1 Карбоновые кислоты

1
Карбоновые кислоты
Методы получения
Окисление углеводородов
CH3(CH2)nCH3
[O]
RiCO2H + RjCO2H
O2
Но:
CoAc2/180o/50 атм.
CH3CO2H
50%
ArCX3
X2
ArCH3
неселективный разрыв углеводородной цепи
hν
t
KMnO4
HO-, t
KMnO4, H+
H3O+
ArCO2H
R
R
1. O3
2. H2O
X2 = Cl2, Br2
R
R'
[O]
RCO2H + R'CO2H
RCO2H
[O] = KMnO4/H+/t, Cr6+/H+/t
Окисление спиртов
[O]
R
OH
RCO2H
[O] = Cr6+/H+, t; Mn7+/H+, t; X2/HO-
2
Из алкилгалогенидов
RCO2H
1. CO2
2. H3O+
Mg
RMgX
Li
RLi
Окисление альдегидов
[O]
RCO2H
RCHO
CN
RX
SN2
RCN
H3O+
[O] = Cr6+/H+, t; Mn7+/H+, t; X2/HO-, O2 (воздух);
Ag+ (реактив Толленса, реакция "серебряного
зеркала"); R'CO3H (реакция Байера-Виллигера)
Реакции диспропорционирования альдегидов
реакция Канницаро (R - не содержит протонов у α -углеродного атома
RCHO
1. HO2. H
+
RCH2 OH + RCO2H
реакция Тищенко
RCHO
RCO2H
O
Al(OR')3
R
H3O+
O
R
RCH2OH + RCO2 H
3
Из кетонов
Окисление происходит с разрушением скелета
O
R1H2C
CH2R2
MnO4-, H+
t
R1CH2CO2H + R1CO2H + R2CH2CO2H + R2CO2H
R'CO3H
O
R1H2C
RCOCH3
O
X2
HO-
CH2R2
H3O+
RCO2 -
+
R1CH2CO2H + R2CH2OH
CX3H галоформный распад
X = Cl, Br
Перегруппировка Фаворского
O
R
Br2
R
H+
O
R
R
Br
HO-H2O
O
R
R
Br
-Br-
4
O
HO
R
R
-
O-
HO
R
CO2-
CO2H
R
R
R
R
R
Гидролиз производных карбоновых кислот
RCN
H3O+
RCO2Et
RCO2H
RCONH2
Синтез Реппе
R
CO/Ni(CO)4
R
CO2H
R
CO2 H
CH3OH
CO/Ni(CO)4
R
Синтез муравьиной кислоты (в промышленности)
NaOH
CO
p, t
HCO2Na
H3O+
HCO2H
CO
[Rh3+], 180o, 30 атм.
CH3CO2H
99%
5
Удлинение цепи. Метод Арнта-Айстерта
RCO2H
SOCl2
O-
O
R
H2C
N
N
R
Cl
O
N
R
R
N
N
O
N
N
R
Перегруппировка Вольфа
O
Cl
- H+
N
N
O
N
N
R
N
α-диазокетон
Ag2O
ТГФ/H2O
C
R
O
H2O
R
CO2H
кетен
Свойства карбоновых кислот
Тривиальные названия некоторых кислот RCO2H:
R = Н (муравьиная), CH3 (уксусная), C2H5 (пропионовая), C3H7 (масляная),
C4H9 (валериановая), C5H11 (капроновая), C15H31 (пальмитиновая),
C16H33 (маргариновая), C17H35 (стеариновая)
Номенклатурное название кислот – «алкановая» (метановая, этановая, пропановая)
Высокая растворимость в воде, высокая температура кипения
H
O
O
R
R
O
Кислотность
R
OH
±
O
H+
H
O
O
O
R
R
O
O
делокализация заряда
Акцепторные заместители R повышают устойчивость аниона
(и кислотность соответствующей кислоты), доноры - снижают
RCO2H
R
рК
CH3 C6H5 CF3
H
3.75 4.75 4.2 0.2
Сила кислоты Х-C6H2CO2H
X
2-CO2H 2-OH 4-NO2 4-CO2H 3-CO2H 2-CH3 H 3 (4)-CH3 4-OCH3 4-NH2
3.62
3.9
4.49
3.54
4.2 4.3
2.98 3.4
4.92
pK 2.95
6
7
Отсутствие прямого сопряжения заряженных атомов кислорода
с заместителем в ароматическом кольце
R
R
O
OO
O-
Влияние орто-заместителя
O
O
-H+
O
O
H
O
H
нарушение планарности
(сопряжения)
более устойчивая
ВМВС
Производные карбоновых кислот
PhOH NaOH
Образование солей
O
R
OH
OCH3
O
H
O
NaHCO3
PhONa
RCO2Na
8
Образование сложных эфиров (реакция этерификации)
RCO2H
R'OH
H+
RCO2R' + H2O
Фишер
R
R
OH
R
± H+
O
R'
OH
O
R
O
R'
OH2
R
O
OH
OH
±
OH
OH
R'
R
R'OH
H2O
R
O
OH
O
OH
H
R
O
R'
H+
R'
±
R
OH
OH
OH
H+
±
O
H+
R'
OH
Все стадии процесса обратимы. Положение равновесия
определяется количеством воды - при проведении
этерификации воду необходимо удалять. В избытке воды
в кислой среде происходит гидролиз эфира по той же самой схеме.
Образование эфиров при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами в
условиях щелочного катализа невозможно вследствие того, что первая стадия
процесса – депротонирование карбоксильной группы, а образующийся
карбоксилат-анион является очень слабым электрофилом.
O
R
R'
O
O
HO-
R
реакция необратима
R'
O
OH
H
- HOH - R'OH
O
HORCO2H
-H2O
9
RCO2-
Другие механизмы гидролиза
O
SN1
R'
O
R
+
-
R'CO2-
R
H2 O
+
-H
ROH
возможно только в случае образования устойчивых катионов аллильного, бензильного, трет-бутильного!
скорость реакции не зависит от рН среды
O
SN2
I
R'
O
LiI
R'CO2-
+ RCH2I
R
DMSO
реакция очень чувствительна к характеру заместителя и позволяет гидролизовать
метиловые эфиры (R =H) в присутствие этиловых (R = CH3)
10
Другие способы получения сложных эфиров
Переэтерификация
в кислой среде
O
R
OR'
OH
HO
R"OH
R
+
H
OH
OR'
OH
R
R
R
+
-H
_ +
+H
R
OR"
R'
OH
OR"
- R'OH
O
R
OR"
OR"
OR'
+
OH
H+
OR"
Все стадии реакции обратимы. Положение равновесия определяется избытком спирта
основный катализ
O
O
R"OH
R
R
OR'
R"OR'O- + R"OH
O
OR'
OR"
-
R
- R'O
OR"
R"O- + R'OH
Положение равновесия определяется избытком спирта
11
OCOR1
OH
EtOH
OCOR2
+
OH
-
H (EtO )
OCOR3
OH
+
Σ
RiCO2Et
1. "биодизель"
2. анализ растительных жиров в виде эфиров
Взаимодействие с диазометаном
RCO2H + H2C
Nu
- NuH
RCO2- + H3C
N
O
-
RCO2H
N
O-
Nu-
R
R
O-
O-
слабый
электрофил
O
R
X
Nu-
OR
Nu
X
R
N
SN2
- N2
RCO2CH3
нет приемлемой уходящей группы кроме
Nu- - карбоновые кислоты и их соли оче
Nu
малореакционноспособны по отношению
нуклеофилам!
O
- X-
N
если группа Х не способна к депротонированию и является хорошей уходящей,
то реакции с нуклеофилами происходят
Nu легко!
12
Синтез эфиров из хлорангидридов
SOCl2
RCO2H
R
(PCl5, PCl3)
R
R'OH
Cl
O
R
O
O
Cl
OH
+
-H
R'
O
O
R'
Cl
-Cl-
R
Cl- - хорошая уходящай группа!
R'
O
Синтез эфиров из ангидридов
R'
O O
O
R
O
R'OH
R
O
R
R
O
H
- RCO2-
H+
RCO2R'
O
RCO2- - хорошая уходящая группа!
13
Каталитическая активация карбоксильной группы при этерификации
(конденсация в присутствие дициклогексилкарбодиимида – ДЦК)
H
O
R
+
N δ
C
N
RCO2H
O
N
O
O
R
O
R'
R'OH
N
H
N
N
H
хорошая уходящая группа
ДЦК
H
N
H
N
RCO2 R'
+
(RCO)2O
O
ДЦК
RCO2H
O
R'NH2
ДЦК
R
NHR'
14
Синтез эфиров из солей карбоновых кислот
O
R'X
SN 2
RCO2-
R
O
R'
Амиды карбоновых кислот
RCO2H
R'NH2
RCO2- R'NH3
t
RCONHR' реакция происходит в жестких условиях нет хорошей уходящей группы!
аммонийная
соль
O
R
X
O
R'NH2
-H+
R
NHR'
X
-X-
RCONHR'
если Х - - хорошая уходящая
группа (галогенид-, карбоксилат-,
в некоторой степени
OR), реакция происходит легко
Гидролиз нитрилов
в кислой среде
RCN
H3O+
R
C
NH
OH
H2O
-H+
R
C
NH
R
C
NH
RCONH2
H+
15
R
R
NH2
OH
R
OH
OH
OH
H2O
NH2
-H+
R
OH
H
R
NH2
OH
NH3
OH
OH
R
OH
в щелочной среде
δ+
HOR C N
H2O
OH
N
-H+
H2O
-HO-
RCO2H
OH
RCONH2
NH
O
R
OH
+
OH
NH2 H
O
H
- NH3
-HO-
HORCO2H
H2O
RCO2-
HO-
- NH3
16
Обратная реакция (дегидратация амидов)
RCONH2
SOCl2
или P2O5
t
RCN
Амиды могут быть получены из кетонов (оксимов)
перегруппировкой Курциуса (Бекмана)
O
O
N3-
R
NHR
H2SO4 R
O
1. NH2OH
R
2. H+
R
Курциус
NHR
Бекман
Некоторые свойства амидов
NH
NH
±
R
R
O
O
O
+
H
повышенная NH-кислотность
(струтура изоэлектронна карбоксилат-аниону)
R
O
R
NH2
NH2
пониженная основность
17
O
R'X (SN2)
R'X (SN2)
O
HN
R'COCl
N
O
NaH
R
R
R'
R
+
R-H
R
N
R
R'COCl
O
R
N
O
нитрозирование
O
NaNO2
R'
R
N
H3O+
H
R'
O
R
R'
N
N-нитрозоамиды - канцерогены
NO
O
O
NaNO2
R
NH2
H3O+
H2O
R
N
N
-N2,
-H+
RCO2H
очень хорошая уходящая группа легко протекающий гидролиз
R
18
O
H
O
RMgX
N
R
H
O
H3O+
N
H
R
H
N
RCHO
нет хорошей
уходящей группы
Например:
OCH3
OCH3
OCH3
BuLi
1. HCON(CH3 )2
Li
CHO
2. H3O+
OCH3
OCH3
OCH3
«Секстетные» перегруппировки
O
X
R
N
-
-X
N
C
O
R
изоцианат
X- - Хорошая уходящая группа
O
R
NH2
19
O
Br2
R
-
HO
N
O
RCOCl
O
R
NaN3
R
N
Гофман
O
N
HNO2
R
NHNH2
Курциус
O
1. Ac2O/NEt3
2. HO-
NHOH
N
Br
R
N
OCOCH3
Лоссен
Галогенангидриды
R'COCl
RCOCl
O
RCO2H
- R'CO2H
R
SOCl2, PCl3, PCl5, PBr3
X = Cl, Br
Ангидриды карбоновых кислот
RCO2Na
RCO2H
F-
RCOCl
SOCl2 (0.5 моль)
O
R
O
R
O
X
P2O5
PCl5
RCOF
RCO2H не всегда возможно
RCO2Na
20
Свойства карбоновых кислот и их производных
Пиролиз солей
CO2CO2-
Ca2+
t
O
Электрохимическое окисление (синтез Кольбе)
_
_
+
e
RCO2R R
Реакция Бородина-Хунсдиккера
RCO2Ag
Br2
RBr
Восстановление производных карбоновых кислот
RCO2H
RCO2R'
[H]
[H]
RCH2OH
[H] = LiAlH4, B2H6, H2/катализатор - в жестких условиях
NaBH4 - нет
RCH2OH + R'OH [H] = LiAlH4, Na/EtOH
H2/катализатор - в жестких условиях
NaBH4 - нет
LiAlH4
RCONH2
RCOCl
[H]
21
RCH2NH2
RCHO
RCH2NH2
[H] = LiAlH(OR')3, H2 / Pd/BaSO4
[H]
RCN
1. LiAlH4 (1 экв.)
2. H2O
RCHO
[H] = LiAlH4, H2/cat, B2H6, NaBH4/Ni
Взаимодействие производных карбоновых кислот с нуклеофильными реагентами
?
Nu-
O
R
-
O
Nu- NuH
(X = OH)
O-
O
Nu-
R
X
R
O
Nu
X
-
-X
R
Nu
Реакция происходит тем легче, чем лучше уходящая группа (вторая стадия - лимитирующая.
Ряд активности производных карбоновых кислот:
галогенангидриды (X = I, Br, Cl) > ангидриды (X = OCOR) > эфиры (X = OR') >>
амиды (X = RNHR') >> кислоты (X = OH, депротонирование!)
Взаимодействие производных карбоновых кислот с металлоорганическими
соединениями
R'MgX
-R'H
RCO2H
1. R'MgX
RCN
2. H3O+
O
R
RCOCl
RCO2- 1. R'MgX
2. H3O+
R
2. H3O+
R'MgX/FeCl3
-78o
RCO2R"
R'MgX
R
R'
O
-
O
R
RCONH2
R'
1. R'2CuLi
R'
O
RCOCl
RCOR'
1. R'MgX
2. H3O+
R'MgX
-R'H
-
RCONH
R'MgX
O
/Cd2+
R
R'
«обратный порядок прибавления»
O
R'
OR" - R"O
R
R'MgX
R'
R
R'
O
R'
реакцию практически невозможно остановить на стадии образования кетона более активного, чем сложный эфир, нуклеофила (алкоксигруппа - донор по
мезомерному эффекту, снижающий частичный положительный заряд на атоме
углерода)
22
MgCl
- 20o
Реакции по α-углеродному атому
Карбонильные
соединения
O
R
O
R
OH
H+
R
23
HCO2Et
R
Производные карбоновых кислот
OH
O H+
X
X
нехарактерно, кроме Х = галоген
O
O
HO-
CHO
«обратный порядок прибавления»
B-
+
X -H
O
O
X
X
резонансная стабилизация малозначима
(мезомерное влияние гетероатома)
Реакция Геля-Фольгарда-Зелинского
Br2
RCH2CO2H
RCHBrCOBr или RCHBrCO2 H
P
Br2 + P
PBr3
HO
PBr3
Br Br
RCH2 CO2 H
RCH2COBr
-P(OH)3
-BrBr
R
Br
O
HO
Br
RCH2 CO2 H
RCHBrCO2H
+
-H
-RCH2COBr
R
Br
Br
R
24
Реакция Геля-Фольгарда-Зелинского
RCH2CO2H
Br2
RCHBrCOBr или RCHBrCO2H
P
Br2 + P
PBr3
PBr3
RCH2CO2H
-P(OH)3
HO
HO
Br
Br
O
+
Br
R
-H
Br
RCH2 COBr
R
Br
Br
Br
R
RCH2CO2H
-RCH2COBr
RCHBrCO2 H
При использовании 1/3 моля красного фосфора продуктом
реакции является галогензамещенный галогенангидрид,
в случае каталитических количеств фосфора – галогензамещённая кислота. Для получения бромангидрида
монобромзамещенной кислоты необходимо 2 моля брома.
Другие способы галогенирования:
RCH2CO2H
SO2Cl2
RCHXCO2H
(Br2/пиридин, Br2/RCOBr, CuBr2)
-Br-
X = Cl, Br
25
Конденсация Кляйзена
Более низкая СН-кислотность сложных эфиров по сравнению с карбонильными
соединениями требует применения более сильного основания - EtO- (NaNH2, NaH, Na)
-
RCH2CO2Et
EtO
O
EtO
O
O
R
O
O
R
R
R
R
O
O
EtO-EtOH
-EtO-
карбонильная
компонента
O
EtO
OEt
EtO
EtO
R
метиленовая
компонента
O
O
EtO
EtO
R
R
R
R
все стадии процесса обратимы, равновесие сдвигается в сторону
образования продукта за счёт солеобразования на последней стадии
26
Перекрестная конденсация
эфир + эфир = β-кетоэфир
O
-
RCO2Et + R'CH2CO2Et
EtO
CO2Et
R
возможно при отсутствии в молекуле
карбонильной компоненты атомов
водорода у α-углеродного атома в составе R
R'
O
ArCO2Et + CH3CO2Et
EtO-
CO2Et
Ar
HCO2Et, (CH3)3CCO2Et, CF3CO2Et,
(EtO)2CO, (CO2 Et)2
Эфир + карбонат = малоновый эфир
O
+
EtO
OEt
CH3CO2Et
NaH
O
EtO
CO2Et
OEt
CO2Et
- EtO-
CO2Et
малоновый
эфир
27
Эфир + формиат = β-альдегидоэфир
R'CH2CO2Et + HCO2Et
NaH
CO2Et
O
R'
б) эфир + кетон = β-дикетон
O
O
R
+ R'CH2CO2Et EtO
R
O
R'
метиленовая карбонильная
компонента
компонента
СН-кислотность кетона заметно выше, чем у сложного эфира (резонансная
стабилизация). Поэтому, применение достаточно сильного основания
позволяет проводить реакцию таким образом, чтобы кетон преимущественно
выступал в качестве метиленовой компоненты.
в) эфир + альдегид
Такую перекрестную конденсацию осуществить, как правило, не удается – альдегид и более
сильная СН-кислота, и значительно более активная карбонильная компонента, чем сложный
эфир. Будет происходить конденсация альдегида самого с собой.
28
а если у альдегида нет протонов у α-углеродного атома?
PhCO2Et + PhCH2OH
EtO-
PhCHO + CH3CO2Et
EtOконденсация
Канницаро
а если сложный эфир сильная СН-кислота?
RCHO
CO2Et
+
Кневенагель
CO2Et
CH3CO2Et
R
1. LDA
2. PhCHO
CO2Et
NEt3
Ph
CO2Et
CO2Et
такая конденсация в принципе возможна, поскольку альдегид не может быть
метиленовой компонентой, а очень сильное основание (и очень слабый нуклеофил!)
может создать большую концентрацию аниона из сложного эфира.
CH3CO2Et + CH2CHO
CH2CO2Et + CH3CH2O
самоконденсация
альдегида
При наличие протона у α-углеродного атома альдегида реакция сильно затрудняется
(осуществима с трудом) вследствие переноса этого протона на анион сложного эфира)
Конденсация Перкина
RCHO
Ac2O
AcONa
t
R
CO2H
R не должен содержать протонов
у α-углеродного атома
O
O
O
O
AcONa
O
R
O
O
O
R
CO2-
OAc
Ac2O
- AcO-
R
OH
O
O
O
R
O
-
- AcOH
- AcO-
O
R
O
E2
H
O
O
O
O
OAc
R
O
- AcOH
29
O
R
O
O
OAc
R = Ph - коричная кислота
Конденсация Дикмана - разновидность конденсации Кляйзена, приводящая к
образованию циклических продуктов
O
OEt
CO2Et
O
CO2Et
EtOCO2Et
O
OEt
CO2Et
CO2Et
реакция подходит для синтеза 5- и 6-членных циклов
H3O+
30
межмолекулярная конденсация Дикмана
O
CO2Et
2
-
EtO
CO2Et
EtO2C
EtO2C
EtO2C
O
OEt
O
EtO2C
O
OEt
EtO2C
CO2Et
CO2Et
O
EtO2C
O
CO2Et
EtO
Реакции дианионов
CO2R
CO2
R
CO2H
NaNH2
(LDA)
R
O
OEt
O
CO2Et
EtO
EtO2C
OEt
CO2-
R'X
CO2-
- 78 oC
SN2
R
CO2-
CO2Et
31
Ацилоиновая конденсация
O
CO2Et
n(H2C)
CO2Et
OEt
Na
эфир
O
OEt
n(H2C)
n(H2C)
OEt
OEt
O
O
O
O
Na
n(H2C)
O
-2OEt-
OH
H2O
n(H2C)
O
n(H2C)
ацилоин
реакция пригодна для получения макроциклов
O
32
Дикарбоновые кислоты
Производные угольной кислоты
C
COCl2
CO + Cl2
t
фосген
ROH
O
RO
OR
OR
Cl
карбонат
RNH2
O
O
ROH
CCl4 + SO3
Cl
O
RNH2
NHR
хлорформиат
RHN
NHR
мочевина
ROH
O
RONa
O
CO2
t
NaO
H3O+
OR
ROH
- CO2
Мочевина (карбамид)
O
CO2 + NH3
t
P
H2N
H2O
(медленно)
NH2
RO
NHR уретан
33
O
CaC2
NH4CNS
t
N2
CN2Ca
t
NH2
NH2
H2NCN
H2N
Велер
H2N
NH2
H2N
- H+
NH
сравнительно высокая
кислотность
N2 + CO2 + H2O
H2N
NH2
O
H2N
NH2
NH2
низкая основность и нуклеофильность
O
HNO2
H2O
H2N
N
H
биурет
O
O
O
t
гуанидин
Свойства мочевины
NH4CNO
O
NH
H2O
H2S
H2 N
H2N
NH3
CO2
S
t
H2O
NH3CH3 Cl
NH2
t
-
HO
H2N
O
NHCH3
NH3
- NH3
H2N
N
H
34
O
H2N
O
NaNO2
N
H
H2N
H3O+
N
нитрозометилмочевина - канцероген.
Реакция происходит по этому атому азота
вследствие донорного влияния метильной группы
NO
O
O
HO-
H2N
N
H2N
NO
-
H
_
O
N
O
H2N
N
- HOO-
O-
OH
- H2O
-
N
- HO
H2C
N
NO
N
N
H2C
N
N
диазометан
OH
ArO2S
H2O
H3C
N
N
H2C
N
OH
HO-
CH2N2
раствор
диазометана в эфире
концентрированный
водный раствор KOH
NNH2
RCO2H
CH2N2
RCO2CH3
O
O
ROH
H2N
t
R
ROCH3
BF3
O
NH
CO2H
NH2
t
O
N
H
O
O
O
NH2
CH2O
H2N
N
H
O
N
H
N
H
N
O
OH
N
H
N
H
мочевино-формальдегидные смолы
n
N
O
барбитуровая
кислота
парабановая
кислота
H2N
N2
- CH3Cl
- N2
CH2N2
O
CO2H
N
H
RCOCl
CO2H
CO2H
H
N
O
N2
35
O
2CH2N2
HgO
n
n
Изоцианаты, изотиоцианаты
Синтез
O
COCl2
ArNH2
Ar N
Cl
t
H
CH3NH2
t
N
C
N
C
O
Ar
O
OH
ArNH
COCl2
36
O
N
H
O
"севин" - гербицид
Бхопальская катастрофа — последствия аварии на химическом заводе Union
Carbide в индийском городе Бхопал (штат Мадхья-Прадеш) ранним утром 3 декабря
1984 года, повлёкшей смерть, по крайней мере, 18 тысяч человек, из них 3 тысячи
человек погибли непосредственно в день трагедии, и 15 тысяч — в последующие
годы. По различным данным, общее количество пострадавших оценивается в
150—600 тысяч человек. Эти цифры дают основание считать бхопальскую
трагедию крупнейшей в мире техногенной катастрофой по числу жертв
37
O
t
R
N3
RNCO
бензол
Курциус
Взаимодействие с нуклеофильными реагентами
Nu
N
C
R
N
C
Nu-
X
Nu
R
N
HN
C
R
X
X = O, S
X
C
HN
R
OR'
R'OH
N
O
R
H
Nu
+
C
R
O
HN
X
C
NHR'
R'NH2
R
C
O
H2O
O
HN
R
C
OH
- CO2
RNH2
Промышленно-важные диизоцианаты – мономеры для полимеров (полиуретанов)
OCN
NCO
(H2C)6
NCO
NCO
OH
O
NCO
+
O
OH
H
N
NCO
O
N
H
n
O
OCN
N
O
NCO
N
N
O
NCO
OH
OH
сетчатый полиуретан
38
39
Синтез меркаптанов с использованием тиомочевины
S
H2 N
S
RX
NH2 SN2
H2 N
NH
NH3
NH2
RSH +
H3 N
X-
NH2
«Настоящие» дикарбоновые кислоты
CO2H
Щавелевая
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
Малоновая
янтарная
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
глутаровая
Адипиновая
Методы синтеза
HCO2Na
CH3CO2H
Cl2
P
ClCH2CO2H
1. NaOH
2. NaCN
t
+
CO2Na
H3O
CO2Na
CN
CO2H
CO2H
+
H3 O
CO2Na
CO2H
CO2H
_
+e
OH
OH
O
EtO
+ CH3CO2Et
EtO
OEt
RCH2CO2H
1. LDA
Br
CO2H
CN
Br
CN
CO2H
O
O
O
или
n(H2C)
H2
Pd/C
O
OH
O
CO2H
H3O+
O2
V2O5
или
n(H2C)
CO2H
R
2. CO2
NaCN
40
CO2H
H3O+
CO2Et
CO2H
3. H2O
n(H2C)
CO2Et
-
CO2(CH2)n
O
HO2C
Кольбе
CO2H
(CH2)n
CO2Et
(CH2)2n+2
CO2Et
CO2Et
O
[O]
_
+e
Свойства дикарбоновых кислот
41
Кислотность
кислота
рК1
рК2
щавелевая
1.27
4.23
малоновая
2.87
5.70
янтарная
4.16
5.61
глутаровая
4.34
5.27
Причины:
•Индуктивный эффект карбоксильной
группы.
•Внутримолекулярная водородная
связь, стабилизирующая анион.
H
H
O
O
O
O-
O
легкость окисление щавелевой кислоты
CO2 H
KMnO4
CO2 H
CO2Et
CO2Et
O
O
оксалат-анион
CO2 + H2O
O
малонат-анион
диэтилоксалат - сложный эфир, не имеющий атомов водорода у
α-углеродного атома - активная карбонильная компонента
в перекрестных конденсациях Кляйзена
Дегидратация
O
C
O
C
H
C
O
Декарбоксилирование
HO
O
H2O
P2O5
t
O
-CO2
HO
CO2H
CO2H
OH
~ 100o
-CO2
CH3CO2H
CH3CO2H
Синтетические применения малонового (натрмалонового) эфира
CO2H
CO2H
EtOH
H+
CO2Et
EtO2C
EtONa
Na+
CO2Et
EtO2C
CO2H
t
R
R
устойчивый анион индуктивное влияние двух
акцепторных групп
CO2H
CO2H
H3O+
CO2Et
CO2Et
RX
SN2
CO2Et
R
CO2Et
1. EtO2. R'X
R
R'
CO2Et
CO2Et
H3O
t
+
R
CO2H
R'
R, R' = алкил
CO2Et
CO2Et
ClCH2CO2Et
EtO2C
CO2Et
CO2Et
H3O+
t
CO2H
CO2H
42
43
Br
CO2Et
0.5 M
CO2Et
Br
CO2Et
CO2H
H3O+
CO2Et
t
EtO2C
CO2H
CO2Et
Br
0.5 M
Br
EtONa (2 M)
CO2Et
CO2Et
H3 O+
t
CO2H
Нуклеофильное присоединение к акцептороно-замещенному алкену (Михаэль)
X
+
CO2Et EtO- (cat)
CO2Et EtOH
X = CO2Et, COR, NO2, C
N
CO2Et
X
X
CO2Et
CO2Et
EtOH
EtO-
CO2Et
X
H3O+
t
CO2H
44
Например:
EtO2C
+
CO2Et
CO2Et EtO- (cat)
CO2Et EtOH
O
EtO2C
H3O+
CO2Et
O
CO2Et
CO2H
O
CO2H
CO2Et
I2
CO2Et
CO2Et
R
CO2Et
I2
EtO2C
CO2Et
EtO2C
CO2Et
EtO2C
CO2Et
R
R
EtO2C
CO2Et
CO2Et
CO2H
+
H3O
t
H3O+
t
CO2H
R
CO2H
R
CO2H
CO2Et
t
Янтарная кислота
45
O
O
CO2H
CO2H
P2O5
t
CO2H
O
P2O5
t
CO2H
O
O
n(H2C)
O
O
CO2H P O
2 5
t
CO2H
O
(CH2)nO
Некоторые свойства ангидридов дикарбоновых кислот
O
O
RO
RO-
O
CO2-
O
CO2CH3
O
O
моноэфир
дикислоты
CH3OH
H+
CO2CH3
CO2CH3
O
NBr
O
Br2/HO-
NH
0 oC
O
NBS
NH3
O
t
O
t a
CO2-
a - гидролиз
b - расщепление Гофмана
CO2-
b
CONH2
NH2
Применение конденсации Дикмана в синтезе
O
CO2 Et
EtO-
CO2H
NH3
CONH2
O
Br2/HO-
46
O
CO2Et
CO2 Et
O
O
CO2Et H3O+
RX/EtO-
R
SN2
β-кетоэфир
HO-
t
CO2-
-O C
2
R
t
R
47
реакция конденсации обратима!
O
EtO
R
O
EtOCO2Et
R
CO2Et
t
CO2Et
CO2Et
CO2Et
CO2Et
R
R
более
устойчивый анион
R
R
R
OEt
-
-EtO
O
O
CO2Et
CO2Et
O
1. EtO-
O
2.R'X
EtO2C
H3O+
t
R'
t
R
R'
HOR'
R
CO2H
CO2H
O
48
R
O
CO2 Et
O
EtO2C
EtO2C
EtO-
1. EtOCO2Et
CO2 Et
H3O+
t
O
R
R
2. RX
O
O
CO2Et
CO2H
CO2H
O2
O2
Co2+
Co2+
CO2H
фталевые
кислоты
толуиловые
кислоты
CO2H
CONEt2
1. Mg / эфир
2. CO2
3. H3O+
HOt
R
Ароматические кислоты
Br
R
ДЭТА
CO2H
CO2H
49
O
O2
O
V2O5
CO2H
H3O+
CO2H
O
фталевая кислота:
диэтилфталат (репеллент)
CO2H
CO2H
CO2H
KOH/400o
1.
2. H3O+
HO2C
терефталевая кислота
CO2H
графит
HNO3
HO2C
CO2H
HO2C
CO2 H
t
HO2C
CO2H
CO2H
меллитовая
кислота
CO2H
пиромеллитовая
кислота
O
Свойства
CO2 H
CH3O-
O
O
NH3
50
NH
t
CO2H
NaOBr
t
NH2
CO2 CH3
O
O
фталимид
Ph
антраниловая кислота
HO
O
O
PhH
CO2H
O
AlCl3
OH
PhOH
ZnCl2
O
O
HO2C
H2N
O
HN
NH
кевлар
O фенолфталеин
CO2H
HO
NH2
O
OH
O
n
O
O
n
O
лавсан
51
Галоидкарбоновые кислоты
Синтез – галоидировние карбоновых кислот:
Br2/P (Гель-Фольгардт-Зелинский)
Br2/пиридин
Br2/RCOBr
Br2/hν
NBS
SO2Cl2
SOCl2/hν
Br
[Br2]
R
CO2H
Cl
R
CO2H
OH HNO3
ClCH2CO2H
F-/HF
(CH3CO)2O
_e
+
OH
t
H2O
HNO3
Cl3 C
OH
Cl
Cl
CF3CO2H
OH
Cl2
HO-
CF3COF
H2SO4 Cl
Cl3CCO2H
β-Галоидкарбоновые кислоты
CO2H
52
HX
H+
CO2H
CO2H
X
+
H
CO2H
оба катиона
неустойчивы!
X = Cl, Br
XOH
OH
OH
OH
Свойства α-галоидкарбоновых кислот
Повышение кислотности по мере накопления атомов галогена у α-углеродного
атома. Ка CF3CO2H 5.9.10-1 (в 10000 раз более сильная кислота, чем уксусная!)
Использование реакций нуклеофильного замещения
CN
Br
CH2N2
CNR
CO2H
R
CO2H
HO-
H2O
NH3
R
CO2H
α-гидроксикислоты
R
R
CO2CH3
циануксусный эфир
H3O+
NH2
OH
CN
CO2H
α-аминокислоты
LiAlH4
NH2
CO2H
R
CO2H
малоновые
кислоты
R
OH
γ-аминоспирты
53
Реакция Дарзана
O
O-
ClCH2CO2Et
O
CO2Et - Cl
NaNH2 (EtO-)
CO2Et
Cl
Реакция Реформатского
O
ClCH2CO2Et
O-
OH
CO2Et
Zn
H2O
CO2Et
Br
-
CO2H EtO
CO2H
HBr
Br
CO2H
активный электрофил в реакции присоединения
CO2Et по Михаэлю!
54
Гидроксикислоты
HO
HO
HO2C
CO2H
CO2H
гликолевая
(свекла, виноград)
HO
CO2 H
CO2 H
яблочная
(клюква)
OH
HO
молочная
(брожение)
HO
HO2C
CO2H
винная
(виноградная)
CO2H
HO
CO2H
CO2H
лимонная
(махорка)
Ph
миндальная
CO2H
CO2H
(CHOH)n
(CHOH)n
CH2OH
CO2H
гликоновые
кислоты
гликаровые
(сахарные)
кислоты
55
Методы получения
α-гидроксикислоты
Br
R
OH
HOCO2H H2O
Штреккер
RCHO
R
HCN
N2+
H2O
CO2H
OH
R
R
CO2H
H3O+
O2
OH
Cat
OH
CO2H
β-гидроксикислоты
OH
OH
CHO
R
R
альдоль
CO2H
CO2H R = Ph - миндальная кислота
R
циангидрин
OH
R
OH
H3O+
CN
NH2
NaNO2
Ag2O
CO2H
R
R
56
HO
HO
CO2H
RCO3H
H3O+
CO2H
LiAlH4
O
CO2H
CO2H
H3O+
OH
HO
O
-
O
ClCH2CO2Et
Cl 1. Mg/эфир
2. CO2
CN-
OH
CO2Et
Zn
γ-гидроксикислоты
H2O
CO2Et
O
CO2H
+
O
γ-бутиролактон
H3O
NaBH4
CN
O
O
O
G
CO2H
CO2H
NaBH4
OH
(LiAlH4)
G = (CH2)n, где n = 0,1,2...
G
CO2H
O
H3O
t
Реформатский
OH
CO2H
CHO
57
OH
(CHOH)4
CO2H
CH2OH
молочнокислое брожение
углеводы
Свойства гидроксикислот
O
H
O
O
- H+
H
O
O
OH
Повышенная кислотность в результате образования
внутримолекулярной водородной связи,
стабилизирующей анион
свойства спиртов + свойства кислот
OH
1. Na2CO3
2. CH3I
CO2CH3
Cl
OH
SOCl2
COCl
EtOH
CO2H H+
NaH
RCOCl
OCOR
CO2H
OH
CO2 Et
CH3I
OCH3
+
H3O
CO2CH3
OCH3
CO2H
O
OH
CrO3
CO2H
CO2H
пиридин
58
HI
CO2H
t
LiAlH4
OH
t
OH
Реакция декарбонилирования
OH
R
H
t
CO2H
OH
+
OH2
R
-H2O
R
- CO
O
OH
OH
OH
+
O
RCHO
-H
R
R
Термические процессы
α-гидроксикислоты
OH
R
R
O
O
O
O
R лактид
t
CO2H
β-гидроксикислоты
R
t
O
O
R
CO2H
OH
t
R
CO2H
59
γ,δ-гидроксикислоты
HO
HO
O
(CH2)3 CO2H
O
t
(CH2)n CO2H
t
O
t
O
HO
(CH2)4 CO2H
O
O
(CH2)n
O
n>4
n
Ароматические гидроксикислоты
Синтез
Кольбе-Шмидт
ONa
OH
CO2
t,p
OH
CO2 H
салициловая кислота
OH
CO2К
HO2C
OH
OH
CO2
230o
>
KO2C
NaO2C
CO2
280o
OH
CO2Na
OK
OH
CO2
t > 125o
ONa
>
KO2C
OH
CO2K
CO2Na
60
CO2K
OH
OH
CO2
OH
120o
CO2
240o
CO2K
OM
OM
CO2/260o
CO2Na
M = Na
CO2/260o
M = Na
OH
CO2/200o
M=K
KO2C
CO2/240o
CO2M
M=K
OH
Другие методы
PhONa
OH
CCl4
-
+
+
HO , Cu
PhCO2Cu(OH)
CO2Na
CO2Na
OH
OH
OH
t
70
HO
CO2H
CO2H
I2
CO2H
CO2H
HNO3
H2SO4
PhCO2H
SO3
H2SO4
SO3H
O2N
Fe
COCH3
пиридин
HO- t
H3O+
CO2H
CO2H
1. NaNO2 / H3O+
NH2
2. H3O+, t
OH
OH
62
OH
[O]
CO2 H
t
[O] = CuO/NaOH; MnO2/KOH; KClO3
Свойства
Повышенная кислотность салициловой кислоты
Свойства кислот + свойства фенолов
CO2H
CO2H
OCOCH3
(CH3CO)2O
CO2CH3
OH
OH
CH3OH
H+
ацетилсалициловая кислота
(аспирин)
PhOH
SOCl2
CO2CH3
CO2Ph
OH
салол
1. HO2. CH3I
OCH3
CO2H
H3O+
OCH3
OH
Br
Br
CO2H
Br2
63
OH
OH
O2N
HNO3
Br
NO2
NO2
HO2C
OH
PhN2+
N
Ph
OH
N
OCH3
CO2H
H3 CO
OH
OH
HO2C
анисовая кислота
OH
H3 CO
ванилиновая кислота
галловая кислота
OCH3
OH
OCH3
OH
HO2C
протокатеховая кислота
OH
HO2C
вератровая кислота
74
Непредельные кислоты и их производные
α,β-Ненасыщенные кислоты
Синтез
O
HCN
HO
CN
OH KCN
HCN
+
H3O+
t
CO2H
акриловая
кислота
H3O
t
Cu+
CN
NH3
O2
Cl
COCl2
Cl
COCl
AlCl3
O
HCN
HO
CN
H3O+
t
CH3OH
H3O
+
CO2H
метакриловая
кислота
CO2CH3 метилметакрилат
Br
Br2
CO2H P
65
EtOCO2H
t
CO2H
CO2H
CO2H
t
RCHO +
CO2H
CO2H
R
H+
CO2H
R
NH
R
O
[O]
CO2H
R
R
R
Свойства (нуклеофильное присоединение)
O
O
NuX
HO
X
X
O
Nu
+
X
1,2-присоединение
+
O
O
Nu
X
Nu
X
Nu
O
X
1,4-присоединение
Присоединению по Михаэлю –
66
взаимодействие акцепторно-замещенных алкенов с карбанионами
происходит как 1,4-присоединение!
HCN
CO2H
CO2H
CO2H
R
CN-
(NaHSO3)
CO2H
HX
CO2H
CN
X
1. R2CuLi
CO2Et
2. H2O
CO2Et
R
1. RMgX
R
2. H2O
OH
Реакции с карбанионами
EtO2C
CO2Et
CN
CN
CO2Et
CO2Et
CO2Et
CO2Et
EtO2 C
CO2Et
H3O+
t
CO2H
CO2H
Реакция полимеризация (радикальная или анионная)
CO2CH3
полиметилметакрилат (оргстекло)
n
CO2 CH3
n полиакрилонитрил (орлон, нитрон)
CN
CN
n
CO2H
полиакриловая
кислота
n
CONH2
полиакриламид
67
68
β,γ-Ненасыщенные кислоты
Br
1. CN2. H3O+
CO2H
O
H+
O
1. Mg (эфир)
Cl
CO2H
2. CO2
3. H3 O+
_ +
+H
CO2-
Легкость декарбоксилирования
H
O
t
O
- CO2
CO2-
+
_ H+
CO2H
69
Природные ненасыщенные карбоновые кислота
стеарин
OCOR
маргарин
H2
Ni
OCOR'
H3O
H2O
HO-
OCOR"
олифа (Co, Pb, Mn)
OH
RCO2- + R'CO2- + R"CO2- +
Na-соли - мыло
OH
OH
глицериды
эфиры насыщенных и ненасыщенных кислот
кислоты насыщенные
CH3(CH2 )14 CO2H пальмитиновая
CH3(CH2)15CO2H
маргариновая
CH3(CH2 )16 CO2H
стеариновая
кислоты ненасыщенные
H3C(H2C)7
(CH2)7CO2H
олеиновая
(CH2)7CO2H
H3C(H2C)7
элаидиновая
CH3(CH2 )4CH=CHCH2 CH=CH(CH2)7CO2H
линолевая
CH3(CH2 CH=CH)3(CH2)7CO2H
линоленовая
OCOR
OCOR'
O
-
O
P
70
OCOR
O
OCOR'
O
NH3
-
O
O
кефалины (биологические
мембраны, нервная ткань)
O
P
N
O
лецитины (биологические мембраны)
Олифа натуральная («высыхающие жиры»)
изомеризация
Варка
O
+
O2
O
OH
OH
O
O
полимеризация
("высыхание")
71
Оксокислоты
Синтез
α-Оксокислоты
OH
O
[O]
CO2H
OH
CO2-
глиоксиловая
кислота
O
R
CN
O
-
Cl
R
H3O
HO2C
R
CN
t
CO2H
ДМСО
CO2H
пировиноградная кислота
RCOCHO
[O]
NOH
1. NaH (LDA)
2. R'ONO
CO2H
O
виноградная кислота
RCOCH2Br
O
+
OH OH
RCH2CO2Et
CO2-
+
_e
R
CO2Et
RCOCO2H
O
H3O+
(CH2O/H+)
R
CO2H
72
β-Оксокислоты
Конденсация Кляйзена
O
-
AcOEt
EtO
CO2Et
CO2Et
O
O
CO(OEt)2
N
H
N
1.ClCO2Et/NEt3
H+
NaH
CO2H
O
2. H3O+
γ-Оксокислоты
O
-
CO2Et
1. EtO
2. ClCH2CO2 Et
O
CO2Et
CO2Et
H3O+, t
O
H3O+, t фруктоза
(крахмал)
CO2Et
левулиновая
кислота
73
CO2H
N
1.ClCH2CO2Et/NEt3
O
+
2. H3O
R
OH
+
H3O
O
O
Cr6+
R
CO2H
R
CO2H
O
δ-Оксокислоты
O
CO2Et
CO2Et
2.
CO2Et
CO2 Et
O
1. EtOCO2Et
CO2Et
2.
O
O
CO2H
CO2Et
O
1. EtO-
H3O+, t
CO2Et
H3O+, t
O
CO2H
O
[O]
(CH2)n
(CH2)n
N
O
O
O
HO-
1. RCOCl/NEt3
R
2. H3O+
74
CO2H
OH
O
O
R
R
t
-
O2C
Свойства оксокислот
α-Оксокислоты
Декарбоксилирование
O
HCN
R
HO
CO2-
CN
HO
O
R
- CO2
CN
O
CN
R
R
O
Декарбонилирование
O
OH
R
O
O
+
H
OH2
R
O
O
- H2O
O
- CO
R
O
R
-
- CN
H2O
- H+
RCHO
RCO2H
Реакции с нуклеофильными реагентами
O
OH
NaBH4
R'MgX
R
R
CO2H
NH2OH
CO2H - R'H
O
R
R
1. R'MgX
CO2-
OH
CO2H
2. H2O
R'
N2H4
NOH
R
75
NNH2
CO2H
R
CO2H
β-Оксокислоты
Значительная енолизация карбонильной группы (значительно в большей степени, чем
для обычных кетонов, но в меньшей степени, чем в случае β-дикарбонильных соединений. Стабилизация енольной формы образованием сопряженной системы и внутримолекулярной водородной связи.
Енолизация сложноэфирной (карбоксильной) группы не происходит вследствие
донорного (по мезомерному эффекту) влияния алкокси- (гидрокси-) группы.
O
H
O
O
OEt
O
O
OEt
H
O
OEt
76
менее значимая
резонансная структура
(донорное влияние
алкоксигруппы)
O
O
O
OEt
O
O
O
OEt
OEt
Высокая СН-кислотность – результат резонансной стабилизации карбонильной
группой и индуктивным акцепторным влиянием сложноэфирной группы. Более
слабые, чем β-дикетоны СН-кислоты.
Применение β-кетоэфиров в синтезе
LDA
CH3CO2Et
CH2CO2Et
RX
EtO-
осуществить реакцию алкилирвания невозможно вследствие
низкой СН-кислотности сложного эфира
CO2Et
ацетоуксусный эфир сильная СН-кислота
1. EtOCO2Et
2. R'X
R
RCH2CO2Et
- 78o
O
O
RX
O
O
EtO-
CO2Et
-EtOH
CO2Et
RX
SN2
резонансная + индуктивная стабилизация карбаниона
O
CO2Et
R
R'
R, R' - алкил, Х - I, Br, Cl
77
кетонное расщепление
O
O
CO2Et
R
H
O
H3O+
OH
t
O
R'
R
R'
R'
O
O
R
HOt
R'
CO2HO-
R
R
HO
O
кислота
R'
CO2R
R'
R
R
O
Таким образом:
O
R'
-CO2
кислотное расщепление
CO2Et
кетон
O
R'
-AcOH R
R
CO2H
CH3CO2Et
R
R
CO2H
R'
R'
CO2H
O
O
+
O
CO2Et H3O
t
-
1. EtO
CO2Et
2. I2 (O.5 M)
78
O
HO-
EtO2C
O
аналогично
-
t
O2C
R
O
R
O
CO2Et
O
или O2C
R
R
X'
CO2-
R
X'
O
CO2 -
CO2-
или
X'
-O C
2
X'
O
O
O
O
1. EtOCO2 Et
CO2Et
2.
CO2Et
или
X
X = акцептор (реакция Михаэля)
X
X
X'
79
R
O
H3O+
O
H3O+
t
O
CO2Et
CO2Et
t
R
O
CO2Et 1.
R
EtO-
CO2Et
2.RX
HO-
CO2H
t
CO2H
EtO-, t
O
O
CO2Et
CO2Et
EtO2C
EtO2C
O
EtO2C
CO2-
CO2CO2-
93
Реакции с другими электрофильными реагентами
O
CO2Et
CO2Et
O
O
ArN2+
CO2Et
AcOH
O
N
N
O
Ar
NNHAr
NO2+
CO2Et
O
NO2
Все указанные продукты можно
вводить в "кетонное" или "кислотное"
расщепление
Br
O
OCH3
R
CO2Et
CO2Et
CO2Et
O
NOH
NO+
NEt3
Br2
O
NO
CHR
RCHO
CO2Et
CH2N2
CO2Et
TsN3
O
R
CO2 Et
HO-, ТЭБАХ
CH2Cl2-H2O
CO2Et
R
N2
81
O
CO2Et
O
O
RCO2Et
CO2Et
O
RCOCl
COR
CO2Et
R
"мягкий" электрофил (сложный эфир) взаимодействует с "мягким"
нуклеофилом - атомом углерода; "жесткий" (хлорангидрид) - с "жестким"
нуклеофилом - атомом кислорода енолят-аниона
Реакции с нуклеофильными реагентами
Cl
O
CO2Et
PCl5
OH
CO2Et
NaBH4
RMgX
O
O
CO2Et
RMgX
R H2O
O
HO
R
R
R
- RH
O
CO2Et
NH2OH
NOH
N
CO2Et
N2H4
N
NNH2
CO2Et
NH
O
O
O