Кето-енольная таутомерия

Зачем изучать енолы и еноляты

В предыдущих темах карбонильная группа была электрофилом: нуклеофилы присоединялись к её атому углерода (темы 20 и 21). Но у альдегидов, кетонов и сложных эфиров есть и второй реакционный центр — α-атом углерода, соседний с карбонильной группой. Атом водорода при нём кислый, а после его отрыва образуется енолят — нуклеофил, который атакует галогены, алкилгалогениды и карбонильные группы других молекул.

Реакции енолов и енолятов — главный способ строить связи C–C в органическом синтезе. Альдольная реакция соединяет две молекулы карбонильного соединения, конденсация Кляйзена даёт β-кетоэфиры, а ацетоуксусный и малоновый синтезы позволяют получить почти любой метилкетон или замещённую уксусную кислоту. Те же реакции идут и в живой клетке: на альдольной реакции и конденсации Кляйзена построены синтез и распад сахаров и жирных кислот. В этой теме мы научимся получать енолы и еноляты и предсказывать продукты их реакций.

Как построена эта тема

В уроке 275 мы разберём кето-енольную таутомерию, в уроке 276 — кислотность α-атомов водорода и выбор основания. Уроки 277–280 посвящены галогенированию в α-положение: в кислоте и щёлочи, галоформной реакции, реакции Гелля — Фольгарда — Зелинского и перегруппировке Фаворского. В уроке 281 мы алкилируем еноляты, а в уроках 282–287 разберём альдольную реакцию и родственные конденсации — перекрёстную и внутримолекулярную, Мукаямы, Кнёвенагеля, Перкина и Манниха. Уроки 288–290 посвящены конденсациям сложных эфиров (Кляйзена, Дикмана, Дарзана и Штоббе), уроки 291–296 — ацетоуксусному и малоновому синтезам, реакции Михаэля, аннелированию по Робинсону, реакции Сторка и расщеплению β-дикарбонильных соединений. Урок 297 — практикум по всей теме.

Кетон и енол

Енол — это изомер карбонильного соединения, в котором атом водорода перешёл от α-атома углерода к атому кислорода, а двойная связь сместилась с C=O на C=C. Изомеры, которые быстро превращаются друг в друга переносом протона, называют таутомерами, а само равновесие — кето-енольной таутомерией; перенос протона мы разбирали в уроке 22. Для простых альдегидов и кетонов равновесие почти полностью сдвинуто к карбонильной форме, но некоторые соединения существуют главным образом в виде енола.

Как нарисовать енол и оценить равновесие

1. Найдите α-атомы — атомы углерода, соседние с карбонильным, у которых есть атомы водорода.
2. Перенесите атом водорода с α-атома на кислород: двойная связь переходит с C=O на \(C_{\alpha}{=}C\).
3. Каждый α-атом с водородом даёт свой енол, поэтому у несимметричного кетона их два (не считая E- и Z-изомеров).
4. Простые альдегиды и кетоны существуют почти только в карбонильной форме: связь C=O (около 745 кДж/моль) прочнее связи C=C (около 610 кДж/моль).
5. У 1,3-дикетонов енола много: связь C=C сопряжена со второй группой C=O, а группа OH образует внутримолекулярную водородную связь, замыкая шестичленный цикл.
6. Если енол ароматичен, как фенол, он — главная форма.

Примеры

1. Ацетон. Ацетон находится в равновесии с проп-1-ен-2-олом \(\ce{CH2=C(OH)CH3}\), но енола в нём меньше миллионной доли процента.

2. Два енола. Бутанон \(\ce{CH3COC2H5}\) даёт два енола: \(\ce{CH2=C(OH)C2H5}\) и \(\ce{CH3C(OH)=CHCH3}\); второй существует в виде E- и Z-изомеров.

бут-1-ен-2-ол

бут-2-ен-2-ол

3. Ароматический енол. Циклогекса-2,4-диен-1-он \(\ce{C6H6O}\) мгновенно превращается в фенол: енольная форма ароматична.

Механизм енолизации

Сама по себе енолизация идёт медленно, а кислота и основание ускоряют перенос протона, как в кислотно-основных реакциях из урока 22. В кислоте сначала протонируется атом кислорода, а в щёлочи сначала уходит α-протон, и образуется енолят-ион. Из механизма следуют два важных опыта: обмен α-атомов водорода на дейтерий и рацемизация α-стереоцентра.

Как нарисовать механизм и его следствия

1. В кислой среде ион \(\ce{H+}\) сначала протонирует карбонильный атом кислорода, и α-атом водорода становится кислым.
2. Затем вода как основание отнимает α-протон, и образуется енол.
3. В щелочной среде гидроксид-ион сначала отнимает α-протон, и образуется енолят-ион; его заряд делокализован между α-атомом углерода и атомом кислорода.
4. Затем вода протонирует атом кислорода (получается енол) или атом углерода (снова получается кетон).
5. В \(\ce{D2O}\) с NaOD (или с ионами \(\ce{D+}\)) на дейтерий обмениваются все α-атомы водорода, и только они.
6. Плоский енол или енолят протонируется с обеих сторон, поэтому α-стереоцентр с атомом водорода теряет конфигурацию; стереоцентр без атома водорода или не при α-атоме сохраняется.

Примеры

1. Обмен на дейтерий. Ацетон в \(\ce{D2O}\) с NaOD превращается в \(\ce{CD3COCD3}\): на дейтерий обмениваются все шесть α-атомов водорода, \(\ce{CH3COCH3 ->[D2O, NaOD] CD3COCD3}\).

2. Рацемизация. (S)-2-Метилциклогексанон \(\ce{C7H12O}\) в растворе NaOH теряет оптическую активность: плоский енолят протонируется с обеих сторон, и получается рацемат.