А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 06 Алифатические альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты

Это свойство используется для получения разнообразных алкил- и диалкилзамещѐнных ацетоуксусных эфиров. Полученные эфиры могут быть гидролизованы до кислот, которые затем подвергаются кетонному или кислотному расщеплению с образованием кетонов или карбоновых кислот (как было показано выше), а также дикетонов или дикарбоновых кислот — по аналогии с превращениями малонового эфира (гл. 6.6.2).

Синтез монокарбоновых кислот и монокетонов

Синтез одноосновной кислоты или монокетона из ацетоуксусного эфира может быть представлен следующей схемой:

При этом, как видно из схемы, гидролиз сложного эфира проводят в щелочной среде, а так как для осуществления кетонного расщепления необходимо затем провести декарбоксилирование, то реакционная среда для этого не должна быть сильно щелочной. В слабо щелочной среде присутствуют неионизированные молекулы алкилацетоуксусной кислоты, которые и подвергаются декарбоксилированию.

Для решения задачи по синтезу монокарбоновой кислоты или монокетона необходимо представить название целевой кислоты или кетона по рациональной номенклатуре как замещѐнной уксусной кислоты (например, алкилуксусная кислота) или как замещѐнного ацетона (например, алкилацетон). Поскольку фрагмент уксусной кислоты в целевой кислоте и соответственно фрагмент ацетона в целевом кетоне вносится из ацетоуксусного эфира, то, следовательно, достроить углеродную цепь до необходимой длины нужно введением соответствующей алкильной группировки R :

314

Синтез дикарбоновых кислот и дикетонов

Синтез двухосновных кислот и дикетонов может проводиться тремя методами:

а) с использованием двух молей ацетоуксусного эфира и дигалогеналкана. В этом случае целесообразно в синтезируемой дикарбоновой кислоте или дикетоне выделить по два (или соответственно — три) концевых атома углерода, приходящих в неѐ из ацетоуксусного эфира, например:

HOOC CH2 CH CH CH2 COOH

Центральная часть углеводородной цепи достраивается с помощью соответствующего дигалогенопроизводного Br–CHR–CHR –Br. Схема синтеза дикарбоновой кислоты из двух молей ацетоуксусного эфира приобретает следующий вид:

Как видно из приведѐнной схемы, синтез дикетонов (как и рассмотренный ранее синтез монокетонов) из ацетоуксусного эфира полностью аналогичен синтезу дикарбоновых кислот из малонового эфира. А синтез дикарбоновых кислот из ацетоуксусного эфира отличается от синтеза дикетонов лишь условиями (и направлением) расщепления. Поэтому можно предположить, что и другие способы получения дикарбоновых кислот и дикето-

315

нов из ацетоуксусного эфира будут аналогичны синтезам на основе малонового эфира;

б) с использованием двух молей ацетоуксусного эфира и молекулярного йода (этот метод применяется для синтеза янтарной кислоты, еѐ , -сим- дизамещѐнных гомологов, а также для синтеза ацетонилацетона и его гомологов). Для этого в целевой дикарбоновой кислоте или дикетоне необходимо выделить по два (или соответственно — три) концевых атома углерода, вводимых в неѐ из ацетоуксусного эфира, например:

Тогда перед обработкой молекулярным йодом необходимо проалкилировать два моля ацетоуксусного эфира, введя радикал R. Последующее кислотное или кетонное расщепление приведѐт к целевому продукту;

в) с использованием конденсации двух молей ацетоуксусного эфира с молекулой альдегида (этот метод применяется для синтеза глутаровой кислоты, еѐ -замещѐнных гомологов, а также аналогичных дикетонов). Этот метод не рассматривался в синтезах на основе малонового эфира и может применяться здесь вместо использования геминальных дигалогенопроизводных и натриевого производного ацетоуксусного эфира.

Эта реакция аналогична альдольной конденсации альдегидов. Дальнейшее кислотное или кетонное расщепление приведѐт к целевым продуктам.

Синтез оксокарбоновых кислот

Синтез оксокислоты из ацетоуксусного эфира может быть осуществлѐн с использованием одного моля ацетоуксусного эфира и эфира галогенозамещѐнной карбоновой кислоты — путь b. (Этот метод также может быть применѐн для синтеза дикарбоновых кислот — путь а.)

CH3-CO-(CH2)n+1-COOH

316

При этом к оксокислотам приводит кетонное расщепление, а к дикарбоновым кислотам — кислотное расщепление.

6.8.3.СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

1.-Оксокислоты получают либо гидролизом , -дигало- генозамещѐнных карбоновых кислот, либо гидролизом -оксонитрилов, а пировиноградную кислоту — пиролизом винных кислот в присутствии

KHSO4:

t

HOOC-CH2-CO-COOH CH3-CO-COOH

2.Одним из удобных способов получения -оксокислот (в частности, ацетоуксусной кислоты) является конденсация Кляйзена (гл. 6.4.4.3).

3.Возможны способы получения оксокислот из ацетоуксусного эфира, окислением соответствующих гидроксикислот; многие из оксокислот получают специфическими реакциями.

6.8.4.ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ

Пировиноградная кислота — бесцветная жидкость с запахом уксусной кислоты; температура кипения 165 С (с разложением); растворима в воде.

Пировиноградная кислота участвует в различных биохимических процессах и потому имеет важное биологическое значение; является промежуточным продуктом в процессах молочнокислого и спиртового брожения, в биосинтезе аминокислот.

Получают пиролизом винной кислоты.

Ацетоуксусный эфир — бесцветная жидкость с приятным запахом; температура кипения 181 С.

Кетоформа ацетоуксусного эфира в чистом виде представляет собой кристаллы с температурой плавления -39 С.

Промышленным способом получения является сложноэфирная кон-

денсация Кляйзена этилацетата.

317

Ацетоуксусный эфир широко применяют в тонком органическом синтезе (в частности, в фармацевтической промышленности, в производстве красителей).

6.9. АМИНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ

Аминокарбоновые кислоты (или более общее название аминокислоты) можно определить как производные углеводородов, которые содержат в составе молекул карбоксильные и аминогруппы. Простейшим представителем является NH2-CH2-COOH аминоэтановая кислота. (Хотя существует ещѐ более простой пример карбаминовая кислота NH2-COOH, но из-за больших отличий в еѐ химическом поведении от прочих аминокислот карбаминовая кислота здесь не рассматривается).

Среди аминокарбоновых кислот наиболее распространѐнными и биологически значимыми являются -аминокислоты (см. далее, в классификации) с общей формулой R-CH(NH2)-СOOH. Они представляют собой структурные элементы многих природных соединений, главным образом пептидов и белков. В настоящее время известно свыше 100 природных -аминокислот, из которых только около 26 обнаружены в белках (табл. 6.7), а 20 аминокислот входят практически во все белковые молекулы.

6.9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ АМИНОКИСЛОТ

Молекулы аминокарбоновых кислот могут содержать одну или несколько карбоксильных групп –COOН и, соответственно, одну или несколько аминогрупп –NН2. Поэтому среди аминокислот можно выделить:

а) моноаминомонокарбоновые кислоты, например:

б) моноаминодикарбоновые кислоты, например:

в) диаминомонокарбоновые кислоты, например,

318

г) диаминодикарбоновые кислоты и т.д.

Моноаминомонокарбоновые кислоты также классифицируют на-аминокислоты, -аминокислоты и т.д. в зависимости от взаимного расположения карбоксильной и аминогрупп:

Помимо структурных видов изомерии, в том числе изомерии положения NН2-группы относительно карбоксильной (иллюстрацией тому служит существование -аминокислот, -аминокислот и т.д.), важной для понимания строения, свойств и биологической роли аминокислот является стереоизомерия.

По аналогии с гидроксикислотами молекулы всех -аминокислот, кроме глицина, содержат асимметрический атом углерода, поэтому возможно наличие оптических изомеров, описываемых данной структурной формулой. Эти соединения могут быть причислены к R- или S-ряду, исходя из определения их абсолютной конфигурации (гл. 1.7.1). Однако часто для различия оптических изомеров аминокислот определяют их относительную конфигурацию, то есть отнесение к D- или L-ряду. Для классификации оптических изомеров гидроксикислот используют совпадение пространственного расположения заместителей у асимметрического атома углерода с расположением заместителей в D- или L-изомере глицеринового альдегида. Почти все природные -аминокислоты принадлежат к L-ряду (D-аминокислоты встречаются только в составе белков микроорганизмов):

Важнейшие природные ,L-аминокислоты приведены в табл. 6.7. Всем L-аминокислотам, за исключением цистеина, соответствует S-конфигурация асимметрического центра.

319

Таблица 6.7

Важнейшие природные ,L-аминокислоты и их изоэлектрические точки

320

* В скобках даѐтся однобуквенное обозначение, рекомендуемое ИЮПАК.

Изолейцин, треонин и гидроксипролин имеют два асимметрических атома и могут быть представлены в виде четырѐх оптических изомеров:

В водном растворе часть L-аминокислот вращает плоскополяризованный свет влево, часть вправо. При этом в кислом растворе большинство L-аминокислот являются правовращающими, т. е. некоторые аминокислоты при переходе в область значений рН << 7 из левовращающих становятся правовращающими.

6.9.2. СТРОЕНИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Аминокислоты представляют бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и труднее в органических растворителях. Для них характерны высокие температуры плавления, причѐм процесс плавления обычно сопровождается разложением.

За счѐт наличия двух функциональных групп аминокислоты обладают как свойствами карбоновых кислот, так и аминов. Однако в поведении этих веществ, как и многих других бифункциональных соединений, есть свои особенности, что вызвано взаимодействием амино- и карбоксильной групп.

6.9.2.1. Кислотно-оснόвные свойства

Молекулы аминокарбоновых кислот содержат две группы, противоположные по кислотно-основному характеру: кислотную карбоксильную группу и оснόвную аминогруппу. В связи с этим они могут образовывать внутренние соли, которые можно представить в виде диполярных ионов (или цвиттер-ионов от нем. Zwitterion гибридный ион). Например, для-аминокислот:

321

Диаминокарбоновые кислоты по основности сравнимы с первичными алифатическими аминами, аминодикарбоновые кислоты по кислотности с карбоновыми кислотами.

6.9.2.2. Свойства карбоновых кислот и аминов

Аминокислотам присущи многие свойства первичных аминов. Это можно показать на схеме:

При этом реакция с азотистой кислотой может быть использована для количественного определения аминогрупп (метод Ван-Слайка). А взаимодействием с формальдегидом можно определить число свободных карбоксильных групп (при дальнейшем титровании щѐлочью – формольное титро-

вание метод Сѐренсена).

Аминокислоты образуют различные функциональные производные по карбоксильной группе; возможно также еѐ восстановление или удаление (при декарбоксилировании). Например:

[H] R-CH-CH2OH NH2

Ba(OH)2, t o R-CH2-NH2 -BaCO3

323