Декарбоксилирование карбоновых кислот.

В зависимости от условий разрушение карбоксильнойгруппы может вести к образованию из карбоновых кислот различных соединений.

Нагревание в подобных условиях некоторых дикарбоновых кислот ведет к образованию циклических кетонов:

Особенно легко (даже при простом нагревании) подвергаются декарбоксилированию щавелевая и малоновая кислоты, что обусловлено взаимной дестабилизацией двух близко расположенных карбоксильных групп:

Функциональные производные карбоновых кислот. Сравнительная активность в реакциях нуклеофильного замещения. Ацилирующая способность функциональных производных карбоновых кислот. Химическая идентификация функциональных производных.

Функциональными производными называют производные карбоновых кислот, у которых ОН-группа замещена нуклеофильной частицей Z. Нуклеофильное замещение в карбок­сильной группе приводит к образованию функциональных производных кар­боновых кислот общей формулы R— C(О)Z. Химическая природа фрагмента Z варьирует в широком диапазоне, что обусловливает разнообразие функци­ональных производных.

Функциональные производные, подобно карбоновым кислотам, способ­ны вступать в реакции ацилирования, и поэтому их можно рассматривать как ацильные производные различных нуклеофилов. Реакции ацилирования приво­дят к образованию других функциональных производных карбоновых кислот.

Реакции ацилирования с участием функциональных производных карбо­новых кислот представляют собой реакции нуклеофильного замещения у sp²-гибридизованного атома углерода:

Реакционная способность функциональных производных в реакциях аци­лирования (ацилирующая способность) зависит от природы частицы Z и коррелируется со стабильностью уходящего аниона Z^-: чем стабильнее анион, тем выше реакционная способность ацильного производного.

Наибольшей ацилирующей активностью обладают галогенангидриды и ангидриды, так как их ацильные остатки соединены с хорошими уходящими группами — галогенид-ионами и анионами карбоновых кислот. Сложные эфиры и амиды проявляют более низкую ацилирующую способность, потому что соответственно алкоксид- и амид-ионы не относятся к стабильным анио­нам и не являются хорошими уходящими группами. Такой подход к оценке ацилирующей способности показан ниже на примере сопоставления наиболее важных функциональных производных карбоновых кислот:

Место других ацильных производных в этом ряду можно прогнозировать, сравнивая относительную стабильность уходящих групп. При этом положение в ряду функциональных производных не следует рассматривать как раз и на­всегда заданное. Например, известно, что сложные эфиры менее реакцион­носпособны, чем карбоновые кислоты, но имеются случаи, когда уходящая группа R'O^- более стабильна, чем гидроксид-ион.

Так, сложные эфиры п-нит­рофенола продуцируют хорошую уходящую группу -n-нитрофенолят-ион, а потому являются более сильными ацилирующими агентами, чем карбоновые кислоты (это обстоятельство используется в пептидном синтезе).

Реакции ацилирования протекают в основном по тетраэдрическому меха­низму, который включает две стадии. Первая, медленная стадия состоит в при­соединении нуклеофила по двойной связи С=О и образовании тетраэдриче­ского интермедиата. На стадии происходит отщепление уходящей группы.

Реакции ацилирования катализируются как кислотами, так и основания­ми. Катализируемая кислотами бимолекулярная реакцияА_АС2 включает до­полнительно стадию присоединения протона (катализатора) и стадию регене­рации катализатора. По этому механизму протекают уже упоминавшиеся ре­акции этерификации и кислотного гидролиза сложных эфиров. Тетраэдрический механизм реализуется также в условиях основного катализа и сокращенно обозначается В_АС2, т. е. катализируемая основанием ацильная бимолекулярная реакция.

 56.Сложные эфиры. Номенклатура. Кислотный и щелочной гидролиз, аммонолиз, переэтерификация, сложнноэфирная конденсация. Идентификация.

Сложными эфирами называют продукты ацилирования спиртов и фенолов, имеющие общую формулу:

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.

Ацилирующая способность сложных эфиров низка вследствие нестабильности алкоксид-аниона, выступающего в этом случае в качестве уходящей группы. Тем не менее сложные эфиры могут вступать в некоторые реакции:

 

1. Реакция гидролиза сложных эфиров.

В присутствии щелочей гидролиз протекает необратимо:

Расщепление сложных эфиров возможно под действием аммиака (аммонолиз). Реакция также необратима и ведет к образованию амидов карбоновых кислот и спиртов:

 

2. Реакция переэстерификации. Протекает при добавлении к сложному эфиру избытка другого спирта:

3. Реакция сложноэфирной конденсации.

Амиды карбоновых кислот. Номенклатура, строение амидной группы. Кислотно-основные свойства амидов. Кислотный и щелочной гидролиз амидов. Расщепление амидов галогенами в щелочной среде и азотистой кислотой. Дегидратация в нитрилы, гидролиз нитрилов, восстановление. Имиды, фталимид. NН-кислотные свойства имидов, алкилирование. Гидразиды карбоновых кислот.

Амиды карбоновых кислот — это продукты ацилирования аммиака и аминов.

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 парацетамоли 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:

 

Для амидов наиболее значимыми являются следующие

реакции.

 

 

1. Реакция гидролиза амидов (протекает необратимо в присутствии кислот или щелочей).

2. Расщепление амидов азотистой кислотой.

3. Реакция галогенирования амидов.

Галогенированные амиды широко применяются в качестве галогенирующих агентов и окислителей в органическом синтезе.

4. Расщепление амидов галогенами (расщепление по Гофману).

5. Реакция дегидратации амидов.

Нитрилы карбоновых кислот могут быть гидролизованы водой (трудно) с образованием карбоновых кислот и восстанавлены до соответствующих первичных аминов.

6. Реакция восстановления амидов карбоновых кислот.

7. Реакция ацилирования амидов (образование имидов карбоновых кислот).

Ацилирование незамещенных и N -монозамещенных амидов карбоновых кислот возможно только галогенангидридами или ангидридами карбоновых кислот вследствие низкой нуклеофильности амидного атома азота.

Имиды карбоновых кислот проявляют выраженные NH-кислотные свойства (сравнимые с фенолами) и с основаниями могут образовывать соли:

Соли имидов карбоновых кислот являются хорошими нуклеофилами и легко алкилируются галогенопроизводными углеводородов с образованием N -алкилимидов

 

В результате последующего гидролиза или гидразинолиза N -алкилфталимида образуются первичные амины (синтез Габриэля).

Вторым продуктом гидразинолиза является гидразиl фталевой кислоты. Гидразиды карбоновых кислот могут быть получены также непосредственным ацилированием гидразина (H2N–NH2). Гидразид изоникотиновой кислоты (тубазид, изониазид) применяется в комплексной терапии туберкулеза.

58.Карбоновые кислоты. Реакции с участием углеводородного радикала: галогенирование по Геллю- Фольгарду-Зелинскому.

Реакция Гелля — Фольгарда — Зелинского.

Легкость протекания данной реакции обусловлена повышенной подвижностью атома водорода в α-положении из-за электроноакцепторного действия карбоксильной группы, что делает легким его замещение нуклеофильными реагентами (Cl2, Br2). Эта реакция имеет большое значение в органическом синтезе, поскольку в дальнейшем атом галогена может быть легко замещен, например, на аминную или гидроксильную группу с получением соответствующих производных карбоновых кислот (аминокислот, гидроксикислот).