Карбоновые кислоты как ацилирующие реагенты

 

При реакции ацилирования карбоновыми кислотами в их карбоксильной группе происходит нуклеофильное замещение группы —ОН на другую нуклеофильную частицу .

Ацилирование - это реакция нуклеофильного замеще­ния по карбонильному углеродному атому в карбоновых кислотах или их производных, сопровождающаяся обра­зованием связи между их ацилъным остатком и новым нуклеофилом, содержащим атомы: галогенов (галогенацилирование), кислорода (О-ацилирование), серы (S-ацилирование), азота (N-ацилирование) или углерода (С-ацилирование).

 

Галогенацилирование. При взаимодействии карбоновых ки­слот или их солей с галогенидами серы (SOCl₂) или фосфора (PCl₅, РОС1₃, РС1₃, РВr₃), содержащими сильнополярные связи S—Тал или Р—Тал, образуются ацилгалогениды, называемые также гало-генангидридами карбоновых кислот, общей формулы :

Для ацилгалогенидов характерна высокая электрофильность карбонильного углеродного атома, что вызвано сильными электроноакцепторными свойствами связанного с ним атома галоге­на. Ацилгалогениды - очень реакционноспособные вещества, неустойчивые к гидролизу, поэтому их хранят в герметичных емкостях, чтобы избежать контакта с парами воды. Ацилгало­гениды являются сильными ацилирующими реагентами и ис­пользуются в органическом синтезе для введения ацильной группы в молекулы органических соединений (карбоновые ки­слоты, спирты, тиолы, амины, арены).

O-Ацилирование карбоновых кислот. При нагревании карбоновой кислоты с сильными водоотнимающими реагентами (PgOs) происходит реакция ее самоацилирования, сопровождаю­щаяся межмолекулярным отщеплением молекулы воды с обра­зованием ангидрида карболовой кислоты:

ангидрид

карбоновой кислоты

 

Карбоновые кислоты или их соли легко ацилируются ацилгалогенидами, так как карбонильный углеродный атом послед­них более электрофилен, чем в карбоновых кислотах:

 

 

; (δ^'+> δ''⁺> δ⁺)

 

Ангидриды карбоновых кислот как ацилирующие реагенты сла­бее ацилгалогенидов, но сильнее карбоновых кислот.

О-Ацилирование спиртов. Карбоновые кислоты при кислот­ном катализе ацилируют спирты, образуя сложные эфиры:

 

Для смещения равновесия вправо необходимо удалять из реакционной смеси воду или связывать ее, используя, напри­мер, H₂SО₄ (конц). В организме реакция ацилирования спиртов карбоновыми кислотами осуществляется с помощью соответст­вующего фермента, который не только активирует реагенты, но и способствует удалению воды из реакционного центра в ре­зультате гидрофобных взаимодействий. Механизм реакции этирификации изложен в разделе «Механизмы реакций органических соединений».

S-Ацилирование тиолов. В метаболизме карбоновых кислот большую роль играет их способность при участии АТФ ацилировать кофермент А*( Кофермент А -сложное соединение, содержащее остаток 2-амино-этантиола HSCH₂CH₂NHR, где R включает пантотеновую кислоту и фосфат­ное производное аденозина. Кофермент А кратко записывается НВКоА), который содержит тиольную группу (—SH), с образованием сложных тиоэфиров, называемых ацилкоферментами А (ацил-КоА или RCOSKoA):

карбоновая кофермент А ацилкофермент А

кислота

 

В качестве карбоновой кислоты чаще всего выступает уксусная кислота, которая образует ацетилкофермент А (ацетил-КоА или CH₃COSKoA):

 

уксусная кофермент А ацетилкофермент А

кислота

 

Образование ацилкоферментов А в организме способствует активации карбоновых кислот не только в реакциях ацилиро-вания, но и в реакциях их конденсации и декарбоксилирования, сопровождаемых окислительно-восстановительной дисмутацией.

В организме S-ацилирование протекает не только с коферментами А, но и с белками, имеющими фрагмент, аналогичный по структуре фрагменту кофермента А, и также содержащими остатки 2-аминоэтантиола и пантотеновой кислоты. Поскольку после ацилирования такие белки способны переносить ацильные группы, то их называют ацилпереносящими белками и обозна­чают исходную форму НSАПБ, а ацильную форму RСОSАПБ:

 

ацилпереносящий

белок

 

 

Ацилпереносящие белки осуществляют перенос различных ацильных групп, но особенно эффективно они переносят аце­тильную группу.

 

N-Ацилирование аминов. Карбоновые кислоты, реагируя с аминами - первичными (R'NH₂) или вторичными (R₂'NH), - об­разуют вначале аммониевые соли, которые при нагревании вы­ше температуры их плавления внутримолекулярно отщепляют воду, превращаясь в амиды карбоновых кислот:

аммонийная соль амид

карбоновой кислоты карбоновой кислоты

Ацилирование аминов сложными эфирами, ангидридами или галогенангидридами карбоновых кислот происходит в одну стадию:

 

Эффективнее и легче всего ацилирование аминов происходит с помощью галогенангидридов кислот. Третичные амины NR₃' не образуют амидов.

Рассмотренные реакции ацилирования карбоновыми кисло­тами и их производными, в которых они выступают электро­филами, являются типичными электрофильно-нуклеофильными реакциями, так как они не сопровождаются ни кислотно-основ­ными, ни окислительно-восстановительными, ни комплексообразующими превращениями.

С-Ацилирование. Реакции С-ацилирования карбоновыми ки­слотами и их производными всегда сопровождаются окислитель­но-восстановительной дисмутацией углеродных атомов участни­ков реакции.

В организме реакции ацилирования чаще всего протекают со спиртами, тиолами, аминами, а также с карбонилсодержащими соединениями. В качестве ацилирующих реагентов в живых системах особенно активны тиоэфиры кофермента А и ацилпереносящие белки, а в органическом синтезе - галогенангидриды и ангидриды карбоновых кислот.

 

Реакции декарбоксилирования

При сильном нагревании карбоновых кислот наблюдается их декарбоксилирование:

 

Способность к этому превращению определяется прочностью связи карбоксильной группы с радикалом, которая понижается, ес­ли в нем содержатся электроноакцепторные заместители. Поэтому, например, щавелевая кислота декарбоксилируется уже при слабом нагревании:

малоновую кислоту для этого нужно нагреть значительно сильнее:

Янтарную кислоту (как и уксусную или другие предельные кисло­ты) практически уже не удается декарбоксилировать нагреванием. Однако декарбоксилирование любых кислот легко осуществляется ферментативным путем и является одной из необходимых стадий превращения органических веществ в организме.

Реакции карбоновых кислот по радикалу

 

Электроноакцепторный эффект карбоксильной группы заклю­чается в повышенной склонности к замещению атомов Н в α-положении молекул предельных кислот. В результате можно вво­дить атомы галогена в это положение за счет радикального замещения (S_R):

 

Еще легче осуществляется замещение с образованием из уксус­ной кислоты монофтор-, дифтор- или трифторуксусной кислот. Сле­дует отметить, что ядовитая монофторуксусная кислота содержится в соке некоторых тропических растений. Её соли - монофторацетаты применяются как средства борьбы с грызунами.

Особенно сильно проявляется влияние на α-положение в моле­куле малоновой кислоты и её эфиров. Суммарный эффект двух кар­боксильных групп приводит к тому, что на α-атоме углерода формирукется активный С-Н кислотный центр, т.е. атом водорода может про­являть "кислый" характер и замещаться активными металлами. Это используется в синтетических целях для получения из малоновой кислоты и ее эфиров α-замещенных гомологов:

 

малоновый эфир

 

В непредельных кислотах эффект группы -СООН заключается в том, что электрофильное присоединение идет вопреки правилу Марковникова:

Покажите схематически перераспределениие электронной плотности в молекуле акриловой кислоты, назовите электронные эффекты, укажите эффективные заряды на атомах углерода при кратной связи, объясняющие, почему присоединение галогеноводорода (механизм А_Е) происходит подобным образом.

В ароматических кислотах карбоксильная группа выступает как заместитель второго рода, ориентируя дальнейшее замещение в мета- положение и затрудняя реакцию

м - сульфобензойная кислота