Ацилоиновая конденсация

Эта реакция протекает при взаимодействии сложных эфиров с натрием в кипящем эфире, бензоле или ксилоле с последующим разложением реакционной смеси водой; происходит восстановительное сочетание двух сложноэфирных фрагментов с образованием гидроксикетонов, называемых ацилоинами:

В аналогичных условиях диэфиры дикарбоновых кислот подвергаются внутримолекулярной ацилоиновой конденсации с образованием циклических ацилоинов:

При этом успешно образуются средние и макроциклы (n > 4): для 7-членных циклов выходы составляют порядка 60%, для 8- и 9-членных – 30-40%, а для 10-20-членных – 60-95% (!). Для большинства других методов циклизации образование таких циклов связано с серьезными затруднениями; поэтому ацилоиновая конденсация является одним из лучших методов синтеза средних и макроциклов; именно в этом и заключается основная ценность этой реакции.

Хотя механизм ацилоиновой конденсации установлен не вполне точно, можно с большой степенью вероятности предположить, что натрий здесь является одноэлектронным восстановителем, и реакция протекает по ион-радикальному механизму:

Н ачальные стадии реакции, приводящие к интермедиату (628), полностью аналогичны пинаконовому восстановлению кетонов (стр. 258): принимая по одному электрону от атомов натрия, молекулы исходного сложного эфира образуют анион-радикалы, которые рекомбинируют. Далее в интермедиате (628) происходит «стандартное» вытеснение алкоксид-анионов, и образуется 1,2-дикетон (629); его карбонильные группы принимают по одному электрону от атомов натрия, что приводит к алкоголяту ендиола – соединению (630). При действии воды алкоголят гидролизуется с образованием ендиола (631), который перегруппировывается в кето-форму – конечный ацилоин. Аргументом в пользу приведенного механизма является выделение наряду с ацилоинами небольших количеств 1,2-дикетонов.

IV. Реакции пиролитического отщепления.

Сложные эфиры R-CO-OR¹, у которых заместитель R¹ содержит атом водорода в -положении к атому кислорода, при нагревании до высокой температуры (400-500 ^оС), обычно в газовой фазе, расщепляются с образованием карбоновой кислоты и алкена:

Реакции протекают в нейтральных условиях, что позволяет избежать перегруппировок; поэтому этот способ практически важен для получения алкенов, как альтернатива кислотной дегидратации спиртов (стр. 75).

Пиролиз сложных эфиров относится к реакциям элиминирования, но его механизм кардинально отличается от ранее рассмотренных механизмов (Е1, Е2, Е1сВ); здесь происходит синхронное син-элиминирование через циклическое переходное состояние (632):

По аналогичным механизмам протекает декарбоксилирование малоновых кислот и -кетокислот. (стр. 324); это тоже реакции синхронного элиминирования, но не от связи С-С, а от связи С-О.

Практическое использование сложных эфиров.

Помимо использования в синтезах, сложные эфиры имеют достаточно обширную сферу технического использования; этому способствует хорошая растворяющая способность, приятный запах ряда эфиров и ряд других практически полезных свойств.

Этилацетат и, особенно, бутилацетат – хорошие растворители для нитроцеллюлозы, полиэфирных смол и других полимерных материалов; они широко используются для приготовления лаков и эмалей. Многие сложные эфиры алифатических кислот имеют приятный запах (их иногда называют фруктовыми эфирами) и используются в пищевой промышленности и парфюмерии. К ним, в частности, относятся этилформиат (ромовая эссенция), этиловый эфир масляной (бутановой) кислоты (ананасная эссенция), изоамиловый эфир масляной кислоты (грушевая эссенция) и др. Сложные эфиры фталевой кислоты С₆Н₄(СООR)₂-1,2: дибутилфталат (R=C₄H₉) и диоктилфталат (R=C₈H₁₇), высококипящие малолетучие жидкости – широко используемые пластификаторы для полимерных материалов; дибутилфталат – основа многих репеллентов - средств для отпугивания комаров. Винилацетат СН₃СО-ОСН=СН₂ и метилметакрилат СН₂=С(СН₃)-СО-ОСН₃ – мономеры для получения важных полимерных материалов: соответственно поливинилацетата (клеи, исходный материал для приготовления поливинилового спирта) и полиметилметакрилата (органическое стекло).

Природные сложные эфиры.

Ряд сложных эфиров входит в состав эфирных масел растений; например, изоамиловый эфир изовалериановой (3-метилбутановой) кислоты находится в бананах. Целый ряд феромонов насекомых содержат сложноэфирные фрагменты. В качестве примеров можно привести (9Z)-тетрадеценилацетат (633) – феромон бабочки бражник («мертвая голова») и лактон –5-этилбутанолид (634) – один из компонентов феромона жука-кожееда:

Но наиболее важные природные сложные эфиры относятся к одной из главных групп природных соединений – липидам. Липиды – низкомолекулярные, нерастворимые в воде органические вещества, которые извлекаются из клеток живых организмов неполярными растворителями (хлороформом, бензолом, диэтиловым эфиром). Липиды выполняют разнообразные биологические функции: они играют роль запасов метаболического топлива, выполняют защитную роль (например, в листьях, наружном скелете насекомых); некоторые соединения, относимые к липидам (например, простагландины и тромбоксаны), являются мощными биорегуляторами. Но, вероятно, важнейшая биологическая функция липидов – их роль в построении и функционировании биологических мембран; липиды составляют основу (матрикс) этих важнейших биологических структур.

К липидам относятся вещества различного строения; очень многие из них содержат сложноэфирные фрагменты. Карбоновые кислоты, образующие липидные сложноэфирные структуры, называют жирными кислотами. Жирные кислоты – алифатические карбоновые кислоты, содержащие обычно от 12 до 24 атомов углерода, причем, как правило, четное их число; преобладают кислоты, содержащие 16-20 атомов углерода. Природные жирные кислоты в большинстве случаев имеют неразветвленную углеродную цепь (хотя встречаются и кислоты с разветвленной цепью). Они могут быть насыщенными или содержать двойные связи – от одной до шести; двойные связи, как правило, имеют цис-(Z-) конфигурацию. В качестве примеров можно привести пальмитиновую (С_16:0), олеиновую (С_18:1) и арахидоновую (С_20:4) кислоты (цифры в нижнем индексе обозначают соответственно числа атомов углерода и двойных связей):

Самыми простыми по структуре природными сложными эфирами жирных кислот являются воска – гидрофобные покрытия листьев и плодов и кожных покровов; это сложные эфиры жирных кислот и одноатомных длинноцепочечных спиртов. Например, главный компонент пчелиного воска – сложный эфир пальмитиновой кислоты и насыщенного спирта С₃₀Н₆₁ОН:

С₁₅Н₃₁СО-О-С₃₀Н₆₁

Наибольшее значение имеют сложные эфиры жирных кислот и трехатомного спирта – глицерина (пропантриола-1,2,3).

Среди сложных эфиров глицерина широко известны жиры –важный запас биологического топлива. Большинство жиров составляют триглицериды (триацилглицерины) (635), в которых этерифицированы все три гидрокси-группы глицерина; реже встречаются ди- и моноацилглицерины (636) и (637):

В некоторых жирах все три ацильных остатка одинаковы (R¹=R²=R³); это простые триацилглицерины, например, тристеарилглицерин (тристеарин); в других содержатся остатки двух или трех разных жирных кислот; это смешанные триглицериды.

Жиры имеют весьма существенное и неоднозначно оцениваемое значение в питании человека; получение и переработка жиров относятся к весьма важным технологическим процессам.

Важнейшими липидами, принимающими участие в образовании биологических мембран, являются фосфолипиды, содержащие фрагмент эфира фосфорной кислоты. Очень многие из них являются производными глицерина (глицерофосфолипиды) и содержат фрагменты сложных эфиров жирных кислот (другие фосфолипиды являются производными аминоспирта сфингозина). Наиболее распространены в природе диацильные формы глицерофосфолипидов (638):

Среди них можно упомянуть фосфатидилэтаноламин (Х=CH₂CH₂NH₂), фосфатидилсерин [Х=CH₂CH(NH₂)COOH], фосфатидилхолин [X=CH₂CH₂N⁺(CH₃)₃, группа Р-ОН ионизирована с образованием Р-О‾].

Для фосфолипидов характерно сочетание сильнополярного фрагмента - «головки» (фосфатной структуры, усиленной полярной группой Х) и неполярного фрагмента - «хвоста» (длинноцепочечных углеводородных радикалов R¹ и R²). Благодаря этому фосфолипиды проявляют сильную амфифильность, т.е. сочетание гидрофильных и гидрофобных свойств; это, в первую очередь, и определяет роль фосфолипидов в формировании биомембран.

Кроме сложных эфиров обычных спиртов и фенолов известны сложные эфиры тиоспиртов общей формулы R-CO-SR¹. Среди них особый интерес представляет весьма важный продукт метаболизма - ацетилкофермент А CH₃CO-S(CH₂)₂NHCO-R, сокращенно обозначаемый АсСоА, где R- сложный остаток, содержащий, в частности, фрагмент нуклеозиддифосфата. Это соединение играет важнейшую роль в клеточном дыхании, «запуская» его ключевой этап – цикл Кребса. АсСоА является исходным продуктом в биосинтезе жирных кислот, а также стероидов и ряда других природных соединений.