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

Нуклеофилами здесь обычно являются аммиак, амины, спирты, вода, их анионы, а также могут быть анионы карбоновых кислот, галогениды фосфора и серы.

В целом для карбоновых кислот и их производных замещение протекает легче, чем нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода (в галогеналканах, спиртах, эфирах, аминах). Это происходит по двум причинам: 1) большей доступностью sp2-гибридизованного атома углерода в карбоксильной (или ацильной) группе по сравнению с sp3-гибридизованным в насыщенных соединениях; 2) более легким разрывом -связи в карбоксильной (или ацильной) группе по сравнению с разрывом -связи С–Х при SN2- механизме у sp3-гибридизованного атома углерода.

На скорость реакций ацилирования в большинстве случаев оказывают влияние кислотные катализаторы (протонные кислоты и кислоты Льюиса). При этом механизм катализа будет зависеть от типа кислоты:

Но производные карбоновых кислот между собой могут сильно различаться по своей реакционной способности. На это влияют два фактора: величина донорного мезомерного эффекта заместителя X и устойчивость аниона уходящей группы Х .

В меньшей степени мезомерный эффект проявляется для Фтор наиболее электроотрицателен, и донорный эффект его незначителен. Электроотрицательность от хлора к йоду

уменьшается, но в том же ряду сильно увеличиваются разме- ры орбиталей внешнего энергетического уровня (на котором находится неподелѐнная пара электронов), поэтому взаимодействие такой орбитали с C=О связью будет всѐ менее эффективным в этом ряду галогенов. Напротив, наибольшим донорным эффектом обладает аминогруппа, так как азот менее электроотрицателен, чем фтор и кислород. (Ещѐ больше +М- эффект в анионах солей

264

так как на частице делокализуется целочисленный отрицательный заряд. Это практически исключает взаимодействие с нуклеофилами таких частиц, и поэтому нуклеофильное замещение в анионах солей карбоновых кислот обычно не рассматривается.)

Устойчивость аниона уходящей группы для галогенов является наиболее высокой (галогенид-ионы — это анионы сильных кислот), а в противоположность им амид-ион малостабилен, так как является анионом слабой кислоты — аммиака.

Таким образом, все ацильные производные и сами кислоты можно расположить в следующий ряд уменьшения реакционной способности в реакци-

ях нуклеофильного замещения: галогенангидриды, ангидриды, кислоты, сложные эфиры, амиды.

В этих реакциях замещения в преобладающем числе случаев одни ацильные производные превращаются в другие. Галогенангидриды будут легко превращаться как в сами кислоты, так и в другие их производные. А наоборот, амиды с большим трудом вступают в эти реакции: в жѐстких условиях и в присутствии кислотного или основного катализатора.

Превращение галогенангидридов в кислоты, ангидриды, сложные эфиры, амиды, а также в кетоны представлено на схеме:

Реакции идут легко, энергично, с большим тепловыделением. Применения катализатора не требуется. Последнее из приведѐнных превращений может использоваться в качестве одного из способов получения кетонов.

Механизм реакции, как и в случаях взаимодействия с нуклеофилами других ацильных производных, SN2. Например:

265

Однако для галогенангидридов (только!) возможен и SN1-механизм. На первой стадии образуется ацилий-катион, который дальше взаимодействует с нуклеофильной частицей:

Такой механизм наблюдается обычно в сильнокислой среде (концентрированная серная кислота, а также кислоты Льюиса), которая способствует диссоциации связи С–Х в молекулах галогенангидридов.

Ангидриды кислот — тоже высокореакционноспособные соединения и легко превращаются в кислоты и другие ацильные производные, кроме галогенангидридов, и по сравнению с галогенангидридами реагируют медленнее:

Нуклеофильной атаке подвергается один из карбонильных атомов углерода

— тот, который более доступен и на котором бóльший эффективный положительный заряд.

Сами карбоновые кислоты в большинство SN-реакций вступают в присутствии катализатора и/или при сильном нагревании. Так, для получения из кислот ангидридов обычно используется оксид фосфора (V) или оксид алюминия при нагревании, а галогенангидриды из кислот можно получить только при использовании таких мощных галогенирующих средств, как галоге-

266

ниды фосфора и серы (например, PCl5, SOCl2). Механизм реакции с тионилхлоридом возможно такой :

Общую схему превращения кислот в ацильные производные можно представить следующим образом:

Превращение карбоновых кислот в сложные эфиры (т.е. реакция этерификации) всегда протекает в присутствии кислотного катализатора в виду их низкой активности по отношению к спиртам, еѐ механизм:

Такие ацильные производные, как сложные эфиры, ненамного отличаются по реакционной способности от карбоновых кислот, если реакцию проводят в присутствии кислотного катализатора. Кислотный гидролиз сложных

267

эфиров является реакцией обратной этерификации, и все стадии его механизма осуществляются в обратном порядке:

Однако для третичных алкиловых эфиров (R = трет-алкил) механизм кислотного гидролиза может быть несколько иным:

В этом случае наблюдается разрыв связи O–Csp3, а механизм реакции можно классифицировать как SN1 у насыщенного атома углерода.

При оснóвном же катализе сложные эфиры даже более реакционноспособны, так как кислоты в щелочной среде превращаются в малоактивные карбоксилат-ионы, и реакция становится необратимой. К тому же нуклеофильной частицей здесь является более активный гидроксид-ион:

Общую схему превращений сложных эфиров по ацильной группе можно представить так:

268

R''

Взаимодействие с молекулой другого спирта R OH и образование нового сложного эфира (это реакция переэтерификации) протекает по механизму, аналогичному гидролизу сложных эфиров. А взаимодействие с реактивами Гриньяра сначала даѐт кетоны (как показано в схеме), а затем избыток реактива Гриньяра превращает кетоны в третичные спирты (гл. 6.1.4.1, п. 6). Образование кетонов — это тоже реакция нуклеофильного замещения, которая в этом случае протекает через образование четырѐхцентрового переходного состояния:

Амиды карбоновых кислот труднее всего вступают в нуклеофильное замещение по ацильной группе, и единственной реакцией, имеющей практическое значение, здесь является гидролиз в кислой или щелочной среде с образованием карбоновой кислоты (или карбоксилат-иона). Например, для N,N-дизамещѐнных амидов:

269

Соли карбоновых кислот в реакции замещения по карбонильному атому углерода не вступают (см. строение карбоксилат-аниона), но в кислой среде они превращаются в карбоновые кислоты, и реакция замещения протекает как с карбоновыми кислотами:

6.4.4.3. Реакции с участием -водородных атомов

Одна из таких реакций — это бромирование (или иногда хлорирование) карбоновых кислот в присутствии красного фосфора (реакция Гелля– Фольгарда–Зелинского*), протекающее по схеме:

Br / Pкр.

R–СН2–COОH 2 R–СНBr–COОH

Роль фосфора сводится к образованию на первой стадии трибромида фосфора, который, вступая в реакцию с молекулой кислоты, превращает еѐ в галогенангидрид (см. выше):

P + Br2 PBr3

Образовавшийся бромоангидрид в енольной форме подвергается дальнейшему бромированию, а при взаимодействии со второй молекулой карбоновой кислоты происходит замещение в ацильной группе:

В результате образуется молекула -галогенозамещѐнной карбоновой кислоты и молекула галогенангидрида, которая дальше вступает в реакцию бромирования в енольной форме.

270

Использование избытка брома может привести к получению дибромозамещѐнных кислот:

Br / Pкр.

R–СНBr–COОH 2 R–СBr2–COОH

Хлорирование так же, как и бромирование, протекает по электрофильному механизму, но возможно хлорирование и по радикальному механизму. В этом случае реакция будет проходить не только по -углеродному атому, например:

Помимо галогенирования для рассматриваемых соединений возможны и другие реакции с участием -водородных атомов. Эти реакции, вызванные проявлением CН-кислотности данного структурного фрагмента, в бóльшей степени характерны для сложных эфиров, чем для кислот и амидов, которые обладают ОН- и NН-кислотностью.

К таким реакциям относится конденсация Кляйзена*, в которую вступают две молекулы сложного эфира:

ОС Н

2 R-СН2-СООС2Н5 2 5 . R-СН2-СО-СНR-COОС2Н5 + С2Н5ОН

Механизм реакции включает в себя отрыв протона от -углеродного атома под действием алкоголятов с образованием новой нуклеофильной частицы, которая атакует вторую молекулу сложного эфира:

Далее реакция развивается так же, как и при любом другом нуклеофильном замещении в ацильной группе. Заканчивается реакция отрывом алкоголятаниона и образованием оксоэфира:

К реакциям с участием -водородных атомов можно отнести также образование кетенов при действии сильных органических оснований на галогенангидриды кислот. При этом протекает реакция отщепления и замыкается

-связь (гл. 6.2.1).

271

6.4.4.4. Декарбоксилирование кислот и их солей

Декарбоксилирование может наблюдаться при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочами (при 200 300 С). Эта реакция используется для получения низших алканов. Здесь в условиях сильного нагревания происходит нуклеофильное замещение алкильного радикала:

Пиролиз бариевых или кальциевых солей карбоновых кислот также приводит к декарбоксилированию и служит одним из лабораторных способов получения кетонов:

Декарбоксилирование может наблюдаться и при электролизе натриевых и калиевых солей карбоновых кислот (реакция Кольбе):

R + R R - R

Реакция проводится в водном или водно-метанольном растворе. При этом образуются алканы с чѐтным числом атомов углерода в молекуле, и поэтому электролиз является одним из лабораторных способов получения предельных углеводородов (гл. 2.5).

По радикальному механизму также происходит декарбоксилирование серебряных солей карбоновых кислот при обработке их хлором или бромом

(реакция Бородина*):