Яцюк, Зубкова _Основы биоорганической химии
.pdf
может существовать в виде двух резонансных структур (1 и 2). В катионе (2) на электрофильном центре существует полный положительный заряд, а не частичный, как в исходной молекуле карбоновой кислоты, т.е. электрофильный центр активизировался. Далее он атакуется нуклеофильным реагентом – молекулой спирта. Новая связь C-O образуется за счёт неподеленной электронной пары кислорода, поэтому на нем появляется положительный заряд (3). Кислород отщепляет протон водорода, чтобы компенсировать положительный заряд, а протон присоединяется к неподеленной электронной паре другого атома кислорода. Он также получает положительный заряд (4). Далее происходит отщепление молекулы воды и образование катиона (5), для стабилизации которого необходимо отщепление протона водорода (под действием гидросульфат-аниона, оставшегося в реакционной среде). Образуется молекула сложного эфира (6) и серная кислота – катализатор реакции.
Сложные эфиры являются функциональными производными карбоновых кислот, т.е. производными, полученными путем замещения гидроксила в карбоксильной (функциональной) группе на нуклеофил.
Другими функциональными производными карбоновых кислот являются:
|
O |
O |
O |
O |
R-C |
||
|
R-C |
R-C |
|
R-C |
O |
||
Cl |
R-C |
NH2 |
NH-NH2 |
хлорангидриды |
O |
амиды |
гидразиды |
|
ангидриды |
|
|
Все эти производные могут быть получены из карбоновых кислот.
91
Так, хлорангидриды кислот получают при взаимодействии карбоновых кислот с тионилхлоридом (SOCl2) или хлоридом фосфора (PCl5), например:
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
||||
CH3-C |
+ SOCl2 |
|
|
|
CH3-C |
|
|
|
|
+ SO2 |
+ HCl |
||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
Cl |
|
||||||
уксусная |
|
|
|
ацетилхлорид |
|
||||||||||||||||||
кислота |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
+ PCl5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
+ POCl3 + HCl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
бензойная кислота |
|
|
бензоилхлорид |
||||||||||||||||||||
Ангидриды образуются при нагревании карбоновых кислот с водоотнимающими средствами, например с P2O5:
O |
|
O |
|
CH3-C |
|
||
P2O5, to |
CH3-C |
||
OH |
|||
+ |
|
O + H2O |
|
|
|||
OH |
|
CH3-C |
|
CH3-C |
|
O |
|
O |
|
уксусный ангидрид |
Амиды могут быть получены при взаимодействии карбоновых кислот с аммиаком с последующим термическим разложением образующихся аммониевых солей:
|
|
O |
NH |
|
O |
to |
O |
|
|||
CH -CH -C |
CH3-CH2 |
-C |
|
CH3-CH2-C |
+ H2O |
||||||
|
3 |
|
|||||||||
3 |
2 |
OH |
|
|
|
ONH |
|
NH2 |
|
||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
4 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
пропионовая |
|
|
|
пропионат |
|
амид пропионовой |
|
||||
кислота |
|
|
|
|
аммония |
|
кислоты |
|
|||
Функциональные производные карбоновых кислот можно также получить одни из других (менее активные из более активных).
Сравним активность функциональных производных карбоновых кислот в реакциях нуклеофильного замещения. Для этого необходимо сравнить величины частичных положительных заря-
92
дов на электрофильном центре, т.е. рассмотреть влияние замести-
телей на δ+. |
|
O |
O |
|
|
O |
|
δ+ |
|
δ+ |
|||
|
|
R-C .. |
|
|
||
|
R-C .. |
|
R-C |
.. |
||
|
|
Cl |
O-R' |
|
|
OH |
|
хлорангидрид |
сложный эфир |
карбоновая кислота |
|||
|
-ICl > +M Cl |
-I OR'< +M OR' |
-I OH< +M OH |
|||
|
|
|
||||
|
|
O |
|
O |
|
|
|
|
δ+ |
δ+ |
|
|
|
|
R-C |
|
|
|
||
|
|
δ+ O: |
R-C .. |
|
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
R-C |
|
|
|
|
|
|
|
O |
амид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ангидрид |
-I NH2<< +M NH2 |
|
|||
|
-I OCOR < +M OCOR |
|
|
|
||
Атом хлора в хлорангидриде оказывает электроноакцепторное действие, т.е увеличивает величину δ+ на электрофильном центре (активность также увеличивается). Гидроксильная группа в молекуле кислоты и алкокси-группа (OR’) в сложном эфире оказывают примерно одинаковое электронодонорное действие, понижая величину частичного положительного заряда на электрофильном центре, значит, в сравнении с хлорангидридом активность также будет снижаться. Заместитель в молекуле ангидрида кислоты также является электронодонорным, но его влияние распределяется пополам между двумя электрофильными центрами. Величина δ+ уменьшается, но не так сильно, как в случае карбоновой кислоты или сложного эфира. И, наконец, в молекуле амида кислоты электронодонорное действие NH2-группы проявляется наиболее сильно, и активность амидов в реакциях нуклеофильного замещения самая низкая.
Таким образом, ряд убывания активности функциональных производных карбоновых кислот в реакциях нуклеофильного замещения следующий:
хлорангидрид > ангидрид > сложный эфир ≈ карбоновая кислота > амид.
Сравнивая активность функциональных производных карбоновых кислот с позиций «уходящей группы» (см. стр. 50), можно сделать тот же
93
вывод (ведь чем лучше «уходящая группа», тем успешнее протекает реакция).
|
|
|
O |
|
|
- |
R-C |
|
R' O - |
Cl |
|
O- |
||
|
|
|
лучшая уходящая группа (из-за высокой электроотрицательности хлора)
H-O-
плохая уходящая группа (делокализации заряда нет)
хорошая |
плохая |
уходящая группа |
уходящая группа |
(из-за высокой |
(делокализация |
степени делока- |
заряда только |
лизации заряда |
за счет индуктив- |
в сопряженной |
ного эффекта) |
системе) |
|
H2N - |
|
очень плохая |
|
уходящая группа |
|
(делокализации |
|
заряда нет, азот |
|
не столь электро- |
|
отрицателен как |
|
кислород) |
|
Исходя из этого, из хлорангидридов кислот можно получить все остальные функциональные производные, из ангидридов кислот – сложные эфиры, карбоновые кислоты и амиды.
Рассмотрим реакции хлорангидридов кислот:
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
R'-COO-Na+ |
|
R-C |
O |
+ HCl |
реакция ацилолиза |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
R'-C |
|
|
(или ацидолиза) |
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
.. |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
H2O |
|
|
|
реакция гидролиза |
|
|
|
|
|
R-C |
|
+ HCl |
||
|
|
|
|
|
OH |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
.. |
|
|
O |
|
|
|
|
|
R'-OH |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
R-C |
|
+ HCl |
реакция алкоголиза |
|
R-C |
|
|
|
|
OR' |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
Cl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.. |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
NH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R-C |
|
+ HCl |
реакция аммонолиза |
|
|
|
|
|
|
NH2 |
|||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
.. |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
R'-NH2 |
|
R-C |
|
+ HCl |
реакция аминолиза |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
NH-R' |
|
|
94
Все эти реакции протекают по механизму нуклеофильного замещения, нуклеофилами являются, соответственно, карбокси- лат-анион, вода, спирт, аммиак и амин. Реакции протекают активно, не требуют нагревания.
По отношению к хлорангидриду кислоты эти реакции называют гидролиз, аминолиз и т.д. («лизис» – расщепление). С другой стороны, по отношению к спирту, амину и т.д. – это реакции ацилирования (введение в молекулу остатка карбоновой кислоты – ацила). Поэтому ряд убывания активности функциональных производных карбоновых кислот в реакциях нуклеофильного замещения можно также назвать рядом убывания ацилирующей способности.
Из ангидридов карбоновых кислот можно получить все дру-
гие функциональные производные, кроме хлорангидридов:
|
|
|
.. |
|
|
O |
|
|
|
|
H2O |
|
|||
|
|
|
2 R-C |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
.. |
|
|
O |
|
|
|
|
R'-OH |
|
|||
O |
R-C |
+ R-COOH |
|||||
|
|
||||||
|
|
||||||
R-C |
|
|
|
OR' |
|||
|
|
|
|
||||
O |
|
.. |
|
|
|
||
|
|
|
|
||||
R'-C |
|
|
O |
||||
NH3 |
|
||||||
O |
|
R-C |
+ R-COOH |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
NH2 |
||
|
|
|
.. |
|
|
O |
|
|
|
|
R'-NH2 |
R-C |
+ R-COOH |
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
NH-R' |
|
Реакции протекают менее активно, чем с хлорангидридами кислот.
В биохимических процессах важную роль играют смешанные ангидриды карбоновых кислот и фосфорной кислоты – ацилфосфаты.
С их помощью в организме осуществляется перенос ацильных групп к гидроксильным, тиольным и аминогруппам различных соединений:
95
|
|
|
|
|
|
|
R-OH |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3-C |
+ H3PO4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OR |
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
сложный эфир |
||
|
|
|
|
|
R-NH2 |
|
|
O |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3-C |
+ H3PO4 |
||
CH3-C |
-O-P-OH |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NHR |
O OH |
|
|
|
|
|
|
|
амид |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ацетилфосфат |
|
|
|
|
R-SH |
|
|
O |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3-C |
+ H3PO4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тиоэфир |
|
Сложные эфиры вступают в реакции гидролиза и образования амидов.
Гидролиз сложных эфиров проводят в кислой или щелочной среде. Кислотный гидролиз является обратимым процессом:
|
O |
+ |
|
O |
||
CH3-C |
|
|
H |
|
||
+ H2O |
|
|
|
CH3-C |
+ CH3OH |
|
|
|
|||||
|
|
|
||||
|
OCH3 |
|
to |
OH метанол |
||
|
|
|
|
|
||
метилацетат |
|
|
|
уксусная кислота |
||
Щелочной гидролиз сложных эфиров необратим, т.к. в результате реакции образуются соли карбоновых кислот, для которых реакции SN не характерны:
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
+ C2H5OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
C |
+ NaOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
||
|
|
|
|
|
|
|
to |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
OC2H5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ONa |
этанол |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
этилбензоат |
|
бензоат натрия |
|
|||||||||||||||
Реакции гидролиза сложных эфиров протекают не столь активно, как гидролиз ангидридов или галогенангидридов кислот.
Сложные эфиры вступают также в реакции нуклеофильного замещения с аммиаком и аминами с образованием соответствующих амидов:
|
|
.. |
|
|
O |
||
|
|
|
NH3 |
|
|||
|
|
|
CH3-C |
+ C2H5-OH |
|||
|
|
|
|
|
|
||
O |
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
ацетамид |
|||
CH3-C |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
.. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
OC2H5 |
|
|
|
|
O |
||
|
CH3 |
-NH2 |
|
||||
этилацетат |
|
CH -C |
+ C2H5-OH |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
3 |
NH-CH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N-метиламид |
|
96 |
|
|
|
|
|
уксусной кислоты |
|
Амиды карбоновых кислот являются наименее активными функциональными производными. Они подвергаются гидролизу, но только в достаточно жестких условиях (кипячение с водными растворами кислот или щелочей в течение длительного времени).
O |
|
|
|
to |
O |
|
CH3-C |
+ H2O + HCl |
|
CH3-C |
+ NH4Cl |
||
|
||||||
NH2 |
|
|
|
|
|
OH |
ацетамид |
|
|
|
|
|
|
O |
|
to |
|
O |
|
|
CH3-C |
+ NaOH |
|
|
CH3-C |
+ CH3NH2 |
|
|
||||||
NHCH3 |
|
ONa |
||||
|
|
|
||||
N-метиламид |
|
|
|
|||
уксусной кислоты |
|
|
|
|||
За счёт p,π-сопряжения основные свойства амидов понижены в сравнении с аминами. Амиды кислот образуют соли с сильными минеральными кислотами. Предполагают, что при этом амид образует соль за счёт оксониевого основного центра:
|
|
|
+ |
|
δ+ |
O: |
|
O-H |
|
.. + H + |
CH3-C |
|||
CH -C |
||||
3 |
NH |
|
NH2 |
|
|
2 |
|||
|
|
|
||
Амиды могут реагировать также с сильными основаниями, например, амидом натрия, проявляя кислотные свойства:
δ+ |
O |
|
|
O |
|
|
CH3-C |
+ NH3 |
|
CH3-C .. |
+ NaNH2 |
|||
|
N |
H |
|
NHNa |
H
Реакции карбоновых кислот по радикалу
Для насыщенных алифатических карбоновых кислот характерны реакции замещения (галогенирования) по α-положению радикала. Эта реакция известна как реакция Гелль-Фольгарда- Зелинского и проводится в присутствии фосфора:
|
P |
|
CH3-CH2-COOH + Cl2 |
|
CH3-CH-COOH + HCl |
|
||
пропионовая кислота |
|
Cl |
|
|
α-хлорпропионовая |
|
|
кислота |
97
Ненасыщенные карбоновые кислоты вступают в реакции электрофильного присоединения по π-связи, например, для них характерны реакции галогенирования, гидрогалогенирования.
CH2=CH-COOH + Br2 H2O
CH2-CH-COOH
пропеновая кислота
Br Br 2,3-дибромпропановая кислота
Реакции гидрогалогенирования акриловой кислоты протекают против правила Марковникова. Это связано с перераспределением электронной плотности в π,π-сопряженной системе:
δ+ |
δ− |
O |
|
|
|
|
|
|
|
||
CH2 |
=CH-C |
+ HBr |
|
|
CH2-CH2-COOH |
|
|||||
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
Br |
||
пропеновая кислота |
|
||||
|
3-бромпропановая |
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
кислота |
|
Ароматические кислоты вступают в реакции электрофильного замещения (галогенирования, нитрования) по бензольному кольцу. Реакции протекают в жестких условиях, т.к. карбоксильная группа является электроноакцепторным заместителем и дезактивирует кольцо.
|
|
COOH |
|
|
|
COOH |
|||||
|
|
|
|
+ Br2 |
FeBr3 |
|
|
|
|
+ HBr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||||
бензойная |
to |
|
|
|
|
Br |
|||||
|
м-бромбензойная |
||||||||||
кислота |
|
кислота |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
COOH |
|
|
|
COOH |
|||||
|
|
|
|
+ HNO3 |
|
H2SO4 |
|
|
|
|
+ H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
бензойная |
to |
|
|
|
|
NO2 |
|||||
|
м-нитробензойная |
||||||||||
кислота |
|
кислота |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
98
ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ В структуре дикарбоновых кислот присутствуют две кар-
боксильные группы. Алифатические дикарбоновые кислоты классифицируют на насыщенные и ненасыщенные.
Таблица 3
Названия насыщенных алифатических дикарбоновых кислот
|
Строение |
Название по |
Тривиальное |
Название |
|
|
IUPAC |
название |
солей |
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
O |
O |
этандиовая |
щавелевая |
оксалаты |
|
кислота |
|
|
||
|
C-C |
|
кислота |
|
|
|
HO |
OH |
|
|
|
|
O |
O |
пропандиовая |
малоновая |
малонаты |
|
|
||||
|
C-CH2-C |
кислота |
кислота |
|
|
|
HO |
OH |
|
||
|
|
|
|
||
|
O |
O |
бутандиовая |
янтарная |
сукцинаты |
|
C-CH2-CH2-C |
кислота |
кислота |
|
|
|
HO |
OH |
|
||
|
|
|
|
||
|
O |
O |
пентандиовая |
глютаровая |
глютараты |
|
C-CH2-CH2-CH2-C |
кислота |
кислота |
|
|
|
HO |
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примерами ненасыщенных дикарбоновых кислот являются стереоизомеры бутендиовых кислот: малеиновая (цисбутендиовая кислота) и фумаровая (транс-бутендиовая кислота).
H |
|
COOH |
HOOC |
|
H |
|
C |
|
C |
||
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
C |
||
H |
|
COOH |
H |
|
COOH |
малеиновая кислота |
фумаровая кислота |
||||
Для дикарбоновых кислот характерны все свойства монокарбоновых кислот: они проявляют кислотные свойства, образуют функциональные производные. Кроме того, для дикарбоновых кислот характерны и специфические свойства.
99
Кислотные свойства дикарбоновых кислот проявляются сильнее, чем у монокарбоновых. Это можно объяснить электроноакцепторным влиянием одной карбоксильной группы на другую. Среди дикарбоновых кислот самой сильной кислотой является щавелевая. В гомологическом ряду кислотные свойства понижаются, т.к. электронное влияние двух карбоксильных групп затухает, передаваясь по цепи.
Карбоновые кислоты образуют два ряда солей: кислые (за счёт одной карбоксильной группы) и средние (за счёт обеих).
O |
O |
NaOH |
O |
O |
NaOH |
O |
O |
C-C |
|
|
C-C |
|
C-C |
||
OH -H2O |
|
-H2O |
|
||||
HO |
HO |
ONa |
NaO |
ONa |
|||
щавелевая |
|
кислый оксалат натрия |
оксалат натрия |
||||
кислота |
|
|
(мононатриевая соль) |
(динатриевая соль) |
|||
Дикарбоновые кислоты способны образовывать и два ряда функциональных производных: неполные и полные галогенангидриды, моно- и диэфиры, моно- и диамиды).
O |
|
|
|
O |
CH3OH |
|
O |
|
O |
CH3OH |
|
|||
C-CH2-CH2-C |
|
|
C-CH2-CH2-C |
|
||||||||||
|
|
H+ |
|
OCH3 H+ |
||||||||||
HO |
|
|
|
OH |
HO |
|
||||||||
янтарная кислота |
|
|
монометилсукцинат |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
O |
|
|
|
O |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
C-CH2-CH2-C |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
H3CO |
|
|
|
OCH3 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
диметилсукцинат |
|
|
|
|
||||||
O |
O |
SOCl2 |
|
O |
O |
O |
|
O |
||||||
|
C-C |
|
C-C |
|
SOCl2 |
|
C-C |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Cl |
Cl |
Cl |
|||||||
HO |
OH |
|
|
|
HO |
|
||||||||
щавелевая |
|
|
|
неполный |
|
полный |
||||||||
кислота |
|
|
|
хлорангидрид |
|
хлорангидрид |
||||||||
100