Реакции галогенирования альдегидов и кетонов являются подробно изученными. Процессы галогенирования альдегидов и кетонов проходят исключительно по $\alpha$-положению относительно карбонильной группы и не ускоряются на свету. Процессы галогенирования альдегидов и кетонов как правило проводят за счет действия растворов галогенов в уксусной кислоте. Иногда также применяют хлор растворенный в соляной кислоте, комплекс брома с диоксаном или другом растворителе, а тагже другие галогенсодержащие комбинации вещест. Далее приведены типичные примеры реакций галогенирования альдегидов и кетонов:
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Рисунок 3.
$\alpha$-Галогенкетоны, полученные в таких реакциях, широко применяют в органическом синтезе, в частности в $Sn2$ реакциях - реакциях, в которых происходит замещение галогенов на другие группы. $\alpha$-Галогенкетоны также используют в реакция образования $\alpha, \beta$-ненасыщенных кетонов, в роеакциях дегидрогалогенирования. Примером такого процесса является реакция обычного $E2$-элиминирования 2-бром-2-метил-циклогексанона с пиридином, в результате которой образуется 2-метилциклогексен-2-он:
Рисунок 4.
Катализ реакций галогенирования кетонов
Реакции галогенирования кетонов катализируются как кислотами, так и основаниями, но следует заметить, что скорости этих реакций в присутствии оснований намного выше, чем в присутствии кислот.
Галогенирование карбонильных соединений (кетонов, альдегидов) сопровождается замещением $\alpha$-углеродного водорода на атом галогена. Скорость галогенирования не зависит от природы галоида, а определяется строением исходного соединения, так как в лимитирующей стадии галоген не участвует. Сутью лимитирующей стадии является кето-енольная таутомерие (енольная форма - кетонна форма):
Рисунок 5.
Галогенирования альдегидов и симметричных кетонов происходит специфически с образованием однозначного продукта; для несимметричных кетонов возможные изомерные продукты, контролируются типом катализа.
-
Основный катализ:
Рисунок 6. -
Кислотный катализ
Рисунок 7.
Изотопный обмен водорода и рацемизация
Дополнительные сведения о механизме реакций галогенирования карбонильных соединений были получены при изучении изотопного (дейтероводородного) обмена, а также рацемизации оптически активных альдегидов и кетонов.
-
Изотопный обмен как алифатических, так и циклических кетонов, катализируется кислотами, и наблюдается только для водородных атомов находящихся в $\alpha$-положении к углеродным атомам по отношению к карбонильным группам.
Рисунок 8.Для одних и тех же карбонильных соединений скорости кислотно-катализируемых реакций галогенирования равны скоростям катализируемых кислотами изотопного обмена при идентичных остальных условиях.
-
Катализируемая кислотами рацамизация фенил-втор-бутилкетона $C_6H_5COC^*H(CH_3)-CH_2CH_3$, оптически активного соединения, также протекает с такой же скоростью, как и катализируемое кислотами иодирование и изотопный обмен. Такая же зависимость имеет место для катализируемого кислотами галогенирования, дейтероводородного обмена и рацемизации 3-фенил-2-бутанона $C_6H_5COC^*H(CH_3)-COCH_3$ и других оптически активных кетонов.
То, что скорости рацамизации, дейтероводородного обмена и галогенирования для этихреакций одинаковы означает, что во всех этих процессах образуются одни и те же интермедиаты, а скорости их образования определяют скорости процессов галогенирования, дейтероводородного обмена и рацемизации в целом.
Кислотно-катализируемые реакции
В случае, когда эти процессы катализируются кислотами такими интермедиатами можгут быть только енолы, которые имеют плоскости симметрии и поэтому ахиральны. Изомеризация енолов в кетоны приводит к образованию $R$- или $S$-энантиомеров с равной вероятностью. Дейтероводородноый обмен и галогенирование исключительно при $\alpha$-углеродном атоме также согласуется только с механизмом, предусматривающим образование енолов в качестве единственных интермедиатов:.
Рисунок 9.
Механизм кислотного катализа с изомеризацией кетонов в енолы заключается в протонировании карбонильных групп с последующим отщеплением протонов от $\alpha$-углеродных атомов оксониевых форм. Формально эта стадия подобна $E1$ процессам элиминирования.
Рисунок 10.
Основно-катализируемые реакции
Скорости процессов рацемизации, галогенирования и дейтероводородного обмена для фенил-втор-бутилкетона оказываются одинаковыми и в случае каталиа гидроксид-ионами. Однако скорости этих реакций, при катализе основаниями, в тысячу раз превышают скорости кислотно-катализируемых процессов. Из этого следует, что интермедиаты, образующиеся в присутствии оснований, должны быть гораздо более реакционноспособными частицами по сравнению с ковалентными енолами. Такими частицами могут быть только енолят-ионы, получающиеся в результате отщеплений протонов от $\alpha$-углеродных атомов карбонильных соединений, как слабых $C-H$ кислот:
Рисунок 11.
Плоские, ахиральные еиолят-ионы равновероятно протонируются или галогенируется по $\alpha$-углеродным атомам с тыла или с фронтальной стороны с образованием рацемических форм кетонов или $\alpha$-галогензамещенных кетонов.
