Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоорганическая химия конспект лекций. Учебное пособие для студентов I курса, обучающихся по специальности «Лечебное дело»
.pdf
4. Гидролиз геминальных дигалогенопроизводных
OH
OH
-H2O
толуол
CH
3
2 Сl
hν
2
хлористый
бензилиден
CHCl
2
-HCl
2H
O
2
5. Реакция Розенмунда (восстановление хлорангидридов кислот)
O
H2/kat
Cl
R
O
Cl
H
2
Pd/BaSO4/S
R
O
;
H
(S - каталитический яд)
6. Реакция Фриделя–Крафтса
O
H
CH3C(O)Cl
CH
AlCl
,80°C
3
ацетофенон
3
7. Окисление углеводородов
O
H
бензальдегид
O
H
CH
3
V2O
O
5
2
O
H
CrO3,CH3COOH
8. Гидроформилирование алкенов (оксосинтез)
Важный способ получения альдегидов, заключается в присоединении CO
и водорода к алкену в присутствии карбонилов некоторых металлов (в основном
Сo и Rh):
kat, t, p
-CH=CH2+CO+H
CH
3
2
Cо(CO)
CH3-CH2-CH2-C(O)H + (CH3)2CHC(O)H
4
Некоторые важные альдегиды и кетоны
Формальдегид HC(O)H – обладает резким раздражающим запахом, хорошо
растворим в воде. Формальдегид склонен к полимеризации, давая линейный
олигомер – параформ:
HO-(CH2O)n-HnCH2=O
71
При взаимодействии с аммиаком образуется гексаметилентетрамин (уротропин − антисептик).
N
CH2=O
+NH
3
N
N
N
уротропин
Водный 40%-й раствор формальдегида, стабилизированный 8%-го метанола,
называется формалином – антисептическое средство.
Ацетальдегид CH3C(O)H – низкокипящая жидкость с резким запахом.
Ацетальдегид обладает наркотическим действием. Его тетрамер (метальдегид)
используется в качестве топлива (сухой спирт):
H3C
CH3-CH=O
0°С
H3C
O
O
O
O
CH
CH
3
3
метальдегид
Акриловый альдегид CH2=CH-C(O)H – слезоточивая жидкость с резким
запахом, образуется при термическом разложении жиров (кухонный чад).
Ацетон CH3-C(O)-CH3 – бесцветная жидкость с характерным запахом. Образуется как продукт аномального расщепления углеводов у больных сахарным
диабетом (ацетоновые тела). Применяют как растворитель красок, лаков.
Бензальдегид C6H5-C(O)H – бесцветная жидкость с запахом горького миндаля. Пары бензальдегида обладают слезоточивым действием. В природе встречается в виде цианогидрина C6H5CH(OH)CN – составная часть гликозида амигдалина, найден в семенах растений семейства розоцветных.
Карбоновые кислоты
Карбоновыми кислотами называются соединения, содержащие функциональную группу -СООН (карбоксильная группа).
Соединения, содержащие одну карбоксильную группу, называются одноосновными карбоновыми кислотами, две − двухосновными и т.д. Органические
кислоты могут быть предельными (насыщенными) − карбоксил связан с алкилом
R-СООН; непредельными (ненасыщенными) − карбоксил связан с непредельным
радикалом (СН2=СН-СООН − акриловая); ароматическими − карбоксильная
группа связана с углеродным атомом бензольного ядра (бензойная кислота).
Кислоты, содержащие карбоксильные группы в боковой цепи, рассматриваются
как жирноароматические (С6Н5-СН2-СООН − фенилуксусная). Номенклатура
ИЮПАК разрешает сохранять для многих кислот их тривиальные названия:
НСООН – муравьиная кислота (содержится в яде муравьев), СН3СООН – уксусная
кислота (основной компонент винного уксуса), масляная СН3СН2СН2СООН – выделена из коровьего масла и т.д. Для более сложных случаев названия кислот
производят от названия углеводородов с тем же числом атомов углерода, что и в
72
молекуле кислоты, нумерацию кислот начинают с атома углерода карбоксильной
группы, с добавлением суффикса -овая кислота. Так, муравьиную кислоту можно
назвать по-другому метановая кислота, уксусную – этановая. Иногда при составлении рациональных названий кислот с родственной цепью углерода их
рассматривают как производные уксусной кислоты. Например, (СН3)3С-СООН
триметилуксусная кислота.
α-метилмасляная изомасляная масляная 3-фенилпропановая
кислота кислота кислота кислота
H
C
O
2
HCC
H3C OH
CH
3
-метилмаслянная
кислота
O
HCC
H3C
CH
3
изомаслянная
кислота
OH
H
C
H3C OH
O
2
C
C
H
2
маслянная кислота
H
C
O
2
C
C
H
2
3-фенилпропановая
кислота
OH
Названия ароматических карбоновых кислот образуют добавлением слов
«карбоновая кислота» к названию родоначального углеводорода. В качестве аль-
тернативы иногда допускается использование суффикса «-ойная». Замещенные
ароматические карбоновые кислоты бензольного и нафталинового рядов называют как производные бензойной и нафтойной кислот.
COOH
COOH
1
2
COOH
1
2
бензолкарбоновая
(бензойная) кислота
3
NO
44
2
Cl
3-нитро-4-хлорбензолкарбоновая
кислота (3-нитро-4-хлорбензойная)
4-гидрокси-1-нафтойная
кислота
3
OH
Физические свойства
Первые три представителя ряда насыщенных карбоновых кислот подвиж-
ные жидкости с характерным острым запахом, смешиваются с водой в любых
соотношениях. Кислоты, в молекуле которых содержится от 4 до 9 атомов угле-
рода масляные жидкости с неприятным запахом, растворимость их в воде невелика. Высшие кислоты (от С
обладают малой летучестью, нерастворимы в воде. На физические свойства карбоновых кислот большое влияние оказывает их способность к ассоциации с образованием циклических димеров за счет водородных связей. Температуры кипения
карбоновых кислот выше, чем у спиртов, имеющих ту же молекулярную массу.
Карбоновые кислоты ряда
соединения с т. пл. более 100 °С. Плохо растворяется в холодной и лучше в
горячей воде.
H
OH
CH
C
O
3
НСООН т. кип. 101 С, CH
H3C
O
C
O
) – твердые вещества, не имеют запаха, поскольку
10
бензола – бесцветные кристаллические
COOH т. кип. 118 С
3
73
Строение карбоксильной группы
Группы С=О и ОН, образующие карбоксильную группу, взаимно влияют
друг на друга и значительно отличаются по свойствам от соответствующих
групп в альдегидах (кетонах) и спиртах. Электронное строение карбоксильной
группы и карбоксилат-аниона можно представить следующим образом:
δ
+δ
H2C
R
-
R
O
C
O
O
δ
+
C
O
H
+δ
;
H+
R
C
O
R
O
C
O
O
-1/
-1/
2
2
R
O
C
O
+ δ
Электронная плотность в группе С
= О-δ смещена в сторону атома кисло-
рода. Вследствие этого на карбонильном атоме углерода создается недостаток
электронной плотности, и он стягивает на себя неподеленные электронные пары
атома кислорода гидроксильной группы (одна из НПЭ атома кислорода
гидроксильной группы делокализована перекрыванием с π-орбиталью
карбонильной группы). В результате атом углерода карбоксильной группы
становится менее
электрофильным, чем атом углерода в карбонильной группе
альдегидов и кетонов, а электронная плотность связи О-Н смещается в сторону
атома кислорода. Водород становится подвижным и приобретает способность
отщепляться в виде протона. Таким образом, кислотные свойства соединений,
содержащих карбоксильную группу, объясняются сопряжением двойной связи
карбонильной группы с неподеленной парой атома кислорода гидроксильной
группы.
В водных растворах карбоновые кислоты диссоциируют и образуют карбоксилат-анион. Его электронное строение можно представить как резонансный гибрид двух энергетически эквивалентных структур.
В карбоксилат-анионе отрицательный заряд распределяется поровну между
двумя атомами кислорода. Такое выравнивание электронной плотности в молекуле по сравнению с предельными резонансными структурами с
энергетической
точки зрения более выгодно. Это явление также облегчает легкость отщепления
протона от гидроксильной группы кислот.
Наличие по соседству с карбоксильной группой электроноакцепторных
группировок, особенно в α-положении, уменьшает электронную плотность на атоме углерода карбонильной группы и стабилизирует карбоксилат-ион, уменьшая
его основность, это приводит к увеличению силы кислоты:
Cl
H
C
O
2
C
O
R
C
O
O
Наоборот, введение донорных заместителей приводит к уменьшению силы
кислоты (например, уксусная кислота более слабая, чем муравьиная).
74
γ
Примеры:
Cl3C
C
O
OH
>
ClH2C
H3C
C
O
OH
C
O
O
O
C
R
O
O
OH
>
H3C
>
H
C
C
O
OH
>
H3CH2C
O
C
OH
pKa
0.66 2.85 3.77
4.76
4.86
По мере удаления электроноакцепторного заместителя от карбоксильной
группы его влияние на кислотность быстро ослабевает.
α
CH
pKa 2.86
CH(Cl)C OOH
3CH2
>>
β
CH
CH(Cl)CH2COOH ClCH2CH2CH2COOH CH3CH2CH2COOH
3
4.05 4.52 4.82
>
В целом органические карбоновые кислоты – слабые: слабее чем НСl,
HNO
, но сильнее чем угольная кислота.
3
COOH
>
>HCOOH
CH
COOH
3
Бензойная кислота является более слабой кислотой, чем муравьиная, но более сильной, чем уксусная. Согласно этим данным фенильная группа является менее сильным донором, чем метильная, и сильнее стабилизирует карбоксилатанион.
-δ
O
+
δ
C
O
H
+H2O
O
C
O
+H3O
Электроноакцепторные заместители в ароматическом ядре повышают
кислотность бензойных кислот, электронодонорные – оказывают противоположное действие.
COOH
>
NO
2
м-нитробензойная
кислота
pKa
3.49 4.21
75
COOH
>
H3CO
п-метоксибензойная
кислота
4.47
COOH
Химические свойства
В карбоновых кислотах имеется три реакционных центра:
-δ
O
+δ
R
III (замещение H)
C
H
O
I(кислотные свойства)
H
II (замещение OH)
1. Образование солей
Обладая выраженным кислым характером, карбоновые кислоты легко образуют соли при действии металлов, гидроксидов металлов, карбонатов металлов,
аммиака или аминов.
O
R C
O
H
а) с металлами:
2 RCOOH + Са→ (RCOO)2Ca + Н2 ↑
б) со щелочами:
RCH2COOH + NaOH → RCH2COONa + Н2O
в) с карбонатами металлов (H2CO3 < RCH2COOH):
RCH2COOH + Na2CO3 → RCH2COONa + CO2 + Н2O
г) с аммиаком:
RCH2COOH + NH3 (20°С) → RCH2COONH4
2. Реакция этерификации (образование сложных эфиров)
R
C
OH
O
HOCH
H
3
R
O
C
OCH
сложный эфир
3
3. Образование галогенангидридов (замена ОН на Х)
R
O
Cl
+H3PO
4
O
а)
3C
C
R
OH
PCl
3
3
б)
в)
R
R
C
C
O
OH
O
OH
PCl
SOCl
5
2
R
R
O
+POCl3+HCl
C
Cl
O
+SO2+HCl
C
Cl
76
4. Образование ангидридов кислот
дрид
а) дегидратация кислот:
Этот способ применим не
для всех кислот. Так получают, например, уксусный
анги
.
R
R
C
C
O
OH
OH
O
t, P2O
-H2O
-H
3PO4
O
C
5
R
O
C
R
O
б) взаимодействие солей кислот с их галогенангидридами (этот способ бо-
лее универсален):
O
H3C
C
ONa
O
°
O
+
C
Cl
CH
3
t
H3C
H3C
C
C
O
O
+NaCl
5. Взаимодействие с аммиаком, аминами (образование амидов)
При 20 °С образуются аммонийные соли, которые при нагревании превращаются в амиды.
а)
R
C
O
OH
NH
20°C
3
R
O
C
ONH
-H2O
4
t
R
C
O
NH
амид
2
б)
R
в)
C
O
OH
R'-NH
R
C
t
O
OH
2
NHR'R"
R
t
O
C
NH-R'
+H2O
C
R
R'
O
N
+H2O
R"
6. Декарбоксилирование
Способность к отщеплению диоксида углерода обнаруживают и карбоновые
кислоты, и карбоксилат-ионы. При термическом декарбоксилировании карбоновой кислоты образуется соответствующий углеводород:
R
O
C
OH
t
HR+CO
2
Низшие алифатические кислоты, в том числе уксусная, подвергается декарбоксилированию при сплавлении с твердым гидроксидом натрия:
H3C
C
ONa
NaOH, t°
O
сплавление
CH
↑
4
+Na2CO
3
77
Алифатические и ароматические карбоновые кислоты отщепляют диоксид
углерода в присутствии различных катализаторов, содержащих медь:
H3C
O
C
OH
Cu
хинолин
CH
4
+CO
R-алкил или арил
2
Электролиз солей карбоновых кислот также протекает с отщеплением диоксида углерода и известен как реакция Кольбе. В этой реакции наблюдается димеризация углеводородного фрагмента (реакция не имеет широкого препаратного
значения):
R
O
C
ONa
HOH
электролиз
R-R + 2 CO
+NaOH+H
2
2
Соли карбоновых кислот с сильно электроноакцепторной группой (CN,
NO
, C=O и т.п.) в α-положении легко декарбоксилируются при нагревании без
2
добавления катализаторов.
7. Галогенирование кислот (замещение – Н на Х). Реакция Геля – Фоль-
гарда – Зелинского
Водородные атомы углеводородных радикалов в кислотах по реакционной
способности подобны атомам Н в алканах. Исключение составляют атомы Н, находящиеся у αТак, при действии Cl
PCl
и др.) на карбоновые кислоты или на хлорангидриды кислот происходит за-
3
углеродного атома (непосредственно связанного с карбоксилом).
или Br2 в присутствии переносчиков галогенов (P, PBr3,
2
мещение α-водородов на галоген:
Cl
Cl
C
H
C
OH
O
Cl
2
-HCl
Cl3C
O
C
OH
H3C
C
OH
O
PCl3/I2,hv
Cl
H
2
Cl
α
-хлоруксусная кислота
2
C
C
OH
O
Cl
2
-HCl
8. Реакции окисления
Одноосновные карбоновые кислоты, как правило, устойчивы к действию
окислителей. Легко окисляется лишь муравьиная кислота и кислоты с третичным
атомом углерода в α-положении:
H
3
H3C
C
H
CH
C
OH
C
O
O
OH
[O]
[O]
HO
HO
H3C
H3C
C
OH
C
O
O
α
C
α
-оксиизомасляная кислота
OH
CO2+H2O
Муравьиная кислота дает реакцию серебряного зеркала она содержит
альдегидную группу.
78
9. Восстановление
Сильные восстановители, такие как алюмогидрид лития, восстанавливают
кислоты до спиртов:
R
C
OH
O
LiAlH
эфир
4
RCH
2
;
OH CH3COOH
1. LiAlH
2. H2O, H
4
CH3CH2OH (95%)
+
Производные карбоновых кислот
К производным карбоновых кислот относятся любые соединения, которые
при гидролизе (кислом или щелочном) образуют карбоновые кислоты. Важнейшими являются следующие:
R
O
C
ONa
R
C
OR'
O
R
C
Hal
O
R
C
NH
O
O
C
2
R O
O
C
R'
соли сложные эфиры
1) Реакция Кольбе:
H
2
C
R
O
C
ONa
2) Реакция Дюма:
R
O
C
ONa
NaOH, t°
3) Пиролиз кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот. Синтез альде-
гидов и кетонов.
O
CH3C
OH
галогенангидриды
амиды
СВОЙСТВА СОЛЕЙ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
HOH
-CH2R+2CO2+NaOH +H
2
катод
2CO3
O
Ca
3
синтез алканов
O
C
CH
3
t°
H3C
электролиз
сплавл.
CaCO
3
RCH
R-H + Na
O
O
C
CH
анод
O
C
ангидриды
2
CH
3
+CaCO
3
H
O
C
R
+CaCO
3
O
O
C
H
O
Ca
O
C
R
79
t°
4) Взаимодействие с минеральными кислотами:
H
CH3(CH2)16COONa + HCl
а)
COONa
б)+HCl
CH3(CH2)16COOH + NaCl
стеариновая кислота
COOH
+NaCl
5) Взаимодействие с галогеналкилами (образование сложных эфиров):
CH3I
CH3COONa
t
CH
Анионы карбоновых кислот – RCOO
COOCH3+NaI
3CH2
-
более сильные нуклеофилы, чем
RCOOH и гладко образуют сложные эфиры, даже со вторичными RX. За счет де-
локализации отрицательного заряда карбоксилат-ионы являются слабыми основаниями и не вызывают реакции элиминирования.
СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Сложными эфирами называются функциональные производные карбоно-
вых кислот общей формулой RC(O)OR′.
Получение:
+
а)
RCOOH + R'OH
H
RCOOR' + H
O(реакция этерификации)
2
H
t
RCOOR' + HCl
+
RCOOR' + RCOOH
б)
в)
O
C
R
(RCO)
+R'OH
Cl
O+R'OH
2
O
г)
COOH + HC≡CH
CH
3
t
kat
H3C
C
O
CH
винилацетат
2
Сложные эфиры низкомолекулярных и среднемолекулярных кислот и спиртов − жидкости с приятным фруктовым запахом, высокомолекулярных − твердые
вещества без запаха.
Свойства:
переэтерификация
RCOOR'' + R'OH
O
R'OH +
C
R
R''OH
H+или OH
NR
2
R2NH
LiAl
O
C
R
-
OR'
4
H2O, H
H2O
NaOH
RCH2OH + R'OH
+
RCOOH + R'OH
RCOONa + R'OH (необратима)
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]