Реакциями конденсации называют реакции, приводящие к образованию продуктов с новыми углерод-углеродными связями, в том числе и к образованию карбо- или гетероциклов, и сопровождающихся выделением простых по составу веществ - воды, водорода, аммиака, галогеноводородов и других.
Енолы и енолят-ионы аналогично другим схожим соединениям, образующим карбанионы, способны вступать в реакции обратимого и необратимого присоединения к таким группам как:
- карбонильные группы альдегидов и кетонов - альдольная конденсация;
- карбонильные группы сложных эфиров - сложноэфирная конденсация и внутримолекулярная конденсация сложных эфиров;
- карбонильные группы альдегидов и кетонов с соединениями, в которых содержаться две акцепторные группы у одного атома углерода - конденсация Кневенагеля;
- карбонильные группы гетероциклических альдегидов в присутствии цианид-ионов - бензоиновая конденсация;
- присоединение к карбонильным группам альдегидов и кетонов металлорганических соединений, производных сложных эфиров - реакции Реформатского;
- конденсация кетонов c формальдегидом и гидрохлоридом вторичных аминов - реакция К. Манниха;
- и другие виды конденсаций.
Альдольная конденсация
Органические соединения, содержащие оксогруппу (альдегиды, кетоны и сложные эфиры), в слабощелочной среде реагируют с соединениями, содержащими активную метиленовую группу (группу с подвижными атомами водорода). Подвижность водородного атома метиленовой группы обусловливается наличием рядом с ней электроотрицательной группы. Простейшим примером такого типа реакций конденсации является образование альдоля путем конденсации двух молекул алифатического (уксусного) альдегида (реакция альдолизации):
Рисунок 1.
Но несмотря на то, что альдолями называются только продукты конденсации двух молекул альдегида, термином «альдолизация» обычно обозначаются все реакции конденсации, механизм которых одинаков с механизмом образования альдолей.
Катализаторами реакции альдольной конденсации чаще всего выступают разбавленные растворы гидроксида натрия или калия, натрий или калий карбоната, натрий ацетата, калий цианида и различные органические основания:
Рисунок 2.
Сначала под действием основного катализатора (гидроксид-аниона или этоксид-аниона $C_2H_5O^-$) из метилкетона образуется сопряженный анион - сильный нуклеофил, который атакует електрофильный центр карбонильной группы альдегида. Полученный вследствие такого взаимодействия анион быстро превращается в альдоль:
Рисунок 3.
Подробнее альдольная конденсация будет рассмотрена далее.
Конденсация кетонов с кетонами и альдегидами
-
В подобную конденсацию могут вступать и кетоны. Продукты такой конденсации - гидроксикетоны, так называемые кетолы, образуются значительно труднее и с существенно меньшими выходами, чем альдоли. Аналогично реакции альдолизации альдегидов реакция конденсации двух молекул кетонов проходит по схеме:
Рисунок 4. -
Альдольная конденсация альдегидов с кетонами также приводит к образованию оксикетонов и протекает в тех же условиях и в присутствии тех же основных реагентов, что и конденсация двух молекул альдегидов. Одновременной конденсации двух молекул альдегида или двух молекул кетонов избегают, используя разницу в реакционной способности обоих карбонильных соединений.
Учитывая, что альдегид реагирует с метиленовой группой значительно быстрее, чем кетон, лучше реакцию проводить так: сначала готовят смесь кетонов с основным реагентом в таких условиях, по которым конденсация кетонов не происходит, а затем в эту смесь постепенно вводят альдегид. Важно реакционную смесь охладить до температуры значительно ниже 0$^\circ$ (правда, иногда бывает достаточно охладить ее до 5-10 $^\circ$); иначе образуются значительные количества ненасыщенного кетона.
Реакция может протекать с осложнениями, поскольку ароматические альдегиды могут реагировать даже с двумя молекулами кетонов, образуя продукты Михаэля.
Альдоли зачастую являются промежуточными продуктами при проведении синтеза $\alpha, \beta$-ненасыщенных соединений - кротоновой конденсации или конденсации Кляизена-Шмидта.
Кротоновая конденсация
Дегидратация альдолей с образованием $\alpha, \beta$- ненасыщенных соединений происходит в большинстве случаев при вышеупомянутых условиях проведения реакции, если конденсация проходит при комнатной температуре или, особенно, во время нагревания. В случае конденсации алифатического альдегида с метил- или $R$-метиленкетоном реакцию самоконденсации альдегида предупреждают тем же способом, который указан выше для получения гидроксикетонов. Соблюдать особую методику синтеза является лишним, если используются ароматические альдегиды, так как промежуточные продукты - альдоли малостабильны:
Рисунок 5.
Особенно это касается конденсации ароматических альдегидов с метил/метиленкетоном (конденсация Кляйзена-Шмидта, которая будет рассмотрена отдельно).
Синтез 4-нитрокоричного альдегида
Примером реакции альдольной конденсации является синтез 4-нитрокоричного альдегида, методика получения которого приведена ниже.
Рисунок 6.
Смесь 10 г 4-нитробензальдегиду и 20 мл уксусного альдегида помещают в трехгорлую колбу вместимостью 250 мл, снаряженную обратным холодильником, капельной воронкой и механической мешалкой (лучше магнитной мешалкой) с внешним охлаждением смесью лед-соль. Колбу охлаждают до 0-5 $^\circ$С и при указанной температуры реакционную смесь доводят до однородной эмульсии, после чего осторожно каплями в течение 2 минут добавляют 0,5 мл 25% -го калий гидроксида в метаноле (за счет экзотермической реакции температура может подняться до 20-25 $^\circ$С). Через 10 минут к реакционной смеси добавляют 2 мл уксусной кислоты, отгоняют под сниженным давлением на водяной бане (до 70 $^\circ$С) остатки уксусного альдегида, добавляют 20 мл смеси муравьиной и уксусной кислот (1:1) и нагревают с обратным холодильником в течение двух часов для дегидратации промежуточного продукта альдольной конденсации - 3-(4-нитрофенил)пропанол-3-аля-1. Горячий раствор выливают в химический стакан, по охлаждении целевой продукт измельчают, переносят на воронку Бюхнера, осадок фильтруют, промывают от кислот 50-70 мл воды и перекристализовуют продукт метанола.
Выход (4-нитрокоричного альдегида) = 10-11 г.
$Т_{пл.}$ (4-нитрокоричного альдегида) = 145 $^\circ$ С.
