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:

Ацилирование представляет собой процесс нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.

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.

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 получения 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.

Сложные эфиры

Методы получения

1. Из карбоновых кислот и спиртов (реакция этерификации).
   
2. Из хлорангидридов или ангидридов и спиртов.
   RCOX + ROH → RCOOR + HX
   X=Cl, OCOR
3. Переэтерификация.
   
4. Из солей карбоновых кислот и алкилгалогенидов.

RCOO-Na+ + RCl → RCOOR + NaCl

Важнейшим методом получения сложных эфиров является реакция этерификации. Реакция протекает как нуклеофильное замещение в карбоксильной группе.

Реакцию проводят в условиях кислотного катализа. Роль кислотного катализатора состоит в увеличении эффективного положительного заряда на атоме углерода карбоксильной группы:

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.

Щелочной гидролиз сложных эфиров требует эквимолярных количеств щелочи и протекает необратимо.

RCOOR + NaOH → RCOO^-Na⁺ + ROH

 

Переэтерификация.

В реакции переэтерификации роль нуклеофила выполняет молекула спирта. Процесс катализируется кислотами или основаниями.

Аминолиз.

Сложные эфиры ацилируют аммиак и амины с образованием амидов карбоновых кислот.

 

 

Триацилглицериды

Триацилглицериды – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Общая формула:

Простые триацилглицериды содержат остатки одинаковых, смешанные – разных жирных кислот. Названия триацилглицеридов строятся на основе названий ацильных остатков, входящих в их состав жирных кислот.

Смешанные триацилглицериды могут содержать хиральный атом углерода в положении 2 и иметь энантиомеры, например:

Триацилглицериды – малополярные, не растворимые в воде вещества. Триацилглицериды, содержащие преимущественно остатки ненасыщенных кислот, при обычных условиях являются жидкостями, насыщенных кислот – твердыми веществами. Они входят в состав животных жиров и растительных масел, которые представляют собой смеси триацилглицеридов. Животные жиры содержат в основном триацилглицериды с остатками насыщенных кислот и поэтому имеют твердую консистенцию. Растительные масла включают в основном остатки ненасыщенных кислот и являются жидкостями. Основная биологическая функция триацилглицеридов – запасные вещества животных и растений.

Химические свойства триацилглицеридов определяются наличием сложноэфирной связи и ненасыщенностью. Как сложные эфиры триацилглицериды гидролизуются под действием кислот и щелочей, а также вступают в реакцию переэтерификации.

При щелочном гидролизе (омылении) жиров образуются соли жирных кислот (мыла). Их молекулы дифильны (содержат полярную “голову” и неполярный “хвост”), что обусловливает их повехностно-активные свойства и моющее действие.

Триацилглицериды, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, вступают в реакции присоединения по двойной связи.

Важным промышленным процессом является гидрогенизация жиров – каталитическое гидрирование растительных масел, в результате которого водород насыщает двойные связи, и жидкие масла превращаются в твердые жиры (маргарин). Наибольшей пищевой ценностью обладают растительные масла, которые наряду с незаменимыми жирными кислотами содержат необходимые для организма фосфолипиды, витамины, полезные фитостерины (предшественники витамина D) и практически не содержат холестерин.

 

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-π -сопряженную систему, в которой происходит дополнительное перекрывание р-орбитали атома азота с π -орбиталью связи углерод-кислород.

Пептидная связь также имеет транс -конфигурацию, в которой боковые радикалы аминокислотных остатков наиболее удалены друг от друга

2.3. Реакции по α -углеродному атому

Карбоновые кислоты, содержащие α -водородные атомы, взаимодействуют с бромом в присутствии фосфора с образованием α -бромпроизводных (реакция Гелля – Форгальда - Зелинского):

Галоген в α -галогензамещенных кислотах легко замещается под действием нуклеофильных реагентов. Поэтому α -галогензамещенные кислоты являются исходными веществами в синтезе широкого круга замещенных по α -положению кислот, в том числе α -амино- и α -гидроксикислот:

Декарбоксилирование

Декарбоксилирование – это удаление CO₂ 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 α –положении:

Важное значение имеет ферментативное декарбоксилирование кето-, амино- и гидроксикислот в.

Декарбоксилирование путем нагревания (сухой перегонки) кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот – метод получения кетонов:

Восстановление.

Карбоновые кислоты, хлорангидриды, ангидриды и сложные эфиры восстанавливаются LiAlH₄ до первичных спиртов.

Хлорангидриды могут быть восстановлены до альдегидов.

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.

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.

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 № 14

ГИДРОКСИ- И ОКСОКИСЛОТЫ

План

Большинство биологически важных органических соединений (метаболиты, биорегуляторы, структурные элементы биополимеров, лекарственные средства) являются гетерофункциональными соединениями. Наиболее важные из них - гидрокси-, оксо- и аминокислоты.

Гидроксикислоты

 

Гидроксикислоты – гетерофункциональные соединения, содержащие карбоксильную и гидроксильную группы. По взаимному расположению функциональных групп различают α -,ß -, γ - и т.д. гидроксикислоты.

В природе широко распространены полигидроксикарбоновые кислоты (содержат нескольно гидроксильных групп) и гидроксиполикарбоновые кислоты (содержат несколько карбоксильных групп).

Методы получения

1) Гидролиз галогензамещенных кислот.

2) Взаимодействие аминокислот с азотистой кислотой.

3) Восстановление оксокислот.

4) Присоединение воды к непредельным кислотам.

5)Циангидринный синтез.

6) Окисление непредельных кислот.

Химические свойства.

Гидроксикислоты дают реакции, характерные для карбоновых кислот и спиртов, при этом могут участвовать как одна, так и обе функции.

Гидроксикислоты имеют ряд специфических свойств, обусловленных присутствием обеих групп и их взаимным расположением.

Отношение гидроксикислот к нагреванию.

Превращения гидроксикислот при нагревании определяются возможностью образования термодинамически стабильных 5-ти- и 6-тичленных циклов.

α -Гидроксикислоты образуют циклические сложные эфиры – лактиды.

ß -Гидроксикислоты при нагревании переходят α,ß-непредельные кислоты.

γ,δ-Гидроксиокислоты претерпевают внутримолекулярное ацилирование с образованием циклических сложных эфиров – лактонов.

Специфические реакции α -гидроксикислот.

α -Гидроксикислоты образуют хелатные комплексы с ионами переходных металлов (Cu²⁺, Fe³⁺ и др.), которые содержат металл в составе устойчивого 5-тичленного цикла.

В присутствии минеральных кислот α -гидроксикислоты разлагаются с образованием муравьиной кислоты и соответствующего альдегида.