Сложные эфиры: номенклатура, кислотный и щелочной гидролиз, аммонолиз; идентификация.

Сложными эфирами называются функциональные производные карбоно­вых кислот обшей формулы RC(О)ОR'.

Сложные эфиры карбоновых кислот (а также сульфоновых кислот) называют аналогично солям, только вместо названия катиона употребляют название со­ответствующего алкила или арила, которое помещается перед названием ани­она и пишется с ним слитно. Наличие сложноэфирной группы —COOR также можно отразить описательным способом, например, «R-овый эфир (такой-то) кислоты» (такой способ менее предпочтителен ввиду его громоздкости):

Сложные эфиры низших спиртов и карбоновых кислот представляют со­бой летучие жидкости, с приятным запахом, плохо растворимые в воде и хорошо — в большинстве органических растворителей. Запахи сложных эфиров напоминают запахи разных фруктов, благодаря чему в пищевой промыш­ленности из них готовят эссенции, имитирующие фруктовые запахи. Повы­шенную летучесть сложных эфиров используют в аналитических целях.

Гидролиз. Важнейшей из реакций ацилирования является гидролиз слож­ных эфиров с образованием спирта и карбоновой кислоты:

Реакция осуществляется как в кислой, так и в щелочной среде. Кислотно-катализируемый гидролиз сложных эфиров — реакция, обратная этерифика­ции, протекает по тому же самому механизму А_АС2:

Нуклеофилом в этой реакции является вода. Смещение равновесия в сторо­ну образования спирта и кислоты обеспечивается добавлением избытка воды.

Щелочной гидролиз необратим, в процессе реакции на моль эфира расхо­дуется моль щелочи, т. е. щелочь в этой реакции выступает в качестве расхо­дуемого реагента, а не катализатора:

Гидролиз сложных эфиров в щелочной среде протекает по бимолекуляр­ному ацильному механизму В _АС2 через стадию образования тетраэдрического интермедиата (I). Необратимость щелочного гидролиза обеспечивается прак­тически необратимым кислотно-основным взаимодействием карбоновой кис­лоты (II) и алкоксид-иона (III). Образовавшийся анион карбоновой кислоты (IV) сам является довольно сильным нуклеофилом и потому не подвергается нуклеофильной атаке.

Аммонолиз сложных эфиров. Амиды получают с помощью аммонолиза сложных эфиров. Например, при действии водного аммиака на диэтилфумарат образуется полный амид фумаровой кислоты:

При аммонолизе сложных эфиров аминами с низкой нуклеофильностью последние предварительно превращают в амиды щелочных или щелочно-зе­мельных металлов:

Амиды карбоновых кислот: номенклатура; строение амидной группы; кислотно–основные свойства; кислотный и щелочной гидролиз; расщепление гипобромитами и азотистой кислотой; дегидратация в нитрилы; химическая идентификация.

Амидами называются функциональные производные карбоновых кислот обшей формулы R—С(О)—NH_2-nR'_n, где п = 0-2. В незамещенных амидах ацильный остаток соединен с незамещенной аминогруппой, в N-замещенных амидах один из атомов водорода замещен одним алкильным или арильным радикалом, в N,N-замещенных — двумя.

Соединения, содержащие одну, две или три ацильные группы, присоеди­ненные к атому азота, носят родовое название амиды (соответственно первич­ные, вторичные и третичные). Названия первичных амидов с незамещенной группой — NH₂ производят от названий соответствующих ацильных радикалов заменой суффикса -оил (или -ил) на -амид. Амиды, образованные от кислот с суффиксом -карбоновая кислота, получают суффикс -карбоксамид. Амиды сульфоновых кислот также называют по соответствующим кислотам, исполь­зуя суффикс -сулъфонамид.

Названия радикалов RCO—NH— (как и RSО₂—NH—) образуют от назва­ний амидов, изменяя суффикс -амид на -амидо-. Они применяются в том слу­чае, если в остальной части молекулы имеется более старшая группа или заме­щение происходит в более сложной структуре, чем радикал R:

В названиях N-замещенных первичных амидов RCO—NHR' и RCO—NR'R" (а также подобных сульфонамидов) названия радикалов R' и R" указывают перед названием амида с символом N-:

Амиды такого типа часто называют вторичными и третичными амидами, что ИЮПАК не рекомендуется.

N-Фенилзамещенные амиды получают в названиях суффикс -анилид. По­ложение заместителей в остатке анилина указывается цифрами со штрихами:

Сохранились, кроме того, полусистематические названия, в которых суффикс -амид соединен с основой латинского названия карбоновой кислоты (формамид, ацетамид), а также некоторые тривиальные названия, такие, как «анилиды» (ацилированные анилины) или «толуидиды» (ацилированные толуидины).

Амиды представляют собой кристаллические вещества с относительно вы­сокими и четкими температурами плавления, что позволяет использовать не­которые из них в качестве производных для идентификации карбоновых кис­лот. В редких случаях являются жидкостями, например, амиды му­равьиной кислоты — формамид и N,N-диметилформамид — известные диполярные апротонные растворители. Низшие амиды хорошо растворимы в воде.

Амиды являются одними из самых устойчивых к гидролизу функциональ­ных производных карбоновых кислот, благодаря чему широко распростране­ны в природе. Многие амиды применяются в качестве лекарственных средств. Уже около века используются в медицинской практике парацетамол и фенаце­тин, являющиеся замещенными амидами уксусной кислоты.

Строение амидов. Электронное строение амидной группы в значительной степени сходно со строением карбоксильной группы. Амидная группа являет­ся p,π-сопряженной системой, в которой неподеленная пара электронов атома азота сопряжена с электронами π-связи С=O. Делокализация электронной плотности в амидной группе может быть представлена двумя резонансными структурами:

За счет сопряжения связь С—N в амидах имеет частичнодвоесвязанный характер, длина ее существенно меньше длины одинарной связи в аминах, тогда как связь С=O несколько длиннее, чем связь С=O в альдегидах и кетонах. Амидная группа из-за сопряжения имеет плоскую конфигурацию. Ниже приведены геометрические параметры молекулы N-замещенного амида, уста­новленные с помощью рентгеноструктурного анализа:

Важным следствием частично двоесвязанного характера связи С—N явля­ется довольно высокий энергетический барьер вращения вокруг этой связи, например, для диметилформамида он составляет 88 кДж/моль. По этой при­чине амиды, имеющие у атома азота разные заместители, могут существовать в виде π-диастереомеров. N-Замещенные амиды существуют преимущественно в виде Z-изомеров:

В случае N,N-дизамещенных амидов соотношение Е- и Z-изомеров зави­сит от объема радикалов, соединенных с атомом азота. Стереоизомеры амидов конфигурационно неустойчивы, их существование доказано в основном фи­зико-химическими методами, в индивидуальном виде они выделялись лишь в отдельных случаях. Это связано с тем, что барьер вращения для амидов все-та­ки не такой высокий, как у алкенов, у которых он составляет 165 кДж/моль.

Кислотно-основные свойства. Амиды обладают слабыми как кислотны­ми, так и основными свойствами. Основность амидов лежит в пределах значе­ний Рk_BH+ от -0,3 до -3,5. Причиной пониженной основности аминогруппы в амидах является сопряжение неподеленной пары электронов атома азота с карбонильной группой. При взаимодействии с сильными кислотами амиды протонируются по атому кислорода как в разбавленных, так и в концентриро­ванных растворах кислот. Такого рода взаимодействие лежит в основе кислот­ного катализа в реакциях гидролиза амидов:

Незамещенные и N-замещенные амиды проявляют слабые NH-кислот­ные свойства, сравнимые с кислотностью спиртов и отщепляют протон только в реакциях с сильными основаниями.

Кислотно-основное взаимодействие лежит в основе образования амидами межмолекулярных ассоциатов, существованием которых объясняются высо­кие температуры плавления и кипения амидов. Возможно существование двух типов ассоциатов: линейных полимеров и циклических димеров. Преоблада­ние того или иного типа определяется строением амида. Например, N-метилацетамид, для которого предпочтительна Z-конфигурация, образует линейный ассоциат, а лактамы, имеющие жестко зафиксированную E-кон­фигурацию, образуют димеры:

N, N-Дизамещенные амиды образуют димеры за счет диполь-дипольного взаимодействия 2х полярных молекул:

Реакции ацилирования. Вследствие наличия в сопряженной системе ами­дов сильной электронодонорной аминогруппы электрофильность карбониль­ного атома углерода, а следовательно, и реакционная способность амидов в реакциях ацилирования очень низкая. Низкая ацилирующая способность амидов объясняется также и тем, что амид-ион NH₂^- — плохая уходящая груп­па. Из реакций ацилирования значение имеет гидролиз амидов, который можно проводить в кислой и щелочной средах. Амиды гид­ролизуются намного труднее, чем другие функциональные производные кар­боновых кислот. Гидролиз амидов проводится в более жестких условиях по сравнению с гидролизом сложных эфиров.

Кислотный гидролиз амидов — необратимая реакция, приводящая к обра­зованию карбоновой кислоты и аммониевой соли:

В большинстве случаев кислотный гидролиз амидов протекает по меха­низму бимолекулярного кислотного ацилирования А_АС2, т. е. похож на механизм кислотного гидролиза сложных эфиров. Необратимость реакции обусловлена тем, что аммиак или амин в кислой среде превращаются в ион аммония, не обладающий нуклеофильными свойствами:

Щелочной гидролиз тоже необратимая реакция; в результате ее образуют­ся соль карбоновой кислоты и аммиак или амин:

Щелочной гидролиз амидов, как и гидролиз сложных эфиров, протекает по тетраэдрическому механизму В _АС2. Реакция начинается с присо­единения гидроксид-иона (нуклеофила) к электрофильному атому углерода амидной группы. Образовавшийся анион (I) протонируется по атому азота, и далее в биполярном ионе (II) формируется хорошая уходящая группа — моле­кула аммиака или амина. Полагают, что медленная стадия - распад тетраэдрического интермедиата (II).

Для анилидов и других амидов с электроноакцепторными заместителями у атома азота распад тетраэдрического интермедиата (I) может проходить через образование дианиона (II):

Расщепление азотистой кислотой. При взаимодействии с азотистой кис­лотой и другими нитрозирующими агентами амиды превращаются в соответ­ствующие карбоновые кислоты с выходами до 90%:

Дегидратация. Незамещенные амиды под действием оксида фосфора(V) и некоторых других реагентов (РОС1₃, РС1₅, SOCl₂) превращаются в нитрилы:

47. Карбоновые кислоты: галогенирование по Геллю-Фольгарду-Зелинскому, использование реакции для синтеза a -гидрокси и a -аминокислот.

Галогенирование алифатических карбоновых кислот.

Алифатические карбоновые кислоты галогенируются в α-положение хло­ром или бромом в присутствии каталитических количеств красного фосфора или галогенидов фосфора (реакция Гелля-Фольгарда-Зелин­ского). Например, при бромировании гексановой кислоты в присутствии красного фосфора или хлорида фосфора(III) с высоким выходом образуется 2-бромогексановая кислота, например:

Бромированию подвергается не сама карбоновая кислота, а образующий­ся из нее in situ хлорангидрид. Хлорангидрид обладает более сильными, чем карбоновая кислота, СН-кислотными свойствами и легче образует енольную форму.

Енол (I) присоединяет бром с образованием галогенопроиз­водного (II), которое в дальнейшем отщепляет галогеноводород и превращает­ся в α-галогенозамещенный галогенангидрид (III). На последнем этапе проис­ходит регенерирование галогенангидрида незамещенной карбоновой кислоты.

Из образующихся α-галогенозамещенных кислот с помощью реакций нук­леофильного замещения синтезируют другие гетерофункциональные кислоты.