Органическая химия

Если возможно образование двух разных продуктов отщепления, то преимущественно образуется наиболее замещенный у двойной связи алкен, который является термодинамически более стабильным (правило Зайцева):

Реакции элиминирования могут протекать, по мономолекулярному (Е1) или бимолекулярному (Е2) механизмам.

Е1-реакции протекают параллельно с реакциями S_N1 и включают две стадии. Сначала образуется карбокатион, от которого затем отщепляется под действием основания протон.

Реакции Е2 протекают параллельно с реакциями S_N2 и включают одну стадию, в ходе которой одновременно происходит разрыв старых и образование новых связей.

Механизм отщепления (Е1 или Е2) определяется теми же факторами, что и соответствующие процессы нуклеофильного замещения (SN1 и SN2).

Конкуренция реакций нуклеофильного замещения и элиминирования

Процессы отщепления и нуклеофильного замещения всегда протекают параллельно, так как все нуклеофилы одновременно являются и основаниями.

Соотношение продуктов отщепления и замещения зависит от природы реагентов и условий проведения реакции. Подбирая условия реакции и реагент, можно добиться преимущественного протекания реакции в нужном направлении.

Факторы, способствующие протеканию отщепления:

1) Высокая основность реагента.

Сильные основания будут атаковать в первую очередь атом водорода в Я -положении, а не углерод. Так, под действием алкоголят-анионов, которые являются сильными основаниями, протекает в основном отщепление, в то время как менее основные тиолят-анионы реагируют по атому углерода и дают продукты замещения:

CH₃-CHI-CH₃ + C₂H₅O^-Na⁺> CH₃-CH=CH₂ + C₂H₅OH + NaI

CH₃-CHI-CH₃ + C₂H₅S^-Na⁺> (CH₃)₂CH-S-C₂H₅ +NaI

Протеканию отщепления способствует не только высокая основность, но и большой объем реагента, что затрудняет его атаку по атому углерода. Поэтому третичные алкоголят-анионы дают , основном, продукты отщепления.

2) Малополярные растворители.

Один и тот же реагент - гидроксид калия, в водном растворе реагирует как нуклеофил с образованием продуктов замещения, а в менее полярном растворителе - спирте дает в основном продукты отщепления.

3) Высокая температура.

Реакции отщепления имеют большую энергию активации, чем реакции замещения, и поэтому их скорость возрастает в большей степени при увеличении температуры.

4) Протеканию отщепления способствует большой объем углеводородного радикала субстрата, что затрудняет атаку реагента по атому углерода. Склонность галогенпроизводных к реакциям отщепления возрастает в ряду:

первичные < вторичные < третичные

Взаимодействие оснований с третичные алкилгалогениды приводит в основном к отщеплению.

Лекция № 11

АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ

Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу С=О. Общая формула:

1. Методы получения

1. Окисление и дегидрирование спиртов (см. лек. № 10).

2. Гидратация алкинов (см. лек. № 7):

3. Ацилирование аренов (см. лек. № 8 ):

4. Восстановление хлорангидридов карбоновых кислот по Розенмунду.

5. Гидролиз гем-дигалогенидов:



2. Химические свойства

Альдегиды и кетоны - один из наиболее реакционноспособных классов органических соединений. Их химические свойства определяются присутствием карбонильной группы. Вследствие большого различия в электроотрицательностях углерода и кислорода и высокой поляризуемости р -связи связь С=О обладает значительной полярностью (µ_С=О=2,5-2,8 D). Атом углерода карбонильной группы несет эффективный положительный заряд и является объектом для атаки нуклеофилов. Основной тип реакций альдегидов и кетонов - реакции нуклеофильного присоединения A_N. Кроме того, карбонильная группа оказывает влияние на реакционную способность связи С-Н в б -положении, повышая ее кислотность.

Таким образом, молекулы альдегидов и кетонов содержат два основных реакционных центра - связь С=О и связь С-Н в б -положении:

2.1 Реакции нуклеофильного присоединения

Альдегиды и кетоны легко присоединяют нуклеофильные реагенты по С=О связи. Процесс начинается с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода. Затем образующийся на первой стадии тетраэдрический интермедиат присоединяет протон и дает продукт присоединения:

Активность карбонильных соединений в A_N-реакциях зависит от величины эффективного положительного заряда на карбонильном атоме углерода и объема заместителей у карбонильной группы. Электронодонорные и объемистые заместители затрудняют реакцию, электроноакцепторные заместители повышают реакционную способность карбонильного соединения. Поэтому альдегиды в A_N-реакциях активнее, чем кетоны:

Активность карбонильных соединений повышается в присутствии кислотных катализаторов, которые увеличивают положительный заряд на карбонильном атоме углерода:

Альдегиды и кетоны присоединяют воду, спирты, тиолы, синильную кислоту, гидросульфит натрия, соединения типа NH₂X. Все реакции присоединения идут быстро, в мягких условиях, однако образующиеся продукты, как правило, термодинамически не устойчивы. Поэтому реакции протекают обратимо, и содержание продуктов присоединения в равновесной смеси может быть низким.

Присоединение воды.

Альдегиды и кетоны присоединяют воду с образованием гидратов. Реакция протекает обратимо. Образующиеся гидраты термодинамически не стабильны. Равновесие смещено в сторону продуктов присоединения только в случае активных карбонильных соединений.

Продукт гидратации трихлоруксусного альдегида хлоральгидрат - устойчивое кристаллическое соединение, которое используется в медицине как успокаивающее и снотворное средство.

Присоединение спиртов и тиолов.

Альдегиды присоединяют спирты с образованием полуацеталей. При избытке спирта и в присутствии кислотного катализатора реакция идет дальше - до образования ацеталей



Реакция образования полуацеталя протекает как нуклеофильное присоединение и ускоряется в присутствии кислот или оснований.

Процесс образования ацеталя идет как нуклеофильное замещение ОН группы в полуацетале и возможен только в условиях кислотного катализа, когда группа ОН превращается в хорошую уходящую группу (H₂O).

Образование ацеталей - обратимый процесс. В кислой среде полуацетали и ацетали легко гидролизуются. В щелочной среде гидролиз не идет. Реакции образования и гидролиза ацеталей играют важную роль в химии углеводов.

Кетоны в аналогичных условиях кеталей не дают.

Тиолы как более сильные нуклеофилы, чем спирты, образуют продукты присоединения и с альдегидами, и с кетонами.



Присоединение синильной кислоты

Синильная кислота присоединяется к карбонильным соединением в условиях основного катализа с образованием циангидринов.

Реакция имеет препаративное значение и используется в синтезе б-гидрокси- и б -аминокислот (см. лек. № 14). Плоды некоторых растений (например, горький миндаль) содержат циангидрины. Выделяющаяся при их расщеплении синильная кислота оказывает отравляющее действие.

Присоединение бисульфита натрия.

Альдегиды и метилкетоны присоединяют бисульфит натрия NaHSO₃ c образованием бисульфитных производных.

Бисульфитные производные карбонильных соединений - кристаллические вещества, не растворимые в избытке раствора бисульфита натрия. Реакция используется для выделения карбонильных соединений из смесей. Карбонильное соединение может быть легко регенерировано обработкой бисульфитного производного кислотой или щелочью:

Взаимодействие с соединениями общей формулы NH₂X.

Реакции протекают по общей схеме как процесс присоединения-отщепления. Образующийся на первой стадии продукт присоединения не устойчив и легко отщепляет воду:

По приведенной схеме с карбонильными соединениями реагируют аммиак, первичные амины, гидразин, замещенные гидразины, гидроксиламин:

Образующиеся производные представляют собой кристаллические вещества, которые используют для выделения и идентификации карбонильных соединений.

2.2 Реакции по б -углеродному атому

Кето-енольная таутомерия.

Водород в б -положении к карбонильной группе обладает кислотными свойствами, так как образующийся при его отщеплении анион стабилизируется за счет резонанса:

Результатом протонной подвижности атома водорода в б -положении является способность карбонильных соединений к образованию енольных форм за счет миграции протона из б -положения к атому кислорода карбонильной группы:

Кетон и енол являются таутомерами. Таутомеры - это изомеры, способные быстро и обратимо превращаться друг в друга за счет миграции какой-либо группы (в данном случае - протона). Равновесие между кетоном и енолом называют кето-енольной таутомерией.

Большинство карбонильных соединений существуют преимущественно в кетонной форме. Содержание енольной формы возрастает с увеличением кислотности карбонильного соединения, а также в случае дополнительной стабилизации енольной формы за счет водородной связи или за счет сопряжения.

Таблица 8. Содержание енольных форм и кислотность карбонильных соединений

Соединение	рКа	Содержание енола, %
Ацетон CH3COCH3	20	6? 10-7
Ацетоуксусный эфир CH3COCH2COOC2H5	11	8,0
Ацетилацетон CH3COCH2COCH3	9	76,4

Например, в 1,3-дикарбонильных соединениях подвижность протонов метиленовой группы резко увеличивается за счет электроноакцепторного влияния двух карбонильных групп. Кроме того, енольная форма стабилизируется за счет наличия в ней системы сопряженных б -связей и внутримолекулярной водородной связи:

Енолизация и образование енолят-анионов являются первыми стадиями реакций карбонильных соединений, протекающих по б -углеродному атому. Важнейшими из них являются галогенирование и альдольно-кротоновая конденсация.

Галогенирование

Альдегиды и кетоны легко вступают в реакцию с галогенами (Cl₂, Br₂, I₂) с образованием б -галогенпроизводных:

Реакция катализируется кислотами или основаниями. Скорость реакции не зависит от концентрации и природы галогена. Процесс протекает через образование енольной формы (медленная стадия), которая затем реагирует с галогеном (быстрая стадия). Таким образом, галоген не участвует в скорость-определяющей стадии процесса.

Если карбонильное соединение содержит несколько б -водородных атомов, то замещение каждого последующего происходит быстрее, чем предыдущего, вследствие увеличения их кислотности под действием электроноакцепторного влияния галогена. В щелочной среде ацетальдегид и метилкетоны дают тригалогенпроизводные, которые затем расщеплятся под действием избытка щелочи с образованием тригалогенметанов (галоформная реакция):

Реакции конденсации

В присутствии каталитических количеств кислот или щелочей карбонильные соединения, содержащие б -водородные атомы, претерпевают конденсацию с образованием б-гидроксикарбонильных соединений.



В образовании связи С-С участвуют карбонильный атом углерода одной молекулы (карбонильной компоненты) и б -углеродный атом другой молекулы (метиленовой компоненты). Эта реакция носит название альдольной конденсации (по названию продукта конденсации ацетальдегида - альдоля).

При нагревании реакционной смеси продукт легко дегидратируется с образованием б,Я -непредельного карбонильного соединения:

Такой тип конденсации носит название кротоновой (по названию продукта конденсации ацетальдегида - кротонового альдегида).

В качестве метиленовой компоненты в реакциях конденсации могут выступать не только карбонильные соединения, но и другие С-Н-кислоты. Реакции конденсации имеют препаративное значение, так как позволяют наращивать цепь углеродных атомов. По типу альдольной конденсации и ретроальдольного распада (обратный процесс) протекают многие биохимические процессы: гликолиз, синтез лимонной кислоты в цикле Кребса, синтез нейраминовой кислоты.

2.3 Реакции окисления и восстановления

Восстановление

Карбонильные соединения восстанавливаются до спиртов в результате каталитического гидрирования или под действием восстановителей, которые являются донорами гидрид-анионов:

[H]: H₂/кат., кат. - Ni, Pt, Pd;

LiAlH₄; NaBH₄ .

Окисление

Альдегиды окисляются очень легко практически любыми окислителями, даже такими слабыми, как кислород воздуха и соединения серебра (I) и меди (II).

Две последние реакции используются как качественные на альдегидную группу.

В присутствии щелочей альдегиды, не содержащие б-водородных атомов диспропорционируют с образованием спирта и кислоты (реакция Канницаро):

2HCHO + NaOH > HCOONa + CH₃OH

Это является причиной того, что водный раствор формальдегида (формалин) при длительном хранении приобретает кислую реакцию.

Кетоны устойчивы к действию окислителей в нейтральной среде. В кислой и щелочной средах под действием сильных окислителей (KMnO₄) они окисляются с разрывом связи С-С. Расщепление углеродного скелета происходит по двойной углерод-углеродной связи енольных форм карбонильного соединения, подобно окислению двойных связей в алкенах. При этом образуется смесь продуктов, содержащая карбоновые кислоты или карбоновые кислоты и кетоны:

Лекция № 10

ГИДРОКСИЛПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ

Гидроксилпроизводные содержат в молекуле одну или несколько групп ОН. Гидроксилпроизводные, содержащие связь , называют спиртами. Соединения, содержащие группу ОН при двойной связи, называют енолами, в ароматическом кольце - фенолами.

1. Методы получения спиртов.

1. Гидролиз галогенпроизводных.

2. Гидратация алкенов.

3. Восстановление карбонильных соединений.

2. Химические свойства спиртов.

Реакции спиртов определяются присутствием группы ОН и протекают по следующим основным направлениям.

1. Замещение водорода ОН группы под действием оснований (кислотные свойства).

2. Взаимодействие с электрофильными реагентами по атому кислорода с неподеленной парой электронов (основные и нуклеофильные свойства).

3. Взаимодействие с нуклеофильными реагентами по б -углеродному атому, несущему частичный положительный заряд (реакции нуклеофильного замещения ОН группы).

4. Дегидратация (участвуют связь С-Н в Я -положении и связь С-О).

5. Окисление (участвуют связь С-Н в Я -положении и связь О-Н).

Кислотные свойства

Спирты взаимодействуют с активными металлами (Na, K, Mg, Al и др.) с образованием алкоголятов:

C₂H₅OH + Na ? С₂H₅O^-Na⁺ + 0,5 H₂ этилат натрия

Алкоголяты образуются также при действии на спирты сильных оснований:

При взаимодействии спиртов со щелочами равновесие сдвинуто в сторону гидролиза алкоголятов, так как спирты являются более слабыми кислотами, чем вода:

Кислотность спиртов уменьшается в ряду:

	CH3OH	первичный	вторичный	третичный
pKa	15,2	~16	~16,5	~17

Основные и нуклеофильные свойства спиртов

Спирты взаимодействуют с протонными кислотами и кислотами Льюиса с образованием оксониевых соединений:

Образование оксониевых соединений играет важную роль в процессах замещения гидроксильной группы.

Нуклеофильные свойства спиртов проявляются в их реакциях с карбоновыми и неорганическими кислотами и их производными с образованием сложных эфиров:

Реакции нуклеофильного замещения ОН группы

Протекание реакции по схеме:

невозможно, поскольку гидроксид-анион - это сильное основание и плохая уходящая группа. Для проведения S_N-реакций в спиртах необходимо предварительно модифицировать ОН группу, превратив ее в хорошую уходящую группу. Для этого спирты переводят в оксониевые соединения или эфиры неорганических кислот:

Замещение ОН группы на галоген

Спирты взаимодействуют с галогеноводородами и галогенидами фосфора и серы с образованием галогенпроизводных:

1. Действие галогеноводородов

R-OH + HHal > R-Hal + H₂O

Реакция протекает через стадию протонирования ОН группы с последующим нуклеофильным замещением по механизму S_N1 или S_N2:

Реакционная способность спиртов возрастает в ряду:

первичный < вторичный < третичный

Реакционная способность галогеноводородов увеличивается в ряду:

HCl < HBr < HI

параллельно с возрастанием силы кислот и нуклеофильности галогенид-анионов. Однако HI не может быть использована, так как легко восстанавливает спирты до углеводородов. HBr реагирует с первичными, вторичными и третичными спиртами. HCl действует только на третичные спирты.

Для вторичных и первичных спиртов требуется присутствие катализатора - кислоты Льюиса.

2. Действие галогенидов фосфора и серы.

Замещение ОН группы действием PBr₃, PCl₅, POCl₃, PI₃, SOCl₂:

ROH + SOCl₂ > RCl + SO₂ + HCl

ROH + PCl₅ > RCl + POCl₃ + HCl

3ROH + PBr₃ > 3RBr + H₃PO₃

Образование простых эфиров

При нагревании спиртов в присутствии серной кислоты происходит замещение ОН группы на группу OR и образуются простые эфиры:

Реакция протекает через стадию протонирования спирта с последующим нуклеофильным замещением, в котором одна молекула спирта (протонированная) выполняет роль субстрата, а вторая - нуклеофила.

Дегидратация спиртов

При нагревании в присутствии кислотных катализаторов спирты отщепляют воду с образованием алкенов.

Реакции дегидратации (элиминирования) протекают параллельно с образованием простых эфиров (замещением). Дегидратации способствует высокая температура. Склонность спиртов к дегидратации возрастает в ряду:

первичный < вторичный < третичный

При дегидратации спиртов соблюдается правило Зайцева.

Окисление спиртов

Под окислением в органической химии понимают процессы, приводящие к обеднению субстрата водородом или к обогащению его кислородом. Окисление спиртов осуществляют при помощи двух основных приемов - дегидрирования и действия окислителей.

Дегидрирование

Первичные и вторичные спирты отщепляют водород при нагревании в присутствии медно-серебряного катализатора с образованием карбонильных соединений.

Третичные спирты в таких условиях не реагируют, а в более жестких - разрушаются.

Действие окислителей

Для окисления спиртов используют KMnO₄, Na₂Cr₂O₇, CrO_3.

Первичные спирты окисляются до альдегидов, которые далее легко окисляются до карбоновых кислот.

Реакцию можно остановить на стадии альдегида, если использовать кислый раствор дихромата натрия и отгонять образующийся альдегид из реакционной смеси:

Вторичные спирты окисляются до кетонов под действием KMnO₄ или Na₂Cr₂O₇.

Окисление третичных спиртов протекает в жестких условиях и сопровождается деструкцией углеродного скелета.

3. Многоатомные спирты.

Атомность спиртов определяется количеством гидроксильных групп. Двухатомные спирты содержат две гидроксильные группы и носят общее название диолы или гликоли. Трехатомные спирты называют триолами или глицеринами. Простейшие и наиболее важные представители диолов и триолов - этиленгликоль и глицерин.

Этиленгликоль (этандиол-1,2).

Химические свойства этиленгликоля аналогичны свойствам одноатомных спиртов. Однако есть ряд специфических свойств, обусловленных присутствием двух гидроксильных групп.

Этиленгликоль является более сильной кислотой, чем одноатомные спирты (рК_а=15,1) и образует в водных растворах комплексные алкоголяты с ионами тяжелых металлов, например с Cu²⁺.

Появляющееся при этом ярко-синее окрашивание позволяет использовать реакцию как качественную на диольный фрагмент.

При дегидратации этиленгликоля в зависимости от условий реакции образуются разные продукты. При нагревании в присутствии серной кислоты происходит межмолекулярная дегидратация с образованием циклического простого эфира - диоксана. Нагревание с хлоридом цинка дает продукт внутримолекулярной дегидратации - ацетальдегид.

Этиленгликоль легко окисляется. В зависимости от природы окислителя могут образоваться гликолевый альдегид, глиоксаль, глиоксиловая кислота, щавелевая кислота.

Этиленгликоль используется для приготовления антифризов; для получения растворителей (простые эфиры этиленгликоля, диоксан) и полимеров (полиэфиров).

Глицерин (1,2,3- пропантриол).

Глицерин получают гидролизом жиров (см. лек. №18), но в основном синтетическим путем из пропилена.

Глицерин дает все реакции, известные для спиртов. Наличие трех гидроксильных групп обусловливает некоторые специфические свойства.

Глицерин является более сильной кислотой, чем одноатомные спирты (рК_а=14) и, подобно этиленгликолю, образует хелатные комплексы с ионами металлов.

При дегидратации глицерина образуется ненасыщенный альдегид акролеин.

Мягкое окисление глицерина дает смесь глицеринового альдегида и дигидроксиацетона.

Важное значение имеют сложные эфиры глицерина. При действии на глицерин азотной кислоты в присутствии серной кислоты образуется тринитрат глицерина (нитроглицерин).

Нитроглицерин используется в производстве взрывчатых веществ. В малых концентрациях нитроглицерин применяется как сосудорасширяющее средство.

При действии на глицерин фосфорной кислоты образуется смесь глицерофосфатов.

Глицерофосфаты являются структурными компонентами фосфолипидов.

Сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот - основная составная часть природных жиров и масел.

Примерами многоатомных спиртов, содержащих четыре, пять и шесть гидроксильных групп, могут служить соответственно эритриты, пентиты и гекситы .

4. Фенолы. Методы получения.

1. Сплавление солей сульфоновых кислот со щелочами.

2. Щелочной гидролиз хлорбензола.

3. Замещение диазогруппы на гидроксил .

4. Кумольный метод.

5. Фенолы. Химические свойства.

Кислотные свойства

Фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты, что обусловлено стабилизацией фенолят-аниона за счет делокализации отрицательного заряда по ароматическому кольцу.

Фенолы являются более сильными кислотами, чем вода, поэтому феноляты, в отличие от алкоголятов, могут быть получены из фенолов действием водных растворов щелочей.

Карбоновые кислоты и большинство неорганических кислот, например, угольная, превосходят по кислотности фенол, что используется для выделения фенола из щелочных растворов.

C₆H₅O^- Na⁺ + CO₂ + H₂O > C₆H₅OH + NaHCO₃

Электроноакцепторные заместители в ароматическом кольце увеличивают, а электронодонорные - уменьшают кислотность фенолов. Так, 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота) по кислотности (рК_а= 0,4) сравним с карбоновыми кислотами.

Нуклеофильные свойства фенолов

Фенолы являются более слабыми нуклеофилами, чем спирты, что связано со значительным снижением электронной плотности на атоме кислорода вследствие сопряжения ОН группы с ароматическим кольцом.

Для увеличения нуклеофильности фенолы переводят в феноляты, которые легко алкилируются и ацилируются с образованием соответственно простых и сложных эфиров.

ArO-Na+ + RBr > ArOR + NaBr

ArO-Na+ + RCOCl> RCOOAr + NaCl

Реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце фенолов

Гидроксильная группа относится к числу групп, активирующих электрофильное замещение в ароматическом кольце и направляющих заместитель в орто- и пара- положения. Активирующее влияние гидроксильной группы настолько сильно, что в отдельных случаях реакцию трудно остановить на стадии введения только одного заместителя. Фенолы вступают практически во все типичные реакции электрофильного замещения как с сильными, так и со слабыми электрофильными агентами.

Фенол легко бромируется бромной водой с образованием трибромфенола.

Нитрование фенолов разбавленной 20-25%-ной азотной кислотой приводит к получению смеси орто- и пара-нитрофенолов.

Сульфирование фенола серной кислотой дает смесь орто- и пара-изомеров гидроксибензолсульфоксилоты. При 20^оС в реакционной смеси содержится 49% орто-изомера и 51% пара-изомера, тогда как при 120^оС доля пара-изомера возрастает до 96%.

Феноляты в реакциях электрофильного замещения еще более реакционноспособны, чем фенолы (влияние +I- и +M-эффектов группы О^-). Они взаимодействуют даже с таким слабым электрофилом, как СО₂. При нагревании сухого фенолята натрия с СО₂ при 150-180^оС и давлении 5 атм, образуется натриевая соль салициловой кислоты.

Окисление фенолов. Хиноны

Фенолы легко окисляются. При окислении пространственно затрудненных фенолов образуются устойчивые феноксильные радикалы.

Повышенная устойчивость феноксильных радикалов связана с возможностью делокализации неспаренного электрона по ароматическому кольцу. Кроме того, наличие объемистых заместителей в орто-положении препятствует рекомбинации двух таких радикалов. Стабильность феноксильных радикалов обуславливает антиокислительные свойства пространственно затрудненных фенолов. Они выполняют роль ловушек свободных радикалов в процессах пероксидного окисления. Активный свободный радикал, ведущий цепь окисления, быстро взаимодействует с таким фенолом, давая устойчивый феноксильный радикал, что приводит к обрыву цепи.

Повышенную склонность к окислению проявляют многоатомные фенолы. Окисление фенолов с пара- и орто-расположением гидроксильных групп приводит соответственно к п- и о-хинонам.

Хиноны широко распространены в природе и играют роль антибиотиков, пигментов, витаминов, коферментов.

Двухатомные фенолы - гидрохинон, резорцин, пирокатехин широко распространены в природе.

Пирокатехин является структурным элементом многих биологически активных веществ, например, катехоламинов. Монометиловый эфир пирокатехина, гваякол, используется как лекарственное средство для лечения заболеваний верхних дыхательных путей.

Резорцин применяется как антисептическое средство при лечении кожных заболеваний.

Гидрохинон является структурным элементом природных соединений, например, витаминов группы Е. Восстановительная способность гидрохинонового фрагмента используется в окислительно-восстановительных процессах, сопровождающих дыхание. Самим гидрохинон служит исходным веществом в синтезе многих лекарственных средств.

6. Простые эфиры

Простые эфиры можно рассматривать как производные спиртов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещен на углеводородный радикал. По природе связанных с кислородом углеводородных радикалов различают:

диалкиловые эфиры

алкилариловые и диариловые эфиры

циклические простые эфиры

Методы получения

1. Взаимодействие алкоголятов с галогенпроизводными (синтез Вильямсона).

R-Hal + R^/O^-Na⁺ > R-OR^/ + NaHal

2. Межмолекулярная дегидратация спиртов.

Химические свойства

Простые эфиры обладают низкой реакционной способностью. Их реакции можно разделить на три группы: реакции по атому кислорода; реакции по С-Н связи в б -положении; реакции с разрывом связи С-О.

Атом кислорода с неподеленными парами электронов обуславливает основные свойства простых эфиров. Простые эфиры являются слабыми основаниями и образуют оксониевые соединения при взаимодействии с сильными протонными кислотами и кислотами Льюиса.

Гидропероксиды - нестабильные взрывоопасные соединения. Они образуются при длительном хранении простых эфиров на свету. Поэтому перед использованием простые эфиры необходимо проверять на присутствии пероксидов.

Реакции с разрывом связи С-О протекают в жестких условиях в присутствии сильных кислот. Алкоголят анион RO^- является сильным основанием и плохой уходящей группой, поэтому его отщепления возможно только после предварительного превращения в хорошую уходящую группу путем протонирования.

Лекция № 12

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

1. Методы получения

1. Окисление первичных спиртов и альдегидоа:

Окислители: KМnO₄ в кислой или нейтральной среде, K₂Cr₂O₇ в кислой среде.

2. Окисление алканов:

RCH₂CH₂R' + 5/2O₂ > RCOOH + R'COOH + H₂O

3. Окисление осуществляют при катализе реакции солями кобальта или марганца.

4. Окисление алкенов:

5. Окислители: K₂Cr₂O₇ или KMnO₄ в кислой среде.

6. Окисление алкилбензолов:

В качестве окислителей используют KMnO₄, Na₂Cr₂O₇, кислород в присутствии солей Co и Mn.

7. Гидролиз нитрилов:

RC? N + 2H₂O + HX > RCOOH + NH₄X

RC? N + H₂O + NaOH > RCOONa + NH₃

8. Гидролиз производных карбоновых кислот:

X= OR, Cl, OCOR, NH₂

2. Химические свойства

Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу , в которой непосредственно связаны между собой карбонильная группа и гидроксил. Их взаимное влияние обуславливает новый комплекс свойств, отличных от свойств карбонильных соединений и гидроксилпроизводных. Реакции с участием карбоновых кислот протекают по следующим основным направлениям.

1. Замещение водорода группы -COОН под действием оснований (кислотные свойства).

2. Взаимодействие с нуклеофильными реагентами по карбонильному атому углерода (образование функциональных производных и восстановление)

3. Реакции по б -углеродному атому (галогенирование)

4. Декарбоксилирование

2.1 Кислотные свойства

Карбоновые кислоты - одни из самых сильных органических кислот. Их водные растворы имеют кислую реакцию:

RCOOH + H₂O = RCOO^- + H₃O⁺

Карбоновые кислоты образуют соли при взаимодействии с активными металлами и большинством оснований:

При взаимодействии с сильными неорганическими кислотами карбоновые кислоты могут проявлять основные свойства, присоединяя протон по карбонильному атому кислорода.

Протонирование карбоновых кислот используется для активации карбоксильной группы в реакциях нуклеофильного замещения.

Карбоновые кислоты образуют межмолекулярные водородные связи и существуют в основном в виде димеров.

2.2 Реакции нуклеофильного замещения. Функциональные производные карбоновых кислот

Основной тип реакций карбоновых кислот - взаимодействие с нуклеофилами с образованием функциональных производных. Взаимопревращения, связывающие карбоновые кислоты и их функциональные производные, приведены на схеме.

Представленные на схеме соединения содержат ацильную группу . В ходе их взаимопревращений она в неизменном виде переходит из одного соединения в другое, соединяясь с нуклеофилом. Такие процессы называют ацилированием, а карбоновые кислоты и их функциональные производные - ацилирующими реагентами. В общем виде процесс ацилирования может быть представлен следующей схемой:

Ацилирование представляет собой процесс нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.

Реакционная способность по отношению к нуклеофилам у карбоновых кислот и их функциональных производных меньше, чем у альдегидов и кетонов, так как эффективный положительный заряд на карбонильном атоме углерода у них ниже за счет + М- эффекта группы Х.

По ацилирующей способности производные карбоновых кислот располагаются в следующий ряд в соответствии с уменьшением +М-эффекта группы Х.

В этом ряду предыдующие члены могут быть получены из последующих ацилированием соответствующего нуклеофила. Процесс получения более активных ацилирующих реагентов из менее активных практически не идет из-за неблагоприятного положения равновесия вследствие более высокой основности уходящей группы по сравнению с атакующим нуклеофилом. Все функциональные производные могут быть получены непосредственно из кислот и превращаются в них при гидролизе.

Сложные эфиры

Методы получения

1. Из карбоновых кислот и спиртов (реакция этерификации).

2. Из хлорангидридов или ангидридов и спиртов.

RCOX + ROH > RCOOR + HX

X=Cl, OCOR

3. Переэтерификация.

4. Из солей карбоновых кислот и алкилгалогенидов.

RCOO-Na+ + RCl > RCOOR + NaCl

Важнейшим методом получения сложных эфиров является реакция этерификации. Реакция протекает как нуклеофильное замещение в карбоксильной группе.

Реакцию проводят в условиях кислотного катализа. Роль кислотного катализатора состоит в увеличении эффективного положительного заряда на атоме углерода карбоксильной группы:

Все стадии реакции этерификации обратимы. Для смешения равновесия в сторону процесса этерификации используют избыток одного из реагентов или удаление продуктов из сферы реакции.

Реакции нуклеофильного замещения в алкоксикарбонильной группе.

Сложные эфиры - более слабые ацилирующие реагенты, чем ангидриды и хлорангидриды. S_N-реакции в алкоксикарбонильной группе протекают в более жестких условиях и требуют кислотного или основного катализа. Важнейшими реакциями этого типа являются гидролиз, аминолиз и переэтерификация.

Гидролиз.

Сложные эфиры гидролизуются с образованием карбоновых кислот под действием кислот или щелочей.

Кислотный гидролиз сложных эфиров - это реакция обратная этерификации.

Щелочной гидролиз сложных эфиров требует эквимолярных количеств щелочи и протекает необратимо.

RCOOR + NaOH > RCOO^-Na⁺ + ROH

Переэтерификация.

В реакции переэтерификации роль нуклеофила выполняет молекула спирта. Процесс катализируется кислотами или основаниями.

Аминолиз.

Сложные эфиры ацилируют аммиак и амины с образованием амидов карбоновых кислот.

Триацилглицериды

Триацилглицериды - это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Общая формула:

Простые триацилглицериды содержат остатки одинаковых, смешанные - разных жирных кислот. Названия триацилглицеридов строятся на основе названий ацильных остатков, входящих в их состав жирных кислот.

Смешанные триацилглицериды могут содержать хиральный атом углерода в положении 2 и иметь энантиомеры, например:

Триацилглицериды - малополярные, не растворимые в воде вещества. Триацилглицериды, содержащие преимущественно остатки ненасыщенных кислот, при обычных условиях являются жидкостями, насыщенных кислот - твердыми веществами. Они входят в состав животных жиров и растительных масел, которые представляют собой смеси триацилглицеридов. Животные жиры содержат в основном триацилглицериды с остатками насыщенных кислот и поэтому имеют твердую консистенцию. Растительные масла включают в основном остатки ненасыщенных кислот и являются жидкостями. Основная биологическая функция триацилглицеридов - запасные вещества животных и растений.

Химические свойства триацилглицеридов определяются наличием сложноэфирной связи и ненасыщенностью. Как сложные эфиры триацилглицериды гидролизуются под действием кислот и щелочей, а также вступают в реакцию переэтерификации.

При щелочном гидролизе (омылении) жиров образуются соли жирных кислот (мыла). Их молекулы дифильны (содержат полярную “голову” и неполярный “хвост”), что обусловливает их повехностно-активные свойства и моющее действие.

Триацилглицериды, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, вступают в реакции присоединения по двойной связи.

Важным промышленным процессом является гидрогенизация жиров - каталитическое гидрирование растительных масел, в результате которого водород насыщает двойные связи, и жидкие масла превращаются в твердые жиры (маргарин). Наибольшей пищевой ценностью обладают растительные масла, которые наряду с незаменимыми жирными кислотами содержат необходимые для организма фосфолипиды, витамины, полезные фитостерины (предшественники витамина D) и практически не содержат холестерин.

Амиды карбоновых кислот

Строение амидной группы

Амидная группа встречается во многих биологически важных соединениях, прежде всего в пептидах и белках (пептидная связь). Её электронное и пространственное строение во многом определяет их биологическое функционирование.

Амидная группа представляет собой р-р -сопряженную систему, в которой происходит дополнительное перекрывание р-орбитали атома азота с р -орбиталью связи углерод-кислород.

Пептидная связь также имеет транс-конфигурацию, в которой боковые радикалы аминокислотных остатков наиболее удалены друг от друга

2.3 Реакции по б -углеродному атому

Карбоновые кислоты, содержащие б -водородные атомы, взаимодействуют с бромом в присутствии фосфора с образованием б -бромпроизводных (реакция Гелля - Форгальда - Зелинского):



Галоген в б -галогензамещенных кислотах легко замещается под действием нуклеофильных реагентов. Поэтому б -галогензамещенные кислоты являются исходными веществами в синтезе широкого круга замещенных по б -положению кислот, в том числе б -амино- и б -гидроксикислот:

2.4 Декарбоксилирование

Декарбоксилирование - это удаление CO₂ из карбоновых кислот или их солей. Декарбоксилирование проводят путем нагревания в присутствии кислот или оснований. При этом, как правило, происходит замещение карбоксильной группы на атом водорода.

Незамещенные монокарбоновые кислоты декарбоксилируются в жестких условиях:

Декарбоксилирование облегчается при наличии электроноакцепторных заместителей в б -положении:



Важное значение имеет ферментативное декарбоксилирование кето-, амино- и гидроксикислот в.

Декарбоксилирование путем нагревания (сухой перегонки) кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот - метод получения кетонов:

2.5 Восстановление

Карбоновые кислоты, хлорангидриды, ангидриды и сложные эфиры восстанавливаются LiAlH₄ до первичных спиртов.

Хлорангидриды могут быть восстановлены до альдегидов.

3. Дикарбоновые кислоты

Дикарбоновые кислоты содержат две карбоксильные группы. Наиболее доступными являются кислоты линейного строения, содержащие от 2 до 6 атомов углерода. Их строение и методы получения представлены в таблице 9.

Химические свойства дикарбоновых кислот в основном аналогичны свойствам монокарбоновых кислот. Они дают все реакции, характерные для карбоксильной группы. При этом могут быть получены функциональные производные (хлорангидриды, ангидриды, сложные, эфиры, амиды) как по одной, так и по обеим карбоксильным группам. Дикарбоновые кислоты имеют большую кислотность, чем монокарбоновые, вследствие -I-эффекта карбоксильной группы. По мере увеличения расстояния между карбоксильными группами кислотность дикарбоновых кислот уменьшается.

Дикарбоновые кислоты имеют ряд специфических свойств, которые определяются наличием в молекуле двух карбоксильных групп.

Отношение дикарбоновых кислот к нагреванию.

Превращения дикарбоновых кислот при нагревании зависят от длины цепи, разделяющей карбоксильные группы, и определяются возможностью образования термодинамически стабильных пяти- и шестичленных циклов.

При нагревании щавелевой и малоновой кислот происходит декарбоксилирование:

Янтарная, глутаровая и малеиновая кислоты при нагревании легко отщепляют воду с образованием пяти- и шестичленных циклических ангидридов:



Адипиновая кислота при нагревании декарбоксилируется с образованием циклического кетона - циклопентанона.

Реакции поликонденсации

Дикарбоновые кислоты взаимодействуют с диаминами и диолами с образованием соответственно полиамидов и полиэфиров, которые используются в производстве синтетических волокон.

Биологически важные дикарбоновые кислоты.

Щавелевая кислота образует труднорастворимые соли, например, оксалат кальция, которые отлагаются в виде камней в почках и мочевом пузыре.

Янтарная кислота участвует в обменных процессах, протекающих в организме. Является промежуточным соединением в цикле трикарбоновых кислот.

Фумаровая кислота, в отличие от малеиновой, широко распространена в природе, участвует в процессе обмена веществ, в частности в цикле трикарбоновых кислот.

Лекция № 14

ГИДРОКСИ- И ОКСОКИСЛОТЫ

Большинство биологически важных органических соединений (метаболиты, биорегуляторы, структурные элементы биополимеров, лекарственные средства) являются гетерофункциональными соединениями. Наиболее важные из них - гидрокси-, оксо- и аминокислоты.

1. Гидроксикислоты

Гидроксикислоты - гетерофункциональные соединения, содержащие карбоксильную и гидроксильную группы. По взаимному расположению функциональных групп различают б -,Я -, г - и т.д. гидроксикислоты.

В природе широко распространены полигидроксикарбоновые кислоты (содержат нескольно гидроксильных групп) и гидроксиполикарбоновые кислоты (содержат несколько карбоксильных групп).

Методы получения

1) Гидролиз галогензамещенных кислот.

2) Взаимодействие аминокислот с азотистой кислотой.

3) Восстановление оксокислот.

4) Присоединение воды к непредельным кислотам.

5)Циангидринный синтез.

6) Окисление непредельных кислот.

1.2 Химические свойства

Гидроксикислоты дают реакции, характерные для карбоновых кислот и спиртов, при этом могут участвовать как одна, так и обе функции.

Гидроксикислоты имеют ряд специфических свойств, обусловленных присутствием обеих групп и их взаимным расположением.

Отношение гидроксикислот к нагреванию.

Превращения гидроксикислот при нагревании определяются возможностью образования термодинамически стабильных 5-ти- и 6-тичленных циклов.

б -Гидроксикислоты образуют циклические сложные эфиры -лактиды.

Я -Гидроксикислоты при нагревании переходят б,Я-непредельные кислоты.

г,д-Гидроксиокислоты претерпевают внутримолекулярное ацилирование с образованием циклических сложных эфиров - лактонов.

Специфические реакции б -гидроксикислот.

б -Гидроксикислоты образуют хелатные комплексы с ионами переходных металлов (Cu²⁺ , Fe³⁺ и др.), которые содержат металл в составе устойчивого 5-тичленного цикла.

В присутствии минеральных кислот б -гидроксикислоты разлагаются с образованием муравьиной кислоты и соответствующего альдегида.

1.3 Биологически важные гидроксикислоты

Гликолиевая кислота HOCH₂COOH содержится во многих растениях, например, свекле и винограде.

Молочная кислота (соли лактаты) CH₃CH(OH)COOH.

Широко распространена в природе, является продуктом молочнокислого брожения углеводов. Содержит асимметрический атом углерода и существует в виде двух энантиомеров. В природе встречаются оба энантиомера молочной кислоты. При молочнокислом брожении образуется рацемическая D,L-молочная кислота. D-молочная (мясо-молочная) кислота образуется при восстановлении пировиногралной кислоты и накапливается в мышцах при интенсивной работе.

Яблочная кислота (соли малаты) HOOCCH(OH)CH₂COOH.

Содержится в незрелых яблоках, рябине, фруктовых соках. Является ключевым соединением в цикле трикарбоновых кислот. В организме образуется путем гидратации фумаровой кислоты и далее окисляется до щавелевоуксусной кислоты.

Лимонная кислота (соли цитраты)

Содержится в плодах цитрусовых, винограде, крыжовнике. Является ключевым соединением в цикле трикарбоновых кислот. Образуется из щавелевоуксусной кислоты путем конденсации ее с ацетилкоферментом А и далее в результате последовательных стадий дегидратации и гидратации превращается в изолимонную кислоту.

Винная кислота (соли тартраты) HOOCCH(OH)CH(OH)COOH.

Содержит два хиральных центра и имеет 3 стереоизомера: D-винную кислоту, L-винную кислоту и оптически неактивную мезовинную кислоту (см. лек. №4). D-винная кислота содержится во многих растения, например, в винограде и рябине. При нагревании D-винной кислоты образуется рацемическая D,L-винная (виноградная) кислота. Мезовинная кислота образуется при кипячении других стереоизомеров в присутствии щелочи и при окислении малеиновой кислоты.

2. Оксокислоты

Оксокислоты - гетерофункциональные соединения, содержащие карбоксильную и карбонильную (альдегидную или кетонную) группы. В зависимости от взаимного расположения этих групп различают г -, б -, Я - и т.д. оксокарбоновые кислоты.

Для получения оксокислот применимы обычные методы введения карбоксильной и оксогрупп.

2.1 Химические свойства

Оксокислоты вступают в реакции, характерные для карбоксильной и карбонильной групп. Отличительная черта оксокислот - легкость, с которой протекает их декарбоксилирование.

б -Оксокислоты легко отщепляют СO₂ и СО при нагревании в присутствии серной кислоты.

Я -Оксокислоты неустойчивы и самопроизвольно декарбоксилируются с образованием кетонов.

CH₃COCH₂COOH ? CH₃COCH₃ + CO₂

Я -Оксокислоты и их эфиры обладают специфическими свойствами, которые связаны с их повышенной СН-кислотностью. Я -оксокислоты существуют в виде двух таутомерных форм: кетонной и енольной, причем содержание енольной формы в равновесной смеси значительное. Енольные формы дополнительно стабилизируются за счет внутримолекулярной водородной связи.

Лекция № 13

АМИНЫ

Амины можно рассматривать как производные аммиака, в котором атомы водорода замещаются на углеводородные радикалы.

1. Классификация

В зависимости от числа углеводородных радикалов, связанных с атомом азота, различают первичные, вторичные и третичные амины, а также четвертичные аммониевые соли.

RNH2	RR/NH	RR/R//N	RR/R// R///N+X-
первичныеамины	вторичные амины	третичныеамины	четвертичные аммониевые соли

По природе углеводородного радикала, связанного с атомом азота, различают алкиламины, алкилариламины, ариламины, гетероциклические амины.

Алкиламины содержат только алифатические углеводородные радикалы, например:

Ариламины содержат ароматические радикалы с атомом азота в ароматическом кольце, например:



Алкилариламины содержат алифатические и ароматические радикалы, например:

Гетероциклические амины содержат атом азота в цикле, например:

2. Методы получения

1. Алкилирование аммиака и аминов.

2. Восстановление азотсодержащих органических соединений.

Нитросоединения могут быть восстановлены до первичных аминов. Реакция используется в основном для получения первичных ароматических аминов из доступных нитроаренов.

ArNO₂ArNH₂

В качестве восстановителей используют водород в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd), металл (Fe, Zn, Sn) и кислоту, соли металлов в низших степенях окисления (SnCl₂, TiCl₃).

Нитрилы при восстановлении также дают первичные амины.

RCN RCH₂NH₂

[H]: H₂/Ni; LiAlH₄

Амиды карбоновых кислот восстанавливаются до аминов комплексными гидридами металлов. Из соотвествующих амидов могут быть получены первичные, вторичные и третичные амины.

3) Восстановительное аминирование альдегидов и кетонов.

4.Перегруппировка Гофмана.

RCONH₂ + Br₂ + 2NaOH ? RNH₂ + 2NaBr + CO₂ + H₂O

Используется для получения первичных аминов.

3 Химические свойства

Химические свойства аминов определяются присутствием атома азота с неподеленной парой электронов, наличие которой обуславливает их основные и нуклеофильные свойства.

Алифатические амины являются сильными основаниями и превосходят по основности аммиак. Их водные растворы имеют щелочную реакцию.

RNH₂ + H₂O = RNH₃⁺ + OH ^-

Ароматические амины - слабые основания , что связано с разрушением при протонированиии стабильной сопряженной системы, в которой участвует неподеленная пара электронов азота.

При взаимодействии с кислотами амины образуют растворимые в воде аммониевые соли.

RNH₂ + HX > RNH₃⁺ X ^-

Первичные и вторичные амины являются слабыми N-H кислотами (рК_а=33-35) и образуют соли при взаимодействии с активными металлами.

RNH₂ + Na > RNH^- Na⁺ + 1/2 H₂

Нуклеофильные свойства

Алкилирование аминов

Амины обладают нуклеофильными свойствами и алкилируются алкилгалогенидами и спиртами (см. методы получения).

Ацилирование аминов

Амины ацилируются карбоновыми кислотами и их производными с образованием амидов карбоновых кислот.

2RNH₂ + R^/COX > R^/CONHR + RNH₃X

(X=Cl, OCOR^/)

Взаимодействие аминов с азотистой кислотой

Первичные, вторичные и третичные амины по-разному взаимодействуют с азотистой кислотой, что используется для установления типа амина. Неустойчивую азотистую кислоту генерируют действием сильной кислоты на нитриты.

Третичные алифатические амины при обычной температуре с азотистой кислотой не взаимодействуют.

Вторичные амины образуют с азотистой кислотой устойчивые нитрозамины - жидкие или твердые продукты желтого цвета.

R₂NH + NaNO₂ + HCl ? R₂N-N=O + NaCl + H₂O

нитрозамин

Нитрозамины являются сильными канцерогенами. Показана возможность синтеза нитрозаминов в желудке человека из содержащихся в пище и лекарственных препаратах вторичных аминов и нитритов Канцерогенное действие нитрозаминов основано на их способности алкилировать нуклеофильные центры ДНК, что приводит к онкогенным мутациям.

Первичные алифатические амины реагируют с азотистой кислотой с выделением газообразного азота. Реакция идет через образование неустойчивого первичного нитрозамина, который изомеризуется в диазогидроксид, превращающийся далее в соль диазония.