14. Оксокислоты

Определение. Оксокислотами называются соединения, содержащие наряду с карбоксильной группой оксогруппу, т.е. это альдегидо- или кетонокислоты.

Классификация. Оксокислоты могут содержать одну, две и более карбонильных или карбоксильных групп. По взаимному расположению функциональных групп различают α-, β-,γ- и др. оксокислоты.

Номенклатура. В названиях альдегидо- и кетонокислот наличие карбонильной группы обозначают приставкой «оксо-». Для некоторых оксокислот используются тривиальные названия (пировиноградная, левулиновая), а для оксокислот, участвующих в биохимических циклах в живых организмах, используются традиционно сложившиеся в биохимической литературе названия – ацетоуксусная, щавелевоуксусная, кетоглутаровая и др.

Способы получения. К общим методам синтеза оксокислот относятся гидролиз гем-дигалогензамещенных кислот и окисление гидроксикислот:

α-Оксокислоты образуются при гидролизе α-оксонитрилов, которые могут быть получены из хлорангидридов карбоновых кислот и солей синильной кислоты, например при использовании цианида меди (I):

R–C=O Cu₂(CN)₂ R–C=O H₂O R–C=O

│  │  │

Cl CN OH

Пировиноградную кислоту можно получить из винной кислоты, которая при нагревании теряет воду и декарбоксилируется, а ацетондикарбоновую кислоту – из лимонной кислоты при действии олеума в результате дегидрата-ции и декарбонилирования. β-Оксокислоты разлагаются при попытке выделить их в свободном состоянии.(ацетоуксусная кислота легко декарбоксилируется, чему спо­собствует образование внутримолекулярной водородной связи):

В связи с этим β-оксокислоты обычно получают в виде стабильных сложных эфиров с помощью сложноэфирной конденсации по Кляйзену, которая протекает протекает по схеме:

Механизм конденсации Кляйзена следующий:

Перекрестной сложноэфирной конденсацией по Кляйзену между этилокса-латом (карбонильная компонента) и этилацетатом (метиленовая компонента) синтезируют эфир щавелевоуксусной кислоты (этилоксалоацетат):

СOOC₂H₅ C₂H₅ONa C₂H₅OOC–C–CH₂–COOC₂H₅

│ + CH₃ – COOC₂H₅  ║

СOOC₂H₅ (– C₂H₅OH) O

Химические свойства

Оксокислоты проявляют свойства, характерные как для карбоновых кислот, так и для альдегидов и кетонов. Оксокислоты образуют производные по карбоксильной группе – соли, сложные эфиры, амиды и др., по карбонильной группе – оксинитрилы, оксимы, гидразоны и т.д. Химические свойства оксокислот существенно зависят от взаимного расположения функциональных групп, поскольку обе группы оказывают влияние друг на друга. При близком расположении наблюдается взаимное усиление электрофильных свойств атомов углерода карбонильной и карбоксильной групп, что приводит к усилению их реакционной способности при взаимодействии с нуклеофилами.

Некоторые α-оксокислоты, у которых карбонильная группа находится рядом с электроноакцепторной карбоксильной группой, легко присоединяют даже слабые нуклеофилы, например, воду, и образуют гидратные формы:

COOH COOH

│ │

C=O + H₂O  HO–C–OH

│ │

COOH COOH

Кислотные свойства оксокислот снижаются по мере удаления электроно-акцепторной оксогруппы от карбоксильной вследствие затухания – I эфф.

Под действием разбавленных минеральных кислот α-оксокислоты подвергаются декарбоксилированию, а нагревание с концентрированной серной кислотой приводит к карбонилированию, т.е. отщеплению оксида углерода (II):

H₂SO₄ (конц.) H₂SO₄ (разб.)

CH₃COOH + CO ←─ CH₃–CO–COOH  CH₃–CHO + CO₂

β-Оксокислоты среди оксокислот имеют наибольшее практическое значение. Специфика их химических свойств обусловлена наличием сильного СН-кислотного центра, возникновение которого связано с β-расположением двух электроноакцепторных функциональных групп. В ряду β-оксокислот (также β-кетоэфиров и β-дикетонов) проявляется кето-енольная таутомерия. Таутомерия – способность химических соединений существовать в виде двух или нескольких, находящихся в равновесии, структурных изомеров.

β-Оксокислоты неустойчивы и легко декарбоксилируются, чему спо­соб-ствует образование внутримолекулярной водородной связи (см. выше). Поэтому вместо них используют сложные эфиры, например ацетоуксусный эфир, получаемые конденсацией по Кляйзену исходя из этилацетата (R = H). Вследствие кето-енольной ацетоуксусный эфир существует в виде равновесной смеси двух форм – кетонной и енольной, легко переходящих одна в другую:

кетонная форма (92,5 %) енольная форма (7,5 %)

Обычно енолы неустойчивы, однако в случае -дикарбонильных соединений (β-дикетоны, β-кетоэфиры) большая устойчивость енольных форм объясняется стаби­лизацией за счет сопряжения связей С=С и С=О в устойчивой шести-членной циклической структуре, образованной внутри­молекулярной водород-ной связью между енольным гидроксилом и кислородом карбонильной группы:

Содержание енольной формы увеличивается в среде неполярных растворителей (гексан > эфир > этанол).

В реакциях ацетоуксусный эфир проявляет двойственную реакционную способность – свойство образовывать продукты реакций, соответствующие обеим таутомерным формам, реагируя в одних реакциях в виде кетонной формы, а в других – в виде енола:

Схема 17. Двойственная реакционная способность ацетоуксусного эфира

Синтезы на основе ацетоуксусного эфира. Ацетоуксусный эфир содержит СН₂-группу в -положении к двум карбонильным группам, поэтому атомы водорода метиленовой группы подвижны и отщепля­ются в виде протона под действием оснований. В полученном анионе заряд делокализован:

Полученный натрийацетоуксусный эфир при обработке галогеналканами вступает в реакцию С-алкилирования, причем алкилирование может быть проведено дважды:

анион ацетоуксусного эфира является амбидентным нуклеофилом. Взаимодействие его с RHal приводит к образованию продуктов С- и О-алкили-рования (в зависимости от строения RHal и условий реакции). Как видно из приведенной выше схемы наибольшее значение имеют реакции С-алкили-рования, протекающие при реакции с RHal, способными вступать в реакции SN2. Монозамезамещенные ацетоуксусные эфиры обладают меньшей кислотностью; они лучше ионизируются более сильными основаниями, например, третбутилатом калия. Введение двух одинаковых заместителей проводят последовательно в два этапа, как и в случае различных заместителей.

В ацетоуксусном эфире и его алкильных производных в зависимо­сти от условий реакции могут осуществляться два типа разрывов СС-связи: кетонный (а) или кислотный (б) распад. При этом следует помнить, что

Таким образом, на основе ацетоуксусного эфира могут быть синте- зированы:

(а) кетоны общей формулы

(соответственно одно или два алкилирования и кетонный распад);

(б) моно- и диалкилуксусные кислоты

(соответственно одно или два алкилирования и кислотный рас­пад);

(в) дикетоны и дикарбоновые кислоты по схеме:

В этой схеме натрийацетоуксусный эфир может быть проалкилирован.