Функциональные производные карбоновых кислот

Соединения, получаемые путем замещения OH–группы карбоксила кислоты на нуклеофильные заместители, называются функциональными производными карбоновых кислот. Они соответствуют общей структурной формуле (I), где Z представляет собой атом или группу атомов:

­ OAlk (OCH₃; OC₂H₅ и т.п.) или – OАr – сложные эфиры;

­ Сl, Br (галогены) – галогенангидриды;

­ ангидриды;

­ NH₂ (-NHR₁; -NR₁R₂) амиды.

О принадлежности анализируемого вещества к функциональным производным карбоновых кислот легко убедиться по реакции гидролиза: если в итоге образуется карбоновая кислота, то соединение является функциональным производным карбоновой кислоты.

Способы получения сложных эфиров, галогенангидридов, ангидридов и амидов рассмотрены выше (раздел 17.3). Ниже будут показаны наиболее важные свойства с точки зрения их реакционной способности.

Сложные эфиры

По распространенности, доступности, а также широкому использованию в органическом синтезе сложные эфиры являются несомненными лидерами среди остальных функциональных производных карбоновых кислот.

Физические свойства. Сложные эфиры, образованные низшими представителями кислот и спиртов, представляют собой жидкости. Они обладают приятным запахом, напоминающим фруктовый. В воде сложные эфиры растворяются очень мало, или вовсе не растворяются. Температуры кипения сложных эфиров значительно ниже, чем у соответствующих карбоновых кислот. Это объясняется отсутствием межмолекулярных водородных связей.

Химические свойства. Существенное отличие сложных эфиров от карбоновых кислот заключаются в том, что в них отсутствует подвижный протон, а вместо него с атомом кислорода связан углеводородный радикал. По этой причине в кислотном остатке имеется только один электрофильный центр – атом углерода в остатке карбоксильной группы.

Полярность связей в сложном эфире примерно такая же как в карбоновых кислотах.

Для сложных эфиров характерны реакции нуклеофильного замещения, в результате которых могут образовываться либо кислота, либо другие функциональные производные этой же кислоты. Одной из таких реакций является взаимодействие с водой, т.е. гидролиз, который может катализироваться как кислотой, так и основанием.

Гидролиз в кислой среде по существу представляет собой обратную реакцию синтеза сложных эфиров в присутствии кислоты. Наиболее часто кислотный гидролиз происходит благодаря расщеплению связи ацил – кислород (АС- ацйльный механизм):

Кислотный катализ обозначается символом А и протекает по бимолекулярному механизму A_AC²:

Щелочной гидролиз обозначается символом В и относится к типу В_АС² (бимолекулярный ацильный механизм). В отличие от кислотного гидролиза щелочной необратим, поскольку приводит к образованию солей, которые устойчивы к действию нуклеофилов:

Переэтерификация. В кислотно-катализируемом гидролизе сложных эфиров основной стадией является присоединение воды (см. выше реакцию А_АС²). Вода, как известно, является нуклеофилом. Если вместо воды использовать спирт, то происходит замена одного нуклеофила – воды на другой нуклеофил – спирт. Поэтому вместо гидролиза происходит переэтерификация, т.е. один сложный эфир превращается в другой сложный эфир той же кислоты:

Переэтерификация относится к обратимым процессом и для смещения равновесия вправо используют избыток спирта - R₂OH.

Взаимодействие сложных эфиров с нуклеофилами типа NH₂X:

Сложноэфирная конденсация. Сложные эфиры карбоновых кислот, имеющих α-водородный атом (СН – кислотный центр при атоме углерода в α-положении), в присутствии сильных оснований, например, алкоголятов щелочных металлов, способны к образованию карбанионов. Далее к этому карбаниону присоединяется вторая молекула этого же сложного эфира с образованием β-кетокарбоновой кислоты:

Восстановление. Сложные эфиры в присутствии такого сильного восстановителя, как алюмогидрид лития, легко восстанавливаются до первичных спиртов:

Получение третичных спиртов. Сложные эфиры взаимодействуют с реактивом Гриньяра с образованием промежуточного продукта, после гидролиза которого образуются соответствующие третичные спирты. Обычно в этой реакции участвует 2 моля магнийорганического соединения:

Амиды карбоновых кислот

Физические свойства. Амиды представляют собой жидкости или кристаллические вещества, растворимые в воде и органических растворителях. Амиды по сравнению со сложными эфирами имеют более высокие температуры кипения, что объясняется наличием межмолекулярных водородных связей с участием NH – группы. Для них характерно р,π–сопряжение, в которое вовлекается неподеленная пара электронов атома азота и π-электронная система карбонила C=O. Атомы амидной группы располагаются в одной плоскости. Благодаря сильному положительному мезомерному эффекту (+М >> –I) связь С–N несколько короче, чем С–N в несопряженных аминах, а связь С=О длиннее, чем в альдегидах. Поэтому связь C–N в некоторой степени имеет характер двойной, что видно из резонансной структуры:

Химические свойства. Особенности строения амидов сказываются на их химических свойствах: они труднее (по сравнению с ангидридами) взаимодействуют с нуклеофилами, но легче с электрофилами. Амиды характеризуются как основными, так и кислотными свойствами.

Основные свойства выражены очень слабо, и это объясняется сопряжением электронной пары атома азота с π-системой карбонила (+М эффект). Присоединение протона происходит в сильнокислой среде по атому кислорода:

NH – кислотность. N–Незамещенная и N–монозамещенная амидная группа (- NH₂ и – NHR) способны к ионизации. Амиды в целом являются слабыми NH–кислотами, для которых значения рК_aлежат в пределах 15,0 – 19,0. Например, кислотность ацетамида (рК_a = 15,0) сравнима с кислотностью метанола.

Гидролиз амидов представляет собой нуклеофильное замещение и легче происходит в щелочной или кислой средах, труднее в нейтральной. Ключевой стадией гидролиза в кислой среде является присоединение воды к протонированной форме амида, следовательно, в данном случае нуклеофилом является вода.

При щелочном гидролизе нуклеофилом является гидроксид-анион:

Реакция незамещённых амидов с азотистой кислотой сопровождается дезаминированием иприводит к образованию карбоновой кислоты:

Восстановление амидов алюмогидридом лития приводит к аминам: из N-незамещенных амидов получают первичные, из N-монозамещенных – вторичные, а из N,N-дизамещенных – третичные амины:

Дегидратация N-незамещенных амидов под действием POCl­₃ или SOCl₂ в апротонных растворителях приводит к образованию нитрилов:

Получение N-галогенамидов и их расщепление до первичных аминов (расщепление по Гофману).Атом водорода в N-незамещенных или N-монозамещенных амидах может быть замещен на галоген в мягких условиях под действием гипохлорита или гипобромита натрия:

Далее образовавшейся N-бромзамещенный амид подвергается перегруппировке и последующему расщеплению с образованием первичного амина:

Реакция названа в честь ее первооткрывателя и получила название "перегруппировка по Гофману", или расщепление по Гофману.

Алкилирование амидов – наличие двух нуклеофильных центров – NH₂ и кислорода позволяют проводить как N –, так и О-алкилирование, что можно представить следующей схемой:

Ацилирование – при действии галогенангидридов (или ангидридов) на амиды образуются соответствующие N-ацильные производные:

Амиды угольной кислоты

Угольная кислота как двухосновная может образовать кислые (неполные) амиды и средние (полные) амиды.

Моноамид угольной кислоты называется карбаминовой кислотой. Она неустойчива и распадается на аммиак и оксид углерода (IV)

Соли и эфиры карбаминовой кислоты устойчивы.

Аммонийную соль карбаминовой кислоты можно получить взаимодействием избытка аммиака с оксидом углерода (IV):

Сложные эфиры карбаминовой кислоты называются уретанами. Их можно получить взаимодействием хлоругольных эфиров с аммиаком или аминами, а также присоединением спиртов к изоцианатам:

Широкое применение находят полиуретаны – полимеры, содержащие в цепи макромолекулы остатки уретана. Их получают из гликолей (или глицерина) и диизоцианатов, например, 2,4-толуилендиизоцианата:

Полиуретаны по своим свойствам похожи на полиамиды, но более устойчивы в агрессивных средах. Используются для получения волокон, клеев, пенопластов и т.д.

Мочевина или полный амид угольной кислоты. Впервые синтез мочевины осуществил Вёлер путем термической изомеризации цианата аммония:

Этот синтез уже вошел в историю в качестве примера получения органических соединений из неорганических.

В промышленности мочевину получают из аммиака и оксида углерода (IV):

Мочевина представляет собой белое кристаллическое вещество, растворимое в воде. Является одним из конечных продуктов метаболизма азота в организме. Мочевина является слабым основанием, причем её протонирование происходит не по атому азота, а по атому кислорода:

С неорганическими и органическими кислотами мочевина образует соли, среди которых наиболее характерны нитрат и оксалат – плохо растворимые в воде:

При кипячении водных растворов мочевины происходит гидролиз:

Процесс значительно ускоряется в присутствии кислот и оснований. Нагревание сухой мочевины сопровождается образованием аммиака и двух разных продуктов, выход которых зависит от скорости нагрева. На первой стадии образуется изоциановая кислота:

Далее реакция развивается в двух направлениях:

а) образование биурета

б) изоциановая кислота переходит в циановую кислоту, которая затем тримеризуется с образованием циануровой кислоты:

С катионом меди (II) биурет в щелочной среде образует хелатный комплекс. Данная реакция широко используется как качественная на белки и полипептиды, содержащие не менее трех аминокислотных остатков. Следовательно, рассматриваемая реакция характерна для повторяющихся амидных звеньев

.

Биурет с катионом меди (II) образует комплекс красно-фиолетового цвета, а сами белки и полипептиды – фиолетового цвета:

Под действием азотистой кислоты мочевина разлагается с выделением азота:

В присутствии гипобромитов или гипохлоритов происходит аналогичный процеесс:

Будучи нуклеофилом, мочевина вступает в реакции алкилирования и ацилирования. При алкилировании преимущественно образуются N-алкильные производные:

Ацилирование мочевины приводит к уреидам – производным карбоновых кислот, в которых гидроксил карбоксила замещен на остаток мочевины:

Уреиды кислот проявляют седативное и умеренное снотворное действие, что характерно, например, для лекарственного препарата «Бромизовал»:

Мочевина очень активно вступает в конденсацию с альдегидами, с образованием аминопластов. Примером является мочевино-формальдегидная смола:

Гуанидин, или иминомочевина является производным мочевины. Содержится в природных биологически активных соединениях. Является составной частью аминокислоты – аргинина.