Замещение водорода в карбоксиле: кислотность и реакции по кислороду

На степень диссоциации кислот большое влияние оказывает полярность растворителя. Максимальная степень диссоциации наблюдается в воде: рК_а муравьиной кислоты составляет 3.75, уксусной - 4.8 Для замещенных жирных карбоновых кислот степень диссоциации сильно зависит от электронного эффекта заместителя при a-углеродном атоме, электронокцепторные заместители повышают кислотность.

 

Кислота	рКа
CH3COOH	4,8
ClCH2COOH	2,9
Cl2CHCOOH	1,3
CCl3COOH	0,7

 

Карбоновые кислоты образуют соли, реагируя с металлами, их оксидами и гидроксидами, аммиаком и аминами, вытесняют более слабые кислоты из солей.

 

 

Карбоновые кислоты реагируют с карбонатами металлов (почти все они сильнее, чем H₂CO₃), реактивами Гриньяра, ацетиленидами и гидридами металлов. В результате всех этих обменных реакций образуются соли кислот, имеющие общее название карбоксилаты и собственные названия, соответствующие названию аниона кислоты: формиаты, пропионаты, бутираты, бензоаты. Натриевые и калиевые соли высших жирных кислот называются мылами, т.к. являются поверхностно-активными веществами.

Анионы карбоновых кислот участвуют в реакциях нуклеофильного замещения, выступая в качестве нуклеофилов. Так, с галогеналканами они образуют сложные эфиры.

 

 

Низшие кислоты, обладающие сравнительно высокой кислотностью, превращаются при действии на них диазометаном в метиловые эфиры. В этом превращении протон кислоты сначала переходит к атому углерода молекулы диазометана, т.е. последний реагирует как основание. Образующийся неустойчивый катион метилдиазония распадается с выделением N₂, вследствие чего возникает метилениевый ион, который и соединяется с анионом кислоты.

 

 

Взаимодействие солей карбоновых кислот с ацилгалогенидами приводит к образованию ангидридов кислот. Таким способом могут быть получены смешанные ангидриды.

 

 

Основность

 

Замещение гидроксила

В молекулах карбоновых кислот возможно замещение гидроксильной группы, что используется для получения различных функциональных производных. Превращение протекает при действии нуклеофилов. Однако, большинство сильных нуклеофилов являются основаниями, поэтому они в первую очередь депротонируют карбоксильную группу, т.е. превращают кислоту в анион. В карбоксилат-ионе атом углерода не обладает необходимым дефицитом электронной плотности, и реакция останавливается. Применение более слабых нуклеофилов также не приводит к положительным результатам, так как электрофильность карбоксильного углерода кислоты меньше, чем в оксосоединениях, т.к. она погашается +М-эффектом гидросильного кислорода. К примеру, слабый нуклеофил - гидросульфит натрия - к карбоксильной группе не присоединяется.

 

 

Поэтому для нуклеофильного замещения гидроксильной группы (реакции ацилирования) подбирают специальные условия. Так, реакцию кислот со спиртами для получения сложных эфиров (этерификация кислот) проводят в присутствии серной кислоты или газообразного хлороводорода, которые выполняют роль катализаторов. Катализ заключается в протонировании карбонильного атома кислорода на первой стадии, что повышает эффективный положительный заряд на углероде и облегчает атаку нуклеофила. На одной из последующих стадий происходит протонирование уже гидроксила и превращение его в хорошую уходящую группу - молекулу H₂O.

 

 

Все стадии реакции этерификации обратимы, поэтому для получения сложного эфира с хорошим выходом необходимо удалять выделяющуюся воду. В классическом варианте синтеза для связывания воды используется та же серная кислота; в других случаях применяют избыток нуклеофила (спирта).

Очевидно, что реакция, если рассматривать ее с другой стороны, протекает как замещение в молекуле спирта атома водорода на ацил, поэтому превращение называют ацилированием спирта. Оно относится к большому классу реакций, которые объединены общим названием "реакции ацилирования".

По аналогичному механизму протекает взаимодействие карбоновых кислот с пероксидом водорода в кислой среде. В результате этой реакции получаются так называемые надкислоты, имеющие важное значение для органического синтеза: они используются в качестве источников свободных радикалов и окислителей.

 

 

В рассмотренных примерах гидроксил путем протонирования превращается в хорошую уходящую группу - молекулу воды, а на первой стадии имеет место активация электрофильного центра кислотой. Аналогично, ацилирование катализируется кислотами Льюиса. Так, при действии на кислоты пентахлорида фосфора или тионилхлорида происходит замещение гидроксильной группы хлором и образуются хлорангидриды кислот. В ходе превращения протон замещается на сильный акцептор электронов, превращающий гидроксил в хорошую уходящую группу.

 

 

Однако нужно иметь в виду, что атомы кислорода в этих реакциях меняются местами, т.е. фактически замещается не гидроксильный, а карбонильный, т.к. именно к нему присоединяется кислота Льюиса на первой стадии. Аналогично, превращение кислот в ангидриды при действии пентаоксидом фосфора идет через стадию замещены карбонила на хорошую уходящую группу.

 

 

Гидроксил не удается заместить аминогруппой при действии аммиака или аминов на кислоту в мягких условиях. Указанные реагенты являются более сильными основаниями, чем карбонильная группа. Поэтому катализ кислотами, как в реакции этерификации, или замена протона сильным электроноакцептором, как при образовании ацилгалогенидов и ангидридов, в этом случае невозможны. Аммиак и амины образуют соли с карбоновыми кислотами, а карбоксилат-ион электрофилом не является. Тем не менее, при высокой температуре карбоксилаты аммония превращаются в амиды. Это объясняется тем, что соль диссоциирует при нагревании на кислоту и аммиак (амин), который как нуклеофил атакует карбоксильный атом углерода, но процесс этот требует жестких условий.

 

 

Можно сказать, что данная реакция идет благодаря термодинамическому фактору: возрастание энтальпии за счет образования стабильного амида и возрастание энтропии за счет образования газообразной в этих условиях воды.

Восстановление

 

Восстановление карбоксильной группы осуществляется действием натрия в спирте (реакция Буно-Блава) или алюмогидридом лития. В обоих случаях восстановление завершается образованием спиртовой молекулы.

 

 

Нужно иметь в виду, что восстановление кислот всегда протекает труднее, чем их производных, поэтому на практике превращение группы COOH в CH₂OH чаще всего проводят через стадию хлорангидрида или сложного эфира.

 

Окисление

 

Карбоновые кислоты вообще устойчивы к действию окислителей. Лишь муравьиная кислота, которую можно рассматривать как кислоту и альдегид одновременно, легко окисляется, и ее соли иногда используют в качестве восстановителей, например, для превращения нитрилов в альдегиды.

 

 

Другим исключением являются арилзамещенные алифатические кислоты, типа фенилуксусной, которые окисляются до бензойных с разрывом С-С связи.

 

 

Декарбоксилирование

 

Термическое декарбоксилирование кислот используется для получения алканов - происходит замена карбоксила на водород. В то же время, разложение солей карбоновых кислот в зависимости от условий проведения реакции приводит к образованию продуктов различного строения - могут быть получены как алканы, так и кетоны (из кальциевых солей). Наконец, электролитическое восстановление (реакция Кольбе), тоже сопровождающееся выделением CO₂, приводит к алканам димерного строения.