ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ
, элиминирование СО 2 из карбоксильной группы карбоновых кислот или карбоксилатной группы их солей. Осуществляют обычно нагреванием в присутствии кислот или оснований. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ монокарбоновых насыщенных кислот протекает, как правило, в жестких условиях. Так, прокаливание ацетата Na с избытком натронной извести приводит к отщеплению СО 2 и образованию метана: CH 3 COONa +
NaOH CH 4 + Na 2 CO 3 . ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ облегчается для кислот, содержащих в
a
-положении электроотрицательные группы. Легкое ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ацетоуксусной (формула I) и нитроуксусной кислот (II) обусловлено возникновением циклический переходного состояния:
Химическая энциклопедия. Том 2 >>
Д. гомологов нитроуксусной кислоты - препаративный метод получения нитроалканов.
Наиб. легко осуществляется ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ кислот, карбоксильная группа которых непосредственно связана с др. электроф. группами. Например, нагревание пировиноградной кислоты с конц. H 2 SO 4 легко приводит к ацетальдегиду:
При ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ щавелевой кислоты в тех же условиях кроме СО 2 образуются Н 2 О и СО.
Д. облегчается также, если карбоксильная группа связана с ненасыщенным атомом С; так, ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ монокалиевой соли ацетилендикарбоновой кислоты - удобный метод синтеза пропиоловой кислоты:
Д. ацетиленкарбоновой кислоты осуществляют при комнатной температуре в присут. солей Сu: НСССООН НС=СН + СО 2 . Ароматич. кислоты декарбоксилируются, как правило, в жестких условиях, например, при нагревании в хинолине в присутствии металлич. порошков. Таким методом в присутствии Сu получают фуран из пирослизевой кислоты. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ароматические кислот облегчается при наличии электроф. заместителей, например, тринитробензойная кислота декарбоксилируется при нагревании до 40-45 °С.
Д. паров карбоновых кислот над нагретыми катализаторами (карбонаты Са и Ва, Аl 2 О 3 и др.) - один из методов синтеза кетонов: 2RCOOH
:
RCOR + Н 2 О + СО 2 . При ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ смеси двух кислот образуется смесь несимметричного и симметричного кетонов. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ натриевых солей карбоновых кислот при электролизе их конц. водных растворов (см. Кольбе реакции) - важный метод получения алканов.
К реакциям ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ, имеющим препаративное значение, относится галогендекарбоксилирование - замещение карбоксильной группы в молекуле на галоген. Реакция протекает под действием LiCl (или N-бромсукцинимида) и тетраацетата Рb на карбоновые кислоты, а также свободный галогенов (Сl 2 , Вr 2 , I 2) на
соли карбоновых кислот, например: RCOOM RHal (М = Ag, К,
Hg, T1). Серебряные соли дикарбоновых кислот под действием I 2 легко превращаются в лактоны:
Важную роль играет также окислит. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ - элиминирование СО 2 из карбоновых кислот, сопровождающееся окислением. В зависимости от применяемого окислителя такое ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ приводит к алкенам, сложным эфирам и др. продуктам. Так, при ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ фенилуксусной кислоты в присутствии пиридин-N-оксида образуется бензальдегид:
Подобно ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ солей карбоновых кислот происходит ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ элементоорганическое производных и сложных эфиров, например:
Д. сложных эфиров осуществляют также под действием оснований (алкоголятов, аминов и др.) в спиртовом (водном) растворе или хлоридов Li и Na в ДМСО.
Большое значение в разнообразных процессах обмена веществ имеет ферментативное ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ Существует два типа подобных реакций: простое ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ (обратимая реакция) и окислительное ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ, в котором происходит сначала ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ, а затем дегидрирование субстрата. По последнему типу в организме животных и растений осуществляется ферментативное ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ пировиноградной и
a
-кетоглутаровой кислот - промежуточных продуктов распада углеводов, жиров и белков (см. Трикарбоновых кислот цикл). Широко распространено также ферментативное ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ аминокислот у бактерий и животных.
Реакции карбоновых кислот можно подразделить на несколько больших групп:
1) Восстановление карбоновых кислот
2) Реакции декарбоксилирования
3) Реакции замещения при -углеродном атоме карбоновых кислот
4) Реакции нуклеофильного замещения у ацильного атома углерода.
Мы последовательно рассмотрим каждую из этих групп реакций.
18.3.1. Восстановление карбоновых кислот
Карбоновые кислоты восстанавливаются до первичных спиртов с помощью литийалюминийгидрида. Восстановление идет в более жестких условиях, чем это требуется для восстановления альдегидов и кетонов. Восстановление обычно проводят при кипячении в растворе тетрагидрофурана.
Диборан B 2 H 6
также восстанавливает карбоновые
кислоты до первичных спиртов. Восстановление
карбоксильной группы до CH 2 OH
под действием диборана в ТГФ осуществляется
в очень мягких условиях и не затрагивает
некоторые функциональные группы (NO 2 ;
CN;
),
поэтому этот метод в некоторых случаях
оказывается предпочтительнее.
18.3.2. Декарбоксилирование
Этим термином объединяется целая группа разнообразных реакций, в которых происходит отщепление CO 2 и образующиеся соединения содержат на один атом углерода меньше, чем исходная кислота.
Самой важной из реакций декарбоксилирования в органическом синтезе является реакция Бородина-Хунсдиккера, в которой серебряная соль карбоновой кислоты при нагревании с раствором брома в CCl 4 превращается в алкилгалогенид.
Для успешного проведения этой реакции требуется применять тщательно высушенные серебряные соли карбоновых кислот и выход алкилгалогенида колеблется в широких пределах в зависимости от степени очистки и обезвоживания соли. Этого недостатка лишена модификация, где вместо серебряных используют ртутные соли. Ртутную соль карбоновой кислоты не выделяют в индивидуальном виде, а в индифферентном растворителе нагревают смесь карбоновой кислоты, желтой окиси ртути и галогена. Этот метод, как правило, приводит к более высокому и воспроизводимому выходу.
Для реакции Бородина-Хунсдиккера установлен цепной радикальный механизм. Образующийся в первой стадии ацилгипобромит подвергается гомолитическому расщеплению с образованием карбоксильного радикала и атома брома. Карбоксильный радикал теряет CO 2 и превращается в алкильный радикал, который затем регенерирует цепь, отщепляя атом брома от ацилгипобромита.
Инициирование цепи:
Развитие цепи:
Оригинальный метод окислительного декарбоксилирования карбоновых кислот был предложен Дж. Кочи в 1965 году. Карбоновые кислоты окисляются тетраацетатом свинца, при этом происходит декарбоксилирование и в качестве продуктов реакции зависимости от условий получаются алканы, алкены или эфиры уксусной кислоты. Механизм этой реакции детально не установлен, предполагается следующая последовательность превращений:
Алкен и сложный эфир, по-видимому, образуются из карбкатиона соответственно за счет отщепления протона или захвата ацетат-иона. Введение в реакционную смесь галогенид-иона практически нацело подавляет оба эти процесса и приводит к образованию алкилгалогенидов.
Эти два метода декарбоксилирования хорошо дополняют друг друга. Декарбоксилирование Ag или Hg-солей дает наилучшие результаты для карбоновых кислот с первичным радикалом, тогда как при окислении тетраацетатом свинца в присутствии хлорида лития наиболее высокие выходы алкилгалогенидов наблюдаются для карбоновых кислот со вторичным радикалом.
Другой, имеющей важное препаративное значение реакцией декарбоксилирования карбоновых кислот, является электролитическая конденсация солей карбоновых кислот, открытая в 1849 году Г. Кольбе. Он проводил электролиз водного раствора ацетата калия в надежде получить свободный радикал CH 3 , однако вместо него на аноде был получен этан. Аналогично при электролизе водного раствора натриевой соли валериановой кислоты вместо бутильного радикала был получен н.октан. Электрохимическое окисление карбоксилат-ионов оказалось исторически первым общим методом синтеза предельных углеводородов. При электролизе натриевых или калиевых солей предельных алифатических кислот в метаноле или водном метаноле в электролизере а платиновыми электродами при 0-20С и с достаточно высокой плотностью тока образуются алканы с выходом 50-90%.
Однако при наличии алкильной группы в -положении выходы резко снижаются и редко превышают 10%.
Эта реакция оказалась особенно полезной для синтеза диэфиров дикарбоновых кислот ROOC(CH 2) n COOR с n от 2 до 34 при электролизе щелочных солей полуэфиров дикарбоновых кислот.
В современном органическом электросинтезе широко применяется перекрестная электролитическая конденсация, заключающаяся в электролизе смеси солей карбоновой кислоты и моноэфира дикарбоновой кислоты.
Электролиз раствора этих двух солей приводит к образованию смеси трех сильно отличающихся друг от друга продуктов реакции, которые могут быть легко разделены перегонкой на отдельные компоненты. Это метод позволяет удлинять углеродный скелет карбоновой кислоты на любое число атомом углерода практически за одну операцию.
Электролитическая конденсация ограничена солями карбоновых кислот с неразветвленным радикалом и солями полуэфиров дикарбоновых кислот. Соли ,- и ,-ненасыщенных кислот не подвергаются электрохимической конденсации.
Для реакции Кольбе
был предложен радикальный механизм,
включающий три последовательные стадии:
1) окисление карбоксилат-ионов на аноде
до карбоксилат-радикалов
;
2) декарбоксилирование этих радикалов
до алкильных радикалов и двуокиси
углерода; 3) рекомбинация алкильных
радикалов.
При высокой плотности тока высокая концентрация алкильных радикалов у анода способствует их димеризации, при низкой плотности тока алкильные радикалы или диспропорционируют с образованием алкена или алкана или отщепляют атом водорода от растворителя.
Соли карбоновых кислот подвергаются декарбоксилированию также при пиролизе. Некогда пиролиз кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот был основным методом получения кетонов. В XIX веке “сухая перегонка” ацетата кальция была основным методом получения ацетона.
В дальнейшем метод был усовершенствован таким образом, что в нем отсутствует стадия получения солей. Пары карбоновой кислоты пропускают над катализатором - окислами марганца, тория или циркония при 380-400 0 . Наиболее эффективным и дорогим катализатором является двуокись тория.
В простейших случаях кислоты с числом атомов углерода от двух до десяти превращаются в симметричные кетоны с выходом порядка 80% при кипячении с порошкообразным железом при 250-300 . Этот способ находит применение в промышленности. Наиболее успешно пиролитический метод и в настоящее время применяется для синтеза пяти- и шестичленных циклических кетонов из двухосновных кислот. Например, из смеси адипиновой кислоты и гидроксида бария (5%) при 285-295 получают циклопентанон с выходом 75-85%. Циклооктанон образуется из азелаиновой кислоты при нагревании с ThO 2 c выходом не более 20%, этот метод мало пригоден для получения циклоалканонов с большим числом атомов углерода.
Лекция № 12
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Кислотные свойства.
2.3. Реакции по a -углеродному атому.
2.5. Восстановление.
2.6. Дикарбоновые кислоты.
Лекция № 12
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Кислотные свойства.
2.2. Реакции нуклеофильного замещения.
Функциональные производные карбоновых кислот.
2.3. Реакции по a -углеродному атому.
2.5. Восстановление.
2.6. Дикарбоновые кислоты.
1. Методы получения
2. Химические
свойства
Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу , в которой непосредственно связаны между
собой карбонильная группа и гидроксил. Их взаимное влияние обуславливает новый
комплекс свойств, отличных от свойств карбонильных соединений и
гидроксилпроизводных. Реакции с участием карбоновых кислот протекают по
следующим основным направлениям.
- Замещение водорода группы COОН под
действием оснований (кислотные свойства). - Взаимодействие с нуклеофильными реагентами
по карбонильному атому углерода (образование функциональных производных и
восстановление) - Реакции по
a
-углеродному атому
(галогенирование) - Декабоксилирование
2.1. Кислотные
свойства
Карбоновые кислоты – одни из самых сильных органических кислот. Их водные
растворы имеют кислую реакцию.
RCOOH + H 2 O =
RCOO — +
H 3 O +
Причины высокой кислотности карбоновых кислот и
ее зависимость от природы заместителей в углеводородном радикале были
рассмотрены ранее (см. лек. №4).
Карбоновые кислоты образуют соли при
взаимодействии с активными металлами и большинством оснований.
При взаимодействии с сильными неорганическими
кислотами карбоновые кислоты могут проявлять основные свойства, присоединяя
протон по карбонильному атому кислорода.
Протонирование карбоновых кислот используется
для активации карбоксильной группы в реакциях нуклеофильного замещения.
За счет присутствия в молекуле одновременно
кислотного и основного центров карбоновые кислоты образуют межмолекулярные
водородные связи и существуют в основном в виде димеров (см. лек. №2).
2.2. Реакции нуклеофильного замещения.
Функциональные производные карбоновых кислот.
Основной тип реакций карбоновых кислот –
взаимодействие с нуклеофилами с образованием функциональных производных.
Взаимопревращения, связывающие карбоновые кислоты и их функциональные
производные, приведены на схеме.
Представленные на схеме соединения содержат
ацильную группу В ходе
их взаимопревращений она в неизменном виде переходит из одного соединения в
другое, соединяясь с нуклеофилом. Такие процессы называют ацилированием
,
а карбоновые кислоты и их функциональные производные – ацилирующими
реагентами
. В общем виде процесс ацилирования может быть представлен
следующей схемой.
Таким образом, ацилирование представляет собой
процесс нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.
Рассмотрим механизм реакции в общем виде и
сравним его с Ad
N -реакциями
альдегидов и кетонов. Как и в случае карбонильных соединений, реакция начинается
с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода, несущему эффективный
положительный заряд. При этом разрывается
p
-связь углерод-кислород и образуется тетраэдрический
интермедиат
. Пути дальнейшего превращения интермедиата у карбонильных и
ацильных соединений различны. Если карбонильные соединения дают продукт присоединения
, то ацильные соединения отщепляют группу X и дают продукт замещения.
Причина разного поведения ацильных и
карбонильных соединений – в разной стабильности потенциальной уходящей группы X.
В случае альдегидов и кетонов это — гидрид-анион Н
— или карбоанион R
— , которые вследствие своей высокой основности являются
чрезвычайно плохими уходящими группами. В случае ацильных соединений Х
значительно более стабильная уходящая группа (Cl
— ,
RCOO — , RO — , NH 2 — ), что делает возможным ее отщепление в виде аниона
Х
— или сопряженной кислоты
НХ.
Реакционная способность по отношению к
нуклеофилам у карбоновых кислот и их функциональных производных меньше, чем у
альдегидов и кетонов, так как эффективный положительный заряд на карбонильном
атоме углерода у них ниже за счет + М- эффекта группы Х.
Активность ацильной группы повышается в условиях
кислотного катализа, так как при протонировании возрастает эффективный
положительный заряд на атоме углерода и облегчается его атака
нуклеофилом.
По ацилирующей способности производные
карбоновых кислот располагаются в следующий ряд в соответствии с уменьшением
+М-эффекта группы Х.
В этом ряду предыдующие члены могут быть получены из
последующих ацилированием соответствующего нуклеофила. Процесс получение более
активных ацилирующих реагентов из менее активных практически не идет из-за
неблагоприятного положения равновесия вследствие более высокой основности
уходящей группы по сравнению с атакующим нуклеофилом. Все функциональные
производные могут быть получены непосредственно из кислот и превращаются в них
при гидролизе.
Хлорангидриды и ангидриды
Методы получения
Хлорангидриды получают взаимодействием
карбоновых кислот с галогенидами фосфора и серы.
RCOOH + SOCl 2 ®
RCOOCl + SO 2 +
HCl
RCOOH + PCl 5 ®
RCOOH + POCl 3 +
HCl
Ангидриды образуются из карбоновых кислот под
действием оксида фосфора (V).
Cмешанные ангидриды могут быть получены
ацилированием солей карбоновых кислот хлорангидридами.
хлорангидридах и ангидридах.
Х
лорангидриды и ангидриды — наиболее реакционноспособные производные
карбоновых кислот. Их реакции с нуклеофилами протекают в мягких условиях, без
катализатора и практически необратимо.
При использовании смешанных ангидридов с
нуклеофилом соединяется остаток более слабой кислоты, а анион более сильной
кислоты играет роль уходящей группы.
В
биохимических реакциях ацилирования важную роль играют смешанные ангидриды
карбоновых кислот и фосфорной кислоты – ацилфосфаты и замещенные ацилфосфаты. С
нуклеофилом соединяется остаток органической кислот, а ацилфосфат-анион
выполняет роль хорошей уходящей группы.
Сложные эфиры
Методы получения
RCOO—
Na+
+ R Cl ®
RCOOR + NaCl Важнейшим методом получения сложных эфиров является реакция этерификации
. Реакция протекает как нуклеофильное замещение в
карбоксильной группе.
Карбоновые кислоты являются слабыми ацилирующими
реагентами из-за значительного +М-эффекта группы ОН. Использование сильных
нуклеофилов, которые одновременно являются и сильными основаниями (например,
основной катализ), в данном случае невозможно, так как они переводят карбоновые
кислоты в еще менее реакционноспособные соли карбоновых кислот. Реакцию проводят
в условиях кислотного катализа. Роль кислотного катализатора состоит, как уже
говорилось, в увеличении эффективного положительного заряда на атоме углерода
карбоксильной группы, и, кроме того, протонирование ОН группы на стадии
отщепления превращает ее в хорошую уходящую группу – Н
2 О.
Все стадии реакции этерификации
обратимы. Для смешения равновесия в сторону процесса этерификации используют
избыток одного из реагентов или удаление продуктов из сферы реакции.
Реакции нуклеофильного замещения в
алкоксикарбонильной группе.
Сложные эфиры – более слабые ацилирующие
реагенты, чем ангидриды и хлорангидриды. S
N -реакции в алкоксикарбонильной группе протекают в более
жестких условиях и требуют кислотного или основного катализа. Важнейшими
реакциями этого типа являются гидролиз, аминолиз и
переэтерификация
.
Гидролиз.
Сложные эфиры гидролизуются с образованием карбоновых кислот под действием
кислот или щелочей.
Кислотный гидролиз сложных эфиров – это реакция обратная этерификации. 
Механизм кислотного гидролиза включает те же стадии, что
и процесс этерификации, но в обратной последовательности.
Щелочной гидролиз сложных эфиров требует
эквимолярных количеств щелочи и протекает необратимо.
RCOOR + NaOH ® RCOO — Na + + R OH
Суть щелочного катализа состоит в использовании
вместо слабого нуклеофила — воды, более сильного нуклеофила –
гидроксид-иона.
Необратимость процесса
обеспечивается низкой реакционной способностью по отношению к нуклеофилам
продукта гидролиза – карбоксилат-аниона.
Переэтерификация.
В реакции переэтерификации роль нуклеофила
выполняет молекула спирта. Процесс катализируется кислотами или
основаниями.
Механизм реакции аналогичен гидролизу сложных
эфиров. Переэтерификация – обратимый процесс. Для сдвига равновесия вправо
необходимо использовать большой избыток исходного спирта. Реакция
переэтерификации находит применение для получения сложных эфиров жирных кислот
из триацилглицеридов (см. лек. 18)
Аминолиз.
Сложные эфиры ацилируют аммиак и амины с
образованием амидов карбоновых кислот.
Амиды карбоновых кислот
Строение амидной группы
А
мидная группа встречается во многих биологически важных соединениях,
прежде всего в пептидах и белках (пептидная связь). Её электронное и
пространственное строение во многом определяет их биологическое
функционирование.
Амидная группа представляет собой р-p
-сопряженную систему, в которой происходит
дополнительное перекрывание р-орбитали атома азота с
p
-орбиталью связи
углерод-кислород.
Такое распределение электронной плотности
приводит к увеличению энергетического барьера вращения вокруг связи С-N до 60 –
90 кДж/моль. В результате амидная связь имеет плоское строение, а длины связей
C-N и С=О имеют значения соответственно меньше и больше своих обычных
величин.
Отсутствие свободного вращения вокруг связи C-N
приводит к существованию у амидов цис-
и транс
-изомеров. Для
большинства амидов предпочтительной является транс
-конфигурация.
Пептидная связь также имеет транс
-конфигурацию, в которой боковые радикалы аминокислотных остатков
наиболее удалены друг от друга
Методы получения
Реакции нуклеофильного замещения в
карбоксамидной группе.
Амиды — наименее реакционноспособные производные карбоновых кислот. Для них
известны реакции гидролиза, которые протекают в жестких условиях под действием
водных растворов кислот или щелочей. 
Механизмы реакций аналогичны гидролизу сложных
эфиров. Однако, в отличие от гидролиза эфиров, кислотный и щелочной гидролиз
амидов протекают необратимо.
2.3. Реакции по
a
-углеродному
атому
Карбоновые кислоты, содержащие
a
-водородные атомы,
взаимодействуют с бромом в присутствии фосфора с образованием исключительно
a
-бромпроизводных
(реакция Гелля – Форгальда — Зелинского
)
Галоген в
a
-галогензамещенных кислотах легко замещается под
действием нуклеофильных реагентов. Поэтому
a
-галогензамещенные кислоты
являются исходными веществами в синтезе широкого круга замещенных по
a
-положению
кислот, в том числе
a
-амино- и
a
-гидроксикислот.
2.4.
Декарбоксилирование
Декарбоксилирование – это элиминирование CO 2 из карбоновых кислот или их солей. Декарбоксилирование
проводят путем нагревания в присутствии кислот или оснований. При этом, как
правило, происходит замещение карбоксильной группы на атом водорода.
Незамещенные монокарбоновые кислоты
декарбоксилируются в жестких условиях.
Декарбоксилирование облегчается при наличии
электроноакцепторных заместителей в
a
-положении.
Важное значение имеет ферментативное
декарбоксилирование кето-, амино- и гидроксикислот в организме (см. лек. №14 и
16).
Декарбоксилирование путем нагревания (сухой
перегонки) кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот – метод получения
кетонов.
2.5.
Восстановление.
Карбоновые кислоты, хлорангидриды, ангидриды и сложные эфиры
восстанавливаются LiAlH 4 до первичных
спиртов.
Хлорангидриды могут быть восстановлены до
альдегидов (см. лек. № 11).
При восстановлении амидов карбоновых кислот
образуются амины.
3. Дикарбоновые кислоты
Дикарбоновые кислоты содержат две карбоксильные группы. Наиболее доступными
являются кислоты линейного строения, содержащие от 2 до 6 атомов углерода. Их
строение и методы получения представлены в таблице 9.
бактерий
Химические свойства дикарбоновых кислот в
основном аналогичны свойствам монокарбоновых кислот. Они дают все реакции,
характерные для карбоксильной группы. При этом могут быть получены
функциональные производные (хлорангидриды, ангидриды, сложные, эфиры, амиды) как
по одной, так и по обеим
карбоксильным
группам. Дикарбоновые кислоты имеют большую кислотность, чем монокарбоновые,
вследствие –I-эффекта карбоксильной группы. По мере увеличения расстояния между
карбоксильными группами кислотность дикарбоновых кислот уменьшается (см. табл.
9).
Кроме того, дикарбоновые кислоты имеют ряд
специфических свойств, которые определяются наличием в молекуле двух
карбоксильных групп.
Отношение дикарбоновых кислот к
нагреванию.
Превращения дикарбоновых кислот при нагревании
зависят от длины цепи, разделяющей карбоксильные группы, и определяются
возможностью образования термодинамически стабильных пяти- и шестичленных
циклов.
При нагревании щавелевой и малоновой кислот
происходит декарбоксилирование.
Янтарная, глутаровая и малеиновая кислоты при
нагревании легко отщепляют воду с образованием пяти- и шестичленных циклических
ангидридов.
Адипиновая кислота при нагревании
декарбоксилируется с образованием циклического кетона – циклопентанона.
Реакции поликонденсации
Д
икарбоновые кислоты взаимодействуют с диаминами и диолами с
образованием соответственно полиамидов и полиэфиров, которые используются в
производстве синтетических волокон.
Биологически важные дикарбоновые
кислоты.
Щавелевая кислота
образует труднорастворимые соли, например,
оксалат кальция, которые отлагаются в виде камней в почках и мочевом пузыре.
Янтарная кислота
участвует в обменных процессах, протекающих в
организме. Является промежуточным соединением в цикле трикарбоновых кислот.
Фумаровая кислота,
в отличие от малеиновой,
широко распространена в природе, участвует в процессе
обмена веществ, в частности в цикле трикарбоновых кислот.
Лекция № 12
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Кислотные свойства.
2.3. Реакции по a -углеродному атому.
2.5. Восстановление.
2.6. Дикарбоновые кислоты.
Лекция № 12
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Кислотные свойства.
2.2. Реакции нуклеофильного замещения.
Функциональные производные карбоновых кислот.
2.3. Реакции по a -углеродному атому.
2.5. Восстановление.
2.6. Дикарбоновые кислоты.
1. Методы получения
2. Химические
свойства
Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу , в которой непосредственно связаны между
собой карбонильная группа и гидроксил. Их взаимное влияние обуславливает новый
комплекс свойств, отличных от свойств карбонильных соединений и
гидроксилпроизводных. Реакции с участием карбоновых кислот протекают по
следующим основным направлениям.
- Замещение водорода группы COОН под
действием оснований (кислотные свойства). - Взаимодействие с нуклеофильными реагентами
по карбонильному атому углерода (образование функциональных производных и
восстановление) - Реакции по
a
-углеродному атому
(галогенирование) - Декабоксилирование
2.1. Кислотные
свойства
Карбоновые кислоты – одни из самых сильных органических кислот. Их водные
растворы имеют кислую реакцию.
RCOOH + H 2 O =
RCOO — +
H 3 O +
Причины высокой кислотности карбоновых кислот и
ее зависимость от природы заместителей в углеводородном радикале были
рассмотрены ранее (см. лек. №4).
Карбоновые кислоты образуют соли при
взаимодействии с активными металлами и большинством оснований.
При взаимодействии с сильными неорганическими
кислотами карбоновые кислоты могут проявлять основные свойства, присоединяя
протон по карбонильному атому кислорода.
Протонирование карбоновых кислот используется
для активации карбоксильной группы в реакциях нуклеофильного замещения.
За счет присутствия в молекуле одновременно
кислотного и основного центров карбоновые кислоты образуют межмолекулярные
водородные связи и существуют в основном в виде димеров (см. лек. №2).
2.2. Реакции нуклеофильного замещения.
Функциональные производные карбоновых кислот.
Основной тип реакций карбоновых кислот –
взаимодействие с нуклеофилами с образованием функциональных производных.
Взаимопревращения, связывающие карбоновые кислоты и их функциональные
производные, приведены на схеме.
Представленные на схеме соединения содержат
ацильную группу В ходе
их взаимопревращений она в неизменном виде переходит из одного соединения в
другое, соединяясь с нуклеофилом. Такие процессы называют ацилированием
,
а карбоновые кислоты и их функциональные производные – ацилирующими
реагентами
. В общем виде процесс ацилирования может быть представлен
следующей схемой.
Таким образом, ацилирование представляет собой
процесс нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.
Рассмотрим механизм реакции в общем виде и
сравним его с Ad
N -реакциями
альдегидов и кетонов. Как и в случае карбонильных соединений, реакция начинается
с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода, несущему эффективный
положительный заряд. При этом разрывается
p
-связь углерод-кислород и образуется тетраэдрический
интермедиат
. Пути дальнейшего превращения интермедиата у карбонильных и
ацильных соединений различны. Если карбонильные соединения дают продукт присоединения
, то ацильные соединения отщепляют группу X и дают продукт замещения.
Причина разного поведения ацильных и
карбонильных соединений – в разной стабильности потенциальной уходящей группы X.
В случае альдегидов и кетонов это — гидрид-анион Н
— или карбоанион R
— , которые вследствие своей высокой основности являются
чрезвычайно плохими уходящими группами. В случае ацильных соединений Х
значительно более стабильная уходящая группа (Cl
— ,
RCOO — , RO — , NH 2 — ), что делает возможным ее отщепление в виде аниона
Х
— или сопряженной кислоты
НХ.
Реакционная способность по отношению к
нуклеофилам у карбоновых кислот и их функциональных производных меньше, чем у
альдегидов и кетонов, так как эффективный положительный заряд на карбонильном
атоме углерода у них ниже за счет + М- эффекта группы Х.
Активность ацильной группы повышается в условиях
кислотного катализа, так как при протонировании возрастает эффективный
положительный заряд на атоме углерода и облегчается его атака
нуклеофилом.
По ацилирующей способности производные
карбоновых кислот располагаются в следующий ряд в соответствии с уменьшением
+М-эффекта группы Х.
В этом ряду предыдующие члены могут быть получены из
последующих ацилированием соответствующего нуклеофила. Процесс получение более
активных ацилирующих реагентов из менее активных практически не идет из-за
неблагоприятного положения равновесия вследствие более высокой основности
уходящей группы по сравнению с атакующим нуклеофилом. Все функциональные
производные могут быть получены непосредственно из кислот и превращаются в них
при гидролизе.
Хлорангидриды и ангидриды
Методы получения
Хлорангидриды получают взаимодействием
карбоновых кислот с галогенидами фосфора и серы.
RCOOH + SOCl 2 ®
RCOOCl + SO 2 +
HCl
RCOOH + PCl 5 ®
RCOOH + POCl 3 +
HCl
Ангидриды образуются из карбоновых кислот под
действием оксида фосфора (V).
Cмешанные ангидриды могут быть получены
ацилированием солей карбоновых кислот хлорангидридами.
хлорангидридах и ангидридах.
Х
лорангидриды и ангидриды — наиболее реакционноспособные производные
карбоновых кислот. Их реакции с нуклеофилами протекают в мягких условиях, без
катализатора и практически необратимо.
При использовании смешанных ангидридов с
нуклеофилом соединяется остаток более слабой кислоты, а анион более сильной
кислоты играет роль уходящей группы.
В
биохимических реакциях ацилирования важную роль играют смешанные ангидриды
карбоновых кислот и фосфорной кислоты – ацилфосфаты и замещенные ацилфосфаты. С
нуклеофилом соединяется остаток органической кислот, а ацилфосфат-анион
выполняет роль хорошей уходящей группы.
Сложные эфиры
Методы получения
RCOO—
Na+
+ R Cl ®
RCOOR + NaCl Важнейшим методом получения сложных эфиров является реакция этерификации
. Реакция протекает как нуклеофильное замещение в
карбоксильной группе.
Карбоновые кислоты являются слабыми ацилирующими
реагентами из-за значительного +М-эффекта группы ОН. Использование сильных
нуклеофилов, которые одновременно являются и сильными основаниями (например,
основной катализ), в данном случае невозможно, так как они переводят карбоновые
кислоты в еще менее реакционноспособные соли карбоновых кислот. Реакцию проводят
в условиях кислотного катализа. Роль кислотного катализатора состоит, как уже
говорилось, в увеличении эффективного положительного заряда на атоме углерода
карбоксильной группы, и, кроме того, протонирование ОН группы на стадии
отщепления превращает ее в хорошую уходящую группу – Н
2 О.
Все стадии реакции этерификации
обратимы. Для смешения равновесия в сторону процесса этерификации используют
избыток одного из реагентов или удаление продуктов из сферы реакции.
Реакции нуклеофильного замещения в
алкоксикарбонильной группе.
Сложные эфиры – более слабые ацилирующие
реагенты, чем ангидриды и хлорангидриды. S
N -реакции в алкоксикарбонильной группе протекают в более
жестких условиях и требуют кислотного или основного катализа. Важнейшими
реакциями этого типа являются гидролиз, аминолиз и
переэтерификация
.
Гидролиз.
Сложные эфиры гидролизуются с образованием карбоновых кислот под действием
кислот или щелочей.
Кислотный гидролиз сложных эфиров – это реакция обратная этерификации.
Механизм кислотного гидролиза включает те же стадии, что
и процесс этерификации, но в обратной последовательности.
Щелочной гидролиз сложных эфиров требует
эквимолярных количеств щелочи и протекает необратимо.
RCOOR + NaOH ® RCOO — Na + + R OH
Суть щелочного катализа состоит в использовании
вместо слабого нуклеофила — воды, более сильного нуклеофила –
гидроксид-иона.
Необратимость процесса
обеспечивается низкой реакционной способностью по отношению к нуклеофилам
продукта гидролиза – карбоксилат-аниона.
Переэтерификация.
В реакции переэтерификации роль нуклеофила
выполняет молекула спирта. Процесс катализируется кислотами или
основаниями.
Механизм реакции аналогичен гидролизу сложных
эфиров. Переэтерификация – обратимый процесс. Для сдвига равновесия вправо
необходимо использовать большой избыток исходного спирта. Реакция
переэтерификации находит применение для получения сложных эфиров жирных кислот
из триацилглицеридов (см. лек. 18)
Аминолиз.
Сложные эфиры ацилируют аммиак и амины с
образованием амидов карбоновых кислот.
Амиды карбоновых кислот
Строение амидной группы
А
мидная группа встречается во многих биологически важных соединениях,
прежде всего в пептидах и белках (пептидная связь). Её электронное и
пространственное строение во многом определяет их биологическое
функционирование.
Амидная группа представляет собой р-p
-сопряженную систему, в которой происходит
дополнительное перекрывание р-орбитали атома азота с
p
-орбиталью связи
углерод-кислород.
Такое распределение электронной плотности
приводит к увеличению энергетического барьера вращения вокруг связи С-N до 60 –
90 кДж/моль. В результате амидная связь имеет плоское строение, а длины связей
C-N и С=О имеют значения соответственно меньше и больше своих обычных
величин.
Отсутствие свободного вращения вокруг связи C-N
приводит к существованию у амидов цис-
и транс
-изомеров. Для
большинства амидов предпочтительной является транс
-конфигурация.
Пептидная связь также имеет транс
-конфигурацию, в которой боковые радикалы аминокислотных остатков
наиболее удалены друг от друга
Методы получения
Реакции нуклеофильного замещения в
карбоксамидной группе.
Амиды — наименее реакционноспособные производные карбоновых кислот. Для них
известны реакции гидролиза, которые протекают в жестких условиях под действием
водных растворов кислот или щелочей.
Механизмы реакций аналогичны гидролизу сложных
эфиров. Однако, в отличие от гидролиза эфиров, кислотный и щелочной гидролиз
амидов протекают необратимо.
2.3. Реакции по
a
-углеродному
атому
Карбоновые кислоты, содержащие
a
-водородные атомы,
взаимодействуют с бромом в присутствии фосфора с образованием исключительно
a
-бромпроизводных
(реакция Гелля – Форгальда — Зелинского
)
Галоген в
a
-галогензамещенных кислотах легко замещается под
действием нуклеофильных реагентов. Поэтому
a
-галогензамещенные кислоты
являются исходными веществами в синтезе широкого круга замещенных по
a
-положению
кислот, в том числе
a
-амино- и
a
-гидроксикислот.
2.4.
Декарбоксилирование
Декарбоксилирование – это элиминирование CO 2 из карбоновых кислот или их солей. Декарбоксилирование
проводят путем нагревания в присутствии кислот или оснований. При этом, как
правило, происходит замещение карбоксильной группы на атом водорода.
Незамещенные монокарбоновые кислоты
декарбоксилируются в жестких условиях.
Декарбоксилирование облегчается при наличии
электроноакцепторных заместителей в
a
-положении.
Важное значение имеет ферментативное
декарбоксилирование кето-, амино- и гидроксикислот в организме (см. лек. №14 и
16).
Декарбоксилирование путем нагревания (сухой
перегонки) кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот – метод получения
кетонов.
2.5.
Восстановление.
Карбоновые кислоты, хлорангидриды, ангидриды и сложные эфиры
восстанавливаются LiAlH 4 до первичных
спиртов.
Хлорангидриды могут быть восстановлены до
альдегидов (см. лек. № 11).
При восстановлении амидов карбоновых кислот
образуются амины.
3. Дикарбоновые кислоты
Дикарбоновые кислоты содержат две карбоксильные группы. Наиболее доступными
являются кислоты линейного строения, содержащие от 2 до 6 атомов углерода. Их
строение и методы получения представлены в таблице 9.
бактерий
Химические свойства дикарбоновых кислот в
основном аналогичны свойствам монокарбоновых кислот. Они дают все реакции,
характерные для карбоксильной группы. При этом могут быть получены
функциональные производные (хлорангидриды, ангидриды, сложные, эфиры, амиды) как
по одной, так и по обеим
карбоксильным
группам. Дикарбоновые кислоты имеют большую кислотность, чем монокарбоновые,
вследствие –I-эффекта карбоксильной группы. По мере увеличения расстояния между
карбоксильными группами кислотность дикарбоновых кислот уменьшается (см. табл.
9).
Кроме того, дикарбоновые кислоты имеют ряд
специфических свойств, которые определяются наличием в молекуле двух
карбоксильных групп.
Отношение дикарбоновых кислот к
нагреванию.
Превращения дикарбоновых кислот при нагревании
зависят от длины цепи, разделяющей карбоксильные группы, и определяются
возможностью образования термодинамически стабильных пяти- и шестичленных
циклов.
При нагревании щавелевой и малоновой кислот
происходит декарбоксилирование.
Янтарная, глутаровая и малеиновая кислоты при
нагревании легко отщепляют воду с образованием пяти- и шестичленных циклических
ангидридов.
Адипиновая кислота при нагревании
декарбоксилируется с образованием циклического кетона – циклопентанона.
Реакции поликонденсации
Д
икарбоновые кислоты взаимодействуют с диаминами и диолами с
образованием соответственно полиамидов и полиэфиров, которые используются в
производстве синтетических волокон.
Биологически важные дикарбоновые
кислоты.
Щавелевая кислота
образует труднорастворимые соли, например,
оксалат кальция, которые отлагаются в виде камней в почках и мочевом пузыре.
Янтарная кислота
участвует в обменных процессах, протекающих в
организме. Является промежуточным соединением в цикле трикарбоновых кислот.
Фумаровая кислота,
в отличие от малеиновой,
широко распространена в природе, участвует в процессе
обмена веществ, в частности в цикле трикарбоновых кислот.
Реакции карбоновых кислот можно подразделить на несколько больших групп:
1) Восстановление карбоновых кислот
2) Реакции декарбоксилирования
3) Реакции замещения при -углеродном атоме карбоновых кислот
4) Реакции нуклеофильного замещения у ацильного атома углерода.
Мы последовательно рассмотрим каждую из этих групп реакций.
18.3.1. Восстановление карбоновых кислот
Карбоновые кислоты восстанавливаются до первичных спиртов с помощью литийалюминийгидрида. Восстановление идет в более жестких условиях, чем это требуется для восстановления альдегидов и кетонов. Восстановление обычно проводят при кипячении в растворе тетрагидрофурана.
Диборан B 2 H 6
также восстанавливает карбоновые
кислоты до первичных спиртов. Восстановление
карбоксильной группы до CH 2 OH
под действием диборана в ТГФ осуществляется
в очень мягких условиях и не затрагивает
некоторые функциональные группы (NO 2 ;
CN;
),
поэтому этот метод в некоторых случаях
оказывается предпочтительнее.
18.3.2. Декарбоксилирование
Этим термином объединяется целая группа разнообразных реакций, в которых происходит отщепление CO 2 и образующиеся соединения содержат на один атом углерода меньше, чем исходная кислота.
Самой важной из реакций декарбоксилирования в органическом синтезе является реакция Бородина-Хунсдиккера, в которой серебряная соль карбоновой кислоты при нагревании с раствором брома в CCl 4 превращается в алкилгалогенид.
Для успешного проведения этой реакции требуется применять тщательно высушенные серебряные соли карбоновых кислот и выход алкилгалогенида колеблется в широких пределах в зависимости от степени очистки и обезвоживания соли. Этого недостатка лишена модификация, где вместо серебряных используют ртутные соли. Ртутную соль карбоновой кислоты не выделяют в индивидуальном виде, а в индифферентном растворителе нагревают смесь карбоновой кислоты, желтой окиси ртути и галогена. Этот метод, как правило, приводит к более высокому и воспроизводимому выходу.
Для реакции Бородина-Хунсдиккера установлен цепной радикальный механизм. Образующийся в первой стадии ацилгипобромит подвергается гомолитическому расщеплению с образованием карбоксильного радикала и атома брома. Карбоксильный радикал теряет CO 2 и превращается в алкильный радикал, который затем регенерирует цепь, отщепляя атом брома от ацилгипобромита.
Инициирование цепи:
Развитие цепи:
Оригинальный метод окислительного декарбоксилирования карбоновых кислот был предложен Дж. Кочи в 1965 году. Карбоновые кислоты окисляются тетраацетатом свинца, при этом происходит декарбоксилирование и в качестве продуктов реакции зависимости от условий получаются алканы, алкены или эфиры уксусной кислоты. Механизм этой реакции детально не установлен, предполагается следующая последовательность превращений:
Алкен и сложный эфир, по-видимому, образуются из карбкатиона соответственно за счет отщепления протона или захвата ацетат-иона. Введение в реакционную смесь галогенид-иона практически нацело подавляет оба эти процесса и приводит к образованию алкилгалогенидов.
Эти два метода декарбоксилирования хорошо дополняют друг друга. Декарбоксилирование Ag или Hg-солей дает наилучшие результаты для карбоновых кислот с первичным радикалом, тогда как при окислении тетраацетатом свинца в присутствии хлорида лития наиболее высокие выходы алкилгалогенидов наблюдаются для карбоновых кислот со вторичным радикалом.
Другой, имеющей важное препаративное значение реакцией декарбоксилирования карбоновых кислот, является электролитическая конденсация солей карбоновых кислот, открытая в 1849 году Г. Кольбе. Он проводил электролиз водного раствора ацетата калия в надежде получить свободный радикал CH 3 , однако вместо него на аноде был получен этан. Аналогично при электролизе водного раствора натриевой соли валериановой кислоты вместо бутильного радикала был получен н.октан. Электрохимическое окисление карбоксилат-ионов оказалось исторически первым общим методом синтеза предельных углеводородов. При электролизе натриевых или калиевых солей предельных алифатических кислот в метаноле или водном метаноле в электролизере а платиновыми электродами при 0-20С и с достаточно высокой плотностью тока образуются алканы с выходом 50-90%.
Однако при наличии алкильной группы в -положении выходы резко снижаются и редко превышают 10%.
Эта реакция оказалась особенно полезной для синтеза диэфиров дикарбоновых кислот ROOC(CH 2) n COOR с n от 2 до 34 при электролизе щелочных солей полуэфиров дикарбоновых кислот.
В современном органическом электросинтезе широко применяется перекрестная электролитическая конденсация, заключающаяся в электролизе смеси солей карбоновой кислоты и моноэфира дикарбоновой кислоты.
Электролиз раствора этих двух солей приводит к образованию смеси трех сильно отличающихся друг от друга продуктов реакции, которые могут быть легко разделены перегонкой на отдельные компоненты. Это метод позволяет удлинять углеродный скелет карбоновой кислоты на любое число атомом углерода практически за одну операцию.
Электролитическая конденсация ограничена солями карбоновых кислот с неразветвленным радикалом и солями полуэфиров дикарбоновых кислот. Соли ,- и ,-ненасыщенных кислот не подвергаются электрохимической конденсации.
Для реакции Кольбе
был предложен радикальный механизм,
включающий три последовательные стадии:
1) окисление карбоксилат-ионов на аноде
до карбоксилат-радикалов
;
2) декарбоксилирование этих радикалов
до алкильных радикалов и двуокиси
углерода; 3) рекомбинация алкильных
радикалов.
При высокой плотности тока высокая концентрация алкильных радикалов у анода способствует их димеризации, при низкой плотности тока алкильные радикалы или диспропорционируют с образованием алкена или алкана или отщепляют атом водорода от растворителя.
Соли карбоновых кислот подвергаются декарбоксилированию также при пиролизе. Некогда пиролиз кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот был основным методом получения кетонов. В XIX веке “сухая перегонка” ацетата кальция была основным методом получения ацетона.
В дальнейшем метод был усовершенствован таким образом, что в нем отсутствует стадия получения солей. Пары карбоновой кислоты пропускают над катализатором - окислами марганца, тория или циркония при 380-400 0 . Наиболее эффективным и дорогим катализатором является двуокись тория.
В простейших случаях кислоты с числом атомов углерода от двух до десяти превращаются в симметричные кетоны с выходом порядка 80% при кипячении с порошкообразным железом при 250-300 . Этот способ находит применение в промышленности. Наиболее успешно пиролитический метод и в настоящее время применяется для синтеза пяти- и шестичленных циклических кетонов из двухосновных кислот. Например, из смеси адипиновой кислоты и гидроксида бария (5%) при 285-295 получают циклопентанон с выходом 75-85%. Циклооктанон образуется из азелаиновой кислоты при нагревании с ThO 2 c выходом не более 20%, этот метод мало пригоден для получения циклоалканонов с большим числом атомов углерода.