Реакционная способность карбоновых кислот

Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры химии
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры химии
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
1
Лекция 13
Реакционная способность карбоновых кислот
Исходный уровень к лекции 13
– Карбоновые кислоты и их производные
(школьный курс)
Исходный уровень к лекции 14
– Сложные эфиры, амиды, ангидриды
(школьный курс)
2
Реакционная способность карбоновых кислот
● Общая характеристика
• Основные способы получения
• Химические свойства
○ Кислотные свойства
○ Реакции нуклеофильного замещения
○ Декарбоксилирование
○ Восстановление
○ Галогенирование алифатических карбоновых кислот
3
Общая характеристика карбоновых кислот
и их производных
Карбоновые кислоты – соединения, функциональной
группой в которых является карбоксильная группа –СООН.
O
Карбоновые кислоты
R
C
OH
Функциональные производные арбоновых кислот –
соединения, содержащие модифицированную карбоксильную
группу и при гидролизе образующие карбоновую кислоту.
Функциональные производные карбоновых кислот
O
O
R
C
R
OR'
O
R
C
C
SR'
R
O
OM
R
C
O
O
Hal
R
C
R
NH 2
O
O
C
O C
R
O
C
NHR'
O
C
O
R
C
NR'2
R
C
4
N
Классификация карбоновых кислот
− в зависимости от числа карбоксильных групп
Монокарбоновые
CH3
Трикарбоновые
Дикарбоновые
HOOC
COOH
CH2
COOH
HOOCCH2C(OH)(COOH)CH2COOH
уксусная кислота
− в зависимости от природы органического радикала R–СООН
Алифатические
Ароматические
Гетероциклические
O
CH3(CH2)2CH2
C
COOH
COOH
OH
S
5
Физические свойства
• Монокарбоновые алифатические С1− С9 бесцветные жидкости;
ароматические, высшие алифатические и дикарбоновые твердые.
δ–
δ+ O
R C
δ–
O
O
O
R
H
C
H
O
…H
C
O
H
H
O
…O
C
H
карбоновая кислота
• Т. кип. кислот выше, чем у соответствующих спиртов и альдегидов,
из-за образования ассоциатов за счет Н-связей; в газовой фазе −
димеры.
Альдегид
Спирт
Кислота
O
O
CH 3CH2C
CH3CH2CH2OH CH3C
H
OH
Молекулярная
масса
58
60
60
Т. кип., °С
49
97
118
6
Реакции окисления
− окисление алкиларенов
X
X
[O]
CH3
COOH
Окислители − H2Cr2O7, KMnO4 (щелочной раствор), HNO3.
CH3
O2N
+ 2 KMnO4
N
Na2Cr2O7, H+
COOH
O2N
H2O, 70 oC
CH3
+ 2 MnO2 + 2 KOH
N
COOH
O2 (воздух)
CH3
V2O5 или
Co3+
COOH
в промышленности
7
− окисление первичных спиртов и альдегидов
O
[O]
R
CH2
R
OH
C
R
H
альдегид
первичный спирт
O
[O]
C
OH
карбоновая кислота
Окислители, превращающие первичные спирты в альдегиды,
− H2Cr2O7, KMnO4 (щелочной раствор), HNO3.
CH3CH2CH2CH2OH
OH
Cl3C
CH
KMnO4, H+, 25 oC
HNO3 (дымящая), to
CH3CH2CH2COOH
O
Cl3C
C
OH
OH
H
CHO Ag2O, NH3 H2O
C
CH3
H+
H
C
COOH
C
CH3
CH3
C
CH3
8
Гидролиз функциональных производных карбоновых кислот
O
R
O
+ H2O
C
X
R
+
C
HX
OH
X = OR', NH3, Hal и др.
− сложные эфиры
в присутствии сильных кислот или едких щелочей
O
R
C
NaOH, H2O; t o
OR'
сложный эфир
H2O, H+
O
+
R'OH
OH
карбоновая кислота
спирт
R
C
− амиды
O
R
C
NH2
NaOH, H2O; t o
H2O, H+
O
R
+ NH3
C
OH
более жесткие условия гидролиза по сравнению с сложными эфирами
(кипячение с конц. водными щелочами или минеральными кислотами)
9
− галогенангидриды и ангидриды кислот
O
R
O
R C Cl
+
галогенангидрид
O
O
H2O
+
H2O
C O C
ангидрид
R
R
C
OH
+
HCl
O
2R
C
OH
гидролиз ускоряется щелочами или каталитическими количествами
минеральных кислот
(реакция не имеет большого практического значения)
− нитрилы
R C N
нитрил
CH2Cl
NaCN
H2O, H+
R
2 NaCN
ClCH2CH2Cl
N
+
карбоновая кислота
CH2CN
(ДМСО)
COOH
CCH2CH2C
N
H2SO4, H2O; to
H2O, H+
HOOC
CH2
CH2CH2
COOH
COOH
10
Карбоксилирование металлоорганических соединений
Li
H2O, H+
+
O
C
диоксид углерода
бензойная кислота
CO2
Mg
CH2Cl
COOH
O
C6H5CH2MgCl
(абс. эфир)
HCl
C6H5CH2C(O)OMgCl
MgCl2
Гидрокарбонилирование алкенов и алкинов
Ni(CO)4
R
CH
HC
CH2
CH
+
+
CO
CO
+ H2O
+ H 2O
R
CH2COOH
(250 300 oC, 150 атм )
Ni(CO)4
(250 300
oC,
CH2
150 атм)
CH
COOH
акриловая кислота
Карбонилирование спиртов
11
Химические свойства карбоновых кислот
Карбоксильная группа − p,π
π -сопряженная система.
δ+
R C
δ–
O
O H
карбоновая кислота
выравнивание длин связей в карбоксильной группе
─ связь С= О длиннее, чем в альдегидах,
а связь С− О короче, чем в спиртах
Реакционные центры в молекулах карбоновых кислот
2. электрофильный центр
4. СН -кислотный центр
(H )
α δ'+
C
δ+
C
δ–
O
O
3. n-основный центр
H
1. OН-кислотный центр
1.
2.
3.
4.
Кислотные свойства.
Реакции нуклеофильного замещения.
Протонирование на стадии катализа в SN реакциях.
Реакции, обусловленные лабильностью связи С−
− Н.
12
Кислотные свойства
более сильные, чем у спиртов и фенолов
Карбоновые кислоты — типичные слабые электролиты (рKа 4,7–4,9).
Кислотность обнаруживается при помощи индикаторов.
RCOOH
+ H2O
RCOO
+
ацилат-ион
карбоновая кислота
H3O+
Причина кислотности − образование при диссоциации весьма стабильного ацилат-иона R–СОО–, связи и заряды в котором выравнены.
Ацилат-ион R
O – 1/2
O
R
C
R
–
O
C
O – 1/2
COO
O
R
O
–
C
R
O
C
O
R
–
O
–
C
O
Увеличение кислотности
CH 3
COOH
+I-эффект
<
H
COOH
IH = 0
<
ClCH2
COOH
<
Cl2CH COOH
<
Cl3C COOH
–I-эффект
13
Реакции, обусловленные кислотными свойствами
C6H5COOH
+
бензойная кислота
CH3CH2COOH
2 CH3
C2H5ONa
+
COOH
+
KOH
C6H5COOK +
бензоат калия
CH3CH2COONa
+
H2O
C2H5OH
Na2CO3
реакция может быть использована как качественная проба
+
2 RCOOH
RCOOH
+
Zn
NaH
(RCOO)2Zn
RCOONa
+
H2
+
14
Реакции нуклеофильного замещения
Образование сложных эфиров
O
R
C
O
H+
+
R'OH
OH
карбоновая кислота
спирт
R
C
+
H2O
OR'
сложный эфир
реакция этерификации
Катализаторы − H2SO4, HCl (газообразный), RSO2OH, катионообменные
смолы в Н+-форме.
(CH3)2CHCOOH
+
C 6H5COOH
C2H5OH
+
CH3OH
бензойная кислота
HOOCCH2CH2COOH
янтарная кислота
+ C2H5OH
Катализатор
(кипячение с
водоотделителем)
Катализатор
C 6H5COOCH 3 +
(кипячение с
водоотделителем) метилбензоат, 90%
Катализатор
(кипячение с
водоотделителем)
H2O
C2H5OOCCH2CH2COOC2H5 + H2O
диэтилсукцинат, 90%
15
Схема механизма образования сложных эфиров
O
R
+
C
O
O
H+
H
18O
R
R'
C
18O
H
H
+
O
H
R'
Тетраэдрический механизм
катализ
H
O
R
OH
+
OH
R
C
C
R
OH
OH
кислота
R
C
C
O
H
OH
OH
карбокатион I
H
R'
R'OH
OH
H
O
OH
R
C
O
R'
R
H2O
OH
C
OH
R
OR'
карбокатион II
C
OR'
O
H+
R
C
OR'
сложный эфир
обратная реакция −
катализируемый кислотой гидролиз сложных эфиров
16
Образование галогенангидридов
Реагенты − PCl3, PBr3, PCl5, SOCl2.
O
R
O
+
C
PCl5
OH
карбоновая кислота
R
C
+
POCl3
+ HCl
Cl
хлорангидрид кислоты
PCl5 действует наиболее энергично;
при этом, однако, используется лишь один атом хлора
O
3R
+ PCl3
C
50 oC
OH
O
3R
+
C
H3PO3
Cl
50 oC
3 CH3COOH
уксусная кислота
+
PCl3
3 CH3C(O)Cl
+
H3PO3
ацетилхлорид, 65%
Отметим! Действием сухого HCl на карбоновые кислоты получить
хлорангидриды карбоновых кислот нельзя.
17
Использование тионилхлорида
O
R
C
+
SOCl2
O
Кипячение
R
OH
CH3(CH 2)16COOH
Br
+
+ SO2
C
HCl
Cl
+ SOCl2
CH3(CH2)16C(O)Cl
COOH + SOCl2
+
SO2
C(O)Cl +
Br
+
SO2
HCl
+
HCl
Схема механизма реакции
O
R
+ O
C
O
H
δ + Cl
S
Cl
HCl
δ+ O
R C
O
Cl S
O
O
Cl
O
R C O S
Cl
Cl
O
SO2;
Cl
R
C
Cl
18
Образование ангидридов
O
O
2R
C
P2O5, нагревание
H3PO4
OH
R
C
O
R
C
O
ангидрид
карбоновая кислота
особенно легко проходят реакции при получении циклических ангидридов
O
COOH
C
180 oC
O
COOH
C
O
аналогично образуются другие ангидриды с пяти- и шестичленными
циклами − янтарный, малеиновый, глутаровый и др.
O
HOOC
H
H
C
230 oC
C
COOH
H
H
COOH
C
H
> 130 oC
C
COOH
H2O
C
C
O
H
C
C
O
19
Образование амидов
O
R
25 oC
+
C
NH3
OH
карбоновая
кислота
O
185 oC
H2O
R
C
NH2
амид карбоновой
кислоты
Первичные и вторичные амины дают моно- и дизамещенные амиды.
+
RCOOH
RCOOH
+
R'NH2
R'R"NH
O
H
+ CH3 NH
C
OH
H2O
RC(O)NHR' +
монозамещенный амид
+
RC(O)NR'R"
дизамещенный амид
азеотропная отгонка
воды с бензолом
H2O
O
H
C
N C6H5
CH3
20
Декарбоксилирование
− приводит к различным типам продуктов
в зависимости от строения исходных кислот и условий реакции
алифатические монокарбоновые кислоты
CH3COONa
to
+ NaOH
CH4 +
Na2CO3
соли других кислот дают много побочных продуктов
Пропускание паров кислот над оксидами тория(IV) или марганца(IV).
400 500 oC
2R
COOH
R
C
R
алифатическая
карбоновая кислота
O
+ CO2 + H2O
кетон
Нагревание кальциевых, бариевых и др. солей.
(RCOO)2Ba
300 oC
R2C
O
+
BaCO3
21
Нагревание серебряных или ртутных солей с бромом.
реакция Бородина− Хунсдиккера, 1861
Br2
RCOOAg +
CH 3(CH2)10COOAg
+
Br 2
+ HgO +
CH 3(CH2)16COOH
COOH
CCl 4, 80 oC
+
HgO +
CCl 4, 80 oC
CO2
Br2
Br 2
CCl4, 80 oC
CO2
CCl 4, 80 oC
CO2
+ AgBr
CH3(CH2)15CH2Br + HgBr 2 + H 2O
Br +
HgBr 2
+
H2O
22
α ,β -ненасыщенные и ароматические кислоты
CH
CH
COOH
CH
CuSO4, 230 oC
CH2
+
CO2
хинолин
алифатические дикарбоновые и оксокислоты и их производные
COOH
Ba(OH) 2, 240 oC
C
COOH
O
+
BaCO3
23
Декарбоксилирование малоновой кислоты и ее производных
R
HOOC
CH
160−
−170 oC
COOH
HOOC CH2
C
N
R
CH 3
NaNO2
ClCH2COONa
NaCl
O2NCH2COONa
CH2COOH
C
N
+
to, H2O
+
CO2
CO 2
CH3NO2
24
Декарбоксилирование β -оксокислот
R
O
R'
C
CHCOOC2H5
O
O
R'
C
CHCOOH
20% HCl; кипячение
R
C2H5OH
CO2
R
C
CH2R'
Схема механизма декарбоксилирования β -оксокислот
β
α
C
O
C
C
C
C
C
O
O
O
O
H
H
C
O
O
C
CH
O
C
O
C
O
H
25
Пиролиз уксусной кислоты
реакция с участием α -атома углерода
CH 3
COOH
700 oC
нихромовая нить
кетен − мощный ацетилирующий реагент
ROH
O
CH3
C
OR
O
RCOOH
CH3 C
кетен
NH3
RNH2
OC(O)R
O
CH3
CH3
C
NH2
O
C
NHR
26
Восстановление
Реагенты − LiAlH4 (алюмогидрид лития), B2H6 (диборан).
LiAlH4
RCH2OH
RCOOH
карбоновая кислота
(CH3)3CCOOH
LiAlH4
эфир или ТГФ, 40 оС
HOOC(CH2)8COOH
LiAlH4
ТГФ, 65 оС
декандиовая кислота
O 2N
CH 2COOH
1) B2H6; ТГФ, 20 оС
2) H2O, H
спирт
(CH3) 3CCH2OH
HOCH2(CH2)8CH2OH
декандиол-1,10, 97%
O 2N
CH 2CH 2OH
некоторые функциональные группы (NO2, CN, COOR)
при восстановлении дибораном не затрагиваются
27
Галогенирование алифатических карбоновых кислот
CH3 COOH
+
уксусная кислота
Cl2
hυ
υ, 117 оC
Cl
CH2 COOH +
хлороуксусная кислота
HCl
если все связи С─Н в молекуле кислоты равноценны
Cl
Cl2, hυ
υ
CH 3CH2CH2COOH
CH3CH2CHCOOH
HCl
+
Cl
+
CH3CHCH2COOH
+
ClCH2CH2CH2COOH
28
Синтез α-галогенозамещенных карбоновых кислот
− реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского
Галогены − Сl2, Br2.
Катализаторы − Р (красный), PCl3, PBr3.
Br
RCH2COOH
+
Br2
фосфор красный
RCHCOOH +
α-бромокарбоновая
кислота
карбоновая
кислота
HBr
региоселективное α -галогенирование
Br
CH3(CH2)3CH2COOH
+
Br2
гексановая кислота
H
COOH
+
PCl 3
CH3(CH2)3CHCOOH
+ HBr
2-бромогексановая кислота, 90%
Cl2
PCl 3, 70 oC
Cl
+
HCl
COOH
29
Схема механизма реакции
2P
RCH2COOH
+
+
3 Br2
2 PBr3
O
PBr3
RCH2C
Br
бромангидрид
карбоновой кислоты
карбоновая
кислота
O
RCH2C
Br
+ H3PO3
OH
OH
RCH 2C
+ H
O
Br Br
RCH
+
RCH
Br
H
Br
H
C
+
C
O
RCH
+
C
Br
HBr
Br
Br
O
RCH
C
+
Br
Br
бромангидрид
α-бромокарбоновой
кислоты
O
RCH 2COOH
RCH
C
+
OH
O
RCH 2C
Br
Br
α-бромокарбоновая
кислота
30