IX.2.5.3. Производные с кумулированными двойными связями.

Угольной кислоте соответствуют кумулированные производные общей формулы X=C=Y. Широко известное производное этого типа - сероуглерод (X=Y=S) – относится, скорее, к неорганической химии. Среди чисто органических производных можно выделить изоцианаты (X=RN, Y=O), изотиоцианаты (X=RN, Y=S) и карбодиимиды (X=Y=NR). Как и ранее рассмотренные кетены, эти соединения активно реагируют с нуклеофильными реагентами.

Изоцианаты синтезируют несколькими методами, из которых наиболее часто используется взаимодействие первичных аминов либо их солей с фосгеном, обычно при достаточно высокой температуре:

Вначале образуются карбамоилхлориды, которые в условиях реакции отщепляют НС1 (отщепление идет быстрее замещения второго атома хлора на аминогруппу) с образованием изоцианата.

Изоцианаты легко реагируют с О- и N-нуклеофилами по той же схеме, что и кетены: нуклеофил атакует центральный атом системы – атом углерода:

В итоге происходит присоединение по связи С=N. Присоединение воды приводит к карбаминовым кислотам, которые немедленно разлагаются (было описано при рассмотрении перегруппировки Гофмана); присоединение спиртов приводит к уретанам, присоединение аминов – к мочевинам. Наибольшее применение нашли реакции со спиртами: взаимодействие диизоцианатов с двухатомными спиртами позволяет получать важные полимеры - полиуретаны, из которых, в частности, получают пористые материалы (поролон).

Изотиоцианаты также можно получать несколькими методами. Один из них – взаимодействие алкилгалогенидов с тиоцианатами (роданидами) металлов. Роданид-анион – амбидентный нуклеофил, поэтому возможно как S-, так и N-алкилирование с образованием, соответственно, тиоцианатов и изотиоцианатов:

Реакцию можно направить в сторону образования изотиоцианата; к тому же тиоцианаты легко изомеризуются в изотиоцианаты.

Для получения арилизотиоцианатов хорош второй метод – обработка кислотами симм. диарилтиомочевин:

Изотиоцианаты менее активны в реакциях с нуклеофилами, чем изоцианаты, т.к. положительный заряд на атоме углерода меньше (сера менее электроотрицательна, чем кислород). Поэтому реакции с водой и спиртами идут медленно, но с аминами изотиоцианаты реагируют легко, образуя производные тиомочевины. Это взаимодействие используется для анализа N-концов пептидных цепей (секвенирование по Эдману).

Изотиоцианаты – единственные кумулированные производные кислот, которые встречаются в природе (этому способствует их относительная устойчивость); в частности, аллилизотиоцианат СН₂=СН-СН₂-N=C=S входит в состав горчицы.

Карбодиимиды получают разными способами, лучшим из которых считается обработка N,N’-дизамещенных тиомочевин солями или оксидами тяжелых металлов; при этом отщепляет H₂S и образуются карбодиимиды:

Карбодиимиды, как и предыдущие кумулены, реагируют с нуклеофилами, причем их активность меньше, чем изоцианатов, но несколько выше, чем изотиоцианатов. Наибольшее

применение нашло взаимодействие карбодиимидов с карбоновыми кислотами. Карбодиимиды широко используются как «водоотнимающие средства» при получении сложных эфиров из карбоновых кислот и спиртов и особенно амидов из карбоновых кислот и аминов; карбодиимиды превращаются при этом в N.N’-диалкилмочевины: R-CO-OH + H-X + R¹-N=C=N=R¹  R-CO-X + R¹-NH-CO-NH-R X= OR², NHR²

Суть «водоотнимающего действия» карбодиимидов при их добавлении к смеси карбоновой кислоты со спиртом или с амином – в промежуточном взаимодействии карбодиимида с карбоновой кислотой (по обычной схеме нуклеофильного присоединения) с образованием продукта (682):

С оединение (682) является смешанным ангидридом (точнее, его N-аналогом, содержащим структуру O=C-O-C=N); естественно, оно является сильным ацилирующим реагентом и ацилирует Н-Х (спирт или амин); при этом выделяется изомочевина («енольная» форма) (683), переходящая в мочевину.

Реакции проходят в мягких условиях (можно вспомнить, в насколько жестких условиях происходит образование амидов из карбоновых кислот и аммиака или аминов при их обычном взаимодействии); поэтому использование карбодиимидов нашло широкое применение. Наиболее часто использумый реагент – дициклогексилкарбодиимид ( ДЦК, DCC):

DCC используется в пептидных синтезах и при синтезах полинуклеотидов (фрагментов нуклеиновых кислот).

Резюме

Известен широкий ассортимент производных карбоновых кислот, у которых «карбоксильный» атом углерода может находиться в состоянии sp², sp³ и sp-гибридизации. Производные могут получаться из карбоновых кислот, гидролизоваться до карбоновых кислот и переходить друг в друга.

Наиболее общим свойством производных карбоновых кислот является их взаимодействие с нуклеофилами; реакционная способность производных в этих реакциях варьирует в очень широких пределах – от сверхактивности (кетены) до почти полной пассивности (соли). Нуклеофильные реакции облегчаются при возможности образования 5- и 6-членных циклических продуктов (лактонов, лактамов, имидов). Важное значение имеют реакции восстановления некоторых производных. Достаточно широко используются реакции положения производных; СН-кислотность этих положений различна в зависимости от их природы; специальные случаи реакций производных с особо высокой СН-кислотностью будут рассмотрены в следующем разделе. Некоторые производные (амидины, гуанидины, тиомочевины, мочевины, отчасти амиды) обладают основностью и проявляют нуклеофильные свойства. Высокой химической активностью отличаются производные с кумулированными двойными связями (кетены, изоцианаты, карбодиимиды).

Производные карбоновых кислот широко используются в органических синтезах, в том числе, в синтезах природных соединений; ряд производных активно участвует в биохимических процессах. Известен ряд весьма важных природных производных (прежде всего, сложных эфиров).

364