Спирты

15 СПИРТЫ Алифатические спирты CH3 CH2 OH (этанол) первичный CH3 CH2 CH CH3 (бутанол-2) OH вторичный CH3 CH3 C (1,1-диметилэтанол триметилкарбинол) OH CH3 третичный Фенолы OH фенол (оксибензол) OH гидрохинон (1,4-диоксибензол) двухатомный фенол OH CH2OH м-толилкарбинол CH3 Если спиртовая группа находится в относят к классу ароматических спиртов. -положении к ароматическому ядру, то соединения OCH3 метилфениловый эфир метоксибензол (анизол) OC2H5 фенетол 15.1 Алифатические спирты 15.1.1 Способы получения Гидролиз галогенопроизводных HOH * CH3 CH CH2 CH3 _ [ OH], t OH Br 2-бробутан бутанол-2 Область применения нуклеофильного замещения (SN) для получения спиртов ограничена, так как большинство реакций обратимы. Возможны перегруппировки и образование побочных продуктов в виде рацематов и обращение конфигурации. * CH3 CH CH2 CH3 Гидратация олефинов H3C CH CH2 + H2O кат,Р 300о С;65 атм CH3 CH CH3 OH изопропиловый спирт (основной продукт) Катализатор: силикагель, H3PO4 Синтезы на основе окиси углерода (СО) Наибольшее промышленное применение имеет синтез метанола: kT CH3 OH CO + H2 400о С;100 атм Получение из карбонильных соединений Каталитическое восстановление карбонильных соединений проводят водородом на никеле или благородных металлах. Химическое восстановление осуществляют гидридами - аллюмогидридом лития, боргидридом натрия или алкоголятами алюминия. В последнем случае движущей силой реакции является образование низкокипящего ацетона и труднорастворимого гидроксида алюминия: O HOH 3 CH3 CH2 C CH2 CH3 + AlH3 [O CH(CH3)2]3 3 CH3 CH2 вторичный CH CH2 CH3 + Al(OH)3 + 3 CH3 OH Из альдегидов получают первичные спирты. Из металлоорганических соединений Реактивы Гринъяра (R-MgX) C O CH3 O _ [AN] + CH3 CH2 C CH3 CH2 MgB абс. (CH3CH2)2О rr OMgBr OH + H3O H3C CH2 C CH2 CH3 H3C CH2 C CH2 CH3 -Mg(OH)Br CH3 CH3 3-метилпентанол-3 + CH3 + или O - OLi + H3C CH2 C CH3 + + Li _ абс.эфир CH3 CH2 C CH3 OH + LiOH C CH3 CH3 + H3O CH3 Метилфенилэтилкарбинол не является фенолом, так как бензольное кольцо не связано с гидроксигруппой. Из кетонов получаются третичные спирты. Из альдегидов образуются вторичные спирты. 15.1.2 Физические свойства спиртов Спирты имеют более высокую температуру кипения, по сравнению с соответствующими углеводородами или галогенпроизводными. T кип. соединение CH3 CH2 OH +78 градусов С CH3 CH2 Cl +13 градусов С HC CH -78 градусов С Аномально высокая температура кипения спиртов определяется наличием водородной свя- зи: H R .. . O R .. .. O H H .. O . R С увеличением радикала R водородная связь ослабевает вследствие колебательных движений радикала. Наличие водородной связи в спиртах определяет их растворимость в полярных растворителях и воде. Спирты смешиваются с большинством органических растворителей. Спирты как кислоты Кислотность спиртов определяется возможностью диссоциации .. .. R _ + R O +H O H Константа диссоциации Кд=10 10-19. Спирты более слабые кислоты, чем вода -15 +I .. .. .. .. O R H O H H Если в радикале имеются акцепторные группы, то кислотность спиртов увеличивается .. [+I] R O H Характерно изменение кислотности в зависимости от характера радикала. Так, для третбутанола наблюдается очень низкая кислотность. СH3 СH3 С O .. H рКA=19 СH3 Где рКА= lgКд. Кислотность проявляется в реакциях с металлами CH3 CH2 OH + Na CH3 CH2 ONa + 1/2 Н2 этилат натрия Этилат натрия необходимо рассматривать как соль (спирта-кислоты). Такие соли очень сильно диссоциированы, легко гидролизуются. Основность спиртов Кислотность спиртов обратно пропорциональна их основности, так как и кислотность и основность определяется группой –OH. Как основность, так и нуклеофильность спиртов определяется электронной плотностью на атоме кислорода. Благодаря индуктивному эффекту алкильных групп (+I) основность спиртов больше чем у воды. Наиболее основен трет-бутиловый спирт, а алкоголят-анион третбутанола в полярных растворителях (ДМФА) часто называют супероснованием. CH3 _ + CH3 C O K третбутилат калия CH3 Спирты являются нейтральными нуклеофилами. Наиболее сильный нейтральный нуклеофил соответственно третбутиловый спирт. 15.1.3 Химические свойства спиртов Взаимодействие с галогеноводородами R OH + HHal t R Hal + HOH [SN] Для смещения равновесия вправо нужно убрать воду из реакционной смеси или увеличить концентрацию исходных реагентов. Необходимо отметить, что спирты в кислой среде протонируются, поэтому реакция обычно протекает по механизму близкому к SN1 (следовательно, возможны перегруппировки углеродного скелета). H + + CH3 CH2 CH2 OH + H CH3 CH2 CH2 O оксониевый катион H пропанол-1 .. H + CH3 CH CH2 + Н2О первичный I карбокатион + I + HHal -H CH3 CH2 + II + HHal -H CH3 CH + CH3 CH CH3 (1,2 - перегрупировка) вторичный II CH2 Hal CH3 (основной продукт) Hal В основном образуется вторичный пропилгалогенид. Окисление спиртов Окисление спиртов химическими способами обычно приводит к карбоновым кислотам. Остановить реакцию на стадии образования альдегида можно только в специальных условиях (используя хромовый ангидрид в кислой среде). Первичные насыщенные спирты обычно всегда образуют карбоновые кислоты. KMnO4, t=10oC или R CH2 CH2 OH K2Cr2O7[H+ ], t=40oC O R CH2 C H O [O] R CH2 C Δ OH Для получения альдегидов используют каталитические методы окисления. В качестве катализаторов используется окисление воздухом на серебряной сетке: O O2, t R C R CH OH + H2O Ag H H В промышленности используется окисление или дегидрирование спиртов на медных катализаторах, при T=125÷250 °C: O Cu, t R CH OH R C -H2 H H H R C R' Третичные спирты не окисляются. Дегидратация спиртов Cu, t OH -H2 O R C R' Может быть: а) химическая (H+) и б) каталитическая (в качестве катализатора используют Al2O3 или глиноземы). б) Глиноземы – Al2O3, ... SiO2, др. окислы. Т=300÷450 °С. Реакция протекает как внутримолекулярная дегидратация. kT R CH2 CH2 OH R CH CH2 (правило Зайцева) 250-360O C а) В качестве катализатора используют серную и фосфорную кислоты и их соли. На промежуточной стадии образуются эфиры минеральных кислот. В промышленности дегидратацию проводят с выделением промежуточных алкилсульфатов. Условия каждой стадии должны жестко соблюдаться. + CH3 CH2 O CH3 CH2 OH + H2SO4 H _ HSO4 H -H2O O CH3 CH2 O S OH H3C CH2 OH t=140OC CH3 CH2 O SO2 O CH2 CH3 + H2O O H2C CH2 + H2SO4 внутримолекуля рная дегидратация t>140OC H3C CH2 OH CH3 CH2 O CH2 CH3 межмолекуля рная дегидратация Реакции протекают по механизму Е1 и сопровождаются конкурирующими реакциями SN1. t<140OC 15.2 Многоатомные спирты Это спирты, содержащие две или более гидроксигрупп - ОН. Подразделяются на: а) геминальные диолы, триолы (1,1-диолы или 1,1,1-триолы) OH R CH OH гемдиолы OH R C OH гемтриолы OH б) вицинальные диолы (1,2-диолы или гликоли) OH R CH CH2 OH Геминальные ди- или триолы крайне неустойчивы, так как содержат у одного атома углерода 2 или 3 нуклофильные группировки ОН. Поэтому они дегидратируют с образованием карбонильных соединений или карбоновых кислот: OH O R CH OH -НОН R альдегиды C H OH R C O OH R -НОН кетоны C R' R' OH O карбоновые кислоты -НОН OH OH Геминальные спирты получают гидролизом соответствующих дигалогенидов (тригалогенидов), например: Cl OH НОН R C Cl _ R C OH OH Cl OH Более устойчивыми формами геминальных гидроксипроизводных являются: ацетали (кетали) – 1,1–диэфиры или 1,1,1–триэфиры (ортоэфиры). Ацетали альдегидов получают взаимодействием последних со спиртами в кислой среде. Например, для ацеталя уксусного альдегида: OC2H5 O + H CH3 CH CH3 C + 2C2H5OH -H2O OC2H5 H R C OH R По аналогии из ацетона можно получить: O С2Н5ОН CH3 C CH3 [H+ ] C OC2H5 CH3 C CH3 OC2H5 диэтилкеталь ацетона Ортоэфиры являются сильными алкилирующими агентами и могут использоваться для получения ацеталей из карбонильных соединений. OCH3 OC2H5 H C OCH3 H3C C OC2H5 OCH3 OC2H5 ортоуксусный ортомуравьиный метиловый этиловый эфир эфир (метилортоформиат) Ацетали (кетали) используют, как защитные группировки альдегидов и кетонов в щелочной среде, в которой они чрезвычайно устойчивы. Ацетальная (кетальная) защита убирается в кислой среде с освобождением исходного альдегида или кетона. Из ацеталей можно получать простые виниловые эфиры: kT R CH CH OC2H5 R CH2 CH(OC2H5)2 CH2 CH2 OH простой виниловый ацетали эфир 15.3 Получение вицинальных диолов (гликолей) Гидролиз 1,2-дигалогенидов H2C CH2Cl CH2 + Cl2 HOH [SN] _ [ OH] CH2Cl Гидроксилирование алкенов по Вагнеру: _ HOH, [ OH] H3C CH CH2 KMnO4, t=0oC H2C CH2 OH OH этиленгликоль OH H3C CH CH2OH 1,2-пропиленгликоль Раскрытие эпоксидов в щелочной водной среде: OH H3C CH CH2 O HOH _ [ OH] H3C CH CH2OH 1,2-пропиленгликоль 15.4 Основные свойства гликолей 15.4.1 Окисление Йодаты, тетраацетаты расщепляют гликоли до двух молекул альдегидов: O O KJO4 или Pb(OAc)4 R C R CH CH R' + R' C 30oC H H OH OH 15.4.2 Дегидратация в кислой среде Необычно проходит дегидратация замещенных гликолей (пинаконов): R R' R'' C C R' + H R''' R'' R C C R''' + H OH OH OH OH -H -HOH R'' + R' C C R''' кетон R' .. .. R'' + C C R''' R O H пинаколиновая перегруппировка R O При дегидратации этиленгликоля образуется 1,4-диоксаны (циклические диэфиры): O + 4% Н2SO4 H HOCH2 CH2 O CH2 CH2OH HOCH2 CH2OH tкип -H2O O 1,4 диоксан С альдегидами и кетонами гликоли образуют циклические ацетали ( кетали): HO O R C H + R C -H2O H(R) HO + CH2 O + H(R) HO H(R) O .. O + -H H O R + R C циклический ацеталь (1,3-диоксолан) C O H(R) 15.4.3 Кислотность гликолей Кислотность гликолей несколько больше, чем соответствующих одноатомных спиртов вследствие влияния второй гидроксильной группы. R' R CH .. CH O H (-I) OH Влияние гликолей на металлы (разъедающее) обусловлено возможностью образования хелатных комплексов: H CH O 2+ Me CH O O CH O CH H хелатный комплекс 15.5 Глицерин Получают из животных и растительных жиров, их гидролизом или химическими методами, например из аллилхлорида: CH2 CH CH2 Cl аллилхлорид 1) CH2 CH _ CH2 Cl OH, H2O HOCl HO ClCH2 CH CH2Cl OH CH CH2OH CH2 OH 2) CH2 CH CH2 Cl HO _ H2O2 OH(60-70oC) CH2 CH CH2 CH CH2 Cl HO _2 OH OH OH CH2OH глицерин OH Глицерин используют в косметической промышленности, а также для получения тринитроглицерина (лекарства, ВВ). 15.6 Простые эфиры В промышленности простые эфиры получают через сложные эфиры серной кислоты. Все промежуточные соединения являются целевыми для органического синтеза: O CH3 CH2 S OH моноэтилсульфат CH3CH2OH + H2SO4 O t >130 oC [E] CH2 CH2 + H2SO4 этилен CH3CH2OH CH3CH2OH t =130 oC t <130 oC C2H5OC2H5 + H2SO4 (CH3 CH2O)2SO2 диэтилсульфат диэтиловый эфир Межмолекулярная дегидратация протекает также в присутствии солей серной и фосфорной кислот. Соотношение кислоты (H2SO4) и спирта 4:9 соответственно. 3PO4 CH3CH2OH H2O + C2H5OC2H5 H2C CH2 [E ] 2CH3CH2OH SO4 Межмлолекулярная дегидротация спиртов в кислой среде протекает по особой схеме: 1 ст. R CH2 + OH + H R CH2 OH + 2 ст. R CH2 R CH2 + O R CH2 + O H - H2O H CH2 R + -H H R CH2 O CH2 R Простые эфиры также получают: а) дегидратация каталитическим способом при температуре 200-350 градусов над Al2O3. б) из алкоголятов спиртов и галогенопроизводных _ + R ONa + R' Br R O R' + NaBr (SN) 15.6.1 Свойства простых эфиров Простые эфиры вещества нейтрального характера со слабыми основными свойствами (неподеленные пары электронов на кислороде). При обычных условиях не вступают в реакцию с металлами (их сушат над металлическим натрием). Не гидролизуются водой и растворами щелочей. В сильных кислотах эфиры протонируются, а в присутствии HI могут разлагаться. R O + + R R HX O + H X протонизация R C2H5 O + H C2H5 I CH3 CH2 OH + CH3 CH2 I Простые эфиры склонны к окислению на воздухе с образованием гидропероксидов. Особенно это характерно для α-разветвленных простых эфиров: CH3 CH3 CH3 α O O O O O CH3 CH O C CH3 H3C C CH3 CH O C CH3 2 CH3 CH3 H OO H OOH , бис(гидропирокси) диизопропиловый эфир Пероксид черезвычайно взрывчат (5 атомов кислорода на 6 атомов углерода – высокий кислородный баланс). Вывод: При работе с простыми эфирами необходимо следить за содержанием перекисей. Хранят их над металлическим натрием. 15.7 Сложные эфиры минеральных кислот 15.7.1 Эфиры сульфокислот Получают взаимодействиемαсерной кислоты и спиртов: O O O ROH HO S OR HO S OH + R OH RO S OR -HOH -HOH O O O моноэфир диэфир Диалкилсерные эфиры, разлагаются водой и растворами щелочей, являются малостойкими и высококипящими жидкостями. Их используют для алкилирования спиртов и аминов: H R O SO2 OR + R' N R' H H N + O _ NaOH R O S OR H O O R' N R + NaO S OR + H2O H O Примечание: Диалкилсульфаты являются канцерогенами и мутагенами (легко проникают через кожные покровы). 15.7.2 Эфиры азотной кислоты Эфиры азотной кислоты неограниченно устойчивы без доступа влаги, но хорошо разлагаются растворами кислот и щелочей. Азотнокислые эфиры (нитроэфиры) получают через спирты: O R O N R OH + HO NO2 + H2O азотная нитроэфир O кислота Нитроэфиры используются в медицине (сосудорасширяющее действие) и в качестве взрывчатых веществ. Нитроэфиры целлюлозы применяют в лакокрасочной промышленности при изготовлении нитролаков и эмалей. 15.7.3 Эфиры фосфорных кислот R O OR RO P R O P O OR R O эфиры ортофосфорной эфиры метафосфорной кислоты кислоты Эфиры метафосфорной кислоты получают при взаимодействии спиртов с PCl3: ( R O)3P 3 R OH + PCl3 -3HCl При взаимодействии спиртов с PCl5 получают хлорокись фосфора: R Cl + HCl + POCl3 хлорокись фосфора При обработке спиртов хлорокисью фосфора образуются эфиры ортофосфорной кислоты: OR R OH + PCl5 3R OH + POCl3 3HCl + O P OR OR Эфиры фосфорных кислот применяются в качестве химических средств защиты растений от вредителей (хлорофос, дихлофос) и как отравляющие вещества. При применении пестицидов и инсектицидов на основе фосфорорганики необходимо помнить об опасности тяжелых отравлений организма. Эфиры фосфорных кислот нестойкие в растворах щелочей и со временем гидролизуются даже водой или атмосферной влагой. 15.7.4 Эфиры угольной кислоты Получают при взаимодействии спиртов с фосгеном: R O C O R 2ROH + Cl C Cl -2HCl O O Эфиры угольной кислоты устойчивы во влажной среде и используются для борьбы с сорняками; служат стимуляторами роста растений. Они хорошо гидролизуются растворами кислот и щелочей. 15.8 Сложные эфиры органических кислот Получают реакциями этерификации или через галогенангидриды. а) Этерификация – обратимая реакция спирта с карбоновой кислотой: O R OH + R' C OH + H [AN] O R' C + H2O OR Для того чтобы сместить равновесие вправо, необходимо из реакционной смеси убирать воду или сложный эфир. Сложные эфиры неустойчивы как в кислой, так и в щелочной среде. В щелочах они гидролизуется до спиртов и солей карбоновых кислот, причем необратимо, так как щелочь не является катализатором прямой реакции образования сложного эфира. б) Галогеноангидриды легко взаимодействуют со спиртами, как наиболее реакционноспособные производные карбоновых кислот: O O + R O C R + HCl R OH + Cl C R H [AN] 16 ФЕНОЛЫ Фенолы – особый класс ароматических веществ, в которых группа ОН соединена с углеродом ароматической системы. Не следует путать с ароматическими спиртами: CH2 n OH где n=1,2 R В молекулах фенолов групп ОН может быть две или три. 16.1 Получение фенолов Через бензолсульфокислоты или галогенарилы SO3H SO3 [H2SO4] ОН NaOH сплавл. бензолсульфокислота Cl Cl2 фенол ОН 10% NaOH [SNAr] 200 oC, 300 атм. FeCl3 хлорбензол Интерес к фенолу первоначально обусловлен высокими взрывчатыми характеристиками аммонийной соли пикриновой кислоты. NO2 _ + ONH4 O2N NO2 Промышленный (Дау-процесс): окисление изопропилбензола кислородом воздуха с последующим разложением гидроперекиси в кислой среде Достоинством этого процесса является одновременное получение ацетона. а) изопропилбензол получают: алкилированием бензола пропиловым (изопропиловым) спиртом в присутствии кислоты Льюиса; галогенопроизводными пропана; пропеном в кислой среде (а). H3C CH CH3 + H2C а) CH CH3 H+ + H3C CH CH3 + H [SEAr] изопропилбензол AlBr3 CH2 CH2 CH3 [SEAr] пропилбромид Образующиеся карбокатионы могут быстро перегруппировываться во вторичные (третичные) структуры. Поэтому в продуктах реакции наблюдаются только вторичные (третичные) заместители: + Br + CH2 CH2 1,2-перегруппировка CH3 O OH H . . O O [O2возд.] б) OH H3C C CH3 H3C C CH3 + H3C CH CH3 изопропильный карбокатион H O + + H3C C CH3 ацетон фенол Изопропилбензол легко окисляется до гидроперекиси, разложением которой в кислой среде получают фенол и ацетон (б). 16.2 Реакции фенолов 16.2.1 Фенолы как кислоты Благодаря сопряжению фенолы являются сильными кислотами: .. ...: O H -5 Kд - 10 -19 -15 Alk OH - 10 -: 10 p- -сопря жение (спирты) Растворы фенола в воде обладают бактерицидными свойствами и называются карболовой кислотой. При наличии в ароматической системе акцепторных группировок кислотные свойства фенолов возрастают. 16.2.2 Реакция алкилирования Фенолы алкилируются через феноляты: _ + ONa ОН NaOH O R K-Br -NaBr простой ароматический эфир При R=CH3 – анизол, если R=C2H5 - фенетол. 16.2.3 Ацилирование фенолов Фенолы легко ацилируются ангидридами карбоновых кислот: O O ОН H3C C + O H3C C (CH3COONa) -CH3COOH О C CH3 фениловый эфир уксусной кислоты O При ацилировании галогенангидридами, используют пиридин для связывания выделяющегося галогена: O ОН O O + H3C C C CH3 -HCl Cl фениловый эфир уксусной кислоты .. N .. _ Cl соль пиридиния + HCl N +N H 16.2.4 Замещение ОН-группы в фенолах Реакции протекают сложнее, чем в соответствующих предельных спиртах. Реакция относится к типу [SNAr]. ОН Cl + PCl5 + POCl3 + HCl 16.2.5 Реакции электрофильного замещения SЕAr (галогенирование, нитрование, сульфирование) протекают очень легко. ..OH (+M) . . . .. . . . Гидроксильная группа является одной из самых сильных донорных групп, максимально увеличивает электронную плотность в ядре. Следующая стадия - взаимодействие с электрофилом протекает очень легко. 16.3 Основные способы получения и реакции сульфопроизводных арилов Основная реакция получения ароматических сульфокислот - сульфирование. Ее проводят действием серного ангидрида или сернокислотными смесями. Механизм реакции по Шилову: O SO3 O S OH S O + .. H O комплекс комплекс При сульфировании серной кислотой: O O + _ HO S OH _ + HO + SO3H O серная кислота O .. SO3H + SO3H + -H S OH + O H Реакция протекает с концентрированной серной кислотой легко при наличии донорных группировок в ядре (фенолы): OH 25oС орто-оксибензолсульфокислота OH SO3H H2SO4(к) OH 100oС п-оксибензолсульфокислота SO3H Введение второй сульфогруппы протекает в более жестких условиях, так как в ядре уже имеется заместитель второго рода (SO3H). Сульфокислоты применяются в фармацевтической, лакокрасочной промышленности, при производстве синтетических моющих средств (алкилбензолсульфокислоты). Большое значение сульфопроизводных обусловлено способностью обменивать сульфогруппу на другие функциональные группы и заместители. Замещение на водород SO3H Н острый пар бензол Замена сульфогруппы на ОН-группу Замещение проводят либо сплавлением с NaOH, либо взаимодействием с нагретыми ратсворами NaOH (180÷250°С). Замещение сульфогруппы на галоген или нитрогруппу Замещение возможно в том случае, если в орто- или пара- положении имеется электроннодонорная группа; OR–; NH2–). Используемые реактивы: замещение на галоген проводят раствором галогеноводородной кислоты. замещение на нитрогруппу проводится азотной кислотой, нитрующей смесью или окислами азота. Замещение сульфогруппы на аминогруппу Проводят при температуре 130÷180°С аммиаком в присутствии связывающих серную кислоту веществ. NH2 SO3H As2O5 + NH3 -As2O5 H2SO3 . 17 КАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ) O R C R'(H) C O карбонильная группа Альдегиды, кетоны предельные: O муравьиный С1: H C H O С2: H3C уксусный C H O С3: H3C пропионовый CH2 C H С4: масля ный (изомасля ный) С5: валериановый (изовалериановый) Кетоны: O O H3C C CH2 CH3 бутанон-2(метилэтилкетон) Непредельные альдегиды, кетоны: O акриловый альдегид H2C CH C (пропеналь) H метакриловый альдегид H2C C CHO H3C C CH3 CH3 H3C CH CH CHO кротоновый альдегид O HC C пропаргиловый альдегид C H H3C C C O тетроловый альдегид C H Кетоны: O H2C CH C CH3 O H3C CH CH C бутенон (метилвинилкетон) 3-пентен-2-он (метилпропенилкетон) CH3 Существуют также ароматические альдегиды, кетоны, например: O O C C CH3 H бензофенон (метилфенилкетон) бензальдегид 17.1 Строение карбонильной группы R R C + C R O R _ O II I Структура I учитывает плоскостное строение карбонильной группы и подтверждается инфракрасной спектроскопией, учитывающей смещение эленктронной плотности по π-связи. Все карбонильные соединения в инфракрасной спектроскопии имеют характеристическую полосу в области 1700 см-1. Эффект заместителя в альдегидах в этом плане определяется следующими данными ИКспектроскопии: O O O (+I) CH3 (I=0) H C (-I) Cl3C C C H H H 1750 см 1762 см 1740 см (I=0) более поля рна менее поля рна Смещение полосы поглощения указывает на изменение поляризации карбонильной группы в зависимости от характера радикала в альдегиде. -1 -1 -1 17.2 Общая характеристика реакционной способности карбонильной группы Как обычная двойная связь (π-связь) карбонильной системы может участвовать в различных реакциях присоединения, чаще всего [AN]. С другой стороны, за счет сильной «оттяжки» электронной плотности на кислород карбонильные группы в целом являются сильными акцепторами. Это приводит к тому, что в насыщенных альдегидах и кетонах ослабляется связь С–Н в -положении по отношению к карбонильной группе. Водород становится подвижным. Это приводит к образованию енольных форм. .. .. .. H O H (+М) O H3C CH C H3C CH C "енол" "кетон" H H " кето-енольная таутомерияяч Для насыщенных альдегидов и кетонов содержание енольной формы не превышает 0,01%. В присутствии щелочного реагента возможно отщепление водородного атома. При этом образуется енолят-анион. Такое явление называют С-Н-кислотностью. _ _ O O OH _ B R CH C R CH C R CH C H H H H карбоанион еноля т-анион . .. OH R CH C "енол" H Енольные формы могут образовываться в присутствии электрофильных реагентов. O R CH2 C + H + OH R -H CH2 C H H R CH2 + C OH + R CH C H OH H В енолах свободные электронные пары на кислороде смещены в сторону кратной связи (+М). Это приводит к поляризации двойной связи, делает енолы чрезвычайно активными к электрофильным реагентам. .. .. OH (+М) R CH C H Они легко присоединяют галогены, галогеноводороды, и водород. Благодаря образованию енольных форм карбонильные соединения могут вступать в конденсацию в присутствии следов минеральных кислот: R O R + +H CH2 C R + CH2 C CH OH CH H H OH R OH OH OH CH2 CH + C CH -H R H R O + CH2 CH CH R альдоль (альдегидоспирт) C H Приведенная конденсация называется альдольной. Образование енольных форм доказывается тремя реакциями: присоединением галогенов; взаимодействием со щелочными металлами; образованием цветных комплексов с FeCl3. Например, взаимодействие с йодом ацетона можно объяснить только присоединением по двойной связи к его енольной форме: ОН O H2C C CH3 + I2 0,0025% CH3 C CH3 99,9975% I -HI I CH3 CH2 C I малостабильное соединение O CH2 C ОН CH3 С кислотами Льюиса енольные формы образуют хелатные соединения посредством донорно-акцепторной связи. 17.2.1 Равновесие в системе кетон-енол В карбонильных соединениях, насыщенного характера, равновесие сильно сдвинуто в сторону кетона. Так, в ацетоне енольная форма составляет лишь 0,0025%. Иначе обстоит дело в функционально замещенных альдегидах и кетонах. При наличии в βположении (по отношению к карбонильной системе) электроноакцепторных заместителей подвижность -водородного атома резко возрастает, что приводит к увеличению доли енольной формы. CH3 C O .. CH C H O R CH3 C O .. CH C N H Подвижность -водородного атома настолько высока, что подобные соединения относят к C–H кислотам. Енольная форма легко обнаруживается по моментальному обесцвечиванию бромной воды. В реакциях с алкоголятами металлов ион водорода может замещаться на ион щелочного металла. _ + Na OR CH3 C CH C N CH3 C CH C N _ + + H O Na OH Более стабильными становятся енольные формы, которые попадают в сопряжение: CH3 C CH O H C N CH3 π C CH π C N OH  (π–π–сопряжение) Особенно стабильны енольные формы ароматических соединений. O O HO OH енольная форма O OH 1,3,5 - циклогексанитрион 1,3,5- тригидроксибензол (не выделен) (флороглюцин) Направление присоеднения к непредельным альдегидам и кетонам B α,β-непредельных соединениях влияние карбонильной группы приводит к присоединению по двойной связи электрофильных реагентов против правила Марковникова. Возможный механизм присоединения - АN: _ _ H2C CH C CH3 HBr Br CH2 CH C CH3 [A] O O Br CH2 CH C O _ + H CH3 Br CH2 CH2 C CH3 O 17.3 Основные способы получения альдегидов и кетонов 17.3.1 Алифатические карбонильные соединения 1) Дегидрирование первичных и вторичных спиртов R R CH CH (-H2) t=225oC R CH Cu O R C R R CH -H2 H R Третичные спирты не дегидрируются (нет атома водорода) 2) Окисление спиртов (первичных и вторичных) (см. свойства спиртов) 3) Гидролиз гемдигалогенидов Br R CH Br _ H2O [OH] to OH R CH OH гем-диол 4) Из карбоновых кислот а) нагревание с окисью марганца или тория -H2O to O R C H C O O R C O H R to CO2 + H2O + R C kat OH O R C O б) пиролиз кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот O O R C R C O H HO + Ca R O -H2O Ca O O H HO to -CaCO3 R C O R C R C O O 5) Взаимодействие нитрилов карбоновых кислот с реактивами Гриньяра + R C N + R' MgBr R C N MgBr HOH [HCl] R' NH + Mg(Cl)Br R C R' OH R C HOH NH H+ R C O NH2 R' R' имины 6) Из кадмийалкилов и галогенангидридов кислот O 2R C -NH3 C R' кетоны O R' + R Cd CdBr2 + 2 R C R' Br R' 7) Реакция восстановления хлорангидридов кислот (реакция Розенмунда) O O H2/Pd R C R C + HCl альдегид H Cl 8) Окисление алкенов кислородом воздуха в присутствии солей палладия (метод Сыркина) O O2 H2C CH2 H3C C [PdCl3] H или O H3C H3C C CH3 CH CH2 Метод находит широкое применение в синтезе ацетальдегида (альтернатива ртутному способу Кучерова) 9) Гидратация ацетилена и его гомологов по Кучерову CH3 CH3 C CH + H2O CH3 CH2 C H2SO4 CH3 CH2 C Hg 2+ енол CH3 CH2 OH кетон O В промышленности по Кучерову получают уксусный альдегид из ацетилена. Недостатки метода Кучерова: экологически вредный метод (соли ртути) использование дорогостоящего исходного сырья, Преимущества метода Сыркина: использование более доступного исходного сырья и безвредных для природы катализато- ров. 10 Получение карбонильных соединений оксосинтезом O P=120 атм t=100oC CH2 CH2 + CO + H2 CH3 CH2 C H пропионовый альдегид Вероятный механизм: H2C CH2 H2C CH2 + C C O O O [H2] CH3 CH2 C циклопропанол H 17.3.2 Получение ароматических альдегидов и кетонов а) Ацилирование галогенангидридами кислот: O O + C R C AlCl3 R + HCl Cl Механизм реакции Фриделя-Крафтса: 1) Генерирование электрофила O O R C + AlHal3 R C Hal Hal O C+ _ AlHal4 R электрофил 2) Образование π-комплекса с электрофильной частицей. AlHal3 O _ +C R AlHal4 -комплекс 3) Образование ζ-комплекса H O _ AlHal4 C R + - комплекс Перераспределение π- комплекса приводит к нарушению ароматичности ядра. 4) Выброс протона из сигма-комплекса и восстановление ароматической системы O H C + -H O _ AlHal4 R + AlHal3 + HHal + C R .. - комплекс Реакция Гаттермана–Коха При использовании хлорангидрида муравьиной кислоты получают бензальдегид: O O C + Cl C AlCl3 H + HCl H Механизм реакции тот же. В качестве катализаторов в реакции Фриделя-Крафтса используют кислоты Льюиса: AlCl3, AlBr3, FeCl3, ZnCl2 и т.д. В последнем случае количество катализатора берется больше (до трех раз больше расчетного). Механизм: O H3C C + O H3C C .. .. C .. CH3 H O _ O + электрофил O H3C C O ZnCl2 + ZnCl2 -ZnCl2 C O O H3C C CH3 O - комплекс O C O CH3 ацетофенон _ + ZnCl2 + H3C C OH ZnCl2 17.4 Химические свойства карбонильных соединений 17.4.1 Присоединение по карбонильной группе а) Присоединение водорода (восстановление альдегидов и кетонов) OH O H2 R C R CH R'(H) kat спирты R (H) Восстановление до спиртов может быть осуществлено гидрированием на катализаторах благородной группы или никеле: нормальные условия при восстановлении на платине или палладии; повышенное давление и температура при гидрировании на никеле. К другим методам относятся восстановление активным водородом (натрием в спирте, цинком в уксусной кислоте). В качестве химических восстановителей применяют аллюмогидрид лития, боргидрид натрия, алкоголяты алюминия: _ O O 4+ LiAlH4(абс. эфир) 4 R C R'(H) R CH R'(H) 4AlLi OH H2O 4R [NH4Cl] C R(H) +Al(OH)3 + LiOH CH3 O R CH R'(H) H3C CH O to O + H3C C _ Al 3 R O CH 3+ R'(H) Al 3 CH3 После отгонки ацетона, остаток разлагают водой: _ O OH HOH R CH R'(H) Al R CH 3 R'(H) + Al(OH)3 Реакция основана на выделении в процессе ее поведения более легко кипящего карбонильного соединения. В случае применения этилата алюминия таким соединением является уксусный альдегид (tкипения 21 C). NaBH4 действует таким же образом, как и алюмогидрид лития, но абсолютных условий не требуется. Более того, боргидрид натрия может восстанавливать карбонильные соединения в водных растворах. б) Способы восстановления до алканов Восстановление карбонильных соединений можно провести до углеводородов: Метод Клеменсена (восстановление амальгамой цинка) C H OH Zn-Hg [H2] C O C -H2O H H Метод Кижнера–Вольфа (разложение гидразонов) Первая стадия - образование гидрозонов карбонильных соединений является общей. Методы различаются второй стадией - способом разложения гидрозонов: .. OH R CH2 C CH3 + H2N NH2 [AN] R CH2 C NH NH2 CH3 O t, (асбест) Кижнер -H2O R CH2 C N NH2 R CH2 CH2 CH3 + N2 алканы t, NaOC2H5 CH3 гидразон (кетона) Вольф 17.4.2 Присоединение нейтральных нуклеофилов а) Присоединение воды O R C .. .. _ AN + HOH OH O R R' C R' R H OH + H C OH + H2O формалин H C H C H OH OH O CCl3 R' OH гем-диолы O 40% раствор C + H2O хлоральгидрат H CCl3 C H OH Геминальный диол на основе хлоральгидрата устойчив и служит формой хранения хлораля, который очень активен. Хлоральгидрат применяется в фармакопеи, как жаропонижающее средство. б) Присоединение перекиси водорода O H C H OH O + HOOH AN H в) Присоединение спиртов H C H OOH C H HOCH2 OO CH2OH (бис)-оксиметиловый эфир .. .. O R C H AN + ROH R R + O OR C R' R _ OH R' R -HOH C R' OH полуацеталь OR + ROH, [H ] C R' OR ацеталь кетона (кеталь) H3C CH(OCH3) диметилацеталь уксусного альдегида (ДМАУА) H3C C CH3 диэтилкеталь ацетона C2H5O OC2H5 Реакции присоединения спиртов катализуются кислотами или основаниями: кислотный катализ: O R C +H + + C R R' .. .. OH ROH R' OH R C R' + O H R + -Н OH R C R' основный катализ: _ ROH + OH O R C R' _ RO + HOH _ + RO OR полуацеталь O _ R C R' OH OR ROH R C _ OR + RO R' Ацетали и кетали получаются из полуацеталей только в кислой среде. Они очень устойчивы к действию щелочей. г) Присоединение аммиака и аминов Альдегиды присоединяют аммиак, образуя кристаллические альдегидо-аммиаки. При нагревании последние теряют воду и полимеризуются. O R C .. OH + NH3 AN H 2 R CH to R CH NH2 -H2O R HN NH NH R CH NH (тример) R N H Формальдегид реагирует с аммиаком с образованием гексаметилентетрамина – уротропиR на: O 6H C CH2 N N + 6H2O CH2 N + 4NH3 CH2 H N Уротропин используют для получения промышленных взрывчатых веществ: O2N N O2N N N HNO3 N N NO2 N N + N NO2 N O2N N NO2 NO2 октоген гексоген Кетоны, при взаимодействии с аммиаком самоконденсируются. Для ацетона: O O NH3 3 H3C C CH3 H3C C CH C CH C CH3 + 2H2O N CH3 д) Присоединение гидроксиламина .. O R C + H2N OH форрон _ OH H AN + R C NH OH R'(H) R'(H) OH H R C CH3 N N OH -HOH R OH C R'(H) оксим альдегида (кетона) Оксимы альдегидов или кетонов – кристаллические соединения, характеризующиеся четкими температурами плавления. Они используются в качестве косвенного подтверждения строения исходных альдегидов или кетонов. е) Присоединение гидразина и его производных R'(H) O R C + H2N NH R C R'(H) фенилгидразон альдегида (кетона) R'(H) фенилгидразин гидразин H2N NH2 фенилгидразин H2N NH H2N NH N NH AN C NH2 семикарбазид O R C N NH2 гидразоны R' R C N NH NH2 семикарбазоны C O R' Реакции с приведенными производными гидразина протекают по аналогичной схеме (как с гидроксиламином). ж) Образование бисульфитного производного Альдегиды и кетоны со свободной α-CH3-группой образуют в реакциях с бисульфитом натрия прочные соединения, называемые бисульфитными производными соответствующего альдегида: _ O O O OH O O AN R C S ONa R C S ONa R CH S ONa + бисульфитное H + OH H OH производное O бусульфит натрия . Образование бисульфитного производного дает возможность выделять альдегиды из сложных смесей органических соединений (бисульфитное производное растворимо в воде). Выделение альдегида из бисульфитного производного проводят обработкой раствором HCl. 17.4.3 Присоединение Н-кислотных соединений Присоединение галогенводородов O R C + + HCl _ OH AN R C Cl R'(H) R''OH R C Cl R'(H) -хлорэфиры α-хлорэфиры являются устойчивыми производными геминальных галогенспиртов. Присоединение синильной кислоты R'(H) OR'' O R C OH AN + _ + HC N R C C N R'(H) R'(H) циангидрин альдегида (кетона) Циангидрины гидролизуют до амидов оксикарбоновых кислот или до оксикарбоновых кислот. Метод позволяет удлинять цепочку карбонильного соединения на один атом углерода. При этом получают новую функциональную группу. OH OH OH O HOH HOH R C C R C C N _ R C COOH _ H + (OH ) H + (OH ) NH2 R' R' R' 17.4.4 Сравнительная реакционная способность альдегидов и кетонов O O R R C C H R' (+I) альдегид кетон В реакциях AN (нуклеофифльного присоединения) по карбонильному атому углерода, определяющую роль играет величина положительного заряда на атоме углерода. Вследствие положительного индукционного эффекта алкильного заместителя в кетонах происходит частичное погашение положительного потенциала на карбонильном атоме углерода. Таким образом, при прочих равных условиях, альдегиды всегда более реакционноспособны в реакциях AN. Если рассматривать насыщенные альдегиды, то наиболее реакционноспособным альдегидом является муравьиный альдегид (по той же причине). Еще большей реакционной способностью обладают альдегиды, имеющие в -положении акцепторные заместители, например: O (-I) Cl3C C H трихлоруксусный альдегид 17.4.5 Реакции по α-водородному атому карбонильных соединений Отличительной особенностью карбонильных соединений является аномально высокая подвижность α-водородного атома, что приводит к возникновению таутомерных форм: O R CH2 C OH R CH C енольная R'(H) R'(H) кетонная форма форма Это объясняется возможностью пространственного соприкосновения sp 3-гибридных орбиталей и π-связи в карбонильных соединениях (гиперконъюгация) и приводит к перетеканию электронной плотности на π-связь с ослаблением С–Н связи: Н sp3 O Н C C R R'(H) гиперконъюгация Вследствие этого, атом водорода перемещается к наиболее электроотрицательному атому кислорода. В щелочной среде равновесие более смещено в сторону образования енолят-аниона: _ _ O O O _ OH R CH C R CH C R CH C -HOH R'(H) R'(H) R'(H) H стабилизация аниона .. Галогенирование в α-положение Реакцию проводят в щелочной среде. Таким образом, можно получать, например, трихлорпроизводные альдегидов. Реакция протекае по схеме: O R CH2 C _ + OH H -HOH O R CH C O C H Cl C Cl .. Cl H NaOH NaCl H Cl R CH _ + Cl O _ R CH O + Cl2 _ OH R CCl2 C + (NaCl) H Нитрозирование Обработка карбонильных соединений азотистой кислотой приводит к образованию оксимов по -положению: O O R CH2 C + HO N H C -H2O R CH C N O R O C N OH H O pH=1 H моноксим дикарбонильного соединения Конденсация альдегидов и кетонов Может протекать, как самоконденсация и перекрестная конденсация. Первая протекает в две стадии: альдольная конденсация; кротоновая конденсация. Схема самоконденсации уксусного альдегида в щелочной среде или альдольнокротоновая конденсация уксусного альдегида: 1. (1) O 2. CH3 C O _ + OH C H CH3 O _ + CH2 C O _ CH2 (карбанион) C H _ O AN O CH2 CH CH2 C H H OH H O HOH _ -OН (1,2 ст. - альдольная конденсация ) CH3 CH CH2 C альдоль H ( -оксимасля ный альдегид) OH O O (2) 3. CH3 CH CH2 C CH3 CH CH C кротоновый альдегид H H (3 ст.- кротоновая конденсация ) В альдольно-кротоновую конденсацию вступают и кетоны. Например, из ацетона образуется непредельный кетон (2-метилпентен-2-он-4): O O O Ba(OH)2 CH3 C CH C CH3 H3C C CH3 + H3C C CH3 AN CH окись мезитила -H2O 3 Ароматические альдегиды и кетоны также вступают в реакцию конденсации с карбонильными соединениями, имеющими -водородные атомы. OH O H O H O _ C .. H + HC 2 H H C CH2 C H альдоль(альдегидоспирт) -HOH H H CH OH [AN] H отсутствует -водородный атом O CH to CH C H коричный альдегид -HOH Реакции между альдегидами и кетонами O O _ .. H3C C CH2 + CH3 H to [I2] C O OH CH3 C OH CH2 CH CH3 H O CH3 C CH CH CH3 + H2O В качестве нуклеофильного компонента выступает менее активное карбонильное соединение (кетон). 17.4.6 Реакция полимеризации, поликонденсации Формальдегид в присутствии воды циклизуется в триоксан: CH2 O H2O O O t кипения =101 С o ; H C 3 t плавления =64 С o. CH2 CH2 H O или параформ: CH2 O n где n≥8 Уксусный альдегид удобно хранить в такой же циклической форме, называемой паральдегидом. CH3 CH O O CH CH H3C CH3 O паральдегид Бутлеров действием гидроксида кальция на раствор формальдегида в воде получил смесь продуктов паральдольной конденсации формальдегида в виде сахароподобного вещества: O HO CH2 CH n C OH H где n=3÷5. При избытке формальдегида в реакции с фенолами образуются полиоксиметильные производные фенола, называемые гидроксиметилфенолами. O AN 2CH2O HO CH2 H C + H OH OH H CH2OH HOH2C OH 2,4,6-трис(оксиметил)фенол CH OH 2 При нагревании оксиметильных производных происходит межмолекулярная дегидратация и образуется сетчатый полимер, который называется фенолформальдегидной смолой. OH OH OH OH CH2 CH2 Фрагмент цепи фенолформальдегидной смолы 17.4.7 Реакции гидридного переноса Карбонильное соединение, не имеющее -водородных атомов, также могут вступать в реакции конденсации. O O O H C (CH3)3C C C H H H не имеют -водородного атома Реакция Канниццаро Схема конденсации муравьиного альдегида O 50% NaOH 2H C H H O + H C H C OH ONa H Такие реакции называются реакциями диспропорционирования. Механизм реакции: O _ _ H C O O O O _ H AN H C H H C H C OH + H C + OH H OH H O : H C _ H + CH3 OH муравьный спирт O анион муравьиной кислоты Реакция Тищенко Реакции гидридного переноса возможны и для соединений с -водородными атомами, например: конденсация уксусного альдегида в присутствии алкоголятов алюминия. O O + H3C C H3C C H .. Al(OC2H5)3 CH3 CH2 O _ + O + C CH3 H O CH3 CH2O этиловый эфир уксусной C CH3 кислоты (этилацетат) По этой схеме в промышленности получают этилацетат. 17.5 Непредельные альдегиды и кетоны Наибольший интерес представляют -сопряженные карбонильные соединения. O CH3 CH CH C H кротоновый альдегид Получают альдольно-кротоновой конденсацией уксусного альдегида. Вто же время его можно получить по реакции Перкина: конденсацией уксусного альдегида с уксусным ангидридом в присутствии ацетата натрия. O H3C C O O O O CH3 + CH3 C C O _ -CH COOH 3 ONa H3C C O O _ CH2 C + Na _ CH3 C O H O CH3 CH CH2 C AN OH O O O C CH3 CH3COOH -CH3COO _ O O CH3COOH + CH3 CH CH C кротоновая уксусная кислота OH кислота Кротоновая кислота далее востанавливается в альдегид. Реакция Перкина конкурентна реакции кротоновой конденсации в присутствии щелочи. Преимущества реакции Перкина: реакция протекает без образования продуктов дальнейшей конденсации (полимеров), то есть больше выход целевого соединения. CH3 CH CH2 C O C CH3 17.5.1 Особенности химических свойств α,β-непредельных карбонильных соединений α,β-Непредельные карбонильные соединения могут вести себя, как сопряженные диены, то есть участвовать в реакциях 1,2 и 1,4-присоединения. Присоединение водорода 4 1 2 O 3 CH3 CH CH C OH Н2 CH3 CH2 CH C 1,4-присоединение енольная система H H O CH3 CH2 CH2 C H В результате по формальному признаку образуются продукты 1,2-присоединения. Присоединение галогеноводородов 4 AN + _ CH3 CH CH C + HBr CH CH C 1,4-присоединение H "енол" Br O 1 CH3 O 2 3 OH H CH3 CH CH2 C Br "кетон" H Присоединение протекает по нуклеофильному механизму, так как формально к атому углерода присоединяется нуклеофил. Относительно двойной связи, присоединение протекает против правила Марковникова. Присоединение галогенов O CH3 CH CH C Br AN + Br2 H Br O CH3 CH CH C 1,2-присоединение H 17.6 Оксиальдегиды и оксикетоны 17.6.1 Получение моноксиальдегидов O HO CH2 C оксиуксусный альдегид (гликолевый альдегид) H а) Декарбоксилирование малеиновой кислоты (цис) в водном растворе при 65°С H OH H COOH H O t C C C [H O] 2 C C CH2OH H H OH COOH цис-этилендикарбоновая кислота б) Окисление этиленгликоля раствором Фентона: O FeSO4 HO CH2 CH2OH HO CH2 C H2O2 H в) Общий метод получения α-оксикарбонильных соединений: 1 Постановка ацетальной защиты: O R''O OR'' R''OH R CH2 C H(R') R CH2 C H(R') + [H ] CaCl2 ацеталь(кеталь) 2 Галогенирование в α положении: R''O OR'' R CH2 C H(R') Cl _ 2 [ OH] R''O R CH OR'' H(R') + HCl C Cl 3 Гидролиз галогенопроизводного: R''O OR'' R CH C H(R') + H2O _ [ OH] R''O R CH Cl 4 Снятие ацетальной защиты: R''O OR'' R CH OH C H(R') OR'' C _ H(R') + Cl OH O HOH [HCl] R CH C H(R') + 2R''OH OH оксикарбонильное соединение Гликолевый альдегид представляет собой вязкую жидкость сладковатого вкуса, которая димеризуется при длительном стоянии: .. .. HO O C O OH CH2 C CH2 H .. .. CH O O HC CH2 OH CH2 HO H 17.6.2 Получение α-оксикетонов Простейший представитель – оксиацетон: O HO CH2 C CH3 tкип = 147°С, tпл = 17°С. Получают: 1) Взаимодействием α-хлорацетона с калиевой солью муравьиной кислоты: O O t H3C C CH2 O C H H3C C CH2Cl + KO C H -KCl эфир муравьиной O O кислоты O CH3OH H3C C CH2OH + H3C O C H 3% раствор HCl O метилформиат 2) Изомеризацией молочного альдегида: Енольна форма молочного альдегида при легком нагревании переходит в -оксиацетон. O H3C CH C OH OH H3C H C OH C O t H3C C CH2OH H -Оксикетоны, имеющие вторичную гидроксильную группу, называются ацелонами, например: O H3C C CH OH CH3 17.6.3 Cвойства α-оксикарбонильных соединений Свойства определяются наличием карбонильной и α-гидроксильной групп. Оксиальдегиды дают реакцию серебряного зеркала, реагируют с феленговой жидкостью (FeSO4+ H2O2), однако в отличие от алифатических кетонов α-оксикетоны обладают сильными восстанавливающими свойствами. Так, с фенилгидразином α-оксикарбонильные соединения дают гидразоны как обычные карбонильные соединения: O H3C CH C [AN] + H2N NH - HOH H OH H3C CH CH N NH OH фенилгидразон -оксипропаналя Однако, в случае использования избытка фенилгидразина, образовавшийся гидразон вступает в дальнейшую реакцию: 2 H2N NH H3C CH CH N NH OH H3C C CH N N NH + NH3 + NH2 NH озазон Вероятный механизм: .. H2N NH H3C CH CH N NH _+ NH3 NH OH _ H3C CH _ O CH N -H NH _ NH 2 _ NH3 H2N NH H3C C CH N NH -HOH O H3C C N CH N NH NH озазон Переход к диоксиальдегидам и к диоксикетонам Используют циангидринный способ O H3C CH C OH N [AN] H3C H OH + H ; H2O + _ +H C CH CH C N OH OH H3C CH CH OH O Hg - Zn вос - ние C H3C O CH CH C OH H OH 2,3-диоксибутаналь В условиях реакции диоксиальдегиды могут перегруппировываться в диоксикетоны. OH OH HO CH2 CH O OH C HO CH2 C OH C OH H O HO CH2 C CH2OH диоксиацетон 17.6.4 Получение и свойства β-оксикарбонильных соединений Простейшим β-оксиальдегидом является альдоль OH O _ O OH 2 H3C C H3C CH CH2 C альдоль H OH Альдоли склонны к образованию димеров, причем их в смеси в 3÷4 раза больше, чем мономеров (20% мономера, 80% димеры): OH OH O O H3C CH CH2 C H3C CH CH2 CH3 H O OH При конденсации ацетона в щелочной среде образуется диацетоновый спирт (β-оксикетон) OH H3C C CH2 C CH3 CH3 tкип 164o С O 17.6.5 Свойства γ,Δ-оксиальдегидов Для подобных соединенрий характерна кольчато-цепная таутомерия (цепь-кольцо) .. CH2 CH O OH [AN] циклический O полуацеталь CH2 CH2 OH полуацетальный гидроксил Δ-Оксиальдегиды также находятся в кольчатой форме: H CH2 C [AN] полуацетальный O CH2 гидроксил OH O CH2 CH2 OH 90% Ациклическая форма – альдегидов реагирует, как обычное карбонильное соединение с фенилгидразином или с амиачным раствором окиси серебра O O NH4OH + 2Ag R C R C + Ag2O .. H OH реакция серебряного зеркала Циклическая форма легко образует эфиры: O 1-3% HCl в CH3OH O -HOH OCH3 OH реакция метилирования по полуацетальному гидроксилу В условиях ацилирования легко образуются сложные эфиры по полуацетальному гидро- ксилу: O H3C O OH C 2 O + H O O O C CH3 + CH3COOH 18 УГЛЕВОДЫ Различают следующие классы углеводов: моносахариды; олигосахариды; полисахариды. К первому классу относят полиоксиальдегиды, полиоксикетоны; ко второму – продукты конденсации моносахаридов между собой, с выделением воды (так называемые олигосахаридные цепи). Могут сосотоять из двух остатков моносахаридов (дисахариды), из трех (трисахариды), и т.д. К третьему классу относят полимерные цепи, состоящие из ста и более остатков моносахаридов. 18.1 Моносахариды В зависимости от числа атомов углерода в основной цепи, моносахариды делят на: треозы, тетрозы, пентозы, гексозы. В зависимости от характера карбонильной группы, моносахариды могут быть: альдозами или кетозами. Принадлежность к моносахаридам обозначается окончанием – оза. Треозы кетозы альдозы H O H O CH2OH C C O HO OH C CH2OH CH2OH CH2OH D L глицериновый альдегид Тетрозы альдозы H O кетозы H C O CH2OH C OH HO OH HO O OH CH2OH CH2OH D L эритроза C CH2OH Пентозы H O H C O C OH O OH OH OH OH CH2OH D - рибоза CH2OH Гексозы H O H C O C OH HO O HO OH OH OH OH CH2OH D - глюкоза CH2OH D-фруктоза Наличие гидроксильных групп в γ и Δ положении цепи приводит к образованию фуранозных и пиранозных циклических форм моносахаридов. 18.1.1 Колчато-цепная таутомерия моносахаридов Рассмотрим кольчато-цепную таутомерию в проекционных формулах Фишера, для Dглюкозы: H O H OH HO H C OH OH OH O + HO HO HO OH [AN] O OH OH .. .. OH CH2OH CH2OH -D-глюкопираноза D-глюкоза Или в проекционных формулах Хеуорса: 6 CH2OH O 5 4 OH CH2OH -D-глюкопираноза OH 1 OH 2 3 OH 18.1.2 Образование фуранозных форм (в проекционных формулах Фишера и Хеуорса) Фишер H O H OH HO H C OH OH HO .. .. OH OH CH2OH D-глюкоза Хеуорс HO O OH O + HO [AN] OH CH2OH -D-глюкофураноза OH CH2OH -D-глюкофураноза 6 HO CH2OH 5 O 1 4 OH OH 2 3 OH -D-глюкофураноза На самом деле, циклические углеводы находятся в устойчивой конформации “кресло”, поэтому правильнее изображать пиранозные (кольчатые) формы моносахаридов в конформации “кресло”. Например, β-D-глюкофураноза: 6 5 H H 4 OH (а) OH 3 H OH (а) 1 H O H (I) 2 (а)OH (а) OH OH O (II) (e) HO (e) HO OH (e) (e) OH (а)- аксиальная форма (е)- экваториальная форма Конформационный анализ для (I) и (II) β-D-глюкопиранозы показывает, что конформация (II) с экваториальным расположением (е) гидроксильных групп, более стабильна, чем конфигурация (I).Особую роль в нестабильности формы кресла (I) вносит взаимодействие β-полуацетального гидроксила с атомом кислорода в цикле. В конформации (II) такого взаимодействия нет, а стабилизирующее влияние оказывает водородная связь между гидроксилом при шестом атоме углерода и атомом кислорода в цикле. Поэтому, в основном, пиранозные структуры находятся в конформации (II) и для других гексоз. Наличие аномерного гидроксила приводит в растворах к переходу α-аномеров в β-аномеры (через линейную структуру). Для каждого моносахарида в растворах существует равновесие между α- и β-формами. Если растворить индивидуальный α-аномер в воде, то через некоторое время будет обнаруживаться также и β-аномер, такое явление называют мутаротация. При этом в процессе мутаротации изменяется угол оптического вращения раствора [ ], который перестает изменяться по окончании процесса взаимного перехода α- и β-форм друг в друга (наступает равновесие). Для каждого моносахарида существует определенное соотношение α- и β-форм, в растворах данного растворителя. 18.2 Свойства моносахаридов 18.2.1 Восстановление Под действием амальгамы натрия и алюминия или каталитическим гидрированием, моносахариды переводят в полиспирты, при этом из пентоз образуются пентиты, а из гексоз – гекситы. 6 CH2OH CH2OH 5 O OH [H] H, OH OH 1 4 OH OH OH CH2OH 2 3 OH D-сорбит (гексит) При восстановлении йодистоводородной кислотой (HI) гекситов, получают 2-йодгексан. CH2OH OH O I HI H, OH OH (+ гексан) OH OH 18.2.2 Окисление В первую очередь окислению подвергается карбонильная группа. Образующиеся альдоновые кислоты в кислой среде дают γ-лактоны. H O O OH O C C OH OH [O] HO HO OH -HOH OH OH HO O [AN] OH OH CH2OH -лактон D-глюконовой кислоты При более энергичном окислении (HNO3 конц) образуются сахарные (аровые) кислоты (дикарбоновые кислоты). H O COOH CH2OH CH2OH C OH OH HO [HNO3] HO OH OH OH OH COOH D-сахарная CH2OH кислота При окислении йодной кислотой (HIO4) происходит окислительная деструкция углерод – углеродной цепи, при чем замещенная гидроксильная группа (алкокси группа) не окисляется, что дает возможность определять ее место расположение. H O CH2OH C O OCH3 OH HIO4 HO H, OH OH OH OH OCH3 2-о-метил-( или )-D-глюкопираноза HIO4 O O O + 4H C CH2OH OH C C OCH3 HO 18.3 Простые эфиры моносахаридов При обработке кислым (1÷3% HCl) метанолом, происходит этерификация полуацетального гидроксила, остальные гидроксильные группы сохраняются без изменения. CH2OH CH2OH CH2OH O O OH CH3OH OH OH + OH 1-3% HCl O OCH3 OH OCH3 OH OH OH OH OH -аномеры метил - D - глюкопиранозида Для этерификации других гидроксильных групп используют более сильные алкилирующие средства. CH2OCH3 CH2OH O O OCH O OH (CH O) S 3 2 3 O OCH3 OH OH OCH3 OH OCH3 -метил-2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюкопиранозид (пентаметил-D-глюкоза) Все алкильные заместители, кроме гликозидного (полуацетального), устойчивы к гидроли- зу. CH2OCH3 O CH2OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 O HOH H+ H, OH + CH3OH OCH3 OCH3 OCH3 2,3,4,6-тетра-o-метил-D-глюкопираноза Наличие свободного полуацетального гидроксила приводит к возможности расциклизации. H CH2OCH3 O 1 O C 2 H3CO H, OH OCH3 4 5 OCH3 OCH3 OCH3 3 OCH3 OH 6 CH2OCH3 Гидроксильная группа у пятого атома углерода (как впрочем, и у четвертого) может быть определена окислительными методами: мягкое окисление; обработка HIO4 или HNO3. H O COOH C OCH3 OCH3 H3CO H3CO Ag2O OCH3 [NH OH] 4 OH OCH3 H3CO [O] OCH3 (I ) OH (I I ) CH2OCH3 CH2OCH3 OCH3 H3CO OCH3 O CH2OCH3 OCH3 (в) H3CO (а) COOCH3 + COOH (б) CH2OCH3 HIO4 (II) COOH (I) COOH [O] COOH OCH3 COOH O + C OCH3 (г) H (а) – монометиловый эфир диметилвинной кислоты, (б) – метоксиуксусная кислота, (в) – 2,3,4–трис(метокси)глутаровая кислота, (г) – метиловый эфир муравьиной кислоты. Если бы гидроксильная группа находилась у четвертого атома углерода (фуранозид), то производного глутаровой кислоты не было бы. Таким образом определяют размеры цикла моносахаридов. 18.3.1 Ацилирование углеводов Как и все спиртовые группы, гидроксильные группы моносахаридов гладко ацилируются уксусным ангидридом в присутствии пиридинацетата натрия. CH2OH O O OH HO OH H, OH + 5 CH3 C 2O HO CH2COONa N CH2OH O OAc H, OAc + 5CH3COOH OAc OAc OAc 18.3.2 Удлинение цепи моносахаридов При установлении строения углеводов или в специальных синтезах используют метод наращивания цепи через образование циангидринов (циангидринный способ). Например, из D-глюкозы можно получить, таким образом, D-манозу: CH2OH OH HO OH O _ HC N AN CH2OH OH HO OH C HO N HOH H+ CH2OH OH OH HO OH C HO O C H CH2OH CH2OH O -H2O O C HO OH HO O LiAlH4 H, OH HO OH HO лактон 18.3.3 Укорочение цепи моносахаридов (по Руффу) Укорачивают цепи обработкой кальциевых солей уроновых кислот моносахаридов реактивом Руффа. H2O2 + FeSO4 H O COOCa 1/2 COOH C OH HO OH OH OH Ag2O Ca(OH)2 HO HO O C H2O2 HO OH OH OH OH OH CH2OH CH2OH CH2OH -2Ag OH CH2OH H OH FeSO4 18.4 Олигосахариды Олигосахаридами называют простые эфиры, состоящие из двух или нескольких остатков моносахаридов. Как правило, олигосахариды содержат остатки, связанные через гликозидный гидроксил (при С1) , хотя бы одного из них. Поэтому олигосахариды делятся на два основных класса: Содержащие гликозидный гидроксил (восстанавливающие) – типа I; Не содержащие ни одного полуацетального гидроксила (невосстанавливающие) – типа II: 6 4 5 OH 2 3 3 OH -H2O CH2OH 6 5 1 OH 3 OH 2 3 I OH 6 O O CH2OH 5 4 4 1 OH OH 2 2 1 OH CH2OH O 4 O OH 6 OH 4 OH OH O 5 1 OH 5 O 4 1 OH CH2OH CH2OH O 5 6 6 CH2OH OH 3 1 O 2 OH OH 2 3 II OH OH OH Восстанавливающие олигосахариды часто называют редуцирующими. 18.4.1 Важнейшие дисахариды Сахароза (тростниковый сахар). Состоит из остатков глюкозы и фруктозы. 6 CH2OH 5 1 CH2OH O O 1 4 OH OH 3 5 2 HO O 2 OH 3 сахароза 4 6 CH2OH OH 2-(1- -D-глюкопиранозидо)- -D-фруктофуранозид Растворы сахарозы вращают плоскость поляризованного света вправо. Вещество не имеет гликозидного гидроксила, поэтому относится к невосстанавливающим дисахаридам. Мальтоза (солодовый сахар). 4-(1-α-D-глюкопиранозидо)-α-D-глюкопираноза имеет свободный гликозидный гидроксил, поэтому является восстанавливающим дисахаридом. Лактоза (молочный сахар). 4-(1-β-D-галактопиранозидо)-α-D-глюкопираноза, восстанавливающий дисахарид. Целлобиоза (промежуточный продукт гидролиза клетчатки). 4-(1-β-D-глюкопиранозидо)α-D-глюкопираноза, восстанавливающий дисахарид. 18.5 Полисахариды Полисахариды – высокомолекулярные вещества, могут содержать от нескольких тысяч до одного миллиона остатков моносахаридов в молекуле. Полисахариды, содержащие остатки одного моносахарида называют гомополисахариды, различных моносахаридов - гетерополисахариды. 18.5.1 Крахмал (C6H10O5)x Вращает плоскость поляризованного света вправо. При алкилировании или ацилировании образует триацетаты по каждому остатку моносахарида. В молекуле крахмала остатки глюкозы соединены α-гликозидными связями. CH2OH O OH O OH n Крахмал перерабатывается в организме млекопитающих непосредственно в глюкозу, поэтому депонируется печенью для создания энергетических запасов в виде гликогена. Синефиолетовая окраска в реакции крахмала с йодом обусловлена образованием комплекса шести остатков моносахаридов на одну молекулу йода. При гидролизе крахмала в присутствии кислот сине-фиолетовая окраска по мере уменьшения длины полимерных цепей меняется до слабо-оранжевой (у декстринов). H2O (C6H10O5)n (C6H10O5)m C12H22O11 + H декстрины 18.5.2 Целлюлоза Представляет собой полимер, состоящий из остатков β-D-глюкозы. Клетчатка составляет скелет растений, обуславливая их механическую прочность. Целюлоза в растениях синтезируется из углекислого газа и воды под действием солнечного света. Волокна хлопка содержат до 95% целлюлозы, древесина – от 35% до 60%. К числу немногих растворителей целлюлозы относится водный раствор аммиачного комплекса меди - [Cu(NH3)4]2+2OH– – реактив Швейцера, а также водный раствор четвертичных аммониевых оснований [R4N]+OH–. Неорганические кислоты: 80% H3PO4, 45% HCl и 80% H2SO4 также растворяют целюлозу (H2SO4 с сульфированием). Из реактива Швейцера целлюлоза может быть выделена в химически неизменном состоянии в виде гидрата. Кислый гидролиз целюлозы может привести к β-D-глюкозе. Гидролизом ваты в 5%-ой H2SO4, в течение 1÷2 часов получают микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ). При гидролизе ацетилцеллюлозы образуеся 2,3,6-три-О-метил-β-D-глюкоза, значит целлюлоза является гомополисахаридом, состоящим из остатков β-D-глюкозы, соединенных β-1→4гликозидными связями. Таким образом, формула целюлозы имеет вид: CH2OH O O OH n OH При обработке целлюлозы крепким раствором щелочи (NaOH) образуется прочное соединенение - щелочная целлюлоза (1 атом натрия на 2 остатка глюкозы). Щелочная целлюлоза используется в производстве вискозного шелка. Ацетилирование целлюлозы смесью уксусного альдегида с уксуной кислотой приводит к ацетатам целлюлозы, хорошо растворимым в ацетоне. После удаления ацетона и продавливания полимера через фильтр получается волокно ацетатного шелка. Нитроцелюлоза (нитроклетчатка) представляет собой нитроэфиры целюлозы по гидроксильной группе глюкозных остатков. Получают ее нитрованием целлюлозы серноазотными смесями. CH2ONO2 O O ONO2 ONO2 n (%) N=14,14 пироксилин (при меньшем содержании менее 13% – коллоксилины). Используются при изготовлении нитроцеллюлозных лаков и эмалей. Целлулоид – нитроцеллюлоза пластифицированная камфорой. 19 КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Насыщенные карбоновые кислоты R COOH - монокарбоновые кислоты O O H C - муравьиная кислота (С1-кислота) OH CH3 C - уксусная кислота (С2-кислота) OH O CH3 CH2 C OH пропионовая кислота (С3) (С4)-масля ная кислота (нормального строения и изомасля ная кислоты) (С4) - бутановая кислота (С6) - капроновая кислота (С8) - каприновая кислота (С10) - каприловая кислота (С5) - валерья новая кислота (С7) - энантовая кислота (С9) - пеларгоновая кислота (С16) - пальмитиновая кислота (С18) - стеариновая кислота Ароматические карбоновые кислоты COOH бензойная кислота H2C CH COOH толуиловые кислоты СН3 CООН акриловая кислота C CООН тетроловая кислота H3C CН CH CООН кротоновая кислота H3C C 19.1 Основные способы получения предельных карбоновых кислот 19.1.1 Окисление алканов на марганцевых катализаторах (промышленный способ) Используют MnSO4, резинат марганца (соли живичных кислот): 2+ R CH2 CH2 Mn R COOH + R' COOH R' 160 oC 19.1.2 Окисление спиртов и альдегидов химическими окислителями KMnO4 (нейтральная или слабощелочная среда), H2Cr2O7 (H+) R CH2OH [O] O R C H [O] O R C OH [O] R' R C R' вторичные O кетон OH спирты Дальнейшее окисление кетонов проходит в жестких условиях, с разрывом С–С цепи: R CH (1) R COOH + R' CH2 COOH [O] R CH2 C CH2 R 1 O2 t (2) R CH2 COOH + R' COOH Окисление кетонов проводят бихроматами в сильно кислой среде (H2SO4), t=50÷60 °С. 19.1.3 Гидролиз производных карбоновых кислот Например, гидролиз нитрилов (в сильно кислой или щелочной средах): .. .. R C N + HOH O OH [H+ ] R C NH R C NH2 амиды карбоновых енольная форма кислот Амиды можно гидролизовать как растворами кислот, так растворами щелочей: O R .. .. + HOH C AN [H+ ] или ОН _ OH R AN NH2 -NH3 OH R COOH NH2 Амиды также гидролизуют по Буво азотистой кислотой (через диазокомплексы): O O R C + N2 R C + HNO2 OH NH2 19.1.4 Получение кислот через магнийорганические соединения O _ R CH2 C MgBr HOH [HCl] O абс. эфир R CH2 OMgBr R CH2 C O OH + MgBrCl C O 19.1.5 Карбонилирование алкенов (Метод Реппе) H2C CH2 + CO + HOH Ni(CO)4 250-400oC H2C CH2 HOH C H3C CH2 COOH O 19.1.6 Оксосинтез из спиртов Температура реакции 200 ºС, катализаторы – карбонилы кобальта и родия (HCo(CO)4), давление до 200 атм. H3C CH2OH + CO kT H3C CH2 COOH t Промышленный способ получения муравьиной кислоты: О oC 130-160 муравьинокислая соль NaOH + CO H C 80 атм. натрия ONa 19.2 Строение карбоксильных групп Вращение карбоксильной группы вокруг одинарной связи затруднено сопряжением (17 ккал/моль). O R C O H n- cопря жение В чистом виде и в растворах карбоновые кислоты существуют в виде димеров: O .......... H O R C C R O H .......... O водородная свя зь Также как и для спиртов, температура кипения карбоновых кислот несколько завышена. Кислотность Кислотность определяется подвижностью иона водорода карбоксильных групп: O O + +H R C R C _ OH O Кислотность зависит от характера радикала (R): Если радикал R донор электронной плотности, то прочность связи ОН увеличивается, следовательно, кислотность уменьшается. Если радикал – акцептор электроной плотности, электронная плотность на связи ОН уменьшается, а подвижность Н+ увеличится, значит, кислотность также возрастет. Муравьиная кислота сильнее любой предельной алифатической кислоты, так как не имеет электронно-донорных радикалов: O O (+I) H3C C (I~0) H C OH OH СF3–COOH – трифторуксусная кислота, по кислотности сравнима с минеральными кислотами. 19.3 Химические свойства карбоновых кислот 19.3.1 Образование солей Со щелочными и щелочноземельными металлами и с их окислами карбоновые кислоты образуют соли: O 2R C O + Mg OH R C 2+ _ Mg O 2 + H2 С гидроксидами пойдет обычная реакция нейтрализации. 19.3.2 Образование сложных эфиров O R O + R' C OH kT * OH R C + H2O * R' O реакция этерификации + kT = Н или H3C SO3H паратолуолсульфокислота Чтобы сдвинуть реакцию вправо, из системы убирают воду. Механизм реакции этерификации Без катализатора реакция не пойдет, поэтому необходима стадия активации (1): O AN не идет, так как нет ни одной + R'OH R C активной частицы (+ или --) .. .. .. .. OH + O Н O 1. R C + kT + Н .. .. R'OH OH OH активированная система R' + H O 2. + R C R C OH ОН OR + -Н O -HOH R C OH R C OH R C OH O R' OH 19.3.3 Свойства сложных эфиров Гидролиз эфира может протекать как в кислой, так и в основных средах. Кислотный гидролиз сложного эфира H O R C + Н + OR' Щелочной катализ + R C OH OR' HOH + O H R C OH OR' -Н O + -ROH R C OH O R C _ + OH AN OH _ R C O OH OH HOH _ R C OH --OH OR' O R C -ROH OR' OH 19.3.4 Образование производных карбоновых кислот Галогенангидриды Гидроксильные группы карбоновых кислот могут замещаться на галоген: а)PHal5 O O SNi PCl5 + R C POCl3 + R C + HCl хлороокись OH Cl фосфора б) SOCl2 - хлористый тионил O O t SOCl2 + R C R C + SO2 + HCl OH Cl Ангидриды карбоновых кислот O R C OH OH R O P2O5 -HOH O R C O C R ангидрид карбоновой кислоты C O В промышленности получают ангидриды: а) взаимодействием солей карбоновых кислот с РОCl3. O O POCl3 ( R C )2O + 2NaCl 2 R C ONa б) взаимодействием солей карбоновых килот с хлорангидридами. O O O R C + ONa Cl ( R C )2O + NaCl C R 19.3.5 Образование амидов карбоновых кислот Амиды карбоновых кислот получают: Взаимодействие с аммиаком, с последующим разложением аммониевых солей O R C O + NH3 OH R C t _ + -H2O O NH4 O R C NH2 N-замещенные амиды получают при взаимодействии с первичными или вторичными аминами. Более реакционноспособны галогеноангидриды карбоновых кислот: .. O NH2 . + NH3 R C R C OH Cl O -HCl R C NH2 Cl Реакции с ангидридами карбоновых кислот O .. O O . R C O C R + NH3 NH2 t R C O C R OH O R C + R COOH NH2 Некоторые свойства амидов Амиды карбоновых кислот при нагревании с сильными минеральными кислотами подвергаются гидролизу с образованием карбоновых кислот: O O + + H R C R C + NH4 + HOH NH2 OH В сильно основных средах образуются соли карбоновых кислот: O R C _ (HOH) + OH NH2 OH R C OH -NH3 NH2 O R C _ O 19.3.6 Получение нитрилов карбоновых кислот Нитрилы получают по классической схеме: [SN] R CH2Hal + K C N R ДМФА CH2 C N + KCl 19.4 Отдельные представители карбоновых кислот Муравьиная кислота t кипения = 100,5 ºС. При нагревании с солями минеральных кислот распадается по схеме: O t CO + H2O H C 2[SO4 ] OH При облучении ультрафиолетовым светом муравьиная киcлота распадается по другому пути: O H C h CO2 + H2 OH Таким образом, муравьиная кислота обладает восстанавливающими свойствами. Уксусная кислота Уксусная кислота получается микробиологическим путем - при окислении спирта, или окислением уксусного альдегида химическими окислителями. Пропионовая кислота t кипения = 149°С. Получают окислением н-пропанола. Масляная кислота t кипения=163°С. Получают при окислении сивушных масел. Перечисленные карбоновые кислоты используются в пищевой промышленности в виде сложных эфиров в качестве оттдушки. Пальмитиновая кислота (С15Н31СООН) Стеариновая кислота (С17Н35СООН) Получают из жиров при гидролизе, или окислением высших насыщенных спиртов. O С16 H2C O CО С 18 HC O CO С18 H2C O CO O дистеаропальмитат Это насыщенный животный жир (глицераты жирных кислот). Стеараты могут быть отделены от пальмитатов действием спиртового раствора ацетата Mg, при этом выпадает магниевая соль стеариновой кислоты. Высшие жирные кислоты не имеют вкуса и запаха и не растворяются в воде. Соли высших жирных кислот представляют собой мыло. С15Н31СООNa - твердое мыло (пальмитат натрия). С15Н31СООK - жидкое мыло. 19.5 Непредельные кислоты этиленового ряда O H2C CH C O H3C OH акриловая кислота CH CH C кротоновая кислота OH O H2C C C OH CH3 метакриловая кислота Эти кислоты - сопряженные (чередование одинарных и двойных связей). Непредельные кислоты обладают большей кислотностью, чем соответствующие предельные, особенно это относится к сопряженным непредельным кислотам. 19.5.1 Методы синтеза непредельных кислот Окисление соответствующих непредельных альдегидов В качестве окислителя желательно использовать растворы азотной кислоты, бихромата в кислой среде. Дегидрогалогенирование -галогенопроизводных карбоновых кислот O H2C CH C O CH O H2C CH C OH OH Br H H2C KOH сп. KOH сп. C OH H Br Галогены в -положении труднее отрываются вследствие упрочнения связи С-Hal. Дегидратация оксикислот Отщепление воды осуществляют также от -гидроксикислот: H2SO4 H2C CH COOH CH2 CH2 COOH HOH (акриловая кислота) OH пропеновая Синтез Реппе СH СH + CO + H2O Ni(CO)4 t,P H2C CH COOH Механизм – смотри в алкинах. Если вместо СО и Н2О использовать хлорангидрид угольной кислоты, то образуется хлорангидрид акриловой кислоты: O O Ni(CO)4 H2C CH C СH СH + Cl C Cl + HCl Cl Использование цианидов а) Из этиленхлоргидрина: HO CH2 CH2 Cl + KCN H2O [H2SO4] + -NH4 HO [SN] - KCl HO O CH2 CH2 C б) Синтез из окиси этилена: H2C CH2 + HCN OH CH2 CH2 C H2SO4 -H2O HO CH2 CH2 C H2C N CH COOH N как в случае а) O оксиран Синтез метакриловой кислоты проводят с использованием циангидрина ацетона: OH _ + O + H CN H3C C H3C C C AN C C [H2SO4] -H2O CH3 CH3 H2C N H2O N CH3 нитрил метакриловой кислоты [H2SO4] + -NH4 O CH2 C C CH3 OH Реакция альдегидов с малоновой кислотой Кротоновую кислоту получают при взаимодействии уксусного ангидрида с малоновой кислотой по Кневенагелю: COOH COOH t H3C C O + H2C COOH H3C CH C COOH - НОН - CO2 H подвижен O H3C CH CH C кротоновая кислота OH 19.6 Свойства непредельных кислот Химические свойства винилуксусной кислоты и других несопряженных кислот можно определить общим стремлением к образованию сопряженной системы. O t CH2 CH CH2 C изомеризация H3C CH CH COOH OH Если двойная связь сильно удалена от карбоксильной группы, то соединение ведет себя как насыщенная карбоновая кислота и алкен одновременно. 19.6.1 Свойства  непредельных карбоновых кислот Как и для других поляризованных диенов возможно 1,4-присоединение. За счет донорного эффекта сопряженной кратной связи, группа ОН карбоксильной системы более устойчива в реакциях нуклеофильного замещения, чем в предельных карбоновых кислотах (получение производных таких карбоновых кислот затруднено). Влияние двойной связи на силу непредельных карбоновых кислот константа диссоциации (КА) -5 H3C COOH 1,78 * 10 H2C CH (CH2)3 COOH 1,95 * 10 H2C CH (CH2 )2 COOH 2,11 * 10 H2C CH 4,0 * 10 H2C CH CH2 COOH COOH -5 -5 -5 -5 5,17 * 10 Подобный ряд можно объяснить влиянием -связи и эффектом гиперконъюгации (сверхсопряжение). H H2C CH О -I C C O H H сверхсопря жение 19.6.2 Реакции присоединения и полимеризации Непредельные кислоты с двойной связью могут полимеризоваться по ионному или радикальному механизму, в основном против правила Марковникова. В присутствии радикалов непредельные карбоновые кислоты полимеризуются по радикальному механизму. R первичный . O H2C C . CH2 C R C COOH CH3 OH CH3 R H2C . COOH CH2 C C COOH CH3 третичный CH3 . COOH R CH2 C CH2 C CH3 C COOH CH3 COOH CH3 COOH R CH2 C H2C . COOH CH2 C CH3 CH3 CH2 C n COOH CH3 полиметилакриловая кислота Особое практическое значение имеет: COOCH3 полиметилметакрилат (оргстекло) CH2 C CH3 n CH2 CH C N полиакрилонитрил n 19.6.3 Реакции анионного присоединения Направление реакций присоединения нуклеофилов (HCl, HCN, NH3) по кратным связям непредельных карбоновых кислот против правила Марковникова хорошо иллюстрируется реакцией кротоновой кислоты с ацетилацетоном в присутствии этилата натрия: _ + Na OC2H5 O O 3 2 1 H3C C CН2 C CH3 C-H-кислота O H3C C _ CH + H3C O _ H3C C CH - HOC2H5 O CH3 Na+ C O O CH CH AN C H3C C H H3C C CH3 _ HC CH CH H3C C O O C OH O O C2H5OH _ - C2H5O CH3 H3C C O HC CH CH2 C H3C C OH O 19.6.4 Некоторые представители непредельных карбоновых кислот Олеиновая кислота - составная часть жиров растений (оливковое масло) H3C H H (CH2)7 C C (CH2)7 COOH (C18) Масло содержит 70-80% - триолеата глицерина. Двойная связь находится в цис-конфигурации, t кипения 225°С, t пл 16°С. При обработке азотистой кислотой олеиновая кислота переходит в транс-форму. (t пл 52°С). Соли олеиновой кислоты относят к мылам. Восстановлением двойной связи водородом на катализаторе получают маргарин. Олеиновая кислота используется для приготовления олифы и масляных красок. Линолевая и линоленовая кислоты – относятся к классу непредельных кислот, содержатся в соевом и конопляном маслах. Линолевая кислота входит в состав фосфолипидов и является незаменимой жирной кислотой. H3C (CH2)4 CH CH CH2 CH CH (CH2)7 COOH (C18) линолевая кислота t пл = -5оС, t кипения = 225oС (14 мм. рт.ст.) H3C CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH (CH2)7 COOH линоленовая кислота t пл = 11oС 20 ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ 20.1 Способы получения α- и β-оксикислот гидроксикислоты легко получаются из α-галогенкарбоновых кислот R CH Br COOH KOH [SN] [H2O] R CH OH COOH (C18) циангидридный способ O R C OH AN + _ + HC N R C OH C N R'(H) HOH H+ R C COOH R'(H) R'(H) циангидрин альдегида (кетона) В этом случае из карбонильных соединений образуются -оксисоединения. β-гидроксикислоты Получают при взаимодействии сложных эфиров -галогенкарбоновых кислот с карбонильными соединениями в присутствии цинка (реакция С. Реформацкого 1887 г.): OZnBr O O O HOH R C + Zn + Br CH2 C R C CH2 C + H OC2H5 OC H R' 2 5 R' OH R C O CH2 C + OH + Zn Br + C2H5OH R' Другим методом получения -гидроксикислот является присоединение воды к α,βненасыщенным кислотам, или гидролиз -галогенпроизводных карбоновых кислот. Безусловно, гидролиз сложных эфиров или амидов -оксикислот приводит к тем же соединениям. 20.2 Способы получения γ- и Δ - гидроксикислот γ-Гидроксимасляную кислоту синтезируют каталитическим окислением 1,4-бутандиола или тетрагидрофурана, с последующим гидролизом образующегося лактона γ-гидроксимасляной кислоты. 2+ HO (CH2)4 OH O2/Cu .. .. HO (CH2)3 COOH HOH _ HO OH [O] O O _ (CH2)3 COO O 20.3 Некоторые свойства оксикислот Гидроксикислоты – бесцветные жидкости, хорошо смешивающиеся с водой, на вкус кислые, многие из них обладают оптической активностью. Кислотные свойства выражены сильнее, чем у обычных карбоновых кислот ( -I эффект ОН-группы). Химические свойства определяются наличием двух функциональных групп ОН и СООН. При проведении химических реакций по карбоксильной группе ОH-группу приходится защищать. Например, чтобы получить хлорангидрид, группу ОН переводят в сложноэфирную группировку (ацилируют): O R' O R CH X CH2 C - HX OH OH C O R CH CH2 C O C SOCl2 OH R' O O R CH CH2 C O C R' + SO2 + HCl Cl O Защитную группу можно убрать мягким кислым гидролизом. -Гидроксикислоты легко теряют воду, превращаясь в ненасыщенные карбоновые кислоты (сопряженные) O R CH CH C OH В то же время есть реации, в которых обе функциональные группы взаимодействуют совместно. Это могут быть внутримолекулярные и межмолекулярные реации. Так, гидроксикислоты образуют лактиды. HO O C O O R 2 HC OH O O лактиды гидроксикислоты могут быть превращены в лактоны только спецциальными методаR R ми: O R CH CH2 C .. .. OH OH R AN t O O γ- и -Гидроксикислоты наоборот, очень легко образуют стабильные γ- и -лактоны: O CH2 n = 3, 4 m HO CH2 n C m = 1, 2 O O OH Своеобразно реагируют гидроксикислоты в растворах серной кислоты или (К)NaOH, то есть происходит декарбоксилирование: R O O t R' C C R' C R + CO + H2O OH OH Простейшим представителем оксикислот, часто встречающимся в природе, является молочная кислота (выделена из мясного экстракта). H3C * CH COOH OH Молочная кислота образуется в результате молочно-кислого брожения углеводов. Накопление молочной кислоты в мышечной ткани вызывает ощущение усталости. К оксикислотам относят лимоную, винную, салициловую кислоты (ароматическая). COOH CH2 COOH COOH HC OH HO C COOH HC OH OH CH2 COOH COOH лимонная кислота винная кислота салициловая кислота COOH COOH HO HC OH CH2 OH COOH я блочная кислота OH галовая кислота 21 ОКСОКИСЛОТЫ (КЕТОКИСЛОТЫ) 21.1 α-Оксокислоты Получают в основном тремя способами: Гидролиз 2,2-дигалогенкарбоновых кислот Окисление α-оксикислот Реакции ацилгалогенидов с цианидами с последующим гидролизом: O O + Cu(CN)2 R C Cl R [H+] C CN HOH O R C COOH 21.2 β-Оксокислоты Могут быть получены гидролизом сложных эфиров оксикислот или карбоксилированием енолов на основе кетонов. O _ + O C O ONa NaOR O R C CH2 R' R C CH R' R C CH COONa (-ROH) R' β Оксокарбоновые кислоты (как и их соли) малостабильны, более устойчивы сложные эфиры на их основе. Сложный эфир β оксокислот можно получить в одну стадию сложноэфирной конденсацией по Кляйзену: NaOC2H5 2 R CH2 COOR' O R CH2 O C CH C OR' R Реакция протекает по активному α положению сложного эфира. 21.2.1 Свойства сложных эфиров β-оксокислот Обычно сложные эфиры существуют в таутомерных формах: OH O O O R C R C CH C OR'' C C OR'' R' R' O R C sp2 OH C C OR'' O R C H _ C + O C OR'' R' R' Этиловый эфир оксомасляной кислоты (ацетоуксусный эфир) содержит 7% енола и 93% кетона. Определяют енольные формы оксокислот по реакции с раствором хлорного железа. Хелатные комплексы окрашены в красно-фиолетовый цвет: ...... R OR'' O C O O C _ 3 + R' C Fe C R' 3Cl C R''O O O O C ...... R Соли эфиров β оксокислот подобно солям 1,3-дикетонов, легко алкилируются или ацилируются: _ + O O ONa O NaOC2H5 R C CH C OR' R C CH2 C OR' O R C _Na CH +O C R''Br R OR' -NaBr O O C CH C OR' R'' Приведенная реакция С-алкилирования - основная, в качестве побочных продуктов присутствуют продукты О-алкилирования по β кетогруппе. Продукты С-алкилирования являются основными, так как атомы кислорода блокируются ионами натрия. О-алкилирование протекает в случае применения катионов менее склонных к образованию комплексов с кислородом (свинец, церий) или при применении сильных алкилирующих средств (диалкилсульфат). оксокарбоновые кислоты и их эфиры являются универсальными реагентами для синтеза кетонов и карбоновых кислот. Реакции проводят действием растворов щелочей. Кетонное расщепление Гидролиз замещенного ацетоуксусного эфира разбавленным раствором щелочи приводит к образованию кетона: O O H3C C CH C O NaOH разб. t OC2H5 H3C C CH2 + CH3 CH2OH + (CO2) C2H5 C2H5 Кислотное расщепление При гидролизе замещающих оксоэфиров карбоновых кислот твором щелочи (15Н) происходит гидролитическое расщепление связи соли карбоновых кислот: O O NaOH конц. H3C C H3C C CH C OC2H5 [H2O] C2H5 O + H3C CH2 CH2 C + C2H5OH концентрированным расС-О и С-С и образуются O + ONa ONa Конденсация β-оксокислот с альдегидами Благодаря подвижности атома водорода в α-положении, β оксокислоты являются хорошими нуклеофилами в реакциях с альдегидами: O O O O .. R C CH C R H O H O C CH C OR' . + .. O CH CH3 OR' R C O - HOH R C CH C OR' HC CH3 CH C OR' O При кислотном или кетонном расщеплении из подобных продуктов конденсации можно получать 1,5-дикетоны или натриевые соли 1,5-дикарбоновых кислот. 22 ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Алифатический ряд COOH COOH щавелевая кислота COOH CH2 n n=1 малоновая n=2 я нтарная n=3 глутаровая n=5 адипиновая COOH кислоты Ароматические кислоты (фталевые) COOH COOH COOH COOH HOOC COOH изофталевая кислота фталевая кислота терефталевая кислота 22.1 Получение алифатических дикарбоновых кислот Окисление гликолей, оксиальдегидов, диальдегидов и т.д. O [O] HO CH2 CH2 OH HNO3 разб. этиленгликоль O O C [O] OH [O] C H HO CH2 C COOH COOH OH Окисление циклических спиртов и кетонов O KMnO4 [O] t<40oC OH COOH COOH глутаровая кислота Гидролиз динитрилов Cl KC N H2O N C CH2 CH2 C N CH2 CH2 C N [H SO ] хлорпропионитрил ДМФА динитрил я нтарной кислоты 2 4 HOOC CH2 CH2 COOH + (NH4)2SO4 я нтарная кислота Электролиз солей моноэфиров дикарбоновых кислот (по Кольбе) O O O спиртовой р-р C (CH2)2 C C 2% СН3ОNa OCH3 CH3O ONa натриевая соль монометилового эфира я нтарной кислоты O O C CH3O O 2 C O -e анод . CH2 CH2 C CH3O O . (CH2)2 C O -CO2 . (CH2)2 C O O O C CH2 CH2 (CH2)4 C CH3O CH3O O CH3 диметиловый эфир адипиновой кислоты Гидролиз других производных дикарбоновых кислот Как и нитрилы, ангидриды, галогенангидриды, амиды и другие производные дикарбоновых кислот при гидролизе образуют дикарбоновые кислоты (смотри монокарбоновые кислоты). 22.2 Особенности химического поведения некоторых дикарбоновых кислот Щавелевая кислота Одна из самых сильных алифатических дикарбоновых кислот. Она не дает ангидрида, при пиролизе распадается до муравьиной кислоты. O O C C O HO COOH t>t пл .. H O СO2 + H C COOH OH Малоновая кислота Гладко декарбоксилируется при плавлении: COOH t>t пл COOH Имеет подвижный атом в акции). O СO2 + H3C C OH положении (на этом свойстве основаны ее многочисленные ре- O C HO .. CH H O C OH Вследствии неустойчивости самой малоновой кислоты в синтезе используют ее диэтиловый эфир, например: + _ Na _ O O O O NaOC2H5 C CH C C C CH -C2H5OH C2H5O C2H5O OC H OC H H 2 5 2 5 Катион металла (натрия) связан с электронной системой двух кетогрупп в енольной форме (смотри ацетоуксусный эфир). Синтезы с малоновой кислотой Малоновая кислота – применяется для получения моно- и дикарбоновых кислот. Общая схема синтеза Конрада – синтез с малоновой кислоты. _ COOR + Na CH R=C2H5, натрий-малоновый эфир COOR _ COOR + Na CH COOR COOR R'Br R' -NaBr R CH COOR COOH HOH H+ R CH COOH t -CO2 CH2 COOH Для получения дикарбоновых кислот используют сложный эфир монохлоруксусной кислоты. O _ + Na CH Cl CH2 C COOR OCH3 -NaCl COOR O COOR C CH2 CH H3CO 1. H2O 2. toC COOR O C CH2 CH2 COOH + 2ROH + CH3OH HO При действии на малоновую кислоту пятиокиси фосфора, она теряет две молекулы воды: COOH P2O5 O C C C O COOH недоокись Недоокись используется в качестве диенофила в реациях диенового синтеза. Янтарная кислота В отличие от предыдущих дикарбоновых кислот легко дает ангидрид и имид. O COOH (CH3CO)2O COOH -2CH3COOH O O NH3, t -H2O N .. H O O имид я нтарной кислоты ангидрид (сукцинимид) я нтарной кислоты Атом H в сукцинимиде достаточно подвижен за счет соседних атомов О, следовательно легко замещается; при замещении атома Н на Br получают реагент N-бромсуксинимид, бромирующий алкены в положение Глутаровая кислота Образует циклический ангидрид, также как и янтарная кислота. O O O Высшие дикарбоновые кислоты ангидридов не дают. 22.2.1 Образование ди- и полиэфиров Например, янтарная кислота легко дает диэфиры в кислой среде: O + C COOH H OR + 2ROH O COOH C OR В реакции димеризации янтарной кислоты при нагревании образуется внутримолекулярные сложные эфиры. O O COOH HOOC + HOOC CH2 CH2 C O C CH2 CH2 COOH -HOH COOH HOOC При проведении поликонденсации образуются полиэфиры малоновой кислоты: O O O O HOOC CH CH C O C CH CH C O C CH CH ..... 2 2 2 2 n 2 2 полиэфир Одновременно подобные соединения можно назвать полиангидридами. Диэфиры дикарбоновых кислот могут использоваться в качестве пластификаторов каучуков, а также в качестве жидких фаз для хроматографии, то есть в качестве своеобразного адсорбента. 22.3 Непредельные дикарбоновые кислоты 22.3.1 Номенклатура. Изомерия COOH H2C C COOH метиленмалоновая кислота Встречается в природе в виде эфиров. Этилендикарбоновая кислота H COOH малеиновая кислота (цис-этилендикарбоновая кислота) H COOH H COOH фумаровая кислота HOOC H Малеиновая кислота – растворима в воде, t пл = 130 °С. Фумаровая кислота – нерастворима в воде, t пл = 280 °С. При действии иода на малеиновую кислоту, она изомеризуется в более термодинамически устойчивую – фумаровую кислоту. Малеиновую кислоту получают из фумаровой кислоты через ангидрид: O H COOH H COOH H C t, HOH P2O5 O t P2O5 H C HOOC H H COOH O ангидрид малеиновой кислоты Ангидрид малеиновой кислоты из цис-этилендикарбоновой кислоты получается гораздо легче (!), чем из транс-этилендикарбоновой кислоты. 22.4 Карбоновые кислоты ацетиленового ряда HC C COOH H3C C C COOH HOOC C C COOH ацетилендикарбоновая пропиоловая тетроловая кислота кислота кислота Пропиоловую кислоту получают из ацетилена: O C HC CH NaNH2 NH3(ж) _ + HC CNa O AN O HC C C натриевая соль ONa пропиоловой кислоты Другой способ получения пропиоловой кислоты – декарбоксилирование ацетилендикарбоновой кислоты. O t HC C C HOOC C C COOH -CO2 OH пропиоловая кислота t пл=18 oС Пропиоловая кислота обладает повышенной кислотностью по сравнению с алифатическими кислотами. В присутствии солей ртути (II) присоединяет воду (по реакции Кучерова): H HOH HC C COOH C CH2 COOH HC C COOH 2+ + Hg+ [H ] O O H енол -оксопропионовая кислота Тетроловая кислота – в условиях этой реакции дает ацетоуксусную кислоту: H3C C C COOH HOH Hg 2+ [H+] H3C C CH COOH H3C C CH2 COOH O O H енол Атом водорода при тройной связи в пропиоловой кислоте позволяет образовывать ацетилениды: HC NaNH2 COOH NH3(ж) C O + _ NaC C C _ + ONH4 Это дает возможность в реакциях с галогенопроизводными получать многочисленные производные самой пропиоловой кислоты. Образование и свойства ацетилендикарбоновой кислоты Из ацетилена HC 2NaNH2 NaC CH NH3(ж) CNa O 2CO2 O C C C C NaO ONa Из фумаровой кислоты H COOH + Br2 HOOC [CCl4] HOOC CH Br H CH COOH KOH спирт. - 2HBr Br HOOC C C COOH Калиевая соль ацетилендикарбоновой кислоты при нагревании легко теряет СО 2, переходя в калиевую соль пропиоловой кислоты. 22.5 Ароматические карбоновые кислоты 22.5.1 Способы получения Окисление алкилбензолов В промышлености применяется способы как химического, так и каталитического окисления алкилбензолов. В качестве химических окислителей используют бихроматы, перманганаты (в кислой среде). CH2 CH2 R COOH O К2Cr2O7 + CO2 + H2O + R C [H+] OH бензойная кислота Реакция протекает по углеродному атому. В качестве катализаторов используют смеси, содержащие пятиокись ванадия. CH3 COOH O2 возд. kT В последнее время находит применение мягкое окисление алкилароматических соединений резинатами марганца. Таким способом можно останавливать реакцию на образовании оксосоединения: O CH2 CH3 C O2 возд. CH3 COOH [O] Res Mn 2+ Окисление окси- и оксоароматических соединений CH2OH O бензиловый спирт O C KMnO4 OH [H2O] C H бензальдегид Гидролизом ,тригалогенидов ароматических соединений C Cl HOH Cl Cl HOH OH C HOH R OH OH R COOH -HOH R n-алкилбензойные кислоты Из производных карбоновых кислот (их гидролизом) Производные карбоновых кислот гидролизуются в тех же условиях, что и обычные производные, только они ароматические. O O C C O R' R O C R R сложные эфиры R 2 ангидриды амиды O C C Hal R галогенангидриды Получение окси-бензойной кислоты NH2 R нитрилы N _ + ONa O + C O феноля т натрия t p[HOH] OH O C _ + ONa салицилат натрия Получение через магние-органические соединения Br + Mg MgBr абс.эфир O C O бромбензол OMgBr C O HOH [H + ] COOH Аналогично реакция протекает с фенилводородом. Перегонка смеси натриевой соли бензолсульфокислоты с натриевой солью муравьиной кислоты O O SO3Na + H C t C OH + Na SO 2 3 ONa 23 АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ 23.1 Нитроалканы C NO2 23.1.1 Методы получения Нитроалканы и нитроциклоалканы получают прямым нитрованием углеводородов, алкилированием неорганических нитритов или окислением нитрозосоединений, аминов и других азотосодержащих соединений. Нитрование алканов Взаимодействие алканов в жидкой или газовой фазе с разбавленной азотной кислотой или оксидами азота. Реакция Коновалова: HNO3 (10-25%) R H R NO2 [HOH], t Жидкофазное нитрование проводят в запаянных ампулах при температуре 115÷125 °С. При этом, в небольших количествах образуются кетоны. Парофазное нитрование (Гесс) проводят в специальных реакторах при температуре 420÷480 °С (время контакта – 1 секунда). В этих условиях происходит разрыв С–С связей с образованием смеси нитроалканов, которую затем разделяют перегонкой. H3C CH2NO2 (нитроэтан) HNO3(пары) H3C CH2 CH2NO2 (нитропропан) H3C CH2 CH3 H3C NO2 + [S ], t R пропан нитрометан (10%) H C CH CH (нитроизопропил) 3 3 NO2 Алкилирование нитритов (Мейер) R NO2 + R O NO + 2AgBr алкилнитриты Алкилировать можно другие соли азотистой кислоты (NaNO2 или KNO2), с испоьзованием сильно сольватирующие катионы растворителей (диметилформамид - ДМФА, диметилсульфоксид - ДМСО). 2 R Br + 2AgNO2 [SN] 23.1.2 Строение нитрогруппы 0,122 нм R + N O 1 2 - 124-126o 1 O2 Нитрогруппа является сопряженной -электронной системой. Атом азота находится в состоянии sp2-гибридизации. Степень гибридизации атома кислорода поочередно меняется от sp2 до sp3 , так как один атом кислорода дает неподеленную электронную пару. В конечном итоге строение нитрогруппы может быть определено, как 4 -электронная система. Нитрогруппа содержит сильные электронноакцепторные атомы с большим сродством к электрону, поэтому, она обладает значительным –I и –M – эффектами. 0,122 нм 23.2 Химические свойства Химичесике превращения нитроалканов определяются, во-первых, реакциями нитрогруппы (восстановление и гидролиз) и, во-вторых, реакциями -углеродного атома. Восстановление нитросоединений Восстановители: металлы в кислой среде, соли металлов в низших степенях окисления, соединение серы низших степеней окисления, Н2/кат. Процесс восстановления проходит через ряд стадий: O 2H 2H 2H R NO2 R N R NH OH R NH2 -H O -H2O нитрозо гидроксиламин 2 амины Считается, что этот процесс можно сравнить с восстановлением на катоде при электролизе. Действие сильных кислот Первичные нитроалканы при обработке концентрированными кислотами образуют карбоновую кислоту и соль гидроксиламина: O _ 85-90% H2SO4 + R CH2 NO2 R CH NH2OH SO4 + R C OH Подобная реакция лежит в основе промышленного получения гидроксиламина (из нитрометана). В случае вторичных нитроалканов образуются оксимы. 85-90% H2SO4 R C N OH R CH NO2 R' оксимы R' Кислотность нитроалканов .. .. Первичные и вторичные нитроалканы являются С-Н-кислотами: R CH NO2 solv R C + NO2 + H Solv R' R' Образующийся нуклеофил может участвовать в таутомерных превращениях: _ OH R _ O + + H C N R C NO2 R C N _ R' O O R' R' I II Анион (I) нитроалканов является амбидентным анионом (подобно енолу). При протонировании возможно образование кислотной формы (II) с двойной связью. Подобная нитроновая кислота в свободном виде не существует и ее обнаруживают по образованию ярко красных солей со щелочами (при пониженных температурах): _ + O Na + R C N _ O R' Нитроновые кислоты в кислых водных растворах гидролизуются с образованием карбонильных соединений (реакция Нефа): OH HOH 2 R CH2 NO2 2 R CH N [H+] O .. 2R C O _ H+ H N(OH) + 2 2 N2O (закись азота) H2O H Первичные нитросоединения образуют альдегиды, вторичные нитросоединения - кетоны. Реакции с электрофильными реагентами Реакции протекают в присутствии оснований. а) галогенирование в -положение: _ _ B R CH NO2 + HBr + B R CH NO2 + Br2 -HB Br H Реакция может продолжаться и далее, если есть атомы водорода. б) алкилирование в α-положение приводит к С-алкилниитропродуктам (реакция Анри): .. . . R CH NO2 NaOH -HOH Na _ R C R' R' + O R'' R''-Cl -NaCl N R C NO2 R' O Реакция нитроалканов с муравьиным альдегидом Могут образовываться ди- и триоксиметильные производные нитроалканов в α-положении: O _ _ HB B _ HO CH CH NO H3C NO2 + H C O CH CH NO 2 2 2 2 2 2 -HB -B H CH2OH 2 H2C O HO CH2 C NO2 трис(оксиметил) нитрометан kT CH2OH .. После восстановления нитрогруппы до аминогруппы образуются биологически активные амины, которые используются как лекарственные средства. 23.3 Ароматические нитропроизводные Ароматические нитропроизводные нашли широкое применение в народном хозяйстве как взрывчатые вещества и полупродукты в синтезе красителей, лекарственных веществ. Для введения нитрогруппы ароматическое соединение нитруют. Нитрование протекает, как реакция электрофильного замещения [SЕAr]. 1 стадия: генерирование электрофила. Для нитрующей смеси S/N (серноазотная смесь) уравнение имеет вид: + _ 2H2SO4 + HNO3 NO2 + H2O + [HSO42 ]2 2 стадия: образование π комплекса. + NO2 R -комплекс 3 стадия: перераспределение электронной плотности ядра и образование H H NO2 + NO2 + R -комплекс 4 стадия: выброс протона и восстановление ароматической системы. NO2 H NO R .. + R 2 -H+ R комплекса. При увеличении концентрации серной кислоты в реакционной смеси, концентрация нитроний катионов возрастает и достигает максимума при соотношении H2SO4:HNO3=9:1. При этом говорят, что фактор нитрующей активности (ФНА) достигает максимума (около 100%). В этом случае окисляющее действие HNO3 снижается до минимума. Например, при нитровании бензола S/N-смесью при 25°С образуется нитробензол с выходом 95÷96%. С чистой азотной кислотой бензол при 75÷80°С образует смесь нитрофенолов и пикриновую кислоту: OH OH OH O2N NO2 O2N O2N NO2 HNO3 + + o 70-80 C (4-6 ч.) NO2 NO2 2,4-ДНФ 2,6-ДНФ 2,4,6-ДНФ (пикриновая кислота) Фенол нитруется легче, чем толуолы или крезолы. Для нитрования ароматических соединений, содержащих сильные акцепторные группы (z): O Где z: C ; -COOH(и производные); H(R) -SO3H ; -NO2 - обладают мощными (-I, -M) эффектами используют S/N-смеси с большим фактором нитрующей активности. Зачастую, вместо азотной кислоты используют ее соли: O O C C OH + KNO + H SO OH + K SO + H O 3 2 2 4 4 2 м-нитро-бензальдегид NO2 В особо тяжелых случаях используют вместо серной кислоты олеум (H2SO4+SO3(18-20%)). 23.4 Амины Это органические соединения содержащие группу NH2. В зависимости от углеводородного заместителя амины могут быть, алифатичными, ароматическими, а в зависимости от количества заместителей - первичными, вторичными, третичными. н C4H9 NH2 н-бутиламин (первичный) C2H5 NH C2H5 диэтиламин (вторичный) (C2H5)3N триэтиламин (третичный) Ароматические амины: NH2 анилин NH N(C2H5)2 N,N-диэтиланилин (третичный) дифенилмин (вторичный) 23.4.1 Получение алифатических аминов В промышленности алифатические амины получают следующими споасобами: Реакции галоген-производных с аммиаком и аминами .. Общая схема: R Hal + H2N R' SN R NH R' + HHal Реакции называют алкилированием аминов галоген производными (вводится алкил вместо атома водорода). Подробнее механизм смотри в разделе 14.2.6. Получение аминов алкилированием аммиака эфирами неорганических кислот Например, диалкилсульфатами: O RO OR + NH3 S RO SO2 OH + R NH2 O Из амидов или имидов дикарбоновых кислот по Габриелю O O C O C C NH3 -H2O O фталевый ангидрид C O N R _ + N K C O имид фталевой кислоты O R-Cl -KCl C KBr N H -HBr O фтальамид калия _ COO HOH _ OH _ COO + R NH2 амин O замещенный имид фталевой кислоты Гидролиз замещенных амидов карбоновых кислот: R' C O O O t R' + R2NH OH R' C _ - H2O + ONH2R2 _ COO + R2NH R' HOH _ OH C NR2 Восстановление азотсодержащих соединений а) нитрилов или динитрилов карбоновых кислот: H2/Pd 1) R C N R CH2 NH2 2) Br CH2 CH2 Br 2KCN ДМФА -2KBr NC CH2 CH2 CN [H] H2N (CH2)4 NH2 б) оксимов R CH2 CH N OH H2/kT -H2O R CH2 CH2 NH2 в) восстановление иминов: O + NH3 R C [H] R CH NH R CH2 NH2 полимеризация H CH N R H n 23.4.2 Некоторые способы получения ароматических аминов Ароматические амины получают обычно из нитросоединений, диазосоедининий и реже нуклеофильным замещением. В последнем случае используют амид натрия в жидком аммиаке. Замещение протекает по механизму отщепление – присоединение, отличному от SN1 или SN2 реакций. На первой стадии образуется дегидробензол: R R R R Br H NaNH2 NH3ж NH2 NH3 HBr + + * дегидробензол "бензин" t=-33oC * NH2 23.4.3 Свойства аминов Низшие амины до С5 являются газообразными соединениями, средние амины – жидкие, С11 и выше – твердые вещества. Низшие и средние имеют запах NH3, хорошо растворяются в воде, высшие амины плохо растворяются в воде, но хорошо в органических растворителях. Основность аминов Неподеленная пара электронов на азоте может связываться с протоном, что обусловливает основность. Водный раствор амина является поляризованной гидроокисью. _ + R NH2 + H2O R NH3 OH Равновесие сдвинуто влево тем меньше, чем более алкилирован амин. Для третичных аминов равновесие смещено вправо. Основность в ряду аминов возрастает от первичного к третичному: NH3 < R .. .. NH2 < R NH < R3N . R Кислотность аминов Как и в аммиаке, протон в аминах может замещаться на щелочные металлы. Образуется амид-анион, который кроме неподеленной пары электронов еще несет отрицательный заряд (лишний электрон): .. (CH3)2NH NaNH2 NH3ж _ + (CH3)2N Na + NH3 Таким образом, амид-анион является ещѐ более сильным основанием и нуклеофилом, чем третичные амины. Для получения натриевых солей аминов можно использовать Na/NH3ж. В этом случае амид на основе амина получается с большим выходом. Кислотность первичных аминов на два порядка ниже, чем NH3 (сопряженные основания). Ароматические амины обладают меньшей основностью, но более кислотны. .. .. N H Образование амидов карбановых кислот При взаимодействии первичных и вторичных аминов с галогенангидридами образуются замещенные амиды карбоновых кислот. В этой реакции можно использовать и ангидриды: _ OH O O + R NH2 + R' C R' C NH2 R R' C NH R -HX AN X X X O O .. X=Hal, O C R' R' C NH R Карбоновые кислоты на первом этапе образуют с аминами соответствующие аммонийные соли, котрые при нагревании дают амиды: O R C .. + HNR2 OH O O R C _ O + H2NR2 t -HOH R C N,N-дизамещенный амид NR2 Взаимодействие аминов с альдегидами и кетонами Альдегиды и кетоны с первичными аминами образуют соответствующие имины. Имины полимеризуются или тримеризуются до триазинов (см. реакции альдегидов 16.4.2). Особенности свойств ароматических аминов 1. При взаимодействии ароматических аминов с карбонильными соединениями (особенно с ароматическими) образуются устойчивые имины .. O NH2 C H + _ O OH + NH2 CH NH CH N CH -HOH бензальанилид 2. Взаимодействие с азотистой кислотой (нитрозирование) Третичные амины нитрозируются по реакции SEAr: N(CH3)2 + NO + HO N O N(CH3)2 O N n-нитрозо-N,N-диметиланилин В тех случаях, когда пара-положение занято, замещение идет в орто-положение. Вторичные ароматические амины образуют N–нитрозосоединения: N O KNO2+HCl NH CH3 + HO N O NO + N CH3 N-нитрозо-N-метиланилин В реакциях с первичными аминами образуются соли диазония (диазосоединения): + N2 NH2 _ HCl + HO N O Cl фенилдиазонийхлорид Механизм реакции: .. H NH2 N + + N + N OH N O + N H + N2 OH -HOH Реакции может осуществляться нитрозоэфирами в кислой среде: O NH2 + RO N O алкилнитриты HCl + N2 _ Cl + ROH + H2O Диазосоединеия также образуются при взаимодействии нитрозосоединений с гидроксиламином: N2Cl N O . + NH2 OH HCl + 2H2O В качестве побочной реакции может происходить атака образующегося фенилдиазония в ядро исходного амина: N-сочетание + N2Cl NH2 N N + 4'-аминоазобензол азосоединение С-сочетание NH2 или по неподеленной паре на азоте (N-сочетание): N N NH . HCl триазены 23.4.4 Реакции диазосоединений Реакции, протекающие с сохранением диазогруппы Описанные выше реакции N- и C-сочетания относятся к реакциям с схранением диазогруппы. Кроме того, в эту реакцию могут вступать вторичные амины или соединения с подвижным атомом водорода: _ + N N N(CH3)2 N2Cl HN(CH3)2 триазены COOR HCH(COOR)2 (малоновая кислота) N N CH COOR фенилазомалоновый эфир Реакции диазогруппы протекающие с выделением азота 1) Снятие диазогруппы или замещение на атом водорода: H N2Cl t + N2 H3PO2 Кипячение с этиловым спиртом так же приводит к замещению на водород. 2) Замещение на гидроксильную группу. Фенолы получают при кипячении водных растворов сернокислых солей диазония в присутствии солей меди. _ + N2HSO4 H3C t CuSO4 OH + N2 + H2SO4 H3C 3) Замещение на галоген Замещение на хлор: + N2Cl Cl t Cu2Cl2 H3C + N2 H3C Замещение на йод проводят разложением сернокислых солей в присутствии йодида калия: _ N2HSO4 I t + N2 KI R R Замещение на бром проводят в присутствии CuBr2. Сложнее протекает замещение на фтор, которое можно проводить в реакции с борфторидом натрия: _ + N2BF4 N2Cl2 F t + NaBF2 + N2 +BF3 R R R 4) Замещение диазогруппы на циан (реакция Зонмайера): Реакция протекает в две стадии: а) Получение комплексной соли дицианокупрата натрия: Na[Cu(CN)2] CuN + NaCN б) Замещение диазогруппы на цианогруппу: C N N2X t CuCN + NaX + Na[Cu(CN)2] -N2 R R Разложение комплексной соли Ar CN CuCN производят действием гидразина, гидроокиси аммония или отгонкой целевого соединения с паром. 5) Замещение на роданогруппу: N2X SCN t + KX + N2 + KSCN FeCl3 R R 6) Замещение диазогрупп π-связью: H N2X C CH N N CH CH t + H -N2 -HX R R стирол . . CH CH R Данная реакция возможна для соединений с повышенной электронной плотностью на πсвязи. 7) Образование бифенилов При нагревании солей диазония в растворе спирта или уксусной кислоты в присутствии солей меди происходит сшивание ароматических соединений: N2X кипячение + CuX2 + 2N2 2+ [CH COOH] Cu 3 R 2R R 24 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Циклические соединения, в цикле которых присутствуют гетероатомы (кроме атомов С) – О, N, S, Se, Si, Ge называют гетероциклическими. В насыщенных гетероциклических системах связи в цикле, ввиду некоторого искажения валентных углов менее прочны, чем в непредельных или ароматических соединениях. В этом смысле химическое поведение насыщенных гетероциклических соединений можно сравнивать с их нецикличными аналогами. Например: O O O O фуран пиран 1,4-диоксан Приведенные соединения относятся к циклическим простым эфирам, соответственно для них характерны все свойства простых нециклических эфиров: высокая устойчивость к действию щелочей и низкая к действию кислот. Если вместо атома кислорода в сеодинении находится азота, то гетероцикл будет азотсодержащим, например – тетрагидропиридин (пипередин): N H Как и нециклические аналоги – вторичные амины, пиперидин обладает высокой основностью и всеми другими свойствами вторичных аминов. Основность обусловлена неподеленной парой электронов на атоме азота. Значительно труднее предположить свойства гетероциклов содержащих более двух гетероатомов или свойства малых гетероциклов. 24.1 Окись этилена (оксиран) Получена в 1859 году, Вюрцем из этиленхлоргидрина с выходом 95%: Cl CH2 CH2 OH KOH Ca(OH)2 O + KOH(HCl) Этиленхлоргидрин получают пропуская через слой воды этилен и хлор. Cl2 + HOH HOCl + HCl _ + HO CH2 CH2 Cl H2C CH2 + HO Cl Другие способы получения оксирана 1 Окисление этилена кислородом воздуха на серебрянных катализаторах при температуре 1000°С, и давлении 27 атм. Один из самых экономичных способов (промышленный способ). 2 Действием NaOH на ацетат этиленхлоргидрина. В начале проходит гидролиз ацетата до этиленхлоргидрина: O O NaOH + H3C C Cl CH2 CH2 O C CH3 + NaCl T O ONa 3 Гидролиз этиленкарбоната: H2C CH2 2400C H2C CH2 + CO2 O O 1-3% O C [ClCH2-CH2Cl] O 4 Реакция Прилежаева (см. реакции алкенов) O 0oC R CH CH2 + C6H5C R O OH CH CH2 + C6H5COOH O 5 Окись этилена можно получать из эпихлоргидрина _ + H X H2C CH CH2Cl CH2 CH CH2Cl O OH X После щелочного гидролиза спиртовым раствором получают самые разнообразные производные оксирана: KOH CH2 CH CH2Cl H2C CH CH2Cl (X) X: -OR, -SR O C R O OH X O 24.2 Свойства окиси этилена При нормальных условиях окись этилена бесцветный газ (tкип=10,7°С). Оксиран прекрасно растворим в воде, спиртах, углеводородах и хлороформе. Обладает сильным эфирным запахом, используется в качестве инсектицида. В смеси с воздухом или в чистом виде вещество склонно к полимеризации со взрывом. Хранят и транспортируют в присутствии стабилизаторов (медь и ее соли или 1% этиленхлоргидрина). 80o O Вследствие сильного искажения валентного угла гетероцикл оксирана является напряженным и поэтому высоко реакционноспособным. Как и обычные простые эфиры легко протонируется по кислороду с образованием гидроксониевого иона. O + +H O+ H 24.3 Химические свойства Окисление Под действием средних и сильных окислителей оксиран окисляется до кислот и других промежуточных продуктов: O [O] HO CH2 C O OH Восстановление Амольгама натрия восстанавливает оксиран до этанола. Изомеризация Под действие кислот Льюиса оксиран переходит в уксусный альдегид. Полимеризация Обычно протекает по схеме: n CH2 CH2 O n O На щелочных металлах в присутствии безводных кислот Льюиса, полимеризация протекает со взрывом, поэтому в промышленности используются щелочноземельные металлы или их окислы. Взаимодействие с кислотными реагентами а) реакция с водой и спиртами + H2O 160oC HO CH2 CH2 OH O Как правило, при этом в качестве побочных продуктов образуются ди-, три-, тетраэтиленгликоли: O HO CH2 CH2 OH HO CH2 CH2 O CH2 CH2 OH O ... диэтиленгликоль В присутствии кислот или щелочей данная реакция сильно ускоряется. Кислотный катализ (в реакции со спиртами): H2C CH2 O + +H H2C CH2 + CH2 CH2 OH O+ H ROH R H + O CH2 CH2 OH -H+ RO CH2 CH2 OH где R=Н, Ar, Alk. Основный катализ: + CH3 H2C O _ RO H2C CH2 OR _ O ROH -OR HO CH2 CH2 OR Образуемые соединения относятся к моноэфирам этиленгликоля и называются целозольвами, например, этилцелозольв: H3C CH2 O CH2 CH2 OH б) взаимодействие с карбоновыми кислотами Реакцию проводят, пропуская газообразную окись этилена через раствор карбоновой кислоты при температуре выше 100 °С: + O O H2C CH2 HO CH2 CH2 O C CH3 + H3C C O ацетат этиленгликоля OH При использовании уксусного ангидрида получают этиленгликольдиацетат: O O + H2C CH2 + R C O C R O O O R C O CH2 CH2 O C R Из окиси этилена и терефталевой кислоты с последующей полимеризацией получают волокно лавсан: n O O O O CH2 CH2 O C C O O C C + HO n OH в) реакция с синильной кислотой Образуется этиленциангидрин, промежуточное соединение при получении акрилонитрита: Al2O3 60oC O HO CH2 CH2 C N H2C CH CN + HC N -HOH г) взаимодействие с аммиаком и аминами (в присутствии воды) H2C + CH2 O O + NH3 [A] _ + O CH2 CH2 NH3 HO CH2 CH2 NH CH2 CH2 OH диэтаноламин HO CH2 CH2 NH2 O HO CH2 CH2 3N триэтаноламин Триэтаноламин – обладает слабым антисептическим эффектом, используется в качестве антикоагулякта в многофазовых эмульсионных системах субстанций. д) реакции с HCl + H2C CH2 HO CH2 CH2 Cl + HCl O Еще легче реакция идет с HBr и HI. Под действием фтористоводородной кислоты окись этилена полимеризуется. Интересна реакция этиленхлоргидрина с солями щелочных металлов: Cl CH2 CH2 Cl + NaOH HOCH2 CH2Cl + NaCl дихлорэтан е) взаимодействие с азотной кислотой + HO NO2 HO CH2 CH2 ONO2 O В качестве побочной реакции образуется нитро эфиры диэтиленгликоля и этиленгликоль. ж) взаимодействие с галогенидами некоторых металлов Ti(OCH2CH2Cl)4 + TiCl4 O з) взаимодействие с реактивами Гриньяра Реакция используется для удлинения углерод-углеродных цепей: _ HOH + HO CH2 CH2 R XMgO CH2 CH2 R + R MgX O [H + ] первичные спирты 4 24.4 Эпоксидные смолы Это полимеры или полимерные соединения, содержащие в своем названии эпоксидную группу. Отверждение эпоксидных смол – это реакция их взаимодействия с би- или полифункциональными производными аминов, карбоновых кислот, фенолов и т.д. Это взаимодействие приводит к раскрытию оксиранового цикла и сшиванию полимерных цепей. O O O O O +R C O C R C O C R+ O C O C C O C R Содержание оксигрупп в эпоксидных смолах колеблется от 2 до 10%. При использовании диаминов в качестве отвердителей образующиеся полимеры будут относиться к классу полиамидов. В зависимости от используемых отвердителей образующиеся смолы обладают хорошей устойчивостью к действию неорганических кислот, щелочей, окислей, моющим средствам. Эпоксидные смолы используются в качестве клея (хорошая адгезия к металлу, стеклу, керамике). 24.5 Гетероциклического характера с циклами из пяти звеньев Важнейшие гетероциклы ароматического характера O S N H фуран тиофен пиррол -Ароматическая система построена из четырех -электронов и двух -электронов (6 электронная система). Подобные соединения обладают всеми признаками ароматичности. Сопряженная система простого строения подчиняется правилу Хюккеля: q=4n+2 – количество электронов в сопряженной системе (в данном случае n=1). Все звенья – атомы, входящие в циклы структур находятся во втором валентном состоянии 2 (sp ). 24.5.1 Способы получения Из 1,4 – дикетонов R2O5 C C R O O C C R' R Взаимные переходы гетероциклов OH HO -HOH R' R O R' Юрьев обнаружил, что окись алюминия при температуре около 400°С фурантиофенпирол или их насыщенные аналоги могут взаимно переходить друг в друга по схеме: H2S H2O O S H2S NH3 NH3 H2O N H Тиофен и пиррол могут быть получены из диацетилена CH H2S C NaOC2H5 C NH3 Cu2Cl2 CH S N Из природных источников Производный фурана – фурфурол может быть получен перегонкой пентоз с разбавленными минеральными кислотами: HO OH CH CH CH CH O C [HCl], t -3HOH O C O H H OH OH фуранкарбальдегид Сырье для получения фурфурола неограничено – подсолнечная лузга и кукурузные кочерыжки. Производные фурана из -галоганкетонов и -кетокарбоновых кислот: O R'O R C O C R CH2 CH2Cl R'' -HCI O C O R'' OR' N C O Тиофен и его аналоги получают из бутана или бутилена и горючей серы CH3 CH3 4S CH3 -2H2S S CH3 Так же тиофен можно получить из ацетилена и H2S на окиси алюминия CH CH H2S + S CH CH Тиофен можно получить из алкинов, содержащих карбонильную группу и сероводород CH H2S C Al2O3, t C R R' S O Пиррол получают а) из 1,4–бутиндиола, NH3 или первичных аминов: CH2OH C + H2N C R ThO2 t N R H CH2OH б) перегонкой имидов дикарбоновых кислот с цинковой пылью: R R Zn, t O O -2H2O N N H H в) из ацетилена и аммиака (аминов): CH + CH CH NH , t 3 CH Al2O3 N H 24.6 Общая характеристика реакционной способности фурана, тиофена, пиролла В виду вхождения гетероатома в ароматическую систему электронная плотность смещена к ним, поэтому степень выравнивания электронной плотности в ядре ниже, чем в бензоле. Все это отрицательно сказывается на устойчивости гетероциклов. Сопряжение неподеленных пар электронов гетероатомов с кратными связями приводит к значительному ослаблению основных свойств гетероциклов по сравнению с их насыщенными аналогами: N N H Так, например, пиррол не проявляет основных свойств как вторичный или третичный амин, а тиофен не вступает в реакцию окисления по атому серы. С другой стороны, распределение делокализованных электронов в пятизвенных гетероатомах приходится не на 6 атомов как в бензоле, а на 5. В результате этого электронная плотность в ядре гетероциклов в среднем выше, чем в бензоле, особенно она высока на гетероатомах. Если электронную плотность на атоме углерода в бензоле принять за единицу, то S 1,105 1,168 1,474 O 1,06 1,08 1,72 N 1,058 1,098 1,698 H Повышенная электронная плотность в ядрах перечисленных гетероциклов может приводить к более высокой реакционной способности по сравнению с бензолом в реакциях SЕAr. Причем электрофильная частица должна быть направленна в -положение в тиофене и фуране и, в первую, очередь по азоту в пирроле. Можно также ожидать, что наименьшей устойчивостью в кислой среде будет обладать фуран, а наибольшей устойчивостью, как и к действию электрофильных заместителей – тиофен (самая низкая электронная плотность по гетероатоме). 24.7 Химическая стойкость гетероциклов .. X Фуран достаточно устойчив к действию оснований и не изменяется даже при воздействии металлического натрия и повышенных температур (можно сравнить с простыми эфирами). Однако он весьма чувствителен к действию кислот, что объясняется нарушением электронной плотности ароматического ядра. Возникающая диеновая система может легко вступать в реакции полимеризации. Например, под действием концентрированной HCl полимеризация фурана принимает характер взрыва. + +H + O O H оксониевый катион Диеновый характер фурана проявляется также в его способности вступать в диеновый син- тез: RO O C O + диен COOR O C COOR RO O сложный эфир (диенофил) Недостаточно стойким к действию минеральных кислот является и пиррол, однако в реакции диенового синтеза он не вступает. Более устойчивым к действию кислот является тиофен (наиболее равномерное распределение электронной плотности). 24.8 Химические свойства пятизвенных гетероциклов 24.8.1 Гидрирование Все гетероциклы достаточно легко присоединяют водород, образуя тетрагидропроизводные: X Ni Re + 2H2 t, P X Пиррол в присутствии платины может гидрироваться при пониженных температурах, давая пирролидин: N H Можно так же получить дигидропиррол (пирролин - 3): 3 2 N1 H Тиофен гидрируется до тетрагидротиофена на палладиевом катализаторе при комнатной температуре и небольшом избыточном давлении. 24.8.2 Реакции окисления При пропускании смеси фурана с воздухом над пятиокисью ванадия образуется малеиновый ангидрид: V2O5 + O2 O O O O В аналогичных условиях пиррол образует имид малеиновой кислоты: O O N H 24.8.3 Электрофильное замещение Реакция SЕAr у ароматических гетероциклов формально протекает легче, чем у бензола, но вследствие неустойчивости их к действию кислот реакцию необходимо проводить в мягких условиях. Замещение в основном протекает в -положение. Хлорирование Хлорирование гетероциклов происходит неоднозначно. Так хлорирование фурана в растворе хлористого метилена приводит ко всем возможным продуктам замещения, даже при низкой температуре: Cl Cl Cl + Cl2 O + CH2Cl2 O Cl Cl O + Cl O + Cl Cl O Тиофен также дает смесь производных без нарушения ароматической структуры. Хлорирование пиррола протекает бурно с нарушением ароматической системы: Cl Cl + Cl2 N Cl - HCl Cl Алкилирование пиррола, фурана и тиофена N Cl Cl Реакции проводят действием галогеналкилов или олефинами в присутствии кислот Льюиса в мягких условиях. Алкилирование проходит достаточно легко в -положении. Особенность алкилирования пиррола – протекание первой стадии по атому азота: + R X + H X N N R H Для алкилирования по атому углерода применяют металлоорганический синтез: R-X , t R-MgX -RH N -MgX2 N H R N MgX H 400oC -MgX2 R-X , 400oC N MgX H Нитрование Нитрование фурана и тиофена проводят ацетилнитратом в присутствии пиридина (пиридин связывает отщепляющуюся кислоту): + O + H3C C O NO2 S S _ CH2COO + NO2 N H N Нитрование пиррола проводят действием алкилнитратов (нитроспирты) в присутствии алкоголятов: + R ONO2 N SEAr RONa + ROH NO2 N H H Алкоголяты необходимы для улучшения диссоциации алкилнитратов (генерирование NO2+). Реакции с солями ртути Фуран и тиофен легко реагируют с солями ртути, образуя меркурпроизводные: O + HgCl2 CH2COONa -HCl O HgCl HgCl2 + HCl ClHg HgCl O димеркулпроизводное фурана Ацетат натрия используется для нейтрализации выделяющейся HCl, то есть для поддержания устойчивости фуранового кольца. При нагревании с водой меркурпроизводные фурана и тиофена гидролизуются, давая исходный гетероцикл. Эта реакция позволяет выделить тиофен из смеси с ароматическими прозводными бензола. Реакции с диазосоединениями Фуран и тиофен в реакции азосочетания не вступают. Пиррол дает азосоединения в реакциях с диазосоединниями (С-сочетание): N2Cl 0oC N N R + [HCl] N N R H H В связи с высокой чувствительностью фурана и пиррола к действию кислотных реагентов, можно проводить реакции SЕ в присутствии защитных групп акцепторного характера. Так, например, пиррол можно нитровать смесью серной и азотной кислот в виде пирролкарбоновой кислоты: O C N H OH 4 S/N 3 2 5 O2N O C to -CO2 N1 OH H 5-нитропиррол-2-карбоновая кислота N N2O H 2-нитропиррол 24.9 Важнейшие производные фурана, тиофена, пиррола Тетрагидрофуран (ТГФ). Циклический простой эфир, в промышленности получают из бутандиола-1,4: CH2OH H2SO2 O H2O CH2OH ТГФ используется в качестве растворителя в реакциях, проходящих в основных, малополярных средах. Фуранкарбольдегид (фурфурол). Используется для получения 1,3-бутадиена по способу Лебедева. Фурфурол достаточно активное соединение, для него характерны реакции альдегидов, не имеющих -водородного атома (вступает в реакции конденсации с другими альдегидами и кетонами, дает гидрозоны, оксимы). Фурфурол находит широкое применение в качестве исходного соединения для получения фармацевтических препаратов. Тиофен и его производные находят применение в биологически активных препаратах с жаропонижающим и противовоспалительным действием. Из производных пиррола известен пирролидон-2, получаемый из -бутиролактона. O O + NH3 t -H2O N O H пирролидон-2 Полимеризацией пирролидона-2 получают искусственое волокно полиамидного типа. C CH2 3 O N H n На основе пирролидона-2 получают поливинилпирролидон – заменитель плазмы крови: n N HC CH _ OH O N O CH CH 2 N H N O O CH CH2 CH CH2 n Конденсированные системы, содержащие пиррол Наибольшее значение получили производные карбазола 5 4 3 6 9 7 8 2 N 1 H и индола N H Индол получают внутремолекулярной конденсацией следующих соединений: O CH2 C t -H2O NH2 CH R ( )3 5 R C 6 Cl NH2 4 t -HCl 7 1N R 2( ) H Производные индола также получают по реакции Фишера через фенилгидразоны алкилметилкетонов: O + H3C NH C NH2 R t [AN] NH N C R ZnCl2 CH3 R + NH3 N H Электронная плотность в молекуле индола по донорному эффекту азота накапливается в третьем положении: N H 24.10 Некоторые свойства индола Хлорирование или нитрование 2-производных индола проходят в третье положение: Cl Cl2 + HCl ZnCl2 N R H N R NO2 HNO3 H + HOH N R H По некоторым свойствам индол напоминает пиррол (кроме измененной электронной конфигурации) вследствие расположенного рядом ядра с равномерно распределенной электронной плотностью. Среди известных реакций электрофильного замещения в α-положение характерно сульфирование, которое проводят пиридинсульфатом: + N H N SO3 SEAr + N SO3H N H пиридин-2-сульфокислота Важнейшим производным индола является регулятор роста растений гетероауксин или 3индолилуксусная кислота. Один из способов ее получения – через Mg-органику: _ + + R MgX N Cl RX CH2 C t N H N MgX CH2 C N O HOH CH2 [H2SO4] N C OH N H H Широко известно производное индола – индиго, которое образовывается при окислении индоксила. Сам индоксил получают из анилина и окиси этилена (оксирана): + H2C NH2 CH2 OH CH2 NH O O t=3000C CH2 O O2 H N -HOH N N H индоксил O H индиго 24.11 Порфины Порфинами называется продукт взаимодействия α-пирролкарбольдегида с уксусной кислотой, с образованием ароматической системы: CH3 CH3 CH2CH2 N N COOH CH CH2 N H N Fe H N 2+ N N CH2CH2 COOH N CH3 CH3 CH CH2 порфин гем крови Система является ароматической и удовлетворяет правилу Хюккеля [4n+2] -электрона (n=6). Порфин с углеводородными заместителями называются порфиринами. Некоторые из порфиринов играют громадную роль в животном и растительном мире. Например, гемин крови, хлорофиллы, витамин В12. Гем крови содержит ковалентно-связанное с азотами двухвалентное железо, а зеленный хлорофилл – ион магния. Природные порфирины в третьем и четвертом положениях пиррольных циклов содержат остатки карбоновых кислот –СН2–CH–COOH, винильные, метил- и этильные группы. 24.12 Шестизвенные циклы с одним гетероатомом К ним относятся соединения типа: X где X = N , S, O Причем в последних случаях можно говорить об ароматических катализаторах. _ I + O йодистый пирилий Сами соединения, содержащие кислород и серу, не являются ароматическими (например, пиран не ароматичен). O пиран 24.12.1 Способы получения пиридина и его производных Удовлетворительных способов получения пиридина с высокими выходами не найдено. Пытались получать его циклизацией двух молекул ацетилена с одной молекулой синильной кислоты. CH HC CH kT HC CH N N Однако выход был низок из-за преимущественного образования бензола. С неплохим выходом получен 2,5-диметилпиридин (Чичибабин в 1937 г.): O H3C t=3000C H3C C + NH3 -HOH H CH3 N примерно 50% выход В настоящее время используют в основном модификацию этой реакции (из α-замещенного уксусного альдегида). В качестве побочных продуктов образуются 2,4- и 2,4,5-производные пиридина. Для получения более сложных производных, содержащих молекулу пиридина (чаще всего конденсированных продуктов), используют конденсацию на последней стадии синтеза (циклизация). Промышленным способом получения 3-метилпиридина является конденсация акрилового альдегида и аммиака на окиси алюминия: O CH3 oC t=300 CH2 + (NH ) H2C CH C + 3 Al2O3 H N CH CH2 C CH NH + H O CH Сам пиридин может быть получен из его алкилпроизводных окислением с последующим декарбоксированием пиридинкарбоновой кислоты: R COOH -CO [O] 2 t N N N 24.12.2 Свойства пиридина Пиридин является устойчивым веществом с характерным «мышиным» запахом, хорошо растворим в органических растворителях и воде. Благодаря ионному характеру (на азоте -) пиридин растворяет многие неорганические соли, образуя различные ионные комплексы. Электронная плотность в молекуле пиридина, в общем, понижена за счет акцепторности атома азота и напоминает бензол, содержащий акцепторную группировку (например, нитробензол). N В связи с вышесказанным, пиридин хуже вступает в реакции AE, чем бензол, в основном в третье и пятое положение. По той же причине в ряду пиридина легче протекают реакции нуклеофильного и радикального замещения (сходен с нитробензолом). Основность пиридина обусловлена свободной парой электронов на этоме азота (pKВ=9). Пиридин, таким образом, более сильное основание, чем пиррол, но более слабое, чем алифатические амины (за счет сопряжения электронной пары азота с ядром). R'' R' R''' N pKВ=4 Электронная пара, находясь в сопряжении, не входит в ароматическую систему, легко выходит из сопряжения, образую соли. 24.12.3 Реакции SE у пиридина Все подобные реакции проходят в жестких условиях Галогенирование Cl _ 250 oC + + Cl Cl Cl SEAr N N + HCl N Cl Нитрование серноазотной смесью (небольшой выход и высокие температуры) NO2 S/N N Сульфирование 220 oC N 20-22% SO3H 350 oC + SO3 N SEAr N O S N пиридин-3-сульфокислота O O Для пиридина не характерны реакции сочетания, алкилирования, ацилирования, что связано с образованием устойчивого комплекса с электрофильным реагентом (у атома азота). Возникновение “+” на атоме азота значительно замедляет реакции электрофильного замещения. 24.12.4 Нуклеофильное замещение у пиридина В жидком аммиаке достаточно легко протекает замещение водорода на аминогруппу: NaNH2 + H2O NH3 N N NHNa HOH N NH2 -NaOH При сплавлении пиридина с КОН образуется 2-оксипиридин: + KOH t HOH -H2 N N -KOH OK N N OH O H кетон енол 24.12.5 Реакции радикального замещения Протекают в присутствии надкислот: O C + OOH . N + . N CO2 OH Аминные свойства пиридина проявляются в его способности образовывать соли с halan килами и вступать в реакции с окисления. R + +R N _ X X N R t + N R N _ + H2O2 + N N + N + N _ _ + N _ O O O O N-окись пиридина В результате влияния атома кислорода электронная плотность сосредоточена во втором, четвертом и шестом положениях. По сравнению с неокисленным пиридином электронная плотность ядра повышается. Поэтому N-окись пиридина легче реагирует с электрофильными реагентами. Относительно легко соединение нитруется с образованием N-оксида γ-нитропиридина. Такая ориентация замещения объясняется некоторым электродонорным эффектом неподеленной электронной пары атома кислорода. Эту реакцию используют для получения γ-замещенных пиридина: NH2 NO2 - N HNO3 Cl N+ _ O N O Cl [H] N+ N _ O С серным ангидридом и бромом пиридин, подобно третичным аминам дает комплексные соединения + SO3 SO3 N пиридин сульфотриоксид Таким комплесом сульфируют органические соединения. N Гидрирование пиридина Пиридин в мягких условиях гидрируется до гекса-гидропризводных называемых пипиридинами (фрагменты в) H2/NiR N N H В более жестких условиях происходит гидролиз C=N связи с образованием первичных аминов. Важнейшие производные пиридина Алкил-пиридины, по химическим свойствам похожи на пиридин, однако в 2,4,6-алкилпроизводных α-водородные атомы обладают повышенной подвижностью. R N Li -RH CH3 _ + CH2 Li N O NaOH H3C C H N CH CH HOH CH3 CH2 CH2OLi N N CH2 CH2OH 2(2-гидроксиэтил)пиридин альдольная конденсация При окислении алкил-пиридина образуются пиридинкарбоновые кислоты: O C COOH OH N COOH N пиколиновая кислота изопиколиновая кислота N никотиновая кислота 24.12.6 Производные пиримидина и пурина Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами – производные пиримидина: NH2 OH OH N N N HO HO N N CH3 HO урацил (У) тимин (Т) цитозин (Ц) Конденсированные гетероциклы – производные пурина. NH2 OH N N N N H2N N N N H H гуанин (Г) аденин (А) Все эти гетероциклические азотистые основания входят в состав нуклеиновых кислот, играющих чрезвычайно важную роль в процессах жизнедеятельности организмов. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, образующиеся при конденсации нуклеотидов – химических соединений, состоящих из остатков фосфорной кислоты, углеводного компонента и одного из пуриновых или пиримидиновых оснований. Различают два вида нуклеиновых кислот. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а гетероциклическими основаниями являются аденин, гуанин, цитозин и тимин: N NH2 аденин N N N OH O N 1 H 5 H H 2 ... CH2 O P O O 4 H 3 H HO дезоксирибоза ибонуклеиновая кислота (РНК) состоит из углевода рибозы и гетероциклических оснований – аденина, гуанина, цитозина, урацила. OH N урацил HO OH O N 1 H 5 H 2 HO H 3 CH2 O P O ... O 4 H HO рибоза РНК и ДНК отличаются друг от друга не только углеводами, но и гетероциклическими основаниями: рибонуклеиновая кислота содержит урацил, а дезоксирибонуклеиновая кислота – тимин. Полимеризация нуклеотидов происходит за счет образования эфирной связи между Н 3РО4 одного нуклеотида и третьим гидроксилом пентозы: азотистое соединение - сахар остаток H3PO4 азотистое соединение - сахар остаток H3PO4 Полинуклеотид (ДНК или РНК). Наследственная информация клетки закодирована определенной последовательностью оснований в молекуле ДНК, построенной в виде двойной спирали РНК, и последовательность нуклеотидов одной спирали как бы отражается в другой. РНК образуется в виде одинарной спирали. 24.13 Аминокислоты Аминокислоты – это производные органических кислот, содержащие в радикале одну или несколько аминогрупп (NH2). По рациональной номенклатуре их названия имеют приставку «амино» и буквы греческого алфавита (α-, β-, γ- и т.д), указывающие положение аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. CH2 CH2 CH2 COOH 4-аминобутановая ( -аминомасля ная ) NH2 кислота В состав белков входят α-аминокислоты, которым дают тривиальные названия. Аминокислоты подразделяются на моноаминокарбоновые, диаминокарбоновые, аминодикарбоновые, ароматические и гетероциклические: СН3–CHNH2–СООН аланин (αаминопропионовая кислота); H2N–(СН2)4–CHNH2–СООН лизин (α,ε-диаминокапроновая кислота); СООН–СН2–CHNH2–СООН аспарагиновая кислота (α-аминоянтарная кислота); С6Н5–СН2– CHNH2–СООН фенилаланин (α-амино-β-фенилпропионовая кислота); H2C CH2 H2C N CH COOH H пролин (пирролидин- -карбоновая кислота) Все α-аминокислотны, часто встречающиеся в живых организмах, имеют тривиальные названия, которые обычно и употребляются в литературе. Глицин (Гли) Серин (Сер) Аланин (Ала) Треонин (Тре) Валин (Вал) Цистеин (цис-SH) Цистин (Цис-s) Тирозин (Тир) Метионин (Мет) Триптофан (Три) Фенилаланин (Фен) Пролин (Про) Изолейцин (Илей) Оксипролин (Про-он) Аспарагиновая кислота (Асп) Гистидин (Гис) Глутаминовая кислота (Глу) Аргинин (Apг) Орнитин (Орн) Глутамин (Глн) Лизин (Лиз) 24.13.1 Свойства аминокислот Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества, как правило, сладковатого вкуса, легко растворимые в воде. В зависимости от количества амино- или карбоксильных функциональных групп в аминокислоте она может обладать основными (лизин) или кислотными свойствами (аспарагиновая кислота). Аминогруппа и карбоксильная группа способны образовывать биполярный ион или внутреннюю соль: NH2–СН2–СООН → NH3+–СН2–СОO–. Наличие –NН2 и –СООН групп в составе аминокислот обусловливают их амфотерные свойства (взаимодействуют как с основаниями, так и с кислотами). H2N–СН2–СООН + NaOH → H2N–СН2–COONa + Н2О натриевая соль глицина _ + Cl H2N CH2 COOH + HCl H3N CH2 COOH хлористоводородная соль глицирина Со спиртами аминокислоты образуют сложные эфиры. H2N–СН2–СООН + НОСН3 HCl NH2–СН2–СООСН3 + Н2О метиловый эфир глицина Характерно образование внутрикомплексных солей меди; реакция может использоваться при выделении аминокислот. COOH COOH CH2 + HO Cu OH + CH2 -2H2O NH2 NH2 O C O Cu O C O CH2 NH NH CH2 медная соль глицина При нагревании α-аминокислоты превращаются в 1,4-дикетопиперазины. O O CH2 C CH C 2 OH tO N H + H N H NH HN H -2H O 2 HO C CH2 C CH2 O O β-Аминокислоты при нагревании легко теряют аммиак, образуя непредельные кислоты. to CH2 CH COOH CH2 CH COOH -NH3 NH2 H акриловая кислота -аланин γ, δ, ε-Аминокислоты при нагревании превращаются в циклические амиды – лактамы. O tO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C O + H2O NH H OH N H ε-аминокапроновая кислота капролактам Основная масса этого продукта используется для получения полиамидного волокна – капрона. Аминокислоты, содержащие аминогруппу в α-положении, подвергаются реакции дегидратации с образованием полипептидов. NH2 O H CH3 O H CH2 SH CH2 C OH+ HN CH C OH + HN CH COOH глицин аланин цистеин Название полипептида составляется из названий радикалов кислот и полного названия кислоты, в которой сохраняется карбоксильная группа. 24.13.2 Способы получения Получать аминокислоты можно при гидролизе белков или из галогенопроизводных кислот при действии аммиака: CH3 CH COOH + HBr CH3 CH COOH + NH3 Br NH2 α-бромпропионовая кислота аланин α-Аминокислоты входят в состав белковой составляющей пищи и делятся на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты могут синтезироваться организмом человека или животного. Незаменимые аминокислоты (метионин, валин, лейцин, фенилаланин, изолейцин, триптофан, лизин, треонин) не образуются в живом организме и для его нормальной жизнедеятельности должны поступать с пищей. Например, недостаток лизина сказывается на кроветворной функции и кальцификации костей; метионин обладает противосклеротическим действием; триптофан важен для процесса роста, обмена веществ. Природным источником получения α-аминокислот являются белковые вещества (при гидролизе). Аминокислоты входят в состав растений, микроорганизмов, животных и человека и играют громадную роль в процессах жизнедеятельности организмов. 24.14 Белки Белки – это природные высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, молекулы которых построены из α-аминокислот, связанных пептидными связями, то есть белки являются полипептидами. C NH пептидная (амидная ) свя зь O ... NH CH C NH CH C NH CH CH3 O остаток анилина HO CH2 O остаток серина HS CH2 O остаток цистеина C ... Белки широко распространены в природе, особенно много их в организмах животных и человека. Большое количество белков содержится в костях, хрящах, мышцах, в нервных тканях. Из белков состоят волосы, шерсть, перья, чешуя рыб, копыта, рога и т.п. Белки содержатся в яйцах птиц, входят в состав молока, крови и др. Ферменты, гормоны, вирусы также имеют белковую природу. Белки содержатся в растениях (соя, бобы, грибы), но в значительно меньших количествах. 24.14.1 Строение белков Все белки содержат углерод, водород, кислород, азот (реже S, P, Fe). Молекулярный вес белков чрезвычайно велик – от 5000 до многих миллионов. Последовательность, с которой соединяются остатки α-аминокислот в цепи, называется первичной структурой белка. Она строго уникальна для каждого вида белка. Полипептидная цепь обычно имеет форму спирали. Склонность полипептидной цепи к скручиванию в спираль предопределяется первичной структурой белка, но еѐ прочность определяется образованием водородных связей между группами C O и –HN– соседних витков спирали. Например: ... ... NH CH C NH CH C : : R1 O O O R2 O: : ... ... C CH NH C CH NH R1 R 2 Особенность скручивания полипептидных цепей белковых молекул в спираль называется вторичной структурой белков. Витки спирали могут так или иначе складываться или сгибаться вследствие наличия дисульфидных мостиков –S–S–, удерживающих в непосредственной близости те или иные витки, эту роль могут выполнять и водородные связи. В результате такого складывания участков спирали создаѐтся подобие клубка. Эта форма строения белков называется третичной структурой. В молекулах некоторых белков могут образовываться несколько таких «клубков» (глобул), вследствие чего возникает четвертичная структура. Связи, соединяющие субъединицы белка в молекулу с четвертичной структурой, – это не ковалентные, а более слабые связи, например водородные (как в молекуле гемоглобина), ионные или так называемые гидрофобные взаимодействия. Белки, имеющие четвертичную структуру, вследствие непрочности связей, соединяющих субъе- диницы, обладают способностью обратимо диссоциировать на субъединицы. При этом, например, может исчезать ферментативная активность белков. 24.14.2 Классификация белков Белки делятся на две основные группы: протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки). Протеины состоят только из аминокислот и при гидролизе не образуют других продуктов. Протеиды состоят из белковой части, построенной из α-аминокислот, и из небелковой части (простетической группы). При гидролизе эти белки, кроме α-аминокислот, поставляют и другие вещества: углеводы, фосфорную кислоту, гетероциклические соединения, красящие вещества и т.п. К протеинам относится ряд простых белков, отличающихся растворимостью в разных растворителях. Альбумины – белки, растворимые в воде, не осаждаются насыщенным раствором хлорида натрия, но осаждаются насыщенным раствором сульфата аммония, свѐртываются при нагревании. Представители: альбумины яйца, молока, сыворотки крови, белки ферментов и семян растений. Глобулины – белки, нерастворимые в воде, но растворимые в разбавленных солевых растворах; свѐртываются при нагревании. Имеют большую молекулярную массу, чем альбумины. Представители: глобулины молока, яйца, крови, белка мышц (миозин), семян растений. Проламины – белки, растворимые в 70–80%-ном спирте, нерастворимые в воде и безводном спирте. Не свѐртываются при кипячении. Представители: белки злаков (глиадин – в пшенице, зеин – в кукурузе). Глютелины – растительные белки, нерастворимые в нейтральных солевых растворах и в этиловом спирте; растворяются только в разбавленных (0,2%) растворах щелочей. Содержатся, главным образом, в семенах злаков. Глютелины некоторых злаков называют глютенинами (от слова клейковина). Гистоны – белки основного характера, так как содержат значительное количество диаминокислот, растворимые в воде и в разбавленных кислотах, но нерастворимые в разбавленных щелочах. Обычно представляют белковые части сложных белков. Представители: глобин – белок, входящий в состав гемоглобина. Протамины – наиболее простые из природных белков с низкими молекулярными массами; состоят преимущественно из диаминокислот и являются сильными основаниями. Хорошо растворимы в воде, в разбавленных кислотах и щелочах. Не свѐртываются при нагревании. Представители протаминов обнаружены в сперматозоидах рыб, в составе сложных белков – нуклеопротеидов. Альбуминоиды (склеропротеины) – белки, резко отличающиеся от других белков по свойствам. Они растворяются лишь при длительной обработке концентрированными кислотами и щелочами с расщеплением молекул. В животных организмах выполняют опорные и покровные функции, в растениях не встречаются. Представителями склеропротеинов являются: фиброин – белок шѐлка; кератин – белок волос, шерсти, рогового вещества, эпидермиса кожи; эластин – белок стенок кровеносных сосудов, сухожилий; коллаген – белковое вещество кожи, костей, хрящей, соединительных тканей. Протеиды – сложные белки, подразделяющиеся на подгруппы в зависимости от характера простетической (небелковой) части. Фосфопротеиды – белки, содержащие в качестве простетической группы остаток фосфорной кислоты. Представители: казеин – белок молока, вителлин – белок, входящий в состав желтка куриного яйца. Нуклеопротеиды – белки, в которых собственно белковая часть связана с нуклеиновыми кислотами, а последние при гидролизе образуют фосфорную кислоту, гетероциклические соединения и углевод. Нуклеопротеиды входят в состав ядер растительных и животных клеток. Хромопротеиды – вещества, в которых белковая часть соединена с красящим веществом. Представитель: гемоглобин крови, при гидролизе он расщепляется, образуя белок глобин и красящее вещество – гем. Глюкопротеиды – белки, у которых белковая часть соединена с углеводом. Представитель: муцин, входящий в состав слюны. Липопротеиды – соединения белков с липидами; к последним относятся жиры, фосфатиды и др. Липопротеиды содержатся в протоплазме клеток, в сыворотке крови, в яичном желтке. Белковые вещества классифицируют также по форме их молекул, подразделяя на две группы: а) фибриллярные (волокнистые) белки, молекулы которых имеют нитевидную форму; к ним относятся фиброин шѐлка, кератин шерсти, миозин мышц; б) глобулярные белки, молекулы которых имеют округлую форму; к ним относятся альбумины, глобулины и ряд сложных белков. Пищевая ценность белков обусловлена качественным и количественным составом входящих в них аминокислот. Различают полноценные и неполноценные белки. Полноценные белки содержат все незаменимые аминокислоты (казеин молока, яичный альбумин, белок мяса). Неполноценными называют белки, которые не содержат хотя бы одну из незаменимых аминокислот (зеин кукурузы, желатин). 24.14.3 Свойства белков Белковые вещества разнообразны по своему агрегатному состоянию. Часто это твѐрдые аморфные вещества, имеющие вид белых порошков. Белки шерсти (кератин) и шѐлка (фиброин) – прочные волокна. Некоторые белки получены в кристаллическом состоянии (гемоглобин крови), многие имеют консистенцию вязких жидкостей или студней. Все белки не растворяются в безводном спирте и других органических растворителях. Многие белки растворяются в воде и в разбавленных растворах солей, но образуют не истинные, а коллоидные растворы. Существуют белки, совершенно нерастворимые в воде. Растворы природных белков оптически активны (в основном обладают левым вращением). Белки, подобно аминокислотам, амфотерны и образуют соли как с кислотами, так и с основаниями: R R _ _ _ + + + H3N CH COO + H + Cl H3N CH COOH + Cl R R _ _ + + + _ H3N CH COO + Na + OH H2N CH COO + Na + H2O В присутствии кислот белковые молекулы несут положительный заряд и при электролизе передвигаются к катоду, в присутствии щелочей белковые молекулы несут отрицательный заряд и передвигаются к аноду. При определѐнном значении рН в растворе будет содержаться минимальное количество катионов и анионов белка; в этих условиях передвижение молекул белка при электрофорезе не происходит. Значение рН раствора, при котором в растворе белка содержится минимальное количество катионов и анионов, называется изоэлектрической точкой. Для различных белков значение изоэлектрической точки неодинаково. Например, для яичного белка (альбумина) изоэлектрическая точка находится при рН=4,8, для белка пшеницы (глиадина) – при рН=9,8. Для всех белков характерны некоторые общие свойства: реакции осаждения из растворов и цветные реакции. Осаждение белков из растворов При добавлении к водным растворам белков концентрированных растворов минеральных солей (например, (NH4)2SO4) белки осаждаются, аналогично действует на белок спирт, ацетон. Во всех этих случаях белки не изменяют своих свойств и при разбавлении водой вновь переходят в раствор. Этот процесс называется высаливанием. При нагревании многие белки свѐртываются (например, яичный белок) и тоже осаждаются из растворов, но теряют способность растворяться в воде. При этом происходит значительное изменение свойств белков. Этот процесс необратимого осаждения белков называется денатурацией. Денатурацию могут вызывать соли тяжѐлых металлов (CuSO4, Pb[CH3COO]2, HgCl и др.), концентрированные кислоты (HNO3, H2SO4, CH3COOH, пикриновая, хлоруксусная), едкие щѐлочи (КОН, NaOH), фенол, формалин, таннин и др. Денатурацию белка вызывают также различные виды излучений (ультрафиолетовое, радиоактивное и т.п.). При денатурации разрушается четвертичная, третичная, вторичная структуры; первичная структура при этом обычно сохраняется, то есть разрушение пептидных связей не происходит. Первичная структура белка разрушается при гидролизе белка, что и происходит в про- цессе усвоения белковой пищи. В желудочно-кишечном тракте под действием ферментов белки пищи расщепляются через ряд промежуточных продуктов до аминокислот. Из комбинации полученных аминокислот в организме создаются необходимые ему белки. Неиспользованные остатки белков подвергаются разрушению до более простых соединений и выводятся из организма. Цветные реакции белков 1. Биуретовая реакция При взаимодействии с солями меди (CuSO4) в щелочной среде все белки дают фиолетовое окрашивание. Эта реакция является качественной на пептидные связи и подтверждает наличие их в белках и полипептидах. Для различных полипептидов окраска, возникающая при взаимодействии с солями меди, неодинакова: дипептиды дают синюю окраску, трипептиды – фиолетовую, а более сложные полипептиды – красную. 2. Ксантопротеиновая реакция. При нагревании растворов белков с концентрированной азотной кислотой (HNO3) они окрашиваются в жѐлтый цвет. Реакция объясняется наличием в белках аминокислот, содержащих ароматические углеводородные радикалы (С6Н5–), которые при взаимодействии с азотной кислотой образуют нитросоединения, окрашенные в жѐлтый цвет. 3. Цистиновая реакция (сульфгидрилъная). Если прокипятить раствор белка с избытком едкого натра и прибавить несколько капель раствора ацетата свинца Рb(СН3СОО)2, то появляется буро-чѐрное окрашивание или осадок. to Na2S + соли аминокислот Белок + NaOH PbS + 2CH3COONa Na2S + Pb(CH3COO)2 Реакция подтверждает наличие слабо связанной серы в белках. Имеется и ряд других качественных реакций на белок. 24.14.4 Значение белков Белки являются важнейшей составной частью пищевых продуктов. Более 50% белков в рационе питания человека должны составлять белки животного происхождения. Взрослому человеку в сутки требуется 80–100 г белка, а при большой физической нагрузке – 120 г и более. Белковые вещества находят широкое применение в производстве промышленных товаров (изделия из кожи, шерсти, меха, шѐлка), в производстве клея, желатина, пластмасс (галалита), искусственной шерсти, для приготовления светочувствительных эмульсий в фотопромышленности и др. Многие лекарственные препараты имеют белковую природу (инсулин, панкреотин и др.). Особо следует выделить биологические катализаторы – ферменты, также являющиеся белковыми веществами. Часто присутствуя лишь в ничтожных количествах, они способствуют быстрым химическим превращениям огромных количеств различных веществ в очень мягких условиях (низкая температура и т.д.). Вирусы, бактерии также имеют белковую природу. Поэтому при консервировании пищевых продуктов, лечении различных заболеваний используют препараты, которые денатурируют белковые вещества (салициловая кислота, аспирин, салол, таннин, различные полифенолы, уксусная кислота и др.). Белки являются веществами, совершенно необходимыми для жизни животных, растений, микроорганизмов. Сама жизнь является процессом сложных превращений белковых веществ. СОДЕРЖАНИЕ 15 СПИРТЫ ..................................................................................................................................... 1 15.1 Алифатические спирты....................................................................................................... 2 15.1.1 Способы получения ..................................................................................................... 2 15.1.2 Физические свойства спиртов ..................................................................................... 3 15.1.3 Химические свойства спиртов .................................................................................... 4 15.2 Многоатомные спирты ....................................................................................................... 6 15.3 Получение вицинальных диолов (гликолей) .................................................................... 7 15.4 Основные свойства гликолей ............................................................................................. 8 15.4.1 Окисление ..................................................................................................................... 8 15.4.2 Дегидратация в кислой среде ...................................................................................... 8 15.4.3 Кислотность гликолей ................................................................................................. 9 15.5 Глицерин .............................................................................................................................. 9 15.6 Простые эфиры .................................................................................................................. 10 15.6.1 Свойства простых эфиров ......................................................................................... 10 15.7 Сложные эфиры минеральных кислот ............................................................................ 11 15.7.1 Эфиры сульфокислот ................................................................................................. 11 15.7.2 Эфиры азотной кислоты ............................................................................................ 11 15.7.3 Эфиры фосфорных кислот ........................................................................................ 12 15.7.4 Эфиры угольной кислоты .......................................................................................... 12 15.8 Сложные эфиры органических кислот ............................................................................ 12 16 Фенолы ...................................................................................................................................... 13 16.1 Получение фенолов ........................................................................................................... 13 16.2 Реакции фенолов ............................................................................................................... 14 16.2.1 Фенолы как кислоты .................................................................................................. 14 16.2.2 Реакция алкилирования ............................................................................................. 14 16.2.3 Ацилирование фенолов ............................................................................................. 14 16.2.4 Замещение ОН-группы в фенолах ............................................................................ 15 16.2.5 Реакции электрофильного замещения...................................................................... 15 16.3 Основные способы получения и реакции сульфопроизводных арилов ...................... 15 17 Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) ................................................................ 17 17.1 Строение карбонильной группы ...................................................................................... 18 17.2 Общая характеристика реакционной способности карбонильной группы ................. 18 17.2.1 Равновесие в системе кетон-енол ............................................................................. 20 17.3 Основные способы получения альдегидов и кетонов ................................................... 21 17.3.1 Алифатические карбонильные соединения ............................................................. 21 17.3.2 Получение ароматических альдегидов и кетонов ................................................... 23 17.4 Химические свойства карбонильных соединений ......................................................... 25 17.4.1 Присоединение по карбонильной группе ................................................................ 25 17.4.2 Присоединение нейтральных нуклеофилов ............................................................ 26 17.4.3 Присоединение Н-кислотных соединений .............................................................. 29 17.4.4 Сравнительная реакционная способность альдегидов и кетонов ......................... 30 17.4.5 Реакции по α-водородному атому карбонильных соединений .............................. 30 17.4.6 Реакция полимеризации, поликонденсации ............................................................ 33 17.4.7 Реакции гидридного переноса................................................................................... 33 17.5 Непредельные альдегиды и кетоны ................................................................................. 34 17.5.1 Особенности химических свойств α,β-непредельных карбонильных соединений ............................................................................................................................................................. 35 17.6 Оксиальдегиды и оксикетоны .......................................................................................... 36 17.6.1 Получение моноксиальдегидов ................................................................................ 36 17.6.2 Получение α-оксикетонов ......................................................................................... 37 17.6.3 Cвойства α-оксикарбонильных соединений ............................................................ 37 17.6.4 Получение и свойства β-оксикарбонильных соединений ...................................... 39 17.6.5 Свойства γ,Δ-оксиальдегидов ................................................................................... 39 18 УГЛЕВОДЫ .............................................................................................................................. 40 18.1 Моносахариды ................................................................................................................... 41 18.1.1 Колчато-цепная таутомерия моносахаридов ........................................................... 42 18.1.2 Образование фуранозных форм (в проекционных формулах Фишера и Хеуорса) ............................................................................................................................................................. 42 18.2 Свойства моносахаридов .................................................................................................. 44 18.2.1 Восстановление .......................................................................................................... 44 18.2.2 Окисление ................................................................................................................... 44 18.3 Простые эфиры моносахаридов ....................................................................................... 45 18.3.1 Ацилирование углеводов........................................................................................... 46 18.3.2 Удлинение цепи моносахаридов ............................................................................... 47 18.3.3 Укорочение цепи моносахаридов (по Руффу) ......................................................... 47 18.4 Олигосахариды .................................................................................................................. 48 18.4.1 Важнейшие дисахариды ............................................................................................ 48 18.5 Полисахариды.................................................................................................................... 49 18.5.1 Крахмал (C6H10O5)x .................................................................................................... 49 18.5.2 Целлюлоза ................................................................................................................... 49 19 Карбоновые кислоты................................................................................................................ 50 19.1 Основные способы получения предельных карбоновых кислот .................................. 51 19.1.1 Окисление алканов на марганцевых катализаторах (промышленный способ) ... 51 19.1.2 Окисление спиртов и альдегидов химическими окислителями ............................ 51 19.1.3 Гидролиз производных карбоновых кислот ............................................................ 52 19.1.4 Получение кислот через магнийорганические соединения ................................... 52 19.1.5 Карбонилирование алкенов (Метод Реппе) ............................................................. 52 19.1.6 Оксосинтез из спиртов ............................................................................................... 52 19.2 Строение карбоксильных групп ...................................................................................... 53 19.3 Химические свойства карбоновых кислот ...................................................................... 53 19.3.1 Образование солей ..................................................................................................... 53 19.3.2 Образование сложных эфиров .................................................................................. 54 19.3.3 Свойства сложных эфиров ........................................................................................ 54 19.3.4 Образование производных карбоновых кислот ...................................................... 55 19.3.5 Образование амидов карбоновых кислот ................................................................ 55 Некоторые свойства амидов ............................................................................................ 56 19.3.6 Получение нитрилов карбоновых кислот ................................................................ 56 19.4 Отдельные представители карбоновых кислот .............................................................. 56 19.5 Непредельные кислоты этиленового ряда ...................................................................... 57 19.5.1 Методы синтеза непредельных кислот .................................................................... 58 19.6 Свойства непредельных кислот ....................................................................................... 59 19.6.1 Свойства  непредельных карбоновых кислот .................................................... 59 19.6.2 Реакции присоединения и полимеризации .............................................................. 60 19.6.3 Реакции анионного присоединения .......................................................................... 60 19.6.4 Некоторые представители непредельных карбоновых кислот .............................. 61 20 Гидроксикарбоновые кислоты ................................................................................................ 61 20.1 Способы получения α- и β-оксикислот ........................................................................... 61 20.2 Способы получения γ- и Δ - гидроксикислот ................................................................. 62 20.3 Некоторые свойства оксикислот...................................................................................... 62 21 Оксокислоты (кетокислоты).................................................................................................... 64 21.1 α-Оксокислоты................................................................................................................... 64 21.2 β-Оксокислоты................................................................................................................... 64 21.2.1 Свойства сложных эфиров β-оксокислот................................................................. 65 22 Дикарбоновые кислоты ........................................................................................................... 66 22.1 Получение алифатических дикарбоновых кислот ......................................................... 67 22.2 Особенности химического поведения некоторых дикарбоновых кислот ................... 68 Синтезы с малоновой кислотой ....................................................................................... 69 22.2.1 Образование ди- и полиэфиров................................................................................. 70 22.3 Непредельные дикарбоновые кислоты ........................................................................... 70 22.3.1 Номенклатура. Изомерия .......................................................................................... 70 22.4 Карбоновые кислоты ацетиленового ряда ...................................................................... 71 Образование и свойства ацетилендикарбоновой кислоты ............................................ 72 22.5 Ароматические карбоновые кислоты .............................................................................. 72 22.5.1 Способы получения ................................................................................................... 72 23 азотсодержащие соединения ................................................................................................... 74 23.1 Нитроалканы ...................................................................................................................... 74 23.1.1 Методы получения ..................................................................................................... 74 23.1.2 Строение нитрогруппы .............................................................................................. 75 23.2 Химические свойства ........................................................................................................ 75 23.3 Ароматические нитропроизводные ................................................................................. 77 23.4 Амины ................................................................................................................................ 78 23.4.1 Получение алифатических аминов ........................................................................... 78 23.4.2 Некоторые способы получения ароматических аминов ........................................ 80 23.4.3 Свойства аминов ........................................................................................................ 80 Особенности свойств ароматических аминов ................................................................ 81 23.4.4 Реакции диазосоединений ......................................................................................... 83 24 Гетероциклические соединения .............................................................................................. 85 24.1 Окись этилена (оксиран)................................................................................................... 85 24.2 Свойства окиси этилена .................................................................................................... 86 24.3 Химические свойства ........................................................................................................ 86 24.4 Эпоксидные смолы............................................................................................................ 89 24.5 Гетероциклического характера с циклами из пяти звеньев .......................................... 89 24.5.1 Способы получения ................................................................................................... 89 24.6 Общая характеристика реакционной способности фурана, тиофена, пиролла .......... 91 24.7 Химическая стойкость гетероциклов .............................................................................. 92 24.8 Химические свойства пятизвенных гетероциклов......................................................... 92 24.8.1 Гидрирование ............................................................................................................. 92 24.8.2 Реакции окисления ..................................................................................................... 93 24.8.3 Электрофильное замещение ...................................................................................... 93 24.9 Важнейшие производные фурана, тиофена, пиррола .................................................... 95 24.10 Некоторые свойства индола ........................................................................................... 97 24.11 Порфины .......................................................................................................................... 98 24.12 Шестизвенные циклы с одним гетероатомом .............................................................. 99 24.12.1 Способы получения пиридина и его производных ............................................... 99 24.12.2 Свойства пиридина ................................................................................................ 100 24.12.3 Реакции SE у пиридина .......................................................................................... 100 24.12.4 Нуклеофильное замещение у пиридина ............................................................... 101 24.12.5 Реакции радикального замещения ........................................................................ 101 24.12.6 Производные пиримидина и пурина .................................................................... 103 24.13 Аминокислоты ............................................................................................................... 104 24.13.1 Свойства аминокислот ........................................................................................... 105 24.13.2 Способы получения................................................................................................ 106 24.14 Белки ............................................................................................................................... 107 24.14.1 Строение белков ..................................................................................................... 107 24.14.2 Классификация белков .......................................................................................... 108 24.14.3 Свойства белков ..................................................................................................... 109 24.14.4 Значение и применение белков ............................................................................. 110