Слесарев. Основы Химии живого

Усиление кислотных свойств

Усиление кислотных свойств

= >

Резкое усиление кислотных свойств 2,4,6-тринитрофенола (пикри­ новой кислоты) обусловлено не только согласованным действием электроноакцепторных нитрогрупп, но и стабилизацией его аниона за счет эффективной делокализации отрицательного заряда.

Наряду с кислотными свойствами спирты за счет неподеленной электронной пары на кислородном атоме могут также проявлять очень слабые основные свойства, образуя алкилоксониевый катион по донорно-акцепторному механизму:

Образование алкилоксониевого катиона спиртов в заметных ко­ личествах возможно только в достаточно концентрированных растворах сильных кислот (c(H2S04) > 25 % ).

Таким образом, спирты, хотя и проявляют амфотерность, но и кислотные, и основные их свойства чрезвычайно слабы. Од­ нако во многих реакциях спирты на начальной стадии ведут себя как кислоты, или как основания, или как амфолиты. При этом происходит гетеролитический разрыв полярных связей или R—-ОН, или RO—Н.

Химические реакции, в которые вступают спирты, можно разделить на три группы:

-реакции, сопровождающиеся только замещением атома водорода гидроксильной группы, т. е. с разрывом связи RO—Н;

-реакции, сопровождающиеся замещением или отщеплени­ ем гидроксильной группы, т. е. с разрывом связи R—ОН;

-окислительно-восстановительные реакции, в которых од­ новременно могут принимать участие электроны RO—Н и R—ОН

431

связей гидроксильной группы, а также связи С—Н и С—С сосед­ них с ней групп.

Реакции, сопровождаемые разрывом связи RO—Н. В этих реакциях молекула спирта, отдавая катион водорода, выступает как кислота, хотя и очень слабая. Однако все спирты способны при взаимодействии со щелочным металлом замещать свой ка­ тион водорода на катион щелочного металла:

2R0—Н + 2Na —► 2R0Na + H2t

Многоатомные спирты, как более сильные кислоты, к тому же способные образовывать устойчивые комплексные соедине­ ния - хелаты, реагируют в щелочной среде с гидроксидами d-

металлов:

Реакция с Си(0 Н)2 сопровождается появлением интенсивной си­

ней окраски, поэтому она используется как качественная реак­ ция на многоатомные спирты.

Э те ри фи ка ци я. Спирты реагируют с кислородсодержащи­ ми кислотами с образованием соответствующего сложного эфира и воды, т. е. новых устойчивых соединений. Эта реакция назы­ вается этерификацией. Спирты вступают в реакцию этерифика-

ции с органическими кислотами в присутствии каталитических количеств сильных минеральных кислот, а также непосредст­ венно с минеральными кислотами (HNO3, H2SO4, Н3РО4):

Первой стадией реакции этерификации является превращение карбоновой кислоты в активную электрофильную частицу. Это происходит в результате присоединения протона добавленной сильной кислоты к карбонильному атому кислорода карбоновой кислоты с образованием дигидроксикарбкатиона - активного

электрофила:

/°н

сн3— + н+ сн3—с+ он он

В дальнейшем происходит атака электрофилом нуклеофильного центра на атоме кислорода молекулы спирта с образованием сложного эфира и отщеплением молекулы воды и протона:

432

о с 2нб

этиловый эфир уксусной кислоты

Реакция этерификации обратима, так как вода в присутст­ вии кислот или щелочей разлагает сложные эфиры на исход­ ные вещества. Такой гидролитический распад сложных эфиров называется гидролизом в случае кислой среды или омылением в

случае щелочной среды.

Особенностью реакций этерификации, происходящих в орга­ низме, где содержание воды превышает 50 % , заключается в том, что они протекают в суботрат-ферментном комплексе. В этом комплексе вокруг реакционного центра, за счет определенной конформации белка фермента, располагаются в основном его не­ полярные фрагменты, что способствует удалению воды из зоны реакции в результате гидрофобных взаимодействий и благопри­ ятствует этерификации субстрата.

Этерификация спиртов под действием концентрированной азотной кислоты приводит к образованию алкилнитратов RONO2. Так, из глицерина образуется тринитрат глицерина - чувст­

вительное и мощное взрывчатое вещество. В медицинской практике оно используется в небольших дозах как сосудорас­ ширяющий препарат под неправильным названием "нитрогли­ церин" (общая формула нитросоединений R—NO2, a R—-ONO2 -

общая формула нитратов):

тринитрат глицерина

При этерификации спиртов концентрированной серной ки­ слотой образуются алкилсерные кислоты ROSO3H:

С2Н5ОН + H2S04(KOH4) —► C2H50S03H + Н20

Эта реакция используется для получения эффективных поверх- ностно-активных веществ алкилсульфатов ROS(>3Na - произ­

водных прямоцепочечных спиртов (R = Сю -С^), используемых для приготовления синтетических моющих средств (разд. 26.6, 27.3.3).

Этерификация различных спиртов фосфорной кислотой иг­ рает важную биологическую роль, так как образующиеся алкил-

фосфорные кислоты R0 P0 (0 H)2 и диалкилфосфорные кислоты

(R0 )2P0 (0 H) - важные компоненты многих метаболических про­

цессов и сами являются важными метаболитами: АТФ, нуклеи­ новые кислоты, фосфолипиды.

Поскольку при этерификации спиртов карбоновыми кислота­ ми происходит формальное замещение водородного атома гидро­ ксильной группы на ацильную группу, то этот процесс часто на­ зывается реакцией ацилирования, а в случае этерификации ук­

сусной кислотой, когда вводится группа СНзС^^, - реакцией

ацетилирования. Эти термины широко используются при описа­

нии биохимических процессов наряду с общим термином " этерификация" (разд. 19.2.2).

Реакции, сопровождаемые разрывом связи R—ОН. Гидро­ ксильная группа спирта может атаковаться жестким электрофи­ лом реагента (Н+) по жесткому нуклеофильному центру - атому кислорода. При этом образуется промежуточный оксониевый комплекс, т. е. спирт выступает как основание. Оксониевый комплекс неустойчив и, отщепляя воду, превращается в алкиль­ ный карбкатиону который активно взаимодействует с нуклео­

фильной частицей реагента. В результате происходит реакция нуклеофильного замещения гидроксильной группы спирта. На­ пример, под действием НВг или лучше HI (сильные кислоты) происходит замещение гидроксильной группы спирта на гало- генид-анион:

— ► (СНз)зС+ + Г — ► (СНз)3С— I

алкильный

карбкатион

Эта реакция лучше всего протекает с третичными спиртами, так как они более сильные основания и их карбкатион наиболее устойчив. Если не удалять воду, то реакция спирта с галогеноводородом обратима, особенно в случае НС1. Поэтому реакцию ведут в присутствии водоотнимающего средства (H2SO4 (конц)) или используют галогенангидриды РС15, РВГ5, POCI3, PCI3, PI3, SOCI2, которые даже при следовых количествах воды, связывая

ее, являются источником безводных галогеноводородов.

М е ж м о л е к у л я р н а я д е г и д р а т а ц и я с п и р т о в . Безводные спирты при нагревании (Т < 140 °С) в присутствии небольших количеств H2SO4 (конц) подвергаются межмолеку-

лярной дегидратации с образованием простых диалкиловых эфиров:

434

н

H

В этом случае молекулы спирта выступают как амфолит, так как одна молекула спирта, которая присоединила протон с об­ разованием оксониевого иона, выступает как основание, а дру­ гая молекула спирта, реагируя с алкильным карбкатионом и отщепляя протон, выступает как кислота.

Межмолекулярная дегидратация первичных алканолов идет с хорошим выходом. В случае вторичных и особенно третичных алканолов лучше протекает их внутримолекулярная дегидрата­ ция с образованием алкенов. Подобная реакция происходит и с первичными спиртами, но при избытке кислоты и температуре более 180 °С. В отличие от межмолекулярной, внутримолеку­ лярная дегидратация спиртов с образованием алкенов является

окислительно-восстановительной реакцией.

Окислительно-восстановительные реакции спиртов. Сопос­

тавим реакции дегидратации спиртов, протекающие межмолекулярно (А) и внутримолекулярно (Б), с позиции изменения сте­ пеней окисления углеродных атомов спирта:

Как видно из этой схемы, внутримолекулярная дегидратация спирта сопровождается изменением степеней окисления углерод­ ных атомов и является реакцией самоокисления-самовосстанов- ления (дисмутации) за счет атомов углерода. Проанализируем окислительно-восстановительные превращения первичных, вто­ ричных и третичных карбкатионов:

Из приведенных схем видно, что самоокисление-самовосстанов­ ление наиболее вероятно в карбкатионе с третичным углерод­ ным атомом, так как у него наибольшая степень окисления + 1 .

Это полностью согласуется с известным фактом, что внутримо­ лекулярная дегидратация легче всего происходит у третичных спиртов. Использование степеней окисления углеродных атомов в молекулах спиртов позволяет объяснить с новой позиции пра­ вило Зайцева:

При внутримолекулярной дегидратации спиртов преиму­ «щественное отщепление протона происходит от сосед­

него наименее гидрогенизированного углеродного атома

Среди ближайших к реакционному центру углеродных атомов наименее гидрогенизированный всегда имеет наибольшую сте­ пень окисления и соответственно максимальную протонодонорную способность, что и отражает правило Зайцева.

В организме реакция дегидратации спиртов происходит под действием ферментов в субстрат-ферментном комплексе, где от­ щеплению воды способствуют гидрофобные взаимодействия с неполярными фрагментами белков в области реакционного цен­ тра. При катализе обратной реакции - гидратации белок фер­ мента так изменяет свою конформацию, что в области реакци­ онного центра повышается содержание полярных фрагментов, что способствует обогащению центра молекулами воды и проте­ канию реакции гидратации. Реакции гидратации и дегидрата­ ции постоянно имеют место при распаде и синтезе углеводов и высших жирных кислот и играют большую роль в жизнедея­ тельности организмов.

Дегидрирование спиртов. При пропускании паров спирта при 200-300 °С над мелко раздробленным металлом: Си, Ag, Pt, Pd - происходит выделение свободного водорода - дегид­ рирование, первичные спирты окисляются в альдегиды, а вто­ ричные - в кетоны:

Реакция дегидрирования является реакцией внутримолеку-

436

+ 1 0

становления водородных атомов (2Н + 2е —► Н2). Причем пе­

редача электронов, по-видимому, происходит через металл-катали- затор, выполняющий роль посредника в этом процессе. Третичные спирты дегидрированию не подвергаются ввиду отсутствия в их молекулах водородного атома при атоме углерода, связанном с гидроксильной группой.

В организме дегидрирование спиртов происходит под действи­ ем дегидрогеназ с соответствующими коферментами, но свободный водород при этом не выделяется (разд. 9.3.5):

Л

R— СН2— ОН + НАД+ -------- ► R— Сх + НАД(Н) + Н+

Н

Это связано с тем, что два электрона от а-углеродного атома спирта переходят к углеродным атомам НАД+, а не атомам во­ дорода молекулы спирта. Атом водорода —0--Н-группы спирта уходит в виде Н+ во внутриклеточную жидкость, а атом водо­ рода при а-углеродном атоме непосредственно переходит к ато­ му углерода в образующейся молекуле НАД(Н) (разд. 9.3.3).

Окисление спиртов. Частичное окисление спиртов КМп04 или К2СГ2О7 в кислой среде приводит в случае первичных спир­

тов к альдегидам, а вторичных спиртов - к кетонам:

Поскольку альдегиды в отличие от кетонов легко окисляются в соответствующие карбоновые кислоты, то частичное окисление первичного спирта часто происходит до карбоновой кислоты.

Частичное окисление третичного спирта требует более же­ стких условий и происходит с разрывом межуглеродных свя­ зей, ближайших к гидроксигруппе, с образованием карбоновой кислоты и кетона:

При горении происходит полное окисление спиртов с обра­ зованием оксида углерода(1У) и воды:

437

17.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕНОЛОВ

Кислотно-основные свойства. Кислотность фенолов значи­ тельно выше (на 5-6 порядков), чем кислотность спиртов. Это оп­ ределяется двумя факторами: большей полярностью связи О—Н из-за того, что неподеленная электронная пара атома кислорода вовлечена в сопряжение с бензольным кольцом (гидроксильная группа - сильный донор по +М-эффекту), и значительной ста­ билизацией образующегося фенолят-иона за счет делокализации отрицательного заряда с участием ароматической системы:

Н+ ptfa=10,0

В отличие от алканолов фенолы при действии щелочей об­ разуют соли - феноляты, растворимые в водных растворах ще­ лочей (pH > 12). Однако фенолы плохо растворимы в водных растворах гидрокарбонатов щелочных металлов (pH » 8 ), так как

в этих условиях феноляты подвергаются полному гидролизу. Основные свойства фенола выражены значительно слабее (на

4-5 порядков), чем у спиртов. Это связано с тем, что сопряжение неподеленной электронной пары кислородного атома с л-электро- нами бензольного кольца в образующемся катионе нарушено:

Q— Н 4- Н+

Ацилирование. Этерификация карбоновыми кислотами в при­ сутствии H2SO4, характерная для спиртов, в случае фенола идет

медленно из-за низкой нуклеофильности его кислородного цен­ тра. Поэтому для получения сложных эфиров фенола применяют более сильные электрофилы - хлорангидриды RC0C1 или ангид­ риды [(RC0 )2 0 ] карбоновых кислот в безводных условиях:

Алкилирование фенола. Нуклеофильность кислородного цен­ тра в фенолятах значительно выше, чем в феноле. Так, при об­ работке фенолята натрия галоидными алкилами образуются про­ стые эфиры фенолов:

C6H50Na + R—Вг —► СбН5—О—R + NaBr

438

|Все рассмотренные реакции фенолов происходят по связи 0-1Н. Реакции с разрывом связи| С—О в фенолах, т. е. реакции замещения гидроксильной группы в феноле, в организме не происходят.

+НС] + 2Н20

в►том комплексе из всех лиганцов фенолят-анион - самый ак- Т И шый нуклеофил и восстановитель. Он способен передать один

ЭЛ ктрон электрофилу и окислигелю - катиону железа(Ш) - с

об >азованием во внутренней сф<ере ион-радикальной системы, со, (ержащей феноксильный радикал (С6Н50*), что приводит к

по хвлению интенсивной окраскф

+2

[Fe(H20 )4 СвН5ОН •СвН60 - р 2 — [Fe(H20)4 СвНбОН СбН50*]С12

П<: добное образование радикалЬв во внутренней сфере ком плрксного соединения за счет внутрисферного окислительново Ьстановительного процесса мс|жет происходить и в субстрат- ф(! рментных комплексах организма. При этом радикальная час­ ти: ца может или оставаться связанной во внутренней сфере, или стиновиться свободной при выходе из этой сферы.

Рассмотренная реакция с F^C13 свидетельствует о легкости

окЦисления фенола, особенно его аниона. Еще легче окисляются mi огоатомные фенолы. Так, гидрохинон (особенно его дианион) лс^ко окисляется за счет углеродных атомов в 1,4-бензохинон:

Гидрохинон используется в фотографии, поскольку он восст шавливает AgBr в фотографической эмульсии на засвечен­ ных участках быстрее, чем на незасвеченных.

Соединения, содержащие 1,4-хиноидную группировку, назы­ вают хинонами. Хиноны - типичные окислители, образующие

соответствующими гидрохиноцами равновесную сопряженную

439

окислительно-восстановительную пару (разд. 9.1). Такая пара в коферменте Q участвует в процессе окисления субстрата за счет дегидрирования (разд. 9.3.3) и переноса электронов по элек­ тронотранспортной цепи от окисляемого субстрата к кислоро­ ду (разд. 9.3.4). Витамины группы К, содержащие нафтохиноновую группировку, обеспечивают свертывание крови на воз­ духе.

Электрофильное замещение по бензольному кольцу. Бла­ годаря электронодонорному эффекту гидроксильной группы фе­ нол значительно легче вступает в реакции электрофильного за­ мещения, чем бензол. Гидроксильная группа ориентирует атаку электрофила в о- и я-положения. Например, фенол обесцвечи­ вает бромную воду при комнатной температуре с образованием 2,4,6-трибромфенола:

Вг

2,4,6-трибромфенол

Фенол легко нитруется даже разбавленной азотной кислотой:

ОН ОН

•a sLg a u ( o f N°2 + [QJ + н2о

no2

о-нитрофенол п-нитрофенол

ОН

o2n. no2

Н20

А no2

2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота)

Активность фенола в реакциях электрофильного замещения настолько велика, что он реагирует даже с альдегидами. Эта реакция поликонденсации лежит в основе получения различ­ ных фенолоформальдегидных смол, широко используемых в промышленности. При проведении поликонденсации в кислой среде образуются бакелитовые полимеры, а в щелочной среде,

где реакция идет глубже из-за высокой активности фенолятаниона, - резольные полимеры:

440