Конспекты по общему курсу Органической химии у ф а 2008

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.

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 К_а (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 К_а, тем больше кислота ионизирована и тем она сильнее. Иногда используется выражение рК_а, представляющее собой отрицательный логарифм К_а. В этом случае, чем больше рК_а, 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 К_а определены косвенными методами и экстраполированы к водным растворам.

Сравним константы кислотности К_а обсуждаемых классов соединений

этиловый спирт 10^-16

ацетилен 10^-26

аммиак 10^-35

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 (10⁵К_а) 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

Галогенангидриды карбоновых кислот.

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 S_N1 и S_N2. 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

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.

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 S_N2 – 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.

1.3.4.5. 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).

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 диеновыетриеновые   С8С10С12C14С16С18>C18>C16С16C18>C18C18C18             Говяжий жир  0,22-325-3021-260.4-10.52-339-420.32Сливочное масло1-2^a2-31-48-1325-328-130.4-21-22-522-290.2-1.53Кокосовое масло5-94-1044-5113-187-101-45-80-11-3Кукурузное масло0-28-101-41-230-500-234-56Хлопковое масло0-317-231-323-440-134-55Лярд125-3012-600.22-541-512-33-8Оливковое масло0-10-27-201-30-11-353-860-34-22Пальмовое масло1-632-471-640-522-11Пальмовое масло

(из орехов)2-43-745-5214-196-91-31-20-110-181-2Арахисовое масло  0.56-113-65-101-239-6617-38Льняное масло  0.25-94-70.5-19-298-2945-67   ^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

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