CH_3 + K_2SO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + 7H_2O}\] 3. Пиролиз кальциевой соли пропионовой кислоты: Сухая перегонка кальциевой соли пропионовой кислоты приводит к образованию диэтилкетона. \[\mathrm{(CH_3CH_2COO)_2Ca \xrightarrow{t^\circ} CH_3CH_2COCH_2CH_3 + CaCO_3}\] 4. Синтез из нитрилов (реакция Гриньяра): Взаимодействие пропионитрила с этилмагнийбромидом с последующим гидролизом. \[\mathrm{CH_3CH_2CN + CH_3CH_2MgBr \rightarrow [CH_3CH_2C(CH_2CH_3)=NMgBr] \xrightarrow{H_2O, H^+} CH_3CH_2COCH_2CH_3 + MgBr(OH)}\] 5. Ацилирование по Фриделю-Крафтсу: Ацилирование этилена хлорангидридом пропионовой кислоты в присутствии катализатора (например, \( \mathrm{AlCl_3} \)) с последующим восстановлением. Этот метод сложнее и менее прямой для диэтилкетона. Более простой вариант - ацилирование бензола пропионилхлоридом с последующим восстановлением до пропилбензола, а затем окислением боковой цепи, но это не дает диэтилкетон напрямую. 6. Озонолиз алкенов: Озонолиз 3-гексена с последующим восстановительным расщеплением дает диэтилкетон. \[\mathrm{CH_3CH_2CH=CHCH_2CH_3 \xrightarrow{1) O_3; 2) Zn/H_2O} 2CH_3CH_2CHO}\] Это не диэтилкетон, а пропионовый альдегид. Для получения диэтилкетона озонолизом нужен другой алкен, например, 3,4-диметил-3-гексен, но это уже более сложный субстрат. Корректный пример для кетона: озонолиз 3,4-диметил-3-гексена. \[\mathrm{CH_3CH_2C(CH_3)=C(CH_3)CH_2CH_3 \xrightarrow{1) O_3; 2) Zn/H_2O} 2CH_3CH_2COCH_3}\] Это не диэтилкетон. Для диэтилкетона нужен алкен, который при озонолизе даст именно его. Например, 3,4-диэтил-3-гексен. \[\mathrm{CH_3CH_2C(CH_2CH_3)=C(CH_2CH_3)CH_2CH_3 \xrightarrow{1) O_3; 2) Zn/H_2O} 2CH_3CH_2COCH_2CH_3}\] Это слишком сложный алкен. Более простой способ - это синтез из карбоновых кислот или спиртов.
Задача 10. Напишите уравнение реакции трихлоруксусного альдегида с водой. С чем связана стабильность образовавшегося соединения. Каким физиологическим действием оно обладает и как применяется в медицине.
Уравнение реакции трихлоруксусного альдегида (хлораля) с водой: Трихлоруксусный альдегид (хлораль) легко присоединяет воду, образуя стабильный гидрат хлораля. \[\mathrm{CCl_3CHO + H_2O \rightleftharpoons CCl_3CH(OH)_2}\] Стабильность образовавшегося соединения (гидрата хлораля): Стабильность гидрата хлораля обусловлена наличием трех электроноакцепторных атомов хлора, которые сильно оттягивают электронную плотность от углеродного атома, связанного с двумя гидроксильными группами. Это приводит к стабилизации диольной структуры. Обычно диолы, у которых две гидроксильные группы находятся при одном атоме углерода, нестабильны и легко отщепляют воду, превращаясь в карбонильные соединения. Однако в случае гидрата хлораля сильный индуктивный эффект атомов хлора делает эту структуру устойчивой. Физиологическое действие и применение в медицине: Гидрат хлораля обладает выраженным седативным и снотворным действием. Он является одним из старейших снотворных средств. В организме гидрат хлораля метаболизируется до трихлорэтанола, который и оказывает основное фармакологическое действие. Применяется в медицине как снотворное и седативное средство, особенно в случаях, когда необходимо быстрое наступление эффекта. Также может использоваться для купирования судорог. Однако из-за побочных эффектов (раздражение слизистых оболочек, угнетение дыхания, кардиотоксичность при передозировке) и появления более безопасных препаратов его применение в настоящее время ограничено.
Задача 11. Какие соединения получаются при взаимодействии: 1) ацетальдегида и этилового спирта (опишите механизм); 2) метилового спирта и ацетона? Какова роль кислотного катализатора в этой реакции?
1) Взаимодействие ацетальдегида и этилового спирта:
При взаимодействии ацетальдегида (этанола) с этиловым спиртом (этанолом) в присутствии кислотного катализатора образуется сначала полуацеталь, а затем полный ацеталь. Стадия 1: Образование полуацеталя Ацетальдегид реагирует с одной молекулой этилового спирта, образуя 1-этоксиэтанол (полуацеталь). \[\mathrm{CH_3CHO + CH_3CH_2OH \xrightarrow{H^+} CH_3CH(OH)OCH_2CH_3}\] Стадия 2: Образование ацеталя Полуацеталь реагирует со второй молекулой этилового спирта, образуя 1,1-диэтоксиэтан (диэтилацеталь ацетальдегида). \[\mathrm{CH_3CH(OH)OCH_2CH_3 + CH_3CH_2OH \xrightarrow{H^+} CH_3CH(OCH_2CH_3)_2 + H_2O}\] Механизм реакции (в кислой среде): 1. Протонирование карбонильного кислорода ацетальдегида: Кислотный катализатор протонирует атом кислорода карбонильной группы, увеличивая электрофильность углерода. \[\mathrm{CH_3CHO + H^+ \rightleftharpoons CH_3CH=O^+H}\] 2. Нуклеофильная атака спирта: Молекула этилового спирта атакует протонированный карбонильный углерод. \[\mathrm{CH_3CH=O^+H + CH_3CH_2OH \rightleftharpoons CH_3CH(O^+H)OCH_2CH_3}\] 3. Депротонирование: Отщепление протона от атома кислорода спиртовой группы, образование полуацеталя. \[\mathrm{CH_3CH(O^+H)OCH_2CH_3 \rightleftharpoons CH_3CH(OH)OCH_2CH_3 + H^+}\] (Это полуацеталь) 4. Протонирование гидроксильной группы полуацеталя: Гидроксильная группа полуацеталя протонируется кислотным катализатором. \[\mathrm{3CH_3CH(OH)OCH_2CH_3 + H^+ \rightleftharpoons CH_3CH(O^+H_2)OCH_2CH_3}\] 5. Отщепление воды и образование карбокатиона: Отщепляется молекула воды, образуется резонансно-стабилизированный карбокатион. \[\mathrm{CH_3CH(O^+H_2)OCH_2CH_3 \rightleftharpoons CH_3CH^+(OCH_2CH_3) + H_2O}\] 6. Нуклеофильная атака второй молекулы спирта: Вторая молекула этилового спирта атакует карбокатион. \[\mathrm{CH_3CH^+(OCH_2CH_3) + CH_3CH_2OH \rightleftharpoons CH_3CH(O^+HCH_2CH_3)OCH_2CH_3}\] 7. Депротонирование: Отщепление протона, образование ацеталя. \[\mathrm{CH_3CH(O^+HCH_2CH_3)OCH_2CH_3 \rightleftharpoons CH_3CH(OCH_2CH_3)_2 + H^+}\] (Это ацеталь)
2) Взаимодействие метилового спирта и ацетона:
При взаимодействии ацетона (кетона) с метиловым спиртом (метанолом) в присутствии кислотного катализатора образуется сначала полукеталь, а затем полный кеталь. Стадия 1: Образование полукеталя Ацетон реагирует с одной молекулой метилового спирта, образуя 2-метоксипропан-2-ол (полукеталь). \[\mathrm{CH_3COCH_3 + CH_3OH \xrightarrow{H^+} (CH_3)_2C(OH)OCH_3}\] Стадия 2: Образование кеталя Полукеталь реагирует со второй молекулой метилового спирта, образуя 2,2-диметоксипропан (диметилкеталь ацетона). \[\mathrm{(CH_3)_2C(OH)OCH_3 + CH_3OH \xrightarrow{H^+} (CH_3)_2C(OCH_3)_2 + H_2O}\]
Роль кислотного катализатора в этих реакциях: Кислотный катализатор играет ключевую роль, увеличивая электрофильность карбонильного углерода. Он протонирует атом кислорода карбонильной группы (C=O), делая его более положительно заряженным и, следовательно, более восприимчивым к нуклеофильной атаке со стороны спирта. Без катализатора реакция протекает очень медленно или не протекает вовсе, так как карбонильный углерод недостаточно электрофилен для атаки слабого нуклеофила, такого как спирт. Кроме того, кислотный катализатор способствует отщеплению воды на стадии образования ацеталя/кеталя, протонируя гидроксильную группу полуацеталя/полукеталя, превращая ее в хорошую уходящую группу (молекулу воды).
Задача 12. Напишите реакцию образования бисульфитного производного пропионового альдегида.
Пропионовый альдегид реагирует с гидросульфитом натрия (бисульфитом натрия) с образованием бисульфитного производного. Эта реакция является характерной для альдегидов и некоторых кетонов. \[\mathrm{CH_3CH_2CHO + NaHSO_3 \rightarrow CH_3CH_2CH(OH)SO_3Na}\] Название продукта: Натриевая соль 1-гидроксипропансульфоновой кислоты (или бисульфитное производное пропионового альдегида). Описание реакции: В этой реакции нуклеофильный сульфитный ион \( \mathrm{HSO_3^-} \) (или \( \mathrm{SO_3^{2-}} \), в зависимости от pH) атакует электрофильный карбонильный углерод пропионового альдегида. Затем происходит перенос протона, в результате чего образуется стабильное кристаллическое аддуктное соединение. Эта реакция обратима и используется для очистки альдегидов и кетонов, а также для их выделения из смесей.