В современном органическом синтезе крайне активно используются разнообразные защитные группы. Зачастую химикам необходимо провести реакцию с определённой функциональной группой, однако при этом в исходном веществе присутствуют другие группы, которые также будут реагировать в этих условиях. Чтобы избежать этого, эти группы «защищают», превращая в какие-то другие группы, которые будут устойчивы в условиях целевой реакции. Далее проводят необходимые реакции, после чего «снимают защиту», превращая защищённые функциональные группы в исходные.
Одной из наиболее распространённых защитных групп является ацетальная группа, которую применяют для защиты альдегидов и кетонов.
Карбонильные соединения обратимо взаимодействуют со спиртами по схеме
Как правило, для проведения такого процесса берут двухатомный спирт этиленгликоль, который реагирует с карбонильными соединениями с образованием устойчивого циклического продукта. Постановку такой защиты проводят в кислой среде при удалении воды (например, используя насадку Дина-Старка или молекулярные сита). Снятие защиты тоже проводят в кислой среде, но при избытке воды.
На представленной ниже схеме превращений продемонстрировано использование этиленгликоля в качестве защитной группы.
1. Напишите структурные формулы соединений A – L (без учёта пространственной изомерии). Дополнительно известно, что в процессе превращения G в H образуется осадок жёлтого цвета.
Первая стадия цепочки является стандартной реакцией этерификации, протекающей по карбоксильной группе. Далее полученный кетон A реагирует с этиленгликолем в присутствии сильной кислоты TsOH, что соответствует стадии постановки защитной группы. Схема этой реакции приведена в условии задачи на примере моноатомного спирта; в случае двухатомного спирта процесс будет идти точно так же, только реагировать будут две OH группы одной и той же молекулы этиленгликоля, что приведёт к образованию циклического продукта B. Далее алюмогидрид лития восстанавливает сложноэфирную группу до первичной гидроксильной группы. Использующаяся на этой стадии обработка реакционной смеси водой не приводит к снятию защитной группы, поскольку далее в схеме превращений происходит получение реактива Гриньяра, не совместимого с незащищённой карбонильной группой. Далее под действием тионилхлорида проходит замещение гидроксогруппы на атом хлора. Полученный алкилхлорид D на следующей стадии превращают в реактив Гриньяра, присоединение которого к связи C=O формальдегида даёт (после обработки реакционной смеси водным раствором кислоты) спирт E. Кислотный гидролиз также приводит к расщеплению циклического ацеталя (снятию защитной группы), что следует из приведённой в условии массовой доли углерода в E. На последней стадии спиртовая группа окисляется в альдегидную при действии реагента СареттаКоллинза (комплекса CrO3 с пиридином). Таким образом, в данной схеме использование защитной группы предотвратило восстановление карбонильной группы алюмогидридом лития и позволило получить реактив Гриньяра.
Во второй схеме 4-оксопентаналь вводят в реакцию с 1 эквивалентом этиленгликоля в присутствии кислоты. Известно, что альдегидная группа вступает в реакцию с нуклеофилами быстрее оксогруппы, поскольку электронодонорные алкильные заместители понижают частичный положительный заряд на электрофильном атоме углерода при связи C=O. Также то, что в реакцию вступает именно альдегидная группа, можно определить по визуальному признаку следующей стадии. При взаимодействии с щелочным раствором иода метилкетон превращается в карбоксилат, и выделяется осадок жёлтого цвета CHI3 (иодоформная реакция). Так как иодоформная проба является качественной реакцией именно на метилкетоны, то защите подвергалась альдегидная группа. Обработка водным раствором кислоты после проведения иодоформной реакции приводит одновременно к гидролизу защитной группы и к нейтрализации карбоксилата, давая 4- оксобутановую кислоту H. Структура продукта подтверждается заданным в условии массовым содержанием углерода.
Последовательность превращения D в I является реакцией Виттига. Вначале трифенилфосфин нуклеофильно замещает атом хлора с образованием фосфониевой соли. Депротонирование этой соли бутиллитием даёт илид фосфора, который взаимодействует с кетоном G с образованием алкена I. О том, что продуктом реакции является алкен, также можно догадаться исходя из брутто-формулы I. Далее следуют стадии снятия и постановки защитной группы (фактически снятие защиты с кетогруппы). Затем карбонильную группу в полученном кетоне J восстанавливают в метиленовую группу (по Кижнеру-Вольфу). Далее связь C=C окисляют по реакции Вагнера в вицинальный диол. Последующее снятие защитной группы даёт конечный продукт L, структуру которого также можно подтвердить по заданному в условии содержанию углерода. Таким образом, в данной схеме использование защитной группы предотвратило окисление альдегидной группы в условиях иодоформной реакции и реакции Вагнера, её взаимодействие с илидом фосфора по реакции Виттига, её восстановление по Кижнеру-Вольфу, а также присоединение бутиллития к кетогруппе.
2. Соединение L может существовать в виде трёх таутомерных форм (без учёта пространственной изомерии): одной открытоцепной и двух циклических. Одну из этих форм Вы уже нарисовали в ответе на предыдущий вопрос. Приведите структурные формулы двух других таутомерных форм.
В открытоцепной форме соединения L присутствуют две гидроксильные группы и альдегидная группа. Каждая из OH-групп может взаимодействовать с альдегидной группой с образованием циклического полуацеталя с пяти- или шестичленным циклом, в зависимости от того, какая из групп вступает в реакцию. Данный процесс аналогичен образованию циклических таутомерных форм для углеводов.
3. Схематично нарисуйте насадку Дина-Старка и объясните принцип её применения. Что такое молекулярные сита и для чего они используются?
На рисунке справа представлена схема установки для проведения реакции с насадкой ДинаСтарка. Выделяющаяся в результате реакции вода испаряется из колбы, и пары поступают в остальную часть установки. Внутри обратного холодильника пары воды конденсируются из-за охлаждения рубашки холодильника постоянным потоком холодной воды, а затем стекают вниз в насадку ДинаСтарка. Таким образом, вода эффективно удаляется из реакционной смеси. Часто насадка Дина-Старка снабжена краном в нижней части, через который можно время от времени сливать накапливающуюся воду, избегая переполнения насадки.
Молекулярные сита – это кристаллические алюмосиликаты с порами определённого и однородного размера. В эти поры могут заходить и адсорбироваться малые молекулы, например, H2O, NH3, CO2, SO2, H2S, C2H4 и др., при этом более крупные молекулы в эти поры не проходят. Таким образом, молекулярные сита можно использовать в качестве осушителей и адсорбентов
