32. Механизм реакции нуклеофильного замещения у карбоксильного атома углерода. Реакции нуклеофильного замещения. Функциональные производные карбоновых кислот.

Основной тип реакций карбоновых кислот – взаимодействие с нуклеофилами с образованием функциональных производных. Взаимопревращения, связывающие карбоновые кислоты и их функциональные производные, приведены на схеме.

Представленные на схеме соединения содержат ацильную группу  В ходе  их взаимопревращений она в неизменном виде переходит из одного соединения в другое, соединяясь с нуклеофилом. Такие процессы называют ацилированием, а карбоновые кислоты и их функциональные производные – ацилирующими реагентами. В общем виде процесс ацилирования может быть представлен следующей схемой. 

Таким образом, ацилирование представляет собой процесс нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.

Рассмотрим механизм реакции в общем виде и сравним его с Ad_N-реакциями альдегидов и кетонов. Как и в случае карбонильных соединений, реакция начинается с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода, несущему эффективный положительный заряд. При этом разрывается p -связь углерод-кислород и образуется тетраэдрический интермедиат. Пути дальнейшего превращения интермедиата у карбонильных и ацильных соединений различны. Если карбонильные соединения дают продукт присоединения, то ацильные соединения отщепляют группу X и дают продукт замещения. 

Причина разного поведения ацильных и карбонильных соединений – в разной стабильности потенциальной уходящей группы X. В случае альдегидов и кетонов это - гидрид-анион Н^- или карбоанион R^-, которые вследствие своей высокой основности являются чрезвычайно плохими уходящими группами. В случае ацильных соединений Х значительно более стабильная уходящая группа (Cl^-, RCOO^-, RO^-, NH₂^-), что делает возможным ее отщепление в виде аниона Х^- или сопряженной кислоты  НХ.

Реакционная способность по отношению к нуклеофилам у карбоновых кислот и их функциональных производных меньше, чем у альдегидов и кетонов, так как эффективный положительный заряд на карбонильном атоме углерода у них ниже за счет + М- эффекта группы Х.

Активность ацильной группы повышается в условиях кислотного катализа, так как при протонировании возрастает эффективный положительный заряд на атоме углерода и облегчается его атака нуклеофилом. 

По ацилирующей способности производные карбоновых кислот располагаются в следующий ряд в соответствии с уменьшением +М-эффекта группы Х.

В этом ряду предыдующие члены могут быть получены из последующих ацилированием соответствующего нуклеофила. Процесс получение более активных ацилирующих реагентов из менее активных практически не идет из-за неблагоприятного положения равновесия вследствие более высокой основности уходящей группы по сравнению с атакующим нуклеофилом. Все функциональные  производные могут быть получены непосредственно из кислот и превращаются в них при гидролизе. 

33. Декарбоксилирование ароматических карбоновых кислот как реакция электрофильного замещения.

Реакции электрофильного замещения — реакции замещения, в которых атаку осуществляет  электрофил — частица, заряженная положительно или имеющая дефицит электронов. При образовании новой связи уходящая частица — электрофуг отщепляется без своей электронной пары. Самой популярной уходящей группой является протон H⁺.

Все электрофилы являются кислотами Льюиса.

Общий вид реакций электрофильного замещения:

 (катионный электрофил)

 (нейтральный электрофил)

Выделяют реакции ароматического (широко распространены) и алифатического (мало распространены) электрофильного замещения. Характерность реакций электрофильного замещения именно для ароматических систем объясняется высокой электронной плотностью ароматического кольца, способного притягивать положительно заряженные частицы.

Для ароматических систем фактически существует один механизм электрофильного замещения — S_EAr. Механизм S_E1 (по аналогии с механизмом S_N1) — встречается крайне редко, а S_E2(соответствующий по аналогии S_N2) — не встречается вовсе^[1].

Реакции S_EAr

Механизм реакции S_EAr или реакции ароматического электрофильного замещения является самым распространенным и наиболее важным среди реакций замещения ароматических соединений и состоит из двух стадий. На первом этапе происходит присоединение электрофила, на втором — отщепление электрофуга:

В ходе реакции образуется промежуточный положительно заряженный интермедиат (на рисунке — 2b). Он носит название интермедиат Уэланда, арониевый ион или σ-комплекс. Этот комплекс, как правило, очень реакционноспособен и легко стабилизируется, быстро отщепляя катион.

Лимитирующей стадией в подавляющем большинстве реакций S_EAr является первый этап.

В качестве атакующей частицы обычно выступают относительно слабые электрофилы, поэтому в большинстве случаев реакция S_EAr протекает под действием катализатора — кислоты Льюиса. Чаще других используются AlCl₃, FeCl₃, FeBr₃, ZnCl₂.

ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ, элиминирование СО₂ из карбоксильной группы карбоновых кислот или карбоксилатной группы их солей. Осуществляют обычно нагреванием в присутствии кислот или оснований. Ароматические кислоты декарбоксилируются, как правило, в жестких условиях, например, при нагревании в хинолине в присутствии металлич. порошков. Таким методом в присутствии Сu получают фуран из пирослизевой кислоты. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ароматические кислот облегчается при наличии электрофильных заместителей, например, тринитробензойная кислота декарбоксилируется при нагревании до 40-45 °С. Д. паров карбоновых кислот над нагретыми катализаторами (карбонаты Са и Ва, Аl₂О₃ и др.) - один из методов синтеза кетонов:

2RCOOH : RCOR + Н₂О + СО₂.

ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ натриевых солей карбоновых кислот при электролизе их конц. водных растворов - важный метод получения алканов. Галогендекарбоксилирование - замещение карбоксильной группы в молекуле на галоген, протекает под действием LiCl и тетраацетата Рb на карбоновые кислоты, а также свободный галогенов (Сl₂, Вr₂, I₂) на соли карбоновых кислот, например:

RCOOM   RHal (М = Ag, К, Hg, T1).

Серебряные соли дикарбоновых кислот под действием I₂ легко превращаются в лактоны:    Важную роль играет также окислительное ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ - элиминирование СО₂ из карбоновых кислот, сопровождающееся окислением. В зависимости от применяемого окислителя такое ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ приводит к алкенам, сложным эфирам и др. продуктам. Так, при ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ фенилуксусной кислоты в присутствии пиридин-N-оксида образуется бензальдегид:    Подобно ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ солей карбоновых кислот происходит ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ элементоорганическое производных и сложных эфиров, например:    Реакции декарбоксилирования карбоновых кислот – энергетически  выгодный процесс, т.к. в результате образуется устойчивая молекула СО₂. Декарбоксилирование характерно для кислот у которых в ά-положении имеется электроноакцепторный заместитель. Легче всего декарбоксилируются  двухосновные кислоты.

Щавелевая и малоновая кислоты легко при нагревании декарбоксилируются, а при нагревании янтарной и глутаровой кислот происходит образование циклических ангидридов, что обусловлено образованием пяти- или шестичленных гетероциклов, имеющих устойчивые конформации «полукресла” и “кресла”

В биологических системах реакции декарбоксилирования протекают с участием ферментов – декарбоксилаз. Декарбоксилирование аминокислот приводит к образованию биогенных аминов.

Декарбоксилирование аминокислот приводит к образованию биогенных аминов.

В насыщенных алифатических кислотах в результате ЭА-влияния карбоксильной группы  появляется СН — кислотный центр у α-углеродного атома. Это хорошо проявляется в реакциях галогенирования.

Галоидзамещенные кислоты широко используются для синтеза биологически-важных соединений – гидрокси- и аминокислот.