IX.2.5. Производные угольной кислоты

Угольная кислота НО-СО-ОН, с одной стороны, может рассматриваться как частный случай карбоновых кислот R-CO-OH, где R=OH, а с другой – как своеобразная дикарбоновая кислота, где обе карбоксильных группы имеют один и тот же карбонил. Сама угольная кислота, как известно, неустойчива, но ряд ее производных (однако не все!) достаточно стабильны; при этом они, как правило, весьма активны, что и определяет их значение в органическом синтезе.

Особенности производных угольной кислоты определяются, в основном, двумя факторами: 1. Многие производные угольной кислоты можно представить общей формулой X-CO-Y, где X,Y – те же группы, что и в производных обычных кислот, т.е. группы с –I и +М-эффектами; поскольку они находятся у одного атома углерода, их влияние на этот атом больше, чем для производных «обычных» карбоновых кислот R-CO-X; кроме того, эти группы влияют друг на друга. 2. Некоторые производные угольной кислоты имеют кумулированные системы двойных связей; их можно представить формулой X=C=Y.

Ассортимент таких производных шире, чем ранее рассмотренных производных карбоновых кислот, а, следовательно, шире область использования этих чрезвычайно активных систем.

Производные угольной кислоты можно условно разделить на три группы: А. Производные общей формулы X-CO-Y; Б. Производные общей формулы Х-С(=Z)-Y; В. Производные с кумулированными двойными связями.

IX.2.5.1. Производные формулы X-co-y

К этой группе относятся хлорангидриды, ангидриды, сложные эфиры, амиды и родственные соединения. Эти производные могут быть монозамещенными (Y=OH) или дизамещенными. Монозамещенные хлорангидриды, сложные эфиры, амиды в свободном виде неустойчивы и разлагаются с выделением СО₂ (декарбоксилируются):

X-CO-OH  X-H +CO₂ (X=Cl, RO, NH₂, NHR…)

Однако некоторые такие производные стабильны в виде солей Х-СО-О¯Na⁺.

Дизамещенные производные, как правило, достаточно стабильны. Они могут быть, условно говоря, симметричными и несимметричными. У первых группы Х и Y одного типа, например это могут быть диэфиры или диамиды угольной кислоты; у вторых они разных типов; такие соединения сочетают свойства различных производных, например, сложных эфиров и амидов.

Некоторые взаимные превращения производных этого типа представлены на схеме:

Дихлорангидрид угольной кислоты – фосген – одно из веществ, находящихся в пограничной области между органической и неорганической химией. Его получают присоединением хлора к оксиду углерода (II):

СО + С1₂  С1-СО-С1

Фосген - весьма реакционноспособное (но и весьма токсичное) соединение, проявляющее свойства галогенангидридов, т.е. активно реагирующее с нуклеофилами. При взаимодействии со спиртами вначале образуются продукты замещения одного атома хлора – эфиры хлоругольной кислоты (хлоркарбонаты) ; при замещении второго атома хлора образуются диэфиры угольной кислоты (диалкилкарбонаты). Хлоркарбонаты менее активны в реакциях с нуклеофилами, чем фосген (сказывается донорное влияние группы OR), поэтому реакцию фосгена со спиртами легко можно остановить на стадии образования хлоркарбонатов, а также получать смешанные диэфиры ( RR¹).

При взаимодействии хлоркарбонатов с солями карбоновых кислот (например, со смесью карбоновой кислоты и третичного амина) образуются смешанные ангидриды угольной и карбоновых кислот, содержащие также и сложноэфирный фрагмент. Такие реакции нашли применение для активации карбоновых кислот, в частности, для активации карбоксильных групп аминокислот в пептидных синтезах.

Взаимодействие хлоркарбонатов с аминами приводит к образованию соединений , сочетающих фрагменты сложного эфира и амида; они называются уретанами (карбаматами). Образование уретанов по этой реакции явилось классическим методом защиты аминогруппы аминокислот в синтезах пептидов и белков:

RO-CO-Cl + H₂N-CH(Rⁱ)-COOH  RO-CO-NH-CH(Rⁱ)-COOH

Если R – бензил или трет-бутил, такая защита легко снимается без затрагивания пептидных связей, образующихся в ходе синтеза.

При взаимодействии фосгена с аммиаком или аминами, как и при взаимодействии со спиртами, образуются продукты замещения одного атома хлора – карбамоилхлориды – или двух – мочевины. Карбамоилхлориды сочетают фрагменты амида и хлорангидрида; при их взаимодействии со спиртами образуются уретаны.

Мочевины – диамиды угольной кислоты. Простейшее вещество этого ряда – собственно мочевина или карбамид (R¹=R²=H) – конечный продукт распада белков в животном организме. Это соединение находит широкое применение для получения полимерных продуктов, в синтезе лекарственных препаратов, а также в качестве удобрения. Как и фосген, мочевину получают из неорганических веществ – нагреванием смеси оксида углерода (IV) и аммиака под давлением:

Синтез мочевины из цината аммония явился, по существу, первым синтезом органического соединения из неорганического (стр. 5).

Мочевины по свойствам, в общем, аналогичны амидам карбоновых кислот, но проявляют более заметные основность и нуклеофильность, потому что электроноакцепторный эффект карбонильной группы направлен не на один атом азота (как в обычных амидах), а распределен между двумя атомами азота и, следовательно, основность и нуклеофильность каждого из них снижена в меньшей степени, чем в амидах.

Нуклеофильность мочевин, в первую очередь, самой мочевины, проявляется в способности реагировать с альдегидами, в частности, с формальдегидом, как обычный N-нуклеофил:

CH₂=O + H₂N-CO-NH₂  CH₂=N-CO-NH₂  полимер.

Эта реакция лежит в основе получения мочевино-формальдегидных смол.

Еще один пример – взаимодействие мочевины с малоновым эфиром и его замещенными, протекающее по схеме аминолиза сложных эфиров:

О бразуются циклические соединения (678); простейшее из них (R¹=R²=H), получаемое из самого малонового эфира, – барбитуровая кислота; ее замещенные – барбитураты – являются снотворными препаратами.

IX.2.5.2. Производные формулы X-C(=Z)-Y.

Из производных этой группы наибольший интерес представляют ксантогенаты (Х=OR, Y=S¯М⁺, Z=S), S-алкилксантогенаты (X=OR, Y=SR¹, Z=S), тиомочевины (X,Y=NH₂, NHR, NR₂, Z=S) и гуанидины (X,Y=NH₂, NHR, NR₂, Z=NH, NR).

Ксантогенаты – соли О-алкилдитиоугольной (ксантогеновой) кислоты (соли моноэфиров дитиоугольной кислоты). Они образуются при взаимодействии сероуглерода с алкоголятами (или со спиртами в присутствии щелочей); происходит нуклеофильное присоединение по связи C=S:

В кислых средах ксантогенаты образуют свободную дитиоугольную кислоту, которая легко распадается на сероуглерод и спирты:

RO-C(=S)-SH  ROH + CS₂

Н а этом основан процесс получения вискозного волокна из целлюлозы, при котором щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом, и полученный раствор ксантогената целлюлозы продавливают через фильеры в раствор кислоты; при этом происходит регенерация целлюлозы.

S-алкилксантогенаты получают алкилированием ксантогенатов:

Реакция идет легко, т.к. ксантогенат-анион – достаточно сильный нуклеофил.

Характерным свойством S- алкилксантогенатов, у которых заместитель R содержит связь СН в -положении к атому кислорода, является их расщепление при нагревании, приводящее к алкенам:

Реакция полностью аналогична пиролитическому расщеплению сложных эфиров карбоновых кислот (стр. 339) и также идет по циклическому механизму, но при значительно более низких температурах (<200 ^оС). Данное превращение известно как реакция Чугаева.

Тиомочевина (X=Y=NH₂, Z=S) – наиболее важный представитель группы тиомочевин - может быть получена по реакции, аналогичной историческому синтезу мочевины по Вёлеру – нагреванием роданида аммония:

В промышленности тиомочевину получают из цианамида и сероводорода:

Симметрично дизамещенные тиомочевины (N,N’-диалкилтиомочевины) получают по реакции первичных аминов с сероуглеродом:

Т иомочевина – амбидентный нуклеофил; нуклеофильными центрами являются атомы азота и серы. Амбидентность производных кислот уже обсуждалась для амидов; однако тиомочевина является заметно более сильным нуклеофилом:

При алкилировании (взаимодействии с галогенидами или тозилатами) нуклеофильным центром является атом серы; образуются S-алкилизотиурониевые соли (679); реакции идут очень легко. При ацилировании, а также при взаимодействии с карбонильными соединениями, напротив, реакции протекают по атому азота с образованием соответственно соединений (680) и (681).

Тиомочевина широко используется в органической химии, особенно при синтезе гетероциклических соединений.

Гуанидин (X=Y=NH₂, Z=NH) получают по способу, аналогичному получению тиомочевины, – из цианамида и аммиака:

Характерное свойство гуанидина – его высокая основность; в этом отношении он превосходит даже амидины. Причина – делокализация положительного заряда в продукте протонирования гуанидина – катионе гуанидиния – по трем эквивалентным центрам:

Гуанидин обычно хранится в виде солей.