Реакции нуклеофильного замещения

Образование сложных эфиров

Анализ строения карбоксилат-аниона говорит о том, что в нём отрицательный заряд распределён равномерно на участке О–С–О, поэтому карбонильной группы в карбоксилат-анионе практически нет.

Многие нуклеофилы, будучи также основаниями (аммиак, гидроксиламин и др.), взаимодействуют с карбоновыми кислотами, но только с образованием солей.

Чтобы осуществить нуклеофильное замещение при атоме углерода карбоксильной группы и исключить образование карбоксилат-аниона, следует использовать нуклеофилы, обладающие слабыми основными свойствами. Одновременно с этим необходимо активировать карбонильную группу в карбоксиле, что можно достичь её протонированием:

Образование карбкатиона происходит за счёт присоединения протона (кислая среда) к карбонильному кислороду, чья нуклеофильность выше, чем у атома кислорода гидроксильной группы. Это объясняется тем, что неподелённая электронная пара кислорода ОН–группы участвует в р,π-сопряжении с карбоксильной группой.

Углерод карбоксильной группы исходной кислоты характеризуется более слабыми электрофильными свойствами, чем атом углерода в сформировавшемся карбкатионе. По этой причине карбокатион может присоединить такой слабый нуклеофил, как спирт.

После присоединения спирта формируется катион, в котором положительный заряд сосредоточен на атоме кислорода (интермедиат III). Далее интермедиат III переходит в катион IV, который отщепляет воду и протон (катализатор) с образованием конечного продукта – сложного эфира:

В приведённом механизме образования сложного эфира – реакции этерификации – присоединившийся к карбонильному кислороду протон (кислотный катализатор) выделен жирным шрифтом.

С помощью изотопного метода было установлено, что при образовании сложного эфира из карбоновой кислоты и спирта, содержащего изотоп ¹⁸₈О, вода образуется за счёт гидроксила карбоксила и водорода OH–группы спирта:

Образование галогенангидридов кислот

Получение галогенангидридов, называемых иначе ацилгалогенидами, осуществляется взаимодействием карбоновых кислот с трихлоридом фосфора – PCl₃, пентахлоридом фосфора – PCl₅, тионилхлоридом – SOCl₂ и трибромидом фосфора – PBr₃.

Реакция карбоновых кислот с перечисленными реагентами происходит через последовательные стадии, первой из которых является образование смешанного ангидрида, а во второй стадии происходит нуклеофильное замещение у атома углерода карбоксигруппы под действием хлорид-иона:

Образование ангидридов кислот

В присутствии сильных водоотнимающих средств, таких, как Р₂О₅, из карбоновых кислот получают ангидриды кислот:

Ангидриды карбоновых кислот можно получать и взаимодействием солей карбоновых кислот с хлорангидридами. Это позволяет использовать разные карбоновые кислоты, благодаря чему возможно образование так называемых смешанных ангидридов, т.е. ангидридов двух разных кислот:

Образование амидов кислот

По сравнению со спиртами аммиак является более сильным нуклеофилом, что позволяет получить амиды кислот путём непосредственного замещения ОН–группы при достаточно жёстких условиях:

Аналогично из янтарной кислоты получают её имид – сукцинимид:

Декарбоксилирование

Декарбоксилирование – отщепление СО₂ из карбоксигруппы карбоновых кислот или карбоксилат-аниона солей карбоновых кислот.

В зависимости от условий реакции и строения исходных веществ при декарбоксилировании образуются разные соединения.

Так, например, при сплавлении ацетата натрия с сухим гидроксидом натрия образуется метан:

Однако с другими натриевыми солями алифатических кислот такой процесс сопровождается изменениями углеводородного радикала и соответствующий алкан не получается.

Декарбоксилирование можно осуществить электрохимически:

Важное значение для органического синтеза имеет декарбоксилирование с участием серебряной соли карбоновой кислоты при нагревании с бромом. В этом случае образуется алкилбромид:

Пиролизом магниевых, кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот (кроме соли муравьиной кислоты) можно получить кетоны.

17.3.4. Галогенирование по α-положению

Атомы водорода, связанные с α-углеродным атомом, характеризуются значительной подвижностью и поэтому способны подвергаться замещению. Под действием УФ-облучения на свету или нагревании до 300^о-400^оС прямое радикальное хлорирование карбоновых кислот происходит неселективно. Например, в условиях радикального хлорирования масляной кислоты образуется смесь всех трех возможных изомеров, среди которых на долю α-хлормасляной кислоты приходится не более 5%.

Избирательное α-галогенирование карбоновых кислот достигается по реакции Геля-Фольгарда-Зелинского: для введения хлора или брома в α-положение карбоновую кислоту обрабатывают галогеном в присутствии каталитических количеств красного фосфора или PCl₃ и PBr₃:

В качестве хлорирующего агента для получения α-хлорзамещенных карбоновых кислот используют хлорид меди (II).

Отдельные представители

Муравьиная кислота (метановая кислота) – бесцветная прозрачная жидкость с резким характерным запахом. В промышленности получают из оксида углерода (II) и гидроксида натрия с последующим действием на полученную соль серной кислотой:

От остальных карбоновых кислот муравьиная кислота отличается тем, что карбоксильная группа в ней связана не с углеводородным радикалом, а с атомом водорода. Поэтому муравьиную кислоту можно рассматривать и как кислоту, и как альдегид:

Подобно альдегидам, муравьиная кислота может окисляться:

поэтому для нее характерна реакция «серебряного зеркала»:

Под действием концентрированной серной кислоты муравьиная кислота разлагается на СО и воду:

Муравьиную кислоту применяют в промышленном органическом синтезе.

Уксусная кислота (этановая кислота) – бесцветная, прозрачная жидкость, с характерным резким запахом уксуса. Безводная уксусная кислота существует в виде кристаллов, имеющих температуру плавления 16,6^оС. Поэтому такую кислоту называют ледяной уксусной кислотой. С водой смешивается во всех соотношениях.

В промышленности кислоту получают различными методами:

­ окислением уксусного альдегида, который в свою очередь получают либо окислением этилена, либо из ацетилена по реакции Кучерова;

­ карбонилированием метанола;

­ каталитическим окислением бутана:

Уксусная кислота находит применение в промышленном органическом синтезе для получения уксусного ангидрида, уксусноэтилового и уксуснобутилового эфиров, красителей и лекарственных веществ, а также в кожевенном производстве и пищевой промышленности.

Остаток уксусной кислоты называется ацетильным радикалом (от лат. acetum – уксус). Соли и эфиры уксусной кислоты называют ацетатами.

Валериановая– и изовалериановая кислоты –

Обе кислоты являются компонентами корней с корневищами различных видов валерианы. Обладают успокаивающим действием, однако активность изовалериановой кислоты намного выше. Изовалериановая кислота используется в синтезе такого важного лекарственного препарата, как Валидол.

Введение брома в α-положение способствует усилению седативного действия. В виде этилового эфира α-бромизовалериановая кислота входит в состав комбинированных лекарственных препаратов – Корвалола, Валокордина.

Пальмитиновая C₁₅H₃₁COOH и стеариноваяC₁₇H₃₃COOH кислоты являются важнейшими представителями высших жирных кислот. Они входят в состав твердых жиров.

Олеиновая кислота C₁₇H₃₃COOH является ненасыщенной высшей жирной кислотой. Входит в состав жидких жиров. Содержит непредельную связь в углеводородном радикале:

Линолевая кислота С₁₇H₃₁COOH ненасыщенная кислота с двумя двойными связями:

Входит в состав льняного, конопляного и макового масел.

Линоленовая кислота С₁₇H₂₉COOH сопутствует линолевой кислоте в льняном масле.

Щавелевая кислота – HOOC–COOH. Бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде. Относится к сильным кислотам. Широко распространена в растениях. В виде кальциевой соли содержится в оболочках клеток и внутри клеток растений. Оксалатом кальция богаты водоросли, грибы, лишайники, папоротники. В виде монозамещенной калиевой соли («кислая соль») содержится в щавеле и кислице.

Янтарная кислота – HOOC–CH₂–CH₂–COOH. Бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде. Название этой кислоты связано с тем, что ее впервые открыли в янтаре. Она содержится в незрелых ягодах крыжовника, винограда, в свекольном соке. Велико биологическое значение янтарной кислоты, поскольку она участвует в цикле трикарбоновых кислот (цикле Кребса). Здесь вследствие дегидрирования из янтарной кислоты образуется фумаровая кислота. Этот процесс ферментативно стереоспецифичен и приводит к транс-фумаровой кислоте. Именно этот изомер вовлекается в дальнейшие превращения.

Энергия, получаемая в результате окислительных процессов в цикле трикарбоновых кислот, становится биохимически доступной благодаря АТФ (аденозинтрифосфорной кислоте).

Малоновая кислота представляет собой кристаллическое вещество, легко разлагающееся при нагревании: происходит декарбоксилирование и образуется уксусная кислота:

Практическое значение в органическом синтезе имеет полный этиловый эфир малоновой кислоты, который обычно называют малоновым эфиром. В малоновом эфире, благодаря влиянию двух электроноакцепторных карбонилов, метиленовая группа является СН-кислотным центром и, следовательно, атомы водорода способны отщеплятся в виде ионов за счёт гетеролитического разрыва связей С–Н. Для малонового эфира рКα равна 13.

При действии металлического натрия (или этилата натрия) один атом водорода метиленовой группы замещается на натрий с выделением водорода или этанола и образованием енолята, отрицательный заряд которого делокализован между обоими карбонильными группами. При взаимодействии образовавшегося натриймалонового эфира с первичными или вторичными алкилгалогенидами натрий замещается на алкильный радикал и образуется алкилмалоновый эфир. Далее это производное можно подвергнуть кислотному гидролизу, затем провести декарбоксилирование и получить соответствующую карбоновую кислоту.

Возможен и другой путь, когда полученный алкилмалоновый эфир вновь взаимодействует последовательно с натрием, затем алкилгалогенидом с последующим гидролизом и декарбоксилированием:

Диэтилмалоновый эфир, получемый таким же путем, используется в синтезе барбитала (см. раздел 25.6).