Еноляты: кислотность α-водорода, LDA
Кислотность α-водорода
linkОпора
- Урок 275. Кето-енольная таутомерия — рисовать механизм енолизации в кислоте и щёлочи
- Урок 28. Как выбрать кислоту или основание для реакции — подбирать основание, которое полностью депротонирует вещество
Атом водорода при α-атоме кислый не потому, что связь C–H слаба, а потому, что образующийся анион устойчив: его заряд делокализуется на атом кислорода (урок 26). Чем лучше делокализован заряд, тем кислее атом водорода и тем более слабое основание нужно, чтобы его оторвать. Сравнивая \(pK_a\) субстрата и сопряжённой кислоты основания, можно предсказать, превратится ли субстрат в енолят нацело.
Как сравнить кислотность и выбрать основание
- Чем лучше делокализован заряд аниона, тем кислее α-атом водорода.
- Кислотность убывает в ряду: альдегид (\(pK_a\) 17) > кетон (19–20) > сложный эфир и нитрил (25) > амид (30). Неподелённая пара группы OR или \(\ce{NR2}\) сама сопряжена с группой C=O и мешает ей принять заряд.
- Если у одного атома углерода две акцепторные группы, заряд делокализуется на обе, и \(pK_a\) снижается до 9–13.
- Основания (в скобках — \(pK_a\) сопряжённой кислоты): \(\ce{Et3N}\) (11), NaOH (15,7), NaOEt (16), t-BuOK (18), NaH (35), LDA (36).
- Равновесие сдвинуто в сторону более слабой кислоты: \(K = 10^{\,pK_a(\ce{BH}) - pK_a(\text{субстрата})}\).
| Соединение | \(pK_a\) (α-H) |
|---|---|
| этан | ≈ 50 |
| этилацетат | 25 |
| ацетонитрил | 25 |
| ацетон | 19 |
| ацетальдегид | 17 |
| диэтилмалонат | 13 |
| ацетоуксусный эфир | 11 |
| нитрометан | 10 |
| пентан-2,4-дион | 9 |
Примеры
1. Малоновый эфир и этилат. Диэтилмалонат \(\ce{CH2(COOC2H5)2}\) (\(pK_a\) 13) с этилатом натрия (сопряжённая кислота — этанол, \(pK_a\) 16): \(K = 10^{16-13} = 10^{3}\), и енолят образуется практически нацело.
2. Сложный эфир и LDA. Этилацетат \(\ce{CH3COOC2H5}\) (\(pK_a\) 25) с LDA (\(pK_a\) сопряжённой кислоты 36): \(K = 10^{11}\), и енолят сложного эфира образуется нацело и необратимо.
errorОснование и нуклеофил — не одно и то же
LDA — сильное, но пространственно затруднённое основание: к группе C=O оно не присоединяется, а только отнимает протон. Этилат и гидроксид — ещё и нуклеофилы: со сложными эфирами они вызывают переэтерификацию и омыление.
edit_noteПопробуйте сами
Можно ли нацело превратить ацетоуксусный эфир в енолят действием этилата натрия?
expand_moreПоказать решение
Да: \(pK_a\) ацетоуксусного эфира 11, а этанола 16, поэтому равновесие сдвинуто вправо на пять порядков.
Кинетический и термодинамический еноляты
У несимметричного кетона два α-атома, и от условий зависит, какой из них потеряет протон. Как и при присоединении к диенам (урок 159), здесь различают кинетический и термодинамический контроль. Быстрее образуется енолят по менее замещённому, более доступному α-атому, а устойчивее енолят с более замещённой двойной связью.
Как выбрать условия
- Кинетический енолят (с менее замещённой связью C=C) получают действием LDA в ТГФ при −78 °C за короткое время: кетон прибавляют к избытку основания, депротонирование необратимо, и выигрывает самый доступный атом водорода.
- Термодинамический енолят (с более замещённой связью C=C) получают более слабым основанием (NaOEt, t-BuOK, NaH) при комнатной температуре или при нагревании и небольшом избытке кетона: протоны переходят между молекулами, устанавливается равновесие, и побеждает более устойчивый енолят.
- Енолят закрепляют: с \(\ce{Me3SiCl}\) получается силиловый эфир енола (урок 285), а с алкилгалогенидом — α-алкилкетон (урок 281).
Примеры
1. Кинетический енолят. Бутанон с LDA в ТГФ при −78 °C даёт енолят \(\ce{CH2=C(O^-)CH2CH3}\) — по атому C1.
2. Термодинамический енолят. Бутанон с гидридом натрия при 25 °C даёт преимущественно енолят \(\ce{CH3C(O^-)=CHCH3}\) — по атому C3.
errorКинетический — значит быстрый, а не «менее кислый»
Решает скорость: LDA — объёмное основание, и атом водорода у менее замещённого атома углерода для него доступнее. При −78 °C обратной реакции нет, и енолят не успевает превратиться в более устойчивый.
edit_noteПопробуйте сами
Какой енолят образует фенилацетон \(\ce{C6H5CH2COCH3}\) с этилатом натрия?
expand_moreПоказать решение
\(\ce{C6H5CH=C(O^-)CH3}\): двойная связь C=C сопряжена с кольцом, поэтому этот енолят устойчивее, а бензильный атом водорода к тому же кислее.
push_pinГлавное
α-H альдегидов и кетонов кислые (\(pK_a\) 17–20), сложных эфиров и нитрилов — слабее (≈ 25), 1,3-дикарбонильных соединений — намного сильнее (9–13): заряд енолята уходит на кислород (на два атома O). Основание депротонирует субстрат нацело, если его сопряжённая кислота слабее субстрата на несколько единиц \(pK_a\): кетон — LDA (диизопропиламин, \(pK_a\) 36), NaH, \(\ce{NaNH2}\); алкоксиды и гидроксид дают лишь равновесную долю енолята кетона, но нацело депротонируют 1,3-дикарбонилы. Несимметричный кетон с LDA при −78 °C даёт кинетический (менее замещённый) енолят, с алкоксидом при комнатной температуре — термодинамический (более замещённый).
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.