Производные карбоновых кислот

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Определение класса производных карбоновых кислот можно дать двояким образом. С одной стороны, они могут быть «произведены» от кислот путем замещения карбоксильного гидроксила различными группами (-Cl, -NR2, -OR и др.) или по-другому — превращены в соответствующие кислоты в результате гидролиза. С другой стороны, это — соединения, содержащие группу C=O, которая соединена с одним атомом, отличным от водорода (как в альдегидах) и углерода (как в кетонах). В эти определения не укладываются нитрилы и кетены. В нитрилах RCN трехвалентным атомом азота замещены и гидроксильная, и карбонильная группы. В молекуле кетена H2C=C=O одну из этиленовых связей можно рассматривать как бывшую связь C-OH.

К производным кислот относятся галогенангидриды, ангидриды, кетены, сложные эфиры, амиды, азиды, нитрилы и др. Общим свойством всех этих соединений является наличие электронодефицитного атома углерода, что является причиной их способности к ацилированию нуклеофильных субстратов (аминов, спиртов и др.). При этом происходит превращение одних производных карбоновых кислот в другие.

1. Реакции ацилирования

Производные карбоновых кислот можно представить несколькими резонансными структурами

Легко видеть, что положительный заряд на атоме углерода (а, значит, и восприимчивость к нуклеофильной атаке), тем больше, чем слабее мезомерный донорный (+М) и сильнее индуктивный акцепторный (-I) эффекты заместителя X, называемого уходящей группой.

В соответствии с этим, ряд ацилирующей активности производных карбоновых кислот выглядит примерно следующим образом:

Однако, в определенных условиях (в первую очередь, в присутствии катализаторов), этот порядок может меняться. Рассмотрим свойства определенных производных карбоновых кислот подробнее.

2. Галогенангидриды

Галогенангидридами (ацилгалогенидами) называются соединения, образующиеся путем замены гидроксила в молекуле карбоновой кислоты на галоген. Наиболее распространены хлорангидриды кислот, т.к. бром- и иодангидриды более труднодоступны, а фторангидриды неустойчивы. Основной способ синтеза хлорангидридов заключается в обменной реакции с хлорангидридами неорганических кислот.

Нуклеофильное замещение гидроксила на хлорид-ион становится возможным благодаря активации карбонильной группы исходной молекулы за счет комплексообразования кислорода с электроположительным атомом реагента. Последний выступает в роли кислоты Льюиса:

Свойства

Хлорангидриды кислот ведут себя как сильные электрофилы и взаимодействуют с широким рядом нуклеофильных реагентов. Это — классический пример реакций ацилирования. В результате превращений могут быть получены разнообразные классы соединений, которые относятся к производным карбоновых кислот. Гидролиз хлорангидридов дает собственно карбоновые кислоты.

Галогенангидриды аналогичным образом реагируют также с жирными и ароматическими аминами, фенолами и тиофенолами, азидом натрия и прочими нуклеофилами, давая соответствующие производные карбоновых кислот.

Реакции ацилирования С-нуклеофилов являются важным методом удлинения углеродной цепи. Так, при действии ацилхлорида на диазометан образуется диазокетон

Разложение диазокетона приводит через промежуточное возникновение ацилкарбена к образованию карбоновой кислоты, содержащей на один С-атом больше, чем кислота, хлорангидрид которой вводился в реакцию.

Это превращение применяется для гомологизации карбоновых кислот.

Реакции с такими активными субстратами, как реактивы Гриньяра, протекают энергично и зачастую не останавливаются на стадии кетона, а протекают более глубоко и приводят к образованию спиртов.

Ацилирование аренов и ароматических соединений с низкой нуклеофильностью проводят в присутствии катализаторов кислот Льюиса.

Хлорангидриды обладающие большей электронодефицитностью, чем карбоновые кислоты восстанавливаются более легко. Для их восстановления можно использовать как каталитическое гидрирование, так и действие комплексными гидридами металлов. Последнюю реакцию можно рассматривать как ацилирование гидрид-иона. В зависимости от условий проведения гидрирования, восстановление можно остановить на стадии альдегида либо получить карбинол.

3. Ангидриды и кетены

Ангидриды кислот получают отщеплением одной молекулы воды от двух молекул кислоты при нагревании с пятиокисью фосфора.

Большое значение имеет способ синтеза ангидридов действием ацилгалогенидов на соли карбоновых кислот. Этот путь позволяет получать смешанные ангидриды.

Ангидриды кислот по своей ацилирующей способности близки ацилгалогенидами и их химические свойства аналогичны. В качестве примеров можно привести ацилирование аминов и спиртов.

Кетены можно рассматривать как внутренние ангидриды кислот. В их молекуле имеются кумулированные связи С=С и С=О. Они могут быть получены только в том случае, если в a-положении молекулы карбоновой кислоты имеются атомы водорода. Сам кетен получают пиролизом уксусного ангидрида или ацетона.

Кетен обладает мощной ацилирующей способностью, большей, чем у ацетилхлорида. Это объясняется тем, что и без того электронодефицитный sp-гибридный углерод образует сильно поляризованную p-связь с кислородом. Так, он, в отличие от ацетилхлорида, способен дважды проацетилировать аммиак.

Характерной особенностью кетена является то, что он «предпочитает» ацилировать более жесткие нуклеофильные центры, например, атом кислорода, а не углерода в молекуле енолизующихся кетонов.

4. Амиды

Амиды образуются, в первую очередь, при ацилировании аммиака и аминов разнообразными производными карбоновых кислот — хлорангидридами, ангидридами, эфирами, а также самими кислотами. Частичный гидролиз нитрилов? протекающий в водной щелочи в присутствии перекиси водорода, также приводит к возникновению амидов.

Свойства

Как и другие производные карбоновых кислот, амиды способны гидролизоваться. Гидролиз протекает как в кислой среде, так и в щелочной среде, причем, в отличие от сложных эфиров, в обоих случаях — необратимо, т.к. в щелочной среде пассивируется образующаяся кислота, превращаясь в анион, а в кислой среде амин связывается в аммониевую соль.

Дезаминирование первичных амидов азотистой кислотой, проходящее в мягких условиях, окахывается более удобным способом превращения амида в карбоновую кислоты, особенно если в молекуле имеются чувствительные к действию кислот и щелочей группы.

К важному в синтетическом отношении превращению первичных амидов относится реакция, известная по названием «расщепление амидов по Гофману». Она широко используется для получения первичных алкил- и ариламинов.

Считают, что сначала при амидном атоме азота происходит замещение одного из атомов водорода на бром. Затем N-бромамид под действием основания превращается в анион, который, теряя бромид-ион, переходит в ацилнитрен. Нитрены — это неустойчивые электронейтральные частицы, имеющие одновалентный атом азота с двумя неподеленными электронными парами. Ацилнитрен стабилизируется путем переноса углеводородного радикала от карбонильного углерода к азоту, в результате чего образуется изоцианат.

Существует менее распространенная точка зрения, согласно которой изоцианат возникает путем синхронного перемещения электронных пар в N-анионе, минуя стадию генерирования нитрена.

Изоцианаты могут быть выделены как индивидуальные вещества, но, как правило, они тотчас гидролизуются до амина в щелочной реакционной массе. Будучи электронными аналогами кетена, изоцианаты легко реагируют с нуклеофилами.

Следует отметить, что гидролиз изоцианатов катализируется не только основаниями, но также кислотами.

Для получения первичных аминов Т. Курциус применил родственную реакцию азидов кислот, которые при нагревании сначала превращаются в ацилнитрены. Из последних, как и в реакции Гофмана, образуются амины.

Азиды получают либо действием азотистой кислоты на гидразиды кислот, либо из ацилгалогенидов и азида натрия.

5. Нитрилы

кислота эфир ангидрид атом

Нитрилы представляют собой органические соединения с тройной связью C-N. Будучи производными карбокислот, они, тем не менее, могут быть получены из принципиально других классов соединений, например, из алкилгалогенидов путем нуклеофильного замещения. Эти реакции особенно важны в синтетическом плане, т.к. позволяют удлинить углеродную цепь на один атом. Отметим, что взаимодействие алкилгалогенидов с цианид-ионом сопровождается образованием побочных продуктов — изонитрилов; этот процесс становится ощутимым, когда структура субстрата или условия реакции способствуют протеканию SN1-реакции (Галогеналканы).

Получение нитрилов из других производных карбоновых кислот сводится к дегидратации амидов под действием P2O5, POCl3, уксусного ангидрида и других водоотнимающих средств. В аналогичных условиях дегидратируются оксимы альдегидов.

Свойства

Полярная тройная связь нитрилов способна присоединять нуклеофильные реагенты, однако электрофильность атома углерода невысока, поэтому в большинстве случаев необходима активация протоном или кислотой Льюиса или проведение реакции в щелоной среде. В результате этих реакций образуются другие представители карбоновых кислот либо сами кислоты, т. е. происходит ацилирование.

Нитрилы восстанавливаются до алкиламинов при действии алюмогидрида лития. Реакцию можно остановить на стадии промежуточного альдимина, который легко гидролизуется до альдегида.

Аналогичным образом нитрил превращается в альдегид действием безводного хлорида олова (II) и соляной кислоты в эфирном растворе.

6. Сложные эфиры

Сложные эфиры представляют собой продукты замены кислотного гидроксила на алкокси- или арилоксигруппу. Соответственно, получение сложных эфиров сводится либо к ацилированию спиртов хлорангидридами, ангидридами, нитрилами и собственно кислотами (реакция этерификации), либо к алкилированию карбоксила. Второй путь подразумевает реакцию карбоксилат-аниона с алкилгалогенидами или самих кислот с диазометаном (в случае получения метиловых эфиров).

Свойства

В кислой среде сложные эфиры гидролизуются до соответствующих карбоновой кислоты и спирта. Все стадии этой реакции обратимы, устойчивость эфира и кислоты, равно как нуклеофильность спирта и воды сравнимы. Поэтому соотношение компонентов реакционной смеси сильно зависит от условий. Присутствие водоотнимающего агента способствует образованию эфира (реакции этерификации), избыток воды и отгонка спирта — гидролизу.

Напротив, щелочной гидролиз сложных эфиров необратим. Это связано с тем, что в щелочной среде карбоновая кислота существует в виде аниона, который практически не обладает ацилирующими свойствами и обратная реакция становится невозможной.

Сложные эфиры способны к ацилированию большого круга активных нуклеофилов, таких как амины, гидразины, спирты, тиолы и т. д.

Механизм данных реакций ничем не отличается от аналогичных превращений хлорангидридов и ангидридов, хотя активность эфиров заметно ниже. Это обстоятельство делает синтезы с участием сложных эфиров более контролируемыми. Например, для получения кетонов и спиртов широко практикуется их взаимодействие с металлоорганическими соединениями.

Сложные эфиры, как и другие производные карбоновых кислот, могут быть восстановлены. Так, действие на эфиры металлическим натрием (восстановление по Буво-Блану) в спиртовом растворе является одним из старых способов восстановления сложных эфиров.

Другая важная реакция восстановления, характерная именно для сложных эфиров — ацилоиновая конденсация, протекающая при нагревании сложного эфира с натриевой пылью в ксилоле.

Согласно предполагаемому механизму этого превращения, ключевой стадией является димеризация анион-радикала, возникающего в результате одноэлектронного восстановления молекулы сложного эфира.

7. Реакции a-углеродного атома

Ранее было показано, что альдегиды и кетоны, имеющие a-водородные атомы, способны к образованию енолов и енолят-анионов. Это же явление имеет место и в химии производных карбоновых кислот с той лишь разницей, что их СН-кислотность и равновесная концентрация енола ниже. Активность a-метиленового звена снижается примерно в той же последовательности, что и ацилирующая способность: чем меньше положительный заряд на карбонильном углероде, тем в меньшей степени поляризованы связи С-Н. Тем не менее, для производных карбоновых кислот известны некоторые важные реакции, протекающие благодаря их способности к депротонированию и енолизации.

Ангидриды кислот способны к конденсации с ароматическими альдегидами в присутствии ацетат-иона в качестве слабого основания

Наконец, енолят-анион, генерируемый из сложного эфира под действием сильных оснований (чаще всего используют этилат натрия или магния), является ответственным интермедиатом сложноэфирной конденсации. На второй стадии реакции происходит С-ацилирование аниона нейтральной молекулой сложного эфира.

Это превращение имеет важное значение, т.к. позволяет получить b-кетоэфиры — ценные полупродукты для органического синтеза. Одним из интересных соединений этого класса является этиловый эфир ацетоуксусной кислоты, чаще называемый ацетоуксусный эфир.

8. Свойства ацетоуксусного эфира

Енолизация

Ацетоуксусный эфир — пример соединения с ощутимым содержанием енольной формы (7% для чистого вещества). Стабилизация его енольной формы обусловлена теми же факторами, что и для b-дикетонов, но в данном случае они действуют менее эффективно, поэтому содержание енола невысоко (содержание енольной формы в ацетилацетоне, например, достигает 80%).

Энергия перехода между кетонной и енольной формой составляет около 8 кДж/моль. Как и в случае оксосоединений, таутомерный переход катализируется кислотами и основаниями, поэтому абсолютно чистый ацетоуксусный эфир удалось разделить на енол и кетон путем вымораживания или перегонки в посуде из специального стекла.

Кислотность

Ацетоуксусный эфир склонен к образованию солеобразных соединений при обработке сильными основаниями. Это явление называют СН-кислотностью, хотя в данном случае термин не совсем корректен: ведь процесс ионизации ацетоуксусного эфира, как и любого b-дикарбонильного соединения, можно рассматривать и как отрыв ОН-протона от енольной формы. Так или иначе, независимо от того, какая форма депротонируется, возникает один и тот же резонансно-стабилизированный анион.

pKa ацетоуксусного эфира составляет 11. Таким образом, действие, например, этилата натрия позволяет полностью превратить его в натриевое производное (натрийацетоуксусный эфир), о свойствах которой будет рассказано ниже. Многие реакции ацетоуксусного эфира проводят в присутствии аминов, карбонатов и других слабых оснований. В этих случаях реагирует анион, содержащийся в небольшая равновесной концентрации.

Для нейтрального ацетоуксусного эфира характерны реакции как кетонной, так и енольной формы.

Реакции кетонной формы

Положительный заряд на атоме углерода кетонной группы больше, чем на С-атоме сложноэфирного фрагмента. Поэтому реакции кетонной формы ацетоуксусного эфира заключаются в присоединении, либо присоединении-отщеплении нуклеофилов по карбонильной группе. Так, этилацетоацетат, как и другие кетоны, реагирует с цианистым водородом и бисульфитом натрия, образуя соответствующие аддукты.

Реакция ацетоуксусного эфира с аминами приводит к соответствующим азометинам, которые существуют в виде более устойчивых таутомеров — эфиров аминокротоновых кислот. Как и синтез оснований Шиффа, эта реакция обратима и хорошо идет при удалении воды. В противном случае аминокротоновые эфиры с выделением спирта превращаются в амиды ацетоуксусной кислоты.

Аминокротоновые эфиры легко образуются при достаточно низких температурах, чтобы их можно было назвать продуктами кинетического контроля. Синтез более стабильных амидов ацетоуксусной кислоты, напротив, требует более жестких условий и необратим, поэтому их называют термодинамическими продуктами.

Наличие двух электроноакцепторных групп является причиной того, что реакция ацетоуксусного эфира с бифункциональными нуклеофилами зачастую приводит к циклическим продуктам. Так, гидразины и гидроксиламин дают, соответственно, производные пиразола и изоксазола, а при взаимодействии с мочевинами образуются пиримидины.

Действием пентахлорида фосфора ацетоуксусный эфир можно превратить в b-хлоркротоновый эфир («хлорангидрид енола»):

Реакции енольной формы

Для ацетоуксусного эфира характерны также превращения, в которые вступает его енольный таутомер. К ним, прежде всего, относятся реакции с электрофилами. Последнее возможно благодаря тому, что связь С=С в молекуле енола сопряжена с донорной ОН-группой.

Так, ацетоуксусный эфир легко реагирует с элементарным бромом по СН2-группе:

Реакцию можно рассматривать как присоединение Br2 к поляризованной кратной связи с последующей стабилизацией за счет отщепления HBr.

Ацетоуксусный эфир подвергается нитрозированию при обработке азотистой кислотой, образующейся in situ из нитрита натрия и минеральной либо органической кислоты. Продукт реакции представляет собой монооксим a, b-дикетоэфира.

К реакциям ацетоуксусного эфира с более слабыми электрофилами можно отнести азосочетание и конденсацию с альдегидами. Однако, если азосочетание можно провести в нейтральной среде, то для второго превращения зачастую приходится применять основный катализ.

В подавляющем большинстве случаев все реакции такого типа приводят к возникновению двойной связи атома углерода, расположенного между карбонильными группами, с присоединившимся атомом реагента. Это связано с резонансной стабилизацией соответствующих продуктов.

Наконец, ацетоуксусный эфир и его производные проявляют высокую склонность к комплексообразованию с катионами металлов, таких как железо, никель, медь и т. п. Это связано с тем, что молекулы этих соединений способны образовывать две связи с ионом — одну формально ковалентную, другую формально координационную. Лиганды такого типа называются бидентантными (двухзубыми), а комплексы на их основе — хелатными.

Комплексы кетоэфиров с металлами используются для их обнаружения, выделения, очистки и идентификации, а также применяются в катализе.

Реакции натрийацетоуксусного эфира

Анион ацетоуксусного эфира проявляет свойства сильного нуклеофила и весьма легко взаимодействует с алкилирующими и ацилирующими реагентами.

Соли ацетоуксусного эфира относятся к так называемым амбидентным нуклеофилам: в зависимости от условий реакция ацилирования может протекать как по атому углерода, так и по карбонильному кислороду. Атом кислорода сложноэфирной группы практически никогда не затрагивается, т.к. на нем сосредоточен меньший отрицательный заряд. Соотношение продуктов зависит от характера растворителя: в полярных протонных растворителях (спирт) реакция идет преимущественно по углероду, а полярных апротонных (ацетон, диметилформамид, диметилсульфоксид) увеличивается выход продуктов ацилирования по кислороду.

Кроме того, особенной склонностью к реакции по кислороду обладают тетраалкиламмониевые соли ацетоуксусного эфира. Это связано с тем, что катион тетраалкиламмония, в отличие от натрия, не способен координироваться с атомом кислорода и блокировать его нуклеофильные свойства. Синтез О-ациленолов ацетоуксусного эфира нередко проводят в пиридине, где ацилирующим реагентом является N-ацилпиридиниевая соль. Реакция протекает через промежуточное образование аддукта по a-положению гетероцикла.

Реакции расщепления замещенных b-кетоэфиров

Ацилирование и алкилирование ацетоуксусного эфира само по себе значительного синтетического значения не имеет. Однако полученные этими способами производные применяются для дальнейшего превращения в несимметрично замещенные кетоны, эфиры и кислоты сложного строения. В основе этих синтезов лежат реакции кислотного, сложноэфирного и кетонного расщепления замещенных кетоэфиров.

Сложноэфирное расщепление заключается в разрыве С-С связи при карбонильном атоме углерода под действием сильных оснований, например, этилата натрия. Эта реакция является процессом, обратным конденсации Кляйзена.

Ввиду того, что расщепление начинается с нуклеофильной атаки нейтральной молекулы кетоэфира, реакция идет тем легче, чем ниже его СН-кислотность. Поэтому легче всего реагируют дизамещенные эфиры, которые вообще не могут образовать енолята.

Если реакцию проводить под действием водной щелочи при нагревании, то образующиеся сложные эфиры омыляются до соответствующих карбоксилатов. Из последних подкислением выделяют замещенные карбоновые кислоты (кислотное расщепление).

Сложноэфирное расщепление ацилацетоуксусных эфиров (реакция Хунсдикера) происходит в более мягких условиях (KOH в спирте при комнатной температуре), поэтому образующийся кетоэфир далее не расщепляется. Данное превращение идет преимущественно в одном направлении: отщепляется фрагмент с менее енолизованной карбонильной группой, обычно наиболее легкий.

Кетонное расщепление замещенных ацетоуксусных эфиров позволяет синтезировать кетоны и дикетоны сложного строения в зависимости от природы заместителя: из алкилированных производных получают кетоны, а из ацилированных — дикетоны. Реакция включает в себя стадию декарбоксилирования b-кетокислот, образующихся при гидролизе кетоэфиров и проводится путем нагревания замещенного ацетоуксусного эфира в разбавленных кислоте или щелочи.

Литература

1. Препаративная органическая химия. Реакции и синтезы в практикуме органической химии и научно-исследовательской лаборатории: Л. Титце, Т. Айхер — Санкт-Петербург, Мир, 2009 г. — 704 с.

2. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии: Учебное пособие для вузов (под ред. Тюкавкиной Н.А.) Изд. 2-е, перераб., доп. Серия: Высшее образование: Современный учебник: — Москва, 2003 г.- 384 с.

3. Сборник задач по органической химии: — Москва, Издательство МГУ, 2000 г.- 160 с.

4. Сборник задач по химии для поступающих в вузы: Г. П. Хомченко, И. Г. Хомченко — Санкт-Петербург, Новая Волна, Умеренков, 2009 г.- 288 с.

5. Словарь химических терминов с толкованиями, особенностями употребления и английскими эквивалентами: С. И. Евдощенко, В. В. Дубичинский, В. В. Гайворонская — Санкт-Петербург, Феникс, 2006 г. — 352 с.

6. Справочник по органической химии: В. А. Батаев, Е. В. Батаева — Москва, АСТ, Астрель, 2004 г.- 256 с.

7. Химия гетероциклических соединений: Дж. Джоуль, К. Миллс — Санкт-Петербург, Мир, 2004 г.- 728 с.

8. Химия фосфорорганических соединений. Избранные труды. В 3 томах. Том 2: М. И. Кабачник — Москва, Наука, 2008 г.- 450 с.

9. Химия: Ю. М. Ерохин — Санкт-Петербург, Академия, 2005 г.- 384 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой