Методы получения карбоновых кислот

Методы получения карбоновых кислот представлены на схеме. Они включают в себя окисление алкенов, алкинов, первичных спиртов, альдегидов, кислотный гидролиз нитрилов, реакцию галоформного распада, взаимодействие реактивов Гриньяра с углекислым газом, гидролиз тригалогеналканов.

Методы получения карбоновых кислот основаны, в первую очередь, на реакциях окисления различных органических соединений: алкенов, алкинов, спиртов, альдегидов. Главной проблемой этих реакций является подбор реагента и условий реакции. Так, в большинстве случаев процесс проходит в жёстких условиях, при нагревании с сильным окислителем. Разумеется, при этом появляются ограничения на те функциональные группы, которые можно сохранить в молекуле субстрата в условиях реакции и «перенести» в молекулу карбоновой кислоты. Другой проблемой является образование побочных продуктов, например, продуктов неполного окисления.

В этой связи в органическом синтезе обычно избегают реакции окисления в жёстких условиях. Рекомендовать можно хорошо знакомые реакции окисления альдегидной функции – альдегиды окисляются легко, в мягких условиях, что позволяет проводить реакцию селективно.

Например, можно превратить альдегидную группу в карбоксильную в присутствии гидроксильной группы спирта, но нельзя превратить спиртовую группу в карбоновую кислоту, без затрагивания альдегидной функции.

Другим удобным и полезным способом создания карбоксильной группы является кислотный гидролиз нитрилов в кислой среде при нагревании. Реакцию можно остановить на стадии образования амидов. Нитрильную группу вводят реакцией нуклеофильного замещения атома галогена. Недостатком является использование солей синильной кислоты – цианид калия или натрия (цианистого калия, цианистого натрия). Эти соединения – сильные яды!

Реакция кетонов с хлором или бромом в щелочной среде носит название галоформного распада и имеет ограниченное применение, однако, может быть использована в синтезе. Региоселективность реакции достигается за счёт более высокой кислотности протонов концевой метильной группы (предполагается, что R отлично от CH₃). Побочным продуктом реакции является хлороформ (CHCl₃) или бромоформ (CHBr₃).

Взаимодействие реактива Гриньяра с углекислым газом является удобным способом получения карбоновых кислот, однако требует применения абсолютных растворителей, контроля подачи газа в реактор. При этом в исходном субстрате не может быть ни гидроксильной группы (превращают в эфирную), ни карбонильной (превращают в ацеталь или кеталь), ни карбоксильной группы, так как реактив Гриньяра с ними реагирует. Поэтому этот метод накладывает жёсткие ограничения на функциональные группы субстрата.

Гидролиз тригалогеналканов как метод получения карбоновых кислот малоприменим в связи с малой доступностью исходных соединений.

Пример 5. Предложите метод получения адипиновой (1,6-гександикарбоновой) кислоты из неорганических реагентов.

Решение. Помните, какой вопрос надо задавать себе в самом начале решения? Какая стадия была последней в синтезе этого вещества?

В целом для решения этой задачи возможны две принципиально разных схемы: одновременное или последовательное создание карбоксильных групп. В пользу одновременного свидетельствует довольно высокая активность карбоксильной группы (или сложноэфирной группы), которая препятствует проведению ряда реакций. Например, нельзя получить реактив Гриньяра, содержащий сложноэфирную группу. Однако удалённость карбоксильных групп друг от друга предполагает, что возможна стратегия последовательного их введения. Привлекательной выглядит симметрия молекулы, которую, вероятно, можно использовать в синтезе.

Одновременное создание карбоксильных групп может быть проиллюстрировано схемой, приведённой слева. Вариант А предполагает построение углеродного скелета, способ В – превращение функциональной группы, в то время как методы Б и Г основаны на реакциях окисления углеродного скелета. Попробуем реализовать каждую стратегию.

Стратегии А и В, на самом деле, сводятся к одной и той же проблеме – получению 1,4-дигалогенбутана, что является непростой задачей.

1,4-Расположение атомов галогенов в структуре А2 представляет серьёзную проблему. Поэтому постараемся её обойти. Мы знаем, что 1,4-расположение достигается при присоединении эквимольного количества реагента к сопряжённым алкадиенам в условиях термодинамического контроля. Используем этот приём. Тогда в ходе синтеза получится непредельная карбоновая кислота, которую мы восстановим и получим целевое соединение.

Бутадиен является промышленным продуктом, что обеспечивает его невысокую стоимость, и может быть получен, например, по методу Лебедева. Этиловый спирт получают гидратацией этилена, который может быть получен неполным гидрированием ацетилена.

Стратегии окисления. Успешная их реализация заключается в правильном выборе предшественника. Реакция окисления должна быть, по возможности, максимально селективна, продукты реакции должны легко разделяться.

В качестве предшественника для стратегии Г мы выбрали октадиин-1,7. При его окислении должен получиться целевой продукт и углекислый газ. И в этот момент оказывается, что предшественником структуры Г1 является тот же самый 1,4-дигалогенбутан! Его реакция с ацетиленидом щелочного металла приведёт к соединению Г1. Таким образом стратегия Г сводится, по сути, к вариантам А и В.

Исходным вещество для стратегии Б хорошо выбрать циклогексен, содержащий ровно столько же атомов углерода, сколько и целевой продукт. Циклогексен легко получается из галогенциклогексана, который можно получить из циклогексана. Последний доступен при гидрировании бензола.

Таким образом, синтез целевой структуры (стратегия Б):

Или с использованием альтернативного плана (стратегии А, В, Г):

Анализ представленной схемы позволяет найти возможные проблемы. Бумага всё стерпит, а на практике?

Во-первых, сомнительным представляется путь, включающий образование двойного реактива Гриньяра.

Гидролиз нитрилов проходит в жёстких условиях, при которых возможны реакции по двойной связи, например, гидратация или изомеризация. Поэтому, вероятно, лучше сначала гидрировать динитрил и лишь потом проводить его гидролиз. Однако на этом этапе требуется контроль условий, так как нитрильная группа также чувствительна к реакциям восстановления.

Последний путь наталкивается на проблему селективного восстановления двойной связи без затрагивания тройных связей. Двойная связь легче подвергается гидрированию, что теоретически обеспечивает селективность. Тем не менее, на практике потребуется подбор условий для реализации этого процесса.

Таким образом, предпочтительной стратегией является путь Б.