IX.2.1.3. Сложные эфиры

Сложные эфиры чаще всего получают ацилированием гидроксипроизводных карбоновыми кислотами, их хлорангидридами и ангидридами, а также кетенами (см. ниже); достаточно широко используется взаимодействие солей карбоновых кислот с галогенидами и тозилатами по S_N2-механизму (стр. 318). Из других способов можно отметить присоединение карбоновых кислот к ацетилену (стр. 113), перегруппировку Байера-Виллигера (стр. 256), реакцию Тищенко (стр.261). Для получения метиловых эфиров используют реакцию карбоновых кислот с диазометаном (будет рассмотрено позднее).

Названия сложных эфиров R-CO-OR¹ обычно складываются из названия радикала R¹ и названия кислоты с прибавлением окончания ат: этиловый эфир уксусной кислоты – этилацетат; пропиловый эфир бензойной кислоты – пропилбензоат; диметиловый эфир щавелевой кислоты – диметилоксалат.

Химические свойства

Свойства сложных эфиров обнаруживают, с одной стороны, определенное сходство со свойствами ранее рассмотренных производных – хлорангидридов и ангидридов, с другой – заметное своеобразие; в частности, появляются новые типы реакций, такие, как ацилоиновая конденсация, пиролиз и другие.

Химические реакции сложных эфиров можно разделить на следующие группы: I. Нуклеофильные реакции карбонильной группы; II. Реакции расщепления связи О-алкил; III. Реакции восстановления; IV. Реакции пиролитического отщепления. Весьма важные реакции положения отдельно не рассматриваются; часть материала (сложноэфирная конденсация) будет рассмотрена в разделе «Нуклеофильные реакции карбонильной группы», а часть – в специальном разделе, посвященном метиленактивным соединениям.

I. Нуклеофильные реакции карбонильной группы.

Наиболее характерными реакциями этой группы являются взаимодействие сложных эфиров с О- и N-нуклеофилами и металлорганическими соединениями, а также реакции конденсации с карбанионами.

Сложные эфиры, как и предыдущие типы производных, подвергаются гидролизу и ацилируют О- и N-нуклеофилы по общей схеме:

Для группы –OR² донорный +М-эффект заметно превосходит акцепторный –I-эффект, поэтому карбонильная группа сложных эфиров относительно малоактивна по отношению к нуклеофилам (примерно на уровне активности карбонильной группы самих карбоновых кислот). Сложные эфиры не относятся к активным ацилирующим реагентам; при взаимодействии со слабыми нуклеофилами (вода, спирты) требуется катализ.

Гидролиз сложных эфиров проходит под действием водных растворов кислот или оснований (обычно щелочей). Гидролиз с кислотным катализом приводит к образованию соответствующих карбоновой кислоты и спирта; механизмы гидролиза обратны механизмам кислотно-катализируемой этерификации; в зависимости от строения эфиров и условий это могут быть механизмы А_АС2 или А_АС1 (см. стр.317, 318). Гидролиз под действием щелочей, естественно, приводит к образованию солей карбоновых кислот:

R¹CO-OR² + Na⁺OH¯  R¹-CO-O¯Na⁺ + R²-OH

Механизм здесь иной: это типичный механизм взаимодействия производных карбоновых кислот с анионными нуклеофилами (был рассмотрен выше на примере ацилгалогенидов). В данном случае он выглядит так:

В начале происходит присоединение анионного нуклеофила – гидроксид-аниона, затем – выталкивание алкоксид-аниона, который, естественно, депротонирует возникающую при этом кислоту с образованием спирта и более устойчивого карбоксилат-аниона. Поскольку скоростьопределяющая стадия здесь бимолекулярна, механизм обозначается как B_AС2, т.е. бимолекулярная реакция ацильных производных, катализируемая основаниями (B – Base). В отличие от кислотного гидролиза, щелочной гидролиз практически необратим, т.к. соли карбоновых кислот пассивны по отношению к нуклеофилам.

Гидролиз циклических эфиров – лактонов – приводит к образованию гидроксикислот (при кислотном гидролизе) или их солей (при щелочном гидролизе):

Ацилирование спиртов сложными эфирами приводит к образованию новых сложных эфиров со спиртами-реагентами с вытеснением «исходных» спиртов:

R-CO-OR¹ + R²-OH  R-CO-OR² + R¹-OH

Э ту реакцию иначе называют переэтерификацией (иногда, особенно в биохимии, используется термин «трансэстерификация») или алкоголизом сложных эфиров (по аналогии с гидролизом). Реакция протекает обычно при кислотном катализе по механизму A_AС2:

Механизм полностью аналогичен механизму этерификации (стр. 317). Реакция микроскопически обратима и ее можно сдвинуть как в одну, так и в другую сторону, используя избыток R²-OH либо R¹OH; обычно избыточный спирт используют в качестве растворителя.

Переэтерификация происходит и при действии на сложные эфиры алкоголятов других спиртов:

Реакция идет по механизму B_AС2, аналогично щелочному гидролизу, с той разницей, что здесь не образуется соль кислоты, и реакция обратима.

Реакции переэтерификации используют как для синтеза, так и для расщепления сложных эфиров. В частности, метиловые эфиры природных жирных кислот (удобные формы для хромато-масс-спектрометрического анализа) можно получать из природных сложных эфиров этих кислот при обработке избытком метанола при катализе H₂SO₄. Алкоголиз используется при синтезе полиэфиров (будет рассмотрено позднее). Некоторые биохимические реакции также относятся к переэтерификации; в частности, так образуются в организме сложные эфиры холестерина.

Алкоголиз лактонов приводит к сложным эфирам гидроксикислот:

Помимо алкоголиза, существует еще один вариант переэтерификации – ацидолиз; это – обменная реакция с молекулой карбоновой кислоты, причем образуется эфир этой новой кислоты, а «старая» кислота вытесняется:

R-CO-OR¹ + R²-CO-OH  R-CO-OH + R²CO-OR¹

Ацилирование N-нуклеофилов сложными эфирами приводит к образованию амидов (при ацилировании аммиака, первичных и вторичных аминов), гидразидов (при ацилировании гидразина и его замещенных), гидроксамовых кислот (при ацилировании гидроксиламина):

И спользуемые N-нуклеофилы (особенно гидразин и гидроксиламин) более активны, чем О-нуклеофилы, поэтому их взаимодействие со сложными эфирами может проходить без катализа, хотя в ряде случаев используют основный или кислотный катализ. Механизм некаталитического взаимодействия - частный случай механизмов реакций производных кислот с реагентами типа H-Y:

Для получения амидов ацилирование сложными эфирами используется реже, чем ацилирование хлорангидридами и ангидридами, но все же известно достаточно много примеров таких синтезов. Для получения гидразидов и гидроксамовых кислот ацилирование сложными эфирами является наилучшим методом, т.к. гидразин и гидроксиламин – сильные нуклеофилы, и при их взаимодействии с энергичными ацилирующими реагентами – ацилгалогенидами и ангидридами – реакции могут протекать слишком бурно и приводить к продуктам диацилирования, а для гидразина – также три- и тетраацилирования.

Взаимодействие сложных эфиров с металлорганическими соединениями, как и для ацилгалогенидов, может приводить к кетонам или идти дальше – до образования третичных спиртов. При взаимодействии с литийалкилами реакцию можно в определенных условиях остановить на стадии образования кетона:

П ри взаимодействии с реактивами Гриньяра реакция, как правило, не останавливается на стадии образования кетона и идет дальше, до образования третичного спирта:

Реакции конденсации с участием карбонильной группы сложных эфиров имеют большое препаративное значение. Одна из них – конденсация сложных эфиров с кетонами (выступающими в роли метиленовой компоненты):

Реакция была рассмотрена ранее (стр. 248); в результате образуются 1,3-дикетоны, широко используемые в органическом синтезе.

Другая чрезвычайно важная реакция – конденсация двух молекул сложного эфира в присутствии сильного основания (сложноэфирная конденсация, которую часто называют конденсацией Клайзена). Продуктами реакции являются эфиры оксокарбоновых кислот:

Р еакция аналогична предыдущей, с той разницей, что в роли метиленовой компоненты выступает не кетон, а вторая молекула сложного эфира. Широко используется вариант конденсации двух одинаковых молекул сложного эфира (R¹=CH₂R³, R²=R⁴), т.е. самоконденсации сложных эфиров при действии сильных оснований. Простейший и известнейший пример – конденсация двух молекул этилацетата с образованием ацетоуксусного эфира (622) – одного из наиболее широко используемых в органическом синтезе веществ:

В ряде случаев используют конденсацию разных эфиров (перекрестная конденсация); в этих случаях необходимо, чтобы один из эфиров (карбонильная компонента) не содержал -метиленовой группы и при этом его карбонильная группа имела повышенную активность (чтобы конкурентно подавить самоконденсацию метиленовой компоненты). Таким эфиром, в частности, является диэтиловый эфир щавелевой кислоты (диэтилоксалат) (623), один из типичных партнеров в реакциях перекрестной конденсации:

Важным частным случаем сложноэфирной конденсации является внутримолекулярная конденсация сложных эфиров дикарбоновых кислот; при этом замыкается карбоциклическая структура; образуется 2-алкоксикарбонильное производное циклического кетона:

Этот вариант часто называют конденсацией Дикмана; наиболее успешно она протекает при образовании 5- и 6- членных циклов (n=3, 4). Конденсация Дикмана – один из классических методов карбоциклизации.

Для проведения сложноэфирной конденсации необходимо использовать сильное основание, ибо только с его помощью можно генерировать карбанион из -положения сложного эфира (положение сложных эфиров имеет меньшую СН-кислотность, чем положение карбонильных соединений, т.к. группа COOR является менее электроноакцепторной, чем карбонильная группа альдегидов и кетонов). Наиболее часто в качестве основания используют алкоголят того спирта, который образует исходный сложный эфир [если использовать алкоголят другого спирта, реакция будет осложняться переэтерификацией (см. выше)]. Иногда используют амиды металлов, а в отдельных случаях такое супероснование, как фениллитий. Механизм сложноэфирной конденсации вполне аналогичен рассмотренному ранее механизму конденсации сложных эфиров с кетонами:

Здесь сочетаются механизм, аналогичный альдольной конденсации (образование карбаниона и его атака на карбонильную группу), и механизм типа B_AС2 (внутримолекулярное вытеснение алкоксид-аниона).