Фталевая кислота, фталевый ангидрид, фталимид; синтез фенолфталеина, его индикаторные свойства.

Фталевая кислота ( бензол-1,2-дикарбоновая ) — С₆Н₄(СООН)₂ —получается гидролизом фталевого ангидрида, который в свою очередь образуется при каталитическом окис­лении о-ксилола или нафталина кислородом воздуха.

Кислота → Ангидрид→

Фталевая кислота при нагревании легко отщепляет воду и превращается во фталевый ангидрид. Именно фталевый ангидрид, а не сама кислота, служит источником для получения различных производных фталевой кислоты. Более половины производимого в мире фталевого ангид­рида расходуется на получение средних (полных) эфиров фталевой кислоты — диметил-, диэтил- и диоктилфталатов. Эти эфиры добавляют в качестве плас­тификаторов к поливинилхлориду для придания эластичности изделиям из него. Диметилфталат используется как средство, отпугивающее комаров.

Частным случаем ацилирования по Фриделю-Крафтсу является конден­сация фенола с фталевым ангидридом. Реакция протекает при нагревании с кислотным катализатором (концентрированная серная кислота или хлорид цинка) и приводит к образованию фенолфталеина:

Фенолфталеин применяется в химии как кислотно-основный индикатор, в медицине — как слабительное средство (пурген).

Использование фенолфталеина в качестве индикатора основано на его взаимодейст­вии с разбавленными растворами щелочей (pH >8,5) с образованием окрашенного диани­она хиноидной структуры (III), процесс возникновения которого можно представить сле­дующим образом:

Под действием щелочи в бесцветном фенолфталеине происходит размыкание (гидро­лиз) γ-лактонного кольца, и возникший бесцветный спирт (I) самопроизвольно отщепляет молекулу воды с образованием мононатриевой соли (II) желтого цвета. Дальнейшее взаи­модействие со щелочью приводит к образованию динатриевой соли (III) и к углублению ок­раски до малиновой, что обусловлено удлинением цепи сопряжения (хиноидный фрагмент выделен цветом).

В сильнощелочной среде (pH >10) наблюдается обесцвечивание раствора в результате перехода динатриевой соли (III) в тринатриевую соль (IV), в которой кольца не сопряжены между собой.

Из дикарбоновых кислот или их ангидридов получают циклические ими­ды. Легче образуются имиды с пятичленным циклом:

Для синтеза о-аминобензойной (антраниловой) кислоты удобнее исполь­зовать фталевый ангидрид, из которого щелочным гидролизом в присутствии аммиака получают сначала фталаминовую кислоту. Расщепление последней по Гофману приводит к образованию антраниловой кислоты. Аналогичным расщеплением фталимида антраниловая кислота получается с выходом 84%:

51. Гидроксикислоты алифатического ряда: номенклатура, химические свойства как гетерофункциональных соединений; специфические реакции a –, β –, g – гидроксикислот; лактоны, лактиды, отношение к гидролизу; представители – молочная, винная, яблочная, лимонная.

Вещества природного происхождения часто представляют собой гетерофункционалъные соединения, в молекулах которых имеются различные функциональные группы. В роли таких групп ча­ще выступают гидроксильная, карбонильная, карбоксильная, а также амино­группа. Гетерофункциональные соединения, на­ряду с полифункциональными, играют важную роль в биологических процес­сах и часто представляют собой действующее начало лекарственных средств.

Различные комбинации только двух функциональных групп приводят к гетерофункциональным классам. Разумеется, возможны и другие сочетания функциональных групп.

В первом приближении химические свойства гетерофункциональных со­единений представляют собой сумму свойств, обусловленных каждой группой в отдельности. Однако во многих случаях наличие различных функциональных групп приводит к усилению или ослаблению свойств, прису­щих монофункциональным соединениям, и, что более важно, вызывает появ­ление специфических химических свойств, присущих только гетерофункциональным соединениям.

Гидроксикислотам и называются соединения, в молекулах которых содержатся гидроксильная и карбоксильная группы. Эти функциональные группы могут быть присоединены к алифатической цепи (алифатические гидроксикислоты) или к ароматическому кольцу, в последнем случае используют иногда родовое название фенолокислоты.

По взаимному расположению функциональных групп различают α-, β-, γ-, δ-гидроксикислоты и т. д. Буквы греческого алфавита указывают положе­ние гидроксильной группы относительно карбоксильной, причем отсчет ве­дется от ближайшего к карбоксильной группе атома углерода, т. е. от атома С-2. Следует обратить внимание на то, что в заместительной номенклатуре ИЮПАК для замещенных карбоновых кислот локанты α-, β-, γ- и т. д. не употребляются.

Систематические названия гидроксикислот строятся по общим принци­пам заместительной номенклатуры. Однако для ряда широко распро­страненных представителей предпочтительными являются тривиальные на­звания (в скобках):

Химические свойства.

Специфические свойства гидроксикислот обусловлены принадлежностью этих соединений одновременно к спиртам и карбоновым кислотам и во мно­гом зависят от взаимного расположения функциональных групп.

Образование лактонов.

Лактонами называются внутренние сложные эфиры гидроксикислот, т. е. соединения, в которых сложноэфирная группировка —С(О)О— включена в циклическую структуру.

При нагревании в кислой среде, а иногда просто при стоянии в растворе, γ- и δ-гидроксикислоты подвергаются внутримолекулярной этерификации с об­разованием пяти- и шестичленных лактонов, например:

Легкость лактонизации γ- и δ-гидроксикислот объясняется повышенной термодинамической устойчивостью пяти- и шестичленных циклических соеди­нений. Циклы меньшего или большего размера в этих условиях не образуются.

По номенклатуре ИЮПАК лактоны, образованные из алифатических кис­лот, называют, добавляя суффикс -олид к названию углеводорода с тем же чис­лом атомов углерода. Цифрой указывают место замыкания цикла, начиная ну­мерацию от карбонильного атома углерода. Так, приведенный выше γ-бутиролактон имеет систематическое название 4-бутанолид. Допускаются (и даже чаще используются) общепринятые названия, про­исходящие от тривиальных названий соответствующих негидроксилированных кислот. В этом случае место замыкания цикла обозначается греческими буквами. Оба типа номенклатуры показаны в приведенных ниже примерах:

Хотя гидроксикислоты с более удаленной гидроксильной группой не об­разуют лактонов в рассмотренных выше условиях, при применении специаль­ных мер их лактонизация становится возможной. Такие условия заключаются в удалении воды из сферы реакции для смещения равновесия вправо и в ис­пользовании очень низких концентраций субстрата для предотвращения протекания межмолекулярной этерификации. Этим путем был синтезирован макроциклический лактон растительного происхождения тибетолид.

Лактонам присущи многие свойства сложных эфиров. Так, при нагрева­нии со щелочами или кислотами, а иногда и просто в водном растворе, они гидролизуются в соответствующие гидроксикислоты. Аналогично сложным эфирам щелочной гидролиз лактонов необратим, тогда как в кислой среде ɛ- и особенно γ-гидроксикислоты находятся в равно­весии с лактонами. Наибольшую устойчивость к гидролизу проявляют γ-лактоны.

Образование лактидов.

Лактидами называются циклические эфиры, построенные из двух и более остатков гидроксикислот (необязательно α-гидроксикислот). α-Гидроксикислоты не способны образовывать лактоны (трехчленные α-лактоны вообще не известны). Тем не менее при нагревании этих кислот в результате межмолекулярной этерификации образуется димерный продукт, легко превращающийся в более устойчивый шестичленный циклический диэфир — лактид:

Название лактидов включает корень тривиального латинского названия гидроксикислоты, суффикс -ид и умножающий префикс ди-, три- и т. д., ука­зывающий число молекул, образующих лактид. Например, дигликолид — от гликолевой кислоты, дилактид, дисалицид и трисалицид — от салициловой кислоты (однако префикс ди- час­то опускается):

По химическим свойствам лактиды подобны сложным эфирам. При кипя­чении с водой или щелочами они легко гидролизуются в гидроксикислоты. Гликолид и лактид при 150-220 °С в присутствии катализаторов превращают­ся в линейные полиэфиры — полигликолид и полилактид соответственно:

Оба полимера как сложные эфиры гидро­лизуются в щелочной и кислой средах и медленно — в водной среде. Послед­нее свойство позволяет использовать эти полимеры в медицине как рассасы­вающиеся материалы (хирургические нити, лекарственные капсулы, носители лекарств и др.).

Реакции элиминирования.

При нагревании или под действием минеральных кислот β-гидроксикислоты легко подвергаются дегидратации с образованием α,β-ненасыщенных кислот:

Внутри- или межмолекулярная этерификация в этом случае невозможна, так как привела бы к образованию неустойчивого четырех- или восьмичлен­ного цикла (лактона и лактида соответственно).

Направленность реакции определяется большей подвижностью атома во­дорода в α-положении по сравнению с γ-положением, хотя в некоторых случа­ях изомерные β,γ-ненасыщенные кислоты также образуются.

Образование β-лактонов из β-гидроксикислот возможно только под дей­ствием сильных дегидратирующих агентов, таких, как карбодиимиды:

В щелочной среде β-гидроксикислоты претерпевают ретроальдольное рас­щепление, характерное для альдолей, что приводит к образованию альдегида (или кетона) и карбоновой кислоты:

Своеобразному элиминированию — отщеплению муравьиной кислоты — подвергаются α-гидроксикислоты при кипячении с разбавленными минераль­ными кислотами:

Нагревание α-гидроксикислот с концентрированной серной кислотой также приводит к образованию карбонильных соединений с одновременным элиминированием монооксида углерода и воды — продуктов разложения му­равьиной кислоты.

Представители.

Молочная кислота — СН₃СН(ОН)СООН — была впервые обнаружена в прокисшем молоке, отсюда и получила название. Многие квашеные продукты также содержат молочную кислоту, образующуюся в результате молочнокислого брожения са­харистых веществ.

Благодаря наличию в молекуле асимметрического атома углерода молоч­ная кислота может существовать в виде двух оптически активных энантиомеров — D- и L-форм — и оптически неактивной рацемической формы. Последняя представляет собой молочную кислоту броже­ния. L(+)-Молочная кислота, образуется в мышеч­ной ткани как продукт расщепления и дальнейшего превращения полисахари­да гликогена. D(-)-Молочная кислота может быть получена под действием микроорганизмов, например, Lactobacillus leishmanii или Escherichia coli. Соли и сложные эфиры молочной кислоты называются лактатами.

Яблочная кислота — НООС-СН₂СН(ОН)-СООН — представитель гидроксидикарбоновых кислот. Яблочная кислота, как и молочная, существует в виде двух энантиомеров и рацемата. Следует обратить внимание на то, что рацемат яблочной кислоты плавится при более высокой температуре, чем сами L- и D-формы, т. е. он представляет собой индивидуаль­ное вещество, а не механическую смесь энантиомеров. L(-)-Яблочная кисло­та, содержится в незрелых яблоках, плодах рябины и барбариса. Примечательно, что удельное вращение яблочной кислоты в водных растворах сильно зависит от концентрации. Так, L-энантиомер в растворах с массовой долей ниже 34% левовращающий, а выше — правовращающим.

Синтетическую (±)-яблочную кислоту получают либо гидролизом бромо- или хлороянтарной кислоты, либо гидратацией малеиновой или фумаровой кислоты, например. Аналогичная реакция протекает и в организме. При этом фумаровая кис­лота гидратируется с образованием L-яблочной кислоты.

На примере стереоизомеров яблочной кислоты показали возможность взаимопревращений энантиомеров:

Лимонная кислота — НООС-СН₂С(ОН)(СООН)СН_2-СООН — наиболее распространенная гидрокситрикарбоновая кислота. Она содержится в плодах цитрусовых, некоторых ягодах и фруктах, а также в листьях махорки, из которых ее получают в про­мышленном масштабе. Главный промышленный способ получения лимонной кислоты заключается в сбраживании сахаристых веществ под действием гри­бов.

Будучи одновременно α- и β-гидроксикислотой, лимонная кислота при нагревании подвергается как дегидратации с образованием акони­товой кислоты, так и элиминированию муравьиной кислоты, приводящему к 3-оксоглутаровой (ацетондикарбоновой) кислоте:

Дегидратация лимонной кислоты происходит и в организме, что является одной из стадий цикла Кребса. Нагревание с серной кислотой приводит к расщеплению лимонной кис­лоты на ацетондикарбоновую и муравьиную кислоты, которые распадаются далее с выделением соответственно диоксида и монооксида углерода:

Лимонная кислота и ее соли (цитраты) широко используются в пищевой промышленности и фармации.

Винные кислоты — НООС-СН(ОН)СН(ОН)-СООН — простейшие и важней­шие представители дигидроксидикарбоновых кислот. Их молекулы содержат два центра хиральности. D-Винная (виннокаменная) кислота была первым оптически активным веществом, для которого была установлена абсолютная конфигура­ция. Кроме того, среди химиков долгое время не было единого мнения по отнесению энантиомеров винных кислот к D- или L-ряду. Чаще все же от­несение делается на основании конфигурации верхнего в проекции Фишера центра хиральности. С использованием R,S-стереохимической номенклатуры все разночтения снимаются.

Все винные кислоты — кристаллические, растворимые в воде вещества с приятным кислым вкусом.

Обращает на себя внимание большая разница в растворимости рацемической (рац-) винной кислоты, называемой виноградной кислотой, и любого из энантиомеров винной кислоты. Более высокая температура плавления рацемата говорит о том, что в кристаллическом виде он не является механической смесью D- и L-энантиомеров, а представляет собой индивидуальное вещество. Соли и эфиры винной кислоты называются тартратами, а кислые соли и эфиры — гидротартратами.

D-Винная кислота содержится во многих растениях, но особенно много ее в виноградном соке. В процессе приготовления вина накапливается и выпадает в осадок так называемый «винный камень», представляющий собой кислую соль — гидротартрат калия. Эта соль является одной из немногих калиевых солей, плохо растворимых в воде. На низкой растворимости гидротартрата калия основано применение кислоты в аналитике для определения ионов калия.

Двойная соль — тартрат калия-натрия, известная под названием сегнетова соль (или правильнее — сеньетова), подобно вицинальным диолам, способна образовывать с гидроксидом меди(II) растворимое в воде комплексное соединение ярко-синего цвета. Оно используется для качественного и количественного определения альдегидов (качественная реакция) и моносахаридов под названием реактива Фелинга.

L-Винную кислоту получают расщеплением виноградной кислоты на энантиомеры. В очень небольшом количестве она также содержится в виноградных винах.

Мезовинная кислота, не найденная в природе, может быть получена окислением малеиновой кислоты с помощью перманганата калия или тетраоксида осмия ОsО₄ с образованием продукта цис-гидроксилирования:

Все винные кислоты при длительном нагревании в кислой, нейтральной и особенно легко в щелочной средах подвергаются частичному или полному об­ращению конфигурации центров хиральности. Так, из любой оптически ак­тивной винной кислоты при обращении конфигурации только одного центра образуется мезовинная кислота, а при обращении обоих центров происходит полная рацемизация до установления равновесия между тремя формами.

 

Фенолокислоты: номенклатура, химические свойства как гетерофункциональных соединений; представители фенолокислот и их эфиров-салициловая, n–аминосалициловая, кумаровая, галловая, метилсалицилат, фенилсалицилат, ацетилсалициловая кислота.

Гидроксикислотам и называются соединения, в молекулах которых содержатся гидроксильная и карбоксильная группы. Эти группы присоединены к ароматическому кольцу, используют родовое название фенолокислоты.

По взаимному расположению функциональных групп различают α-, β-, γ-, δ-гидроксикислоты и т. д. Буквы греческого алфавита указывают положе­ние гидроксильной группы относительно карбоксильной, причем отсчет ве­дется от ближайшего к карбоксильной группе атома углерода, т. е. от атома С-2. Следует обратить внимание на то, что в заместительной номенклатуре ИЮПАК для замещенных карбоновых кислот локанты α-, β-, γ- и т. д. не употребляются.

Систематические названия гидроксикислот строятся по общим принци­пам заместительной номенклатуры. Однако для ряда широко распро­страненных представителей предпочтительными являются тривиальные на­звания (в скобках):

Химические свойства.

Специфические свойства гидроксикислот обусловлены принадлежностью этих соединений одновременно к спиртам и карбоновым кислотам и во мно­гом зависят от взаимного расположения функциональных групп.

Образование лактидов.

Лактидами называются циклические эфиры, построенные из двух и более остатков гидроксикислот (необязательно α-гидроксикислот). α-Гидроксикислоты не способны образовывать лактоны (трехчленные α-лактоны вообще не известны). Тем не менее при нагревании этих кислот в результате межмолекулярной этерификации образуется димерный продукт, легко превращающийся в более устойчивый шестичленный циклический диэфир — лактид: