Учебник Органическая химия Щеголев 2016

Прямое окисление алкенов протекает по схеме:

Например, эпоксиэтан образуется при окислении этена кислородом воздуха на серебряном катализаторе при 250 С:

CH2=CH2 O2/Ag CH2 - CH2

O

Эта реакция имеет большое промышленное значение. Мировое производство этиленоксида составляет 5 млн т в год.

Эпоксипроизводные других алкенов можно получить применением органических пероксикислот (RCOOOH) в качестве окислителя — это реакция Прилежаева* (гл. 4.1.4.3, 6.4.6).

3.4.4.3. Краун-эфиры

Краун-эфиры — циклические полиэфиры, содержащие 9 60 атомов в цикле, в том числе от 3 до 20 эфирных атомов кислорода. Они открыты Чарльзом Педерсеном в 1960-х годах, за что ему в 1987 году (совместно с Дональдом Крамом и Жан-Мари Лѐном) была присуждена Нобелевская премия.

Эти макроэфиры представляют собой бесцветные кристаллические или маслообразные вещества, устойчивые к действию кислот и оснований.

Ч. Педерсеном была предложена также и номенклатура краун-эфиров, общие правила которой заключаются в следующем. Название краун-эфира включает: 1) общее число атомов макроцикла, 2) термин «краун», 3) число атомов кислорода, то есть число эфирных звеньев в кольце краунсоединения. Имеющиеся в этой молекуле ароматические или циклогексановые кольца обозначают приставками бензо- и циклогексил-. Например:

O

O O

O O

O

дибензо-18-краун-6

151

Эти номенклатурные правила не всегда точно могут описать тип связей в соединении и положение заместителей, однако они очень удобны для обычных краун-эфиров с симметричными и сравнительно простыми структурами.

Самое важное свойство краун-эфиров — образование комплексов с металлами. Полость внутренней части, например, такой молекулы:

O

O O

O O

O

достаточна по размеру для того, чтобы там разместился ион калия, а наличие шести атомов кислорода обеспечивает возможность образования прочной системы координационных связей:

+

O

OO

K

OO

O

Чем ближе ионный диаметр металла к диаметру полости макроцикла, тем устойчивее комплекс. Так, 18-краун-6 больше подходит для ионов калия, а 15-краун-5 — для ионов натрия. Поэтому комплексы такого типа достаточно хорошо растворимы в органических растворителях.

В общем случае наличие полости в центре макроциклической полиэфирной системы обусловливает способность таких соединений поглощать неорганический катион, размер которого соответствует размеру этой полости, и удерживать его там за счѐт сильных ион-дипольных взаимодействий положительного заряда иона с неподелѐнными электронными парами шести атомов кислорода, обрамляющих полость.

Применение краун-эфиров в органических реакциях связано с образованием таких катионных комплексов, что делает возможным растворение неорганических солей в неполярных растворителях и способствует образованию несольватированного аниона. Это приводит к возрастанию основности аниона и, кроме того, за счѐт малого размера несольватированный анион в качестве нуклеофила способен атаковать пространственно затруднѐнные реакционные центры.

152

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

153

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

154

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.

155

3.5.2.ЭФИРЫ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ

Всоответствии со структурой ортофосфорной кислоты возможно образование и существование еѐ алкиловых эфиров:

Эфиры фосфорной кислоты в обычных условиях — достаточно стабильные соединения, но в кислой или щелочной среде могут подвергаться гидролизу. Эти реакции являются типичным нуклеофильным замещением у атома углерода эфирной связи, причѐм гидролиз кислых фосфатов обычно ускоряется в кислой, а полных — в щелочной среде:

Это, по-видимому, связано со способностью кислых эфиров к диссоциации с образованием соответствующего аниона, который не взаимодействует с гидроксид-ионом.

Но в целом в щелочной среде гидролиз протекает необратимо вследствие стабильности аниона уходящей группы (фосфат-анион) и невозможности осуществления по нему нуклеофильной атаки.

Эфиры фосфорной кислоты получают главным образом из галогенидов фосфора и спиртов. Например:

POCl3 + 3 C2H5OH O=P(OC2H5)3 + 3 HCl

триэтилфосфат

Кислые фосфаты получают также взаимодействием спиртов с оксидом фосфора (V).

Эфиры фосфорной кислоты в живых организмах играют две ключевые роли. Во-первых, они служат структурными компонентами клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Основу клеточных мембран составляют фосфолипиды (гл. 6.5.6). Остов нуклеиновых кислот состоит из рибозо- и дезокси-

156

рибозофосфатных цепей (гл. 12.5.5). Во-вторых, эфиры фосфорной кислоты, 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

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):

158

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

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

159

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.

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: