Ацетоуксусный эфир: строение, таутомерия; синтез карбоновых кислот и кетонов.

Алкилирование эфиров β-оксокарбоновых кислот. Как уже упоминалось, эфиры β-оксокарбоновых кислот обладают довольно сильными кислотными свойствами, например, рК_а ацетоуксусного эфира составляет 10,65. Анионы солей ацетоуксусного и других эфиров β-оксокислот стабилизированы за счет сопряжения, отрицательный заряд делокализуется в них при участии атомов кислорода двух карбонильных групп:

Ацетоуксусный эфир имеет 2 СН-кислотных центра => в молекулу могут быть вве­дены 2 алкильных радикала.

Анионы солей ацетоуксусного и других эфиров β-оксокислот вследствие делокализации отрицательного заряда в сопряженной системе представляют собой амбидентные нуклеофилы (два нуклеофильных центра: α-атом углерода и атом кислорода кетонной группы).

Кислотное расщепление. Ацетоуксусный эфир и его алкильные производные при действии концентрированных спиртовых растворов щелочи подвергаются так называемому кислотному расщеплению, приводящему к образованию сложных эфиров замещенных уксусных кислот. Гидролиз сложного эфира обычно осуществляют в кислой среде:

Декарбоксилирование.

Декарбоксилирование является этапом так называемого кетонного рас­щепления замещенных ацетоуксусных эфиров с целью получения метилкетонов. Процедура включает в себя щелочной гидролиз сложного эфира β-оксокислоты и декарбоксилирование образовавшейся оксокислоты после подкисления реакционной смеси:

Из приведенных примеров видно, что ацетоуксусный эфир является удоб­ным синтетическим предшественником алифатических карбоновых кислот и метилкетонов. При планировании синтеза какой-либо карбоновой кислоты или метилкетона исходят из того, что от молекулы ацетоуксусного эфира в ре­зультате кетонного расщепления в структуре соответствующего кетона оста­нется фрагмент ацетона, а в результате кислотного расщепления в молекуле образовавшейся карбоновой кислоты — остаток уксусной кислоты.

59. Функциональные производные угольной кислоты: фосген, эфиры карбаминовой кислоты; карбамид (мочевина) – гидролиз, взаимодействие с азотистой кислотой и гипобромитами, образование биурета, биуретовая реакция; основные свойства гуанидина.

Угольная кислота традиционно не относится к органическим соедине­ниям, но она сама и ее функциональные производные имеют определенное сходство с карбоновыми кислотами и их производными, поэтому и рассмат­риваются в настоящей главе. Двухосновная угольная кислота — неустойчивое соединение, легко распадается на диоксид углерода и воду. В водном растворе углекислого газа лишь 0,1% его существует в виде угольной кислоты. Угольная кислота об­разует два ряда функциональных производных — полные (средние) и непол­ные (кислые). Кислые эфиры, амиды и другие производные нестабильны и разлагаются с выделением диоксида углерода:

Хлорангидриды.

Полный хлорангидрид угольной кислоты — фосген СОС1₂ — низкокипящая жидкость с запахом прелого сена, очень ядовит, вызывает отек легких, образуется в качестве вредной примеси при фотохимическом окислении хлороформа в результате неправильного хранения последнего. В промышленности фосген получают радикальным хлорированием окси­да углерода(Н) в реакторе, заполненном активированным углем:

Фосген, подобно хлорангидридам карбоновых кислот, обладает высокой ацилирующей способностью, из него получают многие другие функциональ­ные производные угольной кислоты.

При взаимодействии фосгена со спиртами образуются сложные эфиры двух типов — полные (карбонаты) и неполные (хлороугольные эфиры, или хлороформиаты), последние одновременно являются и сложными эфирами, и хлорангидридами.

С гликолями и пирокатехином фосген образует циклические эфиры, ис­пользуемые в качестве защитных групп. Для ацилирования фенолов часто применяют метод Шоттена—Баумана, например:

Карбоновые кислоты под действием фосгена превращаются в соответствующие хлорангидриды:

Амиды.

Угольная кислота образует два ряда амидов — кислые (карбаминовая кис­лота и ее производные) и средние (мочевина и ее производные).

Карбаминовая кислота — неполный амид угольной кислоты — неустойчи­вое соединение, распадается с образованием аммиака и диоксида углерода:

Эфиры карбаминовой кислоты — карбаматы, или уретаны, — устойчивые соединения, получаемые в результате присоединения спиртов к изоцианатам или ацилированием аммиака и аминов соответствующим хлороформиатом:

N-Замещенные карбаматы широко используются в качестве пестицидов. Некоторые карбаматы нашли применение в медицине как лекарственные средства.

Широкое практическое применение имеют полиуретаны — высокомоле­кулярные соединения, образующиеся при взаимодействии полифункциональных изоцианатов с многоатомными спиртами. Получаемый при этом сшитый полимер применяют в основном в виде разнообразных пенопластов.

Мочевина (карбамид) — полный амид угольной кислоты — важнейший конечный про­дукт белкового обмена у млекопитающих; взрослый человек выделяет в сут­ки 25—30 г мочевины. Мочевина — крупнотоннажный продукт (мировое производство более 100 млн т/год), используется в основном как азотное удобрение, значительныеьколичества мочевины идут на получение мочевиноформальдегидных смол. В фармацевтической промышленности мочевину используют для получения барбитуратов.

Мочевина обладает слабыми основными свойствами, образует соли с сильными кислотами. Соли азотной и щавелевой кислот нерастворимы в воде.

Мочевина протонируется по атому кислорода, а не азота. Это, вероятно, связано с делокализацией неподеленных пар электронов атомов азота за счет р,π-сопряжения.

В кипящей воде мочевина гидролизуется с образованием аммиака и диок­сида углерода; кислоты и основания катализируют эту реакцию:

Первичными продуктами, образующимися при нагревании мочевины, яв­ляются аммиак и изоциановая кислота. Изоциановая кислота может тримеризоваться в циануровую кислоту или конденсироваться со второй молекулой мочевины с образованием биурета. В зависимости от скорости нагрева доми­нирует тот или иной путь разложения мочевины:

С гидроксидом меди(II) в щелочной среде биурет образует хелатный комплекс красно-фиолетового цвета (моделирует качественная реакция на белки).

При взаимодействии мочевины с азотистой кислотой образуются диоксид углерода, азот и вода. Реакция применяется для удаления избытка азотистой кислоты при проведении реакций диазотирования и нитрозирования:

Действие гипогалогенитов также приводит к разложению мочевины. В за­висимости от условий могут образовываться азот или гидразин; последний именно так получают в промышленности:

Гуанидин.

Гуанидин, или иминомочевину (H₂N)₂C=NH, в промышленности полу­чают сплавлением мочевины с нитратом аммония или при нагревании эфиров ортоугольной кислоты с аммиаком. Гуанидин — бесцветное кристаллическое вещество (т. пл. 50 °С), обладает сильными основными свойствами. Высокая основность на уровне гидроксидов щелочных металлов обусловлена полной делокализацией поло­жительного заряда в симметричном катионе гуанидиния:

Остатки гуанидина и бигуанидина содержатся в некоторых природных со­единениях и лекарственных веществах.

 

60. Сульфокислоты: номенклатура; кислотные свойства, образование солей; функциональные производные: эфиры, амиды, хлорангидриды. Реакции десульфирования и замещения сульфогруппы в ароматических сульфокислотах.

Сульфоновыми кислотами называются сероорганичсские соединении общей формулы RSО₃Н. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты) имеют сходство с карбоновыми кислотами, обладают кислотны­ми свойствами, образуют производные тех же типов, что и карбоновые кислоты.

Сульфоновые кислоты представляют собой крис­таллические вещества, часто гигроскопические, хорошо растворимые в воде. В органическом синтезе, например при получении красителей, введение сульфогруппы в структуру соединений используется для повышения их раствори­мости в воде.

Химические свойства. Сульфоновые кислоты обладают высокой кислот­ностью, они сравнимы с серной кислотой и даже превосходят ее (например, трифторометансульфоновая кислота CF₃SО₃H).

Атом серы в сульфокислотах и их производных имеет тетраэдрическую конфигурацию. В анионах сульфоновых кислот заряд делокализован при учас­тии трех атомов кислорода, т. е. более полно, чем в анионах карбоновых кис­лот. Ниже приведены геометрические параметры бензолсульфонат-иона и ре­зонансные структуры, демонстрирующие делокализацию заряда:

Как слабые, так и сильные основания образуют с сульфокислотами соли, называемые сульфонатами:

Сульфонаты бария и свинца в отличие от сульфатов хорошо растворимы в воде, это их свойство используется при очистке полученных в результате сульфирования ароматических сульфоновых кислот.

Под действием перегретого водяного пара сульфоновые кислоты подвергаются десульфированию:

Возможность удаления сульфогруппы используется в препаративной органической химии для защиты определенных положений бензольного кольца, что можно проиллюстрировать на примере синтеза 2,6-динитроанилина:

Сульфогруппа из ароматического кольца может быть удалена также при действии нуклеофилов, при этом степень окисления серы понижается. Кроме упоминавшегося ранее способа получения фенолов, с помощью ре­акций этого типа получают тиофенолы, амины и др.:

Сульфонилхлориды.

Сульфонилхлориды синтезируют из сульфоновых кислот или их со­лей теми же методами, что и хлорангидриды карбоновых кислот:

Кроме того, арилсульфонилхлориды могут быть получены прямым суль­фированием ароматического кольца хлорсульфоновой кислотой. В качестве побочных продуктов в этой реакции образуются диарилсульфоны:

Химические свойства. Из сульфонилхлоридов в результате нуклеофильно­го замещения у атома серы получают различные функциональные производ­ные сульфоновых кислот, наиболее значимы из которых сульфонаты (сложные эфиры) и сулъфонамиды (амиды).

Сульфонаты образуются в реакциях сульфонилхлоридов со спиртами. При получении сульфонатов в качестве акцептора хлороводорода и нуклеофильно­го катализатора используют пиридин:

Сульфонамиды образуются при взаимодействии сульфонилхлоридов с ам­миаком или аминами:

При восстановлении сульфонилхлоридов образуются тиолы или тиофенолы, например:

Эфиры сульфоновых кислот.

Эфиры сульфоновых кислот используют в органическом синтезе в качест­ве субстратов в реакциях нуклеофильного замещения. Как уже упоминалось, сульфоновые кислоты обладают высокой кислотностью, поэтому их анионы, будучи стабильными, являются хорошими уходящими группами в реакциях нуклеофильного замещения.

Алкильный радикал эфира должен быть первичным или вторичным, поскольку сульфонаты третичных спиртов труднодоступны и малоустойчивы (подвергаются элиминированию). Приве­денный ниже пример показывает, что из алкилсульфонатов можно получать соединения практически тех же классов, что и из алкилгалогенидов. Напри­мер, при взаимодействии этил-п-толуолсульфоната с феноксидом натрия об­разуется простой эфир фенола:

Сульфонамиды.

Существуют сульфонамиды трех типов: незамещенные, монозамещенные и дизамещенные, которые следует рассматривать как сульфонильные произ­водные соответственно аммиака, первичных и вторичных аминов:

Атом серы в молекулах сульфонамидов, как и в сульфоновых кислотах и их солях, имеет тетраэдрическую конфигурацию. Ниже приведены геометри­ческие параметры метансульфонамида:

Сульфонамиды представляют собой кристаллические вещества с довольно высокими и четкими температурами плавления, поэтому их получают в анали­тических целях для идентификации соответствующих сульфоновых кислот.

Сульфонамиды гидролизуются в жестких условиях в кислой или щелоч­ной среде с образованием аммиака или аминов и сульфоновой кислоты. В от­личие от сульфонатов, в которых при действии нуклеофилов расщепляется связь С—О, в сульфонамидах расщепляется связь S—N:

Незамещенные и монозамещенные сульфонамиды обладают NH-кислот­ными свойствами и образуют соли со щелочами:

На этой реакции основана проба Хинсберга, позволяющая разли­чать первичные, вторичные и третичные амины, а также разделять их смеси (качественная реакция). С этой целью смесь аминов обрабатывают тозилхлоридом в присутствии щелочи, при этом первичные и вторичные амины образуют соответственно моно- и дизамещенные сульфонамиды, третичные амины в эту реакцию не вступают.

Сульфонамид, образовавшийся из вторичного амина, нерастворим в щелочах и выпадает в осадок. Сульфонамид, полученный из первичного амина, остает­ся в щелочном растворе в виде соли и выпадает в осадок после подкисления раствора.

Еще одним практически значимым производным сульфоновых кислот яв­ляется сахарин, который представляет собой имид о-сульфобензойной кисло­ты. Сахарин в виде натриевой соли применяется в качестве подсластителя дие­тических пищевых продуктов; он в 500—600 раз слаще сахара и в неизменен­ном виде выводится с мочой из организма.

61. Сульфаниловая кислота: строение, биполярная структура; реакция диазотирования (вопр. 29); сульфаниламид (стрептоцид), общий принцип строения сульфаниламидных лекарственных препаратов.

Аминосульфоновые кислоты. Из этой группы аминокислот наибольшее практическое значение имеет п-аминобензолсульфоновая (сульфаниловая) кислота, представляющая собой внутреннюю соль (хотя записывается обычно в виде неионизированного соединения):

Она обладает одновременно и кислот­ными, и основными свойствами, т. е. является амфотерной:

Реакции с азотистой кислотой – сульфаниловая кислота реагирует амино-группой.

Амины разных типов с азотистой кислотой реагируют неодинаково. Неко­торые продукты этих реакций, например соли диазония, имеют широкое практическое применение.

Первичные ароматические амины. В результате реакции первичных аро­матических аминов с азотистой кислотой при низких температурах в присутст­вии сильных минеральных кислот образуются соли арилдиазония, а сама реак­ция называется реакцией диазотирования:

Сульфаниламиды. Амид сульфаниловой кислоты — сульфаниламид (R=Н), известный под названием стрептоцид, является родоначальником огромного семейства химиотерапевтических антибактери­альных средств.

За более чем полувековой период существования сульфаниламидных пре­паратов было синтезировано свыше 10 тыс. производных, отличающихся глав­ным образом природой заместителя R в сульфонамидной группе. Реже мо­дификации структуры затрагивали аминогруппу, связанную с бензольным кольцом. Несколько десятков сульфаниламидов применяются в медицине, и в большинстве из них заместитель R представлен различными гетероцикличе­скими структурами.

Сульфаниламиды плохо растворимы в воде, их растворимость повышается в щелочных средах благодаря наличию в молекуле NH-кислотного центра, обусловленного р,π-сопряжением в сульфанамидном фрагменте. Некоторые сульфаниламиды применяются в виде натриевых солей, например сульфа­цил-натрий.

Сульфаниламиды от­носятся к лекарственным средствам, механизм действия которых достаточно изучен на мо­лекулярном уровне. Полагают, что сульфаниламиды конкурируют с п-аминобензойной кислотой (благодаря подобию геометрических параметров их молекул) на стадии биосинте­за фолиевой кислоты и других веществ, необходимых для жизни и развития многих форм микроорганизмов. Иными словами, являются антиметаболитами ПАБК, и принцип их действия заключается в блокировании биохимических процессов связывания ПАБК, в результате чего нарушается рост и размножение микроорганизмов. Таким обра­зом, сульфаниламиды действуют только на те виды микробов, которые самостоятельно производят фолиевую кислоту, и не действуют на микроорганизмы, утилизирующие кисло­ту в готовом виде.