Угольная и сульфоновые кислоты и их функциональные

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 15
Угольная и сульфоновые кислоты и их
функциональные производные
Исходный уровень к лекции 15
– Сульфоновые кислоты, угольная кислота
(школьный курс)
Исходный уровень к лекции 16
– Амины, нитросоединения
(школьный курс; лекция 11)
2
Угольная и сульфоновые кислоты
и их функциональные производные
● Угольная кислота и ее производные
○ Хлорангидриды
○ Эфиры
○ Амиды
• Мочевина
• Гуанидин
• Сульфоновые кислоты и их производные
○ Сульфоновые кислоты и их соли
• Сульфонилхлориды
• Эфиры сульфоновых кислот
• Сульфонамиды
○ Химические свойства
● Приложение: справочный и дополнительный материал
3
Угольная кислота и ее производные
Угольная кислота
Двухосновная кислота (рКа1 6.37), неустойчивое соединение:
в растворе только 0.1% находится в виде кислоты.
O
H2O
+ O
C
O
H2CO3
HO C
O–
Дает два ряда функциональных производных — неполные (кислые,
нестабильные) и полные (средние, стабильные).
CO2 + H2O
CO2 + HCl
CO + Cl2
CO2 + NH3
CO2 + 2 NH3
O
O
H2N C OH
H2N C NH2
hν
O
HO C OH
O
Cl
C OH
O
Cl
C Cl
Разложение угольной кислоты и ее кислых производных до СО2.
O
O
C
C
HO
OH
угольная
кислота
HO
H2O
NH3
O
O
C
карбаминовая
кислота
O
O
C2H5OH
HCl
C
C
HO
NH2
HO
Cl
OC2H5
Стабильные производные угольной кислоты
H2N
O
O
NH
C
C
C
OR
H2N
NH2
H2N
NH2
Хлорангидриды угольной кислоты
Монохлорангидрид ClC(O)OH —
Фосген COCl2 —
− ядовитая легколетучая жидкость, т. кип. 8.2 оС
C2H5OH
O
C2H5OH, 0 °C
COCl2
Cl
– HCl
– HCl
O
C2H5O C OC2H5
C OC2H5
2 NH3
– NH4Cl
O
H2N C OC2H5
Эфиры угольной кислоты
Этиловый эфир хлороугольной кислоты ClC(O)OC2H5 —
Диэтиловый эфир угольной кислоты C(O)(OC2H5)2 —
Амиды угольной кислоты
Карбаминовая кислота
O
HO
C
NH2
карбаминовая кислота
− неполный амид угольной кислоты,
− эфиры карбаминовой кислоты, карбаматы (уретаны) —
Получение
Взаимодействие хлороформиатов с аммиаком и аминами.
O
RO
O
C
Cl
+ 2 R'NH2
R'NH
C
OR
C
[R'NH3]Cl
O
O
C6H5CH2O
+
Cl
+
(CH3)2NH
(CH3)2N
C
OCH2C6H5
Присоединение спиртов или фенолов к изоцианатам
O
R
N
C
+
O
R'OH
RNH
C
OR'
O
CH3
N
C
O
+
C2H5OH
O
H2N C
OCH2
CH3NH
CH3
O
C
C
CH2O
NH2
CH2CH2CH3
мепротан (мепробамат), дикарбамат
2-метил-2-пропилпропандиола-1,3
транквилизатор
(успокаивающее средство)
C
OC2H5
Мочевина
O
H2N
C
NH2
мочевина (карбамид)
− полный амид угольной кислоты,
− конечный продукт
− 20−
−30 г мочевины в сутки человек выделяет с мочой.
Промышленный синтез мочевины
O
CO2
+
180 230 oC
NH3
150
200 атм
H2N
C
NH2
мочевина
используется как азотное удобрение
Мочевина — слабое основание (рКВН+ 0.1);
Гидролиз мочевины (Н+ или ОН−)
O
o
H2N C
NH2
мочевина
+
H2O
100 C
CO2
+
2 NH3
Образование биурета при разложении мочевины при нагревании
O
H2N C
O
O
NH2
+
H2N C
O
H2N C
NH2
NH
C
NH2
– NH3
H2N C
H2N
O
O
NH C
NH2 +
C
(NaOH)
Cu(OH)2
N
– 2 H2O
биурет
O
O
C
N
Cu
C
O
NH2
O
C
H2N
NH2
Образование мочевиной двух типов производных
уреиды кислот
CH3
O
O
C
HN C
уреидокислоты
CH3
O
NH2
H2N C
CH3
NH CH2
CH
CH
Br
O
O
NH
C
C
NH2
COOH уреид α-бромизовалериановой
кислоты (бромурал, бромизовал)
мягкое снотворное средство
Гуанидин (иминомочевина)
Гуанидин —
NH
H2N C
NH2
H+
NH2
C
H2N
NH2
Промышленный синтез гуанидина
H2N
сплавление
NH4NO3
+
C
2 (NH2)2CO
CO2,
H2N
H2O
NH2
NO3
Фрагмент гуанидина входит в состав ряда природных и лекарственных веществ.
макроэргическая связь
O
NH
H2N C
N
CH2 COOH
CH3
креатин
HO
P
~
OH
NH
HN C
N
CH2 COOH
CH3
креатин-фосфат
макроэргическое
соединение
Сульфоновые кислоты и их производные
Сульфоновые кислоты —
O
R
S
сульфоновые
кислоты
OH
O
− Сульфоновые кислоты (сульфокислоты) можно рассматривать также
Функциональные производные сульфоновых кислот —
Функциональные производные карбоновых кислот
O
R
S
O
O
OM
R
S
O
O
OR'
R
S
O
O
Cl
R
S
NH2
O
12
Сульфоновые кислоты и их соли
Основные способы получения
Сульфоокисление алканов.
R
H
+
SO2
+
O
hν
ν
1/ O
2 2
R
S
OH
SR
O
Реакция алкилгалогенидов с сульфитами щелочных металлов или
аммония.
R
I
+
Na2SO3
to
R
SO3Na
+
NaI
SN
Окисление тиолов и тиофенолов.
O
[O]
R
SH
R
S
OH
O
13
Сульфирование ароматических соединений.
H
SO3H
25 °C
+
+
H2SO4
HOH
SE
реакция сульфирования обратима
Химичеcкие свойства
Кислотные свойства.
− высокая кислотность, по силе
R
S
O
O
O
O
R
OH
H
S
R
O
S
O
R
O
O
O
O
S
R
O
S
O
O
Сульфоновые кислоты, подобно H2SO4 ,
R
SO3H
+
NaCl
H2O
R
SO3Na
+
HCl
14
O
Получение солей сульфокислот (сульфонатов) из сульфоновых
кислот.
NaOH
SO3H
CH3
H2O
SO3Na
CH3
Десульфирование сульфоновых кислот.
− под действием перегретого пара
150
R
SO3H
+
H2O
200 oC
R
H
+
H2SO4
Удаление сульфогруппы из ароматического кольца
NaOH
Ar OH
фенол
NaOH
Ar
SO3H
Ar
NaHS
SO3Na
Na2SO3
Ar SH
тиофенол
NaCN
Ar
CN
арилнитрил
15
Сульфонилхлориды
(хлорангидриды сульфоновых кислот)
Основные способы получения
Сульфохлорирование алканов.
R
H +
SO2
+ Cl2
O
hν
ν
R
S
Cl
+
HCl
SR
O
Сульфохлорирование аренов хлорсульфоновой кислотой ClSO2OH.
O
+
2 HO
S
Cl
O
0 oC
S
O
O
Cl
+ HO
S
O
+
+ H2SO4
HCl
O
O
10 oC
Cl
Cl
Cl
S
O
O
Cl
+ Cl
Cl
S
O
16
Из сульфоновых кислот или их солей.
− Реагенты
Ar
SO2
SO3K + PCl5
CH3
PCl5
OH(Na)
CCl4, 80 oC
Ar
SO2
Cl
SO2Cl + POCl3
CH3
+
HCl
Химичеcкие свойства сульфонилхлоридов
Гидролизуются
Синтез на их основе функциональных производных сульфоновых
кислот — эфиров сульфоновых кислот и сульфонамидов.
Ar
SO2
OCH3
CH3OH
Ar
в присутствии NaOH
или пиридина
SO2
Cl
RNH2
R = H, Alk
Ar
SO2
NHR
17
Взаимодействие с ароматическими соединениями в условиях
реакции Фриделя−
−Крафтса.
− синтез диарил- и алкиларилсульфонов
O
R
SO2
Cl
H
+
AlCl3
S
SE
R
O
R = 4-C6H4CH3 80%)
R = 4-ClC6H4 (75%)
Присоединение к алкенам и алкинам.
C6H5
SO2
Cl
+
hν
ν
R
CH
CH2
Cl
R
CH
Ar
SH
CH2
SO2 C6H5
AR
Восстановление.
− синтез тиолов и тиофенолов
Ar
SO2
Cl
Zn/HCl
18
Эфиры сульфоновых кислот
Широко используются органическом синтезе как субстраты в SN реакциях
CH3
SO2
CH3
OR
SO2
OR
CF3
OR
Синтез — из сульфонилхлоридов.
SO2 Cl + CH3(CH2)4CH2OH
CH3
0 oC
пиридин
CH3
Алкилсульфонаты как алкилирующие агенты
(подобно алкилгалогенидам).
ONa
CH3
SO2
SO2
OC2H5
Сульфонат-ионы —
+
80 oC
этанол
SO2 O(CH2)5CH3
OC2H5
+
TsONa
19
Сульфонамиды
Сульфонамиды —
O
O
O
H
R
S
NH2
O
R
S
N
R"
R
S
R'
N
R'
O
O
Синтез — из сульфонилхлоридов.
O
CH3
SO2
Cl
+ H2N
NO2
CaCO3
CH3
S
NH
NO2
O
20
Химичеcкие свойства
Кислотные свойства.
Незамещенные и монозамещенные сульфонамиды —
Увеличение кислотности
MeSO2NH2
pKa
PhSO2NH2
CF3SO2NH2
(4-NO2C6H4SO2)2NH
6.33
0.30
10.1
10.8
Образование солей.
O
C6H5
O
NH2 + NaOH
S
C6H5
O
S
NH Na
+ H2O
O
Гидролиз.
− в кислой или в щелочной среде в жестких условиях
O
R
S
O
R"
N
R'
O
+ H2O
R
S
O
R"
OH
+
HN
R'
21
Взаимодействие незамещенных и монозамещенных сульфонмидов с хлором в щелочной среде (гипохлоритом натрия).
− синтез хлорамидов («хлораминов»)
SO2
CH3
NH2
Cl2, NaOH
N Na
SO2
CH3
Cl
монохлорамин-Т
SO2
N
Cl
Na
SO2
CH3
N
Cl
Cl
монохлорамин-Б
дихлорамин-Т
дезинфицирующие средства
H2N
SO3H
H3N
SO3
O
C
N
O
H2N
S
Na
S
NHR
O
O
O
22
Приложение
(справочный и дополнительный материал)
Схема образования функциональных производных
бензолсульфоновой кислоты
O
S OH
O
PCl5
– HCl, – POCl3
бензолсульфоновая кислота
O
S Cl
O
S NH2
– NH4Cl
бензолсульфохлорид
NaOH
(– H2O)
CH3ONa
(– NaCl)
O
O
S ONa
S OCH3
O
O
бензолсульфонат натрия
O
2 NH3
O
бензолсульфонамид
метиловый эфир бензолсульфоновой кислоты
(метилбензолсульфонат)
23