А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 03 Производные алканов

В определѐнной степени краун-эфиры моделируют действие некоторых природных веществ (например, антибиотика пептидной природы валиномицина), облегчающих транспорт ионов через клеточные мембраны.

Синтезируют краун-эфиры алкилированием этиленгликоля, диэтиленгликоля НОСН2СН2ОСН2СН2ОН,

триэтиленгликоля НОCН2СН2ОСН2СН2ОСН2СН2ОН подходящими реагентами, например, 2,2 -дихлордиэтиловым эфиром O(CH2CH2Cl)2.

3.4.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ

Простые эфиры применяются для ингаляционного наркоза. Как анестетики, они во многом похожи на галогенопроизводные алифатического ряда. С увеличением длины углеродной цепи в алкильных группах эфиров наркотическое действие их на организм и токсичность возрастают. Из простых эфиров в медицинской практике применяется только этиловый эфир.

Природные соединения типа краун-эфиров играют большую роль в биологических системах — они осуществляют транспорт ионов через биологические мембраны.

Метаболическое отщепление О-алкильных групп из молекул эфиров (О-дезалкилирование) — не простая замена алкоксигруппы гидроксилом, а процесс окисления. Под действием ферментов образуется -оксид, который и распадается спонтанно до альдегида (в случае первичной алкоксигруппы) или кетона (в случае вторичной алкоксигруппы):

В эфирах с более длинными алкильными группами, чем этильные, вначале окисляется алкильная цепь ( -гидроксилирование) как в случае метаболизма алканов (гл. 2.6), а процессы дезалкилирования для них вторичны.

Диэтиловый эфир — бесцветная жидкость со своеобразным эфирным запахом, очень летуч, его пары тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде, а вода плохо растворима в эфире.

Диэтиловый эфир хорошо растворяет различные органические вещества, поэтому его широко применяют в качестве растворителя для экстракции и для металлорганического синтеза. В медицине диэтиловый эфир применяют для общего наркоза.

Целлозольвы — моноалкиловые эфиры гликоля, являются хорошими растворителями, особенно для растворения сложных эфиров целлюлозы.

1,2-Диметоксиэтан (диметиловый эфир этиленгликоля) и

136

Диглим (диметиловый эфир диэтиленгликоля) — хорошие растворите-

ли, растворяют также некоторые неорганические соли за счѐт сильной сольватации ионов металлов.

Этиленоксид — бесцветный газ с эфирным запахом, хорошо растворимый в воде и в органических растворителях; температура кипения 11 С.

Широко применяется в органическом синтезе, особенно для получения ценных растворителей и поверхностно-активных веществ.

Тетрагидрофуран (1,4-эпоксибутан, тетраметиленоксид) — бесцвет-

ная жидкость с запахом эфира, растворима в воде и органических растворителях; температура кипения 66 С. Хорошо сольватирует ионы различных металлов. Широко применяется в качестве растворителя.

3.5. ЭФИРЫ МИНЕРАЛЬНЫХ КИСЛОТ

Это такие, как эфиры неорганических кислот (серной, фосфорной и др.), которые имеют общую формулу R–O–Z, где Z в отличие от углеводородного радикала простых эфиров — остаток минеральной кислоты, обладающий сильным акцепторным эффектом.

3.5.1. ЭФИРЫ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Серная кислота может образовывать как кислые, так и полные эфиры. При этом кислые эфиры могут быть названы и как замещѐнная серная кислота.

Связь С–О в молекулах этих соединений в значительной степени поляризована, в связи с чем атом углерода является высоко реакционноспособным электрофильным центром:

+ O

R'-CH2 O SOH O

Поэтому эфиры серной кислоты легко вступают в различные реакции нуклеофильного замещения сульфатной группы, превращаясь в другие производные алканов. На этом основано их применение в качестве эффективных

137

алкилирующих агентов (главным образом для алкилирования спиртов, фенолов):

вчастности, диметилсульфат применяется для метилирования, диэтилсульфат — для этилирования.

Образование кислых эфиров протекает легко при растворении спиртов

вконцентрированной серной кислоте. Механизм реакции здесь близок к SN1 или пограничный между SN1 и SN2 даже в случае первичных спиртов, так как диссоциации субстрата способствуют эффективное протонирование и дегидратация, осуществляющиеся концентрированной серной кислотой, а нуклеофильность гидросульфат-иона крайне низка. Все эти факторы свидетельствуют о преобладании мономолекулярного механизма данной реакции.

Диалкилсульфаты образуются при взаимодействии спиртов с хлорсульфоновой кислотой или с олеумом, например:

Диметилсульфат — бесцветная жидкость, малорастворим в воде, но хорошо — в органических растворителях; температура кипения 189 С. Очень ядовит, проникает в организм через кожу и через дыхательные пути.

Получают диметилсульфат из метанола и олеума. Широко применяется в качестве метилирующего агента, в частности, для получения целого ряда лекарственных препаратов (триметина, анальгина, метилкофеина и т.д.).

Диэтилсульфат — бесцветная жидкость, нерастворим в воде; температура кипения 210 С. Очень ядовит.

Получают диэтилсульфат из этанола и олеума или при насыщении концентрированной серной кислоты этиленом. Широко применяется в качестве этилирующего агента.

138

точнее полифосфорных кислот, в организме аккумулируют и переносят энергию (гл. 7.1.3).

3.6. ТИОСПИРТЫ И ТИОЭФИРЫ

Названия этих классов соединений означают, что они являются тиоаналогами соответственно спиртов и эфиров. С другой стороны, их можно рассматривать как органические производные сероводорода, в которых один или два атома водорода замещены предельными углеводородными радикалами: R-SH и R-S-R соответственно.

Сами соединения называют обычно по заместительной и радикалофункциональной номенклатурам ИЮПАК. Например:

Тиоспирты (меркаптаны, алкантиолы, или просто тиолы) во многом отличаются от своих кислородных аналогов. Так, их первые представители, в отличие от спиртов, плохо растворяются в воде и кипят при значительно более низких температурах. Например, метилмеркаптан при обычных условиях

— газ (температура кипения 6 С), а метиловый спирт — жидкость (температура кипения 64 С). Эти различия определяются способностью к образованию водородных связей за счѐт ОН-групп в спиртах и SH-групп в меркаптанах.

Меркаптаны обладают неприятным запахом, который обнаруживается в чрезвычайно малых концентрациях. Например, запах метилмеркаптана чувствуется уже при содержании его в воздухе 2.5 10-7%.

Тиоэфиры (сульфиды) — это также бесцветные соединения с неприятным запахом. Их температуры кипения выше, чем у аналогичных простых эфиров. Низшие представители являются жидкостями.

Тиоспирты обладают слабокислыми свойствами (для этантиола рКа = 10.6), и кислотность их выражена сильнее, чем спиртов (на 4 5 порядков) за счѐт большей поляризуемости атома серы по сравнению с кислородом (подобно тому, что H2S является более сильной кислотой, чем H2O). Поэтому с водными растворами щелочей они образуют соли, например:

С2Н5-SH + NaOH С2Н5-S Na+ + H2O

140

Тиоляты являются сильными нуклеофилами и легко алкилируются. Это типичная реакция нуклеофильного замещения, в которой субстратом обычно является галогеналкан:

R-S Na+ + R -X R-S-R + NaX

Образующиеся тиоэфиры могут алкилироваться дальше. Продуктом исчерпывающего алкилирования является соль триалкилсульфония:

Например, горчичный газ (или иприт), ClCН2CН2SCН2CН2Cl может само-

произвольно превращаться с образованием хлорида тризамещѐнного сульфония. Это внутримолекулярная SN2-реакция:

Наличие трѐхчленного малого цикла придаѐт ему высокую реакционную способность. Он легко подвергается нуклеофильной атаке аминогруппами, входящими в состав белковых молекул, что приводит к алкилированию белка. В этом состоит причина кожно-нарывного действия горчичного газа и поражения слизистых оболочек.

Как тиоспирты, так и тиоэфиры являются очень слабыми основаниями, значительно слабее, чем их соответствующие кислородные аналоги.

Тиолы и сульфиды легко окисляются до различных продуктов. Тиоспирты при окислении йодом образуют дисульфиды R-S-S-R, более энергичные окислители могут их окислить до алкансульфоновых кислот R-SO3H:

KMnO4 R-SO3H

Тиоэфиры окисляются до сульфоксидов и сульфонов (например, пероксикислотами R-COOOH — гл. 6.4.6):

Тиоспирты и тиоэфиры могут быть получены взаимодействием галогеналканов с кислыми и средними солями сероводородной кислоты:

141

Na+ SH + R-X R-SH + NaX

Na2+ S 2- + R-X R-S-R + 2NaX

Это типичные реакции нуклеофильного замещения галогеналканов. Тиоэфиры могут быть получены также из тиоспиртов, как было пока-

зано выше.

В промышленности для получения меркаптанов и сульфидов используют каталитическое алкилирование сероводорода спиртами в газовой фазе

(при 330 400 С):

Диметилсульфид — бесцветная летучая жидкость с неприятым запахом. Получают каталитически из метанола и сероводорода. Используют для производства диметилсульфоксида.

Горчичный газ, иприт — бесцветная жидкость; температура кипения 215 С. Очень токсичное вещество кожно-нарывного действия. Получают взаимодействием этилена с хлоридами серы.

Некоторые поли- и гетерофункциональные тиолы образуют прочные комплексы с ионами тяжѐлых металлов, на чѐм основано их использование в качестве противоядий (антидотов) при отравлении соединениями ртути, свинца, кадмия, сурьмы, мышьяка. Одним из первых антидотов был 2,3-димеркаптопропан-1-ол (британский антилюизит, БАЛ). Позже нашли применение такие тиолы, как 2-амино-3-меркапто-3-метилбутановая кислота (пеницилламин) и 2,3-димеркаптопропансульфонат натрия (унитиол).

3.7. НАСЫЩЕННЫЕ АМИНЫ

Насыщенные амины можно рассматривать как производные предельных углеводородов, то есть это продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле алкана одной или несколькими аминогруппами (-NН2) или же — как производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены углеводородными радикалами.

142

3.7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ

Если рассматривать амины как производные аммиака, то в зависимости от числа углеводородных радикалов у атома азота их можно разделить на первичные, вторичные и третичные:

По количеству аминогрупп в молекуле можно выделить моноамины

(например, C2H5-NН2), диамины (например, NН2-CH2CH2-NН2) и т.д.

Для названия аминов применяются как радикало-функциональная, так и заместительная номенклатуры ИЮПАК, однако могут применяться и другие виды номенклатур (например, «а»-номенклатура).

По радикало-функциональной номенклатуре перечисляются названия углеводородных радикалов и добавляется слово «амин». Например:

Однако по радикало-функциональной номенклатуре удобно называть только моноамины или другие несложные по структуре соединения. Для веществ, молекулы которых содержат несколько функциональных групп, применение радикало-функциональной номенклатуры часто бывает затруднительно, но в отдельных случаях она может использоваться, например:

NH2-CH2CH2CH2-NH2 — триметилендиамин

Заместительная номенклатура более универсальна. При названии первичных аминов функциональная группа (-NH2) называется суффиксом «-амин», добавляемым к названию углеводорода, а в присутствии старших групп — приставкой «амино». Например:

143

Однако для вторичных и третичных аминов допускаются и другие названия. Углеродная цепь одного из углеводородных радикалов выбирается за основу, а атом азота с имеющимися у него другими углеводородными радикалами является заместителем, название которого присутствует в названии амина в виде приставки.

Тривиальные названия насыщенных аминов не столь широко распространены, однако можно отметить: NH2CH2CH2CH2CH2NН2 — путресцин, NH2CH2CH2CH2CH2CH2NН2 — кадаверин, (CН3)3N — рыбный газ.

Для аминов характерны те же виды изомерии, что и для спиртов. Однако солям третичного и четвертичного аммония присуща и оптическая изомерия, когда хиральным центром является тетраэдрический атом азота. Например, для катиона третичного аммония:

CH2CH2CH3

3.7.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Низшие предельные амины представляют собой газы или жидкости с запахом, похожим на аммиак; с увеличением длины углеводородного радикала запах изменяется и напоминает запах рыбы. Амины с бóльшим числом углеродных атомов или двумя первичными или вторичными аминогруппами могут быть также кристаллическими веществами; такие амины запахом не обладают.

144

Температуры кипения насыщенных аминов выше, чем неполярных соединений, но ниже, чем спиртов и кислот. Это связано с ассоциацией молекул аминов из-за образования водородных связей, однако эти связи менее прочны, чем в воде или спиртах.

Амины хорошо растворимы как в воде (особенно низшие), так и в органических растворителях.

3.7.3. СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Атом азота в молекулах насыщенных аминов имеет гибридизацию

лѐнной пары электронов азота амины могут проявлять оснóвные и нуклеофильные свойства. А в том случае, когда хотя бы вместо одного углеводородного радикала у атома азота присутствует атом водорода, то есть имеется сильно полярная связь N–Н, амины могут проявлять и кислотные свойства.

3.7.3.1. Кислотность

Первичные и вторичные амины проявляют слабые кислотные свойства, немного уступая в этом аммиаку и сильно — спиртам. Так, для метанола pKa = 15.2, а для метиламина рKa 36. Так же как и в случае спиртов, кислотные свойства уменьшаются в гомологическом ряду аминов и по мере разветвления углеводородного радикала. По той же причине первичные амины обладают самыми высокими кислотными свойствами из первичных, вторичных и третичных. Поэтому со щелочными металлами даже первичные амины взаимодействуют очень медленно:

R-NН2 + Na R-NHNa + 1 2 H2

алкиламид натрия

Кислотные свойства проявляются и в реакциях аминов с металлорганическими соединениями (реакция Чугаева–Церевитинова, в которой происходит отщепление протона от молекулы амина и образование более слабой кислоты — метана):

R2N-Н + CH3-MgI R2N-MgI + CH4

3.7.3.2. Основность

Амины легко протонируются кислотами

145