Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Химический факультет
КОНСПЕКТЫ
по общему курсу Органической химии
У ф а
2008
Конспекты представляют собой курс лекций по органической химии, читаемый студентам 2- и 3-го курса химического факультета Башкирского государственного университета. Они предназначены для студентов химического и биологического факультетов, будут полезны и для аспирантов при подготовке к сдаче экзамена по специальности «органическая химия».
Составители: проф.М.Г.Сафаров, проф.Ф.З.Галин, проф.Ф.А.Валеев, доц.Л.Х.Файзуллина.
Ч а с т ь п е р в а я
Соединения с открытой цепью
Раздел первый
Углеводороды и их производные
I. Углеводороды
С учетом валентности атомов углерода (4) и водорода (1), а также способности углеродных атомов связываться друг с другом в цепи любой длины, нетрудно записать формулы некоторых предельных углеводородов, отличающихся друг от друга на один углерод:
Получившаяся последовательность соединений называется гомологическим рядом. В данном случае мы имеем гомологический ряд предельных углеводородов. В гомологическом ряду алканов каждый последующий член ряда отличается от предыдущего на группировку атомов СН2, которая называется гомологической разностью.
В молекулах алканов, которые приведены выше, имеются углеродные атомы, связанные лишь с одним другим углеродом. Их называют первичными. Если углерод связан с двумя другими углеродами – его относят к вторичным. Углерод, связанный с тремя другими углеродами считают третичным. Наконец, углерод в молекуле может быть связан с четырьмя другими углеродами, такой атом называется четвертичным.
Первичными, вторичными и третичными бывают и водородные атомы. Это зависит от того, с каким углеродом в молекуле связан водород.
В молекуле алканов содержится предельно возможное количество водородных атомов в расчете на один углеродный атом. Поэтому их и называют иногда предельными или насыщенными углеводородами. Вообще же в алканах на n углеродных атомов приходится 2n+2 водородных атомов, т.е. общая формула алканов, устанавливающая соотношение между углеродными и водородными атомами в их молекуле, будет: Сn Н2n+2.
В предельных углеводородах, уже начиная с четвертого члена гомологического ряда, одному и тому же составу С4Н10 соответствуют разные по строению соединения:
Соединения, имеющие одинаковый состав, но различное строение, называются изомерами. Явление изомерии чрезвычайно распространено в органической химии. Уже составу С10Н22 соответствуют 75 отдельных соединения. Вычислено, что молекулярную формулу С30Н62 имеют 4 111 846 763 индивидуальных соединения.
Номенклатура алканов
Возникновение и развитие системы названий органических соединений – номенклатуры – тесно связано с их количеством и сложностью строения.
Когда количество известных соединений было небольшое, им давались названия, так или иначе связанные с их природным источником или характерным свойством. Однако очень скоро эта номенклатура, названная тривиальной, себя исчерпала.
В последующем становилось все очевидней, что название соединения должно быть связано с его строением. В соответствии с принципами этой, рациональной, номенклатуры все алканы считаются происшедшими от родоначальника гомологического ряда – метана, получающимися путем замещения водородных атомов на углеводородные остатки.
При составлении названия по рациональной номенклатуре в рассматриваемом углеводороде выбирается один из углеродов как остаток метана. Желательно, чтобы этот углерод был связан с максимальным числом алкильных радикалов т.к., чем больше радикалов, тем они мельче и их легче называть. Все другие углеродные атомы входят в состав алкилов. В названии соединения перечисляются названия всех радикалов по старшинству. Название завершается словом метан. Например, метановый углеводород с названием по рациональной номенклатуре: метилэтилпропилтрет.бутилметан имеет следующее строение:
Со временем и эта номенклатура перестала справляться с составлением названий для сложных по строению соединений. Поэтому в 1892 году на съезде химиков в Женеве были приняты основы новой номенклатуры, которая с тех пор непрерывно совершенствовалась и дополнялась и в таком виде получила называние систематической (номенклатура ИЮПАК – аббревиатура от английского названия союза химиков: International Union of Pure and Applied Chemistry).
Каждая номенклатура имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому на языке современной органической химии используются все три номенклатуры, хотя в основной является систематическая номенклатура.
Познакомимся с основами систематической номенклатуры.
В соответствии с этой номенклатурой за первыми четырьмя членами гомологического ряда оставлены тривиальные названия, далее названия алканов образуются от греческих и латинских (для С9Н20) числительных с добавлением суффикса ан:
СН4 метан С8Н18 октан
С2Н6 этан С9Н20 нонан
С3Н8 пропан С10Н22 декан
С4Н10 бутан С20Н42 эйкозан
С5Н12 пентан С30Н62 триаконтан
С6Н14 гексан С100Н202 гектан
С7Н16 гептан
Кроме названий гомологического ряда предельных углеводородов, которые приведены выше, для составления названия любого алкана надо еще знать названия одновалентных радикалов. Они получаются путем отрыва водородных атомов от молекулы алканов и свое название получают путем изменения суффикса ан в названии алкана на суффикс ил. Вот строение и названия наиболее часто встречающихся алкильных радикалов:
При составлении названия по систематической номенклатуре придерживаются следующих правил:
Изображенный выше углеводород с названием по рациональной номенклатуре метилэтилпропилтрет.бутилметан по систематической номенклатуре получит следующее название: 2,2,3-триметил-3-этилгексан. В этом сложном составном названии цифры называются локантами, триметил- и этил – префиксами (приставками), гекс – корнем слова и ан – суффиксом.
В случае необходимости с правилами ИЮПАК можно познакомиться в книге: 1. Номенклатурные правила IUPAC Том 2. Органическая химия. М., изд. ВИНИТИ (Национ.комитет советских химиков), 896 с. (два полутома), 1979; 2. Дж.Бенкс. Названия органических соединений. М., «Химия», 1980.
1.2. Способы получения
Предельные углеводороды получать, исходя из других классов соединений, приходится достаточно редко. Потому что многие их представители в индивидуальном виде или в виде смесей разной сложности вполне доступны: природный и попутный газы, газовый конденсат, нефть. Так, множество индивидуальных алканов с числом углеродных атомов до 11 включительно выделены из нефтепродуктов фракционной перегонкой. При необходимости отдельные представители алканов могут быть синтезированы при помощи следующих известных реакций.
1. Алкены легко превращаются в алканы с тем же числом углеродных атомов в результате реакции каталитического гидрирования – присоединения атомов водорода под воздействием веществ, ускоряющих ход химической реакции:
В качестве катализаторов применяют коллоидные или мелкодисперсные металлы (платина, палладий, никель). В случае никеля приходится применять повышенные температуру и давление и, для усиления каталитической активности, придавать металлу сильно развитую поверхность. Таковым никелевым катализатором является, так называемый никель Ренея. Получают его сплавлением никеля с алюминием с последующим выщелачиванием алюминия. При этом получается никель с сильно развитой поверхностью. При гидрировании как катализатор используется также более дешевый, чем упомянутые металлы, хромит меди.
2. Предельные углеводороды могут быть получены исходя из галогенпроизводных путем их восстановления – замещения галогена на водород:
Восстановителями являются молекулярный (в присутствии катализатора) или атомарный (в момент выделения) водород. Используются также химические восстановители, например, иодистый водород.
3. Одним из синтетических методов получения алканов является конденсация галогенпроизводных под воздействием щелочных металлов:
Эта реакция была открыта Вюрцем в 1855 году. Предполагается, что вначале из галогенпроизводного получается натрийалкил (Шорыгин), который далее реагирует с другой молекулой галоидного алкила:
Лучше всего реакция идет с участием первичных алкилиодидов. В случае третичных галогенпроизводных выход углеводородов не превышает 10-20% из-за реакции отщепления галогенводорода и других побочных реакций.
В реакции Вюрца кроме натрия и калия могут быть использованы и другие металлы: магний, цинк, литий.
При участии в реакции Вюрца молекул одного галогенпроизводного получающийся алкан содержит в два раза больше углеродов, чем исходный галоидный алкил. В случае же использования в реакции смеси галогенпроизводных по понятным причинам получается смесь трех углеводородов:
Тем не менее, проблему получения несимметричных алканов по реакции Вюрца удалось решить. В вышеприведенной реакции вначале из одного галогенпроизводного получают магнийорганическое соединение, которое затем в реакции с другим галогенпроизводным (реакции кросс-сочетания) дает несимметричный алкан:
4. Из карбоновых кислот алканы могут быть получены двумя способами: либо удалением карбоксильной группы из их солей при нагревании с щелочью:
либо электролизом (реакция Кольбе). При электролизе соль диссоциирует, анион на аноде отдает электрон и превращается в перекисный радикал, который распадается на СО2 и алкильный радикал. Объединение двух радикалов приводит к алкану:
5. При производстве моторных топлив (бензинов) широко используются процессы алкилирования, т.е. введения алкильной группы в состав органической молекулы. Примером такой реакции является алкилирование изобутана изобутиленом в присутствии фосфорной кислоты (подробнее см. раздел, посвященный химическим свойствам алкенов):
6. В некоторых странах смеси алканов различного строения синтезируются восстановлением окиси углерода. При использовании никелевого или кобальтового катализатора (7-12 атм.) реализуется следующая общая схема:
В случае применения железного катализатора восстановление идет по схеме:
Химические свойства
Среди углеводородов различных групп алканы весьма неохотно вступают в химические реакции. Это обстоятельство отражено даже в одном их названии – парафины (лат. Parum affinitatus – лишенный сродства).
Химические превращения предельных углеводородов могут происходить в результате разрушения связи между углеродными атомами или между углеродными и водородными атомами. Хотя первая из указанных связей слабее (83 ккал/моль), вторая связь (98 ккал/моль) более доступна атаке реагентом. Инертность алканов приводит к тому, что для проведения химической реакции с их участием требуется использование катализаторов и высоких температур.
Молекулы алканов не полярны, т.е. электроны С-С- и С-Н-связей не смещены к одному из атомов. Поэтому при разрыве ковалентной связи в алканах ковалентная пара электронов распадается обычно симметрично и каждый из атомов получает по неспаренному электрону. При этом (гомолитическом распаде ковалентной связи ) получаются атомы или группы атомов с неспаренным электроном, которые называются радикалами. Таким образом, химические превращения алканов в подавляющем большинстве случаев протекают как радикальные реакции по типу крекинга или замещения водородных атомов на другие атомы или группы атомов. Рассмотрим наиболее характерные реакции предельных углеводородов.
1.3.1. Галогенирование. При определенных условиях (ультрафиолето воеосвещение, нагревание) алканы галогенируются. В молекулу алкана вместо водородных атомов вступают атомы галогена. Так, в метане последовательно можно заместить все водородные атомы с получением хлористого метила, хлористого метилена, хлороформа и четыреххлористого углерода:
Из галогенов в реакции алканами наиболее активен фтор, затем следуют хлор, бром и иод.
Наиболее легко замещается водород у третичного атома углерода и труднее всего – у первичного. Известно, что соотношение между скоростями замещения при термическом хлорировании (3000) первичного, вторичного и третичного водородных атомов составляет 1:3,25:4,3. Основываясь на этом соотношении, можно объяснить как реакционную способность разных алканов в реакции с галогеном, так и направление реакции с участием первичных, вторичных и третичных водородов в пределах одной и той же молекулы.
Механизм галогенирования алканов.
Любая химическая реакция протекает сложно, через ряд элементарных стадий. Рассмотрение химической реакции по элементарным стадиям называется ее механизмом. Механизм призван объяснить результаты всех экспериментальных наблюдений над реакцией. В случае невозможности объяснения предложенным механизмом (версией) хотя бы одного факта, он должен быть доработан или же заменен другим.
О галогенировании алканов известно следующее. В ходе реакции разрываются С-Н- связи и связи между атомами галогена. В то же время возникают новые связи между углеродом и галогеном, между галогеном и водородом. Реакция протекает лишь при освещении (фотохимическое галогенирование) или нагревании (термическое галогенирование). При фотохимической реакции один фотон способен вызвать превращение множества молекул алкана. Попадание в зону реакции незначительного количества посторонних молекул (например, кислорода в случае фотохимического хлорирования метана) приводит вначале к прекращению реакции, а потом к ее возобновлению через определенный промежуток времени. Все эти наблюдения объясняются на основе цепного радикального механизма, предложенного лауреатом Нобелевской премии Н.Н.Семеновым и другими.
Согласно этому механизму, фотохимическое хлорирование метана проходит через следующие элементарные стадии.
На начальной стадии квант света вызывает гомолиз ковалентной связи между атомами хлора. При этом получаются два атомарных хлора:
Радикалы хлора, подобно большинству свободных радикалов, обладают высокой реакционной способностью. С одной стороны, эти радикалы стремятся дополнить свою внешнюю электронную оболочку до октета. Для этого у них не хватает одного электрона. С другой стороны, радикалы хлора богаты энергией и стремятся отдать ее избыток при образовании новой химической связи. Для разрушения химической связи (диссоциации связи) энергию приходится затрачивать, зато при образовании ее энергия выделяется. Для диссоциации связи между атомами хлора необходимо затратить 58 ккал/моль. После образования радикалов хлора эта энергия переходит к ним. Поэтому атомарный хлор и богат энергией.
Активные радикалы хлора по мере образования немедленно атакуют молекулы участников реакции. Если происходит столкновение атомарного хлора с молекулой этого галогена, то не происходит ничего нового. Вместо одного радикала хлора образуется такой же другой:
А вот столкновение радикала хлора с метаном результативно. При этом получается один из продуктов реакции (НСI) и образуется новый – метильный - радикал:
Метильный радикал также как и атомарный хлор обладает высокой реакционной способностью и реагирует как с молекулой метана, так и с хлором. Первая из этих реакций не приводит к появлению новых продуктов, в результате реакции метила с молекулой хлора образуется продукт реакции (хлористый метил) и новый радикал – атомарный хлор:
Образовавшийся атомарный хлор дальше участвует в реакции (2). Таким образом, стадии роста цепи (2) и (3) многократно повторяются, однако цепочка превращений со временем прерывается. Происходит это в результате исчезновения активных частиц – атомарного хлора или метильного радикала – в результате столкновения радикалов между собой:
Взаимодействие одинаковых или разных радикалов между собой носит название рекомбинации. Рекомбинация, а также гибель радикалов на стенках реакционного сосуда, приводят к обрыву цепи. Установлено, что один атомарный хлор вызывает превращение 5000 молекул метана.
При термическом хлорировании метана реакция также протекает как цепной радикальный процесс. В этом случае стадия инициирования вызывается воздействием тепла. Таким образом, нагревание или освещение при хлорировании метана требуется только для инициирования цепи.
Для проверки обсуждаемого механизма предложено проводить термическое хлорирование метана с участием небольших количеств тетраметилсвинца. Известно, что это соединение уже при 1400 распадается на свинец и метильные радикалы:
способные обеспечить развитие цепной реакции. Интересно отметить, что термическое хлорирование метана, протекающее лишь при 3800, с участием тетраметилсвинца идет уже при 1400.
При хлорировании метана в случае попадания в зону реакции следов кислорода, реакция некоторое время не идет. Предполагают, что это результат взаимодействия кислорода с метильными радикалами в результате которого получаются перекисные радикалы:
Перекисные радикалы менее активны, чем метильные, и не могут продолжать цепь. Это ведет к ее обрыву и к прекращению образования молекул хлористого метила, хотя метан продолжает расходоваться в реакции с кислородом. После расходования всего количества кислорода возобновляется процесс хлорирования. Замедление или прекращение цепной радикальной реакции под воздействием какого-нибудь вещества называется ингибированием. Период ингибирования – это период времени, в течение которого продолжается ингибирование. Кислород – лишь один из возможных ингибиторов.
Различные алканы с одним и тем же галогеном реагируют по-разному: одни – легко, другие труднее, т.е. они отличаются по реакционной способности. Для сравнения реакционной способности алканов предложен следующий метод, называемый методом конкурирующих реакций. Для оценки активности метана и этана по отношению к хлору в колбу вносятся равные количества этих предельных углеводородов и хлора. При анализе состава продуктов реакции обнаруживается, что на одну молекулу хлористого метила получается 400 молекул хлористого этила. Это означает, что реакционная способность этана по отношению к хлору в 400 раз выше реакционной способности метана. Аналогичным образом было установлено, что в реакции с хлором пропан активнее этана и изобутан активнее пропана.
Из ряда элементарных стадий, последовательность которых составляет механизм хлорирования метана, скорость процесса в целом определяет скорость наиболее медленной стадии. Таковой является стадия (2), в результате которой образуется метильный радикал. Отсюда следует, что скорость хлорирования метана определяется скоростью образования метила. То же самое может быть сказано и относительно реакций с участием в реакции других предельных углеводородов: скорость реакций определяется скоростями образования соответствующих алкильных радикалов. В таком случае, с учетом известной реакционной способности алканов в реакции с хлором, алкильные радикалы по легкости образования могут быть расположены в следующий ряд:
Образование каждого из радикалов можно представить как результат гомолитической диссоциации ковалентной связи С-Н в соответствующем углеводороде с затратой определенной энергии. При этом, чем больше расход энергии, тем богаче ею образовавшийся радикал и тем он менее устойчив. Поэтому радикалы, образовавшиеся из простейших алканов по стабильности могут быть расположены в анологичный ряд:
Из сопоставления радикалов по легкости образования и устойчивости следует, что чем стабильнее радикал, тем он легче образуется. Это важнейшее обобщение позволяет предсказать направление реакции и реакционную способность во многих гомолитических реакциях, протекающих с промежуточным образованием алкильных радикалов.
Согласно современным представлениям, алкильные радикалы построены следующим образом: углерод с неспаренным электроном находится в sp2-гибридном состоянии, т.е. он тригональный. Все его связи, образованные гибридными орбиталями, расположены на одной плоскости. Неспаренный электрон занимает р-орбиталь, ось которого перпендикулярна указанной плоскости.
В настоящее время существование алкильных радикалов сомнений не вызывает. Они могут быть обнаружены с помощью ЭПР-спектроскопии (регистрация парамагнитных частиц) или же по способности снимать металлическое зеркало (Панет, 1929 г.). К тому же установлено, что существуют стабильные в обычных условиях радикалы, например, трифенильметильные (Гомберг, 1900 г.).
1.3.2. Нитрование. Реакция введения в состав молекулы нитрогруппы (NO2), остатка азотной кислоты, носит название реакции нитрования.
При нитровании предельных углеводородов азотной кислотой происходит замещение одного или нескольких водородных атомов на нитрогруппу и образование нитросоединений:
Концентрированная азотная кислота окисляет алканы. Нитрующим образом действует лишь разбавленная кислота (М.И.Коновалов, 1888 г.), при использовании которой, однако, скорость реакции невелика. Поэтому жидкофазное нитрование по Коновалову проводится при повышенной температуре (1400 и выше). При повышенных температурах нитрования для сохранения реакционной смеси в жидкой фазе приходится реакцию проводить под небольшим давлением в запаянных ампулах или автоклаве.
При нитровании алканов легче всего на нитрогруппу замещаются третичные водородные атомы. Труднее идет замещение при первичном углероде, вторичные водородные атомы по реакционной способности занимают промежуточное положение. Жидкофазное нитрование сопровождается образованием полинитросоединений и продуктов окисления.
При получении нитросоединений из алканов обычно используется парофазное нитрование. В этом случае нитрование ведется парами азотной кислоты или оксидами азота при 250-5000. При таких температурах имеет место крекинг алкана, в результате этого получаются всевозможные нитросоединения. Так, при парофазном нитровании пропана при 4200 получается сложная смесь (выход 21%), состоящая из: 1- нитропропана (32%), 2-нитропропана (33%), нитроэтана (26%) и нитрометана (9%).
Предполагается, что нитрование предельных углеводородов представляет собой гомолитический процесс, протекающий по следующей схеме:
К сожалению, серная кислота при обыкновенной температуре на алканы не действует; при повышенной температуре действует как окислитель. Продукты сульфирования удается получить лишь при сульфировании дымящей серной кислотой при слабом нагревании алканов с достаточным числом углеродов в молекуле. При этом лучше всего на сульфогруппу замещаются третичные водородные атомы. В связи с трудностями, которые возникают при введении сульфогруппы с помощью серной кислоты, были разработаны другие методы получения алкансульфокислот – сульфохлорирование и сульфоокисление.
При сульфоокислении на предельный углеводород действуют сернистым ангидридом и кислородом воздуха при освещении ультрафиолетовым светом:
При сульфохлорировании используется смесь сернистого ангидрида и хлора также при инициировании реакции:
Предполагается, что в ходе этой реакций, протекающей как цепное радикальное замещение, на начальных стадиях происходит то же самое, что и хлорирования алканов:
При сульфохлорировании образовавшийся углеводородный радикал реагирует с сернистым ангидридом, а полученный при этом новый радикал – с хлором:
1.3.4. Окисление. Предельные углеводороды довольно устойчивы к действию окислителей. Обычные окислители (KMnO4, K2CrO4, K2Cr2O7 и др.), а также кислород воздуха окисляют их лишь при высоких температурах.
При исчерпывающем (пламенном) окислении алканов получаются СО2 и вода. Этот вид окисления широко используется в энергетических целях: сгорание природного газа в домашних газовых плитах и в печах тепло- и электростанций, в двигателях всех типов.
Предполагается, что окисление - типичный цепной радикальный процесс. В результате воздействия на алканы высокой температуры образуются свободные радикалы, которые присоединяют кислород и дают перекисный радикал. Последний отрывает водород от молекулы алкана и превращается в гидроперекись. В условиях окисления гидроперекись претерпевает гомолиз связи между кислородными атомами с образованием окисного радикала. Дальнейшие превращения этого радикала происходят по двум направлениям. Это либо отрыв водородного атома от молекулы алкана с образованием спиртов, либо так называемый -распад с получением альдегидов и кетонов. Все сказанное можно изобразить следующей схемой:
Образовавшиеся первичные спирты и альдегиды окисляются дальше с образованием карбоновых кислот.
Таким образом, при неполном окислении алканов в общем случае получается сложная смесь кислородсодержащих продуктов: кислот с различной длины цепи, оксикислот, кетокислот, сложных эфиров, спиртов, альдегидов и кетонов. При этом достаточно трудно направить окисление в сторону преимущественного образования определенных продуктов. До сих пор имеются трудности и при разделении продуктов реакции.
Примером успешного использования процесса окисления алканов в синтетических целях может послужить каталитическое (соли марганца) окисление кислородом воздуха при 1800 смеси предельных углеводородов с числом углеродных атомов С30 – С40. При этом получается смесь карбоновых кислот т.н. мыловаренной фракции С15 – С20, которые используются для получения мыл, сложных эфиров и высших жирных спиртов.
1.3.5. Термолиз (действие высоких температур). Под действием высоких температур предельные углеводороды претерпевают превращения с гомолитическим разрывом С-С- и С-Н- связей . При этом первоначально образуются алкильные радикалы.
В условиях термолиза свободные радикалы вступают в реакции по следующим направлениям:
- захват водорода с превращением в углеводород;
- бета – распад с образованием этилена и нового радикала;
- диспропорционирование (перераспределение водорода) с получением алкена и алкана;
- соединение двух радикалов (рекомбинация).
Предположим, что под действием высокой температуры произошел гомолиз связи между углеродными атомами у октана с образованием двух бутильных радикалов. Их дальнейшие превращения можно представить следующей схемой:
В общем случае под действием высоких температур алканы образуют сложную смесь низкомолекулярных насыщенных, ненасыщенных и циклических углеводородов. На состав продуктов термолиза предельных углеводородов влияют условия проведения процесса: температура, давление, природа катализатора.
При 450 – 5500 (крекинг) тяжелые нефтяные остатки превращаются в смесь алканов и алкенов меньшего молекулярного веса с более низкой температурой кипения, пригодные для использования в качестве моторного топлива. В настоящее время чаще используется каталитический вариант крекинга на алюмосиликатах. В этом случае превращения носят ионный характер. В продуктах преобладают алканы разветвленного строения, представляющие особую ценность в качестве компонентов бензинов.
При 750 – 8500 (пиролиз) продуктами реакции являются в основном этилен и пропилен. Это один из основных методов промышленного получения указанных алкенов.
Термолиз предельных углеводородов при 1000 - 12000 широко используется в промышленности для производства ацетилена.
Наконец, нагревание метановых углеводородов при 15000 и выше приводит к их распаду на углерод и водород. На основе этого варианта термолиза в технике получают газовую сажу и водород.
В молекуле алкенов имеются углеродные атомы, связанные друг с другом двойной связью. Этиленовые углеводороды содержат на два водорода меньше, чем алканы с тем же числом углеродов. Их общая формула СnH2n.
2.1. Строение, изомерия и номенклатура
В молекулах алкенов все углероды, кроме связанных двойной связью, sp3 гибридизованы. Углероды двойной связи образуют одну из связей между собой за счет sp2-гибридных орбиталей, вторая же связь возникает в результате латерального (бокового) перекрывания не участвующих в гибридизации р-орбиталей. Таким образом, двойная связь – это комбинация не равнозначных - и -связей. Длина двойной связи составляет 1,34 ангстрема (0,134 нм), прочность – 145 ккал/моль. Поскольку одинарная связь между углеродами оценивается в 83 ккал/моль, то на долю -связи приходится приблизительно 145-83=62 ккал/моль. Отсюда видно, что -связь значительно слабее -связи.
Число изомеров у алкенов значительно больше, чем у алканов с тем же числом углеродных атомов. Это связано с тем, что для алкенов известно несколько видов изомерии. Это структурная изомерия, связанная со строением углеродной цепи (как и у алканов), еще один вид структурной изомерии по положению двойной связи в цепи и геометрическая изомерия. Последний вид изомерии возникает из-за возможности расположения заместителей по одну- (цис-изомеры) или разные (транс-изомеры) стороны от двойной связи. Фиксация заместителей по одну или другую сторону от двойной связи обусловлена невозможностью свободного вращения по этой связи. В качестве примера укажем, что если для алкана с девятью углеродами известно 35 изомеров, то алкен с тем же числом углеродных атомов представлен 154 изомерами.
Приведем структурные формулы некоторых простейших алкенов:
Для названия алкенов используются тривиальная, рациональная и систематическая номенклатуры.
Старая рациональная номенклатура производит названия алкенов от названия алканов с тем же числом углеродных атомов путем изменения суффикса ан на илен.
При составлении названия по систематической номенклатуре за главную цепь принимается самая длинная цепь с двойной связью. Нумерация углеродных атомов начинается с того конца цепи, к которому ближе двойная связь. Наличие в молекуле алкена двойной связи отображается изменением суффикса ан на ен в названии углеводорода, соответствующего главной цепи. Локант, указывающий на положение двойной связи в главной цепи, обозначает углерод, после которого следует двойная связь. В качестве примера укажем, что алкен следующего строения:
по систематической номенклатуре имеет название 2-метил-2-бутен.
Как и в случае алканов, исходя из алкенов можно произвести одновалентные остатки. Вот некоторые из них и их наиболее употребительные названия:
2.2.1. В промышленности простейшие олефины С2 – С4 получают из соответствующих предельных углеводородов с использованием реакций пиролиза и дегидрирования (см.термолиз алканов).
2.2.2. В лабораторных условиях удобно алкены получать дегидратацией спиртов:
Дегидратация проводится в жидкой фазе при нагревании спирта с катализатором (серная, фосфорная кислота, кислые соли и др.), или же в паровой фазе при высоких температурах в присутствии гетерогенных катализаторов (400 - 5000, оксид алюминия, соли алюминия).
Легче всего дегидратации подвергаются третичные спирты. При этом порядок отщепления воды происходит в соответствии с правилом Зайцева: водород преимущественно отщепляется от наименее «гидрогенизированного» атома углерода. При дегидратации спиртов обычно получается смесь нескольких алкенов из-за изомеризации промежуточно образующихся карбокатионов по механизму 1,2-гидридных сдвигов (см.механизм пинаколиновой перегруппировки) и неполного соблюдения правила Зайцева. Так, при отщеплении воды от изоамилового спирта получаются 3-метил-1-бутен, 3-метил-2-бутен и 2-метил-1-бутен:
2.2.3. Алкены являются обычными продуктами дегидрогалогенирования моногалогенпроизводных алканов спиртовой щелочью или под действием тепла. Направление отщепления (элиминирования, см. механизм Е1 и Е2) элементов галогенводородов происходит в соответствии с правилом Зайцева:
2.2.4. Отщепление атомов галогенов (дегалогенирование) от дигалогенпроизводных алканов также приводит к алкенам. В этом случае галогены должны находится у соседних атомов углерода (вицинальные дигалогенпроизводные, vicinalis - соседний). Дегалогенирование чаще всего проводится с помощью цинковой пыли или цинковых стружек:
Этот метод едва ли имеет синтетическую ценность, поскольку сами дигалогенпроизводные лучше всего получаются из алкенов. Поэтому метод иногда применяется для т.н. защиты двойной связи: вначале алкен превращают в дигалогенпроизводное, затем осуществляют некоторые превращения с остальной частью молекулы. После этого дегалогенированием цинком вновь создают в молекуле двойную связь.
2.2.5. Для получения чистых цис- и транс-алкенов часто используют восстановление ацетиленовых углеводородов соответствующим реагентом: молекулярным или атомарным водородом:
2.2.6. Иногда возникает потребность в алкенах с концевой двойной связью. Такие терминальные (terminus – конец) алкены легко получаются по реакции Виттига:
Двойная связь, за счет которой происходят большинство реакций алкенов, состоит из прочной -связи и менее прочной -связи. В ходе реакций присоединения происходит разрыв слабой -связи и образование вместо нее двух прочных -связей. Во многих реакциях двойная связь служит донором электронов, т.е. ведет себя как основание. Двойная связь реагирует с реагентами, обедненными электронами – электрофильными реагентами. Поэтому типичными реакциями алкенов являются реакции электрофильного присоединения.
Алкены способны и к реакциям свободнорадикального присоединения, поскольку радикалам также не хватает электронов.
Поскольку в состав молекулы любого алкена, кроме этилена, входит остаток предельного углеводорода, то в некоторых условиях возможны реакции с участием этого остатка. Понятно, что это будут реакции свободнорадикального замещения.
Таким образом, наиболее типичными реакциями алкенов являются реакции электрофильного присоединения, радикального присоединения и свободнорадикального замещения:
А. Реакции электрофильного присоединения
Серная кислота присоединяется ко всем алкенам, начиная с этилена. Продуктом реакции являются кислые сульфаты спиртов:
Присоединение элементов серной кислоты к не симметричным алкенам подчиняется правилу Марковникова: водород реагента присоединяется к наиболее «гидрогенизированному» атому углерода двойной связи.
Труднее всех серную кислоту присоединяет этилен – реакция протекает лишь при использовании кислоты 98% - ной концентрации.
Более активен по отношению к серной кислоте пропилен. В этом случае достаточна 80% - ная кислота:
Изобутилен реагирует даже с 63% - ной серной кислотой:
Для реакции присоединения серной кислоты к алкенам предложен следующий механизм:
Ключевой элементарной стадией (медленной) в этом механизме является стадия протонирования алкена с образованием частицы с электронодефицитным углеродом – карбокатионом. В карбокатионе атом углерода окружен только шестью электронами. Они являются очень реакционноспособными частицами, стремясь в ходе реакции приобрести пару электронов и заполнить октет. Для них подходящими партнерами являются, поэтому, атомы или группы атомов, имеющие пару электронов. Это или анионы, или нейтральные молекулы, включающие в свой состав атом с неподеленной парой электронов.
В зависимости от того, какой углерод несет положительный заряд, карбокатионы бывают первичными, вторичными и третичными:
В чем же причина различной реакционной способности алкенов по отношению к серной кислоте? Оказывается, более активные алкены легче образуют карбокатионы:
Изобутилен потому быстрее реагирует с серной кислотой по сравнению с этиленом, что он легче образует карбокатион. Зная наблюдаемую в эксперименте реакционную способность алкенов по отношению к серной кислоте, образующиеся в каждом случае карбокатионы по легкости образования можно расположить в следующий ряд:
Образование этих же ионов из соответствующих алканов можно представить следующим образом. Вначале, с затратой определенной энергии (энергия диссоциации), как результат гомолиза ковалентной С-Н- связи получаются радикалы (см. хлорирование алканов). Отрыв электрона от радикала (потенциал ионизации) приводит к карбокатионам. Таким образом, общие затраты энергии при получении карбокатиона из алкана представляют собой сумму энергий диссоциации и потенциала ионизации. Эти затраты энергии измерены (в ккал/моль):
Чем больше затраты энергии на получение карбокатиона, тем он менее устойчив. Поэтому вышеприведенные карбокатионы по устойчивости можно расположить в следующий ряд:
Сопоставив ряды устойчивости и легкости образования карбокатионов, можно придти к заключению: чем устойчивее карбокатион, тем он легче образуется. Это обобщение позволяет предсказать реакционную способность алкенов в реакциях электрофильного присоединения, а также направление таких реакций. Соблюдение правила Марковникова при ионном присоединении к алкенам объясняется тем, что реакция в этом случае протекает через промежуточное образование более стабильного карбокатиона.
Карбокатион построен таким образом, что электронодефицитный углеродный атом тригонален (sp2 гибридизован), а все другие углероды тетраэдрические.
Различия в устойчивости карбокатионов объясняются тем, что алкильные радикалы, связанные с электронодефицитным углеродом, подают ковалентную пару в сторону этого углерода. В результате частично погашается заряд на этом углероде, а сами алкилы получают частичный положительный заряд. Все это приводит к делокализации (рассредоточению) заряда и повышению устойчивости карбокатиона.
Все алкены, начиная от этилена, в присутствии кислотных катализаторов присоединяют воду с образованием спиртов. Гидратация этилена широко используется в промышленности для получения этилового спирта:
Процесс проводится при 280 – 3000, давлении 70 - 80 атм. в присутствии фосфорной кислоты на силикагеле. Из-за обратимого характера реакции превращение этилена за проход составляет не более 5%.
Гидратация олефинов протекает с соблюдением правила Марковникова, поэтому приводит к вторичным и третичным спиртам. Например, в случае изобутилена получается трет.бутиловый спирт:
Механизм гидратации алкенов представляет собой частный случай электрофильного присоединения. Молекула воды принимает участие в быстрой стадии в реакции с карбокатионом:
3. Галогенирование.
Этиленовые углеводороды легко реагируют с хлором и бромом с образованием вицинальных дигалогенпроизводных:
Реакция идет достаточно быстро даже при комнатной температуре в инертном растворителе – четыреххлористом углероде или хлороформе. Присоединение брома лежит в основе качественной реакции на двойную связь. Обесцвечивание раствора брома в четыреххлористом углероде (окрашен в красный цвет) при взаимодействии галогена с органической молекулой свидетельствует о наличии в соединении двойной связи.
Галогенирование алкенов проходит в отсутствии кислых катализаторов. Тем не менее, оно тоже протекает как электрофильное присоединение. Предполагается, что неполярная молекула галогена, попав под влияние сильного электрического поля двойной углерод-углеродной связи, поляризуется: указанное поле отталкивает ковалентную пару электронов от ближнего атома галогена к дальнему. Этот процесс завершается полным гетеролитическим разрывом рассматриваемой связи. Одновременно происходит образование новой связи между одним из углеродов С=С – связи и положительно заряженным атомом галогена. Эта связь образуется за счет электронов двойной связи. В результате образуется карбокатион. В следующей быстрой стадии ион присоединяет анион галогена и превращается дигалогенид:
В действительности механизм галогенирования алкенов, возможно, более сложен. Имеются факты, указывающие, что реакция протекает как транс-присоединение. Для объяснения этого факта приходится допускать, что при взаимодействии алкена с галогеном образуется не «открытый» карбокатион, а циклический ион бромония, нуклеофильная атака на которого происходит с образованием транс-продукта:
Следует отметить, что в любом случае характерной особенностью ионного присоединения галогена к двойной связи является поляризация - изменение распределения электронов в одной молекуле под влиянием другой молекулы.
По имеющимся данным, присоединение галогена к алкену может протекать и как радикальный процесс.
Для электрофильного присоединения по двойной связи общепринятым является рассмотренный нами двухстадийный механизм, который, однако, пока еще не доказан. Интересно, что именно на примере реакции бромирования алкенов делались попытки восполнить этот пробел.
Было установлено, что при бромировании этилена в присутствии анионов хлора наблюдается образование дибромида и продукта смешанного галогенирования – бромхлорпроизводного:
Интересно при этом, что в продуктах реакции дихлорид отсутствует. Отсюда следует, что еще до вступления хлора в реакцию алкен реагирует с бромом с образованием какого-то положительно заряженного соединения. Это вполне может быть открытым карбокатионом или циклическим ионом бромония. Кроме того, результаты эксперимента исключают возможность реакции алкена с недиссоциированной молекулой брома.
4. Гидрогалогенирование.
Реакция присоединения к алкенам галогенводородных кислот приводит к моногалогенпроизводным алканов:
Гидрогалогенирование проводится без использования растворителя или же в растворителе средней полярности (уксусная кислота), но не в воде (возможна гидратация).
Галогенводородные кислоты по реакционной способности по отношению к алкенам располагаются в следующий ряд:
Фтористый водород наряду с присоединением к алкену часто вызывает его полимеризацию.
Гидрогалогенирование алкенов – типичная реакция электрофильного присоединения. На первой стадии происходит протонирование молекулы олефина в направлении образования более устойчивого карбокатиона (правило Марковникова), который далее быстро присоединяет анион галогена с образованием продукта реакции:
Иногда гидрогалогенирование протекает против правила Марковникова. Оказалось, что это происходит при гидробромировании в присутствии перекисей (перекисный эффект Хараша, 1933). В этом случае реакция идет не по ионному, а по радикальному механизму (см. радикальное присоединение к алкенам).
Присоединение к алкену гипогалогенитных кислот носит название реакции гипогалогенирования. При этом получаются соединения, содержащие атом галогена и гидроксильную группу у соседних атомов углерода – галогенгидрины:
Направление реакции определяется правилом Марковникова в следующей трактовке: при гипогалогенировании алкенов атом галогена направляется к наиболее гидрогенизированному атому углерода двойной связи:
При гипогалогенировании необязательно использование самих кислот. Можно использовать галоген и воду.
Механизм реакции включает стадию образования наиболее устойчивого карбокатиона и стадию присоединения последним молекулы воды:
В определенных условиях этиленовые углеводороды способны присоединять молекулы альдегидов с образованием шестичленных гетероциклических соединений с двумя кислородами в кольце. На примере изобутилена и формальдегида возможный механизм электрофильного присоединения в этом случае представляется следующим:
Электрофильная частица возникает при протонировании молекулы альдегида. Далее происходит электрофильная атака алкена в направлении образования наиболее устойчивого карбокатиона, нуклеофилом к которому выступает другая молекула альдегида. Реакция завершается внутримолекулярной циклизацией и отщеплением протона.
В реакции лучшие результаты получены с участием формальдегида и ацетальдегида. Этилен в реакцию Принса вовлечь не удалось. Другие алкены формальдегид (в виде формалина – 36% - ного водного раствора) присоединяют без затруднений. В промышленном масштабе конденсацией изобутилена с формальдегидом получают 4,4-диметил-1,3-диоксан – промежуточный продукт при получении важнейшего мономера современной промышленности синтетического каучука изопрена:
7. Присоединение алкенов (димеризация, полимеризация).
При нагревании изобутилена в присутствии серной кислоты Бутлеров наблюдал образование продуктов, состоящих из 8- и 12 атомов углерода, т.е. димеризацию и тримеризацию изобутилена. Среди соединений, входящих в состав димеров, преобладали 2,4,4-триметил-1-пентен и 2,4,4-триметил-2-пентен:
Образование именно этих соединений легко объясняется в рамках механизма электрофильного присоединения к кратной углерод-углеродной связи:
Вначале происходит протонирование алкена с образованием более устойчивого карбокатиона – трет.бутильного. Катион далее присоединяется к еще одной молекуле изобутилена. При этом также получается наиболее стабильный димерный карбокатион. Судя по строению продуктов реакции, этот ион отщепляет протон от одного из соседних углеродов и превращается в продукты димеризации. Кроме этого направления реакции, димерный карбокатион, как и его предшественник, может присоединяться к следующей молекуле изобутилена. Если такое направление реакции будет повторяться многократно, то получится продукт (полимер), состоящий из многих остатков исходного алкена (мономера). Образование полимера из многих молекул мономера называется полимеризацией.
К полимеризации способны все алкены. Труднее всего среди непредельных углеводородов полимеризуется этилен. Для этого требуется 2000, очень высокое давление – свыше 1500 атм., и присутствие следов кислорода. Полимеризация в этом случае носит цепной радикальный характер:
Вплоть до обрыва цепи, который когда-нибудь случается, например, из-за рекомбинации, растущая частица остается радикалом. Следует заметить, что полимеризация в общем случае может протекать и по ионному механизму – карбокатионному или карбанионному.
К.Циглер обнаружил, что полимеризацию этилена можно осуществить в несравненно мягких условиях при использовании каталитической системы, состоящей из триэтилалюминия (триалкилалюминия) и четыреххлористого титана (галогенидов металлов переменной валентности). Для сравнения с условиями полимеризации при высоком давлении, приведем условия полимеризации этилена по Циглеру: 56 – 700, 0 – 7 атм. Образование т.н. полиэтилена низкого давления в этом случае идет как постепенное внедрение молекул этилена по связи между алюминием и этильным радикалом:
Процесс завершается распадом образовавшегося триалкилалюминия:
При взаимодействии алкенов с алканами в молекулу последних вводится алкильный радикал – происходит т.н. реакция алкилирования. Реакция между изобутиленом и изобутаном в присутствии серной или фосфорной кислот приводит к 2,4,4-триметилпентану (изооктану), являющемуся ценным компонентом моторных топлив. Ход реакции в этом случае, протекающей как электрофильное присоединение, можно представить следующим механизмом:
Своеобразие алкилирования заключается в способе стабилизации карбокатиона. В данном случае свое стремление получить пару электронов и заполнить электронную оболочку до октета карбокатион реализует путем отрывания гидридиона от молекулы предельного углеводорода.
Алкилирование – эффективный способ получения алканов разветвленного строения, представляющих интерес как высокооктановое моторное топливо.
9. Оксосинтез (гидроформилирование).
Реакция присоединения к этиленовым углеводородам оксида углерода и водорода с получением альдегидов называется оксосинтезом (Реппе). Реакция проводится при 100 – 2000, под давлением 100 – 200 атм. в присутствии кобальтового или никелевого катализатора. Активным началом кобальтового катализатора является гидрокарбонил кобальта НСо(СО)4.
В промышленности реализован оксосинтез пропилена с целью получения масляного альдегида:
В качестве побочного продукта в этом процессе получается изомасляный альдегид с выходом до 25%.
Действительный механизм оксосинтеза не установлен.
10. Присоединение карбена.
Карбен – реакционная частица :СН2, существующая в двух различных формах. В одной из них два внешних электрона спарены и находятся на общей орбитали. Такой метилен называется синглетным (:СН2). В другой форме свободные электроны не спарены, каждый из них находится на собственной орбитали. Этот бирадикальный метилен называется триплетным.
Вследствие дефицита электронов, а углерод в метилене окружен лишь шестью электронами, карбены относятся к электрофильным активным частицам и способны присоединяться к алкенам (и синглетный, и триплетный) с образованием производных циклопропана:
Имея в виду природу образующихся продуктов, присоединение карбена к алкенам часто называют циклопропанированием.
Метилен (синглетный) образуется при фотолизе диазометана, а часто применяемый при циклопропанировании дихлоркарбен :ССl2 легко получается при взаимодействии хлороформа с сильным основанием:
Б. Реакции радикального присоединения.
1. Гидробромирование. Механизм радикального присоединения к алкенам был предложен Харашом и Майо еще в 1933 году для объяснения результатов присоединения бромистого водорода к алкенам против правила Марковникова:
Такое направление присоединения наблюдается в присутствии перекисей, образующих в условиях реакции радикалы. Эти радикалы вызывают гомолиз бромистого водорода с образованием атомарного брома. При атаке этой частицей молекулы алкена образуется более устойчивый радикал, который в последующей быстрой стадии осуществляет гомолитическое расщепление молекулы галогенводорода. При этом получается продукт реакции и радикал брома, продолжающий цепь превращений:
Интересно отметить, что если ионное присоединение к алкенам протекает через промежуточное образование наиболее устойчивого карбокатиона, то гомолитическое присоединение также идет через наиболее стабильную частицу – радикал.
2. Присоединение четыреххлористого углерода. Другим примером радикального присоединения к алкенам является реакция между четыреххлористым углеродом и этиленовым углеводородом при освещении ультрафеолетом. Предполагается, что инициирование освещением вызывает гомолиз одной из связей С-Сl с образованием трихлорметильного радикала, который далее атакует двойную связь в направлении возникновения устойчивого радикала:
Продукты этой реакции представляют большую ценность при синтезе непредельных-, окси- и аминокислот, поскольку трихлорметильная группа легко гидролизуется в карбоксил, а атом галогена вступает в различные реакции замещения и в реакцию элиминирования.
В. Радикальное замещение.
Поскольку в состав молекулы алкенов входят и алкильные остатки, то они могут реагировать и с их участием. Понятно, что это будут изученные нами реакции свободнорадикального замещения. Однако эти реакции будут конкурировать с реакциями радикального или ионного присоединения. При этом кажется, что реакция присоединения полностью подавит замещение, поскольку она протекает в несравнимо мягких условиях. Как это ни удивительно, были найдены условия, при которых в основном идет замещение. Так, при хлорировании пропилена при 500 - 6000 получается не 1,2-дихлорпропан, а хлористый аллил:
Для объяснения результатов высокотемпературного хлорирования было предположено (Браун), что и при высокой температуре атом хлора присоединяется с образованием соответствующего радикала. Однако для этого радикала скорость вступления во вторую стадию свободнорадикального присоединения гораздо меньше, чем скорость отщепления уже присоединившегося галогена. В результате реакция присоединения не доходит до конца, т.е. до получения дигалогенпроизводного. В то же время развитию реакции свободнорадикального замещения через аллильный радикал ничего не препятствует:
Заместительное (аномальное) хлорирование пропилена используется в промышленности для получения хлористого аллила – промежуточного продукта в синтезе глицерина.
Другие реакции алкенов.
Кроме рассмотренных реакций, алкены способны к превращениям еще по многим другим направлениям.
1. Гидрирование. Присоединение водорода по кратной связи алкенов приводит к предельным углеводородам:
Наиболее активными катализаторами гидрирования являются платина, палладий или рутений в тонко диспергированном виде. Эти катализаторы настолько активны, что реакция может протекать уже при 25 – 900 при небольшом давлении. Такой же активностью обладает катализатор «никель Ренея», получаемый из сплава никеля с алюминием обработкой щелочью. При этом щелочь растворяет алюминий, а никель приобретает сильно развитую поверхность. Имеется целая группа более дешевых катализаторов: медь, кобальт, железо, хромит меди. При использовании этих катализаторов реакцию приходится проводить при 150 – 2500 и давлениях 200 – 350 атм.
Гидрирование алкенов едва ли имеет практическое значение (гораздо более актуальна обратная задача получения алкенов из алканов из-за их доступности) и представляет некоторый интерес для аналитических целей и при изучении устойчивости олефиновых углеводородов.
При гидрировании разрывается -связь молекулы алкена (для этого требуется затратить около 60 ккал) и связь между атомами водорода (энергия этой связи 104 ккал). Общие затраты энергии составят 164 ккал. В то же время происходит образование двух С-Н связей с выделением 97х2=194 ккал. Отсюда следует, что гидрирование – процесс экзотермический, протекающий с выделением около 30 ккал на каждую двойную связь. Количество тепла, выделяющееся при гидрировании одного моля алкена, называется теплотой гидрирования.
Теплоты гидрирования алкенов хотя и близки к указанным 30 ккал, однако различаются между собой. Связь между строением этиленового углеводорода и теплотой гидрирования дает ценную информацию об относительной устойчивости алкена. В качестве примера укажем теплоты гидрирования некоторых алкенов:
Все эти изопентены при гидрировании дают один и тот же изопентан. Следовательно, различие в теплотах гидрирования обусловлено их неодинаковой устойчивостью. Систематическое изучение связи между строением алкена и его теплотой гидрирования позволило установить, что чем больше степень замещения при двойной связи, тем устойчивее алкен. Алкены по уменьшению устойчивости располагаются в следующий ряд:
Выявление указанной закономерности имеет большое значение, поскольку позволяет предсказать направление реакций элиминирования (соблюдение правила Зайцева при дегидратации и дегидрогалогенировании), протекающих с образованием наиболее замещенных алкенов.
2. Окисление. При окислении алкенов, в зависимости от условий проведения реакции и природы окислителя, получаются разнообразные кислородсодержащие соединения. Рассмотрим некоторые варианты окисления алкенов.
а) При окислении алкенов гидроперекисями ацилов (надкислотами) получаются эпоксиды (реакция Прилежаева):
Однако промышленный синтез некоторых важнейших эпоксидов основан на высокотемпературном окислении алкенов кислородом воздуха в присутствии серебряного катализатора. В частности, так получают окись этилена в основном используемый для синтеза этиленгликоля:
б) Обычные окислители превращают алкены в вицинальные двухатомные спирты – гликоли (реакция Вагнера). В результате окисления этилена разбавленным раствором перманганата калия образуется этиленгликоль:
Для гидроксилирования алкенов, кроме указанного окислителя, используют надмуравьиную кислоту, перекись водорода в присутствии катализаторов (оксиды осьмия, хрома и др.).
в) В некоторых случаях окисление алкенов протекает с полным разрушением двойной связи. Получающиеся при этом фрагменты дают карбоновые кислоты и кетоны:
Так окисление идет при использовании концентрированных растворов сильных окислителей: перманганата калия, хромовой кислоты, азотной кислоты. По продуктам окисления можно судить о строении алкенов.
г) Озонолиз. Под озонолизом понимают окисление алкенов с расщеплением двойной связи под действием озона (реакция Гарриеса). Продуктами реакции являются альдегиды и кетоны. Если не принять меры, альдегиды могут окисляться дальше до карбоновых кислот.
Озонолиз алкенов протекает в две стадии - вначале получаются неустойчивые озониды, которые при взаимодействии с водой дают карбонильные соединения и перекись водорода:
Озонирование алкенов часто используется при установлении их строения. Если известно, например, что в результате озонолиза получены ацетон и изомасляный альдегид:
то они могли образоваться только из 2,4-диметил-2-пентена.
3. Алкадиены.
Молекула углеводорода может включать и две двойные связи, которые, в соответствии с их расположением относительно друг друга, можно разделить на три основных типа:
- углеводороды с кумулированными (примыкающими к одному углероду) двойными связями – аллен и его гомологи;
- углеводороды с сопряженными (конъюгированными) двойными связями – бутадиен и его гомологи;
- углеводороды с изолированными двойными связями.
Среди этих трех групп углеводородов наибольший интерес представляют диены с сопряженными двойными связями. Они проявляют своеобразные свойства и имеют большое практическое значение, поскольку важнейшие мономеры промышленности синтетических каучуков дивинил и изопрен относятся к сопряженным диенам.
Наиболее часто встречающиеся алкадиены имеют следующее строение и название по тривиальной и систематической номенклатурам:
При составлении названий сопряженных диенов наличие в молекуле двух двойных связей отображается суффиксом диен, а положение их в главной цепи указывается соответствующими локантами.
Методы получения
Две двойные связи в диенах создаются теми же способами, что и одна в моноалкенах. Это – дегидрирование алканов и алкенов, дегидратация двухатомных спиртов, дегидрогалогенирование и дегалогенирование др. Рассмотрим методы поучения важнейших алкадиенов.
Дивинил. Этот диен в промышленности получают дегидрированием в одну или две стадии бутана. Процесс проводится с использованием алюмохромового (смесь оксидов хрома и алюминия) катализатора при 600 – 6600:
Процессу дегидрирования благоприятствуют низкое давление и высокая температура.
Нельзя не отметить, что первый промышленный синтез дивинила из этилового спирта был осуществлен в России в 40-ые годы прошлого столетия Лебедевым. Этим были заложены основы промышленности синтетического каучука (СК). Процесс может быть представлен суммарным уравнением:
Судя по характеру образующихся продуктов, в ходе процесса имеют место реакции конденсации, дегидратации и дегидрирования. Все эти превращения удивительным образом происходят в одном реакторе при 3700, на одном и том же катализаторе, представляющем собой смесь оксидов цинка и алюминия. Цепь превращений при этом включает дегидрирование этилового спирта в уксусный альдегид, конденсацию в кротоновый альдегид, гидрирование в кротиловый спирт и, наконец, дегидратацию в дивинил:
В Германии бутадиен получали в свое время из ацетилена через продукты альдольной конденсации или через бутандиол. В Европе в настоящее время потребности в дивиниле в значительной мере покрываются за счет выделения диена из смолы пиролиза.
Изопрен. Изопрен – один из основных мономеров промышленности СК. Для него предложены десятки методов получения исходя из доступных исходных соединений. Однако на практике применяются два из них.
Дегидрирование изопентана или изоамиленов проводится в условиях и на катализаторах, применяемых для дегидрирования бутана:
Другой способ получения изопрена из изобутилена и формальдегида через диметилдиоксан был упомянут ранее (см. химические свойства алкенов):
Химические свойства.
В бутадиене каждый из углеродных атомов sp2 гибридизован. Гибридные орбитали используются на образование связи между углеродами и углеродными и водородными атомами. Оставшиеся вне гибридизации р-электроны образуют вторые связи между С1 и С2 а также между С3 и С4. При этом не исключается и некоторое перекрывание р-орбиталей между С2 и С3:
Все это приводит к некоторому удлинению двойных связей (1,35 вместо 1,34 ангстрема) и укорочению одинарной связи между центральными углеродами (1,46 вместо 1,54 ангстрема). Эта особенность в строении алкадиенов и обуславливает, по-видимому, своеобразие свойств этой группы углеводородов. К этим особенностям алкадиенов относят то, что они: более устойчивы, вступают в 1,4-присоединение, более реакционноспособны, чем алкены.
Большая термодинамическая стабильность диенов с сопряженными двойными связями по сравнению с алкадиенами с изолированными двойными связями следует из следующих данных.
Теплота гидрирования 1,4-пентадиена составляет величину, близкую к ожидаемой – 60,8 ккал/моль (около 30 ккал на каждую двойную связь). При гидрировании же 1,3-пентадиена выделяется лишь 54,1 ккал/моль. Это меньше ожидаемой величины почти на 6 ккал. Если при гидрировании 1,3-пентадиена выделяется меньше энергии, чем при гидрировании 1,4- пентадиена, то это означает, что он сам содержит меньше энергии и, следовательно, более устойчив, чем углеводород с изолированными двойными связями.
1. Электрофильное присоединение. Диеновые углеводороды с сопряженными двойными связями вступают во все реакции, характерные для алкенов. Так, бутадиен реагируют с последовательным вовлечением в реакцию двойных связей с бромом:
Однако неожиданно в продуктах монобромирования оказывается не только 3,4-дибром-1-бутен, но и 1,4-дибром-2-бутен:
Это соединение может получиться, если бром атакует диен по концам сопряженной системы двойных связей с перемещением одной из них к центру молекулы. Такое направление реакции и называется 1,4-присоединением.
Для объяснения 1,4-присоединения рассмотрим гидрохлорирование 2,4-гексадиена. В соответствии с предложенным механизмом электрофильного присоединения к С=С связи (см. химические свойства алкенов) гексадиен в медленной элементарной стадии будет протонироваться. При этом в зависимости от атаки по второму или третьему углероду возможно образование различных карбокатионов:
Известно, что ионное присоединение обычно протекает с промежуточным образованием более стабильного карбокатиона. Причем, об устойчивости алкильных карбокатионов можно судить по тому, являются ли они первичными, вторичными или третичными. В рассматриваемом случае оба карбокатиона оказались вторичными. Какой же из них более устойчив?
При внимательном рассмотрении карбокатионов (I) и (П) обнаруживается, что они заметно отличаются по строению: (I) относят к ионам аллильного типа.
Образование самого аллильного катиона можно представить следующим образом. Затратив энергию диссоциации (77 ккал), можно осуществить гомолиз связи С-Н в метильной группе пропилена с получением аллильного радикала. Потенциал ионизации этого радикала составляет 188 ккал. Следовательно, для получения аллильного карбокатиона из пропилена надо затратить в сумме 265 ккал:
Для сравнения напомним, что трет.бутильный катион получается из изобутана с затратой 262 ккал. Отсюда видно, что аллильный катион, хотя он и первичный, однако не уступает третичному по устойчивости. Причина этого кроется в том, в аллильном катионе электронодефицитный углерод расположен рядом с двойной связью. Электроны двойной связи принимают настолько активное участие погашении заряда у этого углерода, что один из р-электронов вообще переходит к нему, обнажив положительный заряд у другого углерода:
В результате происходит эффективная делокализация (рассредоточение) заряда таким образом, что он принадлежит уже не к одному конкретному углероду, а ко всей аллильной системе:
Вернемся к карбокатиону (I). В свете изложенного выше понятно, что этот катион аллильного типа можно написать в виде структуры (Ш):
Видно, что при стабилизации иона нуклеофильная атака анионом хлора возможна на С3 в (I) и в результате будет иметь место 1,2-присоединение; при атаке же на С5 в (Ш) будет наблюдаться 1,4-присоединение:
Таким образом, образование при электрофильном присоединении к алкадиенам в качестве промежуточной частицы устойчивого катиона аллильного типа объясняет как высокую реакционную способность этих непредельных углеводородов, так и возможность реакций 1,2- и 1,4-присоединения.
Пойдет ли реакция как 1,2- или 1,4-присоединение зависит от условий ее проведения. Например, при бромировании бутадиена в более мягких условиях (-800) образуется больше продукта 1,2-присоединения; при +400 превалирует продукт 1,4-присоединения. Понятно, что 1,2-присоединение происходит быстрее, чем 1,4-присоединение. В мягких условиях проведения реакции соотношение продуктов 1,2- и 1,4-присоединения отражает скорости их образования. В этом случае первый из них называют кинетически контролируемым продуктом реакции. С ужесточением условий проведения реакции состав продуктов определяется в соответствии с их термодинамической устойчивостью. Поэтому 1,4-аддукт называют термодинамически контролируемым продуктом реакции.
2. Полимеризация. Как и моноолефины, диеновые углеводороды с сопряженными двойными связями способны полимеризоваться за счет двойных связей. В случае несимметричных диенов (изопрена) полимеризация может протекать как 1,2-, 3,4- или же 1,4-присоединение с встраиванием в полимерную цепочку следующих фрагментов в любых сочетаниях:
К тому же фрагменты могут присоединяться по типу «голова к хвосту» или наоборот. Наконец, в полученном полимере, представляющем собой полиолефин, возможно проявление цис- и транс-изомерии. Понятно, что если процесс полимеризации как-то не регулировать, полимер будет представлять собой хаотическое сочетание всех вышеуказанных фрагментов. А это, в свою очередь, скажется на свойствах полимера. А насколько строение влияет на свойство, может быть продемонстрировано на примере цис-1,4-полиизопрена и транс-1,4-полиизопрена:
Натуральный каучук имеет строение цис-1,4-полиизопрена, а транс-изомер – это гуттаперча, который также является натуральным продуктом.
Получение цис-1,4-полиизопрена из изопрена долгое время казалась неразрешимой проблемой, пока не была разработана каталитическая система на основе триалкилалюминия и галогенидов переходных металлов (катализаторы Циглера – Натта), позволяющая осуществлять т.н. стереорегулярную полимеризацию.
Большое значение имеют и бутадиеновые каучуки, получаемые полимеризацией дивинила в присутствии натрия. Еще в начале 40-ых годов прошлого столетия впервые в мире промышленное производство этого каучука было организовано в СССР. В настоящее время широко используются и сополимеры бутадиена с другими мономерами, например, со стиролом. Все перечисленные виды каучуков относят к каучукам общего назначения, используемым при производстве массовых резинотехнических изделий.
Прекрасным конструкционным материалом каучук стал после открытия процесса вулканизации (Гудьир, 1839 г.). Было установлено, что после нагревания с серой (около 8%) и внесения наполнителей (сажа) каучук превращается в нелипкий и эластичный эластомер. При вулканизации сера связывает между собой полимерные цепи. Реакция идет за счет двойных связей и по аллильному положению:
3. Реакция Дильса - Альдера. Реакция 1,4-присоединения к алкадиенам ненасыщенных соединений с активированной двойной связью носит название реакции Дильса-Альдера или реакции диенового синтеза. Реакция была открыта в 1929 году на примере взаимодействия бутадиена с малеиновым ангидридом:
Соединения, реагирующие с диенами в реакции Дильса-Альдера, называются диенофилами. Наиболее активными диенофилами являются алкены, у которых двойная связь сопряжена с электроноакцепторными группами (СНО, СООН, СN, NO2 и др.). В то же время наиболее реакционноспособные в этой реакции диены содержат при двойной связи электронодонорные группы.
Механизм реакции Дильса-Альдера не вполне ясен. Во всяком случае в ходе этой реакции не получаются уже рассмотренные нами активные частицы – радикалы и ионы. Чтобы образовалась молекула аддукта реакции диенового синтеза, необходим разрыв двух -связей в диене и еще одной -связи в диенофиле; в то же время возникают две новые -связи и одна -связь в молекуле продукта реакции. Предполагают, что все это происходит одновременно в шестичленном активированном переходном комплексе.
Диеновый синтез широко используется для качественного и количественного определения алкадиенов, а также в органическом синтезе.
4. Алкины (ацетиленовые углеводороды).
В молекуле ацетиленовых углеводородов имеются углероды, связанные тройной связью. Вот простейшие алкины и их названия:
Алкины образуют гомологический ряд с общей формулой Сn Н2n-2. Изомерия у алкинов связана со строением углеродного скелета и положением тройной связи в цепи. Алкины можно называть как замещенные ацетилены или по систематической номенклатуре. В этом случае как обычно выбирается главная цепь в молекуле углеводорода, включающая тройную связь. Цепь нумеруется и составляется название. Наличие тройной связи указывается путем изменения суффикса ан на ин в названии углеводорода, обозначающего главную цепь.
Радикал, образованный путем отрыва водорода от молекулы ацетилена
носит название ацетиленил.
4.1. Методы получения.
1. Из ацетиленовых углеводородов наибольшее практическое значение имеет ацетилен. При промышленном производстве его используется два способа, оба из которых отличаются большим энергопотреблением.
По одному из способов сначала из оксида кальция и угля при температуре вольтовой дуги получают карбид кальция. При действии воды на карбид получается ацетилен:
Второй способ основан на высокотемпературном пиролизе углеводородов чаще метана (см. химические свойства алканов).
2. Гомологи ацетилена обычно получают алкилированием самого ацетилена. При этом вначале из ацетилена действием амида натрия в жидком аммиаке получают ацетиленид натрия, который в реакции алкилгалогенидами превращается в алкилзамещенный ацетилен. Синтез можно вести и через магнийгалогенацетилен (Иоцич):
3. Дегидрогалогенирование вицинальных или геминальных (атомы галогена у одного и того же углерода) дигалогенпроизводных спиртовой щелочью также приводит к алкинам:
4.2. Химические свойства.
Углеродные атомы в молекуле ацетилена, связанные тройной связью, sp гибридизованы. За счет этих гибридных орбиталей они связаны друг с другом и с водородными атомами. У углеродных атомов имеются еще по две р-орбитали. За счет перекрывания этих орбиталей образуются еще две связи между углеродами. Таким образом, тройная связь представляет собой комбинацию из двух -связей и одной -связи:
Тройная углерод – углеродная связь имеет длину 1,20 ангстрема и прочность 199 ккал/моль.
Проявляя свой ненасыщенный характер, ацетиленовые углеводороды вступают в реакции электрофильного, нуклеофильного и радикального присоединения. Однако в этих реакциях они часто уступают алкенам по реакционной способности. Сравним реакции гидрохлорирования этилена и ацетилена. В соответствии с известным механизмом электрофильного присоединения стадия протонирования углеводорода с образованием карбокатиона определяет скорость процесса в целом. В реакции с участием этилена при этом получается этильный ион:
Аналогичная стадия с ацетиленом приводит к винильному карбокатиону:
Понятно, что скорости образования этих карбокатионов определяются их устойчивостью.
Для получения этильного иона из этана требуется затратить 97 ккал (энергия диссоциации связи С-Н) и еще 202 ккал (потенциал ионизации). Всего 299 ккал:
Винильный карбокатион можно получить аналогично из этилена:
Отсюда видно, что для образования винильного радикала нужно затратить больше энергии (104-122 ккал), чем для получения этильного радикала (97 ккал). Следовательно, винильный радикал содержит больше энергии, менее устойчив и труднее образуется, чем этильный. То же самое может быть сказано и о винильном карбокатионе. Таким образом, в меньшей устойчивости винильных радикалов и ионов кроется причина меньшей реакционной способности алкинов в реакциях радикального и электрофильного присоединения. Вместе с тем при оценке реакционной способности алкинов необходимо учитывать влияние и других факторов, например, природы электрофильного реагента. Так, замечено, что реагенты, способные образовать промежуточные частицы типа бромонивых ионов (мостиковые интермедиаты), с двойными связями взаимодействуют быстрее, чем с тройными. Присоединение же Н+ идет примерно с одинаковыми скоростями.
Рассмотрим некоторые характерные реакции алкинов.
4.2.1. Гидрирование. При гидрировании алкинов вначале образуются алкены, затем алканы:
Известно, что этиленовые углеводороды гидрируются легче, чем ацетиленовые. Тем не менее, алкены могут быть основными продуктами гидрирования. Гидрирование – процесс каталитический и на его результат влияет и сорбционные свойства углеводородов. Алкины по сравнению с алкенами прочнее сорбируются на поверхности катализатора и не пускают туда молекулы олефинов.
Для гидрирования алкинов можно использовать обычные гетерогенные катализаторы. Однако наиболее удачным катализатором считается катализатор Линдлара – палладий на углекислом кальции, частично дезактивированном ацетатом свинца.
Каталитическое гидрирование алкинов обычно приводит к цис-алкенам. Объясняется это тем, что адсорбированную на поверхности катализатора молекулу алкена водородные атомы могут атаковать лишь с одной стороны. Алкины гидрируются также с помощью натрия или лития в жидком аммиаке с образованием преимущественно транс-алкенов:
Реакция, приводящая к одному из нескольких возможных пространственных изомеров (стереоизомеров), называется стереоселективной.
4.2.2. Окисление. Алкины окисляются аналогично алкенам. Под действием озона или перманганата калия они претерпевают разрушение тройной связи и превращаются в карбоновые кислоты:
При этом алкины с концевой тройной связью при окислении дают диоксид углерода и карбоновую кислоту.
Окисление алкинов используется при установлении их строения.
4.2.3. Изомеризация. Ацетиленовым углеводородам присуща изомеризация, связанная с перемещением тройной связи. Под воздействием щелочных металлов тройная связь переходит на конец молекулы с образованием ацетиленидов. Спиртовые растворы щелочей (алкоголяты) вызывают обратный процесс:
4.2.4. Полимеризация. Для алкинов найдены конкретные экспериментальные условия, позволяющие получить разнообразные продукты.
В присутствии солей одновалентной меди ацетилен димеризуется в винилацетилен (Ньюленд, 1931 г.):
Возможно также образование дивинилацетилена. Винилацетилен используется для получения 2-хлор-1,3-бутадиена (хлоропрена), являющегося мономером при производстве хлоропренового масло-бензостойкого синтетического каучука:
При 600 – 8000 ацетилен тримеризуется с образованием бензола (Бертело, 1860 г.):
В присутствии активированного угля превращение ацетилена в бензол протекает при более низкой температуре (4000) (Зелинский).
Гомологи ацетилена циклотримеризуются в более мягких условиях под действием концентрированной серной кислоты. Пропин при этом дает симметричный триметилбензол (мезитилен)
Под каталитическим действием цианистого никеля (ацетиленид никеля) в растворе тетрагидрофурана при 60 – 700 и 20 атм. ацетилен тетрамеризуется в циклооктатетраен:
4.2.5. Кислотность. По Бренстеду – Лоури кислота – это соединение, способное отдавать протон, а основание – это соединение, готовое принять протон. Поскольку почти все органические соединения в составе своей молекулы имеют водородные атомы, то многие из них могут быть отнесены к кислотам. Иногда константу кислотности вычисляют даже у метана, хотя искать у этого углеводорода кислотные свойства – это уже сильное преувеличение. Тем не менее, в органической химии часто имеют дело с кислотами, относящимися к настолько слабым кислотам, которые даже не окрашивают лакмуса. Как же судить в таком случае о кислотности соединения?
Универсальным приемом для обнаружения очень слабых кислотных свойств является реакция с металлическим натрием с выделением водорода. Известно, что ацетилен реагирует с натрием:
При этом выделяется водород и образуется соль - ацетиленид натрия, представляющая собой ионно построенное соединение.
Следует отметить, что рассмотренная реакция не единственная реакция ацетиленового углеводорода как кислоты. К другим реакциям этого типа относятся реакции алкинов с сильными основаниями: гидридом натрия или амидом натрия:
Кислотность алкинов связана с наличием водородного атома у углерода тройной связи. Например, в этилацетилене в реакции участвует именно метиновый водород, хотя в этом соединении имеются и метильные, и метиленовые водороды:
Хорошо известно, что кислотность веществ определяется электроотрицательностью партнеров водорода в молекуле: чем выше электроотрицательность, тем сильнее кислотность. В рассматриваемой молекуле этилацетилена три водорода связаны с sp3-гибридизованным углеродом, два – с sp2-гибридизованным и один – с sp-гибридизованным. Эти рассуждения приводят к удивительному заключению: оказывается, углеродные атомы могут иметь различную электроотрицательность и это зависит от вида гибридизации. Сsp проявляет большую электроотрицательность, чем Сsp2 и Csp3.
Насколько же сильными кислотами являются алкины с концевой тройной связью? Имеется в виду не сравнение с «настоящими» кислотами, хотя бы с уксусной кислотой, которой ацетилен уступает по кислотности в 1021 раз (!), а с себя подобными слабыми кислотами.
При оценке кислотности алкинов весьма удобным оказалось использование известного наблюдения, заключающегося в том, что более сильная кислота вытесняет более слабую кислоту из ее соли.
Амид натрия – соль аммиака как кислоты. Выше было показано, что ацетилен как более сильная кислота вытесняет аммиак из этой соли:
Известно, что вода как кислота вытесняет ацетилен из его соли:
Из этих данных следует, что ацетилен по кислотности находится между аммиаком и водой:
Известны ацетилениды не только натрия, но и тяжелых металлов (например, Ag, Cu, Hg). Однако считают, что только натриевые соли являются истинными, поскольку построены ионно. В то же время производные тяжелых металлов с алкинами с концевыми тройными связями представляют собой ковалентно построенные соединения, нерастворимые в воде.
Ацетиленид серебра или меди получается при взаимодействии ацетилена с аммиачным раствором оксида серебра или меди:
Ацетилениды серебра или меди осаждаются – выпадают в осадок. Упомянутые реакции служат для обнаружения в соединении концевой тройной связи.
Алкины с концевой тройной связью реагируют также с алкильными реактивами Гриньяра (Иоцич, 1902 г.):
Эти магнийорганические соединения находят применение в органическом синтезе.
4.2.6. Галогенирование. При взаимодействии галогенов с алкинами происходит их двухступенчатое присоединение с образованием вначале дигалогенпроизводного алкена (транс-присоединение), затем – тетрагалогензамещенного алкана:
Хотя, как это уже обсуждалось, в реакциях электрофильного присоединения алкены активнее алкинов, подбором условий проведения реакции возможно преимущественное получение как ненасыщенных дигалогенпроизводных, так и тетрагалогензамещенных алканов:
Галогенирование алкинов – типичная реакция электрофильного присоединения. Механизм реакции в приложении к бромированию диметилацетилена следующий:
Как и в случае алкенов, галогенирование алкинов может протекать и по радикальному механизму.
4.2.7. Гидрогалогенирование. В присоединении галогенводородов к алкинам и алкенам много общего. В том и другом случае реакция идет по механизму электрофильного присоединения с соблюдением правила Марковникова. По очевидной причине гидрогалогенирование алкинов – процесс двухстадийный:
При гидрохлорировании ацетилена на первой стадии получается хлористый винил, который является важнейшим мономером в производстве полимеров. Полимеризацией хлористого винила получают поливинилхлорид (ПВХ), нашедший широкое применение как электроизоляционный материал, конструкционный материал при изготовлении моющихся обоев, линолеума, панелей, оконных рам и т.д. Следует отметить, что хлористый винил отнесен к первому списку химических веществ, вызывающих раковые заболевания. Такие вещества называются канцерогенами.
Присоединение бромистого водорода к несимметричным алкинам в присутствии источника радикалов происходит против правила Марковникова:
4.2.8. Гидратация. В присутствии солей двухвалентной ртути и серной кислоты (реакция Кучерова, 1880 г.) алкины присоединяют воду и превращаются в уксусный альдегид или кетоны:
Предполагается, что при гидратации ацетиленовых углеводородов вначале образуются ненасыщенные спирты с гидроксильной группой при углероде двойной связи. Такие спирты – енолы – неустойчивы и по мере образования изомеризуются в ацетальдегид (в случае гидратации ацетилена) или в кетоны (во всех других случаях):
Такие структурные изомеры, существующие в равновесии, называются таутомерами. Данный частный случай таутомерии носит название кето-енольной и представляет собой один из видов прототропного равновесия. Соединения, находящиеся в состоянии прототропного равновесия, отличаются только положением водорода и электронов.
Можно было бы думать, что гидратация ацетиленовых углеводородов протекает как обычное двухстадийное электрофильное присоединение по тройной связи:
Тем более, в ходе этой реакции соблюдается правило Марковникова, что присуще электрофильному присоединению.
Однако этот механизм не объясняет роли двухвалентной ртути, без которой гидратация не идет. Поэтому был предложен другой механизм электрофильного присоединения. Предполагается, что на первой стадии реакции образуется комплекс с участием ртути. В последующем этот комплекс атакуется молекулой воды. Потеря промежуточным продуктом протона с дальнейшим гидролизом приводит к енолу:
4.2.9. Присоединение карбоновых кислот. В условиях реакции Кучерова ацетиленовые углеводороды присоединяют и карбоновые кислоты:
Продуктом этой реакции являются сложные эфиры карбоновой кислоты и винилового спирта. В рассмотренном случае получается винилацтетат, широко используемый при производстве поливинилацетата (ПВА). Интересно отметить, что виниловый спирт неустойчивый, а его производные, в частности винилацетат, вполне устойчивые соединения. Объяснение этого заключается в том, что эфиры, в отличие от енолов, не содержат гидроксильной группы, обуславливающей таутомеризацию за счет протона этой группы.
Виниловые эфиры способны присоединять еще одну молекулу кислоты с образованием т.н. ацилалей, представляющих собой сложные эфиры карбоновых кислот с двухатомными спиртами с гидроксилами при одном углероде:
4.2.10. Присоединение спиртов. Присоединение спиртов к ацетилену катализируется кислотами и основаниями. При кислотном катализе реакция идет как электрофильное присоединение:
При нуклеофильном присоединении атакующей частицей является алкокси-анион:
При присоединении спиртов а алкинам можно получить простые эфиры винилового спирта или ацетали – простые эфиры двухатомных спиртов с гидроксилами при одном углероде:
4.2.11. Присоединение карбонильных соединений. Присоединение карбонильных соединений к ацетилену лежит в основе некоторых практически важных синтезов.
Присоединение формальдегида к ацетилену происходит в присутствии ацетиленида меди (Реппе, 1945 г.). При этом образуется два важных продукта – пропаргиловый спирт и бутиндиол-1,4:
Еще раньше было показано, что к ацетилену легко присоединяется ацетон (Фаворский, 1900 г.) в присутствии порошкообразного едкого кали. Продуктом реакции является диметилацетиленилкарбинол:
Как бутиндиол, так и диметилацетиленилкарбинол, могут быть превращены в соответствующие диеновые углеводороды с сопряженными двойными связями – бутадиен и изопрен.
Возможный механизм нуклеофильного присоединения алкинов к карбонильным соединениям на примере реакции ацетилена с ацетоном следующий:
4.2.12. Присоединение синильной кислоты. Склонность тройной связи к нуклеофильной атаке гораздо выше, чем у алкенов. Это проявляется и в реакции с синильной кислотой, с которой алкены не реагируют:
В результате реакции получается акрилонитрил – ценный мономер, используемый в производстве полимеров.
ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ
Галогенпроизводные углеводородов можно рассматривать как результат замещения одного или нескольких водородных атомов на одинаковые или разные атомы галогенов. В соответствии со сказанным галогенпроизводные углеводородов можно подразделить на моно- и полигалогенпроизводные алканов, алкенов и алкинов.
Моногалогенпроизводные алканов (галоидные алкилы) имеют общую формулу СnH2n+1Hal. В зависимости от того, с каким углеродом связан галоген, различают первичные, вторичные и третичные галогенпроизводные.
Изомерия у галогеналканов связана со строением углеродного скелета и положением атома галогена в цепи. Галогеналканы называют по радикалам; названия по систематической номенклатуре строятся исходя из названия соответствующего алкана с указанием галогена и его положения в цепи. Вот простейшие галогеналканы и их названия:
1.1. Способы получения. Наиболее важные способы получения галоидных алкилов уже встречались. Это – галогенирование алканов (см. свободнорадикальное замещение алканов) и гидрогалогенирование алкенов (см. электрофильное присоединение к алкенам).
1.1.1. Кроме этих методов, при получении галогеналкилов часто используется замещение гидроксила в спиртах на галоген под действием галогенводородов:
При этом часто используют не готовую галогенводородную кислоту, а получают ее по ходу синтеза из соли и минеральной кислоты:
Замещение гидроксила в спиртах на галоген можно осуществить также под действием галогенидов фосфора:
и хлористого тионила:
При необходимости галогениды фосфора получают прямо в реакционной системе взаимодействием красного фосфора с бромом или иодом.
Замещение гидроксила на галоген под действием галогенводородов дает особенно хорошие результаты при получении бром- и иодпроизводных. Легче всего замещение идет у третичных спиртов, а в случае первичных спиртов иногда приходится применять катализаторы (кислоты, галогениды цинка и др.).
1.1.2. Замещение одних галогенов на другие в галогеналканах. Из всех галогенпроизводных алканов труднее всего получить фторпроизводные. Попытки прямого фторирования метана даже при -1870 приводят к сильнейшему взрыву. Трудно получить фторалканы и реакцией спиртов с фторводородом, т.к. равновесие этой реакции смещено в сторону спирта. Хорошие результаты дает гидрофторирование алкенов. Так, реакция этилена с НF при 900 дает фтористый этил с выходом 81%. При получении фторалканов особенно подходящей оказалась обменная реакция замещения между хлористыми, бромистыми и иодистыми алкилами и фторидами ртути, серебра, кобальта, сурьмы и др.:
1.2. Химические свойства. Химические свойства галогеналканов обусловлены наличием галогена в их молекуле. В ходе превращений галоидных алкилов атом галогена покидает молекулу и его место занимает другой атом или группа атомов (реакции замещения). Если галоген уходит без замещения, то имеет место отщепление галогенводорода – дегидрогалогенирование (реакции элиминирования) с образованием алкенов. Отщепление галогена вызвано слабостью связи С-Наl и полярностью этой связи. Это хорошо видно из сравнения энергий диссоциации соответствующих связей в метане и галогенметанах (в ккал/моль):
СН3-H 102
СН3-F 108
СН3-Cl 81
СН3-Br 67
СН3-I 58
Атомы углерода и галогенов сильно отличаются по электроотрицательности, поэтому ковалентная пара электронов между ними смещена в сторону атомов галогена. Этот атом имеет тенденцию к отщеплению вместе с ковалентной парой электронов. Очевидно, что в реакциях замещения место галогена должна занимать частица также с парой электронов. Такие частицы называются нуклеофилами. Поэтому говорят, что галогеналкилы вступают в реакции не просто замещения, а нуклеофильного замещения:
R :Х + :Z R :Z + :X
Рассматриваемую реакцию можно трактовать и как реакцию вытеснения более слабого основания более сильным. Говорят, что легко вытесняемая слабоосновная группа является хорошей уходящей группой.
Наконец, следует отметить, что в результате реакции нуклеофильного замещения в состав нуклеофила вводится алкильный радикал. Поэтому реакции нуклеофильного замещения галогеналканов относят к реакциям алкилирования.
Рассмотрим важнейшие реакции галогеналканов в обобщенном виде, уделяя основное внимание их механизмам.
Ниже показано, что в реакциях нуклеофильного замещения галогеналканов как нуклеофилы могут выступить множество реагентов с образованием различных классов органических соединений. В этом заключается синтетическая ценность этих реакций. Исходя из галоидных алкилов можно получить: спирты, простые и сложные эфиры, алканы и алкины, другие галогеналканы, нитрилы кислот, первичные, вторичные и третичные амины, тиолы, кислоты (синтезы при помощи малонового эфира), кетоны (синтезы с помощью ацетоуксусного эфира) и др.:
1.2.1. Нуклеофильное замещение SN2.
Если в колбу внести бромистый метил и едкий натр, общим растворителем которых является 80%-ный этиловый спирт (остальное вода), то происходит замещение брома на гидроксил с образованием метилового спирта:
Скорость этой реакции зависит от концентрации бромистого этила и щелочи. Это и понятно. Ведь спирт образуется при столкновении молекул галогеналкана и щелочи, а они сталкиваются тем чаще, чем больше их в единице объема, т.е. выше концентрация. Оказалось, что скорость рассматриваемой реакции прямо пропорциональна произведению концентраций субстрата (бромистого метила) и реагента (щелочи):
W=k [CH3Br] [OH ]
В это выражение для скорости реакции концентрации субстрата и реагента входят в первой степени, а их сумма равна 2. Поэтому говорят, что данная реакция имеет первый порядок по бромистому метилу и щелочи, а в целом порядок реакции второй. Это нашло отражение и при обозначении реакции. Нуклеофильное замещение имеющее общий второй порядок, обозначают как реакцию SN2 (Substitution Nucleophilic bimolecular).
Коэффициент пропорциональности k в вышеприведенном уравнении называется константой скорости реакции. Она равна скорости реакции W при единичных значениях концентраций.
Исключительно важные факты были получены при исследовании стереохимии реакций SN2.
Втор-бутилхлорид в составе своей молекулы имеет асимметрический атом углерода, следовательно, существует в виде двух изомеров (зеркальных, оптических изомеров, энантиомеров). Если любой из них подвергнуть реакции SN2 (гидролизу), то полученный спирт неизменно приобретает обращенную конфигурацию (расположение атомов в пространстве, характеризующее определенный стереоизомер, называется конфигурацией):
Как видно, конфигурации у галогеналкана и спирта противоположны. В ходе реакции произошло обращение конфигурации, т.н. Вальденовское обращение.
Интересные результаты получены при изучении реакционной способности галогеналканов в реакции SN2. Оказалось, что относительная реакционная способность метил-, этил-, изопропил- и трет-бутилбромидов по отношению к иод-аниону изменяется в следующем порядке:
Из этих данных видно, что реакционная способность галогеналканов определенно зависит от степени замещенности при углероде, связанном с атомом галогена – по мере увеличения числа заместителей реакционная способность уменьшается. В то же время на активность галогеналканов при бимолекулярном замещении практически не влияют электронные эффекты заместителей.
Таким образом, реакция SN2 – реакция второго порядка, протекает с обращением конфигурации и испытывает стерические (пространственные) затруднения.
Со всеми известными фактами относительно реакции SN2 согласуется механизм, предложенный Ингольдом.
Предполагается, что нуклеофил (например, гидроксил-анион) атакует галогеналкан с тыла (со стороны, противоположной связи С-Наl). Это следует из факта обращения конфигурации при бимолекулярном замещении. При некотором расстоянии нуклеофила от углерода, при котором происходит замещение, система достигает переходного состояния, в котором новая связь еще до конца не образовалась, а старая связь – не разорвалась. В переходном состоянии участвуют и субстрат и нуклеофил. Этим объясняется бимолекулярный характер замещения. В переходном состоянии углерод скорее тригональный, чем тетрагональный, а ось НО-----С-----Br перпендикулярна плоскости тригонального углерода. В дальнейшем окончательно разрывается связь между углеродом и галогеном, формируется ковалентная связь между углеродом и нуклеофилом и устанавливается обращенная конфигурация в продукте замещения. Предполагают, что разрыв и образование связей происходит одновременно и синхронно. Наблюдаемое изменение реакционной способности в рамках обсуждаемого механизма объясняют тем, что объемистые алкильные заместители экранируют углерод и затрудняют нуклеофильную атаку. Механизм реакции SN2 можно представить следующей схемой:
1.2.2. Нуклеофильное замещение SN1.
Однотипные реакции, как правило, протекают по одному и тому же механизму. Тем удивительнее оказались результаты изучения кинетики щелочного гидролиза трет-бутилбромида:
Скорость этой реакции зависела только от концентрации галогеналкана и не зависела от концентрации щелочи:
W=k [(CH3)3CBr]
Опыт органической химии говорит о том, что если две однотипные реакции с разными субстратами идут по разным кинетическим законам, следовательно, в ходе этих реакций реализуются различные механизмы. Один из них мы уже рассмотрели – это механизм SN2. Другой механизм, по которому идет щелочной гидролиз трет-бутилбромида, обозначается SN1. Это тоже нуклеофильное замещение, но только первого порядка.
Уже из кинетики рассматриваемой реакции можно сделать некоторые предположения относительно ее механизма. Как видно из выражения для скорости реакции, в нем отсутствует концентрация щелочи. На первый взгляд это не совсем понятно. Участие щелочи при гидролизе сомнений не вызывает, тогда почему же ее концентрация не влияет на скорость замещения? Тут следует вспомнить, что любая химическая реакция складывается из нескольких элементарных стадий, а скорость процесса в целом определяется скоростью наиболее медленной стадии. С учетом этого обстоятельства первый порядок щелочного гидролиза трет-бутилбромида вполне объясним: щелочь не участвует в наиболее медленной элементарной стадии. Она принимает участие в каких-то быстрых стадиях, а в медленной стадии что-то происходит только с бромалканом. C учетом слабости и полярности связи С-Br можно предположить, что в медленной стадии нуклеофильного замещения трет-бутилбромида имеет место гетеролиз указанной связи:
Образовавшийся карбокатион быстро реагирует с ионом гидроксила и дает продукт реакции:
В рамках предложенного механизма объясним и стереохимический результат реакции нуклеофильного замещения первого порядка. Известно, что при осуществлении этой реакции происходит рацемизация. Предположение о протекании SN1 реакции через промежуточное образование карбокатиона вполне допускает такую возможность.
Рассмотрим реакцию обмена атома галогена в реакции 2-хлорбутана с йодистым калием:
Если эту реакцию проводить в условиях, характерных для мономолекулярного замещения, то ее механизм можно представить как последовательное образование втор-бутильного катиона с последующим присоединением йод аниона:
Втор-бутильный катион построен так, что электронодефицитный углерод sp2 гибридизован, следовательно, тригонален (см. электрофильное присоединение по двойной углерод-углеродной связи). Это означает, что катион около электронодефицитного углерода имеет плоское строение и допускает равновероятную атаку нуклеофила (йод-аниона) с любой стороны плоскости с образованием примерно равных количеств энантиомеров:
Предложенный механизм для реакции SN1 объясняет также наблюдаемое изменение реакционной способности галогеналканов при мономолекулярном нуклеофильном замещении:
Поскольку в лимитирующей стадии реакции образуется карбокатион, то реакционная способность галоидных алкилов связана с устойчивостью этих положительно заряженных частиц. В то же время известно, что более стабильные карбокатионы легче образуются.
Реакция SN1 часто сопровождается образованием неожиданных продуктов реакции. Например, нуклеофильное замещение брома в неопентилбромиде на этоксильную группу в условиях реакции SN1 приводит не к этилнеопентиловому эфиру, а к этилтрет.пентиловому эфиру. Кроме того, в значительных количествах получается триметилэтилен:
В рамках обсуждаемого механизма реакции нуклеофильного замещения первого порядка, вначале гетеролиз связи С-Вr должен привести к неопентильному карбокатиону, а уже он после реакции со спиртом мог бы дать ожидаемый этилнеопентиловый эфир:
Однако, как было установлено, образуется другой эфир, который может образоваться только из другого карбокатиона – изопентильного:
Таким образом, из исходного галогенпроизводного может получиться только неопентильный карбокатион, а продукт реакции может образоваться только из трет.изопентильного карбокатиона. Следовательно, в случае реакции SN1 возможна перегруппировка одного карбокатиона в другой:
Движущей силой и условием перегруппировки является превращение менее устойчивого карбокатиона в более устойчивый. В рассматриваемом случае перегруппировка приводит к преобразованию первичного, наименее стабильного карбокатиона, в третичный, наиболее устойчивый. Причем, перегруппировка способствует ионизации. Такие реакции, в которых перегруппировка протекает синхронно с ионизацией и способствует увеличению ее скорости, называются анхимерно ускоренными.
Следует обратить внимание на то, как это происходит: соседняя по отношению к электронодефицитному углероду метильная группа вместе с ковалентной парой электронов мигрирует к этому углероду. Происходит, как говорят, 1,2-метильный сдвиг:
Известно, что к 1,2-сдвигам способны не только метильная группа, но вообще алкильные группы, гидрид – ион :Н и др. А это уже делает перегруппировки характерным свойством карбокатионов.
Выше отмечалось, что в рассматриваемой реакции кроме продукта перегруппировки образуется также алкен. Это легко объяснимо с учетом того обстоятельства, что выталкивание протона от соседнего с электронодефицитным углеродом положения – также характерно для карбокатионов:
К сожалению, нуклеофильное замещение, особенно протекающее по механизму SN1, всегда сопровождается элиминированием.
1.2.3. Сравнение SN1 и SN2-реакций. Итак, нуклеофильное замещение в галогеналканах может протекать по первому или второму порядку. А вот по какому пути пойдет конкретная реакция зависит от ряда обстоятельств.
Природа галогеналкана. Обобщение большого экспериментального материала позволило сформулировать следующее правило для реакции нуклеофильного замещения галогеналканов: «первичные галогениды реагируют по механизму SN2 , а третичные – по механизму SN1». Как уже указывалось, реакционная способность в реакции второго порядка уменьшается при переходе от СН3 к первичным галоидным алкилам. В случае вторичных галогенидов вклад SN2-реакций становится настолько мал, что замещение идет уже в основном по SN1-механизму. Еще значительнее возрастает роль этого механизма в случае третичных галогеналканов.
Таким образом, галогеналканы изначально, в соответствии со своим строением, предрасположены вступать в реакции нуклеофильного замещения по одному из механизмов. Однако это не означает, что нельзя воздействовать на путь реакции через изменение экспериментальных условий.
Концентрация нуклеофила. В выражение для скорости реакции первого порядка концентрация нуклеофильного реагента не входит, а для реакции второго порядка – входит. Отсюда следует, что имеется эффективный способ воздействия на путь реакции: «высокая концентрация нуклеофильного реагента способствует SN2 - реакции, а его низкая концентрация благоприятствует SN1 – реакции».
Природа нуклеофильного реагента. Как и следовало ожидать, природа нуклеофильного реагента влияет на путь реакции. При рассмотрении перегруппировок при нуклеофильном замещении в галогеналканах было показано, что неопентилбромид с этиловым спиртом (слабый нуклеофил) реагирует по механизму SN1. Та же реакция в случае использования в качестве нуклеофила этилат – иона протекает уже по механизму SN2. Сильный нуклеофил (этилат – ион) не ждет, пока произойдет гетеролиз связи С-Вr, бром покинет углерод и освободится место у этого углеродного атома; он сам энергично выталкивает галоген из молекулы.
Природа растворителя. Эффективным фактором, влияющим на способ замещения в галогеналканах, является природа растворителя. Считается, что ионизация в реакции SN1 в значительной мере становится возможным только из-за содействия этому процессу растворителя. Если молекула растворителя полярна и представляет собой диполь, то образующийся при SN1-реакции карбокатион сразу же сольватируется, т.е. окружается диполями. При этом возникает множество слабых ион-дипольных связей. При образовании этих связей выделяется энергия, которая в какой-то мере компенсирует затраты энергии на гетеролиз связи С-Наl. Считается, что чем полярнее растворитель, тем больше его сольватирующая способность и тем быстрее происходит ионизация. Способствуют SN1-реакции вода, водноорганические смеси, муравьиная кислота. SN2-реакцию обычно проводят в ацетоне или этаноле.
1.2.4. Элиминирование.
Еще одним направлением превращений моногалогеналканов является элиминирование (отщепление) галогенводорода с образованием алкена – дегидрогалогенирование:
Установлено, что элиминирование, как и нуклеофильное замещение, может протекать по первому или второму порядку. В соответствии с этим соответствующие реакции обозначают как Е1 и Е2.
Реакция Е2. Про эту реакцию известно, что она: протекает по второму порядку, не сопровождается перегруппировками, проявляет значительный изотопный эффект, подчиняется правилу Зайцева и идет как транс-элиминирование.
Рассмотрим предложенный механизм реакции Е2 на примере взаимодействия изопропилбромида с этилатом натрия в этаноле. В ходе этой реакции имеет место нуклеофильное замещение (SN2, этилизопропиловый эфир, 20%) и бимолекулярное элиминирование (Е2, пропен, 80%):
Предполагается, что в ходе реакции основание С2Н5О атакует атом водорода в галогеналкане, связанный с углеродом, соседним с другим углеродом, несущим галоген. Cистема проходит через активированный комплекс, в котором уже частично образовались связи между кислородом и водородом и между углеродными атомами. Связи между углеродом и водородом, а также между углеродом и галогеном в некоторой степени уже разорвались. Считается, что образование и разрыв связей происходит синхронно и элиминирование является согласованным процессом:
Как видно, данный механизм сильно напоминает механизм реакции нуклеофильного замещения SN2. Вся разница заключается в том, что при замещении идет атака на углерод, связанный с галогеном, а при элиминировании – на водород, связанный с соседним углеродом:
Интересно отметить, что один и тот же реагент с неподеленной парой электронов (:Z) называется нуклеофилом, если он атакует углерод, и основанием - при атаке на водород.
Предложенный механизм согласуется со вторым порядком реакции – в активированном комплексе участвуют две частицы: и основания, и галогеналкана.
Отрыв протона основанием и отщепление галогена вместе с парой электронов происходит одновременно. Об этом свидетельствует значительный изотопный эффект. Из этого факта следует, что разрыв углерод – водородной связи в переходном комплексе происходит на стадии, определяющей скорость реакции.
В рамках предложенного механизма легко объясняется также отсутствие перегруппировок в ходе реакции Е2. Перегруппироваться может только определенная промежуточная частица (интермедиат), в основном это карбокатион, например, в реакции SN1. Поскольку в реакции Е2 такого рода частицы не образуются, то отсутствуют и перегруппировки.
Реакция Е2 протекает как транс-элиминирование. В переходном состоянии уходящие Н и Наl должны быть максимально удалены друг от друга, а разрывающиеся связи должны занимать транс-положение. Только в этом случае обеспечивается быстрое и эффективное формирование новой π-связи между углеродами.
Реакция Е1. Участие в реакциях нуклеофильного замещения третичных галогеналканов практически всегда сопровождается дегидрогалогенированием. Скорости обеих реакций зависят только от концентрации галогеналкана. Отсюда понятно, что замещение и элиминирование не только являются конкурирующими реакциями, но и имеют общую лимитирующую стадию – гетеролиз связи между углеродом и галогеном:
Поскольку Е1-реакция протекает через промежуточное образование карбокатиона, то она подчиняется всем тем закономерностям, которые установлены для ионных реакций (см. электрофильное присоединение к алкенам). Так, реакционная способность галогеналканов при элиминировании определяется устойчивостью карбокатионов. При Е1-реакции возможны перегруппировки.
1.2.5. Взаимоотношения между реакциями замещения и элиминирования.
Поскольку указанные реакции всегда сопровождают друг друга, то целесообразно рассмотреть факторы, способствующие той или иной из них. Их можно сформулировать в виде определенных правил (Терней):
- сильные основания способствуют элиминированию в большей степени, чем замещению, причем предпочтительным оказывается реакция Е2 по сравнению с Е1;
- в более полярных растворителях предпочтительно протекают реакции SN2-типа по сравнению с Е2-реакциями;
- в реакциях, протекающих с промежуточным образованием карбокатионов, элиминирование превалирует над замещением;
- повышение температуры всегда способствует элиминированию;
- замещение при углероде, связанном с галогеном, способствует Е2-реакции в большей степени, чем SN2, замещение при соседнем углероде способствует элиминированию;
- Е1-реакция сопровождается перегруппировками с образованием изомеров.
Изомерия. Номенклатура. Изомерия в ряду полигалогенпроизводных алканов обусловлена строением углеродного скелета соединения и положением атомов галогена в цепи. Примеры названий рассматриваемого класса соединений даны ниже:
Способы получения. Некоторые из методов получения полигалогеналканов нам уже известны. Это – цепное свободно-радикальное галогенирование алканов, электрофильное или радикальное присоединение галогенов к алкенам и сопряженным диеновым углеводородам. Кроме этих методов получения полгалогенпроизводных алканов известны и другие.
1. Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) под действием галогенидов фосфора свой кислород замещают на галоген. При этом получаются геминальные дигалогенпроизводные:
Химические свойства. Полигалогенпроизводные вступают во все реакции, характерные для моногалогеналканов. Это реакции нуклеофильного замещения и элиминирования.
Своеобразие полигалогенпроизводных алканов обнаруживается лишь в достаточно редких случаях. Так, при гидролизе геминальных ди- и тригалогенпроизводных вместо соответствующих спиртов поучаются карбонильные соединения. Связано это с неустойчивостью таких спиртов. Гемдиолы и триолы в момент образования отщепляют воду и превращаются в альдегиды, кетоны или карбоновые кислоты:
Отдельные представители. Среди полгалогенпроизводных алканов встречается соединения, нашедшие широкое практическое применение.
Все возможные хлорпроизводные метана и этана являются многоцелевыми растворителями. Кроме того, хлороформ раньше применялся для общего наркоза. Его получают как хлорированием метана, так и т.н. галоформной реакцией, заключающейся в хлорировании этилового спирта или ацетона с участием щелочи или хлорной извести:
Галоформной реакций можно получить бромоформ и йодоформ. Установлено, что галоформная реакция является общей реакцией метилкетонов и может быть использована для синтеза некоторых кислот, например, триметилуксусной кислоты:
Среди полигалогенпроизводных алканов особое место занимают полифторхлоруглеводороды. Учитывая применение этих соединений в качестве хладоагентов в домашних холодильниках, их еще называют фреонами.
Связь С-F достаточно прочная и монофторпроизводные алканов хуже всех галогенпроизводных вступают в реакции нуклеофильного замещения. По какой то причине появление второго фтора у того же углерода в молекуле делает соединение уникально инертным. Более того, стабилизирующее влияние атомов фтора распространяется и на атомы других галогенов, находящихся у того же или у соседнего атома углерода. Благодаря этому один из наиболее широко используемых хладоагентов – дихлордифторметан (Миджли, Хенне, 1930 г.) – не гидролизуется, нетоксичен, не имеет запаха, негорюч и не реагирует даже с концентрированными минеральными кислотами и металлическим натрием. К сожалению, этот замечательный хладоагент имеет, как оказалось, лишь один недостаток – он губительно действует на озоновый слой атмосферы.
В промышленности дихлордифторметан получают из четыреххлористого углерода действием треххлористой сурьмы, содержащей в качестве катализатора пятихлористую сурьму:
Трехфтористая сурьма постоянно регенерируется фтористым водородом:
2.3. Галогенпроизводные непредельных углеводородов.
Для непредельных галогенпроизводных характерным является несколько видов структурной изомерии: строение углеродной цепи, положение двойной связи и атома галогена в молекуле. В названии и отражаются все эти особенности. Приведем примеры:
При синтезе непредельных галогенпроизводных используются обычные и уже рассмотренные ранее методы введения в молекулу галогенов и способы создания двойных связей.
Многие cвойства галогенпроизводных алкенов определяются относительным расположением атома галогена и двойной связи в их молекуле. По этому признаку непредельные галогенпроизводные можно разделить на три группы:
Для галогенпроизводных первой группы характерна низкая реакционная способность и в реакциях нуклеофильного замещения, и в реакциях электрофильного присоединения.
Причина пассивности в реакциях замещения объясняется большей прочностью связи между углеродом и галогеном в том случае, когда этот углерод находится в sp2 гибридном состоянии. Длина этой связи С-Наl в хлористом виниле составляет 1,69 Å, в то время как аналогичная связь в хлористом этиле заметно длиннее – 1,76 Å. Известно, что чем короче связь, тем она прочнее. Причина упрочнения связи можно объяснить двумя факторами. Во-первых, это вызвано взаимодействием (сопряжением) неподеленной пары электронов галогена с пи-электронами двойной связи. Это ведет к двоесвязанности атома галогена. Во-вторых, в хлористом виниле связь С-Наl – это связь, образованная sp2 гибридизованным углеродом, который имеет больший s-характер, чем sp3-орбиталь. Известно, что s-орбиталь образует более прочные связи.
Нетрудно убедиться и в низкой реакционной способности галогенпроизводных первой группы в реакциях SN1. В этом случае на медленной стадии реакции должен был бы образоваться винильный карбокатион, который относится к числу наиболее богатых энергией и неустойчивых частиц.
Пассивность галогенпроизводных алкенов первой группы в реакциях электрофильного присоединения также связана с особенностями их строения. Так, хлористый винил на первой стадии реакции электрофильного присоединения должен был бы образовать первичный карбокатион, связанный к тому же с электроноакцепторной хлорметильной группой:
Этот ион неустойчив и трудно образуется. Этим и объясняется низкая реакционная способность соответствующих галогенпроизводных в реакциях электрофильного присоединения.
Галогеналкены второй группы легко вступают в реакции нуклеофильного замещения и электрофильного присоединения.
Нуклеофильное замещение протекает, как правило, по механизму SN1, т.к. при этом из галогенпроизводных алкенов на стадии гетеролиза образуются наиболее устойчивые карбокатионы – катионы аллильного типа:
Этим и определяется активность галогенпроизводных второй группы в реакциях нуклеофильного замещения.
Из ненасыщенных галогенпроизводных важное практическое значение имеют: хлористый винил, хлористый аллил, хлоропрен, тетрафторэтен, трихлорэтилен и др.
Хлористый винил, мономер при получении поливинилхлорида (ПВХ), в промышленности получают гидрохлорированием ацетилена или дегидрохлорированием (щелочным или термическим) дихлорэтана.
Хлористый аллил - продукт заместительного высокотемпературного хлорирования пропилена – используется при синтезе глицерина.
Хлоропрен, получаемый гидрохлорированием винилацетилена, является мономером при производстве одного из видов масло- и бензостойких синтетических каучуков.
Тетрафторэтен получают пиролизом одного из фреонов – хлордифторметана при 7000:
Этот перфторированный этилен используется в производстве чрезвычайно ценного полимера – тефлона (фторопласта), который отличается высокой химической инертностью и устойчивостью в широком температурном диапазоне (от -700 до +2500):
Трихлорэтилен – прекрасный растворитель для жиров, масел и смол. Используется при сухой химической чистке. Получается дегидрохлорированием тетрахлорэтана:
СПИРТЫ
Соединения, в молекулу которых входит одна или несколько гидроксильных групп, называются спиртами. По числу гидроксильных групп спирты подразделяются на одноатомные, двухатомные и вообще многоатомные. В зависимости от того, с каким углеводородным остатком связан гидроксил, спирты бывают предельные и ненасыщенные.
1.1. Изомерия и номенклатура. Для спиртов характерна структурная изомерия, обусловленная со строением углеродного скелета молекулы и положением гидроксильной группы.
В случае спиртов используется три номенклатуры. Рациональная номенклатура, которая названия соединений выводит от названия первого члена гомологического ряда, применяется довольно редко. При этом этот простейший алкоголь называется карбинол, а все другие спирты считаются происшедшими от него.
Гораздо чаще названия спиртов производят от названий углеводородных радикалов, с которыми связан гидроксил.
В более сложных случаях используется систематическая номенклатура. В этом случае как обычно выбирается главная цепь, обязательно включающая функциональную группу. Цепь нумеруется, начиная с того конца, куда ближе гидроксильная группа. Если группа ОН является старшей в данном соединении, то в названии она выражается суффиксом -ол. Если же гидроксил выступает в качестве заместителя, то он обозначается приставкой гидрокси- или окси.
Приведем структуры некоторых наиболее часто встречающихся спиртов и назовем их:
1.2. Методы получения. Некоторые из важнейших методов получения спиртов мы уже рассмотрели – это гидратация алкенов (см. реакции электрофильного присоединения к алкенам) и гидролиз галогенпроизводных (см. реакции нуклеофильного замещения в галогеналканах). Кроме них известен целый ряд других способов, делающих этот класс органических соединений весьма доступным.
1.2.1. Гидрирование альдегидов и кетонов. Гидрирование альдегидов и кетонов – удобный метод синтеза некоторых спиртов. При гидрировании альдегиды превращаются в первичные, а кетоны – во вторичные спирты:
Производимый в значительных масштабах перв.бутиловый спирт получают гидрированием масляного альдегида – продукта оксосинтеза с участием пропилена, оксида углерода и водорода:
При каталитическом гидрировании в качестве катализатора чаще всего применяются никель, палладий, хромит меди, платина. Следует иметь в виду, что гетерогенное гидрирование у алкенов протекает легче, чем у карбонильных соединений. Поэтому возникает проблема избирательного гидрирования карбонильной группы у непредельных карбонильных соединений. Однако найдены условия и реагенты, позволяющие проводить селективное гидрирование. Оказалось, что прекрасным гидрирующим агентом являются неорганические гидриды – литийалюминийгидрид и натрийборгидрид.
Ход гидрирования литийалюминийгидридом можно представить следующей схемой:
Рассматриваемая реакция сводится к нуклеофильному присоединению по поляризованной карбонильной группе
Литийалюминийгидрид, особенно натрийборгидрид, не гидрирует двойные углерод-углеродные связи. Это дает возможность получать непредельные спирты из ненасыщенных карбонильных соединений.
1.2.2.Магнийорганический синтез. В этом случае синтез спиртов осуществляется путем взаимодействия магнийорганических соединений с карбонильными соединениями и эпокисями. Вообще же это частный случай реакции металлорганических соединений с альдегидами, кетонами и сложными эфирами, который впервые был осуществлен Бутлеровым, Зайцевым и Вагнером на примере цинкорганических соединений.
Синтез спиртов через магнийорганические и карбонильные соединения
(Гриньяр) происходит по следующей общей схеме. В магнийгалогеналкилах углеводородный остаток ведет себя как нуклеофил, который легко присоединяется по карбонильной группе:
Образовавшиеся магнийгалогеналкоголяты при гидролизе образуют спирты:
Ниже даны примеры синтеза спиртов рассматриваемым методом. При участии в реакции формальдегида получаются первичные спирты:
Вовлечение в реакцию любых других альдегидов приводит к вторичным спиртам:
Кетоны по этому методу дают третичные спирты:
Сложные эфиры также содержат карбонильную группу, способную к взаимодействию с магнийорганическими соединениями. Поэтому их то же можно использовать для синтеза спиртов. При этом формиаты превращаются во вторичные спирты, эфиры других кислот дают третичные спирты, у которых два одинаковых углеводородных заместителя:
Взаимодействовать с магнийгалогеналканами могут и эпокиси. Гидролиз образовавшихся алкоголятов позволяет получить первичные спирты, в молекуле которых на два углерода больше, чем в алкильной группе реактива Гриньяра:
1.2.3. Восстановление карбоновых кислот и сложных эфиров. Карбоновые кислоты при восстановлении превращаются в первичные спирты. Один из лучших восстановителей в данном случае алюмогидрид лития:
Однако восстановление литийалюминийгидридом обходится довольно дорого, а другим методам восстановления карбоновые кислоты поддаются с трудом. Поэтому восстановлению обычно подвергают не карбоновые кислоты, а их производные – сложные эфиры.
Сложные эфиры карбоновых кислот можно восстановить под давлением 10-15 атм на медно-хромовом катализаторе при 2500. В указанных условиях в промышленности из метилового эфира лауриновой кислоты поучают додециловый эфир:
Сложные эфиры восстанавливаются также по Буво и Блану водородом в момент выделения. Для этого сложный эфир кипятят в спиртовом растворе с металлическим натрием. При этом разрывается связь между кислородом и ацильной частью эфира. Из осколков получается два спирта, один из которых обязательно первичный:
Полагают, что в ходе реакции последовательно получаются алкоголят и альдегид. А уже при гидрировании последнего образуется спирт:
1.2.4. Алюмоорганический синтез (Алфол-процесс). В виду особой важности первичных высших жирных спиртов для них был разработан специальный синтез через алюмоорганические соединения. При этом вначале реакцией триэтилалюминия с этиленом получают триалкилалюминий:
В последующем полученный триалкилалюминий окисляют, а образовавшийся алкоголят алюминия – гидролизуют:
1.2.5. Гидроборирование – окисление алкенов. Этот метод получения спиртов ценен тем, что позволяет синтезировать первичные спирты. Гидрид бора в димерной форме (В2Н6. диборан) легко присоединяется к алкенам против правила Марковникова с образованием алкилборанов. Эта реакция носит название гидроборирования:
В последующем алкилбораны окисляют щелочным раствором перекиси водорода в эфиры борной кислоты. Гидролиз последних приводит к первичным спиртам:
1.2.6. Кроме общих методов, для получения практически важных спиртов разработаны специальные способы получения, которые лежат в основе соответствующих промышленных процессов. Так, метанол получают гидрированием оксида углерода при 4000 и 200-300 атм в присутствии окисного цинк-хромового катализатора (около 90% оксида цинка):
Значительные количества этилового спирта до сих пор получают сбраживанием дрожжами некоторых видов моно-, ди- и полисахаридов: главным образом глюкозы, фруктозы, мальтозы, сахарозы, а также крахмала и целлюлозы. Суммарное уравнение превращения сахаров в этиловый спирт и двуокись углерода таково:
1.3. Химические свойства. Химические свойства спиртов определяются наличием в их молекуле гидроксильной группы. Аналогично атомам галогенов в галогенпроизводных углеводородов, эта группа может замещаться на какие-нибудь другие заместители или отщепиться вместе с водородным атомом. Интересно отметить, что заместиться может гидроксил целиком или только водород в ней. Гидроксил становится хорошей уходящей группой после протонирования, потому что в этом случае в ходе реакции замещения гидроксил уходит в виде нейтральной молекулы воды, а не гидроксил-аниона. Любопытно, что гидроксильная группа по существу не оказывает влияния на реакционную способность связанного с ней углеводородного остатка.
Рассмотрим наиболее характерные реакции спиртов.
1.3.1. Дегидратация. При нагревании спиртов в присутствии кислот (жидкофазная дегидратация) или при пропускании паров спирта через слой катализатора, чаще всего оксида алюминия, при 400-5000 (парофазная дегидратация) отщепляется молекула воды и образуется алкен:
Установлено, что легче дегидратируются третичные спирты, труднее – первичные. Вторичные спирты по реакционной способности при дегидратации занимают промежуточное положение. Часто спирты определенного строения при дегидратации дают алкены неожиданного строения. При отщеплении воды, как правило, соблюдается правило Зайцева – образуется наиболее замещенный алкен.
Все эти наблюдения над дегидратацией спиртов вполне объясняются в рамках следующего механизма. Вначале молекула спирта протонируется, затем отщепляется молекула воды с образованием карбокатиона. Далее ион отщепляет протон с соседнего с электронодефицитным углеродом положения. Это известный уже нам механизм Е1 – элиминирования. На примере дегидратации этилового спирта в присутствии серной кислоты реакция идет по следующей схеме:
Кроме выброса протона, карбокатион вполне может прореагировать и с молекулой спирта. В этом случае образуется простой эфир, а реакция становится межмолекулярной дегидратацией.
На направление дегидратации в данном случае существенно влияет температура реакции: при 1400 протекает межмолекулярная дегидратация, а при 1800 – внутримолекулярная.
Образование на ключевой стадии дегидратации карбокатиона объясняет также образование неожиданных продуктов реакции. Известно, что карбокатионам присущи перегруппировки. Если в ходе реакции образуется катион, который в результате так называемых 1,2-сдвигов может преобразоваться в более устойчивый карбокатион, то это происходит неминуемо.
Рассмотрим механизм кислотной дегидратации изоамилового спирта:
В результате этой реакции получается смесь трех изоамиленов с преобладанием триметилэтилена. Из приведенного механизма видно почему это происходит. Первоначально образовавшийся первичный карбокатион может депротонироваться в изопропилэтилен или перегруппироваться во вторичный ион. Последний, в свою очередь, может отщепить протон и превратиться в триметилэтилен или преобразоваться в третичный карбокатион. Состав продуктов дегидратации изоамилового спирта определяется, очевидно, соотношением скоростей депротонирования и 1,2-гидридных сдвигов.
1.3.2. Кислотно-основные свойства. Связь О-Н в гидроксильной группе спиртов сильно поляризована, т.к. в данном случае ковалентно связаны два атома, значительно различающиеся по электроотрицательности. Поляризация облегчает отщепление относительно положительного водорода в виде иона. Этим объясняется определенная кислотность, которую проявляют спирты. О кислотности спиртов свидетельствует их способность реагировать с активными металлами с выделением водорода и с образованием алкоголятов – солей спиртов как слабых кислот:
Следующие реакции свидетельствуют, что спирты являются более слабыми кислотами, чем вода, но более сильными кислотами, чем ацетилен:
В ряду спиртов кислотность изменяется в следующем порядке:
Предполагается, что такой порядок изменения кислотности связан с индуктивным эффектом алкильных радикалов. Алкил как донор электронов будет увеличивать плотность отрицательного заряда в алкокси-анионе и, тем самым, делать его менее устойчивым:
Возможно и другое объяснение. В алкокси-анионе в случае третичных спиртов возникают пространственные затруднения для сольватации. Это повышает энергию аниона и затрудняет его образование. Такая точка зрения основывается на порядке изменения кислотности в паровой фазе (сольватация несущественна), которая оказывается обратным порядку изменения кислотности в растворах.
Слабость третичных спиртов как кислот говорит о том, что их анионы должны обладать сильной основностью. Действительно, трет.бутокси- анион является более сильным основанием, чем гидроксил-анион. Поэтому алкоголяты спиртов широко используются как очень сильные основания и для введения алкоксигруппы в молекулу.
Гидроксильная группа в спиртах, обуславливающая их кислотность, придает им также, за счет неподеленной пары кислорода, свойства оснований. Известно, что спирты легко протонируются с образованием молекулы протонировнного спирта или иона алкоксония:
1.3.3. Замещение ОН-группы на галоген. Замещение ОН-группы на галоген происходит при взаимодействии спиртов с галогенводородами, галогенидами фосфора, хлористыми тионилом (SOCl2) и сульфурилом (SO2Cl2). Например:
Установлено, что при взаимодействии спиртов с галогенводородами:
- реакция ускоряется сильными минеральными кислотами;
- в ряде случаев реакция протекает с перегруппировкой;
- реакционная способность изменяется в следующем порядке:
Эти наблюдения над реакцией можно объяснить на основании механизма SN1. Предполагается, что вначале молекула спирта протонируется. Протонированный спирт диссоциирует на карбокатион и воду. В быстрой стадии реакции карбокатион присоединяет ион галогена и дает продукт реакции:
Образование на ключевой стадии нуклеофильного замещения карбокатиона объясняет наблюдающееся иногда получение в реакции неожиданных продуктов. Так, при SN1-реакции с участием неопентилового спирта и хлористого водорода вместо ожидаемого неопентилхлорида получается трет.пентилхлорид в результате 1.2-метильного сдвига в первоначально образовавшемся карбокатионе:
Интересно отметить, что многие первичные спирты реагируют с галогенводородами без перегруппировок. Предполагается, что это происходит потому, что в реакциях с их участием не образуются промежуточные карбокатионы, способные перегруппироваться. В этом случае реакция идет по SN2-механизму с участием протонированной молекулы спирта:
Сказанное вовсе не означает, что по бимолекулярному механизму реагируют все первичные спирты. Выше было показано, что первичный спирт – неопентиловый – замещается по SN1-механизму с перегруппировкой. Дело в том, что этот спирт из-за объемистого неопентилового заместителя и обусловленного этим пространственного затруднения бимолекулярной реакции может реагировать только по SN1-механизму. Другим примером реагирования первичного спирта по этому механизму является аллиловый спирт, Этот спирт при мономолекулярном замещении на лимитирующей стадии реакции образует устойчивый аллильный катион. Это и определяет предпочтительность реакции SN1 перед SN2 в данном случае.
Для получения хлористых алкилов из спиртов удобно использование хлористого тионила. При взаимодействии спирта с хлористым тионилом вначале образуется не устойчивый алкилхлорсульфит, который уже при слабом нагревании разлагается на алкилхлорид и сернистый ангидрид:
1.3.4. Образование сложных эфиров. При взаимодействии спиртов с карбоновыми и минеральными кислотами и некоторыми их производными (ангидридами и галогенангидридами) происходит образование сложных эфиров. В молекуле сложных эфиров кислородный атом связан с углеводородным радикалом и кислотным остатком. Реакция образования эфира носит название этерификации. Для протекания реакции требуется присутствие кислого катализатора. При этерификации кислотами выделяется вода а сама реакция является обратимой:
Этерификация подвержена пространственным препятствиям – объемистые заместители вблизи от реакционного центра в спирте или кислоте замедляют реакцию. С учетом этого обстоятельства спирты по реакционной способности при этерификации располагаются в следующий ряд:
Ряд активности карбоновых кислот в рассматриваемой реакции следующий:
Механизм кислотно-катализируемой этерификации следующий. Вначале имеет место протонирование молекулы карбоновой кислоты по карбонильному кислороду - образуется карбокатион, положительный заряд в котором сильно рассредоточен с участием кислородных атомов. В последующем карбокатион реагирует с нуклеофилом, в качестве которого выступает молекула спирта:
Далее в оксониевом ионе протон от алкокси-группы переходит к одному из гидроксилов. На заключительных этапах реакции оксониевый ион отщепляет уходящую группу Н2О и протон:
В соответствии с обсуждаемым механизмом в ходе реакции происходит разрыв между гидроксилом и кислотным остатком кислоты. Это было доказано опытами с меченым О18:
1.3.5. Окисление и дегидрирование спиртов. Характер продуктов окисления спиртов определяется тем, какой алкоголь подвергается реакции. Первичные спирты легко окисляются и образуют альдегиды:
Поскольку альдегиды окисляются до карбоновых кислот даже легче самих спиртов, то их следует выводить из зоны реакции прежде, чем это произойдет.
Вторичные спирты при окислении образуют кетоны:
Третичные спирты окисляются с большим трудом и только с разрывом связей между углеродными атомами.
При окислении спиртов используется кислород воздуха и химические окислители: перманганат калия, хромовая кислота и др.
С образованием альдегидов и кетонов протекает и дегидрирование спиртов. Реакцию проводят, пропуская пары спирта через нагретые до 200-3000 медные стружки:
Интересно отметить, что при получении формальдегида из метилового спирта процесс осуществляют в таких условиях (650-7000, катализатор серебро на пемзе), чтобы тепловые эффекты реакций дегидрирования и окисления компенсировали друг друга.
1.3.6. Взаимодействие с магнийгалогеналкилами. Реактивы Гриньяра можно рассматривать как соли углеводородов как кислот. Поскольку спирты более сильные кислоты, то они вытесняют углеводород из соли:
При использовании метилмагнийгалогенидов в этой реакции получается метан. По объему алкана можно проводить количественное определение спиртов (метод Церевитинова-Чугаева).
1.4. Отдельные представители.
Наибольшее применение из спиртов находит метиловый спирт. Значительная его часть идет на получение формальдегида, эфиров, аминов, красителей, душистых веществ. Находит применение как растворитель широкого назначения. Ядовит. В технике получают восстановлением СО.
Этиловый спирт получают гидратацией этилена и брожением сахаристых веществ. Находит широкое применение как многоцелевой растворитель, как полупродукт при синтезе диэтилового эфира, хлороформа, сложных эфиров, в производстве фармацевтичесих, душистых веществ и красителей. Обладает слабым наркотическим действием. К сожалению, широко используется при изготовлении алкогольных напитков
Н.бутиловый спирт получается брожением глюкозы под влиянием особых бактерий и гидрированием масляного альдегида. Этот спирт и его сложные эфиры в больших количествах применяются в лакокрасочной промышленности как растворители.
Высшие жирные спирты получают восстановлением сложных эфиров, альдегидов и карбоновых кислот, а также в алфол-процессе. Широко используются при производстве моющих средств (алкилсульфаты), синтетических масел и пластификаторов (сложные эфиры).
Атомность спиртов определяется числом гидроксильных групп.
2.1. Двухатомные спирты часто называются гликолями. Два гидроксила в молекуле гликоля могут располагаться по отношению к друг другу по разному, однако они не могут находится у одного и того же углерода. Сами такие спирты неустойчивы, однако это не относится к их производным.
Свое название двухатомные спирты с гидроксилами у соседних атомов углерода (виц-диолы) получают от названия этиленовых углеводородов. Например,
По систематической номенклатуре наличие двух гидроксилов у двухатомных спиртов обозначается суффиксом диол с указанием их положения в главной цепи. Так, вышеприведенные спирты по систематической номенклатуре получают следующие названия: этандиол и 1,2-пропандиол.
Гликоли получают с использованием обычных способов введения гидроксила в молекулу: гидроксилирование алкенов (реакция Вагнера), гидролиз дигалогенпроизводных углеводородов и галогенгидринов, гидратацией эпокисей, каталитическим восстановлением сложных эфиров двухосновных кислот и др. Определенное препаративное значение при получении виц-диолов имеет так называемое бимолекулярное восстановление альдегидов и кетонов. Так, восстановление сухого ацетона амальгамированным магнием в бензоле с последующим гидролизом образовавшегося алкоголята магния приводит к пинакону (2,3-диметил-2,3-бутандиолу):
Предполагается, что образованию алкоголята предшествует присоединение магния к двум молекулам ацетона с получением неустойчивого бирадикала.
Аналогично идет реакция бимолекулярного восстановления карбонильных соединений и с амальгамой алюминия.
По своим химическим свойствам диолы повторяют свойства предельных одноатомных спиртов. В то же время в ходе известных реакций с участием двухатомных спиртов наблюдаются свои особенности. Обратим свое внимание как раз на эти особенности.
Аналогично одноатомным спиртам диолы проявляют кислотные свойства. Они у них выражены сильнее, поэтому двухатомные спирты реагируют не только со щелочными металлами с образованием алкоголятов, но и с гидроокисями других металлов с образованием гликолятов, например, комплексно построенного гликолята меди:
Двухатомные спирты с минеральными и органическими кислотами дают полные и неполные сложные эфиры. Известны, например, моно- и диацетаты этиленгликоля:
В случае использовании в реакции двухатомных карбоновых кислот появляется возможность создать полиэфир, который уже будет полимером полиэфирного типа. Сама реакция этерификации в этом случае будет представлять собой частный случай реакций поликонденсации. Один из известных полимеров – лавсан – как раз получают поликонденсацией этиленгликоля терефталевой кислотой (двухосновная кислота ароматического ряда):
Наряду со сложными эфирами диолов существуют также и их полные и неполные простые эфиры. Так, при взаимодействии этилового спирта с окисью этилена образуется моноэтиловый эфир этиленгликоля (этилцеллозольв), прекрасный растворитель при производстве бездымного пороха, ацетатного шелка и других производных целлюлозы:
Известно, что первичные спирты окисляются в альдегиды, а вторичные – в кетоны. Поэтому обычно нетрудно предсказать характер продуктов окисления двухатомных спиртов. Однако имеется вариант окисления, когда вицинальные диолы окисляются с расщеплением углерод-углеродных связей с образованием альдегидов и кетонов. В этом случае окислителем является иодная кислота (Малапраде, 1928 год). Следующие реакции показывают особенности окисления по Малапраде двухатомных спиртов с гидроксилами у соседних атомов углерода:
Очень интересно протекает дегидратация двухатомных спиртов в зависимости от взаимного расположения гидроксильных групп. Следующие примеры показывают особенности дегидратации различных диолов:
Кроме того, дегидратация диолов может протекать как межмолекулярный процесс с образованием бифункциональных соединений – спиртоэфиров:
В свою очередь, спиртоэфиры могут циклодегидратироваться с образованием шестичленных гетероциклов с двумя кислородными атомами в кольце:
Образование р-диоксана наблюдал Фаворский при перегонке этиленгликоля над серной кислотой.
Дегидратация диолов протекает по уже рассмотренному механизму отщепления воды от одноатомных спиртов. Вначале имеет место протонирование молекулы спирта, затем отщепляется вода и образуется карбокатион. В случае дегидратации диолов карбокатион имеет несколько возможностей стабилизации, которые зависят от строения спирта и условий проведения реакции. В ряде случаев карбокатион стабилизируется с выбросом протона и образованием непредельных спиртов: винилового и аллилового:
В других случаях электронодефицитный углерод карбокатиона атакуется имеющимся у него гидроксилом. Таковы случаи образования тетрагидрофурана и р-диоксана:
Наконец, карбокатион может реагировать с внешним нуклеофилом – другой молекулой диола. При этом получается диэтиленгликоль:
Может быть, наиболее интересно протекает дегидратация двутретичных диолов с гидроксилами у соседних атомов углерода. Так, дегидратация пинакона неожиданно приводит к метилтрет.бутилкетону (пинаколину):
Такое направление реакции легко объясняется в предположении, что первоначально образовавшийся при дегидратации карбокатион в ходе реакции перегруппировывается в более стабильный ион в результате 1,2-метильного сдвига:
Как известно, условием таких перегруппировок является преобразование менее устойчивого карбокатиона в более устойчивый. В данном же случае это условие на первый взгляд не соблюдается: третичный катион перегруппировывается во вторичный. Однако это не просто вторичный карбокатион. В этом катионе электронодефицитный углерод связан с кислородом гидроксильной группы, который эффективно участвует в делокализации положительного заряда. В результате карбокатион, хотя он и только вторичный, однако стабильнее третичного. Рассмотренный случай перегруппировки носит название пинаколиновой.
2.2. Трехатомные спирты – глицерин. Важнейшим представителем трехатомных спиртов является глицерин, с давних времен получающийся гидролизом жиров:
Однако постепенно этот путь получения глицерина перестал удовлетворять спрос на него. Это привело к разработке синтетических методов, лучшим из которых оказался следующий. Вначале аномальным хлорированием пропилена получают хлористый аллил, который гидролизуется в аллиловый спирт. Далее спирт гидроксилируют либо путем гипохлорирования и гидролиза, либо присоединением перекиси водорода:
Глицерин проявляет все свойства, присущие спиртам.
Глицерин при замещении водородов гидроксильных групп на металл легко образует глицераты.
Под действием галогенводородов и галогенидов фосфора глицерин дает галогенгидрины глицерина и 1,2,3-тригалогенпропан. Однако в ходе реакций замещения гидроксила на галоген встречаются некоторые особенности. Так, иодистый водород и трехиодистый фосфор замещают гидроксилы глицерина с образованием 1,2.3-трииодпропана. Однако это соединение в условиях реакции подвергается дальнейшим превращениям. Под действием НI оно превращается в иодистый изопропил, а в реакции с участием РI3 - в иодистый аллил:
Как и другие спирты, глицерин этерифицируется минеральными и карбоновыми кислотами. При этом получаются полные и неполные сложные эфиры. Из них большое значение имеет тринитрат глицерина:
Этот эфир, адсорбированный на кизельгуре (инфузорная земля) или других подходящих сорбентах, используется в виде взрывчатого вещества (динамит, Нобель, 1866 г.). При взрыве тринитрата глицерина выделяются газы, происходит резкое расширение объема и возникает взрывная волна большой разрушительной силы:
Из сложных эфиров глицерина большое значение приобрели эфиры с о-фталевой кислотой:
Эти эфиры широко используются при приготовлении так называемых глифталевых лаков.
Глицерин в значительных количествах потребляется в химической, пищевой (изготовление кондитерских изделий, ликеров, напитков), текстильной и полиграфической промышленности.
Не выделяя в отдельный раздел, отметим, что применение находят и другие многоатомные спирты, например, пентаэритрит. Его синтезируют исходя из формальдегида и ацетальдегида (см. перекрестную альдольную конденсацию). Эфиры этого спирта используются при производстве синтетических смазочных масел и пластификаторов.
Непредельные спирты могут иметь в своей молекуле двойные и тройные связи. Гидроксильная группа не может быть у углерода, связанного с другим углеродом кратной связью. Такие спирты неустойчивы и в момент образования изомеризуются в альдегиды и кетоны (см. кето-енольная таутомерия).
В случае наиболее часто встречающихся непредельных спиртов чаще всего используется тривиальная или рациональная номенклатура. В более сложных случаях применяется систематическая номенклатура. При этом надо иметь в виду, что гидроксил как функциональная группа старше других. Вот некоторые непредельные спирты и их названия:
Рассмотрим важнейшие непредельные спирты.
Первым членом гомологического ряда этиленовых спиртов должен был бы быть виниловый спирт, однако в свободном виде он не существует. Любопытно, что его производные известны и находят применение в технике. Это относится к алкил- и ацилвиниловым эфирам, которые получаются присоединением спиртов и карбоновых кислот к ацетилену (см. химические свойства алкинов). Известен также поливиниловый спирт. Его получают полимеризацией винилацетата с последующим гидролизом полиэфира:
Аллиловый спирт обычно получается гидролизом аллилхлорида. Служит промежуточным продуктом при синтезе глицерина. Аллиловый спирт сочетает в себе свойства спиртов и непредельных углеводородов.
Самым простым представителем ацетиленовых спиртов является пропаргиловый спирт. Пропинол получается конденсацией ацетилена с формальдегидом. Проявляет все свойства спиртов и алкинов:
Пропаргиловый спирт может быть использован при получении аллилового спирта и глицерина, бутиндиола и дивинила из него. Гидрированием бутиндиола получают 1,4-бутандиол, а дегидратацией последнего – тетрагидрофуран.
ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ.
К простым эфирам относят соединения в молекуле которых кислород связан с двумя одинаковыми или различными углеводородными остатками. Общая формула простых эфиров R-O-R и R-O-R*.
Изомерия, номенклатура. Изомерия и номенклатура простых эфиров обусловлены характером углеводородных радикалов. Свое название эфиры получают либо по названиям радикалов, либо по систематической номенклатуре. В последнем случае меньший радикал вместе с кислородом рассматривается как замещающая группа:
Способы получения. Простые эфиры получают по уже рассмотренным нами реакциям. Это либо нуклеофильное замещение в галогенпроизводных с участием алкоголятов спиртов (реакция Вильямсона), либо межмолекулярная дегидратация спиртов. Реакция Вильямсона позволяет получить симметричные и несимметричные эфиры.
Однако указанные способы получения эфиров оказались малопригодными для промышленного синтеза. Поэтому были разработаны и другие методы. Так, метилтрет.бутиловый эфир, широко используемый в качестве высокооктановой добавки к бензинам, получается в результате реакции присоединения метилового спирта к изобутилену в кислой среде. Эта реакция аналогична гидратации алкенов: вначале происходит протонирование алкена с последующей нуклеофильной атакой молекулой спирта образовавшегося карбокатиона:
Химические свойства. Простые эфиры в качестве функциональной группы содержат кислородный атом с неподеленной парой электронов. Этот класс соединений не может вступить в знакомые уже реакции замещения, присоединения и т.д. Связь С-О в эфирах достаточно прочна и ее трудно разрушить под действием оснований, окислителей и восстановителей. В целом эфиры относятся к мало активным соединениям и практически единственным направлением их превращений является расщепление кислотами.
Известно, что концентрированная серная кислота расщепляет эфирную связь уже на холоду. При этом получаются алкил- и диалкилсульфаты:
Концентрированная иодистоводородная кислота также способна расщеплять эфирную связь. При этом из несимметричных эфиров при повышенных температурах образуются иодистые алкилы. Предполагается, что вначале получается иодистый алкил и спирт, который реагирует с НI и также превращается в галогеналкан:
Действительно, в мягких условиях образуется только одно галогенпроизводное и спирт. В этой связи возникает вопрос о порядке разрыва эфирной связи под действием НI.
Давно уже было установлено, что направление расщепления зависит от природы эфира. Метилалкиловые эфиры с первичными и вторичными алкилами превращаются в иодистый метил и соответствующие спирты, а в случае третичных алкилов образуется метиловый спирт и соответствующие третичные иодпроизводные:
При взаимодействии простых эфиров с иодистоводородной кислотой происходит протонирование эфирного кислорода. В последующем имеет место нуклеофильное замещение. Если одним из радикалов в эфире является третичный алкил – реализуется SN1 – механизм:
В других случаях реакция идет, по-видимому, по механизму SN2. Причем, уходящей группой оказывается больший алкильный радикал вместе с гидроксильной группой.
Благодаря неподеленным парам электронов на кислородном атоме простые эфиры проявляют слабо выраженные основные свойства и при действии сильных кислот превращаются в неустойчивые оксониевые соли:
С кислотами Льюиса простые эфиры дают относительно устойчивые координационные комплексы. Например,
Наиболее важным представителем простых эфиров является диэтиловый эфир, широко применяемый в качестве растворителя различного назначения, а также как анестезирующее вещество. При применении эфира надо помнить, что он обладает высокой летучестью (темп. кип. 35,60), легко воспламеняется. Пары эфира почти в два с половиной раза тяжелее воздуха. При контакте с кислородом воздуха эфир образует взрывчатые гидроперекиси:
Гидроперекиси в эфире можно обнаружить встряхиванием образца с подкисленным иодистым калием. Побурение раствора свидетельствует о наличии гидроперекисей. Их удаляют обработкой с водным раствором сернокислого закисного железа или гидридом кальция.
Альдегиды и кетоны.
Соединения, в молекуле которых содержится карбонильная группа, относятся к альдегидам и кетонам:
В альдегидах эта функциональная группа связана с водородом и углеводородным остатком, в кетонах – с двумя такими остатками:
В зависимости от характера углеводородного радикала известны предельные и непредельные карбонильные соединения. Кроме того, в соединении может содержаться несколько карбонильных групп.
Химическая связь между углеродом и кислородом в карбонильной группе построена также как и двойная связь в алкенах, т.е. представляет собой сочетание σ- и π-связей. Углеродный атом в карбониле sp2-гибридизован, три гибридные орбитали, расположенные под углом 1200, лежат в одной плоскости. Вместе с тем в строении С=С- и С=О-связей имеется и существенное различие: в карбонильной группе двойной связью связаны два разных атома, сильно различающиеся по электроотрицательности. Это приводит к тому, что электроны, осуществляющие связь между углеродным и кислородным атомами, особенно подвижные р-электроны, смещаются в направлении более электроотрицательного атома – кислорода. По этой причине карбонильная группа полярна и характеризуется значительным дипольным моментом, составляющим 2,3 – 2,8 Дебая. Это соответствует 40-50% ионного характера связи в карбонильной группе. Поляризация карбонильной группы приводит к появлению частичного отрицательного заряда на кислороде и обнажению частичного положительного заряда на углероде:
Связь между кислородом и углеродом в карбониле прочнее (179 ккал/моль), чем связь между двумя углеродными атомами, связанными двойной связью (145 ккал/моль). Тем не менее, в реакциях присоединения карбонильные соединения проявляет большую реакционную способность, чем алкены. Отсюда следует, что при формировании реакционной способности поляризация функциональной группы имеет большее значение, чем прочность участвующей в реакции химической связи.
В последующем станет видно, что в химических реакциях альдегидов и кетонов карбонильная группа не только сама непосредственно участвует в реакции, но и влияет на реакционную способность соседних водородных атомов.
I. Предельные альдегиды и кетоны.
В случае альдегидов широко используется тривиальная система названий. При этом они получают тривиальные названия карбоновых кислот, в которые превращаются при окислении. Названия альдегидов по систематической номенклатуре составляются как обычно: выбирается наиболее длинная цепь взаимосвязанных углеродных атомов, которая далее нумеруется, начиная с карбонильного углерода. Наличие карбонила в молекуле обозначается добавлением суффикса аль к названию углеводорода, которому в данном соединении соответствует длинная цепь.
Ниже приводятся структурные формулы наиболее часто встречающихся альдегидов и их названия.
Кетоны имеют либо тривиальные названия, либо получают названия по названиям углеводородных остатков, связанных с карбонильной группой. В этом случае к названиям радикалов добавляется слово кетон. При составлении названия кетонов по систематической номенклатуре наличие карбонильной группы обозначается добавлением суффикса он к названию углеводорода с наиболее длинной цепью углеродных атомов. Цифрами указываются положения радикалов – заместителей и карбонильного углерода:
Имеется немало реакций, ведущих к альдегидам и кетонам. Многие из них уже рассматривались как реакции, характеризующие определенный класс органических соединений.
К числу известных реакций, ведущих к карбонильным соединениям, относятся следующие.
2.1. Оксосинтез (гидроформилирование). В ходе этой реакции происходит одновременное присоединение к алкену оксида углерода и водорода с образованием альдегидов. Условия проведения реакции: 100-2000, 100-200 ат, катализатором служат производные кобальта или никеля, чаще всего дикобальтоктакарбонил Со2(СО)8 и гидрокарбонилкобальта НСо(СО)4.Возможны два направления присоединения оксида углерода и водорода к двойной связи алкена, поэтому в результате оксосинтеза обычно получается примерно равные количества альдегидов с прямой и разветвленной углеродной цепью. Так, давно уже освоенная промышленностью реакция с участием пропилена ведет к масляному и изомасляному альдегидам:
Из наблюдений над реакцией следует, что в ней могут участвовать любые алкены, начиная с этилена. Кроме того, установлено, что оксид углерода весьма неохотно присоединяется к третичному углероду. Так, в реакции с участием изобутилена с выходом 90-95% получается метилбутаналь:
2.2. Гидратация алкинов. Эта реакция, открытая Кучеровым, позволяет синтезировать лишь один альдегид – ацетальдегид при участии в реакции самого ацетилена. Все другие ацетиленовые углеводороды при гидратации по Кучерову дают соответствующие кетоны:
2.3. Гидролиз геминальных дигалогенпроизводных. Как уже упоминалось ранее, гидролиз геминальных дигалогенпроизводных, в зависимости от местоположения атомов галогена, приводит к альдегидам и кетонам:
2.4. Окисление или дегидрирование спиртов. Исходя из спиртов карбонильные соединения можно получить окислением или дегидрированием. При этом первичные спирты дают альдегиды, а вторичные – кетоны:
Окисление спиртов, особенно в промышленности, проводят кислородом воздуха в присутствии медного или серебряного катализатора. Окисление метанола кислородом воздуха на серебряном катализаторе при 6000 – основной метод крупнотоннажного получения формальдегида.
Однако в лабораторных условиях окислять спирты предпочитают с использованием химических окислителей. Для этого чаще всего используется хромовая кислота – Н2CrO4, образующаяся в ходе реакции из хромовой смеси (К2Cr2O7 + Н2SО4).
Вторичные спирты в кетоны часто окисляют по Оппенауэру действием какого-нибудь кетона (ацетона) в смеси с алкоголятом алюминия (изопропилата алюминия):
Известно, что альдегиды окисляются легче, чем спирты. Поэтому при получении альдегидов рассматриваемым способом возникает проблема предотвращения их дальнейшего окисления в карбоновые кислоты. Возможное решение проблемы – удаление альдегида из зоны реакции по мере образования. Этому способствует большая разница в температуре кипения между окисляемым спиртом и образующимся альдегидом. Например, этанол кипит при 780, а ацетальдегид – при 200.
Дегидрирование спиртов, которое также приводит к карбонильным соединениям, осуществляется на тех же катализаторах, что и окисление. Однако имеется существенное различие между указанными реакциями. При дегидрировании из-за отсутствия окислителя невозможно дальнейшее окисление образовавшихся альдегидов. Кроме того, поскольку и окисление (экзотермическая реакция), и дегидрирование (эндотермическая реакция) осуществляются в одних и тех же условиях, их стремятся совмещать. Например, это дает возможность суммарный процесс получения формальдегида из метанола проводить с нулевым тепловым эффектом.
2.5. Превращения карбоновых кислот. Очевидный, казалось бы, путь получения альдегидов восстановлением карбоновых кислот осуществить нелегко, поскольку реакцию в этом случае трудно остановить на стадии образования альдегида. Известно, что альдегиды восстанавливаются легче, чем кислоты. Поэтому напрашивается иной путь получения альдегидов из кислот: восстановление не самой кислоты, а ее производного, более реакционноспособного по отношению к водороду, чем альдегид. Примерами могут послужить восстановление ангидридов и нитрилов кислот.
Галогенангидриды карбоновых кислот с прекрасными выходами могут быть восстановлены по Розенмунду над палладиевым катализатором, активность которого умышленно снижают обработкой серой:
Тот же результат достигается и при восстановлении ацилгалогенида тритрет.бутоксиалюмогидридом лития при низких температурах (-780). При таких условиях практически исключается дальнейшее восстановление образующегося альдегида в спирт или углеводород.
Другим, подходящим для восстановления производным карбоновой кислоты, является нитрил. Восстановление в этом случае ведут алюмогидридом (триэтоксиалюмогидридом) лития. Предполагаемый ход и механизм реакции могут быть представлены следующими реакциями:
Вначале имеет место собственно восстановление, затем гидролиз неустойчивого промежуточного соединения разбавленной кислотой до альдегида.
Еще одними производными карбоновых кислот, которые при нагревании легко превращаются в карбонильные соединения (пиролиз по Пириа), являются их соли. Если при этом используются кальциевые или бариевые соли двух разных кислот, одной из которых является муравьиная кислота, то при пиролизе получаются альдегиды, во всех остальных случаях – кетоны:
Вместо смешанных солей возможно использование смеси солей.
Установлено, что пиролизу (400-4500) могут быть подвергнуты и сами карбоновые кислоты при использовании в качестве катализатора оксидов тория, марганца, кальция, цинка и других металлов:
В последующем методы получения альдегидов и кетонов будут дополнены другими интересными реакциями, среди которых, например, синтез моно- и дизамещенных ацетонов с помощью ацетоуксусного эфира.
3. Химические свойства.
Химические свойства альдегидов и кетонов определяются функциональной группой – карбонилом, даже когда эта группа не принимает непосредственного участия в реакции и остается неизменной после нее. Строение карбонильной группы уже рассматривалась. Характерная особенность этой группы – сильно поляризованная двойная связь между углеродом и кислородом. Эта связь, обуславливающая участие карбонильных соединений в реакциях присоединения, привлекательна для нуклеофильных реагентов. Понятно, что нуклеофильный реагент атакует электронодефицитный углеродный атом карбонила. В то же время электрофильные реагенты будут связываться с кислородным атомом.
Вначале рассмотрим реакции альдегидов и кетонов, которые не относятся к реакциям нуклеофильного присоединения.
3.1. Гидрирование. Уже отмечалось, что гидрирование карбонильных соединений – удобный способ получения спиртов. Альдегиды при этом дают первичные спирты, а кетоны – вторичные:
Присоединение молекулярного водорода к карбонилу происходит при использовании обычных катализаторов гидрирования: никеля, кобальта, меди, платины, палладия и др.
Если для синтеза спиртов в промышленных масштабах более подходит каталитическое гидрирование, то гидрирование в лабораторных условиях лучше вести неорганическими гидридами – литийалюминийгидридом LiAlH4 и натрийборгидридом NaBН4. При использовании литийалюминийгидрида вначале имеет место нуклеофильное присоединение к карбонилу неорганического гидрида с образованием алкоголятов алюминия, которые в последующем гидролизуются водным раствором минеральной кислоты:
При использовании литийалюминийгидрида необходимо иметь в виду, что он не гидрирует двойные связи и, в то же время, насыщает водородом карбонильные группы в карбоновых кислотах и сложных эфирах. Натрийборгидрид – более мягкий гидрирующий агент, позволяющий избирательно гидрировать альдегиды и кетоны в присутствии кислот и эфиров.
Кроме рассмотренных реакций гидрирования, известно также так называемое бимолекулярное восстановление кетонов амальгамой магния, ведущее, в конечном счете, к виц-диолам, например, к пинакону из ацетона. В соответствии с предполагаемым радикальным механизмом реакции вначале магний отдает электрон карбонилу, образуя неустойчивый радикал. Этот радикал взаимодействуя с новой молекулой кетона дает димер, перегруппирующийся в алкоголят магния и диола. Гидролиз последнего дает двухатомный спирт:
3.2. Окисление. Альдегиды и кетоны сильно отличаются по отношению к окислителям. Из всех классов органических соединений, которые были рассмотрены до сих пор, альдегиды окисляются наиболее легко с образованием карбоновых кислот с тем же числом атомов углерода. В то же время кетоны окисляются с трудом и только с разрывом углерод-углеродных связей по обе стороны от карбонила. Продуктами окисления в этом случае оказываются четыре соединения – кислоты и кетоны:
Альдегиды можно окислить не только кислородом воздуха и химическими окислителями, такими как перманганат и бихромат, но даже такими слабыми окислителями как ионы серебра и меди.
Источником ионов серебра в реактиве Толленса служит аммиачный раствор окиси серебра [Ag(NH3)]OH. Этот реактив уже при легком нагревании с альдегидами окисляет карбонильное соединение в карбоновую кислоту. Серебро при этом восстанавливается до металлического и откладывается на внутренней поверхности реакционного сосуда – образуется серебряное зеркало:
При взаимодействии альдегидов с фелинговой жидкостью, представляющей собой водно-щелочной раствор комплексной соли, образовавшейся из гидрата окиси меди и виннонатрийкалиевой соли (темно-синий раствор, также происходит окисление карбонильного соединения в карбоновую кислоту:
При этом двухвалентная медь восстанавливается до одновалентной и в виде красной окиси меди Cu2O выпадает в осадок.
Реакции с реактивом Толленса и фелинговой жидкостью служат качественными реакциями на альдегиды.
3.3. Окисление - восстановление по Канницаро. Интересной реакцией, в ходе которой одновременно происходит окисление одной и восстановление другой молекулы некоторых альдегидов, является реакция Канницаро. Она характерна для альдегидов, не содержащих α - водородных атомов и протекает при взаимодействии альдегида с концентрированным водным или щелочным раствором при комнатной температуре:
Предполагается, что реакция протекает по следующему механизму. Вначале гидроксил-анион как нуклеофил присоединяется к карбонильной группе альдегида. Образовавшийся промежуточный продукт отщепляет гидрид-ион, который как нуклеофил присоединяется ко второй молекуле альдегида:
3.4. Реакции нуклеофильного присоединения.
Присоединение к поляризованной карбонильной группе начинается с атаки нуклеофилом на электронодефицитный углерод. Этот углерод – тригональный, все его связи расположены в одной плоскости, поэтому нуклеофильная атака может происходить с любой стороны плоскости. В процессе присоединения молекула карбонильного соединения значительно перестраивается - происходит перегибридизация карбонильного углерода с sp2-гибридного состояния в sp3. При этом несколько сближаются углеводородные радикалы, связанные с этим углеродом. Понятно, что они будут сопротивляться процессу сближения, т.е. присоединение нуклеофила к карбонильной группе будет испытывать некоторые пространственные затруднения. Кетоны имеют два радикала, связанных с карбонилом, поэтому они испытывают большие стерические препятствия в реакциях нуклеофильного присоединения, чем альдегиды, которые связаны лишь с одним углеводородным остатком. К тому же алкильные заместители, являясь донорами электронов, подают электроны карбонилу, усиливают отрицательный заряд на кислороде и, тем самым, дестабилизируют переходное состояние. Таким образом, реакционная способность альдегидов и кетонов формируется под влиянием электронных и пространственных факторов. Имеет значение также высокая поляризуемость электронов π-связи карбонильной группы.
В наиболее общем виде нуклеофильное присоединение к карбонильной группе может быть представлено следующей схемой:
Реакции карбонильной группы с нуклеофильными реагентами катализируются кислотами. Объясняется это тем, что протон кислоты образует связь с кислородом карбонила за счет электронов двойной связи. При этом на карбонильном углероде возникает полный положительный заряд, способствующий повышению реакционной способности по отношению к нуклеофильным реагентам. Кислота взаимодействует не только с функциональной группой альдегидов и кетонов, но и нуклеофилом-основанием, переводя его в соль и уменьшая концентрацию. Поэтому при катализе кислотами реакции нуклеофильного присоединения для каждого случая существует свое оптимальное значение рН среды. Это та область рН, когда карбонильная группа в достаточной степени активирована, а концентрация нуклеофила в заметной степени еще не уменьшилась.
Кислотнокатализируемое нуклефильное присоединение к альдегидам и кетонам можно представить следующей схемой:
Следует отметить, что реакции присоединения к карбонилу сильных нуклеофилов (аммиак, амины, гидроксиламин, гидразин и его производные и др.) хорошо идут и без катализатора в нейтральной или даже слабощелочной среде.
3.4.1. Присоединение синильной кислоты. Продуктами присоединения синильной кислоты к альдегидам и кетонам являются гем-оксицианиды чаще называемые циангидридами, представляющими собой нитрилы α-оксикислот:
Рассматриваемая реакция идет очень медленно даже в условиях кислотного катализа. Более того, реакция даже затрудняется в присутствии кислот, в то время как основания ее катализируют. Оказалось, что дело здесь не в низкой реакционной способности карбонильного соединения или же нуклеофила, а в низкой концентрации аниона циангидрина. Слабая синильная кислота плохо диссоциирована, а внесение в реакцонную смесь основания приводит к резкому повышению концентрации цианид-иона
Нуклеофил медленно присоединяется к карбонильной группе с образованием аниона циангидрина
Этот анион относится к сильным основаниям. Он вырывает протон из молекулы растворителя (воды) или синильной кислоты. В результате образуется циангидрин и генерируется катализатор
Синтетическая ценность рассматриваемой реакции заключается в том, что она позволяет получить из доступных карбонильных соединений окси -, амино - и непредельные карбоновые кислоты.
Интересно отметить, что некоторые растения в своих плодах (косточках) содержат циангидрины – это сливы, вишни, персики и миндаль. При переработке этих плодов возможно выделение опасной для здоровья синильной кислоты, образующейся при распаде циангидринов.
3.4.2. Присоединение бисульфита натрия. Характерная особенность альдегидов и кетонов – это их способность образовать бисульфитное производное при взаимодействии с бисульфитом натрия:
В эту реакцию вступают альдегиды, и только некоторые из кетонов – метилкетоны из-за пространственных затруднений. Реакция протекает при простом встряхивании карбонильного соединения с концентрированным раствором (40%-ный водный раствор) бисульфита натрия. Аддукт выделяется в виде кристаллического осадка, растворимого в воде и плохо растворимого в органических растворителях. Реакция образования бисульфитного производного обратима. Чтобы генерировать карбонильное соединение из аддукта его обрабатывают разбавленной водной кислотой, основанием или же формальдегидом
С учетом сказанного получение аддукта может быть использовано для выделения и очистки альдегидов и метилкетонов и как качественная реакция на них.
3.4.3. Присоединение смешанных магнийорганических соединений (реактивов Гриньяра) к альдегидам и кетонам, которое представляет собой частный случай нуклеофильного присоединения к карбонильной группе, было уже рассмотрено как универсальный способ получения спиртов. Синтез спиртов через цинкорганические соединения предложен Зайцевым, Бутлеровым и Вагнером, а применение магнийорганических соединений изучено Гриньяром. Нуклеофилом в этом случае является углеводородный остаток, связанный с атомом металла. Продуктом реакции является соответствующий алкоголят, при гидролизе которого получается сам спирт.
3.4.4. Реакция с аммиаком и его производными. Аммиак и некоторые его производные охотно реагируют с карбонильной группой альдегидов и кетонов. Эта реакция давно привлекала внимание химиков, поскольку она легко протекает с участием весьма доступных реагентов и приводит к производным, широко используемым для выделения, очистки и идентификации альдегидов и кетонов.
Несомненно, что рассматриваемая реакция относится к реакциям нуклеофильного присоединения
Существенное отличие рассматриваемой реакции от других реакций нуклеофильного присоединения заключается в том, что в данном случае получается неустойчивый продукт, легко отщепляющий воду и превращающийся в ненасыщенное азотсодержащее производное
Конечный продукт реакции содержит группировку атомов –С=N-, характерную для иминов или оснований Шиффа.
Таким образом, взаимодействие карбонильных соединений с аммиаком и его производными является не просто реакцией присоединения, а представляет собой реакцию «присоединения – элиминирования». В обобщенной форме эти реакции с участием гидроксиламина, гидразина, фенилгидразина, семикарбазида и динитрофенилгидразина можно представить следующей схемой.
Реакция самого аммиака с альдегидами кетонами протекает различно. Даже разные альдегиды с аммиаком реагируют с образованием с различных продуктов.
Реакция с формальдегидом протекает уже при пропускании паров аммиака через водный раствор альдегида (36%-ный водный раствор формальдегида носит название формалина). При этом получается гексаметилентетрамин (уротропин), построенный подобно адамантану
Уротропин используется в медицине как сам по себе в качестве антисептического средства для мочевых путей, так и в комплексе с хлористым кальцием (кальцекс). Гексаметилентетрамин при нитровании дымящей азотной кислотой дает взрывчатое вещество циклонит или гексоген (в 1,5 более мощное, чем тротил)
Ацетальдегид при взаимодействии с аммиаком превращается в ацетальдимин, который легко тримеризуется в альдегидоаммиак
Кетоны с аммиаком реагируют с образованием других продуктов.
Как уже упоминалось раньше, реакция альдегидов и кетонов с аммиаком и его производными, как частный случай реакций электрофильного присоединения, катализируется кислотами и основаниями. Например, реакция карбонильных соединений с гидроксиламином катализируется основанием
Слабый нуклеофил – семикарбазид – реагирует в сильнокислотной среде.
Хорошим примером, иллюстрирующим различие в реакционной способности альдегидов и кетонов, может служить реакция с дианилиноэтаном. Альдегиды образуют кристаллическое производное уже через 1-2 мин после внесения катализатора (уксусной кислоты)
Для выделения альдегида из этого производного достаточно встряхивания с 10%-ной соляной кислотой. Кетоны в реакцию с дианилиноэтаном не вступают.
3.4.5. Присоединение алкенов. В случае альдегидов, особенно их высоко реакционноспособных представителей – формальдегида, ацетальдегида и, в меньшей степени, других, возможно присоединение в кислой среде алкенов (реакция Принса). Удивительно, что даже основности алкенов достаточно (за исключением этилена), для протекания этой реакции. Раньше уже упоминалась реакция между изобутиленом и формальдегидом с образованием 4,4-диметил-1,3-диоксана как одна из стадий синтеза изопрена. Предполагается, что в ходе этой реакции в начале происходит протонирование альдегида (кислотный катализ)
Далее следует медленная стадия присоединения нуклеофила (алкена)
Образовавшийся карбокатион уже как электрофил присоединяется ко второй молекуле формальдегида
Реакция завершается циклизацией и отщеплением протона от иона, полученного в предыдущей стадии
3.4.6. Присоединение воды. При взаимодействии с водой многие карбонильные соединения гидратируются с образованием весьма неустойчивых гем-диолов. Известно, что формальдегид в водном растворе существует только в виде метиленгликоля и полиоксиметиленгликолей
Другие альдегиды, а также кетоны, в равновесном состоянии могут содержать то или иное количество свободного карбонильного соединения в зависимости от его природы. Так, в случае ацетальдегида содержание гидрата достигает 58%, в то время как ацетон в воде просто растворяется за счет водородных связей. В последнем случае содержание гем-диола в растворе очень мало.
Как и другие реакции нуклеофильного присоединения, гидратация альдегидов и кетонов катализируется кислотами
и основаниями
При этом в случае использования при гидратации воды, молекула которой содержит изотоп кислорода, этот изотоп оказывается включенным в карбонильную группу. Это доказывает образование гем-диола при гидратации альдегидов и кетонов.
3.4.7. Присоединение спиртов. Спирты способны присоединяться к карбонильной группе подобно воде. При этом получаются полуацетали и ацетали из альдегидов и полукетали и кетали из кетонов
До стадии образования полуацеталей реакция катализируется и кислотами, и основаниями
Однако превращение полуацеталя в ацеталь происходит только в условиях кислотного катализа. Реакция в этом случае сводится к SN1 – механизму
Превращение полуацеталя в ацеталь в присутствии основания должно было бы происходить как SN2-реакция с плохой уходящей группой ОН
поэтому она и не реализуется.
Следует отметить, что кетали трудно получить ацеталированием кетонов спиртами из-за невыгодного положения равновесия. В этом случае приходится прибегать либо к методам нарушения равновесия, либо использовать обходные пути. Хорошие результаты получены при синтезе кеталей из ортоэфиров и кетонов
Ацетали относятся к классу простых эфиров и, следовательно, проявляют все свойства, характерные для них. В частности, они легко гидролизуются в кислой среде
Механизм гидролиза является обратным механизму ацеталирования. Понятно, что ацетали неспособны к щелочному гидролизу.
Превращение карбонильных соединений в ацетали и последующий гидролиз их широко используется для защиты карбонильной функциональной группы. Кроме того, химия ацеталей имеет исключительное значение при изучении углеводов.
3.5. К образованию линейных и циклических полимеров способны только простые альдегиды.
Уже упоминалось, что в водной среде формальдегид существует только в виде полиоксиметиленгликолей, находящихся в равновесии. При осторожном упаривании воды их можно выделить и получить так называемый параформальдегид. При нагревании параформальдегида в разбавленной кислоте получается 1,3,5-триоксан
Известен аналогичный циклический тример – паральдегид и для ацетальдегида
Полимерные формы альдегидов при нагревании деполимеризуются до мономерного альдегида. Поэтому они являются удобным источником альдегидов.
3.6. Обмен кислорода карбонильной группы. Для альдегидов и кетонов известны реакции замещения кислорода карбонильной группы на атомы хлора или фтора. При этом получаются гем-дигалогенпроизводные
3.7. Реакции с участием - водородных атомов. Водородные атомы, имеющиеся в молекуле альдегидов и кетонов, различаются по своей способности вступать в реакции замещения. По какой-то причине водороды, связанные с углеродом, соседним с карбонильной группой, оказываются самыми кислыми и подвижными. Поэтому при взаимодействии с основаниями они переходят к основанию, происходит ионизация карбонильного соединения и образование карбаниона
Нетрудно видеть, что отрицательный заряд в анионе может принадлежать не только углероду, но и кислороду. Более того, с учетом способности кислорода принимать отрицательный заряд, большая часть заряда будет на кислороде, т.е. ион будет в большей степени представлять собой анион енола, чем карбанион
Таким образом, ионизация α-водородного атома приводит к аниону, представляющему собой резонансный гибрид приведенных выше структур, со значительным вкладом структуры с зарядом на кислороде. А это означает, в свою очередь, эффективное рассредоточение заряда в анионе, стабилизацию последнего и легкость его образования. Все это невозможно при ионизации с участием других водородных атомов карбонильного соединения. Теперь становится понятной причина подвижности соседних с карбонилом водородных атомов. Скорее всего, кислый характер α- водородных атомов будет выражен очень слабо, однако они будут более подвижными, чем другие. Следует отметить, что слабая кислотность означает, что протон в молекуле связан с сильным основанием. Поэтому карбанион, образующийся при ионизации α-водородных атомов в альдегидах и кетонах, будет представлять собой сильный нуклеофил.
3.7.1. Галогенирование альдегидов и кетонов. Альдегиды и кетоны, имеющие α-водородные атомы, легко замещают их при взаимодействии с хлором, бромом и даже с иодом. Реакция катализируется кислотами и основаниями, однако последние более эффективны.
Рассмотрим реакцию ацетона с бромом. Она протекает с образованием бромацетона
Дальнейший ход событий зависит от природы катализатора. В случае кислотного катализа основным продуктом реакции оказывается бромацетон. При бромировании в присутствии основания реакция идет до конца, т.е. до замещения всех водородных атомов в метильной группе и лишь после этого возможно участие в реакции другой метильной группы ацетона. Из этих наблюдений над реакцией следует, что при бромировании ацетона каждый последующий продукт реакции по отношению к брому более активен, чем предыдущий
Еще одна особенность галогенирования альдегидов и кетонов в присутствии основания заключается в том, что катализатор энергично атакует конечный продукт реакции по карбонильной двойной связи. При этом вначале образуется продукт нуклеофильного присоединения, потом происходит разрыв углерод-углеродной связи
Такое развитие реакции приводит к образованию карбоновой кислоты и тригалогенметана (хлороформа, бромоформа и иодоформа), происходит так называемая галоформная реакция.
Любопытно отметить, что атомы галогена в α- галогенальдегидах и кетонах в SN1 – реакциях весьма инертны. В то же время при SN2 – замещении они исключительно подвижны по сравнению с галогеналкилами.
Галогенирование альдегидов и кетонов используется для получения ценных продуктов, например, трихлоруксусного альдегида (хлораля), галоформов. Галоформная реакция широко применяется для обнаружения метилкетонов. При галоформной реакции с участием иода и основания метилкетоны дают иодоформ, представляющий собой малорастворимое твердое вещество ярко - желтого цвета.
При изучении механизма реакции альдегидов и кетонов с галогенами установлено следующее.
При бромировании ацетона в присутствии основания
скорость реакции зависит от концентрации ацетона и основания и не зависит от концентрации галогена
Это означает, что на самой медленной стадии реакции (лимитирующей стадии), скорость которой измеряют, галоген не участвует. Бром вступает в реакцию на ее быстрой стадии. Об этом свидетельствует и то обстоятельство, что бромирование, хлорирование и иодирование ацетона, при прочих равных условиях, протекают с одинаковыми скоростями. Если бы галогены вступали в реакцию в лимитирующей стадии, то различие их природы и реакционной способности привело бы к разным скоростям галогенирования.
Что же может происходить с ацетоном с участием основания?
Прежде всего, возможно уже рассмотренное выше нуклеофильное присоединение по карбонильной группе
Другое возможное направление реакции – отрыв основанием водородного атома от метильной группы ацетона с образованием аниона с делокализованным зарядом
В общем случае эти два возможных направления превращения ацетона конкурируют друг с другом. Однако, судя по результатам реакции, скорость отрыва протона значительно выше, чем скорость нуклеофильного присоединения, хотя такое соотношение скоростей не остается неизменным по ходу реакции.
Имеются и другие доводы в пользу трактовки первой стадии реакции между кетоном и галогеном как реакции отрыва протона от α- углеродного атома. Представим себе, что модельный кетон, содержащий единственный водородный атом при асимметрическом α- углероде, взаимодействует с дейтерированным основанием. Каков будет результат реакции? Основание будет отрывать этот единственный атом водорода – протий с образованием карбаниона (можно уже каждый раз не оговаривать, что на самом деле значительная часть отрицательного заряда принадлежит кислороду). Единственное, что может сделать этот карбанион, оторвать, в свою очередь, водородный атом (дейтерий) от дейтерированной воды. При этом дейтерий может присоединиться к электроноизбыточному углероду с двух сторон плоскости равновероятно. Вспомним, что карбанион имеет плоское строение.
Таким образом, при взаимодействии одного из энантиомеров модельного кетона с дейтерировнным основанием произойдет обмен протия на дейтерий и образование равных количеств энантиомеров, т.е. рацемизация
Удивительно, что скорости реакции модельного кетона с хлором, бромом и иодом, скорости дейтерообмена и рацемизации оказались одинаковыми. Этого и следовало ожидать, поскольку во всех этих реакциях лимитирующая стадия одна и та же – образование карбаниона.
Таким образом, предположение об образовании карбкатиона при галогенировании карбонильных соединений в присутствии оснований вполне обосновано. В целом механизм бромирования ацетона следующий:
Точно по этой же схеме протекает замещение остальных водородных атомов ацетона, как уже указывалось выше, с все возрастающей скоростью. Это означает, что карбанион дибромацетона более устойчив и легче образуется, чем анион бромацетона, который, в свою очередь, более стабилен, чем анион ацетона
Казалось бы, после образования трибромацетона должно происходить замещение водородных атомов другой метильной группы ацетона. Однако в присутствии основания часто имеет место нуклеофильное присоединение с последующим разрывом углерод-углеродных связей (галоформная реакция). Это означает, что промежуточный продукт этой реакции из-за влияния трибромметильной группы (электроноакцепторная группа) более стабилен и легче образуется, чем карбанион
3.7.2. Альдольная конденсация. Другая реакция альдегидов и кетонов, протекающая с участием α- водородных атомов – альдольная конденсация. Она протекает под каталитическим воздействием оснований и кислот и заключается в конденсации двух молекул карбонильного соединения с образованием оксиальдегидов и оксикетонов. Вот несколько примеров
При катализе основаниями события при альдольной конденсации развиваются также как и при галогенировании карбонильных соединений. Вначале образуется карбанион, который дальше как нуклеофил присоединяется ко второй молекуле альдегида или кетона
Синтетические возможности альдольной конденсации значительно расширились с обнаружением так называемой перекрестной альдольной конденсации. В этом случае в реакцию вступают два разных альдегида. Вовлечение в реакцию просто двух альдегидов не представляет особого интереса – получаться четыре разных альдоля, которые еще надо разделить. Но если из двух альдегидов один не будет иметь α- водородных атомов, то картина меняется.
Рассмотрим совместную конденсацию формальдегида и ацетальдегида в присутствии основания. Очевидно, что реагировать с основанием может только ацетальдегид
Возникший нуклеофил будет атаковать карбонильную группу альдегидов. Если это окажется ацетальдегид, то получится альдоль. Гораздо больший интерес представляет нуклеофильное присоединение карбаниона к формальдегиду. В этом случае результатом реакции будет альдоль, в образовании которого приняли участие оба альдегида – 3-оксипропаналь
Поскольку продуктом реакции действительно оказывается оксипропаналь, то приходится допустить, что для карбаниона при нуклеофильной атаке более предпочтительным партнером является формальдегид
Это может быть объяснено тем, что ион, получающийся при присоединении карбаниона к ацетальдегиду, дестабилизирован метильной группой и труднее образуется.
Перекрестная альдольная конденсация с участием формальдегида и ацетальдегида не прекращается с образованием 3-оксипропаналя. Реакция повторяется еще дважды и приводит к триоксиметилацетальдегиду, но и он не является конечным продуктом реакции. Этот оксиальдегид, лишенный - водородных атомов, вступает, как и другие альдегиды подобного типа, в реакцию Канницаро (см. раздел 3.3). Реакция в данном случае также протекает как перекрестная, т.е. с участием оксиальдегида (восстанавливается) и формальдегида (окисляется)
Конечным продуктом конденсации формальдегида и ацетальдегида под каталитическим действием оснований является четырехатомный первичный спирт – пентаэритрит. Сложные эфиры этого спирта применяются как пластификаторы и синтетические смазочные масла. Альдольная конденсация, а также перекрестная альдольная конденсация, предоставляют широкие возможности при синтезе практически важных продуктов.
3.8. Кето – енольная таутомерия. При обсуждении гидратации алкинов по Кучерову уже упоминался этот вид таутомерии - установление равновесия между карбонильными соединениями и изомерными им ненасыщенными спиртами. Дополнительное обсуждение этого вопроса связано с тем, что рассмотренные выше реакции галогенирования и альдольной конденсации карбонильных соединений протекают и в условиях кислотного катализа. Предполагается, что в этом случае в реакции принимает участие енольная форма альдегида или кетона, а кислота способствует быстрому достижению положения равновесия между таутомерами, не затрагивая само положение равновесия.
Енолизация ацетона под влиянием кислоты происходит по следующей схеме
В реакции кислотного бромирования ацетона дальше происходит электрофильное присоединение галогена к енолу
В случае альдольной конденсации к енолу присоединяется протонированная форма того же кетона
Существенная особенность кислотной альдольной конденсации заключается в том, продукт реакции даже при комнатной температуре претерпевает дегидратацию. При этом образуется непредельное карбонильное соединение. Например, конденсация ацетальдегида в кислой среде приводит к кротоновому альдегиду
Легкость протекания дегидратации объясняет невозможность прерывания кислотной альдольной конденсации на стадии образования альдоля. Реакция обычно идет до ненасыщенного карбонильного соединения и называется кротоновой конденсацией.
2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны.
В молекуле ненасыщенных альдегидов и кетонов имеются углеродные атомы, связанные двойной связью, и карбонильная группа. В зависимости от относительного расположения функциональных групп непредельные альдегиды и кетоны могут быть подразделены на три группы. Наибольший интерес представляют случаи, когда двойные связи С=С– и С=О сопряжены (их разделяет одна простая связь) или кумулированы (двойные связи примыкают к общему углероду). Разумеется, что такие соединения будут проявлять свойства, присущие и алкенам и оксосоединениям. Однако особенности строения обусловят и своеобразие в ходе этих реакций.
2.1. Оксосоединения с сопряженными двойными связями.
Простейшими представителями соединений с сопряженной системой двойных связей являются акролеин (пропеналь) и бутенон.
Известно несколько методов получения акролеина.
Акролеин является обычным продуктом дегидратации глицерина (2000, катализатор – гидросульфаты щелочных металлов, например, КНSО4). Вероятная схема реакции включает дегидратацию с участием вторичного гидроксила, изомеризацию полученного енола в альдегид (кето-енольная таутомерия), кротонизацию кетоформы
Другой метод получения акролеина основан на окислении пропилена в присутствии CuO при 350 - 4000
Более универсальным методом получения ненасыщенных карбонильных соединений является кротоновая или перекрестная кротоновая конденсация. Синтез кротонового альдегида уже рассматривалась. Для получения акролеина надо исходить из формальдегида и ацетальдегида (силикагель, 3000)
Аналогично получают и ненасыщенные кетоны. Реакцию с участием альдегида и кетона проводят с использованием щелочного катализатора, а кетоны кротонизируют в присутствии кислот
Ненасыщенные альдегиды и кетоны рассматриваемого типа могут вступать в реакции электрофильного присоединения за счет С=С-связи и нуклеофильного присоединения по С=О-связи. А из-за сопряжения этих связей присоединение может идти по типу 1,2- и 1,4-присоединения. Необычное сопряжение полярной и неполярной двойных связей может сказаться на соотношении между этими типами присоединения. Рассматриваемые дальше конкретные реакции иллюстрируют сказанное. Вообще же следует отметить, что оксосоединения с сопряженными двойными связями проявляют высокую реакционную способность.
Одним из проявлений высокой активности олефиновой двойной связи является то, что ненасыщенные альдегиды и кетоны легко полимеризуются. Часто приходится даже подавлять эту их склонность, используя ингибиторы.
Все ненасыщенные карбонильные соединения в кислой среде легко гидратируются. Можно было бы представить эту реакцию как реакцию электрофильного 1,2-присоединения, протекающую против правила Марковникова
Однако есть основания считать, что в данном случае имеет место 1,4-присоединение к системе сопряженных двойных связей с образованием соответствующего енола, который по мере образования вступает в таутомерные отношения с своей кетоформой
Предполагаемый механизм реакции включает протонирование непредельного карбонильного соединения по кислороду с образованием катиона аллильного типа, стабилизацию последнего в реакции с водой и установление кето - енольного равновесия
Аналогично присоединяется хлористоводородная кислота
Таким образом, нет оснований считать, что электрофильное присоединение к С=С – связи происходит с нарушением правила Марковникова. Это нарушение кажущееся. На самом деле имеет место 1,4-присоединение и начинается оно с присоединения протона к электроотрицательному кислороду, а не к углероду двойной связи.
Интересно протекает взаимодействие ненасыщенных карбонильных соединений с нуклеофильным реагентом - синильной кислотой в присутствии основания. В случае альдегидов 1,2-присоединение превалирует над 1,4-присоединением и продуктом реакции оказывается циангидрин
Кетоны же присоединяют цианистый водород к концам сопряженной системы двойных связей с образованием - цианкетона
Известны и другие реакции нуклеофильного 1,4-присоединения к ненасыщенным кетонам. Например, к окиси мезитила легко присоединяется аммиак с образованием диацетонамина
2.2. Кетены.
Простейшим ненасыщенным альдегидом с кумулированными двойными связями является кетен, который получают пиролизом ацетона
или же уксусной кислоты
Для синтеза замещенных кетенов можно использовать старый метод Штаудингера (1905 г.), заключающийся в отнятии цинком атомов брома от бромангидридов α-бромзамещенных кислот
Кетены своеобразно построены и напоминают непредельные кетоны. В то же время эти соединения не проявляют свойств, присущих кетонам: не образуют оксимы, фенилгидрозоны и др. производные. Судя по реакциям, в которые они вступают, кетены могут рассматриваться как своеобразные ангидриды кислот, с помощью которых удобно вводить в молекулу кислотный остаток – ацил. Следующие реакции ацетилирования с помощью кетена подтверждают сказанное
В заключение отметим, что кетен легко самопроизвольно димеризуется в дикетен, представляющий собой β-лактон енола ацетоуксусного эфира. При взаимодействии с этиловым спиртом он превращается в в ацетоуксусный эфир
3. Диальдегиды и дикетоны.
Наряду с соединениями, содержащими в своей молекуле одну карбонильную группу, известны ди- и вообще поликарбонильные альдегиды и кетоны.
Простейшим диальдегидом является глиоксаль или этандиаль, представляющий собой просто соединение двух альдегидных групп. Его получают осторожным окислением (двуокись селена) этанола, уксусного альдегида, этиленгликоля и др. Чаще всего применяется окисление этиленгликоля воздухом при 250 – 3000 на медном катализаторе
Альдегидные группы в глиоксале проявляют высокую реакционную способность и дают обычные продукты присоединения с участием одной или двух карбонильных групп. Также не является неожиданным вступление глиоксаля во внутримолекулярную реакцию Канницаро с образованием оксиуксусной кислоты при воздействии концентрированной щелочи
Первым членом гомологического ряда дикетонов с соседним расположением карбонильных групп является диметилглиоксаль (диацетил), называемый, по систематической номенклатуре, 2,3-бутандионом. Его получают окислением бутанона или кетоспиртов
Другой путь к дикетонам – реакция азотистой кислоты с активными α- водородными атомами кетонов. Получающиеся при этом монооксимы дикетонов при кислотном гидролизе дают - диоксосоединения
Дикетоны проявляют высокую реакционную способность и вступают в обычные реакции, характерные для карбонильных соединений.
Из производных диацетила широко известен диметилглиоксим
Этот оксим способен, как это было установлено Чугаевым, образовать окрашенные, нерастворимые внутрикомплексные соединения (клешнеобразные, хелатные) с катионами металлов. Комплесообразование с никелем служит для качественного и количественного определения этого металла
Любопытно отметить, что диацетил придает сливочному маслу характерный для него запах. Причем, для запаха достаточно содержание в 1 кг масла десятых долей миллиграмма дикетона. Поэтому диацетил добавляется в маргарины и сыры.
Из других дикетонов широко известен ацетилацетон или 1,3-пентандион, обычно получаемый по Кляйзену конденсацией ацетона с этилацтетатом в присутствии этилата натрия
Предполагается, что конденсация по Кляйзену сводится к известной реакции нуклеофильного присоединения
Ацетилацетон проявляет некоторые неожиданные свойства, реагирует не только как кетон, но и как спирт, например, с металлическим натрием. Однако такое поведение ацетилацетона легко объясняется с учетом возможности существования кетона и в енольной форме
Особенность данного таутомерного равновесия в том, что в нем енол представлен в значительном количестве – до 85%. Такая высокая степень енолизации ацетилацетона объясняется возможностью образования внутримолекулярной водородной связи, приводящей к стабилизации молекулы ненасыщенного спирта
Енольная форма ацетилацетона проявляет определенную кислотность. Еноляты щелочных металлов могут вступать в реакции нуклеофильного замещения с участием галогенпроизводных алканов. При этом, как правило, происходит С-алкилирование
Известны еноляты не только щелочных металлов, но и железа, меди, хрома, алюминия и др. Они представляют собой внутрикомплексные хелатные соли. Способность дикетонов к образованию хелатов используется для извлечения катионов металлов.
Карбоновые кислоты
Молекула карбоновых кислот в виде функциональной группы содержит группировку атомов
которая называется карбоксильной группой (карбоксилом). Карбоксил в соединении может быть связан с алкильной группой (предельные карбоновые кислоты) или остатком алкена (непредельные карбоновые кислоты). Кроме того, карбоновая кислота может содержать несколько карбоксилов. От их числа зависит основность кислоты.
1. Предельные одноосновные кислоты.
Многие одноосновные предельные карбоновые кислоты стали известны благодаря содержанию в доступных природных продуктах. Поэтому в тривиальных названиях кислот широко отражен их природный источник. Например, три кислоты, содержащие в своей молекуле 6, 8 и 10 углеродных атомов, были выделены из продуктов гидролиза сливочного масла из козьего жира и названы соответственно капроновой, каприловой и каприновой кислотами (от латинского caper – коза).
Ниже приведены наиболее часто встречающиеся кислоты и их названия по тривиальной и систематической номенклатурам
По систематической номенклатуре карбоновая кислота свое название получает от названия соответствующего углеводорода, которому в данном соединении соответствует наиболее длинная цепь углеродных атомов. Цепь нумеруется, причем отсчет начинается от карбоксильного углерода. В названии указываются не вошедшие в главную цепь радикалы-заместители, и их положение.
Следует отметить, что некоторые кислоты с большим количеством углеродов в молекуле, относят в высшим жирным кислотам (например, пальмитиновая и стеариновая). Этим названием объединяются встречающиеся в природе кислоты с неразветвленной цепью, которые в виде эфиров входят в состав жиров, восков и масел растений и животных.
При отнятии гидроксильной группы от карбоксила получаются одновалентные кислотные остатки или ацилы, а при отщеплении водорода – так называемые ацилатные группы
Н-СО- формил Н-СОО- формиат
СН3СО- ацетил СН3СОО- ацетат
СН3СН2СО- пропионил СН3СН2СОО- пропионат
СН3СН2СН2СО- бутирил СН3СН2СН2СОО- бутират
СН3СН2СН2СН2СО- валерил СН3СН2СН2СН2СОО- валерат
Названия производных карбоновых кислот связаны с названиями самих кислот. Как составляются названия производных кислот, видно из приводимых ниже примеров
СН3СООН СН3СООNa СН3СОCl
уксусная кислота ацетат натрия ацетилхлорид
этановая кислота этаноат натрия этаноилхлорид
(СН3СО)2О СН3СН2ОСОСН3 СН3СОNН2
уксусный ангидрид этилацетат ацетамид
этановый ангидрид этилэтаноат этанамид
СН3СОNНСН3 СН3СN
N-метилацетамид ацетонитрил
N- метилэтанамид этаннитрил
1.2. Методы получения.
Со многими из реакций, ведущих к одноосновным предельным карбоновым кислотам, мы уже знакомы. Это – многочисленные реакции окисления алканов, алкенов и алкинов, первичных спиртов и альдегидов, гидролиз галогенпроизводных с тремя галогенами у одного углерода и производных карбоновых кислот: нитрилов, сложных эфиров, ортоэфиров, ангидридов, галогенангидридов и амидов. К карбоновым кислотам ведут также реакции смешанных магнийорганических (реактивов Гриньяра) и металлоорганических соединений с диоксидом углерода, галоформная реакция и др. Карбоновые кислоты могут быть синтезированы также с помощью малонового и ацетоуксусного эфиров. Эти синтезы, однако, целесообразнее рассматривать при изучении указанных эфиров.
1.2. Физические свойства.
Одно из удивительных свойств карбоновых кислот – это их высокая температура кипения. Для сравнения ниже приведены температуры кипения некоторых соединений (0С)
уксусный альдегид 21
этилацетат 77
этанол 79
уксусная кислота 118
В свое время неожиданно высокая температура кипения спиртов была объяснена образованием водородных связей между их молекулами. Для образования водородной связи молекула должна иметь достаточно кислый водородный атом, как, например, в сильно поляризованной гидроксильной группе и атом элемента, отличающегося значительной электроотрицательностью (кислород, азот, фтор). Тогда между положительным водородом одной молекулы и отрицательным элементом другой возникают силы электростатического притяжения. Благодаря водородной связи спирты (и вода) представляют собой ассоциированные жидкости. Для перевода молекул спирта в паровую фазу необходимо разрушить водородные связи, а для этого требуется затратить энергию.
У кислот температуры кипения еще выше, чем у спиртов. Это уже трудно объяснить только возникновением водородных связей между молекулами кислоты. Если это водородные связи, то они заметно отличаются от таковых в спиртах. Отличие водородных связей в спиртах и карбоновых кислотах обусловлено тем, что водород в кислотах намного кислее, а кислород – более электроотрицателен, чем в гидроксильной группе спиртов. Поэтому водородная связь в кислотах является более прочной. Еще более важным является то обстоятельство, что молекулы карбоновых кислот могут связаться друг с другом не одной, а двумя водородными связями
В результате две молекулы кислоты оказываются связанными настолько прочно, что они существуют в виде димера не только в жидкой или твердой фазе, но даже в парах.
Высокая растворимость низших кислот в воде также объясняется образованием водородных связей с участием молекул кислоты и растворителя. При этом молекулы воды вклиниваются между молекулами карбоновой кислоты
1.3. Химические свойства.
Химические свойства карбоновых кислот обусловлены наличием в их молекуле карбоксильной группы, представляющей собой сочетание карбонильной и гидроксильной групп, которые влияют на реакционную способность друг друга, а также водородных атомов, расположенных по соседству с функциональной группой. Вместе с тем, химические свойства карбоновых кислот не просто сочетание свойств, присущих спиртам и карбонильным соединениям, это и новое качество.
1.3.1. Кислотность. Образование солей.
Одноосновные предельные карбоновые кислоты являются хотя и слабыми, но «настоящими» кислотами – их можно обнаружить с помощью лакмусовой бумаги. Раньше мы говорили о кислотности ацетиленовых углеводородов с концевой тройной связью, спиртов, аммиака, воды. Кислые свойства этих соединений нельзя обнаружить лакмусовой бумагой. О кислотности указанных соединений обычно судят по единственному критерию - способности реагировать со щелочными металлами с выделением водорода. О силе кислоты при этом судят по способности соединения вытеснять более слабые кислоты из их солей. В случае упомянутых выше соединений обозначение «кислый» водородный атом означает на самом деле более подвижный по сравнению с другими, склонный к замещению водородный атом.
Являясь кислотами, карбоновые кислоты служат источником протонов, следовательно, они способны к ионизации. В водном растворе кислота ионизирует по уравнению
Между кислотой и карбоксилат-анионом и протоном устанавливается равновесие. Константа равновесия Ка (константа кислотности, acid – кислота) связывающая концентрации, вычисляется на основе уравнения
Константа кислотности выражает отношение концентраций между ионизированной и неионизированной формами кислоты. Понятно, что чем больше Ка, тем больше кислота ионизирована и тем она сильнее. Иногда используется выражение рКа, представляющее собой отрицательный логарифм Ка. В этом случае, чем больше рКа, тем слабее кислота. Каждая карбоновая кислота имеет свою константу кислотности, которую можно использовать как точную меру кислотности. Поскольку ацетилен, аммиак, спирты не протонируются водой, их Ка определены косвенными методами и экстраполированы к водным растворам.
Сравним константы кислотности Ка обсуждаемых классов соединений
уксусная кислота 10-4,8
этиловый спирт 10-16
ацетилен 10-26
аммиак 10-35
Из этих данных видно, что карбоновые кислоты, на примере уксусной кислоты, сильнее этилового спирта почти на 11 порядков. Какие же особенности строения обуславливают такие колоссальные различия в кислотности?
Ионизация этанола и уксусной кислоты протекает с образованием соответственно алкоголят– и карбоксилат– аниона
Для того чтобы обусловить указанное выше различие в кислотности между спиртом и кислотой, карбоксилат – анион должен быть несравнимо более стабильным, чем алкоголят – анион. Причину особой устойчивости карбоксилат – аниона можно представить в виде двух вероятных резонансных гибридов
Резонансная стабилизация аниона, означающая делокализацию отрицательного заряда между двумя кислородными атомами, приводит к тому, что в карбоксилат-анионе связи С-О выравнены. Это легко можно видеть из результатов измерений длин этих связей в карбоксильной группе (муравьиная кислота) и карбоксилат-анионе (формиат натрия)
Связанные с карбоксильной группой заместители влияют на кислотность: доноры электронов дестабилизируют карбоксилат – анион и уменьшают силу кислоты, электроноакцепторные группы напротив – оттягивают электроны, стабилизируют анион и увеличивают силу кислоты.
Самым сильным среди карбоновых кислот является муравьиная кислота. Появление при карбоксильной группе метильного электронодонорного радикала вместо водорода приводит к ослаблению кислотности почти в десять раз. В случае замещения водородных атомов в метильной группе на галогены возникает электроноакцепторный заместитель, который усиливает кислотность. Порядок изменения кислотности (105Ка) ряда кислот подтверждает сказанное
НСООН 17,7
СН3СООН 1,75
ClСН2СООН 136
Cl2CHCOOH 5530
Cl3ССООН 23200
СН3СН2СН2СООН 1,52
СН3СН2СНClСООН 139
СН3СНClСН2СООН 8,9
СН2ClСН2СН2СООН 2,96
Итак, карбоновые кислоты относятся к слабым кислотам и в реакции со щелочами дают соли
Некоторые свойства солей карбоновых кислот были рассмотрены раньше. При пиролизе солей щелочных металлов с участием едкой щелочи происходит декарбоксилирование и образование алканов. Пиролиз кальциевых или бариевых солей в отсутствии щелочи приводит к альдегидам и кетонам (реакция Пириа). Электролиз натриевых солей карбоновых кислот позволяет получить соединения, например, алканы, содержащие удвоенное количество заместителей при карбоксиле кислоты (реакция Кольбе). При обсуждении солей карбоновых кислот нельзя не отметить непреходящее значение солей щелочных металлов высших жирных кислот (стеарата натрия) в качестве моющих средств.
1.3.2. Образование ацилгалогенидов.
Галогенангидриды карбоновых кислот.
Галогенангидриды карбоновых кислот, чаще всего хлорангидриды, легко получаются при взаимодействии кислот с трех- или пятихлористым фосфором, тионилхлоридом и фосгеном
Из всех производных карбоновых кислот, ацилгалогениды проявляют наибольшую реакционную способность. Это связано с высокой подвижностью галогена в этих соединениях.
Реакции галогенангидридов протекают как реакции нуклеофильного замещения галогена и приводят к получению других производных кислот
Во всех этих реакциях в молекулу вводится кислотный остаток – ацил, поэтому их общее название – реакции ацилировния. Галогенангидриды карбоновых кислот являются лучшими ацилирующими средствами.
В ходе химических реакций галогенацилов центром, вокруг которого происходят все события, является карбонильный углеродный атом. Чисто внешне рисунок реакции таков, будто бы галоген, связанный с этим углеродом, в какой то момент покидает молекулу, а его место занимает нуклеофильная частица. Из уравнения реакции не видно, какова роль карбонильной группы при нуклеофильном замещении. Она была в исходном галогенациле, сохранилась и в продукте реакции. Отсюда можно придти к ложному заключению, что карбонильная группа в реакции нуклеофильного замещения участия не принимает. Однако это не так. Оказывается, что рассматриваемая реакция не имеет ничего общего с известными реакциями нуклеофильного замещения в галогеналкилах типа SN1 и SN2. Она начинается с нуклеофильного присоединения к карбонильной группе в галогенангидриде, как и в случае альдегидов и кетонов
Этому способствует ряд обстоятельств: тенденция атома кислорода к получению электронов, обнажение положительного заряда на карбонильном углероде из-за того, что два сильных электроотрицательных атома (галоген и кислород) обедняют этот углерод электронами и, наконец, благоприятные пространственные факторы. Нуклеофилу гораздо легче подходить к sp2-гибридизованному углероду (тригональному), чем к sp3-гибридизованному атому (тетраэдрическому).
Развиваемые представления позволяют легко объяснить факт кислотного катализа при нуклеофильном замещении в галогенацилах. Кислота протонирует карбонильный кислород, карбонильный углерод при этом получает полный положительный заряд, это способствует нуклеофильной атаке
Присоединение нуклеофильного реагента к карбонильной группе в альдегидах и кетонах, а также в галогенацилах, происходит аналогично. Однако судьбы образовавшихся при этом промежуточных продуктов – различные. В случае карбонильных соединений сильноосновный промежуточный продукт вырывает протон у молекулы воды и дает продукт присоединения
Промежуточный продукт присоединения нуклеофила к галогенацилу отщепляет атом галогена, генерирует карбонильную группу и дает продукт замещения
Различное поведение продуктов присоединения определяется, оказывается, основностью уходящей группы. Анион галогена – очень слабое основание и хорошая уходящая группа. Гидрид-ион или же алкил-анион являются очень сильными основаниями и плохими уходящими группами.
Таким образом, нуклеофильное замещение в галогенацилах – кажущееся. На самом деле реакция происходит как «присоединение – отщепление». Атом галогена в галогенангидридах замещается не потому, что он подвижен, а потому что входит в состав функциональной группы, способной к реакции присоединения.
1.3.3. Образование ангидридов.
Соединения, в которых кислород связан с двумя одинаковыми или разными кислотными остатками, составляют класс производных карбоновых кислот – ангидридов. Наиболее общим методом получения ангидридов является взаимодействие солей кислот с галогенангидридами
К ангидридам ведет также реакция карбоновых кислот с галогенацилами в присутствии пиридина
Наконец, отметим, что ангидриды получаются и из карбоновых кислот и кетена
Ангидриды кислот, как и галогенацилы, используются в реакциях ацилирования. Хотя они и менее реакционноспособны, у них имеются свои достоинства как ацилирующих агентов. Ангидриды кислот относятся к мягкодействующим реагентам. Кроме того, при их использовании не выделяется агрессивная хлористоводородная кислота как при применении галогенацилов.
При ацилировании ангидридами кислот, которое протекает аналогично только что рассмотренной реакции с участием галогенацилов, получаются другие производные карбоновых кислот
1.3.4. Этерификация. Сложные эфиры.
В молекуле сложных эфиров кислород связан с углеводородным радикалом и кислотным остатком. К сложным эфирам ведет реакция между карбоновыми кислотами и спиртами в присутствии кислотного катализатора, которая называется реакцией этерификации
Приведенный вариант реакции обычно носит название этерификации по Фишеру (Фишер, 1895 г.).
Этерификация – реакция обратимая, для смещения положения равновесия в сторону образования эфира необходимо использовать известные способы нарушения равновесия.
На основании наблюдения над реакцией с участием большого числа, как кислот, так и спиртов, установлено, что этерификация подвержена влиянию пространственных факторов. Если вблизи реакционного центра участников реакции имеются объемистые группы, то скорость этерификации замедляется. Из-за пространственных затруднений могут возникнуть трудности при синтезе сложных эфиров по Фишеру в случае третичных спиртов и карбоновых кислот, карбоксильная группа которых экранирована объемистыми заместителями. В силу сказанного понятно приводимое ниже изменение реакционной способности спиртов и карбоновых кислот в зависимости от структурных факторов.
При этерификации реакционная способность спиртов изменяется в следующем порядке
СН3ОН > первичные > вторичные > третичные
Для карбоновых кислот получен следующий порядок изменения реакционной способности при этерификации
НСООН > СН3СООН > RСН2СООН > R2СНСООН > R3ССООН
Этерификация по Фишеру протекает как нуклеофильное ацильное замещение по механизму «присоединения – отщепления»
Кроме этерификации по Фишеру имеются и другие методы получения сложных эфиров. При ацилировании спиртов вместо карбоновой кислоты часто используют более реакционноспособные галогенацилы и ангидриды кислот
Механизм ацилирования галогенацилами был рассмотрен раньше (раздел 1.3.3). Поэтому приведем лишь предполагаемый механизм спиртов с ангидридами кислот, который также относится к числу реакций нуклеофильного ацильного замещения по типу «присоединение – отщепление»
В тех случаях, когда в силу тех или иных причин, синтез сложных эфиров ацилированием затруднен, используют другие методы.
В частности, достаточно трудно получить по Фишеру сложные эфиры с третичной алкильной группой. Для этого пришлось бы ацилировать третичные спирты, а в условиях реакции они легко элиминируют по механизму Е1. Поэтому приходится прибегать к другим методам: замещению галогена в галогеналкилах на карбоксилат – анион с помощью серебряных солей карбоновых кислот или прямым присоединением кислот к активным алкенам:
Известен также метод получения метиловых эфиров реакцией карбоновых кислот с диазометаном в эфирном растворе
Сложные эфиры способны к многочисленным превращениям.
1.3.4.1. Гидролиз.
При взаимодействии с водой сложные эфиры гидролизуются. Эта реакция обратна реакции образования сложных эфиров по Фишеру
Механизм этерификации был рассмотрен на предыдущей стр. Понятно, что механизм кислотного гидролиза обратен механизму этерификации. Интересно отметить, что в предложенном механизме гидролиза предполагается течение реакции с разрывом связи ацил – кислород. На чем же основано это предположение?
Это было установлено на основании результатов опытов по гидролизу сложного эфира водой, содержащей изотоп кислорода О18
Оказалось, что в ходе гидролиза изотоп кислорода включается в состав карбоновой кислоты. Это однозначно свидетельствует о протекании реакции гидролиза с разрывом связи кислород – ацил.
По описанному механизму протекает гидролиз многих эфиров, но не всех. По иному механизму гидролизуются сложные эфиры третичных спиртов. Оказывается, в этом случае гидролиз идет как SN2 – реакция с промежуточным образованием карбокатиона
В отличие от этерификации, гидролиз сложных эфиров катализируется и основаниями (омыление). На основании стереохимических исследований и результатов опытов с использованием О18 было установлено, что и в данном случае реализуется механизм «присоединения – отщепления», протекающий с разрывом ацил – кислородной связи
Кислотный катализатор катализирует как этерификацию, так и обратную реакцию – гидролиз. Основный катализатор – только гидролиз. Возникает вопрос, почему основный катализатор не катализирует этерификацию?
При внесении в систему, включающую карбоновую кислоту и спирт, основания, немедленно образовалась бы соль. При этом карбоксильная группа преобразуется в карбоксилат – анион, который не может быть атакован нуклеофильной молекулой спирта или алкоголят – аниона
1.3.4.2. Переэтерификация. При взаимодействии сложного эфира с избытком спирта в присутствии кислот или оснований происходит замена одного алкила в эфире на другой. Из одного эфира получается другой, происходит переэтерификация
В качестве другого примера укажем на использование переэтерификации для получения поливинилового спирта, который невозможно получить напрямую полимеризацией винилового спирта. Этот спирт в момент образования вступает в таутомерные отношения с ацетальдегидом и в свободном виде недоступен. В то же время вполне устойчив эфир винилового спирта – винилацетат, полимеризацией которого получают поливинилацетат. При переэтерификации метанолом полимер дает устойчивый поливиниловый спирт и метилацетат
Переэтерификация, которая по механизму представляет собой еще один пример реакций, протекающих как «присоединение – элиминирование», кислотами катализируется за счет активации эфира
При катализе основаниями активируется нуклеофил в результате превращения молекулы спирта в алкокси – ион
1.3.4.3. Реакция с реактивом Гриньяра. Эта реакция уже упоминалась как метод получения третичных спиртов. Она протекает в согласии с общей схемой как нуклеофильное замещение через нуклеофильное присоединение алкильной группы реактива Гриньяра к электронодефицитному углероду карбонильной группы эфира. Образующийся при этом анион I может реагировать с Mg+Br с образованием алкоголята II или же элиминировать алкоксигруппу c превращением в кетон. Алкоголят II представляет собой производное гем-диола, он неустойчив, поэтому более вероятно образование кетона. Карбонильная группа в кетонах в реакции нуклеофильного присоединения более активна, чем карбонильная группа в сложных эфирах. Поэтому кетон присоединяет вторую молекулу реактива Гриньяра и через алкоголят, на этот раз более устойчивый, превращается в третичный спирт
Отличительной особенностью синтеза третичных спиртов рассматриваемым способом является то, что при этом получаются спирты с двумя одинаковыми углеводородными остатками при углероде гидроксильной групп.
Применение в реакции с реактивами Гриньяра формиатов позволяет получать вторичные спирты.
1.3.4.4. Аммонолиз. Реакция сложных эфиров с аммиаком - очередная реакция нуклеофильного замещения. В этом случае уходящая алкокси-группа замещается на амино-группу и образуется амид карбоновой кислоты
1.3.4.5. Восстановление. В результате восстановления сложных эфиров, сопровождаемого разрывом связи между кислородом и кислотным остатком, получается два спирта. Понятно, что тот из них, который образуется из ацильной части эфира, будет первичным
Восстановление можно вести атомарным водородом, используя металлический натрий и низкокипящий спирт (метод Буво и Блана)
В последнее время восстановление предпочитают вести алюмогидридом лития
В промышленности гидрогенолиз чаще всего проводят в каталитическом варианте молекулярным водородом под давлением. В качестве катализатора хорошо зарекомендовал себя хромит меди (смесь окислов примерного состава CuO.CuCr2O4).
1.3.4.6. Сложноэфирная конденсация. Сложные эфиры, имеющие водородные атомы у углерода по соседству с карбоксильной группой, в присутствии алкоголятов способны вступать в реакцию конденсации (Кляйзен)
Эта реакция напоминает альдольную конденсацию. Она начинается с образования карбаниона как результат вытеснения слабой кислоты – этанола – из его соли
Дальше происходит нуклеофильное присоединение по карбонильной группе, отщепление алкоголята (механизм «присоединения – отщепления») с образованием ацетоуксусного эфира
В этом эфире водородные атомы метиленовой группы, находящиеся между двумя карбонилами, становятся кислыми настолько, что становится возможным вытеснение ацетоуксусным эфиром более слабой кислоты – этанола – из его соли с образованием натрацетоуксусного эфира
Как и при альдольной конденсации возможна перекрестная сложноэфирная конденсация по Кляйзену. В этом случае конденсации подвергают смесь двух сложных эфиров, один из которых не содержит α-водородных атомов и поэтому может служить лишь акцептором карбаниона
В перекрестной реакции Кляйзена в качестве донора карбаниона хорошо проявили себя кетоны
1.3.4.7. Жиры и масла. Сложные эфиры составляют основу таких важнейших природных продуктов как жиры и масла. В подавляющем числе случаев жиры и масла – это эфиры глицерина и предельных и непредельных неразветвленных карбоновых кислот с числом углеродных атомов от 3 до 18. Эти кислоты в основном состоят из четного числа углеродных атомов, из нечетных встречаются только кислоты с тремя и пятью углеродами. Жиры и масла – сложная смесь глицеридов, например, то, что, называют сливочным маслом, является глицеридом 14 карбоновых кислот (состав жиров и масел – табл.1.3.4). Твердые при комнатной температуре глицериды относят к жирам, жидкие – к маслам. В химическом отношении различие между жирами и маслами заключается в том, что масла в основном являются глицеридами ненасыщенных жирных кислот. Из данных табл.1.3.4 видно, что в оливковом масле на долю ненасыщенной олеиновой кислоты приходится 53 – 86%. Понятно, что гидрированием масла можно превратить в жиры, которые в этом случае называются маргаринами. Некоторые масла (льняное, конопляное, тунговое и др.), являющиеся глицеридами ненасыщенных кислот с двумя и более двойными связями, способны «высыхать». Они при контакте с воздухом окисляются и полимеризуются, образуя прозрачные пленки. Этот процесс ускоряется в присутствии катализаторов – окиси свинца и солей марганца. Масло в смеси с катализатором (сиккативом) называется олифой и широко используется в строительном деле.
Наряду с белками и углеводами, жиры являются необходимой и ценной составной частью пищи, при их усвоении выделяется 9,3 ккал на 1 г жира. Природные жиры, кроме триглицеридов, содержат витамины А, Д и Е. Суточная норма жиров для человека составляет 60 – 70 г.
Из-за своей доступности жиры давно уже используются в качестве исходного продукта при получении ценных химических соединений. Таковыми являются соли карбоновых кислот и щелочных металлов (мыла) Они получаются при щелочном гидролизе жиров. Поскольку процесс приводит к мылам, то его называют омылением
|
Таблица 1.3.4. |
|||||||||||||||
|
Жирные кислоты, входящие в состав жиров и масел |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Жир или масло |
|
|
Насыщенные кислоты, % |
|
|
Непредельные кислоты, % |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
еновые |
|
диеновые |
триеновые |
||
|
|
|
|
С8 |
С10 |
С12 |
C14 |
С16 |
С18 |
>C18 |
>C16 |
С16 |
C18 |
>C18 |
C18 |
C18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Говяжий жир |
|
|
0,2 |
2-3 |
25-30 |
21-26 |
0.4-1 |
0.5 |
2-3 |
39-42 |
0.3 |
2 |
|||
|
Сливочное масло |
1-2a |
2-3 |
1-4 |
8-13 |
25-32 |
8-13 |
0.4-2 |
1-2 |
2-5 |
22-29 |
0.2-1.5 |
3 |
|||
|
Кокосовое масло |
5-9 |
4-10 |
44-51 |
13-18 |
7-10 |
1-4 |
5-8 |
0-1 |
1-3 |
||||||
|
Кукурузное масло |
0-2 |
8-10 |
1-4 |
1-2 |
30-50 |
0-2 |
34-56 |
||||||||
|
Хлопковое масло |
0-3 |
17-23 |
1-3 |
23-44 |
0-1 |
34-55 |
|||||||||
|
Лярд |
1 |
25-30 |
12-60 |
0.2 |
2-5 |
41-51 |
2-3 |
3-8 |
|||||||
|
Оливковое масло |
0-1 |
0-2 |
7-20 |
1-3 |
0-1 |
1-3 |
53-86 |
0-3 |
4-22 |
||||||
|
Пальмовое масло |
1-6 |
32-47 |
1-6 |
40-52 |
2-11 |
||||||||||
|
Пальмовое масло (из орехов) |
2-4 |
3-7 |
45-52 |
14-19 |
6-9 |
1-3 |
1-2 |
0-1 |
10-18 |
1-2 |
|||||
|
Арахисовое масло |
|
|
0.5 |
6-11 |
3-6 |
5-10 |
1-2 |
39-66 |
17-38 |
||||||
|
Льняное масло |
|
|
0.2 |
5-9 |
4-7 |
0.5-1 |
9-29 |
8-29 |
45-67 |
||||||
|
|
|
||||||||||||||
|
a 3-4% С4, 1-2% С6 |
|||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.3.5. Амиды карбоновых кислот.
Соединения, в которых гидроксил карбоксильной группы замещен на остаток аммиака – амино-группу – или на замещенную амино-группу, называются амидами.
Амиды должны были бы получаться при взаимодействии карбоновой кислоты с аммиаком. Однако в результате этой реакции получается не амид, а аммонийная соль кислоты
Результат реакции свидетельствует о том, что перенос протона от кислоты к основанию происходит быстрее, чем нуклеофильная атака основанием карбонильной группы.
Получающиеся из кислоты и аммиака аммонийные соли можно все же использовать для получения амидов. Достигается это нагреванием соли и удалением воды отгонкой
Без осложнений, быстро и с высоким выходом протекает реакция галогенацилов с аммиаком и его производными
Кроме карбоновых кислот и их галогенангидридов, для синтеза амидов с успехом могут быть использованы также другие их производные – ангидриды и сложные эфиры
Подобно прочим производным карбоновых кислот, амиды гидролизуются под каталитическим действием как кислот, так и оснований
И эта реакция протекает как нуклеофильное замещение «через присоединение». Минеральные кислоты ее катализируют, протонируя карбонильный кислород и создав положительный заряд на углероде. Это способствует нуклеофильной атаке этого углерода
Катализ основаниями гидролиза амидов карбоновых кислот протекает по следующей схеме
Среди реакций амидов карбоновых кислот важное место занимает расщепление их по Гофману, которое происходит под действием гипохлоритов или гипобромитов. При этом получаются первичные амины с числом углеродных атомов на меньше, чем в исходном амиде
Предполагается, что в ходе этой реакции азот амидной группы лишается водородов. При этом получается соединение с электронодефицитным азотом, которое претерпевает перегруппировку как 1,2 – алкильный сдвиг. В последующем происходит гидролиз образовавшегося изоцианата
Амиды карбоновых кислот при нагревании с водоотнимающими средствами, например, с пятиокисью фосфора, теряют молекулу воды и превращаются в нитрилы кислот
1.3.6. Нитрилы карбоновых кислот.
Нитрилы, пожалуй, единственные производные карбоновых кислот, не содержащие в своей молекуле карбонильной группы
Тройная связь азот – углерод в нитрильной группе отличается высокой прочностью (212 ккал) и полярностью (4,0 D). Полярность нитрилов составляет примерно 70% от полярности ионного соединения.
Методы получения нитрилов уже рассматривались. Это, прежде всего, SN2 – реакция алкилгалогенидов с цианид – ионом, присоединение цианистого водорода к алкинам и карбонильным соединениям, только что рассмотренная дегидратация амидов карбоновых кислот.
В ряде случаев нитрилы кислот более доступны, чем сами кислоты. Поэтому большое значение, как метод получения карбоновых кислот, имеет гидролиз нитрилов. Эта реакция идет как в щелочной, так и в кислой среде
В кислой среде нитрилы гидролизуются в две стадии: вначале до амидов и дальше уже амиды до карбоновых кислот
Гидролиз амидов рассматривался в разделе 1.3.5.
Из других реакций нитрилов интерес представляет гидрирование в амины, реакции с участием α- водородных атомов, например, алкилирование.
1.3.7. Декарбоксилирование.
Обычно под декарбоксилированием понимается отщепление от молекулы карбоновой кислоты двуокиси углерода и образование углеводорода, содержащего на один углерод меньше, чем исходная кислота
Однако это лишь один из вариантов декарбоксилирования. В другом его варианте – электролизе солей карбоновых кислот по Кольбе – происходит образование углеводорода с большим числом углеродных атомов
К реакциям декарбоксилирования относится и пиролиз кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот по Пириа с образованием карбонильных соединений.
Кроме углеводородов и карбонильных соединений декарбоксилированием можно получить также галогенпроизводные алканов. Это происходит в условиях реакции Хунсдиккера при взаимодействии серебряных солей карбоновых кислот с бромом в ССl4. Возможный механизм этой реакции
Приведенные выше сведения о декарбоксилировании карбоновых кислот будут дополнены при рассмотрении двухосновных - и оксокислот.
1.3.8. Галогенирование карбоновых кислот в α - положение.
В определенных условиях α- водородные атомы карбоновых кислот могут быть замещены на галогены. Эта реакция носит название реакции Геля – Фольгарда – Зелинского и протекает при галогенировании кислот в присутствии небольших количеств фосфора
На галоген могут быть замещены и другие α- водородные атомы, если они имеются. Примером может послужить получение трихлоруксусной кислоты.
В реакции Геля – Фольгарда – Зелинского вначале из фосфора и галогена получается тригалогенид фосфора. Дальше обычным образом происходит реакция карбоновой кислоты с тригалогенидом фосфора с образованием галогенацила. Последний в енольной форме реагирует с галогеном. Полученный галогенангидрид уже α- галогензамещенной кислоты в равновесной реакции обменивает свой связанный с ацилом галоген на гидроксил карбоновой кислоты
Как видно из приведенной схемы, галогенирование кислоты в α- положение происходит с участием енольной формы галогенангидрида. При этом галогенацилы енолизируются легче, чем сами карбоновые кислоты.
Реакция Геля – Фольгарда – Зелинского протекает с высоким выходом галогензамещенных кислот. Галоген в таких соединениях проявляет достаточно высокую подвижность и легко вступает в реакции нуклеофильного замещения. Поэтому через α-галогензамещенные кислоты можно получить многие производные карбоновых кислот: окси – и аминокислоты, непредельные кислоты и др.
2. Непредельные карбоновые кислоты.
Непредельные карбоновые кислоты содержат в своей молекуле двойные или тройные связи и карбоксильные группы. Приведем наиболее часто встречающиеся непредельные кислоты и их названия
СН2=СНСООН акриловая кислота, пропеновая кислота
СН3СН=СНСООН кротоновая кислота, 2-бутеновая кислота
цис-СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН олеиновая кислота
транс-СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН элаидиновая кислота
СН3(СН2)4СН=СНСН2СН=СН(СН2)7СООН линолевая кислота
СН3СН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)7СООН линоленовая кислота
цис-НООССН=СНСООН малеиновая кислота, цис-бутендиовая кислота
транс-НООССН=СНСООН фумаровая кислота, транс-бутендиовая кислота
Непредельные карбоновые кислоты, у которых двойная связь и карбоксильная группа удалены друг от друга, проявляют обычные свойства, присущие алкенам и карбоновым кислотам. Поэтому в данном разделе будут рассматриваться лишь такие непредельные карбоновые кислоты, в которых функциональные группы сопряжены и влияют друг на друга
Приведенные выше кислоты как раз и относятся к кислотам такого типа.
При получении непредельных карбоновых кислот используются известные уже методы введения в молекулу кратной связи и карбоксильной группы. Они будут рассмотрены дальше на конкретных примерах.
Непредельные карбоновые кислоты вступают в реакции, характерные для алкенов и кислот. Однако из-за взаимного влияния функциональных групп соответствующие реакции протекают своеобразно. Из последующего изучения реакций непредельных кислот будет видно, что это взаимное влияние все же не равнозначное – скорее карбонильная группа влияет на направление и реакционную способность двойной связи, чем наоборот.
Важнейшим представителем непредельных карбоновых кислот является акриловая кислота. Предложен ряд методов синтеза этой кислоты. По одному из них из этиленхлоргидрина или окиси этилена получают нитрил оксипропионовой кислоты, который при кислотном гидролизе, сопровождаемой дегидратацией, превращается в акриловую кислоту
Другие методы синтеза акриловой кислоты основываются на превращениях ацетилена. При этом или присоединением синильной кислоты получают акрилонитрил и его гидролизуют, или используют реакцию оксосинтеза
Обычный путь получения метакриловой кислоты – присоединение синильной кислоты к ацетону с последующим гидролизом и дегидратацией полученного циангидрина
Еще один представитель непредельных кислот – кротоновая кислота - может быть получена окислением кротонового альдегида, являющегося продуктом кротоновой конденсации ацетальдегида. Эту кислоту можно получить также по реакции Кневенагеля конденсацией ацетальдегида с малоновой кислотой в присутствии пиридина с последующим декарбоксилированием замещенной малоновой кислоты
Характерным свойством соединений, содержащих двойную углерод – углеродную связь, является способность вступать в реакции присоединения. При этом раскрывается слабая π- связь и вместо нее возникают две прочные σ- связи. Двойная связь служит источником электронов для электрофильных реагентов. Если при sp2 - гибридизованном углероде имеются электронодонорные заместители, то они подают электроны к двойной связи и повышают ее реакционную способность в реакциях электрофильного присоединения. Напротив, электроноакцепторные заместители, к которым относится и карбоксильная группа, оттягивают электроны от двойной связи и уменьшают ее реакционную способность. Понятно, что электроноакцепторные группы в то же время повышают реакционную способность в реакциях нуклеофильного присоединения. В соответствии со сказанным, непредельные карбоновые кислоты вступают в реакции электрофильного присоединения, однако хуже, чем алкены. Они вступают также в реакции нуклеофильного присоединения.
Электрофильное присоединение. Как известно, электрофильное присоединение протекает через промежуточное образование наиболее стабильного карбокатиона. Можно не сомневаться, что аналогично идет реакция и с участием непредельных карбоновых кислот, однако обнаружить эту частицу не так то просто. Рассмотрим реакцию акриловой кислоты с хлористым водородом. Если первую стадию этой реакции – протонирование – представить себе просто как присоединение протона к углероду двойной связи, то в результате возможно образование ионов I и II. Судить относительно устойчивости этих ионов довольно сложно. Если - I первичный, то II, хотя и вторичный, однако дестабилизирован соседней карбоксильной группой
Однако акриловая кислота не просто карбоксилзамещенный этилен, а, как и все α, β - непредельные кислоты, представляет собой сопряженную систему двойных связей как в молекуле бутадиена. В соответствии со своим строением акриловая кислота может протонироваться по концевым атомам сопряженной системы с образованием вновь II и резонансно стабилизированного карбокатиона, представленного структурами III и IV
Последующее присоединение к IV аниона хлора даст енольную форму продукта реакции, вступающую в таутомерные отношения со своей кето – формой
Следует подчеркнуть, что чисто внешне, если судить по строению продукта реакции, гидрохлорирование акриловой кислоты протекает против правила Марковникова. Однако это не так. По современным представлениям правило Марковникова трактуется как ионное присоединение к С=С – связи, протекающее с образованием более стабильного карбокатиона. Именно это и происходит при электрофильном присоединении к α, β- непредельным карбоновым кислотам. Также протекают и другие реакции рассматриваемого типа, например, гидратация
Таким образом, карбоксильная группа при двойной связи не только снижает ее реакционную способность по отношению к электрофильным реагентам, но и влияет на направление присоединения.
Нуклеофильное присоединение. Благодаря активирующему влиянию карбоксильной группы, α, β - непредельные карбоновые кислоты весьма охотно вступают в реакции нуклеофильного присоединения. Примерами могут послужить присоединение к акриловой кислоте аммиака, гидроксиламина и синильной кислоты
Предполагаемый механизм нуклеофильного присоединения к непредельным карбоновым кислотам следующий
Нуклеофильный реагент присоединяется к концевому атому сопряженной системы с образованием резонансно – стабилизованного карбаниона, который в последующей стадии реакции отрывает протон от молекулы растворителя и превращается в продукт.
К числу реакций нуклеофильного присоединения к непредельным карбоновым кислотам относится также реакция Михаэля, представляющая собой присоединение карбаниона к α, β - ненасыщенным соединениям. В качестве примера приведем реакцию этилкротоната с этилметилмалонатом и реакцию этилметакрилата с этилцианацетатом в присутствии этилата натрия
Предполагаемый механизм реакции Михаэля включает генерирование карбаниона из подходящего соединения с подвижным водородом и основания и последующую нуклеофильную атаку анионом α, β - ненасыщенного соединения. Реакция завершается отрывом иона водорода продуктом присоединения
Частным случаем реакции Михаэля является использование в качестве непредельной компоненты акрилонитрила, который в щелочной среде способен присоединять целый ряд соединений с подвижным водородным атомом. Это позволяет расширить возможности синтетической органической химии. Вот несколько примеров реакций с акрилонитрилом
Во всех этих реакциях присоединение идет к β - углеродному атому акрилонитрила и в молекулу вместо активного водорода вводится группировка атомов -СН2СН2СN. По этому признаку рассматриваемую реакцию часто называют реакцией цианэтилирования.
Особая значимость непредельных карбоновых кислот и их производных заключается в их способности полимеризоваться в ценные продукты.
Акрилонитрил при полимеризации дает полимер, из которого изготавливают химические волокна – заменители шерсти. При сополимеризации акрилонитрила с бутадиеном получаются масло – и бензостойкие синтетические каучуки.
Широко известны также полимеры метиловых эфиров акриловой и метакриловой кислот, представляющие собой бесцветные, прозрачные материалы, способные формоваться. Их еще называют органическими стеклами
3. Дикарбоновые кислоты.
Предельные дикарбоновые кислоты в своей молекуле содержат две карбоксильные группы. Свое название они получают чаще всего по тривиальной номенклатуре. По систематической номенклатуре наличие двух карбоксилов в кислоте отображается добавлением окончания диовая кислота к названию углеводорода, которому в данном соединении соответствует наиболее длинная цепь углеродных атомов. Ниже приводятся наиболее часто встречающиеся дикарбоновые кислоты и их названия
НООС-СООН щавелевая кислота, этандиовая кислота
НООС-СН2-СООН малоновая кислота, пропандиовая кислота
НООС-(СН2)2-СООН янтарная кислота, бутандиовая кислота
НООС-(СН2)3-СООН глутаровая кислота, пентандиовая кислота
НООС-(СН2)4-СООН адипиновая кислота, гександиовая кислота
НООС-(СН2)5-СООН пимелиновая кислота, гептандиовая кислота
НООС-(СН2)6-СООН пробковая кислота, октандиовая кислота
НООС-(СН2)7-СООН азелаиновая кислота, нонандиовая кислота
НООС-(СН2)8-СООН себациновая кислота, декандиовая кислота
Для получения двухосновных кислот используются те же методы, что и для синтеза кислот одноосновных: окисление первичных спиртов и альдегидов, гидролиз нитрилов и производных кислот и др. Чтобы не повторяться, мы их рассматривать не будем. Значительно интереснее приложение общих методов к синтезу конкретных кислот, а также использование особых методов получения.
Щавелевая кислота. В виде солей встречается во многих растениях (в щавеле, кислице). В технике получается нагреванием до 4000 натриевой или калиевой соли муравьиной кислоты
Любопытно отметить, что первый синтез щавелевой кислоты гидролизом дициана был предложен Велером еще в 1824 году
Малоновая кислота. Обычный путь синтеза этой кислоты, играющей особую роль в органическом синтезе, заключается в гидролизе ее мононитрила
Могут быть использованы и другие методы, например, превращение хлористого метилена в динитрил и его гидролиз, использование магнийорганического синтеза.
Янтарная кислота получается обычно гидрированием малеинового ангидрида – продукта окисления бензола. Как и при синтезе малоновой кислоты, может быть использован также гидролиз динитрила. Сам динитрил получается при нуклеофильном замещении 1,2-дихлорэтана
Адипиновая кислота в технике в больших количествах получается окислением циклогексана азотной кислотой в одну стадию или же через промежуточные продукты окисления - циклогексанол и циклогексанон, которые окисляются еще легче
По своим химическим свойствам двухосновные кислоты близки к кислотам одноосновным. Они образуют все известные производные кислот с участием одной (кислые производные) или же обеих карбоксильных групп (полные производные). Однако взаимное влияние двух карбоксилов, особенно когда они расположены близко друг к другу, приводит к появлению специфических особенностей в их поведении в химических реакциях. Рассмотрим эти особенности.
3.1. Кислотность. Понятно, что двухосновные кислоты имеют две константы кислотности, связанные с диссоциацией одной или другой карбоксильной группы
При диссоциации одной из карбоксилов другая выступает просто как электроноакцепторная группа. При обсуждении кислотности монокарбоновых кислот (раздел 1.3.1) было установлено, что такие заместители усиливают кислотные свойства. По этой причине первая константа кислотности (К1) у двухосновных кислот гораздо выше, чем у одноосновных кислот. В то же время вторая константа кислотности (К2) существенно ниже, потому что при ионизации второго карбоксила протон приходится удалять из дважды заряженного аниона. Приводимые ниже данные позволяют обсуждать кислотность двухосновных кислот на количественном уровне
Кислота 105К1 105К2
Муравьиная 17,7 -
Уксусная 1,75 -
Щавелевая 5400 5,2
Малоновая 140 0,20
Янтарная 6,4 0,23
Глутаровая 4,5 0,38
Адипиновая 3,7 0,39
3.2. Поликонденсация. Обычные химические реакции в случае участия в них двухосновных кислот могут привести к получению полимерных молекул. Правда, чтобы это случилось, партнер кислоты по химической реакции должен быть также бифункциональным. Например, реакция уксусной кислоты с этиламином приведет просто к получению этилацетамида
В случае же двухосновной кислоты и диамина появляется возможность вступления в реакцию множества молекул кислоты и амина с образованием полимерного полиамида. При участии в реакции адипиновой кислоты и гексаметилендиамина образуется полиамид (найлон), включающий в себя остатки кислоты и амина, связанные так называемой амидной связью
В отличие от полимеризации, получение полимеров на основе обычных химических реакций, носит название поликонденсации. Поликонденсация всегда сопровождается выделением более простых молекул, в рассмотренном случае воды.
3.3. Отношение к нагреванию. Результат нагревания дикарбоновых кислот определяется их строением. В общем случае, под воздействием тепла молекула кислоты деградируется. При этом выделяются молекулы или двуокиси углерода и образуются одноосновные кислоты, циклические ангидриды и циклические кетоны.
Щавелевая и малоновая кислота при нагревании до 140-1500 декарбоксилируются
Глутаровая и янтарная кислоты при нагревании претерпевают внутримолекулярную дегидратацию с образованием циклических ангидридов
Адипиновая и пимелиновая кислоты при нагревании до 3000 декарбоксилируются и циклизуются
3.4. Синтезы на основе малонового эфира. В малоновой кислоте имеется метиленовая группа, расположенная между двумя карбоксилами. Из-за такого соседства α- водородные атомы приобретают повышенную кислотность и подвижность. Легко можно убедиться, что благодаря этому малоновый эфир является более сильной кислотой, чем, например, спирты. Спирты как более слабые кислоты вытесняются из своих солей более сильной кислотой – малоновым эфиром
В приведенной выше реакции используется не сама кислота, а ее эфир. Потому что кислотность самой малоновой кислоты обусловлена протонами карбоксильных групп, а не водородов при метилене.
Причина повышения кислотности метиленовых водородов заключается в том, что в образующемся при ионизации малонового эфира карбанионе заряд делокализован между углеродом и двумя атомами кислорода. Это приводит к резонансной стабилизации карбаниона
В натрмалоновом эфире из-за ионизации соли имеется сильная нуклеофильная группа, способная принимать участие в реакциях нуклеофильного замещения с участием галогенпроизводных. Установлено, что лучшие результаты получаются в реакции SN2 с первичными галогенпроизводными
Таким образом, малоновая кислота:
- легко декарбоксилируется,
- охотно замещает водородные атомы метиловой группы.
На этих двух особенностях малоновой кислоты и основаны так называемые синтезы на основе малонового эфира. Продемонстрируем возможности этих синтезов для получения моно- и дизамещенных уксусных кислот, двухосновных и циклических карбоновых кислот.
Монозамещенные уксусные кислоты получаются при алкилировании галогенпроизводными натрмалонового эфира, гидролиза полученного моноалкилмалонового эфира и декарбоксилирования монозамещенной малоновой кислоты
Для синтеза дизамещенных уксусных кислот необходимо из моноалкилмалонового эфира получить замещенный натрмалоновый эфир, проалкилировать его галогеналкилом, гидролизовать диалкиловый эфир малоновой кислоты и, наконец, осуществить декарбоксилирование нагреванием
Дикарбоновые кислоты, например, янтарная кислота, при синтезах с малоновым эфиром получаются, если на стадии алкилирования использовать эфиры галогензамещенных кислот
Наконец, для получения циклокарбоновых кислот на стадии алкилирования необходимо использовать дигалогенпроизводные алканов
4. Оксокислоты.
Оксокислоты содержат в своей молекуле карбоксильную и карбонильную группы. Карбонильная группа может быть представлена альдегидной или кето - группами. По содержанию тех или иных функциональных групп и по их относительному расположению в молекуле одни оксокислоты отличаются от других. Приведем некоторые наиболее часто встречающиеся оксокислоты и их названия
Оксокислоты относятся к бифункциональным соединениям. При обсуждении методов их синтеза вполне обоснованно можно опираться на уже известные сведения по созданию карбонильной и карбоксильной групп. То же самое может быть сказано и относительно свойств оксокислот. Это позволяет рассматривать оксокислоты на примере лишь одной из них, правда, самой известной – ацетоуксусной кислоты и ее этилового эфира.
Ацетоуксусная кислота относится к β- оксокислотам. Основным методом получения этой кислоты является конденсация сложных эфиров в присутствии алкоголятов. Эта реакция под названием реакции Кляйзена уже рассматривалась в разделе 1.3.4.6. Кроме этой реакции, для получения ацетоуксусной кислоты в виде сложного эфира используется реакция между дикетеном и этиловым спиртом
По своим химическим свойствам ацетоуксусная кислота напоминают кетоны и кислоты. По карбоксильной группе она дает обычные для кислот производные: соли, амиды, сложные эфиры и др.
Более устойчивый, чем сама кислота, сложный эфир ацетоуксусной кислоты по карбонильной группе присоединяет синильную кислоту, бисульфит натрия, водород в момент выделения, фенилгидразин и т. д.
В то же время ацетоуксусный эфир вступает в реакции, которые кажутся неожиданными: обесцвечивает бромную воду, взаимодействует с металлическим натрием и пятихлористым фосфором, ацетилируется (в пиридине), реагирует с хлоридом железа, давая красно - фиолетовое окрашивание. Все эти реакции не свойственны сложным эфирам и кетонам, они, скорее всего, характерны для непредельных соединений и спиртов. Если вспомнить о существовании кето – енольной таутомерии, то нетрудно догадаться, что ацетоуксусный эфир и представляет собой непредельный спирт, находящийся в равновесии со своей кето – формой
Во все упомянутые выше реакции ацетоуксусный эфир вступает в енольной форме
При взаимодействии енола с FCl3 образуется комплексно построенное соединение, растворимое в воде и органических растворителях, окрашенное в красно – фиолетовый цвет
Состав кето – енольной смеси ацетоуксусного эфира стал известен благодаря работам немецкого исследователя Кнорра (1911 г).
При охлаждении ацетоуксусного эфира до -780 в смеси эфир – гексан Кнорр выделил твердое вещество с т.пл. -390. Это вещество не обесцвечивало бромную воду и не реагировало хлоридом железа. Из этих данных следовало, что вещество с т.пл. -390 представляет собой кето – форму эфира.
Реакцией ацетоуксусного эфира с металлическим натрием Кнорр получил натрацетоуксусный эфир. Через суспензию этого вещества в петролейном эфире был пропущен сухой НСl. При этом отделилось масло, которое мгновенно реагировало с бромом и хлоридом железа. Это было енольной формой ацетоуксусного эфира. Таким образом, Кнорру впервые удалось разделить таутомеры
Более того, оказалось, что таутомеры можно было при -780 хранить как таковые длительное время.
Интересно поведение равновесной смеси таутомеров в химических реакциях. В реакцию с гидроксиламином, например, вступает кето – форма ацетоуксусного эфира. Это приводит к его расходованию. Убыль кето – формы немедленно начинает восполняться за счет превращения части енольной формы в кето – форму. В результате весь ацетоуксусный эфир реагирует как кетон. С бромом же реагирует енольная форма ацетоуксусного эфира. Убыль енола начинает восполняться путем изомеризации части кетона в енол. В итоге весь ацетоуксусный эфир в реакции с бромом ведет себя как енол.
Реакция брома с ацетоуксусным эфиром была использована для установления состава кето – енольной смеси. (К. Мейер). Он установил, что скорость бромирования енольной формы существенно выше, чем скорость изомеризации кето – формы в енол. Отсюда следовало, что число израсходованных молей брома при бромировании соответствует числу молей енола, присутствующих в равновесной смеси
Механизм бромирования енола может быть представлен следующей схемой
На основании исследований Мейера оказалось, что в равновесной смеси таутомеров ацетоуксусного эфира енольная форма представлена в значительном количестве – 8%, в то время как в случае ацетона содержание енола менее 2,5.10-4 %. Это должно быть связано с особой устойчивостью енольной формы в случае ацетоуксусного эфира. Возможно, что стабилизация енола связана с тем, что в его молекуле имеется система сопряженных связей. Кроме того, в еноле возможно образование внутримолекулярной водородной связи
Как известно, оба этих фактора способствуют повышению стабильности системы.
Cинтезы на основе ацетоуксусного эфира. Кроме рассмотренных выше свойств, ацетоуксусная кислота проявляет свойства, напоминающие малоновую кислоту. У нее весьма подвижны водороды метиленовой группы, расположенные между двумя карбонилами и она достаточно легко декарбоксилируется при нагревании. При этом получается кетон
Также, как и в случае малоновой кислоты, эти особенности ацетоуксусной кислоты используются в органическом синтезе при получении моно- и дизамещенных ацетонов.
Кислотности метиленовых водородов у ацетоуксусного эфира (используется эфир, а не сама кислота, чтобы реакция протекала не по карбоксильному протону) достаточно, чтобы вытеснить более слабую кислоту – этиловый спирт – из ее соли. При этом получается натрацетоуксусный эфир
Этот эфир представляет собой донор нуклеофила, способного вступить в реакции нуклеофильного замещения с галогенпроизводными типа SN2
Последующий гидролиз эфира и декарбоксилирование приводят к монозамещенным ацетонам
Аналогичным образом может быть проалкилирован и второй водородный атом метиленовой группы. После гидролиза эфира и декарбоксилирования кислоты получится дизамещенный ацетон
Оксокарбоновые кислоты, на примере ацетоуксусного эфира, вступают в еще одну интересную реакцию – под действием концентрированной щелочи фрагментируются сообразованием двух кислот
Это превращение по существу представляет собой обратную реакцию Кляйзена. Оно позволяет из моно- и дизамещенных ацетоуксусных эфиров получить моно- или дизамещенные уксусные кислоты
5. Оксикислоты.
Оксикислоты содержат в своей молекуле гидроксильные и карбоксильные группы. По числу гидроксилов и карбоксилов в оксикислотах определяется их атомность и основность. Кроме того, оксикислоты различаются также по относительному расположению функциональных групп в молекуле. Ниже приводятся наиболее часто встречающиеся оксикислоты и их названия (без учета стереохимии кислот)
5.1. Методы получения. Как и в случае оксокислот, оксикислоты получаются на основе использования известных уже методов создания соответствующих функциональных групп – гидроксила и карбоксила.
α - Оксикислоты обычно синтезируются гидролизом соответствующих циангидринов или гидролизом α - галогензамещенных кислот
Для получения β - оксикислот возможно использование аналогичных способов. Однако для этого имеется и свой специфический метод – реакция Реформатского. Эта реакция заключается во взаимодействии альдегидов и кетонов с α- бромэфирами и металлическим цинком в эфирном растворе. При этом эфир оксикислоты получается в виде алкоголята, гидролиз которого приводит уже к самой оксикислоте
Установлено, что вначале бромэфир реагирует с цинком с образованием цинкорганического соединения, которое уже дальше присоединяется к карбонильной группе альдегида или кетона
Все это аналогично получению и реакции реактива Гриньяра. Особенностью реакции Реформатского является использование цинка вместо магния и только α - бромэфиров. Оказалось, что цинкорганические соединения в отличие от магнийорганических соединений менее реакционноспособны. Они способны реагировать лишь с карбонилами альдегидов и кетонов, не затрагивая сложноэфирную группу.
5.2. Химические свойства. Оксикислоты проявляют свойства, присущие спиртам и кислотам. По карбоксильной группе они дают все производные карбоновых кислот
Реагируя как спирты, они дают алкоголяты, простые эфиры, замещают гидроксил на галоген
Иногда возникает конкуренция между функциональными группами. В таких случаях региоселективность реакции определяется выбором реагента и условиями реакции. Так, при действии галогенводородов на галоген замещается только спиртовой гидроксил. В случае же применения пятихлористого фосфора – и спиртовой, и карбоксильный гидроксилы.
Весьма интересным представляется рассмотрение проблемы взаимного влияния функциональных групп на реакционную способность и направление реакции в случае оксикислот.
α - Оксикислоты легко восстанавливаются до карбоновых кислот
При нагревании с кислотами α - оксикислоты легко отщепляют муравьиную кислоту
Результат дегидратации оксикислот зависит от взаимного расположения гидроксильной и карбоксильной групп.
β - Оксикарбоновые кислоты элиминируют воду таким образом, что в результате реакции получаются α, β - ненасыщенные карбоновые кислоты, в которых С=С- и С=О-связи сопряжены
α - Оксикислоты при нагревании отщепляют воду в результате взаимной этерификации двух молекул с образованием циклических сложных эфиров, называемых лактидами
Наконец, отметим, что γ - и δ - оксикислоты при нагревании претерпевают внутримолекулярную этерификацию. При этом образуются пяти- и шестичленные циклические сложные эфиры, называемые γ - и δ -лактонами
Оксикислоты (винные кислоты) сыграли выдающуюся роль при открытии явления энатиомерии и изучении закономерностей этого вида пространственной изомерии.
В 1848 году Луи Пастер, изучая винные кислоты, обнаружил, что натрийаммониевый тартрат (тартраты - соли винной кислоты) одной из них при кристаллизации из разбавленных водных растворов образует два типа кристаллов. Эти кристаллы выделенной из виноградного сока кислоты, названной виноградной или рацемической (лат. racemus – виноград) кислотой, отличались весьма незначительно, как предмет и его зеркальное изображение. Тем не менее, Пастеру удалось их разделить и показать, что кристаллы одного типа вращают плоскость поляризованного света вправо, другого типа – влево. Эти исследования дали возможность установить, что изомерные винные кислоты бывают правовращающей и левовращающей. Смесь, состоящая из равных количеств этих кислот, называется рацемической. Такая смесь (виноградная кислота) не способна вращать плоскости поляризованного света из-за компенсации вращения изомерами. Кроме того, известен еще один изомер винных кислот (мезовинная кислота), представляющий собой внутренний рацемат. В этом случае вращение света верхней частью молекулы уничтожается противоположным по знаку и равным по величине вращением нижней части молекулы.
Графически изомеры винных кислот можно изобразить следующими проекционными формулами:
Азотсодержащие органические соединения.
Азот входит в состав функциональной группы нескольких классов органических соединений: нитросоединений, аминов, аминокислот, нитрилов и изонитрилов. Нитрилы были рассмотрены раньше как производные карбоновых кислот (раздел 1.3.6), аминокислоты будут изучены в разделе природных соединений. В данном разделе будут рассматриваться только нитросоединения и амины.
1. Нитросоединения.
Нитросоединения характеризуются наличием в их молекуле остатка азотной кислоты - нитрогруппы NO2, связанной с углеводородным остатком. Приведенное здесь изображение нитрогруппы ничего не говорит о ее строении. Попытка представить нитрогруппу с пятивалентным азотом встречает возражение в том отношении, что в этом случае этот атом оказался бы окруженным десятью электронами. Однако как элемент второго периода азот может иметь вокруг себя не более восьми электронов. Поэтому считается, что более правильно представлять нитрогруппу с азотом, который с одним кислородом связан двойной связью, а с другим – семиполярной связью. В то же время в нитрогруппе нет двух разных связей азот – кислород, поэтому более соответствующим действительности является представление нитрогруппы в виде резонансного гибрида следующих двух структур
В гибридной структуре атом азота несет полный положительный заряд, а атомы кислорода – по половине отрицательного заряда. Такое разделение зарядов приводит к появлению диполя со значительным дипольным моментом. Действительно, дипольный момент нитрогруппы составляет значительную величину 3,5 – 4,0 D.
Нитросоединения получают уже рассмотренными реакциями: нитрованием алканов в жидкой (М. И. Коновалов) и паровой фазе, нуклеофильным замещением галогена в галогенпроизводных (SN2 – реакция с нитритом натрия в диметилформамиде или с азотнокислым серебром в растворе диэтилового эфира).
Большинство превращений нитросоединений связаны с активностью соседних с нитрогруппой водородных атомов. Нитрогруппа является сильной электроноакцепторной группой. Под ее воздействием α-водородные атомы приобретают, как и в случае карбонильных соединений, подвижность, становятся кислыми.
Характерной реакцией первичных и вторичных нитросоединений является способность растворяться в щелочи с образованием солей аци –
нитросоединений
Нитрогруппа сама по себе вступить в реакцию со щелочью не может. Оказывается, этой способностью обладает таутомерная первичному или вторичному нитросоединению аци – форма
При подкислении солей свободную аци – форму иногда удается выделить, однако она немедленно изомеризуется в нитро - форму и между таутомерами устанавливается равновесие, сильно смещенное в сторону нитро – формы. Известно, что константа таутомерного равновесия в случае нитрометана составляет КТ = 10-17.
Реакция нейтрализации между кислотой и щелочью протекает мгновенно. В то же время реакция между первичным или вторичным нитросоединением и щелочью протекает во времени. Происходит это потому что для восполнения убыли аци – формы при взаимодействии нитросоединения со щелочью требуется время.
Интересно отметить, что соли аци – формы первичных и вторичных нитросоединений в водных растворах минеральных кислот образуют альдегиды и кетоны
С участием α-водородных атомов протекает и реакция нитросоединений с азотистой кислотой. При этом вторичные нитросоединения дают нитрозонитросоединения - псевдонитролы
В случае первичных нитросоединений первоначально образовавшееся нитрозонитросоединение изомеризуется с перемещением α-водородного атома к нитрозогруппе в алкилнитроловую кислоту
Таким образом, нитросоединения можно различить по отношению к азотистой кислоте: первичные дают нитроловые кислоты (щелочные соли окрашены в красный цвет), вторичные – псевдонитролы (в растворах и расплавах окрашены в синий цвет), третичные с азотистой кислотой не реагируют.
Благодаря наличию α- водородных атомов нитросоединения способны вступать в присутствии щелочи в реакцию с карбонильными соединениями. Эта реакция аналогична реакции альдольной конденсации карбонильных соединений. В качестве примера приведем несколько реакций этого типа
Механизм этой реакции предполагает, что вначале щелочь вырывает кислый водородный атом у нитросоединения. В последующем полученный карбанион вступает в реакцию нуклеофильного присоединения по карбонильной группе
Таким же образом на метилолную группу замещаются и оставшиеся водородные атомы нитрометана с образованием триметилолнитрометана.
Продукт конденсации нитрометана с формальдегидом используется для получения практически важных продуктов. При этерификации азотной кислотой нитроспирт превращается во взрывчатое вещество, при восстановлении нитрогруппы - в аминоспирт, используемый как моющее средство и эмульгатор
2. Амины.
Если в аммиаке водородные атомы заместить на углеводородные остатки, то получаются амины. В зависимости от степени замещения водородов в аммиаке различают первичные (RNH2), вторичные (R2NH) и третичные (R3N) амины. При азоте может быть и четыре радикала (R4N+Cl ), такие замещенные амины называют четвертичными аммониевыми солями.
В случае аминов приняты названия по радикалам, с которыми связан азот. Систематическая номенклатура аминов исходит из того, что остаток аммиака в аминах в суффиксе называется амин, а в префиксе – амино. В случае вторичных и третичных аминов за основу названия принимается название углеводорода, соответствующего большему радикалу, а меньшие радикалы вместе с аминогруппой рассматриваются как замещающая группа. Приведем некоторые наиболее часто встречающиеся амины и их названия
2.1. Методы получения.
2.1.1. Алкилирование аммиака и аминов. Этот метод получения аминов уже рассматривался как пример SN- реакции галогенпроизводных алканов (реакция Гофмана, 1849 г.). Взаимодействие галогеналканов с аммиаком приводит к смеси всевозможных аминов и тетраалкиламмонийгалогенида. Это происходит потому что каждая последующая реакция алкилирования образовавшегося в предыдущей стадии амина идет легче, чем предыдущая. Все сказанное проиллюстрируем на примере реакции иодистого метила с аммиаком
Недостатки метода получения аминов через реакцию Гофмана очевидны – это образование смеси аминов. Однако этот метод базируется на доступных исходных продуктах, а смесь аминов благодаря существенному различию в температурах кипения может быть успешно разделена.
2.1.2. Расщепление амидов карбоновых кислот по Гофману (1882 г.). Расщепление амидов по Гофману рассматривалось раньше как характерная реакция незамещенных по азоту амидов с гипобромитом или гипохлоритом натрия, ведущая к первичным аминам
2.1.3. Восстановление азотсодержащих соединений. Восстановление азотсодержащих соединений различных групп: нитросоединений, нитрилов, оксимов, амидов, иминов (Шиффовых оснований, азометинов) с использованием разных восстановителей представляет собой универсальный метод синтеза аминов. При этом используются химические восстановители: диборан, литийалюминийгидрид, амальгама натрия и уксусная кислота, натрий и спирт, цианборгидрид натрия и др. Применение любого из указанных восстановителей имеет свои особенности. Например, литийалюминийгидрид в эфирном растворе восстанавливает все указанные выше типы азотсодержащих соединений, диборан восстанавливает только нитрильную группу, но не реагирует с нитро- и сложноэфирной группами. При каталитическом восстановлении азотсодержащих соединений чаще всего используются никель на кизельгуре и никель Ренея, хромит меди при высоких температурах (2500, 300 атм).
Нитросоединения при восстановлении дают первичные амины. Этот метод получения аминов в основном применяется для синтеза ароматических аминов. Это, скорее всего, связано с тем, что для синтеза алифатических аминов предложено множество других методов, в то время как восстановление ароматических нитросоединений - практически единственный способ получения ароматических аминов.
При каталитическом восстановлении нитрометана получается метиламин
Эта реакция сильно экзотермична. При восстановлении 1 моля нитрометана выделяется столько тепла, что ее достаточно для нагрева стальной бомбы в 10 кг до 1000.
Нитрилы карбоновых кислот при восстановлении также превращаются в первичные амины. Нитрил масляной кислоты при взаимодействии с литийалюминийгидридом дает бутил амин, капронитрил натрием в спирте восстанавливается в гексиламин
Практическое применение нашло восстановление динитрила адипиновой кислоты в гексаметилендиамин
Исходный динитрил обычно получают из адипиновой кислоты. Стадия восстановления динитрила осуществляется каталитически на никеле Ренея при 200 атм или же с использованием других катализаторов. Гексаметилендиамин используется при получении одного из полиамидов – найлона конденсацией адипиновой кислоты с диамином.
Оксимы, обычно получаемые реакцией гидроксиламина с карбонильными соединениями, легко восстанавливаются любым из упомянутых выше восстановителей до первичных аминов. Радикал, связанный с аминогруппой, может быть первичным или вторичным
Амиды карбоновых кислот, по сравнению с другими азотсодержащими соединениями, проявляют наименьшую реакционную способность по отношению к химическим восстановителям. Их можно восстановить только литийалюминийгидридом в эфирном растворе. Восстановление можно вести и каталитически, например, используя хромит меди при 2500 300 атм.
Несмотря на трудности, которые возникают из-за относительно низкой реакционной способности амидов, восстановление их часто используется в препаративной практике. Это связано с тем, что восстановлением амидов можно получить все три типа аминов
Имины восстанавливаются в первичные или во вторичные амины, в которых аминогруппа связана с первичным или вторичным углеводородным остатком. При осуществлении этой реакции обычно исходят не из готовых азометинов, а получают их по ходу реакции взаимодействием альдегидов и кетонов с аммиаком или амином. В таком варианте реакция носит название восстановительного аминирования. Восстановление при этом осуществляют каталитически или с помощью цианборгидрида натрия.
Приведем несколько примеров получения аминов восстановительным аминированием альдегидов и кетонов
2.1.4. Синтез Риттера. Взаимодействие алкенов или спиртов с цианистым водородом или нитрилами карбоновых кислот в присутствии концентрированной серной кислоты носит название реакции Риттера. В результате этой реакции получаются первичные амины. Возможно, реакция Риттера – лучший способ получения первичных аминов с третичным углеводородным радикалом.
Предполагается, что вначале алкен или спирт образуют карбокатион
Присоединение карбокатиона к нитрилу за счет неподеленной пары электронов азота и последующая гидратация промежуточной частицы приводят к амиду. В результате гидролиза амида получается амин
2.2. Химические свойства.
Поведение аминов в химических реакциях всецело определяется аминогруппой. Атом азота аминогруппы несет неподеленную пару электронов, которую он стремиться обобщить. Этим обусловлена основность аминов и их способность выступать в роли нуклеофильных реагентов.
2.2.1. Кислотно-основные свойства. Подобно аммиаку, амины являются основаниями. По этой причине они взаимодействуют с кислотами с образованием солей
Мерой основности служит константа основности Кb, выражающая способность амина отщеплять протон от воды
Какова же основность аминов различных групп? Приведем значения Кb для аммиака, первичного, вторичного и третичного амина
NH3 CH3CH2NH2 (CH3CH2)2NH (CH3CH2)3N
1,8.10-5 5,1.10-4 10,0.10-4 5,6.10-4
Основность азотсодержащих соединений обусловлена наличием неподеленной пары электронов у атома азота. И в случае аминов эти электроны позволяют принять протон или другую электрофильную частицу и выступить, таким образом, в качестве основания. После образования связи между азотом и электрофилом азот получает положительный заряд. В образовавшемся соединении этот заряд скомпенсирован противоионом.
Степень основности аминов зависит от электронной плотности у азота и от доступности неподеленной пары электронов азота для кислой частицы. Электронодонорные заместители, в частности алкильные радикалы, подают электроны азоту и повышают электронную плотность на этом атоме. По этой причине амины являются более сильными основаниями, чем аммиак. Из приведенных выше сведений об основности аминов разных типов видно, что основность третичных аминов ниже ожидаемых значений. Трудно объяснить это обстоятельство пространственными затруднениями подходу протона к азоту с учетом размеров этой частицы. Поэтому предполагается, что алкильные заместители у азота в случае третичных аминов затрудняют не электрофильную атаку протоном, а сольватацию и стабилизацию образовавшейся положительной частицы молекулами растворителя.
Первичные и вторичные амины, имеющие водородные атомы у азота, проявляют и кислотные свойства. Однако эти свойства можно обнаружить лишь при взаимодействии аминов с сильными основаниями. В следующей реакции
переход протона от амина к основанию В возможен только в том случае, если основность этого основания выше, чем основность амид – аниона.
Примерами реакций, в которых первичные и вторичные амины выступают как кислоты, являются реакции с металлическими натрием или калием
Литиевые соли легко могут быть получены также реакцией амина с фениллитием в эфирном растворе
Амины относятся к очень слабым кислотам, константа кислотности Ка которых находится на уровне 10-33.
2.2.2. Алкилирование аминов. Эта реакция (реакция Гофмана) уже рассматривалась (см. раздел 2.1.1). В дополнение к известным сведениям следует отметить, что реакция Гофмана позволяет получить вторичные и третичные амины с различными радикалами у азота. В качестве примера приведем алкилирование этиламина метилиодидом и алкилирование метилэтиламина бромистым пропилом
2.2.3. Ацилирование. Первичные и вторичные амины способны замещать свои водородные атомы на остаток карбоновой кислоты. Происходит это при взаимодействии амина с карбоновой кислотой, а еще лучше с ее ангидридом или галогенангидридом при комнатной температуре
При ацилировании галогенангидридами кислот моль амина связывается выделившейся в ходе реакции галогенводородной кислотой. Чтобы избежать этого ацилирование галогенангидридами обычно проводят в присутствии щелочи
Как видно из приведенных реакций, при ацилировании аминов получаются замещенные амиды карбоновых кислот, не обладающие основным характером и способные гидролизоваться до амина и карбоновой кислоты
Следует отметить, что в первичные амины можно ввести и два кислотных остатка, хотя это достигается с большим трудом.
По возможному механизму ацилирование аминов сводится к нуклеофильному присоединению к карбонильной группе за счет неподеленной пары электронов азота с последующим отрывом протона и элиминированием галогена
По аналогичному механизму «присоединения – элиминирования» протекает и реакции с участием кислоты, ее ангидрида и даже сложного эфира.
2.2.4. Отношение к азотистой кислоте. Амины различных типов резко отличаются по своему отношению к азотистой кислоте.
Первичные амины реагируют с азотистой кислотой, которая обычно получается в ходе реакции из нитрита натрия и НCl, с образованием неустойчивых солей диазония. Соль диазония распадается дальше до карбокатиона, который в условиях реакции сразу или перегруппировавшись в другой, более стабильный ион, превращается в спирты и алкены
Вторичные амины азотистой кислотой нитрозируются в нитрозамины, представляющие собой нейтральные масла желто – оранжевого цвета
Нитрозамины, полученные из вторичных аминов, могут представить опасность для здоровья. Известно, что N - нитрозодиметиламин и N - нитрозодиэтиламин обладают канцерогенной активностью и вызывают рак.
Третичные амины с азотистой кислотой не реагируют.
2.2.5. Образование иминов. При взаимодействии с альдегидами и кетонами первичные амины образуют имины (азометины, основания Шиффа)
Реакция образования иминов вполне укладывается в рамки уже рассмотренного механизма нуклеофильного присоединения по карбонильной группе с последующей стадией элиминирования. Неподеленная пара электронов на атоме азота позволяет аминам выступать в качестве нуклеофильного реагента
2.2.6. Образование четвертичных аммониевых оснований. При алкилировании аминов по Гофману происходит постепенное введение в молекулу углеводородных остатков, процесс завершается образованием солей четвертичного аммония
Отметим попутно, что если алкилирование сводится к метилированию с использованием иодистого метила, то весь процесс называют исчерпывающим метилированием аминов. По числу введенных в молекулу амина метильных радикалов можно судить о строении амина.
При взаимодействии галогенида четвертичного аммония с влажной окисью серебра образуется гидроокись четвертичного аммония и осаждается осадок галогенида серебра.
Водные растворы гидроокисей по основности, обусловленной гидроксил – ионами, приближаются к основности едких щелочей.
Гидроокиси четвертичного аммония при нагревании до 1250 и выше распадаются с образованием третичного амина, алкена и воды
Эта реакция носит название элиминирования по Гофману. Предполагается, что она по механизму аналогична дегидрогалогенированию по механизму Е2
Элиминирование по Гофману используется при установлении строения аминов.
2.2.7. Окисление аминов. Амины всех трех типов окисляются довольно легко. Однако при окислении первичных и вторичных аминов образуется сложная смесь продуктов и поэтому определенное значение имеет лишь окисление третичных аминов, приводящее к их оксидам
В оксидах третичных аминов связь между атомами азота и кислорода – донорно-акцепторная (семиполярная).
Оксиды аминов определенного строения, содержащие β - водородный атом, при нагревании около 1500 распадаются на алкен и производное гидроксиламина
Эта реакция носит название элиминирования по Коупу и используется для синтеза алкенов с определенным положением двойной связи.
Углеводы.
Углеводы относятся к числу важнейших классов природных органических соединений, без которых невозможно представить себе жизнь на земле. Здесь речь идет не об использовании углеводов в качестве строительных и конструкционных материалов (древесина), не об изготовлении из них одежды (хлопок, лен, вискозный и ацетатный шелк) и не о бумаге, играющей выдающуюся роль в развитии цивилизации. Некоторые углеводы составляют основу питания живых организмов и просто «вплетены» в процессы жизнедеятельности. Это хорошо видно по той роли, которую играет один из углеводов – глюкоза – в этих процессах.
Глюкоза образуется в зеленых листьях растений в результате процесса под названием фотосинтез. В этом процессе происходит химическое связывание углекислого газа и воды за счет использования энергии солнечных лучей под воздействием катализатора – хлорофилла
Несмотря на более чем столетний период изучения фотосинтеза он в химических лабораториях и в промышленности еще не воспроизведен.
Образовавшиеся при фотосинтезе молекулы глюкозы объединяются между собой двумя различными способами с образованием целлюлозы – универсального строительного материала в зеленом мире или же крахмала, являющегося питательным веществом и запасаемого для молодого поколения растений. Однако крахмалом питаются и живые организмы, в желудке которых он гидролизуется и снова образует глюкозу. Током крови глюкоза разносится по всему организму, доставляется к каждой клетке. Проникнув с помощью инсулина в клетку, глюкоза здесь окисляется до углекислоты и воды. При этом выделяется энергия, запасенная при фотосинтезе в глюкозе.
Имеются и другие направления использования глюкозы организмом. Она частично превращается в гликоген и запасается в печени, используется организмом для синтеза жиров и аминокислот.
Свое название углеводы (уголь + вода) получили из-за того, что их состав формально может быть выражен формулой (С.Н2О)n.
В химическом отношении углеводы представляют собой полиоксиальдегиды (альдозы) и полиоксикетоны (кетозы) или более сложные соединения, превращающиеся в них при гидролизе. Один углевод отличается от другого и числом углеродных атомов. По этому признаку различают треозы, тетрозы, пентозы, гексозы и др.
Основанием для отнесения углевода к моно-, ди- или полисахаридам служит их отношение к гидролизу. К моносахаридам относят углеводы, которые неспособны гидролизоваться в более простой углевод. Если при гидролизе углевода образуется два моносахарида, то его относят к дисахаридам. Наконец, углевод, при гидролизе которого образуется много молекул моносахарида, называют полисахаридом.
1. Моносахариды.
Как уже было указано, углеводы в своей молекуле содержат карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Поэтому они во многих реакциях ведут себя как спирты и альдегиды и кетоны. Однако углеводы не просто повторяют свойства спиртов и карбонильных соединений. Даже ожидаемые и известные реакции с участием углеводов протекают своеобразно и часто приводят к неожиданным продуктам.
1.1. Восстановление. Моносахариды имеют в своей молекуле две способные восстанавливаться функциональные группы: карбонил и гидроксил. Поскольку карбонильная группа восстанавливается до гидроксильной, то в результате восстановления альдоз и кетоз получаются многоатомные спирты – глициты, содержащие на один гидроксил больше, чем в исходном моносахариде. При восстановлении глюкозы, в молекуле которого имеется пять гидроксилов, получается шестиатомный спирт, носящий название глюцита или сорбита. В качестве восстановителей могут быть использованы молекулярный водород в присутствии обычных катализаторов гидрирования (Ni, Pd, Pt), хромит меди, литийалюминийгидрид и боргидрид натрия, амальгама натрия.
В отличие от альдоз, которые при восстановлении дают лишь один продукт, кетозы образуют два спирта. Это вызвано тем, что при восстановлении кетоз возникает новый асиметрический центр и получается два энантиомера
При взаимодействии с иодистоводородной кислотой восстанавливается не только карбонил, но и гидроксильные группы. Например, при нагревании с НI из глюкозы образуется 2-иодгексан. Отсюда становится понятным, что шесть углеродных атомов, входящих в молекулу глюкозы, построены линейно, без ответвлений от главной цепи.
Многоатомные спирты, получаемые восстановлением моносахаридов, используются на практике. В качестве примера укажем, что упомянутый выше сорбит применяется как заменитель сахара в пище больных диабетом и при синтезе витамина С.
1.2. Окисление. Окисление углеводов с использованием различных окислителей сыграло исключительно важную роль при установлении их строения.
В моносахаридах имеется несколько способных окисляться функциональных групп: альдегидная группа, первичный и вторичный гидроксилы, кетогруппа.
Наиболее легко окислению подвергается альдегидная группа в альдозах. При этом моносахариды превращаются в одноосновные кислоты, которые в данном случае называют гликоновыми. Для избирательного окисления альдегидной группы можно использовать даже такие слабые окислители как бромная вода
Для той же цели применяются реактивы Толленса, Фелинга и Бенедикта. При использовании реактива Толленса, представляющего собой аммиачный раствор окиси серебра, альдоза окисляется в гликоновую кислоту, а катион одновалентного серебра одновременно восстанавливается до металлического серебра (реакция серебряного зеркала)
При окислении углевода реактивом Фелинга или Бенедикта (соль двухвалентной меди, стабилизированный винной кислотой или лимонной кислотой) также получается карбоновая кислота и выпадает в осадок оксид одновалентной меди.
Таким образом, при окислении некоторых углеводов вышеуказанными окислителями образуются одноосновные кислоты и одновременно идет процесс восстановления до металлического серебра и оксида меди. Углеводы, обладающие восстановительными свойствами, называются восстанавливающими. Углеводы, лишенные этих свойств, называются невосстанавливающими.
Казалось бы, что к восстанавливающим могут быть отнесены только альдозы с учетом легкости их окисления по сравнению с кетозами. Однако это не так, кетозы также относятся к числу восстанавливающих сахаров. Оказалось, что окисляется не кетогруппа, а находящиеся с кетозой в равновесии энатиомерные альдозы
Отметим, что хотя альдегиды окисляются легче, чем первичные спирты, в случае альдоз удалось проводить окисление первичного гидроксила, сохранив при этом альдегидную группу. Такие кислоты, содержащие в своей молекуле кроме карбоксила еще гидроксилы и альдегидную группу, называются уроновыми кислотами. Для получения уроновой кислоты в альдозе приходится защитить альдегидную группу и только потом проводить окисление.
Для окисления углеводов применяется и азотная кислота различной концентрации. В этом случае окисляется и альдегидная, и первичная гидроксильная группы с образованием дикарбоновых кислот, которые называются гликаровыми (сахарными)
При окислении моносахаридов с использованием концентрированной азотной кислоты окисляется, кроме альдегидной и первичной гидроксильной группы, и вторичный гидроксил до кетона При специально подобранных условиях может быть окислен и кетон, который протекает, как известно, с разрывом углерод-углеродных связей между карбонилом и остальной частью молекулы
Такой вариант окисления часто используется при определении размера кольца в циклических моносахаридах.
Наконец, углеводы можно подвергнуть окислительному расщеплению иодной кислотой (Малапраде, 1928 г). Периодат – ион IO4- окисляет с
одновременным расщеплением С-С- связи виц-диолы и α-оксикарбонильные соединения. При этом получаются карбоновые кислоты и карбонильные соединения (в случае углеводов -α-оксикарбонильные соединения) Вот несколько примеров, поясняющих сказанное
Состав продуктов окислительной фрагментации и количество израсходованной иодной кислоты дают богатую информацию относительно строения углевода. Так, на окисление глюкозы расходуется 5 молей иодной кислоты и образуется 5молей муравьиной кислоты и 1 моль формальдегида
1.1.3. Алкилирование. Подобно спиртам, моносахариды могут быть проалкилированы за счет водородов гидроксильной группы. В рассматриваемом случае в качестве метилирующих средств чаще всего используются метилиодид (в присутствии Ag2O) или диметилсульфат (в присутствии щелочи)
При промышленном получении простых эфиров углеводов обычно используют алкилхлориды в щелочной среде.
1.1.4. Этерификация. Сложные эфиры углеводов широко используются на практике. Их получают этерификацией углеводов как полиолов минеральными и карбоновыми кислотами, ангидридами и галогенангидридами последних. В качестве катализаторов этерификации используются кислоты, в том числе кислоты Льюиса, и основания (ацетат натрия, пиридин).
При этерификации моносахаридов по расходованию ацилирующего агента возможно установить число гидроксильных групп в молекуле. Например, при ацетилировании глюкозы уксусным ангидридом получается пентаацетат глюкозы
Отсюда следует, что глюкоза содержит пять гидроксильных групп.
Как и любые сложные эфиры, ацетаты углеводов гидролизуются как в кислой, так и щелочной среде с регенерацией гидроксильных групп. Для этой же цели можно воспользоваться и реакцией переэтерификации. Приведенные здесь сведения в последующем, после изучения строения углеводов, будут дополнены новыми фактами.
1.1.5. Образование озазонов. Имея в своей молекуле карбонильную группу, моносахариды вступают в реакцию со многими, но не всеми, производными аммиака и дают соответствующие производные. Одной из таких реакций является образование озазона при взаимодействии углевода с фенилгидазином (Э.Фишер, 1928 г)
Удивительным в этой реакции является то, что в реакцию вступает не только альдегидная группа в альдозах, но и соседний с ним углерод, несущий гидроксил. Объяснение этому заключается в следующем. Вначале при взаимодействии альдегидной группы альдозы с фенилгидразином образуется ожидаемый фенилгидразон, который находится в равновесии с с енгидразинной и кетогидразинной таутомерными формами
Кетогидразинная форма уже сама может реагировать как кетон с еще одной молекулой фенилгидразина. При этом получается гидразиногидразон, который с участием третьей молекулы фенилгидразина как основания претерпевает - элиминирование в - иминогидразон. Реакция последнего с еще одной молекулой фенилгидразина по иминогруппе приводит к озазону
Установлено, что несколько моносахаридов могут дать один и тот же озазон. Происходит это, потому что при образовании озазона исчезает асимметрический цент, обуславливавший существование энантиомеров
В приведенных реакциях альдозы отличались конфигурацией при втором углеродном атоме, если первый углерод в составе карбонильной группы обозначить цифрой один. Такие альдозы называются эпимерами.
Один и тот же озазон дают не только эпимеры, но и близкие им по строению кетозы
Озазоны легко гидролизуются в кислой среде с образованием озонов, относящихся к α-дикарбонильным соединениям
Поскольку альдегидная и кето- группа заметно отличаются по реакционной способности при восстановлении, например, цинком и кислотой, то появляется возможность из озона перейти к кетозам. Таким образом, последовательность реакций, включающей получение озазона, его гидролиз и восстановление, позволяет из эпимерных альдоз получить кетозу.
1.1.6. Увеличение длины углеродной цепи альдоз. Соединения, в молекуле которых имеется альдегидная функция, способны присоединять синильную кислоту по механизму нуклеофильного присоединения и образовать циангидрины
Как видно из рассмотрения молекулы циангидрина, карбонильный углерод в продукте реакции становится асимметрическим. Поэтому в результате реакции получается не один, а два циангидрина, различающиеся конфигурацией при этом углероде – энантиомеры. При гидролизе циангидрина, представляющего собой нитрил оксикарбоновой кислоты, получается сама кислота. Применительно к моносахаридам все это было показано Килиани (1886 г). Вскоре Э.Фишер (1890 г.) установил, что карбоновые кислоты (в виде лактона) могут быть восстановлены амальгамой натрия в альдозы. Таким образом, по методу Килиани – Фишера одна альдоза может быть превращена в смесь двух других альдоз, содержащих на один углерод больше и являющихся эпимерами. В качестве примера рассмотрим превращение альдопентозы в эпимерные альдогексозы
1.1.7. Уменьшение длины углеродной цепи альдоз. Имеется несколько схем превращения альдоз с большим числом углеродных атомов в альдозы с меньшей длиной углеродной цепи. При деградации альдоз по Руффу вначале их окисляют бромной водой до глюконовых кислот, затем кальциевые соли этих кислот окисляют перекисью водорода в присутствии трехвалентного железа (реактив Фентона) в альдозу, содержащую на один атом углерода меньше. Прежний карбонильный углерод моносахарида покидает молекулу соли кислоты при свободнорадикальном декарбоксилировании в виде карбонат - иона. К сожалению, выходы при деградации по Руффу составляют лишь 30 – 40%. Для примера приведем получение альдопентозы из альдогексозы по Руффу
Для укорачивания длины углеродной цепи альдозы используется и другая схема (метод Воля). По этому методу вначале из альдозы получают оксим, который при дегидратации под действием уксусного ангидрида превращается в нитрил. При этом происходит также этерификация с участием всех свободных гидроксильных групп. В дальнейшем их регенерируют переэтерификацией сложного эфира метанолом. Из нитрила нагреванием с щелочью удаляется цианистый водород, который связывается обычно ионами серебра. Пример осуществления этой схемы, связанный с превращением альдогексозы в альдопентозу, дается ниже
При деградации углеводов как по Руффу, так и по Волю, эпимерные альдозы дают одну и ту же альдозу с меньшим числом углеродных атомов. Это происходит потому, что рассматриваемое превращение сопровождается исчезновением асимметрического углерода, обуславливавшего существование эпимеров.
1.1.8. Превращение альдозы в ее эпимер. Под действием щелочей моносахариды вступают в так называемую реакцию эпимеризации. При этом происходит превращение одного эпимера в другой и устанавливается равновесие между ними. В этом равновесии участвует также кетоза, изомерная эпимерным альдозам. Причина эпимеризации – образование из альдозы под действием щелочи ендиола, который дальше может превращаться в любой из эпимеров и изомерную кетозу
При разделении смеси двух альдоз и кетозы, находящихся в равновесии, можно было бы получить каждый из них в отдельности. Однако сделать это нелегко. Поэтому при необходимости получения одного эпимера из другого поступают по другому. Исходную альдозу окисляют бромной водой до глюконовой кислоты, которую обрабатывают основанием (пиридином). При этом образуется равновесная смесь эпимерных кислот, которую можно разделить и каждую из кислот по отдельности восстановить (в виде лактона) по методу Фишера до соответствующей альдозы
Химия углеводов не исчерпывается рассмотренными выше реакциями. В дальнейшем они будут дополнены новой информацией.
1.2. Глюкоза.
Важнейшим из многих десятков известных на сегодня моносахаридов является глюкоза. Сотни миллиардов тонн глюкозы ежегодно синтезируются зеленой растительностью в процессе фотосинтеза. Поэтому установление строения этого моносахарида представляет собой задачу исключительной важности.
Элементный состав глюкозы выражается формулой С6Н12О6. Результаты исследования некоторых свойств моносахарида показывают:
- глюкоза дает производные с гидроксиламином, фенилгидразином; бромной водой окисляется до глюконовой, а азотной кислотой – до глюкаровой кислоты. Все это свидетельствует о присутствии в молекуле глюкозы альдегидной группы.
- при этерификации уксусным ангидридом глюкоза дает пентаацетат. Отсюда следует, что в ее молекуле имеется пять гидроксильных групп. Причем они рассредоточены у пяти углеродов, поскольку один углерод не может содержать два гидроксила.
- при восстановлении глюкозы образуется шестиатомный спирт – сорбит, который при дальнейшем восстановлении иодистоводородной кислотой дает 2-иодгексан. Следовательно, все шесть углеродов в глюкозе построены линейно.
Таким образом, глюкоза представляет собой неразветвленный пентаоксиальдегид с шестью атомами углерода – альдогексозу
При внимательном рассмотрении приведенной структурной формулы, устанавливающей порядок связей различных атомов друг с другом видно, что она весьма приблизительна. В молекуле глюкозы имеется четыре асимметрических атома углерода, при каждом из которых возможно различное пространственное расположение атомов (конфигурация) водорода и гидроксильных групп при сохранении порядка связей в молекуле. Известно, что число стереоизомеров с числом асимметрических атомов углерода (n) связаны соотношением 2n. Следовательно, формулу, которая была выведена исходя из свойств глюкозы, могут иметь 24=16 (!) пространственных изомеров и только один из них принадлежит глюкозе. Какой же из этих 16 изомеров отображает глюкозу? Перед такой проблемой встретился выдающийся немецкий химик Эмиль Фишер в 1889 году, когда он начал свои исследования по установлению строения глюкозы. В работе Фишера поражает исключительная рациональность методов исследования. Для установления строения глюкозы, для определения конфигурации при каждом из четырех асимметрических центров, Фишеру хватило уменья окислять углевод азотной кислотой и пользоваться поляриметром для обнаружения оптической активности моносахарида. Через три года проблема была решена.
1.2.1 Строение (+)-глюкозы* по Фишеру.
Прежде всего, Фишер графически изобразил упомянутые выше 16 стереоизомерных альдогексоз, располагая в различных сочетаниях водородные и гидроксильные группы при каждом из четырех асимметрических углеродов. До рассмотрения доказательства Фишера следует определиться с написанием формулы конфигурационных изомеров. Конечно, лучше всего было бы изобразить все асимметрические атомы углерода в соединении в тетраэдрической форме, однако сделать это нелегко. Выход из положения указал сам Фишер, вместо громоздких тетраэдрических углеродов он предложил пользоваться их проекциями на плоскости. Такие формулы называются проекционными формулами Фишера. Для примера приведем проекционные формулы энантиомерных глицериновых альдегидов НОСН2СН(ОН)СНО
Для (+)-глицеринового альдегида, в молекуле которого гидроксил при хиральном углероде расположен справа, было предложено использовать обозначение D в названии. Левовращающий энантиомер этого альдегида получил обозначение L. Следует подчеркнуть, что обозначения D и L не
*) Знаки (+) и (-) означают направление вращения поляризованного луча. Если вращение по часовой стрелке, то (+).
имеют отношения к направлению вращения изомера, ими обозначаются конфигурации при асимметрическом атоме углерода. Отметим также, что во времена Фишера невозможно было установить так называемые абсолютные конфигурации и увязать направление вращения поляризованного луча с конфигурационным строением соединения. Правовращающим энантиомером глицеринового альдегида мог оказаться как D, так и L изомер. Поэтому без всяких оснований было принято глицериновый альдегид с правым расположением гидроксила при асимметрическом углероде обозначить как D-изомер, а другой энатиомер как L-изомер. Через более чем 50 лет оказалось, что конфигурации глицеринового альдегида были угаданы верно.
Теперь напишем D-ряд изомерных альдогексоз, полагая, что (+)-глюкоза принадлежит именно к этому ряду. Так поступил Фишер. Не приняв это волюнтаристическое решение, он не смог бы установить строение (+)-глюкозы. В последующем оказалось, (+)-глюкоза действительно относится к D-ряду, к тому ряду, в котором каждый изомер имеет гидроксильную группу при пятом углероде справа
Итак, одна из этих формул принадлежит D-(+)-глюкозе. Какая же? Это было установлено Фишером следующим образом.
1. (-)-Арабиноза, относящаяся к альдопентозам, при окислении азотной кислотой превращается в оптически активную дикарбоновую кислоту. Строение (-)-арабинозы не было известно, однако она могла бы иметь одну из следующих структур D-ряда
Окислим каждую из этих структур азотной кислотой
При рассмотрении строения дикарбоновых кислот видно, что структуры I и III не могут дать оптически активные кислоты. Образующиеся из них дикарбоновые кислоты являются оптически недеятельными мезо-соединениями. Следовательно, арабиноза должна иметь строение II или IV.
2. (-)-Арабиноза при увеличении углеродной цепи превращается в (+)-глюкозу и (+)-маннозу. Поскольку при увеличении цепи альдоз по Килиани-Фишеру образуются эпимеры, то становится понятным, что глюкоза и манноза отличаются друг от друга лишь по конфигурации при втором углеродном атоме. Если (-)-арабиноза имеет строение II, пара эпимеров будет иметь следующее строение
Если для (-)-арабинозы принять структуру IV, то (+)-глюкоза и (+)-манноза будут представлены другими формулами
3. При окислении азотной кислотой и (+)-глюкоза, и (+)-манноза превращаются в оптически активные дикарбоновые кислоты. Окислим соединения V и VI
В результате окисления пары VII и VIII получаться следующие дикарбоновые кислоты
Из рассмотрения молекул дикарбоновых кислот видно, что только продукты окисления пары эпимеров V и VI являются оптически деятельными. При окислении второй пары альдогексоз VII дает оптически неактивную дикарбоновую кислоту, которая представляет собой внутренний рацемат – мезо-соединение.
Таким образом, (+)-глюкоза и (+)-манноза должны иметь строение пары эпимеров V и VI. При этом пока еще остается неизвестным, какая из этих структур принадлежит глюкозе, а какая – маннозе. Однако даже при указанной неопределенности видно, что пара эпимеров V и VI имеют одинаковую конфигурацию при третьем, четвертом и пятом углеродном атомах. Такая же должна быть эта часть молекулы и у (-)-арабинозы, поскольку при увеличении длины цепи по Килиани – Фишеру она без изменения переходит в эпимерную пару глюкоза – манноза. Отсюда следует, что (-)-арабиноза должна иметь конфигурацию IX
4. Дикарбоновая кислота, которая получается при окислении (+)-глюкозы азотной кислотой, образуется и при окислении еще одного моносахарида – (+)-гулозы. Пусть (+)-глюкоза имеет строение V, тогда при окислении получим
Эта же кислота должна получиться и из углевода X, чисто графически произведенного из V путем перестановки альдегидной и концевой оксиметильной групп местами. Однако является ли X другим углеводом, а не просто повернутым на 1800 V? Для ответа на этот вопрос повернем X на 1800, не вынимая формулу из плоскости бумаги (это общее правило манипуляции при работе с проекциями Фишера). Видно, что при этом появляется альдоза L ряда, отличающаяся по строению от глюкозы. Это действительно другая гексоза, которая, тем не менее, при окислении дает ту же самую глюкаровую кислоту, что и (+)-глюкоза. Фишер синтезировал (+)-гулозу и экспериментально подтвердил сказанное.
Таким образом, Фишеру удалось установить конфигурацию при всех четырех хиральных центрах альдогексозы и предложить так называемую линейную формулу (+)-глюкозы. Попутно (!) было установлено строение (-)-арабинозы, (+)-маннозы и (+)-гулозы.
1.2.2. Циклическая структура D-(+)-глюкозы.
Уже к 1895 году накопились некоторые данные, которые не согласовывались с формулой, предложенной для (+)-глюкозы Фишером. - (+)-Глюкоза не вступала в некоторые реакции, «предписываемые» формулой Фишера: не образовывала азометины и не давала производного с бисульфитом натрия. Пентаоксиальдегид должен был бы вступить в указанные реакции за счет альдегидной группы.
- Стало известно о существовании двух глюкоз. Одна из них (т.пл.1460) с удельным вращением в 1120 при растворении в воде постепенно изменяла величину удельного вращения до +52,70. Другая глюкоза с т. пл.1500 и удельным вращением +190 в водном растворе изменяла величину удельного вращения также до значения +52,70 . Первую глюкозу назвали α-D-(+)-глюкозой, а вторую -β-D-(+)-глюкозой. Процесс изменения угла вращения каждого из них до равновесного значения получил название мутаротации.
- Как известно, карбонильные соединения вступают в реакцию ацеталирования. При этом в результате реакции альдегида или кетона с одной молекулой спирта образуется полуацеталь, при взаимодействии с двумя молекулами спирта получается ацеталь
(+)-Глюкоза реагирует лишь с одной молекулой метанола, но то, что получается, скорее относится к ацеталям, чем к полуацеталям. В случае (+)-глюкозы такие производные называются глюкозидами. Их общее название – гликозиды. Связанный с углеводом через кислород остаток называется агликоном. Интересно, что при ацеталировании (+)-глюкозы метанолом в присутствии НСl образуется не один, а два глюкозида. Эти глюкозиды являются невосстанавливающими и неспособны подвергаться мутаротации.
В свете приведенных фактов в формулу Фишера для глюкозы необходимо внести уточнения.
Выше было упомянуто, что карбонильные соединения вступают в межмолекулярную реакцию со спиртами с образованием полуацеталей и ацеталей. (+)-Глюкоза представляет собой пентаоксиальдегид. В этой связи возникает вопрос: а не может ли эта альдогексоза вступить в реакцию внутримолекулярного ацеталирования с участием любой из пяти своих гидроксильных групп? Образующееся при этом соединение будет относиться к полуацеталям циклического строения. С учетом особой устойчивости 5-ти и 6-ти членных циклов можно предположить, что с альдегидной группой глюкозы охотнее будет реагировать гидроксил при четвертом или пятом углероде пентаоксиальдозы. Только в этом случае внутримолекулярное ацеталирование приведет к образование пяти- и шестичленных циклических полуацеталей
Возможность существования D-(+)-глюкозы в циклической форме объясняет факт существования гексозы в виде двух изомеров. В циклической форме глюкозы прежний карбонильный углерод становится хиральным и появляется возможность существования двух конфигурационных изомеров. Такие изомеры, отличающиеся по конфигурации при первом углеродном атоме альдозы, называются аномерами
С учетом существования аномеров находит рациональное объяснение и образование двух глюкозидов при ацеталировании глюкозы метанолом: каждый из аномеров при этом дает свой глюкозид
Исходя из возможности существования глюкозы в виде двух аномеров, легко объясняется и явление мутаротации. В водных растворах аномеры способны взаимопревращаться через открытую форму глюкозы с установлением равновесия между ними
Шестичленный гетероцикл с одним гетероатомом, в качестве которого выступает кислород, называется пираном, пятичленный гетероцикл – фураном
α-D-(+)-глюкозу, имея в виду размер кольца, называют α-D-(+)-глюкопиранозой, а ее аномер -β-D-(+)-глюкопиранозой. Часто при изображении циклической формы глюкозы прибегают к структурам Хеуорса с плоским пирановым кольцом. Однако это кольцо плоским быть не может. Оно более устойчиво в неплоской форме в виде конформации кресла. Встречающиеся в научной литературе циклические формулы аномеров глюкозы даны ниже
Выше мы достаточно подробно рассмотрели циклическую структуру глюкозы. Означает ли это, что глюкозе должна быть придана только циклическая форма? Оказывается, что практически все известные свойства глюкозы описывают только линейная и циклическая формы вместе. Установлено, что они находятся в состоянии равновесия, в котором на долю линейной формы приходится менее 0,5%. Этого достаточно, чтобы глюкоза вступала во многие реакции, характерные для альдегидов (окисление, образование озазона и др.), но недостаточно для осуществления других реакций альдегидов (образование бисульфитного производного, азометинов).
1.2.4. Определение размера кольца (+)-глюкозы.
То, что (+)-глюкоза в циклической форме представляет собой пиранозу, пока еще не доказано. Попытаемся это сделать.
Предположим, что в циклической форме (+)-глюкоза представляет собой пиранозу. Прометилируем, например, один из аномеров -α-D-(+)-глюкопиранозу - диметилсульфатом в щелочной среде. При этом проалкилируются все гидроксильные группы пентаоксиальдегида с образованием метил-α-2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкозида. В этом соединении гидролизоваться в присутствии кислоты (НС1) способна только эфирная группа, образованная аномерным гидроксилом. Вспомним, что простые эфиры не гидролизуются в отличие от ацеталей. Продукт гидролиза со свободным аномерным гидроксилом - α-2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкоза находится в равновесии со своей ациклической формой. Все сказанное можно отобразить следующей схемой
Теперь α-2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкозу окислим азотной кислотой в жестких условиях. При этом окислению подвергнется альдегидная группа и свободная вторичная гидроксильная при пятом углероде с образованием кетокислоты. Дальше окисляться будет и кетогруппа с разрывом С-С- связей с обеих сторон карбонильной группы. В результате получатся две дикарбоновые кислоты, содержащие пять и четыре углеродных атома
Образование в результате всей цепочки превращений именно триметоксиглутаровой и диметоксиянтарной кислот однозначно свидетельствует в пользу того, что исходная циклическая альдоза содержала шестичленное пиранозное кольцо. При другом размере кольца в конце превращений фигурировали бы иные двухосновные кислоты.
1.3. Другие моносахариды.
До сих пор основное внимание уделялось (+)-глюкозе. Однако следует еще раз отметить, что это лишь один, хотя и самый важный, моносахарид. В настоящее время их известно несколько десятков. Рассмотреть каждый из них в общем курсе органической химии нет необходимости. В заключение упомянем лишь еще об одном моносахариде – (-)-фруктозе, которая, как и (+)-глюкоза, широко распространена в растительном мире в свободном виде или в составе дисахарида – сахарозы.
Следующая последовательность реакций позволяет относить фруктозу к кетогексозам
Подобно (+)-глюкозе, (-)-фруктоза может существовать в циклической форме. Причем в данном случае более предпочтительным оказалось пятичленное фуранозное кольцо. При образовании кольца в результате внутримолекулярного ацеталирования с участием кето- группы и гидроксила при пятом углероде кетозы возникает новый асимметрический центр. Поэтому известны два изомера D-фруктофуранозы
2. Дисахариды.
В данном разделе будут рассмотрены 4 дисахарида два из которых являются природными продуктами (+)-лактоза и (+)-сахароза, а еще два получаются при частичном гидролизе полисахаридов – (+)-мальтоза и (+)-целлобиоза.
2.1. (+)-Мальтоза.
(+)-Мальтоза получается наряду с другими продуктами при кислотном или ферментативном гидролизе крахмала.
Об этом дисахариде известно следующее. Брутто-формула (+)-мальтозы С12Н22О11, относится к восстанавливающим сахарам, образует моноозазон, бромной водой окисляется в монокарбоновую мальтобионовую кислоту, существует в виде α- и β-форм. При кислотном или ферментативном (фермент мальтаза выделяется из дрожжей, гидролизует только β- гликозидную связь)) гидролизе дает две молекулы D-(+)-глюкозы.
Этих данных достаточно чтобы понять, что (+)-мальтоза образована двумя молекулами (+)-глюкозы. Причем, на образование связи одна молекула (+)-глюкозы предоставила свой аномерный гидроксил. Именно поэтому (+)-мальтоза ведет себя как соединение с одной альдегидной группой – образует моноозазон и монокарбоновую кислоту. Теперь весь вопрос сводится к тому, чтобы установить, чем же пожертвовала при образовании связи другая молекула (+)-глюкозы?
Предположим, что связь между молекулами глюкозы возникла за счет гидроксила при четвертом углеродном атоме одной молекулы и аномерного гидроксила другой молекулы. Молекулу (+)-мальтозы, построенную таким образом, окислим бромной водой. Полученную мальтобионовую кислоту прометилируем диметилсульфатом в присутствии щелочи. При этом прореагируют все свободные гидроксильные группы с образованием окта-О-метил-D-мальтобионовой кислоты. После гидролиза этой кислоты получится 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкопираноза и 2,3,5,6-тетра-О-метил-D-глюконовая кислота
В результате осуществления реакций окисления, метилирования и гидролиза 4-О-(α-D-глюкопиранозил)-D-глюкопиранозы действительно были получены указанных два соединения. Если бы молекулы глюкозы в мальтозе были соединены по другому, то в конце вышеуказанных превращений были бы получены та же глюкопираноза, но другая глюконовая кислота с иным расположением свободной гидроксильной группы. Положение гидроксильной группы можно установить окислением замещенной глюконовой кислоты азотной кислотой в жестких условиях, как это было сделано при определении размера кольца (+)-глюкозы.
Следует отметить, что (+)-мальтозу можно рассматривать как глюкозид, в котором в качестве агликона выступает другая молекула (+)-глюкозы. В случае (+)-мальтозы связь между альдозой и агликоном относится к α-гликозидной.
2.2. (+)-Целлобиоза.
(+)-Целлобиоза является продуктом частичного гидролиза целлюлозы. Гидролиз протекает под действием кислот и, что особенно важно, ферментативно с помощью эмульсина, выделенного из горького миндаля. Известно, что эмульсин способен гидролизовать только β-гликозидную связь. В результате гидролиза (+)-целлобиозы получается две молекулы (+)-глюкозы.
Во всем остальном свойства (+)-целлобиозы и (+)-мальтозы совпадают.
Подвергнув, как и в случае с (+)-мальтозой, (+)-целлобиозу последовательно окислению бромной водой, метилированию и гидролизу, легко можно установить по строению конечных продуктов (α-аномер 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкопиранозы и 2,3,5,6-тетра-О-метил-D-глюконовая кислота) что рассматриваемый дисахарид содержит два глюкопиранозных кольца. Эти кольца связаны между собой за счет аномерного гидроксила одной молекулы глюкозы и ОН - группы при четвертом углероде другой молекулы. Все различие между (+)-мальтозой и (+)-целлобиозой только в одном – две молекулы глюкозы в (+)-целлобиозе соединены между собой β- гликозидной связью. Это следует из того, что этот дисахарид ферментативно гидролизуется только эмульсином, избирательно действующим на β- гликозидную связь. Из всего сказанного следует, что (+)-целлобиоза представляет собой 4-О-( -D-глюкопиранозил)-D-глюкопиранозу
2.3. (+)-Лактоза.
(+)-Лактоза содержится в молоке. Скисание молока как раз связано с превращением этого дисахарида в молочную кислоту под действием бактерий.
(+)-Лактоза имеет брутто-формулу С12Н22О11, относится к восстанавливающим сахарам, образует моноозазон, существует в виде α- и β-форм. При кислотном или ферментативном (эмульсин) гидролизе дает равные количества D-(+)-глюкозы и D-(+)-галактозы. Отметим, что этот пока незнакомый моносахарид представляет собой альдогексозу, в которой, в отличие от (+)-глюкозы, гидроксил при четвертом углероде занимает аксиальное положение
Опять встает вопрос – каким образом указанных два моносахарида связаны между собой при образовании (+)-лактозы? Частичный ответ можно получить из того факта, что (+)-лактоза образует озазон как соединение, содержащее лишь одну альдегидную группу. Отсюда следует, что при образовании (+)-лактозы один из моносахаридов предоставил свой аномерный гидроксил, занимающий экваториальное положение, а другая альдогексоза – гидроксил при любом углероде, кроме первого. Однако непонятно, является ли рассматриваемый дисахарид глюкозидом или галактозидом?
Как было упомянуто выше, (+)-лактоза образует озазон. Если лактозазон гидролизовать, то получается D-(+)-галактоза и D-глюкозазон
Отсюда следует, что лактоза является замещенной глюкозой, т.е. галактозидом, а остаток глюкозы выступает в роли агликона. Интересно, что и в данном случае два моносахарида связываются между собой с участием гидроксила при четвертом углероде глюкозы. К такому выводу можно прийти, если (+)-лактозу окислить бромной водой, полученную лактобионовую кислоту метилировать и гидролизовать. В результате цепочки превращений получается 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-галактопираноза (β-аномер) и 2,3,5,6-тетра-О-метил-D-глюконовая кислота
Рассмотренные факты позволяют считать, что (+)-лактоза представляет собой 4-О-(β-D-галактопиранозил)-D-глюкопиранозу
2.4. (+)-Сахароза.
(+)-Сахароза получается из сахарной свеклы или сахарного тростника. (+)-Сахароза имеет брутто-формулу С12Н22О11 и проявляет следующие свойства: не восстанавливает реактивов Фелинга и Толленса, не образует озазона, не существует в виде α- и β- форм. Все это свидетельствует о том, что (+)-сахароза не содержит свободных или связанных в виде полуацеталя карбонильных групп. При кислотном или ферментативном гидролизе рассматриваемый дисахарид образует равные количества D-(+)-глюкозы и D-(-)-фруктозы. Из того факта, что (+)-сахароза не имеет карбонильных групп, становится понятным, что ее образование произошло за счет аномерных гидроксилов моносахаридов, т.е. она представляет собой одновременно β-D-фруктозид и α-D-глюкозид
При ферментативном гидролизе (+)-сахарозы используется фермент, выделенный из дрожжей, который носит название инвертазы. Такое название отражает изменение при гидролизе знака вращения с положительного на отрицательный. Происходит это потому, что исходная сахароза, вращающая плоскость поляризованного света влево (удельное вращение +66,50) при гидролизе (иногда процесс называют инверсией) превращается в смесь левовращающей глюкозы (+52,70) и сильно правовращающей фруктозы (-92,40).
Любопытно отметить, что мед представляет собой инвертированный сахар, т.е. смесь (+)-глюкозы и (-)-фруктозы. При образовании меда из сахара инверсию осуществляют пчелы за счет своей инвертазы.
4. Полисахариды.
Важнейшими природными полисахаридами являются крахмал и целлюлоза. Они образуются в растениях в результате объединения многих молекул глюкозы, продукта фотосинтеза, и используются как строительный материал и пища.
В полимерной молекуле полисахарида связь между остатками моносахарида осуществляется за счет аномерного гидроксила одной молекулы и спиртового гидроксила другой молекулы. Состав рассматриваемых полисахаридов может быть выражен общей формулой (С6Н10О5)n.
4.1. Крахмал.
Установлено, что крахмал содержит водорастворимую часть (около 20%), называемую амилозой, и нерастворимую в воде часть, которая носит название амилопектина.
При кислотном или ферментативном гидролизе крахмал последовательно разукрупняется в смесь полисахаридов меньшей молекулярной массы (декстрин), (+)-мальтозу и, в последнюю очередь – в D-(+)-глюкозу. Поскольку при гидролизе амилозы и амилопектина получается только указанный моносахарид, то понятно, что они отличаются лишь по «конструкции» при одном и том же «строительном материале».
4.1.1. Структура амилозы.
Итак, про амилозу известно, что она сложена из остатков (+)-глюкозы, при ее частичном гидролизе получается (+)-мальтоза, ферментативный гидролиз протекает под воздействием мальтазы, расщепляющей - глюкозидные связи. Этих сведений достаточно чтобы предположить, что амилоза представляет собой полимер глюкозы, в котором молекулы моносахарида связаны между собой также как и в мальтозе – за счет аномерного гидроксила одной молекулы и спиртового гидроксила при четвертом углероде другой молекулы. Теперь предстоит эту структуру для амилозы доказать и установить число остатков глюкозы, входящих в амилозу.
Амилозу с предполагаемой структурой прометилируем диметилсульфатом в присутствии щелочи и полученный продукт подвергнем гидролизу
Нетрудно видеть, что 2,3,6-три-О-метил-D-глюкозу образуют глюкозные остатки в амилозе, расположенные на одном из концов структуры, и, в основном, находящиеся в середине полимера. Другая замещенная глюкоза – 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкоза – получается из другого конца амилозы, в котором содержится моносахарид со свободным гидроксилом при четвертом углероде.
Поскольку в результате метилирования и гидролиза амилозы получаются именно те замещенные глюкозы, которые указаны выше, то тем самым подтверждается предложенная структура для амилозы.
По продуктам метилирования и гидролиза можно получить информацию и о других характеристиках амилозы как полимерной структуры, среди которых - длина цепи амилозы.
При метилировании и гидролизе амилозы тетра-О-метил-D-глюкоза получается с выходом 0,5%, а три-О-метил-D-глюкоза – 99,5% или, говоря по-другому, на 200 звеньев последнего приходится одна концевая группа со свободным гидроксилом при четвертом углероде моносахарида. Расчеты молекулярной массы амилозы, состоящей примерно из двухсот остатков глюкозы, приводят к величинам 30 000 – 40 000. Другие методы определения молекулярной массы (ультрацентрифугирование) амилозы дают близкие значения.
В химии углеводов изучение их по продуктам метилирования и гидролиза носит название метода определения концевых групп.
4.1.2. Структура амилопектина.
При изучении амилопектина методом концевых групп обнаружилось, что в этом случае образуется три метилированных D-глюкозы
Кроме того, известно, что амилопектин имеет такую молекулярную массу, которая согласуется с содержанием в нем около 1000 остатков глюкозы.
Обращает на себя внимание тот факт, что при метилировании и гидролизе амилопектина 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкозы образуется почти в десять раз больше (5%), чем в случае амилозы (0,5%). Поскольку тетразамещенная глюкоза образуется из концевой молекулы глюкозы, то приходится допустить, что у амилопектина «много концов». Это может случиться только в том случае, если амилопектин представляет собой разветвленную структуру, состоящую из множества коротких цепей.
Появление в продуктах реакции метилирования и гидролиза амилопектина 2,3-ди-О-метил-D-глюкозы в значительных количествах (5%) говорит о том, что образовавший его фрагмент глюкозы как раз и является местом разветвления. Именно здесь происходит сочленение коротких цепей путем образования связи за счет аномерного гидроксила при концевом углероде одной цепи и спиртового гидроксила при шестом углероде другой цепи
Имеющиеся данные говорят о том, что молекула амилопектина включает несколько сот коротких цепей по 20 - 25 остатков глюкозы в каждой. Эти цепи связаны не с какой-то общей для всех цепью, а между собой. Так возникает сильно разветвленная структура амилопектина.
4.2. Структура целлюлозы.
Целлюлоза является еще одним полисахаридом, который растение создает из первичного продукта фотосинтеза – глюкозы. Древесина состоит из целлюлозы на 50 – 60%, хлопок почти полностью.
Брутто - формула целлюлозы (С6Н10О5)n, нерастворима в воде, имеет высокую молекулярную массу от 250 000 до 1 000 000, состоит из более 1 500 глюкозных остатков. При полном гидролизе дает D-(+)-глюкозу, при частичном гидролизе среди продуктов обнаруживается один дисахарид (+)-целлобиоза, в молекуле которой глюкозные остатки связаны β- гликозидной связью. При метилировании и последующем гидролизе целлюлоза дает практически один эфир – 2,3,6-три-О-метил-D-глюкозу. Этих данных достаточно, чтобы придать целлобиозе следующую структурную формулу
В дальнейшем вместо этой полной структурной формулы, будем использовать сокращенную формулу, которая вполне передает самое существенное в целлюлозе – наличие трех гидроксильных групп в элементарном фрагменте этого полимера
[С6Н7О2(ОН)3]n
Поскольку целлюлоза является дешевым, доступным и возобновляемым природным полисахаридом, то большое значение имеет получение на ее основе ценных продуктов. Превращения целлюлозы в основном базируются на наличии в молекуле этого полисахарида множества гидроксильных групп.
Нитраты целлюлозы. При этерификации целлюлозы как многоатомного спирта смесью азотной и серной кислот в ее состав можно ввести от 2 до 3 остатков кислоты
Полностью нитрованная целлюлоза (нитроцеллюлоза) используется при производстве бездымного пороха, нитролаков, нитрокрасок Продукт нитрования, содержащий от 2 до 3 остатков азотной кислоты (пироксилин) применяется при изготовлении пластмасс типа целлулоида и коллодия и различных изделий на их основе.
Ацетаты целлюлозы получаются при взаимодействии полисахарида уксусным ангидридом в присутствии ледяной уксусной и серной кислот. В результате реакции получается примерно диацетат целлюлозы
При этом происходит и разукрупнение самой целлюлозы на фрагменты, содержащие 200 – 300 глюкозных звеньев.
Ацетат целлюлозы, в отличие от целлюлозы, растворяется в ацетоне. Раствор пропускают через тонкие отверстия (фильеры), удаляют растворитель и получают нити так называемого ацетатного шелка. Изделия из ацетатного шелка устойчивы к биологическим воздействиям, не повреждаются молью.
Ксантогенат целлюлозы. При обработке целлюлозы водным раствором NaOH, а затем сероуглеродом (СS2), получается ксантогенат целлюлозы
В приведенных выше схемах превращения целлюлозы, к сожалению, не отражено главное. Ксантогенат целлюлозы, в отличие от самой целлюлозы, растворяется в водной щелочи. Следовательно, весь смысл получения ксантогената – в придании целлюлозе растворимой формы. Как и при получении ацетатного шелка, щелочной раствор ксантогената продавливают через фильеры в ванну с раствором серной кислоты, где и происходит образование нитей вискозного волокна. При этом генерируется целлюлоза, которая называется гидратцеллюлозой, и выделяется обратно сероуглерод. Гидратцеллюлоза в вискозе (230-320 остатков глюкозы) отличается от исходного полисахарида, потому что в ходе переработки происходит разукрупнение молекулы целлюлозы.
Простые эфиры целлюлозы получаются при взаимодействии полисахарида с алкилирующими агентами. В качестве таковых не раз уже упоминались диметилсульфат, иодистый- и хлористый метил и др.
К простым эфирам относится и карбоксиметиловый эфир целлюлозы (КМЦ), получаемый взаимодействием полисахарида с хлоруксусной кислотой
Под действием на целлюлозу окиси этилена получается еще одно ее производное эфирного типа – оксиэтилцеллюлоза
Простые эфиры целлюлозы применяются как загустители шампуней, при изготовлении лаков, эмалевых красок и упаковочных материалов, в текстильной промышленности.
В связи с проблемой с углеводородным топливом следует упомянуть еще одно практическое направление использования целлюлозы – производство этилового спирта. Такой спирт под названием гидролизного спирта давно уже производится. При этом целлюлозу гидролизуют до глюкозы, при спиртовом брожении которого получается этанол
Этанол может быть добавлена к бензинам в количестве 10 – 15%.
АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ.
1. Аминокислоты
К аминокислотам относятся соединения, в молекуле которых содержатся амино - и карбоксильная группы. Эти функциональные группы могут по-разному расположится в молекуле относительно друг друга. В α - аминокислотах, которые в основном будут рассматриваться в данном разделе, аминогруппа и карбоксил примыкают к одному и тому углеродному атому кислоты
В этом случае все многообразие аминокислот определяется только природой заместителя R (см. табл.1).
В настоящее время более 70 аминокислот получены путем гидролиза различных белков: мяса, кожи, шерсти и др., белков растительной или животной клетки, гормонов и ферментов. Белки являются основой всего живого, а сами они образованы аминокислотами, которые связаны друг с другом за счет амидных (пептидных) связей
В белках подобным образом могут быть связаны сотни и тысячи остатков различных аминокислот. Для этого природа использует обычно около 20 аминокислот. Поэтому любой белок напоминает слово, составленное из 20 букв в различных сочетаниях, и любой длины. Отсюда следует, что число возможных белковых молекул практически безгранично. Для развития и жизнедеятельности организма используется десятки тысяч белков, которые синтезируются в живых клетках под контролем нуклеиновых кислот.
Установлено, что в организме животного некоторые аминокислоты могут синтезироваться, а другие нет. Для человека незаменимыми аминокислотами принято считать: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин. Эти аминокислоты человек должен получать с пищей.
После предварительного знакомства с аминокислотами и белками напрашивается сравнение их моно – и полисахаридами природного происхождения. В случае углеводов природа воспользовалась только одним мономером (D-глюкозой), чтобы по-разному связав глюкозные остатки (α- и β-гликозидные связи между С-1 одной молекулы и С-4 или С-6 другой) получить крахмал или целлюлозу. При синтезе же белковой молекулы понадобилось 20 аминокислот, чтобы, связав их только одним способом – с помощью амидной (пептидной) связи – получить по существу бесконечное их множество.
1.1. Стереохимия аминокислот.
Все аминокислоты, за исключением глицина, содержат хотя бы один асимметрический атом углерода, следовательно, существуют в виде двух энантиомеров. Изучение стереохимии природных аминокислот, полученных гидролизом белков, показало, самые главные 20 из них (стандартные аминокислоты) относятся к L – ряду. При этом о принадлежности аминокислоты к тому или иному ряду судят по конфигурации при α- углеродном атоме. Если в проекции Фишера аминогруппа расположена справа, то аминокислота относится к D – ряду, в противном случае – к L – ряду. Так стало считаться с тех пор, как Э.Фишер (-)-серину условно приписал «L»-конфигурацию
Когда стало возможным определять абсолютные конфигурации, выяснилось, что фишеровское отнесение конфигураций соответствует действительности.
Следует отметить, что в природе встречаются и аминокислоты D – ряда, однако они не участвуют в образовании белков.
1.2. Кислотно основные свойства.
Со времен Бутлерова, творца теории химического строения, известно, что строение молекулы и ее свойства взаимосвязаны. По строению молекулы можно предсказать свойства соединения, а по свойствам можно составить правильное представление о строении молекулы. Однако иногда ожидаемого соответствия не наблюдается – свойства не вытекают из строения молекулы. Обычно это означает только одно – молекула построена не так, как мы думаем. Типичный случай имеет отношение к аминокислотам.
Если аминокислота построена просто как аминозамещенная карбоновая кислота
Н2NCHRCOOH
то почему:
- она относится к нелетучим кристаллическим веществам, плавящимся с разложением при высокой температуре,
- нерастворима в неполярных растворителях, обладает определенной растворимостью в воде,
- в водных растворах имеют высокий дипольный момент.
- не обнаруживает тех значений кислотности и основности, которые характерны для карбоновых кислот и алифатических аминов. Вспомним, что Кa и Кb для этих классов органических соединений составляют примерно 10-5 и 10-4 соответственно, для глицина Кa =1,6.10-10 и Кb =2,5.10-12.
Все упомянутые свойства скорее свойственны не аминам и карбоновым кислотам, а солям.
Наблюдаемые противоречия между строением и свойствами легко устраняются, если обратить внимание на то, что в молекуле аминокислоты имеются кислотная (-СООН) и основная группы (-NН2). Благодаря этому аминокислоты относятся к амфотерным веществам, способным существовать в виде анионов и катионов.
В аминокислоте в твердом состоянии происходит перенос протона от кислоты к основанию и она существует в виде соли. Поскольку соль образуется внутримолекулярно, то ее называют внутренней солью, диполярным ионом и цвиттер – ионом
Как кислота цвиттер – ион в водном растворе отдает протон молекуле воды
Константа кислотности Кa при этом определяется из соотношения
Из уравнения видно, что измеряемая кислотность аминокислоты удивительным образом относится к кислотности иона аммония , а не карбоксильной группы. Поэтому кислотность аминокислот нельзя сравнивать с кислотностью карбоновых кислот.
Если цвиттер – ион выступает как основание, то он отдает протон от карбоксила молекуле воды
В этом случае константа основности может быть вычислена из соотношения
Вновь обращает на себя внимание тот факт, что измеряемая основность относится не к аминогруппе, а карбоксилат – иону. Поэтому основность аминокислот не следует сравнивать с основностью аминов.
Теперь можно рассмотреть такой вопрос: что будет, если аминокислоту помесить в среду, обладающую проводимостью, и снабженную электродами?
Все будет зависеть от рН среды: в кислых средах аминокислота будет перемещаться к катоду, а в щелочных растворах – к аноду
При каких-то значениях рН, строго индивидуальных для каждой аминокислоты, она не будет перемещаться ни к катоду, ни к аноду и будет оставаться цвиттер – ионом. Такое значение рН называется изоэлектрической точкой и обозначается рI (см. табл.1). Если через раствор, содержащий смесь аминокислот, пропустить постоянный ток, то они начнут двигаться к электродам. Скорость этого движения будет зависеть от природы аминокислоты и рН среды. Это явление используется для анализа и разделения смеси аминокислот и называется электрофорезом.
1.3. Методы получения аминокислот.
Среди множества методов получения аминокислот особое место занимает аммонолиз α- галогензамещенных кислот, которые могут быть синтезированы различными путями. Для этого чаще всего используется реакция Геля – Фольгарда - Зелинского – галогенирование карбоновых кислот в присутствии фосфора или галогенидов фосфора. Другой метод базируется на галогенировании при помощи малоновой кислоты. Приведем схему синтеза фенилаланина этим методом
Суммарный выход рацемического фенилаланина не превышает 35%. Гораздо лучшие результаты получаются при использовании фталимидного синтеза по Габриэлю. Глицин по этому методу может быть получен с выходом 89%
Новые возможности открываются при синтезе аминокислот фталимидомалоновым методом, представляющим собой комбинацию синтеза через малоновый эфир и реакции Габриэля. Покажем использование фталимидомалонового метода для получения аспарагиновой кислоты
При получении аминокислот используется также синтез Штреккера, заключающийся во взаимодействии карбонильного соединения с хлоридом аммония и цианистым натрием. При этом вначале образуются аммиак и цианистый водород
Дальше имеет место присоединение этих реагентов к карбонильной группе
Любой химический синтез аминокислот неизбежно приводит к получению их рацемической смеси. Поскольку обычно целью синтезов являются кислоты L ряда, то возникает проблема разделения рацематов. Для этого предложен целый ряд методов. Мы же ограничимся рассмотрением лишь одного из них под названием ферментативного разделения.
В качестве примера рассмотрим ферментативное разделение смеси D – и L – лейцинов. Вначале рацемат ацетилируют уксусным ангидридом с получением N-ацетилпроизводных. В последующем смесь этих производных ферментативно гидролизуют с помощью ацилазы, выделенной из почек свиньи. Уже не раз упоминалось, что ферменты как катализаторы химических реакций проявляют уникальную избирательность. Так и в данном случае ацилаза гидролизует только N-ацетил-D-лейцин. Поэтому после ферментативного гидролиза образуется легко разделяемая смесь L-лейцина и N-ацетил-D-лейцина. Гидролиз последнего обычными методами, например, разбавленной кислотой, завершает процесс разделения
1.4. Химические свойства аминокислот.
По своим химическим свойствам аминокислоты ведут себя подобно аминам и карбоновым кислотам.
За счет карбоксильной группы аминокислот можно получить все известные производные карбоновых кислот: соли, сложные эфиры, ангидриды и галогенангидриды, амиды и т. д. Приведем некоторые примеры
Как известно, амины можно алкилировать и ацилировать. В указанные реакции вступают и аминокислоты за счет аминогруппы. При этом происходит N - алкилирование и N – ацилирование
Приведенные реакции не исчерпывают химические свойства аминокислот. При рассмотрении аминокислот постоянно следует помнить, что они относятся к уникальным органическим соединениям, которых природа выбрала для создания белковых молекул - носителей жизни. Отсюда понятно, что многие превращения аминокислот происходят в клетках живых организмов и имеют глубокий биологический смысл. К числу таких реакций относятся дезаминирование, переаминирование и декарбоксилирование.
Дезаминирование аминокислоты заключается в том, что под действием ферментов она элиминирует аминогруппу, теряет оптическую активность и превращается просто в непредельную карбоновую кислоту
Эту реакцию организм использует для избавления от избытка аминокислот.
Переаминирование представляет собой ферментативный процесс переноса аминогруппы из одной молекулы в другую
Реакция переаминирования моделирует биосинтез аминокислот в живых организмах.
Декарбоксилирование также протекает с помощью ферментов. Примером может послужить ферментативное декарбоксилирование 3,4-диоксифенилаланина в дофамин
Организм использует эту реакцию для синтеза важных в биологическом смысле аминов. Например, дофамин является предшественником такого гормона, как адреналин.
2. Пептиды.
К пептидам относятся соединения, в которых аминокислотные остатки соединены между собой за счет амидных связей. В данном случае эти связи называются пептидными связями. На образование этой связи одна молекула предоставляет аминогруппу, а другая молекула – карбоксил.
Если бы возникла необходимость расставлять химические реакции по ранжиру, то реакция образования пептидной связи была бы вне конкуренции. Потому что именно ее природа выбрала как универсальный способ соединения молекул аминокислот между собой при синтезе пептидов и белков.
Строение пептидной связи хорошо изучено. Установлено, что амидная группа является плоской – атомы азота, углерода карбонильной группы и все другие атомы, связанные с ними лежат в одной плоскости
Обычная длина одинарной связи С-N составляет величину 1,47 Å, а при образовании пептидной связи она укорачивается до значения 1,32 Å. Это говорит о том, что в пептидах эта связь скорее двойная, чем одинарная. По этой причине геометрия азота близка к геометрии тригонального углерода и углы между атомами близки 1200.
Продукт соединения при помощи пептидной связи двух аминокислот называется дипептидом, многих аминокислот – полипептидом. Рассмотрим
Подробнее как образуется дипептид.
Если в образования дипептида участвует лишь две молекулы одной и той же аминокислоты, то имеется лишь один вариант соединения их между собой с образованием лишь одного дипептида. Дипептид, образованный только одной аминокислотой, называется гомополимером. Если в образовании полипептида участвуют различные аминокислоты, то полипептид называется гетерополимером.
Ситуация усложнятся при получении хотя бы дипептида из различных аминокислот. Так, из глицина и аланина можно произвести два пептида
Прежде чем продолжить рассмотрение пептидов, необходимо условиться относительно их названий.
В гетерополиамиде имеется два конца. Один конец составляет аминокислота со свободной аминогруппой. Она называется «N – концевая аминокислота». В другом конце дипептида – аминокислота со свободной карбоксильной группой, которая получает название «С – концевой аминокислоты»
Когда нумеруют аминокислотные остатки в полипептидной цепи, то начинают с N – концевой аминокислоты, а сами полипептиды называют как производные С- концевой аминокислоты. Очень часто используется сокращенная запись аминокислотных остатков в полипептидной цепи (список сокращенной записи аминокислот приведен в табл.1).
В качестве примера приведем названия упомянутых выше двух возможных дипептидов глицина и аланина
Природные полипептиды обычно содержат в своей молекуле множество остатков аминокислот. Поэтому определение качественного и количественного аминокислотного состава пептида, а также последовательности расположения отдельных аминокислот в полипептидной цепи, представляет огромный интерес.
Строение полипептидов устанавливается химическими методами.
Как и любой амид, полипептиды способны гидролизоваться в присутствии кислот и оснований. Основания могут вызвать рацемизацию аминокислот, поэтому гидролиз обычно проводится под действием кислот. При изучении пептидов используется как полный, так и частичный гидролиз полипептидов. На основании изучения продуктов полного гидролиза устанавливается аминокислотный состав пептида, а продукты частичного гидролиза помогают выявить последовательность соединения отдельных аминокислот в полипептидной цепи.
В качестве примера рассмотрим установление строения простейшего трипептида под названием гидантоин.
При полном гидролизе гидантоин дает три аминокислоты: глицин, глутаминовую кислоту и цистеин (glu + cys + gly). Эти аминокислоты могут образовать шесть трипептида
glu – cys – gly gly – cys – glu cys – gly – glu
glu – gly – cys cys – glu – gly gly – glu - cys
При неполном гидролизе образуются
glu – cys + gly + glu + cys – gly + cys
Отсюда следует, что рассматриваемый трипептид имеет строение γ- глутамилцистеинилглицина (glu – cys – gly)
Важнейший раздел химии пептидов – это их синтез, который всегда привлекал к себе внимание, поскольку пептиды относятся к биологически активным соединениям.
На первый взгляд в синтезе полипептидов нет ничего сложного – несколько аминокислот необходимо соединить за счет амидных связей. Сложности возникают оттого, что сами аминокислоты должны относиться к L ряду, в пептидной цепи они должны быть расположены в строго определенном порядке. А ведь даже две аминокислоты могут соединяться друг с другом образуя два дипептида. Еще раз вернемся к случаю образования дипептида из глицина и аланина. Если просто смешать эти аминокислоты, то получится два дипептида
Чтобы получить только один из дипептидов, необходимо воспрепятствовать образование другого. Для этого надо сделать так, чтобы в одной аминокислоте не могла реагировать аминогруппа, а в другой карбоксильная группа. Их необходимо временно заблокировать, или, как принято говорить в органической химии – защитить, а в последующем снять защиту. Причем при снятии защиты нельзя повредить созданный полипептид. Сказанное поясним на примере.
Предположим, из глицина и аланина надо получить дипептид gly – ala. Из записи видно, что глицин в дипептиде составляет N - концевую аминокислоту, а аланин – С – концевую аминокислоту. Отсюда следует, что при синтезе дипептида заданной структуры в глицине необходимо защитить аминогруппу, а в аланине – карбоксильную группу. Это и есть главное в синтезе пептидов. Можно даже сказать, что успехи в синтезе пептидов в основном связаны с разработкой новых методов защиты функциональных групп.
К настоящему времени для защиты аминогруппы предложено несколько реакций и почти все они основаны на связывании этой функциональной группы в амид.
Один из способов защиты аминогруппы заключается в реакции аминокислоты с карбобензилоксихлоридом (Бергман, Зервас, 1932 г). После создания амидной связи защита снимается либо каталитическим гидрогенолизом или с помощью бромистого водорода в уксусной кислоте. Сам карбобензоксихлорид получается из бензилового спирта и фосгена. Общая схема превращений следующая
Более подходящим реагентом для защиты аминогруппы в аминокислотах оказался трет-бутоксикарбоксазид (БОК). В последующем данную защиту легко можно снять при помощи реакции со смесью соляной и уксусных кислот
Еще один способ защиты аминогруппы – ацилировние ее бензоилхлоридом. Эта защита снимается гидролизом
Для защиты аминогруппы был предложен и 2,4-динитрофторбензол – реактив Сэнгера. В этом случае соответствующее производное образуется в результате бимолекулярного нуклеофильного замещения фтора, чему способствуют нитрогруппы в бензольном кольце. Защитная группа снимается в результате гидролиза
Карбоксильную группу в аминокислотах защищают обычно этерификацией различными спиртами, используя кислотные катализаторы (хлористоводородная кислота, n-толуолсульфокислота). И в этом случае защита снимается при помощи реакции гидролиза
Вернемся к синтезу пептидов. Если мы хотим получить дипептид из глицина и аланина gly – ala, то любым из только что рассмотренных способов защитим аминогруппу в глицине и карбоксильную группу в аланине
После этого, используя аминокислоты с защищенными функциональными группами, свяжем их между собой пептидной связью. Эта реакция идет особенно хорошо с участием такого водоотнимающего средства как дициклогексилкарбодимида (ДЦГКДИ)
Синтез дипептида завершается снятием защиты с аминной и карбоксильной групп при помощи гидролиза
Точно таким же образом можно синтезировать три- и вообще полипептиды. Однако это исключительно трудоемкая и малоэффективная работа из-за многостадийности синтеза. Подсчитано, что если синтез включает 100 стадий и выход целевого продукта на каждой из них составляет 90%, то общий выход будет всего 0,003%! Тем не менее, на этом пути удалось достичь поразительных успехов. В качестве примера приведем случай с инсулином. Этот полипептид является гормоном, контролирующим метаболизм глюкозы в организме. Он синтезируется бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. Сэнгер (Сэнджер), установивший первичную структуру инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, в 1958 году был удостоен Нобелевской премии. В 1963 году удалось осуществить полный синтез этого полипептида. Интересно отметить. что синтез проводился в течение 3 лет и состоял из 230 последовательных реакций
Несравненно более эффективным методом синтеза полипептидов является так называемый твердофазный синтез (Меррифилд).
В этом случае синтез начинается с «закрепления» карбоксильной группы будущей С –концевой аминокислоты к полимерной матрице за счет образования эфирной связи с хлорметильной группы полимера
В качестве полимерной подложки часто используется полистирол, у которого около 1% остатков бензольных колец связаны с хлорметильными группами
В последующем аминокислотой с защищенной аминогруппой ацилируют другую аминокислоту, которая закреплена на полимере. Дальше снимают защиту амингруппы, теперь уже у образовавшегося дипептида, и цепь готова к наращиванию следующей аминокислотой.
Твердофазный синтез пептидов оказался необычайно эффективным, поскольку растущая полипептидная цепь ни на одной стадии не требует выделения и специальной очистки. Синтез может быть автоматизирован, а его скорость такова, что за сутки можно получить гексапептид. С помощью твердофазного синтеза был получен фермент рибонуклеаза, молекула которого состоит из 124 аминокислот. Синтез был осуществлен на автоматическом режиме всего за 3 недели. Для сшивания между собой 124 аминокислот в определенной последовательности понадобилось осуществить 369 реакций, включающих 11 931 стадию!
1.3. Белки.
Как и полипептиды, белки состоят из аминокислот. Различие между ними обычно видят в молекулярной массе. Если она более 5000, то полипептид относят к белкам. В то же время бросается в глаза несовершенство такого подхода. Более существенное различие между полипептидами и белками состоит в их структуре: молекулы полипептидов представляют собой гибкие и линейные образования, а молекулы белков свернуты в клубок или в другие структуры.
1.3.1. Состав и строение белков.
В природе существуют разнообразные белки и они участвуют во всех процессах, связанных с жизнедеятельностью животных и растений. Свыше половины сухого веса клетки приходится на долю сотен и тысяч белков, выполняющих самые разные биологические функции. Белки отличаются друг от друга составом, структурой, свойствами и биологической специализацией. Если для описания простых органических молекул достаточно знать элементный состав, молекулярную массу, порядок связей атомов в молекуле, то в случае белков всего перечисленного совершенно не достаточно. При изучении белков приходится устанавливать их так называемые первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру.
Первичная структура белка – это последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка. Эта последовательность строго индивидуальна для белков каждого организма. Просто как полимерную макромолекулу белок с установленной аминокислотной последовательностью можно записать следующим образом
Вторичная структура белка. Обращает на себя внимание, что в полипептидной цепи имеются структурные элементы, способные образовать водородную связь – это кислород карбонильной группы и водородный атом иминной группы. Однако в случае белков эта возможность реализуется не просто, например, установлением водородной связи в пределах пептидной связи одного аминокислотного остатка. По ряду причин указанная связь возникает между водородом иминной группы и кислородом карбоксила, отстоящего от него на четыре аминокислотных остатка
Так возникает α-спираль, как назвали рассматриваемую структуру предложившие ее Полинг и Кори (1950 г). Почему возникает именно α- спираль? Оказывается, только в случае α-спирали возможно образование водородных связей между всеми способными на это водородами и кислородами полипептидной цепи. Образование структуры типа α-спирали с множеством водородных связей придает ей значительную устойчивость
Благодаря рентгеноструктурному анализу параметры α-спирали стали известны даже раньше, чем она была предложена. Оказалось, что шаг спирали составляет 0,54 нм, расстояние между одноименными группами в цепи – 0,15 нм, угол между горизонталью и плоскостью, занимаемой аминокислотным остатком, составляет 260. Виток спирали включает 3,6 аминокислотных остатка.
Известно, что имеется и другой тип пространственной организации полипептидной цепи -β-конформация или складчатая β-структура. Она возникает в результате образования водородных связей между соседними полипептидными цепями, лишенными таких же внутримолекулярных связей. Для возникновения β-конформации необходимо, чтобы заместители при α- углеродных атомах аминокислотных остатков имели сравнительно небольшие размеры. Интересно, что чаще встречается β-конформация между антипараллельными полипептидными цепями, т.е. когда из двух цепей одна вытянута в направлении от N-концевой аминокислоты к С-концевой аминокислоте, а другая наоборот.
В заключение отметим, что α-спиральная и складчатая β-структуры полипептидных цепей и составляют вторичную структуру белка.
Третичная структура белка. Входящие в полипептидную цепь аминокислоты могут содержать, кроме амино- и карбоксигруппы, много других функциональных групп. Эти группы могут взаимодействовать друг с другом и обеспечить появление дополнительной связи между соседними петлями полипептидной цепи. Взаимодействия между функциональными группами в пределах одной полипептидной цепи можно отнести к следующим четырем случаям.
1. Водородные связи. Они возникают, например, между водородом гидроксильной группы остатка серина в одном участке полипептидной цепи и азотом остатка гистидина в другом участке той же цепи.
2. Ионные связи. Электростатическое притяжение между разноименно заряженными функциональными группами появляется, например, между –СОО- ионом остатка глутаминовой кислоты и NН3+ ионом остатка лизина.
3. Ковалентные связи. Они образуются, например, при связывании отдельных петель цепи дисульфидными связями в остатке цистина.
4. Гидрофобные взаимодействия. Они возникают между гидрофобными заместителями (метил, этил, изопропил, фенил) в аминокислотных остатках в полипептидной цепи.
Благодаря вышеуказанным взаимодействиям каждая α-спираль сама может быть, по предположению Полинга, закручена в суперспираль, имеющий один виток на 35 витков более простой спирали в случае α- кератина. Структурирование α-спирали в спираль более высокого порядка и называют третичной структурой белка.
Четвертичная структура белка. Биологическая активность ряда белков обусловлена образованием ассоциата (олигопротеина) из нескольких из них. Эти биологически активные макрокомплексы и получили название четвертичной структуры белка.
PAGE
PAGE 154