Автор: Черных В.П. Зіменковський Б.В. Гриценко І.С.
Теги: підручник органічні сполуки способи добування фізичні і хімічні властивості ідентифікація механізми реакцій
ISBN: 978-966-615-326-8
Год: 2008
Текст
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ФАРМАЦЕВТИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
В. П. ЧЕРНИХ, Б. С. ЗІМЕНКОВСЬКИЙ, І. С. ГРИЦЕНКО
органічна
ХІМІЯ
ПІДРУЧНИК
для студентів вищих навчальм^закладів^^^
За редакцією члена-кореспондента НАН В. П. ЧЕРНИХ
Видання друге, виправлене і доповнене
Харків
Видавництво НФаУ «ОРИГІНАЛ» 2008
УДК 547.1(075.8)
ББК 24.2я73
4-47
Затверджено Міністерством освіти і науки України (лист № 1.4/18-Г-966 від 21.06.2007р.)
Рецензенти:
В. Д. ОРЛОВ, доктор хімічних наук, професор, завідувач кафедри органічної хімії Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна;
Б. О. ПРИЙМЕНКО, доктор фармацевтичних наук, професор, завідувач кафедри органічної хімії Запорізького державного медичного університету
Черних В. П., Зіменковський Б. С., Гриценко І. С.
4-47 Органічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл. / За заг. ред. В. П. Черних.— 2-ге вид., випр. і доп.— X: Вид-во НФаУ; Оригінал, 2008.— 752 с.: іл.
І8ВИ 978-966-615-326-8.
І8ВИ 978-966-649-056-1.
У підручнику наведено головні аспекти сучасної органічної хімії. Розглянуто найважливіші класи органічних сполук, їхні способи добування, фізичні і хімічні властивості, ідентифікація. Подано уявлення про механізми реакцій. Відмічено роль і значущість органічної хімії як науки. Показано генетичний зв’язок між класами органічних сполук.
Перше видання підручника відзначено Державною премією України (2000 р.).
Для студентів фармацевтичних вищих навчальних закладів і фармацевтичних факультетів медичних вищих навчальних закладів, також рекомендується для підготовки спеціалістів медичного, біологічного, педагогічного, сільськогосподарського та інших профілів.
ББК 24.2я73
УДК 547.1(075.8)
І8В\ 978-966-615-326-8
І8В\ 978-966-649-056-1
© Черних В. П., Зіменковський Б. С., Гриценко І. С., 1993—1997
© Черних В. П., Зіменковський Б. С., Гриценко І. С., 2008, зі змінами
© Національний фармацевтичний університет, 2008
ЗМІСТ
Передмова.......................................................................13
Глава /. ВСТУП В ОРГАНІЧНУ ХІМІЮ 1.1. Предмет органічної хімії...............................................15
1.2. Короткий огляд історії розвитку органічної хімії...........................16
1.3. Розвиток теоретичних уявлень про будову органічних сполук..................18
1.4. Способи зображення органічних молекул......................................21
Глава 2. КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК 2.1. Класифікація органічних сполук..............................................23
2.2. Номенклатура органічних сполук.............................................25
Глава 3. ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК 3.1. Типи хімічних зв’язків......................................................32
3.2. Квантово-механічні основи теорії хімічного зв’язку.........................37
Атомні орбіталі............................................................37
3.2.1. Гібридизація атомних орбіталей.......................................40
3.2.2. Ковалентні о- і л-зв’язки............................................43
3.2.3. Основні характеристики ковалентного зв’язку..........................45
Глава 4. ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ 4.1. Індуктивний ефект...........................................................50
4.2. Мезомерний ефект (ефект кон’югації)....................................... 52
4.3. Спільне виявлення індуктивного і мезомерного ефектів замісників............55
4.4. Гіперкон’югація............................................................57
4.5. Кон’югація і просторові перешкоди..........................................58
4.6. Способи зображення розподілу електронної густини в молекулах. Поняття про резонанс....................................................................59
Глава 5. ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ 5.1. Структурна ізомерія.........................................................62
5.2. Просторова ізомерія (стереоізомерія).......................................64
5.2.1. Способи зображення просторової будови молекул....................... 65
5.2.2. Оптична ізомерія.....................................................67
5.2.3. Геометрична ізомерія.................................................82
5.2.4. Конформаційна (поворотна) ізомерія...................................85
Глава 6. КИСЛОТНІСТЬ І ОСНОВНІСТЬ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
6.1. Кислотність і основність за теорією Бренстеда..............................90
6.1.1. Типи органічних кислот...............................................91
6.1.2. Типи органічних основ.............................................. 93
6.2. Кислоти та основи Льюїса.................................................. 94
Глава 7. МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК 7.1. Хімічні методи..............................................................97
7.2. Фізичні (інструментальні) методи...........................................98
7.2.1. Електронна спектроскопія............................................100
7.2.2. Інфрачервона спектроскопія..........................................103
7.2.3. Спектроскопія ядерного магнітного резонансу.........................106
7.2.4. Мас-спекгрометрія...................................................109
7.2.5. Дифракційні методи..................................................111
л ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
4 -----------------------------------------------------------
Глава 8. ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРІ \Н1ЧНИ\ СПОЛУК
8.1. Енергетичні умови перебігу реакцій.........................................112
8.2. Поняття про механізм реакції................................................113
8.3. Типи механізмів реакцій....................................................114
8.4. Типи органічних реакцій....................................................116
8.5. Проміжні активні частинки...................................................117
8.5.1. Карбокатіони..........................................................117
8.5.2. Карбаніони............................................................119
8.5.3. Вільні радикали.......................................................122
Глава 9. АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
Алкани...........................................................................125
9.1. Будова алканів.............................................................125
9.2. Номенклатура...............................................................127
9.3. Ізомерія...................................................................129
9.4. Способи добування..........................................................130
9.4.1. Природні джерела......................................................130
9.4.2. Синтетичні методи добування...........................................130
9.5. Фізичні властивості........................................................132
9.6. Хімічні властивості........................................................133
9.6.1. Реакції радикального заміщення (5Л)...................................133
9.6.2. Окиснення алканів.....................................................137
9.6.3. Крекінг алканів.......................................................137
9.7. Ідентифікація алканів......................................................138
9.8. Окремі представники. Використання..........................................139
Глава 10. АЛКЕНИ
10.1. Номенклатура...............................................................140
10.2. Ізомерія...................................................................141
10.3. Способи добування..........................................................142
10.4. Фізичні властивості........................................................144
10.5. Хімічні властивості........................................................144
10.5.1. Реакції електрофільного приєднання (Л£)..............................145
10.5.2. Реакції відновлення та окиснення.....................................150
10.5.3. Полімеризація алкенів................................................152
10.5.4. Алільне галогенування алкенів........................................155
10.6. Ідентифікація алкенів......................................................156
10.7. Окремі представники. Використання..........................................156
Глава //. /СІ КМІСНИ
11.1. Номенклатура...............................................................157
11.2. Будова алкадієнів..........................................................157
11.3. Алкадієни з кон’югованими зв’язками........................................159
11.3.1. Способи добування....................................................159
11.3.2. Хімічні властивості..................................................160
11.3.3. Натуральний і синтетичний каучук.....................................163
11.3.4. Ідентифікація кон’югованих дієнів....................................165
11.3.5. Окремі представники. Використання....................................165
Глава 12. АЛКІНИ
12.1. Номенклатура. Ізомерія.....................................................166
12.2. Способи добування..........................................................167
12.3. Фізичні властивості........................................................168
12.4. Хімічні властивості........................................................168
12.4.1. Реакції електрофільного приєднання (Я£)..............................169
12.4.2. Реакції нуклеофільного приєднання (Л^)...............................170
12.4.3. Реакції заміщення....................................................172
12.4.4. Реакції окиснення і відновлення......................................173
12.4.5. Димеризація, тримеризація і тетрамеризація алкінів...................174
12.5. Ідентифікація алкінів......................................................175
12.6. Окремі представники. Використання..........................................175
Глава 13. АЛЩИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
13.1. Класифікація і номенклатура аліциклічних вуглеводнів.......................177
13.2. Циклоалкани. Ізомерія......................................................179
13.3. Способи добування..........................................................180
ЗМІСТ
5
13.4. Фізичні властивості......................................................182
13.5. Будова циклоалканів......................................................182
13.6. Хімічні властивості......................................................187
13.7. Ідентифікація циклоалканів...............................................188
13.8. Окремі представники. Використання........................................189
Глава 14. АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
14.1. Одноядерні арени. Будова бензену. Ароматичність..........................190
14.2. Номенклатура. Ізомерія...................................................194
14.3. Способи добування........................................................196
14.3.1. Природні джерела....................................................196
14.3.2. Синтетичні методи добування.........................................197
14.4. Фізичні властивості......................................................198
14.5. Хімічні властивості......................................................198
14.5.1. Реакції електрофільного заміщення (5£)..............................198
14.5.2. Реакції приєднання..................................................204
14.5.3. Реакції окиснення...................................................204
14.5.4. Галогенування гомологів бензену за участі бокового ланцюга..........206
14.6. Вплив замісників у бензеновому кільці на напрям і швидкість реакцій електрофільного заміщення......................................................206
14.6.1. Орієнтація в дизаміщених бензену....................................211
14.7. Ідентифікація моноядерних аренів.........................................212
14.8. Окремі представники. Використання........................................213
Глава 15. БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З КОНДЕНСОВАНИМИ (АНЕЛЬОВАНИМИ) БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
15.1. Нафтален.................................................................215
15.1.1. Номенклатура. Ізомерія..............................................215
15.1.2. Способи добування...................................................216
15.1.3. Будова нафталену....................................................217
15.1.4. Хімічні властивості.................................................218
Реакції електрофільного заміщення (5£)...............................218
Реакції приєднання...................................................219
Окиснення............................................................220
15.1.5. Орієнтація заміщення в нафталеновому ядрі...........................221
15.1.6. Окремі представники. Використання...................................222
15.2. Антрацен.................................................................223
15.2.1. Способи добування ..................................................223
15.2.2. Будова. Хімічні властивості.........................................223
15.3. Фенантрен................................................................224
Глава 16. БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З ІЗОЛЬОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ 16.1. Біфеніл...................................................................227
16.1.1. Способи добування...................................................227
16.1.2. Будова. Хімічні властивості.........................................227
16.2. Дифенілметан.............................................................229
16.3. Трифенілметан............................................................230
16.3.1. Барвники трифенілметанового ряду....................................233
Глава 17. НЕБЕНЗОЇДНІ АРОМАТИЧНІ СПОЛУКИ 17.1. Циклопентадієніланіон.....................................................237
17.2. Циклогептатриєніл-катіон.................................................238
17.3. Азулен...................................................................239
Глава 18. ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
18.1. Номенклатура.............................................................241
18.2. Ізомерія.................................................................242
18.3. Галогеналкани............................................................244
18.3.1. Способи добування...................................................244
18.3.2. Фізичні властивості.................................................245
18.3.3. Хімічні властивості.................................................245
Реакції нуклеофільного заміщення (5у)................................245
Реакції елімінування (Е).............................................253
Взаємодія з металами.................................................255
Відновлення галогеналканів...........................................255
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
6
18.4. Дигалогеналкани...............................................................255
18.4.1. Способи добування.......................................................256
18.4.2. Хімічні властивості.....................................................256
18.5. Галогеналкени.................................................................257
18.5.1. Способи добування.......................................................257
18.5.2. Хімічні властивості.....................................................258
18.6. Ароматичні галогеновуглеводні.................................................259
18.6.1. Способи добування.......................................................260
18.6.2. Фізичні властивості.....................................................261
18.6.3. Хімічні властивості.....................................................261
Реакції нуклеофільного заміщення (5^)....................................261
Реакції електрофільного заміщення в ароматичному ядрі (5£)...............264
Реакції з металами (металювання).........................................265
18.7. Ідентифікація галогенопохідних вуглеводнів....................................265
18.7.1. Хімічні методи..........................................................265
18.7.2. Інструментальні методи..................................................266
18.8. Окремі представники. Використання.............................................266
Глава 19. НІТРОСПОЛУКИ
19.1. Номенклатура. Ізомерія........................................................269
19.2. Нітроалкани...................................................................270
19.2.1. Способи добування.......................................................270
19.2.2. Хімічні властивості.....................................................271
19.3. Ароматичні нітросполуки.......................................................273
19.3.1. Способи добування.......................................................273
19.3.2. Фізичні властивості.....................................................274
19.3.3. Хімічні властивості.....................................................274
Реакції по ароматичному ядру.............................................275
19.4. Ідентифікація нітросполук.....................................................277
19.5. Окремі представники. Використання.............................................279
Глава 20. АМІНИ
20.1. Номенклатура. Ізомерія.......................................................280
20.2. Алкіламіни...................................................................282
20.2.1. Способи добування.......................................................282
20.2.2. Фізичні властивості. Просторова будова..................................283
20.2.3. Хімічні властивості.....................................................285
Основність...............................................................285
Реакції з елекгрофільними реагентами.....................................286
Окиснення алкіламінів....................................................289
20.3. Ариламіни....................................................................290
20.3.1. Способи добування.......................................................290
20.3.2. Фізичні властивості.....................................................290
20.3.3. Хімічні властивості.....................................................291
Реакції за участі аміногрупи.............................................291
Реакції за участі ароматичного ядра......................................294
Окиснення ариламінів.....................................................297
20.4. Діаміни......................................................................297
20.4.1. Способи добування.......................................................297
20.4.2. Хімічні властивості.....................................................298
20.5. Ідентифікація амінів.........................................................299
20.5.1. Хімічні методи..........................................................299
20.5.2. Фізичні методи..........................................................300
20.6. Окремі представники. Використання............................................301
Глава 21. Д1АЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
21.1. Діазосполуки.................................................................303
21.1.1. Номенклатура. Ізомерія..................................................303
21.1.2. Способи добування солей арендіазонію....................................304
21.1.3. Фізичні властивості ....................................................305
21.1.4. Хімічні властивості.....................................................306
Реакції з виділенням азоту...............................................306
Реакції без виділення азоту..............................................308
ЗМІСТ
7
21.2. Азосполуки...................................................................311
21.2.1. Способи добування.......................................................312
21.2.2. Хімічні властивості.....................................................312
21.2.3. Основні положення теорії кольоровості. Азобарвники......................313
Глава 22. ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
22.1. Одноатомні спирти............................................................316
22.1.1. Номенклатура............................................................317
22.1.2. Ізомерія................................................................318
22.1.3. Способи добування.......................................................318
22.1.4. Фізичні властивості.....................................................321
22.1.5. Хімічні властивості.....................................................322
22.1.6. Ідентифікація спиртів...................................................328
22.1.7. Окремі представники. Використання.......................................330
22.2. Двох, трьох- і поліатомні спирти.............................................331
22.2.1. Способи добування двох-, трьох- і поліатомних спиртів...................333
22.2.2. Фізичні властивості.....................................................334
22.2.3. Хімічні властивості.....................................................334
22.2.4. Ідентифікація діолів і триолів..........................................339
22.2.5. Окремі представники. Використання.......................................339
22.3. Еноли........................................................................340
22.4. Аміноспирти..................................................................342
22.4.1. Способи добування.......................................................343
22.4.2. Хімічні властивості.....................................................343
22.4.3. Окремі представники. Використання.......................................344
22.5. Феноли. Одноатомні феноли....................................................345
22.5.1. Номенклатура. Ізомерія..................................................346
22.5.2. Способи добування. . . .'...............................................347
22.5.3. Фізичні властивості.....................................................349
22.5.4. Хімічні властивості.....................................................349
Реакції за участі зв’язку О—Н............................................349
Реакції електрофільного заміщення в ароматичному кільці (5£).............351
Реакції відновлення та окиснення.........................................357
22.5.5. Ідентифікація одноатомних фенолів.......................................358
22.5.6. Окремі представники. Використання.......................................358
22.6. Двох, трьох- і поліатомні феноли.............................................359
22.6.1. Способи добування.......................................................360
22.6.2. Хімічні властивості.....................................................360
22.6.3. Ідентифікація...........................................................361
22.6.4. Окремі представники. Використання.......................................362
22.7. Амінофеноли..................................................................363
22.7.1. Способи добування.......................................................363
22.7.2. Хімічні властивості.....................................................364
22.7.3. Окремі представники. Використання.......................................365
22.8. Етери........................................................................366
22.8.1. Номенклатура. Ізомерія..................................................367
22.8.2. Способи добування.......................................................368
22.8.3. Фізичні властивості.....................................................368
22.8.4. Хімічні властивості.....................................................369
22.8.5. Ідентифікація етерів....................................................371
22.8.6. Окремі представники. Використання.......................................371
Глава 23. АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
23.1. Насичені альдегіди і кетони..................................................372
23.1.1. Номенклатура. Ізомерія..................................................372
23.1.2. Способи добування.......................................................375
23.1.3. Фізичні властивості.....................................................376
23.1.4. Хімічні властивості.....................................................377
Реакції нуклеофільного приєднання (ЛдД...................................378
Реакції приєднання — відщеплення.........................................381
Реакції конденсації......................................................383
Реакції за участі а-атома Карбону........................................385
Реакції полімеризації....................................................387
Реакції відновлення та окиснення.........................................387
23.1.5. Окремі представники. Використання.......................................389
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
8
23.2. Ненасичені альдегіди........................................................390
23.3. Діальдегіди. Дикетони.......................................................391
23.4. Ароматичні альдегіди і кетони...............................................393
23.4.1. Класифікація. Номенклатура............................................393
23.4.2. Способи добування.....................................................394
23.4.3. Фізичні властивості...................................................395
23.4.4. Хімічні властивості...................................................396
23.4.5. Окремі представники. Використання.....................................400
Глава 24. КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
24.1. Насичені монокарбонові кислоти..............................................404
24.1.1. Номенклатура. Ізомерія................................................404
24.1.2. Способи добування.....................................................406
24.1.3. Фізичні властивості...................................................408
24.1.4. Хімічні властивості...................................................408
Кислотні властивості...................................................409
Реакції нуклеофільного заміщення (5у)..................................411
Заміщення атомів Гідрогену при а-атомі Карбону.........................413
Окиснення та відновлення...............................................413
24.1.5. Окремі представники. Використання.....................................414
24.2. Ненасичені монокарбонові кислоти............................................415
24.2.1. Номенклатура. Ізомерія................................................415
24.2.2. Способи добування.....................................................415
24.2.3. Фізичні властивості...................................................417
24.2.4. Хімічні властивості...................................................417
24.2.5. Окремі представники. Використання.....................................418
24.3. Ароматичні монокарбонові кислоти............................................419
24.3.1. Способи добування.....................................................420
24.3.2. Фізичні властивості...................................................420
24.3.3. Хімічні властивості...................................................420
24.3.4. Окремі представники. Використання.....................................422
24.4. Ідентифікація монокарбонових кислот.........................................423
Глава 25. ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
25.1. Насичені дикарбонові кислоти................................................424
25.1.1. Номенклатура. Ізомерія................................................424
25.1.2. Способи добування.....................................................424
25.1.3. Фізичні властивості...................................................425
25.1.4. Хімічні властивості...................................................425
25.1.5. Окремі представники. Використання.....................................427
25.2. Ненасичені дикарбонові кислоти..............................................431
25.2.1. Способи добування.....................................................431
25.2.2. Фізичні властивості...................................................432
25.2.3. Хімічні властивості...................................................432
25.3. Ароматичні дикарбонові кислоти..............................................434
25.3.1. Способи добування.....................................................434
25.3.2. Фізичні і хімічні властивості.........................................435
25.4. Ідентифікація дикарбонових кислот...........................................436
Глава 26. ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
26.1. Галогенангідриди карбонових кислот (ацилгалогеніди).........................438
26.1.1. Номенклатура..........................................................438
26.1.2. Способи добування.....................................................439
26.1.3. Фізичні властивості...................................................439
26.1.4. Хімічні властивості...................................................439
26.1.5. Окремі представники. Використання.....................................440
26.2. Ангідриди карбонових кислот.................................................441
26.2.1. Класифікація. Номенклатура............................................441
26.2.2. Способи добування.....................................................441
26.2.3. Фізичні властивості...................................................442
26.2.4. Хімічні властивості...................................................442
26.2.5. Окремі представники. Використання.....................................444
26.3. Естери карбонових кислот....................................................444
26.3.1. Номенклатура..........................................................444
26.3.2. Способи добування.....................................................445
ЗМІСТ
9
26.3.3. Фізичні властивості..................................................446
26.3.4. Хімічні властивості..................................................446
26.3.5. Окремі представники. Використання....................................451
26.4. Аміди карбонових кислот....................................................451
26.4.1. Номенклатура.........................................................451
26.4.2. Способи добування....................................................451
26.4.3. Фізичні властивості..................................................452
26.4.4. Хімічні властивості..................................................452
26.4.5. Окремі представники. Використання....................................455
26.5. Гідразиди карбонових кислот.................................................455
26.5.1. Номенклатура.........................................................455
26.5.2. Способи добування....................................................455
26.5.3. Хімічні властивості..................................................456
26.6. Нітрили (ціаніди)...........................................................457
26.6.1. Номенклатура.........................................................457
26.6.2. Способи добування....................................................457
26.6.3. Хімічні властивості..................................................458
26.6.4. Окремі представники. Використання....................................459
26.7. Ідентифікація функціональних похідних карбонових кислот....................459
Глава 27. ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛ ЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
27.1. Галогенокарбонові кислоти..................................................461
27.1.1. Номенклатура.........................................................461
27.1.2. Способи добування....................................................462
27.1.3. Фізичні та хімічні властивості.......................................462
27.1.4. Окремі представники. Використання....................................465
27.2. Гідроксикислоти............................................................465
27.2.1. Номенклатура. Ізомерія...............................................465
27.2.2. Аліфатичні гідроксикислоти...........................................466
Способи добування.....................................................466
Фізичні властивості...................................................468
Хімічні властивості...................................................468
Окремі представники. Використання.....................................470
27.2.3. Фенолокислоти........................................................473
Способи добування.....................................................473
Хімічні властивості...................................................475
Окремі представники. Використання.....................................476
27.3. Оксокислоти................................................................478
27.3.1. Номенклатура.........................................................478
27.3.2. Способи добування....................................................479
27.3.3. Хімічні властивості..................................................479
27.3.4. Окремі представники. Використання....................................484
27.4. Амінокислоти...............................................................485
27.4.1. Номенклатура. Ізомерія.......................:.......................485
27.4.2. Способи добування....................................................486
27.4.3. Фізичні і хімічні властивості........................................487
27.4.4. Окремі представники. Використання....................................489
27.5. Ідентифікація гетерофункціональних карбонових кислот.......................490
Глава 28. ПОХІДНІ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ
28.1. Хлорангідриди карбонатної кислоти..........................................491
28.2. Аміди карбонатної кислоти..................................................492
Глава 29. СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
29.1. Тіоли......................................................................499
Способи добування.....................................................499
Хімічні властивості...................................................500
Окремі представники. Використання.....................................501
29.2. Сульфіди...................................................................501
Способи добування.....................................................502
Хімічні властивості...................................................502
Окремі представники. Використання.....................................503
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
10
29.3. Сульфонові кислоти (сульфокислоти)..........................................504
Класифікація і номенклатура.............................................504
Способи добування.......................................................505
Будова сульфогрупи......................................................506
Хімічні властивості.....................................................506
Окремі представники. Використання.......................................511
Глава ЗО. ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
30.1. Класифікація................................................................513
30.2. Номенклатура................................................................514
Глава 31. ТРИ- І ЧОТИРИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ З ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ
31.1. Оксиран та оксетан..........................................................518
31.1.1. Способи добування......................................................518
31.1.2. Фізичні властивості....................................................519
31.1.3. Хімічні властивості....................................................519
31.1.4. Найважливіші похідні оксирану та оксетану..............................521
31.2. Азиридин та азетидин........................................................522
31.2.1. Способи добування......................................................522
31.2.2. Фізичні властивості....................................................522
31.2.3. Хімічні властивості....................................................522
31.2.4. Найважливіші похідні азиридину та азетидину............................523
Глава 32. П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ З ОДНИМ І ДВОМА ГЕТЕРОАТОМАМИ
32.1. Ароматичність гетероциклів..................................................525
32.2. Кислотно-основні властивості гетероциклів...................................527
32.3. П’ятичленні гетероциклічні сполуки з одним гетероатомом.....................529
32.3.1. Способи добування......................................................529
Загальні способи добування піролу, фурану і тіофену.....................529
Специфічні способи добування............................................530
32.3.2. Фізичні властивості....................................................531
32.3.3. Хімічні властивості....................................................531
Загальні хімічні властивості піролу, фурану та тіофену..................532
Специфічні хімічні властивості піролу і фурану..........................536
32.3.4. Ідентифікація піролу, фурану і тіофену.................................538
32.3.5. Найважливіші похідні піролу, фурану та тіофену.........................538
Похідні піролу..........................................................538
Похідні фурану..........................................................542
Похідні тіофену.........................................................544
32.4. Індол.......................................................................544
32.4.1. Способи добування......................................................545
32.4.2. Фізичні властивості....................................................545
32.4.3. Хімічні властивості....................................................545
32.4.4. Найважливіші похідні індолу............................................547
32.5. П’ятичленні гетероциклічні сполуки з двома гетероатомами....................550
32.5.1. Піразол................................................................551
Способи добування.......................................................551
Фізичні властивості.....................................................552
Хімічні властивості.....................................................552
Найважливіші похідні піразолу...........................................555
32.5.2. Імідазол...............................................................557
Способи добування.......................................................557
Фізичні властивості.....................................................557
Хімічні властивості.....................................................558
Найважливіші похідні імідазолу..........................................559
32.5.3. Бензімідазол...........................................................561
32.5.4. Тіазол.................................................................561
Способи добування.......................................................562
Фізичні властивості.....................................................562
Хімічні властивості.....................................................562
Найважливіші похідні тіазолу...........................................563
ЗМІСТ
11
32.5.5. Оксазол....................................................................564
32.5.6. Ізоксазол..................................................................564
32.6. Шестичленні гетероциклічні сполуки з одним гетероатомом..........................565
32.6.1. Піридин....................................................................565
Способи добування...........................................................566
Фізичні властивості.........................................................566
Будова та хімічні властивості...............................................567
Найважливіші похідні піридину...............................................572
32.6.2. Хінолін....................................................................579
Способи добування...........................................................579
Фізичні властивості.........................................................581
Хімічні властивості.........................................................581
Найважливіші похідні хіноліну...............................................583
32.6.3. Ізохінолін.................................................................584
Способи добування...........................................................584
Фізичні властивості.........................................................584
Хімічні властивості.........................................................585
32.6.4. Акридин....................................................................586
Способи добування...........................................................586
Фізичні властивості.........................................................587
Хімічні властивості.........................................................587
Найважливіші похідні акридину...............................................589
32.7. Шестичленні гетероцикли з атомом Оксигену........................................589
32.7.1. а-Піран і у-піран..........................................................589
32.7.2. Кумарин....................................................................591
32.7.3. Хромон.....................................................................592
32.8. Шестичленні гетероцикли з двома гетероатомами....................................593
32.8.1. Діазини....................................................................593
Піридазин (1,2-діазин)......................................................594
Піримідин (1,3-ДІазин)......................................................595
Піразин (1,4-ДІазин)........................................................600
32.8.2. Фенотіазин.................................................................601
Способи добування...........................................................601
Фізичні властивості.........................................................601
Хімічні властивості.........................................................601
32.9. Конденсовані системи гетероциклів................................................602
32.9.1. Пурин......................................................................603
Способи добування...........................................................603
Фізичні властивості.........................................................603
Будова та хімічні властивості...............................................603
Найважливіші похідні пурину.................................................604
32.9.2. Птеридин...................................................................608
Способи добування...........................................................608
Фізичні властивості.........................................................609
Хімічні властивості.........................................................609
Найважливіші похідні птеридину..............................................609
32.9.3. Алоксазин та ізоалоксазин (флавін).........................................610
32.10. Семичленні нітрогеновмісні гетероцикли..........................................611
Глава 33. АЛКАЛОЇДИ
33.1. Методи виділення алкалоїдів з рослин.............................................613
33.2. Методи виявлення алкалоїдів......................................................614
33.3. Класифікація алкалоїдів .........................................................614
33.4. Алкалоїди групи піридину і піперидину............................................614
33.4.1. Нікотин....................................................................614
33.4.2. Анабазин...................................................................615
33.4.3. Лобелін....................................................................615
33.5. Алкалоїди групи хіноліну.........................................................615
33.5.1. Хінін......................................................................615
33.6. Алкалоїди групи ізохіноліну і фенантренізохіноліну...............................616
33.6.1. Папаверин..................................................................616
33.6.2. Морфін.....................................................................616
33.6.3. Кодеїн.....................................................................617
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
12
33.7. Алкалоїди групи тропану......................................................618
33.7.1. Атропін...............................................................618
33.7.2. Скополамін............................................................618
33.7.3. Кокаїн................................................................619
33.8. Алкалоїди групи індолу.......................................................619
33.8.1. Резерпін..............................................................619
33.8.2. Стрихнін..............................................................620
Глава 34. ВУГЛЕВОДИ
34.1. Моносахариди................................................................622
34.1.1. Класифікація. Номенклатура............................................622
34.1.2. Стереоізомерія........................................................623
34.1.3. Будова моносахаридів..................................................625
34.1.4. Способи добування.....................................................632
34.1.5. Фізичні властивості...................................................633
34.1.6. Хімічні властивості...................................................633
Реакції за участі відкритих форм.......................................633
Реакції за участі циклічних форм.......................................639
34.1.7. Окремі представники моносахаридів. Використання.......................641
34.1.8. Окремі представники дезокси- і аміноцукрів. Використання..............643
34.1.9. Окремі представники метилпентоз. Використання.........................644
34.1.10. Окремі представники похідних моносахаридів. Використання.............644
34.2. Дисахариди..................................................................646
34.2.1. Відновні дисахариди...................................................646
34.2.2. Невідновні дисахариди.................................................651
34.3. Полісахариди................................................................652
34.3.1. Гомополісахариди......................................................653
34.3.2. Гетерополісахариди....................................................659
Глава 35. БІЛКИ
35.1. а-Амінокислоти як мономери білків...........................................661
35.1.1. Стереоізомерія........................................................664
35.1.2. Фізичні властивості...................................................664
35.1.3. Способи добування.....................................................665
35.1.4. Хімічні властивості а-амінокислот.....................................665
Реакції, які проходять за участі аміногрупи............................665
Реакції, які перебігають за участі карбоксильної групи.................668
35.1.5. Ідентифікація а-амінокислот...........................................669
35.2. Будова пептидів і білків....................................................669
35.3. Синтез пептидів.............................................................675
35.4. Складні білки (протеїди)....................................................677
Глава 36. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ
36.1. Будова нуклеїнових кислот...................................................679
36.2. Рибонуклеїнові (РНК) і дезоксирибонуклеїнові (ДНК) кислоти..................684
Глава 37. ЛІПІДИ
37.1. Класифікація................................................................688
37.2. Омилювані ліпіди............................................................689
37.2.1. Прості ліпіди.........................................................689
Жири...................................................................689
Воски. Твіни...........................................................698
37.2.2. Складні ліпіди........................................................700
Фосфоліпіди............................................................700
Гліколіпіди............................................................703
37.3. Неомилювані ліпіди..........................................................704
37.3.1. Простагландини........................................................704
37.3.2. Ізопреноїди ........................................................ 706
Терпени................................................................707
Каротиноїди............................................................715
Стероїди...............................................................717
Список литературьі................................................................727
Іменний показник..................................................................728
Предметний покажчик...............................................................730
ПЕРЕДМОВА
Органічна хімія займає важливе місце в системі підготовки фахівців для фармацевтичної галузі. У 1993—1995 роках колективом авторів В. П. Черних, Б. С. Зі-менковським, І. С. Гриценком виданий підручник «Органічна хімія» у трьох книгах, в якому узагальнений багаторічний досвід викладання цієї дисципліни в Національному фармацевтичному університеті і Львівському державному медичному університеті. Перше видання підручника одержало широке визнання і використовується у викладанні органічної хімії не тільки вишами фармацевтичного і медичного профілю, а також хімічними факультетами класичних університетів України, Росії, Білорусі та інших країн СНД. Підручник удостоєний Державної премії України в 2000 році.
Друге видання побудоване за принципом викладу фундаментальних загальнотеоретичних положень органічної хімії з подальшим описом реакційної здатності найважливіших класів органічних речовин. У самостійні розділи виділені гетероциклічні і природні сполуки.
У загальнотеоретичному розділі викладені основні теоретичні положення органічної хімії, а саме: природа хімічного зв’язку, взаємний вплив атомів в органічних молекулах, ізомерія, просторова будова і геометрія молекул, кислотно-основні властивості органічних речовин, фізичні методи встановлення будови сполук, енергетика, механізми органічних реакцій, будова проміжних активних частинок тощо.
В основу викладу матеріалу найважливіших класів покладена класифікація органічних сполук за функціональними групами, що дозволяє уникнути дублювання матеріалу і сприяє формуванню в студента більш цілісних уявлень про реакційну здатність органічних сполук.
Автори акцентують увагу на низці аналітичних реакцій, які лежать в основі фармакопейних методів ідентифікації лікарських речовин, і на значенні прикладних аспектів органічної хімії в сучасній фармації.
Велика увага приділена гетероциклічним сполукам, оскільки значна частина лікарських засобів містить у своїй структурі гетероциклічні ядра. Про природні сполуки надані лише загальні відомості, необхідні для подальшого, більш детального вивчення цієї групи речовин у курсах біохімії, фармакогнозії, фармацевтичної і токсикологічної хімії. Матеріал викладений з позиції квантово-механічних уявлень, для багатьох реакцій наведені механізми їх перебігу.
При підготовці підручника до другого видання матеріал доповнений главою «Сульфурорганічні сполуки», розділом «Складні ліпіди», перероблені і доповнені деякі глави і розділи.
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 14 ------------------------------------------------------------------
Матеріал підручника містить короткі відомості з біографій учених, більшість з них — лауреати Нобелівської премії. Приклади ж із реального життя та оточуючої нас природи роблять його цікавим і доступним для розуміння.
Особливість другого видання підручника — застосування колірної гами в описі органічних сполук, механізмів хімічних реакцій, що дозволяє наочно уявити теоретичний матеріал і сприяє його ефективному засвоєнню.
Студент, опанувавши матеріал, викладений у підручнику, має здобути міцні знання сучасних основ органічної хімії та вміння працювати з оригінальною літературою. Видання являє також певний інтерес для аспірантів, викладачів та інших фахівців, які працюють у галузі органічної хімії і фармації.
Автори будуть вдячні читачам за критичні зауваження, корисні поради і побажання щодо змісту й оформлення підручника.
Глава 1
ВСТУП В ОРГАНІЧНУ ХІМІЮ
1.1. ПРЕДМЕТ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ
Органічна хімія як самостійна наука сформувалася на початку XIX століття. Термін «органічна» запропонований шведським хіміком Йенсом Якобом Берцеліу-сом у 1808 році. Він походить від слова «організм», оскільки на той час предметом вивчення органічної хімії були речовини, що утворювалися тільки в живих організмах нібито за участю особливої «життєвої сили» (віталістичні погляди). І хоча подальший розвиток показав помилковість віталістичного погляду на походження органічних речовин, первісна назва збереглась, але зміст її принципово змінився. За ознакою наявності в усіх органічних сполуках атома Карбону (вуглецю) німецький хімік Христіан Готліб Гмелін 1848 року дав визначення органічної хімії як хімії сполук Карбону. Однак, як відомо, існує ряд сполук карбону, що належать до неорганічних речовин (карбон(ІІ) оксид, карбон(ІУ) оксид, солі карбонатної, ціанідної кислот тощо). Німецький хімік Карл Шорлеммер, з огляду на вищена-ведені факти, запропонував більш точне визначення органічної хімії.
Органічна хімія — наука, що вивчає вуглеводні та їхні похідні.
Сучасна органічна хімія — одна з найбільших галузей природознавства. Виділення її в самостійний розділ хімічної науки спричинене великою кількістю і різноманіттям органічних сполук, істотною відмінністю їхньої реакційної здатності, а також винятковою важливістю органічної хімії в житті людини і суспільства.
Зараз відомо понад 16 мільйонів органічних речовин, тоді як неорганічних — лише близько 700 тисяч. Щороку одержують приблизно 250—300 тисяч нових органічних сполук.
Органічні речовини відіграють важливу роль у життєдіяльності рослинних і тваринних організмів, вони є основою вияву життя. Досягнення органічної хімії широко використовуються в повсякденному житті людини — це пластмаси і синтетичний каучук, барвники і вибухові речовини, штучні волокна і паливо, лікарські і косметичні речовини. Надзвичайно важливе місце посідає органічна хімія і в системі фармацевтичної освіти, оскільки майже 90 % лікарських препаратів складають органічні сполуки.
Йенс Якоб БЕРЦЕЛІУС (1779-1848)
Шведський хімік і мінералог. Один із засновників сучасної органічної хімії. Визначив атомні маси 45 хімічних елементів. Увів сучасні позначення хімічних елементів (1814). Відкрив Церій (1803), Селен (1817), Торій (1828). Поширив стехіометричні закони на органічні сполуки. Запропонував терміни «ізомерія» (1830), «каталіз» (1835). Розвинув уявлення про алотропію. За життя автора його «Підручник хімії» витримав п’ять видань.
Глава 1
16
1.2. КОРОТКИЙ ОГЛЯД ІСТОРІЇ РОЗВИТКУ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ
Розвиток органічної хімії в історичному аспекті можна умовно розділити на чотири періоди: емпіричний (середина XVII — кінець XVIII століть), аналітичний (кінець XVIII — середина XIX століть), структурний (друга половина XIX — початок XX століть) і сучасний (початок XX століття — до наших днів).
Емпіричному періоду передував етап багатовікового нагромадження фактичного матеріалу в процесі практичної діяльності людини. Так, у Єгипті й Індії здавна було розвинуте мистецтво фарбування тканин природними барвниками. Стародавні римляни та єгиптяни вміли варити мило. З глибокої давнини люди застосовували процес бродіння для одержання спиртних напоїв. Чимало природних речовин використовували в стародавній медицині.
У середньовіччя (VIII—XVI століття) — період панування алхімії — знання про органічні речовини розвивалися вкрай повільно. Певний крок уперед у цей час був зроблений лише завдяки вдосконаленню методів перегонки: виділені деякі ефірні олії, одержано винний спирт, ацетон.
У первісний період розвитку хімії дослідники не помічали відмінностей між речовинами, виділеними з неживої природи й отриманими з рослин та тварин. Та згодом вони почали звертати увагу на різну стійкість і хімічну поведінку речовин живої та неживої природи, що спричинило поділ хімії в другій половині
XVII століття на мінеральну та хімію рослин і тварин. У цей час органічна хімія почала
Карл ШОРЛЕММЕР (1834-1892)
формуватися як хімія рослин і тварин (емпіричний період).
До кінця XVIII століття було досягнуто помітних успіхів в одержанні індивідуальних органічних речовин: з рослин виділені винна, лимонна, яблучна, молочна, слизова кислоти (К. Шееле, 1769—1785) та інші речовини, отримано низку органічних сполук тваринного походження — сечовину (І. Руель, 1773), сечову кислоту (К. Шееле) тощо. Однак дослідження в емпіричному періоді проводилися ще без чітких теоретичних уявлень, методом проб і помилок.
Німецький хімік-органік. Основні наукові дослідження зв’язані з розв’язанням загальних проблем органічної хімії і синтезом найпростіших вуглеводнів. Дійшов висновку, що насичені вуглеводні є основою, з якої утворюються всі інші класи органічних сполук. Довів (1868), що всі чотири валентності атома Карбону однакові. Займався систематизацією органічних сполук. Вивчав історію хімії, опублікував роботу «Виникнення і розвиток органічної хімії» (1889).
Наприкінці XVIII і в першій половині XIX століть основну увагу хіміків було зосереджено на вивченні якісного і кількісного складу одержаних речовин (аналітичний період). На той час французький хімік Антуан Лавуазьє встановив, що речовини і рослинного, і тваринного походження можуть містити вуглець. Крім того, на початку XIX століття виявлено низку рослинних і тваринних речовин (щавлева кислота, жири і т. ін.). Отриманий матеріал дозволив зробити перші теоретичні узагальнення. Оскільки, як по-
ВСТУП В ОРГАНІЧНУ ХІМІЮ
17
казали дослідження, між хімією рослин і тварин принципової різниці немає, у цей період сформувалося загальне поняття «органічна речовина» і виник термін «органічна хімія» (Й. Я. Берцеліус, 1808). Однак багато вчених того часу, зокрема і Й. Я. Берцеліус, мали віталістичні погляди. Вони вважали, що органічні речовини притаманні лише живим організмам і утворюються під впливом особливої «життєвої сили». Перший нищівний удар по віталізму було завдано 1828 року, коли німецькому хіміку Фрідріхові Велеру вдало-
ся одержати синтетичним шляхом сечовину. У листі до свого вчителя Берцеліуса Велер тоді писав: «Я маю Вам заявити, що можу робити сечовину, не потребуючи при цьому нирок і взагалі тварин, будь це людина чи собака». Незабаром з’явилися багато інших блискучих досліджень — синтез оцтової кислоти, здійснений Адольфом Вільгельмом Германом Кольбе (1845), жирів — П’єром Еженом Марселеном Бертло (1854), цукристої речовини — Олександром Михайловичем Бутлеровим (1861) та ін. Успішний розвиток органічного синтезу продемонстрував помилковість і необґрунтованість віталістичних поглядів. Ці досягнення аналітичного періоду сприяли утвердженню матеріалістичного погляду на єдність природи і створили передумови для вироблення міцної
Фрідріх ВЕЛЕР (1800 - 1882)
Німецький хімік, учень Й. Я. Берцеліуса. Дослідження присвячені як неорганічній, так і органічній хімії. Довів (1828) можливість одержання сечовини шляхом упарювання водного розчину амоній ціанату, що вважається першим синтезом природної органічної речовини з неорганічної. Одержав металічний алюміній (1827), берилій та ітрій (1828) нагріванням їхніх хлоридів з калієм, фосфор (1829) з кальцій фосфату, силіцій і його водневі і хлористі сполуки (1856—1858), кальцій карбід і ацетилен з нього (1862). Президент Німецького хімічного товариства (1877).
теоретичної бази органічної хімії.
Найбільшою подією в розвитку органічної хімії стало створення в 60-х роках XIX століття великим російським ученим О. М. Бутлеровим теорії хімічної будови органічних сполук. Саме відтоді починається структурний період бурхливого розвитку органічної хімії, упродовж якого вона остаточно сформувалася як самостійна наука. Першорядного значення набув органічний синтез, за допомогою якого
одержано багато не віднайдених у природі речовин. У цей час було встановлено будову багатьох природних сполук, зроблено низку важливих відкриттів. Наприкінці XIX — на початку XX століть органічний синтез був запроваджений у хімічну промисловість. З’явилися галузі з виробництва синтетичних барвників, лікарських засобів, вибухових речовин.
Сучасний період розвитку органічної хімії характеризується більш значними масштабами органічного синтезу, широким застосуванням фізичних методів та обчислювальної техніки, дедалі більшим упровадженням методів квантово-механічної теорії. Це дозволило одержати якісно нові уявлення про будову органічних сполук, з’ясувати механізми хімічних взаємодій.
Із сучасної органічної хімії виросли й успішно розвиваються такі самостійні напрямки, як хімія гетероциклічних сполук, хімія високомолекулярних сполук, антибіотиків, гормонів, вітамінів, хімія елементорганічних сполук тощо.
8савпіп§ Ьу ЬАВ. 2009.
Глава 1
18
1.3. РОЗВИТОК ТЕОРЕТИЧНИХ УЯВЛЕНЬ ПРО БУДОВУ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Виникнення перших теорій про будову органічних сполук припадає на аналітичний період історії органічної хімії. На початку XIX століття при дослідженні органічних сполук хіміки звернули увагу на те, що в ряді хімічних перетворень окремі групи атомів, так звані радикали, у незміненому вигляді переходять з однієї речовини в іншу (1815 р., Жозеф Луї Гей-Люссак; 1832 р., Фрідріх Велер і Юстує Лібіх). На підставі створеної в 1812 році Й. Я. Берцеліусом електрохімічної теорії, яка стверджувала, що всі хімічні сполуки побудовані з електропозитивних і електронегативних атомів або атомних груп, які утримуються за рахунок електростатичних сил, ряд учених створили першу теорпо в органічній хімії — теорію радикалів (Ю. Лібіх, Ф. Велер, Й. Берцеліус).
Автори цієї теорії вважали, оскільки радикали не змінюються при хімічних перетвореннях, то подібно до того, як неорганічні речовини складаються з атомів, органічні — з радикалів.
У 1833—1834 роках французький хімік Жан Батист Дюма, вивчаючи дію хлору на органічні сполуки, установив, що в органічних радикалах атоми Гідрогену можуть зампцатися на атоми Хлору, тобто радикал може змінюватися. Ці дослідження завдали нищівного удару по теорії радикалів.
У 40-х роках XIX століття теорію радикалів змінила більш досконала теорія типів, основоположник якої французький хімік Шарль Фредерік Жерар. На відміну від теорії радикалів, що акцентує увагу в хімічних перетвореннях на незмінній частині молекули — радикалі, теорія типів з’явилася в результаті узагальнення спостережень за змінною частиною молекули (те, що сьогодні називаємо функціональною групою). Ці спостереження лягли в основу класифікації органічних сполук за типами хімічних перетворень. Спочатку були виділені аналоги (типи) води, хлороводню, амоніаку, водню, потім з’явився тип метану.
Тип води ні вод: [о а С2Н4о Н І етиловий спирт С2Н5ІО с2н5Г діетиловий етер
Тип хлороводню НІ Сі/ хлороводень СНД сі / хлорометан с,нд СІ І хлоретан
Тип амоніаку н" н ►м сн; н сн3’ сн3
н амо ніак н метила ІМІН н диметі їламін
Тип водню НІ н/ водень СН31 Н ] метан с2н51 н ) етан
Наведені типові формули показують, наприклад, що при заміщенні в молекулі води одного атома Гідрогену на залишок С2Н5 утворюється етиловий спирт, двох — діетиловий етер і т. д.
ВСТУП В ОРГАНІЧНУ ХІМІЮ
19
До середини XIX століття в міру нагромадження значного експериментального матеріалу теорія типів уже була неспроможною пояснити чимало фактів. Намагаючись урятувати теорію, її прихильники вводили нові типи. Часто одну і ту ж сполуку доводилось відносити до кількох типів і позначати різними типовими формулами.
Для подальшого розвитку органічної хімії була потрібна нова, більш досконала теорія. Створення такої теорії, що заклала наукові основи органічної хімії, належить великому російському вченому О. М. Бутлерову. Використовуючи відкриття німецького хіміка Фрідріха Августа Кекуле про чотиривалентність атома Карбону (1857) і шотландського хіміка Арчибальда Скотта Купера про здатність атомів Карбону з ’єднуватися в довгі ланцюги (1858), О. М. Бутлеров створив теорію хімічної будови органічних сполук, основні принципи якої виклав у доповіді «Про теорію хімічної будови» на Міжнародному з’їзді натуралістів і лікарів у Шпейєрі 19 вересня 1861 року.
Основні положення теорії хімічної будови:
Олександр Михайлович БУТЛЕРОВ (1828 - 1886)
Російський хімік, академік Петербурзької академії наук (з 1874). Творець теорії хімічної будови в органічній хімії. Обґрунтував ідею про взаємний вплив атомів у молекулі. Передбачив і пояснив (1864) ізомерію багатьох хімічних сполук. Заклав основи вчення про таутомерію. Засновник школи російських хіміків.
1. Атоми, що входять до складу молекули органічних сполук, зв ’язані один з од-
ним за строго визначеним порядком, відповідно до їх валентності Послідовність зв ’язування атомів у молекулі називається хімічною будовою.
2. Властивості речовини залежать не лише від того, які атоми і в якій кількості
входять до складу молекули, але і від того, в якій послідовності вони зв ’язані між
собою, тобто від хімічної будови молекули.
3. Атоми або групи атомів, що утворюють молекулу, зв ’язані як безпосередньо,
так і через інші атоми, взаємно впливають один на одного, від чого залежить реакційна здатність молекули.
4. Вивчаючи реакційну здатність речовини, можна встановити її будову, і навпаки, за будовою речовини судити про її властивості.
Теорія хімічної будови О. М. Бутлерова дозволила не лише систематизувати зібраний на той час в органічній хімії величезний матеріал, але і передбачити іс-
нування нових сполук, а також указати шляхи їх синтезу. За важливістю її можна порівняти з Періодичною системою елементів Дмитра Івановича Менделєєва. Блискучим підтвердженням теорії стало одержання в 1867 році О. М. Бутлеровим ізобутану, передбаченого ним же.
Теорія хімічної будови О. М. Бутлерова — найважливіша частина теоретичного фундаменту органічної хімії. Подальшого розвитку вона набула в працях учня О. М. Бутлерова — Володимира Васильовича Марковникова, який установив закономірності взаємного впливу атомів у молекулах.
У 1874 році теорію хімічної будови доповнила теорія просторового розташування атомів у молекулах (стереохімічна теорія). Її автори голландський хімік Якоб Хендрик Вант-Гофф і французький хімік Жозеф Ашиль Ле Бель незалежно один
Глава 1
20
Юстус ЛІБІХ (1803-1873)
Німецький хімік, член Баварської академії наук (з 1854), потім її президент (з 1859). Учився також у Сорбоні в Ж. Л. Гей-Люссака.
Наукові дослідження присвячені головним чином органічній хімії. Уперше одержав (1838) незалежно від французького хіміка Е. Субейрана хлороформ. Разом з Велером установив (1832) правильну формулу бензойної кислоти. Відкрив (1832) хлораль. Удосконалив (1831—1833) методику визначення Карбону і Гідрогену в органічних сполуках. Установив (1832) склад молочної кислоти. Відкрив (1835) оцтовий альдегід. Уперше запропонував термін «альдегід» (від лат. л/соїюі б/еЛуб/го^епаПіБ). Запропонував також класифікацію кислот залежно від їх основності. Досліджував алкалоїди (хінін, цинхонін, морфін, коніїн). Відкрив (1846) тирозин. Запропонував підрозділити склад харчових продуктів на жири, білки і вуглеводи. Один із засновників агрохімії. Запропонував (1840) теорію мінерального живлення рослин. Займався розробкою кількісних методів аналітичної хімії. Сконструював оригінальні прилади для аналітичних досліджень. Засновник школи хіміків.
від одного дійшли висновку про тетраедричну напрямленість зв’язків атома Карбону в просторі (чотири валентності атома Карбону напрямлені до кутів тетраедра, у центрі якого знаходиться атом Карбону).
Подальшому розвитку теорії хімічної будови сприяло впровадження в органічну хімію електронних уявлень. У 1916 році американським ученим Гільбертом Ньютоном Льюї-сом була запропонована електронна теорія хімічного зв’язку (так звана теорія електронних пар), за якою хімічний зв’язок в органічних сполуках представлено парою електронів, виділених по одному кожним з атомів. Окрім цього, Г. Н. Льюїс висловив припущення, що електронна пара, що бере участь в утворенні хімічного зв’язку, може зміщуватися до одного з атомів. Ця думка виявилася надзвичайно важливою і була покладена в основу теорії електронних зміщень. У працях Роберта Ро-бінсона (1922), а пізніше Кристофера Інголь-да (1926—1934) були впроваджені і розвинуті уявлення про зміщення електронів у простих зв’язках (індуктивний ефект) та кратних (мезомерний ефект). Теорія електронних зміщень набула досить значного поширення в органічній хімії, оскільки дозволяє встановити залежність між електронною будовою і реакційною здатністю органічних сполук. Новим етапом у розвитку теорії хімічної будови стало застосування в 30-х роках минулого сторіччя в органічній хімії квантової механіки. У цей час були розроблені квантово-механічні методи опису структури молекул — метод молекулярних орбіталей (Джо Едвард Леннард-Джонс, Роберт Сан-дерсон Маллікен, Фрідріх Гунд, 1928—1932) та метод валентних зв’язків (Лайнус Карл Полінг, Джон Кларк Слейтер, 1931—1934). Використовуючи метод валентних зв’язків, американський фізик і хімік Л. Полінг розробив теорію резонансу, яка дозволила пояснити багато властивостей ароматичних систем. За допомогою методу молекулярних орбіталей німецький хімік і фізик Еріх Гюккель дав
пояснення стійкості ароматичних систем і сформулював теоретично обґрунтоване правило, що дозволяє передбачити, буде система ароматичною чи ні (правило Гюккеля). Інтенсивного розвитку квантово-механічні дослідження набули з появою в 60-х роках XX століття електронно-обчислювальної техніки.
ВСТУП В ОРГАНІЧНУ ХІМІЮ
21
1.4. СПОСОБИ ЗОБРАЖЕННЯ ОРГАНІЧНИХ МОЛЕКУЛ
Структурна формула. Структурна (графічна) формула відображає природу атомів, що входять до складу молекули, їх кількість і послідовність зв ’язування, а також тип зв ’язків між ними.
Хімічні зв’язки в структурній формулі умовно прийнято позначати валентним штрихом:
н\ /н н—С—р—Н £ н7 хн
н н
/с=с\ н н
ізобутан
циклопропан
етилен
ацетон
Для зручності запису часто обирають скорочену структурну формулу, в якій частина зв’язків не позначається, а наводяться лише ті, які необхідні для однозначного опису структури молекули:
сн3—сн—сн3,
або (СН3)2СНСН3
СН3
ізобутан
СН3—с—СН3, або СН3СОСН3
3 II 3 33
О ацетон
сн3-с^
)0, або (СН3С0)20 СН3-С^
о
оцтовий ангідрид
Існує також спрощений спосіб написання структурних формул, який полягає в тому, що вуглецевий скелет молекули зображують тільки за допомогою валентних зв’язків без позначення атомів Карбону і зв’язків С—Н. Припускають, що координаційне число кожного атома Карбону доповнюється до чотирьох атомами Гідрогену. Таким чином, кінцеві прямі лінії позначають метальні групи, а не атоми Гідрогену.
А. А О
2-метилбутан циклопропан анілін фуран
Цим способом широко користуються для зображення молекул карбоциклічних і гетероциклічних сполук.
Глава 1
22
Молекулярна формула. Молекулярна (брутто-) формула показує, які атоми і в якій кількості входять до складу молекули. Як приклад нижче наведено структурну і молекулярну формули метанолу:
СН3ОН структурна формула
Фрідріх Авіуст КЕКУЛЕ (1829-1896)
Німецький хімік-органік. Наукові інтереси — теоретична органічна хімія й органічний синтез. Запропонував циклічну структурну формулу бензену (1865). Синтезував тіооцтову (1854), гліколеву (1856) кислоти, три-фенілметан (1872), антрахінон (1878). Запропонував методи синтезу тіофену. Висловив (1857) думку про валентність як про ціле число одиниць спорідненості, яке має атом. Президент Німецького хімічного товариства (1878, 1886, 1891).
СН4О молекулярна формула
При складанні молекулярної формули насамперед указують кількість атомів Карбону і Гідрогену, а потім за алфавітним порядком (латинськими назвами елементів) — кількість інших елементів, що входять до складу молекули. Наприклад, для хлороцтової кислоти С1СН2СООН молекулярна формула має вигляд С2Н3С1О2.
Молекулярні формули, на відміну від структурних формул, не дають однозначної відповіді про будову речовини. Одній і тій же молекулярній формулі можуть відповідати дві і більше сполук. Так, однакову молекулярну формулу С2Н6О мають етиловий спирт С2Н5—ОН і диметиловий етер СН—О—СН3.
З наведених варіантів зображення молекул частіше застосовують структурні формули, які дозволяють за допомогою певної символіки показати розподіл електронної густини в молекулі, виділити реакційні центри та описати пропонований механізм реакції. Вадою структурних формул є та обставина, що вони не відображають справжнього розташування атомів у просторі. Більш повне уявлення про будову молекул дають стереохімічні формули і молекулярні моделі (див. розд. 5.2.1).
Глава 2
КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
2.1. КЛАСИФІКАЦІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Найважливішими класифікаційними ознаками органічних сполук є будова вуглецевого ланцюга і природа функціональної групи.
Класифікація за будовою вуглецевого ланцюга. Залежно від структури вуглецевого скелета всі органічні сполуки поділяють на дві групи: ациклічні та циклічні. До ациклічних (їх ще називають аліфатичними) належать речовини з відкритим (не-замкненим) ланцюгом. За будовою вуглеводневого скелета молекули розрізняють насичені і ненасичені аліфатичні сполуки. Насичені містять тільки прості зв’язки, ненасичені — кратні (подвійні і потрійні) вуглець-вуглецеві зв’язки:
СН—СН3
насичена аліфатична сполука
н2с=сн2 сн3—с=сн
ненасичені аліфатичні сполуки
Циклічні органічні сполуки містять у своїй структурі замкнені ланцюги атомів — цикли. Залежно від природи атомів, що входять до складу циклу, їх поділяють на карбоциклічні та гетероциклічні сполуки.
У молекулах карбоциклічних сполук цикли складаються лише з атомів Карбону:
Н
н2с—сн2 нсх ^сн
/ \ II І
Н2С\ /СН не. .єн
сн2 >Н3 Є
карбоциклічні сполуки
Група карбоциклів поєднує два типи органічних речовин, що істотно відрізняються за хімічними властивостями,— аліциклічні та ароматичні.
До аліциклічних сполук належать карбоцикли, що не мають ароматичного характеру. Аліциклічні сполуки за ступенем насиченості поділяють на насичені та ненасичені'.
Н2С—сн2 / \ н2сх хсн2 сн2
сн2 хсн, 2| І Н2С^ ^сн2 сн2
нс=сн
І \
Н2С\ /СН2
сн2
сн2 нс^ ^сн2 II І НС\ сн2 сн2
насичені аліциклічні сполуки
ненасичені аліциклічні сполуки
Для ароматичних сполук характерна наявність ароматичної системи. Родоначальником ароматичних сполук є бензен.
Глава 2
24
Н
НС^ ХН
II І не хн с
н
бензен
У гетероциклічних сполуках цикли поряд з атомами Карбону містять атоми інших елементів (частіше N. О, 8). Гетероциклічні сполуки можуть бути насиче-
ними, ненасиченими та ароматичними:
н2с—сн2
Н2С\ /СН2 о
Н2С—сн / \\ Н2СХ /СН о
не—сн
ароматичний гетероцикл
насичений гетероцикл
ненасичений гетероцикл
Усе вищевикладене можна зобразити у вигляді схеми:
У межах кожного з названих рядів органічні сполуки розподіляються за класами.
Сполуки, молекули яких складаються лише з атомів Карбону і Гідрогену, називають вуглеводнями.
При заміщенні у вуглеводнях одного або кількох атомів Карбону на функціональну групу утворюються інші класи органічних сполук.
Класифікація за природою функціональної групи. Функціональна група — структурний фрагмент молекули, що визначає її хімічні властивості. Наприклад, властивості алкенів визначаються насамперед присутністю подвійного вуглець-вуглецевого зв’язку, карбонових кислот — карбоксильної групи —СООН, спиртів — наявністю гідроксилу —ОН і т. д. За природою функціональної групи вирізняються різноманітні класи органічних сполук, основні з яких наведені в табл. 2.1.
За кількістю та однорідністю функціональних груп органічні сполуки поділяють на моно-, полі- і гетерофункціональні.
Монофункціональні містять одну функціональну групу, поліфункціональні — кілька однакових, а гетерофункціональні — кілька різних груп:
сн3—сн2—ОН н2м—сн2—сн2—ЇЧН2 н2м—сн2—сн2—он
монофункціональна сполука поліфункціональна сполука гетерофункціональна сполука
Усі класи органічних сполук тісно взаємопов’язані. Існує багато шляхів переходу від одних класів до інших через перетворення функціональних груп.
КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
---- 25
Таблиця 2.1
Класи органічних сполук
Назва класу Загальна формула Функціональна група
позначення назва
Г алогенопохідні вуглеводнів К—Наі —Наі (—Р, —СІ, —Вг, —І) Галоген
Спирти, феноли К—ОН —ОН Гідроксильна
Тіоспирти, тіофеноли К— 8Н —8Н Сульфгідрильна, меркаптогрупа
Етери К— 0—К —ОК К-оксигрупа
Сульфіди (тіоетери) К— 8—К —8К К-тіогрупа
Альдегіди К—СНО 1 А а о Альдегідна
Кетони О II о )с=о Кетогрупа
Карбонові кислоти к—соон -с<° Х)Н Карбоксильна
Нітрили к—СN —с=^ Нітрильна, ціаногрупа
Сульфонові кислоти К—8О3Н 0 II —8—ОН II 0 Сульфогрупа
Нітросполуки К—К02 о о + х 1 Нітрогрупа
Нітрозосполуки К—N0 —N=0 Нітрозогрупа
Аміни К—ИН2 —ИН2 Аміногрупа
Діазосполуки В—Х=\Х“ — Діазогрупа
Азосполуки к—К —N=N— Азогрупа
2.2. НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Номенклатура органічних сполук складалась упродовж усього періоду розвитку органічної хімії. В історичному аспекті слід виділити три основні номенклатурні системи: тривіальну, раціональну і міжнародну (ШРАС).
Тривіальна номенклатура. Перші назви, які давалися органічним сполукам, були випадковими. Тривіальні, або емпіричні, назви сполук відбивають природні джерела сполук (мурашина і лимонна кислоти, сечовина, індиго, кофеїн), способи добування (пірогалол, піровиноградна кислота), характерні властивості (пікринова і капронова кислоти, флуоресцеїн, малахітовий зелений), імена першовідкривачів (реактив Гриньяра, кетон Міхлера). Тривіальні назви органічних сполук міцно
Глава 2
26
вкоренилися, і багато з них досі загальновизнані. Особливо широко ними користуються для позначення складних сполук і нових сполук невстановленої будови. Ці назви не відображають реальної хімічної будови, їх кількість значна і продовжує збільшуватися.
Раціональна номенклатура. Це перша номенклатура, за якою почали враховувати в назві речовини її будову. В основі раціональних назв використовується принцип поділу органічних сполук на гомологічні ряди.
Гомологічним називають ряд сполук, в якому кожний наступний представник відрізняється від попереднього на групу СН2.
Відповідно до раціональної номенклатури всі речовини в певному гомологічному ряду розглядаються як похідні найпростішого представника цього ряду, зокрема в алканів — метану1, в алкенів — етилену і т. д.:
сн4 СН,—СН2—СН, н2с=сн2 сн,—сн=сн2
метан диметилметан етилен метилетилен
Однак для назви складних хімічних структур раціональна номенклатура виявилася непридатною. Нині застосування цієї номенклатури обмежене.
Міжнародна номенклатура (ГОРАС). Основи міжнародної номенклатури закладені 1892 року на Міжнародному конгресі хіміків у Женеві (женевська номенклатура). У 1930 році на X конгресі хіміків у Льєжі вона була дещо вдосконалена і доповнена (льєзька номенклатура) і, нарешті, на XIX конгресі Міжнародного союзу теоретичної і прикладної хімії 1957 року було розроблено правила сучасної номенклатури, відомої під назвою «номенклатура ШРАС»2 .
Номенклатурні правила ГОРАС визнані в усіх країнах світу і дозволяють дати однозначну назву будь-якій органічній сполуці.
В Україні 1992 року була створена Українська національна комісія з хімічної термінології і номенклатури (УНКоХіТерН), основним завданням якої було упорядкування української термінології за правилами ГОРАС. Використання рекомендацій дає можливість уникнути тих непорозумінь і відхилень від систематичної номенклатури, що виникають у результаті копіювання російських термінів. Традиційно арени називають бензол, толуол, ксилол, стирол, кумол, нафталін тощо, хоча суфікс -ол за правилами ГОРАС указує на присутність гідроксильної групи, а суфікс -ин (-ін) — потрійного зв’язку.
Рекомендовані назви бензен, толуен, ксилен, стерен, кумен, нафтален відповідають термінам Ьепхепе, іоіиепе, хуіепе, зїегепе, сигпепе, парМіаІепе. Запропоновано назви спиртів, фенолів: гліцерол, пентаеритрол, інозитол, холестерол, пірокатехол, резорцинол, флороглюцинол і т. ін.
Відродження і становлення української термінології дає можливість повернути вдалі терміни, що з’явилися в українських словниках ще в 20-х роках XX століття (етер, естер, етерифікація, естерифікація). Слід зазначити, що становлення української номенклатури вимагає певного часу, який і розставить усі акценти.
Номенклатура ГОРАС передбачає кілька варіантів утворення назв органічних сполук, з яких найбільш уживані замісниковий і радикало-функціональний.
Іноді з метою максимального спрощення побудови назв сполук використовують сполучниковий, замінний та інші варіанти номенклатури ГОРАС.
1 Назву «метан» присвоюють найбільш заміщеному атому Карбону.
2 ТІїе Іпіетаїіопаї ІІпіоп оґ Риге апб Аррііед Сйетізігу — Міжнародна спілка теоретичної і прикладної хімії.
КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
27
Замісникова номенклатура. При утворенні назв за замісниковою номенклатурою органічні сполуки розглядають як похідні найпростіших вуглеводнів, у молекулі яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені на інші атоми або групи атомів, які називаються замісниками.
При складанні назви за замісниковим варіантом номенклатури ШРАС передусім визначають, які функціональні групи входять до складу сполуки, і обирають серед них старшу (табл. 2.2).
Таблиця 2.2
Основні функціональні групи, розташовані в порядку зменшення старшинства
Назва класу Загальна формула Функціональна група Позначення
у префіксі у суфіксі
Катіони к3о+, К38+, кХ іії'І + -2 8" -ОНІО-* ** -оній*
Карбонові кислоти к—с^° \)Н -с(° он карбокси- -карбонова кислота
-(С)^° он — -ова кислота
Сульфонові кислоти К—8О3Н 0 —8—ОН II 0 сульфо- -сульфонова кислота
Солі карбонових кислот к-с^° ОМ X ом — метал.. .карбоксилат
-(С<° ом — метал... оат
Естери К.'— с^° ок -е<° ок К-оксикар-боніл- К...карбоксилат
-(С)^° ок — К...оат
Г ал огенангідриди ї і о и хНа1 галоформіл- -карбонілгалогенід
-(<Х° чНа1 — -оїлгалогенід
Аміди к-с^° чкн2 ~С\0 ХМН2 карбамоїл- -карбоксамід
-(С)<° ХЬІН2 — -амід
Нітрили к—с=и —с=и ціано- -карбонітрил
-(С)=М — -нітрил
* Природу катіона в назві вказують перед закінченням: оксоніо-(оксоній), амоніо-(амоній), сульфоніо-(сульфоній).
** Атом Карбону, указаний в дужках, входить до складу головного вуглецевого ланцюга.
Глава 2
28
Закінчення табл. 2.2
Назва класу Загальна формула Функціональна група Позначення
у префіксі у суфіксі
Альдегіди А 1 о /V форміл- -карбальдегід
-(С)^° хн оксо- -аль
Кетони я о II о /С=0 оксо- -он
Спирти к—он —он гідрокси- -ол
Феноли Аг—ОН —он гідрокси- -ол
Тіоли (тіоспирти) К— 8Н —8Н меркапто- -тіол
Гідропероксиди К—00Н —оон гідроперокси- —
Аміни К— ?Ш2 —мн2 аміно- -амін
Іміни к—сн=мн =тчн іміно- -імін
Якщо в сполуці міститься одна така трупа, вона вважається старшою; якщо дві і більше, старшою з них є розташована в табл. 2.2 вище. У назві органічної сполуки старша функціональна група позначається в суфіксі, а всі інші — у префіксі. За номенклатурними правилами ШРАС деякі функціональні групи не розглядають за старшинством і позначають у назві завжди в префіксі в алфавітному порядку.
Функціональні групи, що позначаються тільки в префіксі: —Вг (бромо-), —СІ (хлоро-), —Р (флуоро-), —І (йодо-), =И2 (діазо), —N3 (азидо-), —N0 (нітрозо-), /ОН
—1Ч02 (нітро-), =N6 (ацм-нітро-), —ОК. (К-окси-), —8К (К-тіо-) тощо.
О
Після визначення старшої групи встановлюють так звану родоначальну (материнську) структуру сполуки.
Родоначальною структурою називають структурний фрагмент молекули, покладений в основу назви. В ациклічних сполуках родоначальною структурою є головний вуглецевий ланцюг, у карбо- і гетероциклічних — цикл:
асоон
мн2
СООН
СН,—СН—СН,— ОН І сн3
__________1___________
Родоначальна структура
Як головний обирають той вуглецевий ланцюг, який містить максимальну кількість (за порядком зменшення значущості): а) функціональних груп (див. табл. 2.2); б) кратних (подвійних і потрійних) зв’язків; в) атомів Карбону; г) замісників.
Замісником називають будь-який атом або групу атомів, які не входять до родоначальної структури. Поняття «замісник» припускає як функціональну групу, так і радикал.
КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Радикалх являє собою залишок молекули вуглеводню, що утворюється в результаті видалення одного або кількох атомів Гідрогену.
Вільну валентність у радикалах позначають валентним штрихом. За кількістю вільних валентностей розрізняють одно-, дво- і тривалентні радикали:
сн3—сн2— сн3—сн= —сн2—сн2— сн3—с=
одновалентний радикал двовалентні радикали тривалентний радикал
Залежно від того, при якому атомі Карбону (первинному, вторинному або третинному) знаходиться вільна валентність, розрізняють первинні, вторинні і третинні радикали.
Первинним називають атом Карбону, безпосередньо зв'язаний тільки з одним атомом Карбону, вторинним — із двома, третинним — відповідно з трьома:
сн3
сн3
сн—сн2—сн—сн — сн — с—сн— сн— сн— сн— сн3 сн—с—
первинні радикали
сн3
вторинний радикал
сн3
третинний радикал
Назви і структурні формули деяких вуглеводневих радикалів наведені в табл. 2.3.
Таблиця 2.3
Назви вуглеводневих радикалів
Структурна формула Назва Структурна формула Назва
сн3— Метил нс=с— Етиніл
сн3—сн2— Етил нс=с—сн2— 2-Пропініл
сн3—сн2—сн2— Пропіл —сн2— Метилен
сн3 ;сн— сн/ Ізопропіл —сн2—сн2— Етилен
сн3—сн2—сн2—сн2— Бутил —сн2—сн2—сн2— Триметилен
сн3 ;сн—сн2— сн/ Ізобутил сн3—сн= Етиліден
1 Слід відрізняти від поняття «вільний радикал» (частинка з неспареним електроном), наприклад •СН3.
Глава 2
зо
Закінчення табл. 2.3
Структурна формула Назва Структурна формула Назва
СН—СН—СН2— СН3 втор-Бутил СН3 )с= сн/ Ізопропіліден
сн3 сн—с— СН3 трет-Бутил с6н5- Феніл
Н2С=СН— Вініл; етеніл С6Н-СН- Бензил
н2с=сн—сн2— Аліл; 2-пропеніл с6н5—сн= Бензиліден
сн3—сн=сн— 1-Пропеніл С6Н5-С= , Бензил ідин
Визначивши родоначальну структуру, проводять нумерацію атомів Карбону таким чином, щоб старша група одержала якомога менший номер. Якщо сполука не має старшої групи, перевагу при нумерації (якмога менші номери) віддають положенням кратних зв’язків, а за їх відсутності — замісникам.
Нарешті, складають назву всієї сполуки, дотримуючись такої послідовності'. спочатку за алфавітним порядком указують функціональні групи (крім старшої) і вуглеводневі радикали (префікс), потім — назву родоначальної структури (корінь), наприкінці — кратні зв’язки і старшу функціональну групу (суфікс)'.
Назва
Функціональні групи (крім старшої); вуглеводневі радикали (за алфавітним порядком)
Родоначальна структура (головний вуглецевий ланцюг або цикл)
Суфікс І Старша функціональна група; кратні зв’язки
Подвійний зв’язок у назві позначається суфіксом -єн, потрійний---ін (-ин).
Положення замісників і кратних зв’язків указують цифрами або буквами (локан-тами). За наявності в молекулі кількох однакових замісників або кратних зв’язків для їх позначення застосовують множні префікси: ди- (два), три- (три), тетра-(чотири), пента- (п’ять) і т. д.
функціональна
Старша
група
КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
31
(функціональна (родоначальна (старша функціо-група і вуглеводневі структура) нальна група)
радикали)
Радикало-функціональна номенклатура. Для деяких органічних сполук номенклатура ШРАС, поряд із замісниковим, передбачає і радикало-функціональний варіант утворення назв. В основу цих назв покладено назву функціонального класу (спирт, етер, кетон тощо), якому передують найменування вуглеводневих радикалів:
сн3—сн2—он сн3—сн3—о—сн2—сн3
етиловий спирт діетиловий етер
о
II н2с=сн—сн2—СІ
сн—с—сн3 2 2
диметилкетон алілхлорид
Якщо сполука містить кілька функціональних груп, то аналогічно замісниковій номенклатурі старша з них визначає належність до класу, який беруть за основу назви, решту вказують у префіксах. Для позначення родоначальної структури частіше застосовують тривіальні назви. У радикало-функціональній номенклатурі як локанти зазвичай використовують літери грецького алфавіту а, р, у, 8 і такі інші, причому літерою а позначають найближчий від старшої функціональної групи атом Карбону, р — другий, у — третій і т. д.
ура р а
н2іч—сн2—сн2—сн2— он сі—сн2—СН2— С=№
у-амінопропіловий спирт Р-хлоретилціанід
Розглянуті в цій главі основні принципи номенклатури органічних речовин є лише коротким поясненням до численних назв і номенклатурних правил, викладених у наступних главах підручника, присвячених конкретним класам сполук.
Глава З
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
Вивчення органічної хімії значно спростилося завдяки розвитку теорії хімічного зв’язку. На підставі існуючих уявлень про природу хімічного зв’язку та електронну структуру молекул стало можливим пояснити реакційну здатність органічних сполук, зрозуміти і запам’ятати фактичний матеріал хімії.
3.1. ТИПИ ХІМІЧНИХ ЗВ’ЯЗКІВ
У 1916 році німецький учений Вальтер Коссель і американський учений Гільберт Ньютон Льюїс запропонували електронну теорію хімічного зв’язку, яка стала важливим етапом у розвитку теорії будови. Відповідно до електронної теорії хімічний зв ’язок розглядається як результат взаємодії зовнішніх електронних оболонок (валентних електронів) атомів. З огляду на хімічну інертність благородних газів, їх зовнішні електронні оболонки (для Гелію — двоелектронна, для Неону, Аргону і под,— восьмиелектронна) вважають найбільш стійкими до взаємодії. Намагання атомів інших елементів зв’язуватися один з одним обумовлено нестійкістю їх валентних оболонок. Тому кожен атом, утворюючи хімічний зв’язок, приймає, віддає або успільнює валентні електрони таким чином, щоб його зовнішня електронна оболонка відповідала конфігурації інертних газів. Такий принцип заповнення валентних оболонок отримав назву «октетне правило», або «правило октету».
Залежно від способу утворення розрізняють два основних типи хімічного зв ’язку — іонний і ковалентний.
Іонний зв’язок утворюється між атомами, які значно відрізняються за електро-негативністю. Електронна конфігурація інертного газу досягається в цьому випадку шляхом перенесення електрона до більш електронегативного атома. Таким чином утворюються протилежно заряджені іони, які електростатично взаємно притягаються. Тому іонний зв’язок називають ще електровалентним:
Ка + «СІ: —► Ма+СГ • •
У наведеному прикладі іон Натрію має електронну конфігурацію Неону, а іон Хлору — конфігурацію Аргону.
Сполуки з іонним зв’язком мають високі температури плавлення, добре розчиняються в полярних розчинниках, у водних розчинах дисоціюють на іони. їх розчини і розплави проводять електричний струм.
Ковалентний зв’язок — основний тип хімічного зв’язку в органічних сполуках. Він утворюється між атомами, рівними або близькими за електронегативністю. Електронна конфігурація інертного газу в цьому випадку досягається за рахунок успільнення валентних електронів і формування однієї або кількох спільних електронних пар:
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
33
•С- + 4Н-9
метан
н
І н—с—н
І н
Унаслідок успільнення валентних електронів Карбону і Гідрогену утворюються чотири електронні пари, які спільні для цих атомів. Атом Карбону при цьому набуває конфігурацію Неону, а атоми Гідрогену — конфігурацію Гелію. Кожна з успільнених пар електронів складає ковалентний зв’язок, який позначається у вигляді валентного штриха (—).
При утворенні ковалентного зв’язку між атомами з однаковою електронегативністю спільна електронна пара розташовується симетрично відносно центрів обох атомів. Такий зв’язок називають ковалентним неполярним'.
Н3С$СН3 = Н3С—СН3 _____________етан_____________ ковалентний неполярний зв’язок
Якщо в утворенні ковалентного зв’язку беруть участь атоми з різною електронегативністю, то спільна пара електронів зміщується до атома з більшою електронегативністю. Такий зв’язок називають ковалентним по-
лярним'.
X 2+ «-
н3сфсі = Н3С->С1 хлорометан ковалентний полярний зв’язок
Полярний ковалентний зв’язок зображують у вигляді стрілки (—►), спрямованої до більш електронегативного атома. Літерою 8 (грец. «дельта») умовно позначають часткові заряди на атомах. Символ 3+ відображає понижену, а 8- — підвищену електронну густину.
Залежно від кількості спільних електронних пар, що виникають між атомами при утворенні зв’язку, розрізняють прості і крат-
Альфред Бернхард НОБЕЛЬ (1833-1896)
Шведський інженер-хімік, винахідник і промисловець. Народився в Стокгольмі (Швеція). У1843—1850 роках жив у Петербурзі, де його батько займався розробкою та виробництвом торпед і мін для підводних човнів. З 1850 року вивчав хімію в Німеччині, Франції, Італії і США. Винаходи пов’язані з виробництвом вибухових речовин (динаміт, балістит тощо). В останні роки життя проводив дослідження в галузі електрохімії, оптики, біології.
Отримані 355 патентів зробили його заможною людиною. Він ніколи не був одружений і після смерті все своє багатство ($ 9 200 000) заповідав для заснування премій тим, хто «приніс неоціненну користь людству».
Він заповів, щоб уся сума була інвестована, а щорічний доход розділявся на п’ять рівних частин, якими будуть нагороджені люди, котрі внесли значний вклад у галузі хімії, фізики, фізіології, медицини, літератури, а також людина, яка найбільше зробила для досягнення рівності серед націй, роззброєння, проведення конгресів, присвячених проблемі миру в усьому світі. Як особливу умову Нобель застерігав, що премія має присуджуватися кандидатам будь-якої національності, кожна премія може бути розділена не більше ніж між трьома кандидатами і не може бути присуджена посмертно.
Нобель заповідав, щоб премії присуджували такі організації: в галузі хі-
Глава З
34
мії і фізики — Королівська академія наук Швеції, у галузі фізіології або медицини — Каролінський інститут у Стокгольмі, в галузі літератури — Шведська академія, за мир — комітет у складі п’яти осіб, обраних Норвезьким парламентом. Обговорення проходить таємно, і апеляції з приводу рішень не допускаються. Перша нагорода була вручена 1901 року. У 1969 році Шведський центральний банк заснував премію в галузі економіки на честь Альфреда Нобеля. Лауреат цієї премії вибирається Королівською академією наук Швеції. 10 грудня — у річницю смерті А. Нобеля — у Стокгольмі проходить церемонія вручення премій; премія за мир вручається в Осло.
ні ковалентні зв'язки. Прості представлені однією, кратні — двома або трьома парами електронів:
простий ковалентний зв’язок
кратний ковалентний зв’язок
Атоми Нітрогену, Оксигену, Сульфуру, галогенів та деяких інших елементів при утворенні ковалентних зв’язків формують октетну оболонку успільненням не всіх зовнішніх електронів. Частина електронів не бере участь в утворенні хімічних зв’язків. Ці електрони називають неуспільненими, непо-діленими, або п-електронами\
СН— о—Н СН3—8—Н СН3— СІ:
метанол
метантіол хлорометан
Донорно-акцепторний зв'язок — це різновид ковалентного зв’язку. Якщо ковалентний зв’язок утворюється шляхом успільнення пари електронів по одному від кожного атома, то донорно-акцепторний — за рахунок двох електронів, наданих одним з атомів. При цьому атом, що постачає пару електронів у спільне користування, називають донором, а атом, що приймає електрони,— акцептором. Донор повинен мати пару неподілених електронів. Акцептором може бути протон або інший атом, в якого не вистачає до утворення октету двох електронів.
За донорно-акцепторним механізмом, наприклад, відбувається утворення іона амонію, гідроксонію і под.:
н—№ + Н+ —► н—14 — Н = н—и—Н
І І І
н н[н
донор акцептор іон амонію
Оскільки пара електронів атома Нітрогену пішла на утворення зв’язку з протоном і стала спільною для обох атомів, атом Нітрогену набуває позитивного заряду. Утворений в іоні амонію за донорно-акцепторним механізмом ковалентний зв’язок нічим не відрізняється від трьох інших зв’язків.
Донорно-акцепторний зв’язок називають ще координаційним, оскільки при його утворенні відбувається процес координації неподіленої електронної пари.
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
35
Окремим різновидом донорно-акцепторного зв’язку є семіполярний зв’язок. Він утворюється при взаємодії атомів, що мають неподілені електронні пари (донори), з електронейтральними частинками, які містять секстет електронів (акцептори). Унаслідок утворення координаційного зв’язку атом-донор здобуває позитивний заряд, а атом-акцептор — негативний. У результаті ці два атоми виявляються зв’язаними подвійно: ковалентним і іонним зв’язком. Нижче наведені приклади утворення семіполярного зв’язку в молекулах триметиламін-ЬІ-оксиду і нітробензену:
СН, СН, СН,
І . І _ І
СН3— N5 + о: —► СН3—М+:О: = СН3— 0“
сн3 сн3 сн3
триметиламін триметиламін-М-оксид
•• •• +
СЙН —N=0 + о: —► СЙН — = СбН5—
О
0 3 •• 0 3 *0*
нітрозобензен нітробензен
Незважаючи на те що в семіполярних зв’язках поряд з ковалентним зв’язком є і іонна взаємодія, сполуки, побудовані за цим типом, не проводять електричний струм. Семіполярний зв’язок прийнято позначати в такий спосіб:
+/> /Р
К—КГ або В—
0“ О
Водневий зв’язок утворюється внаслідок електростатичної взаємодії між активними атомами Гідрогену в молекулі та атомами з неподіленою електронною парою (—О—, ——р:, іноді —8—, —Сі:) у цій же або іншій молекулі.
Активними називають атоми Гідрогену, зв ’язані в молекулі сильнополярним кова-. тним їв ’язком, наприклад:
—СН-Н, /М^Н, — тощо.
Графічно водневий зв’язок позначають трьома крапками:
^N—№••0
водневий зв язок
Енергія водневого зв’язку (10—40 кДж/моль) порівняно з енергією ковалентного зв’язку (340—360 кДж/моль) невелика.
Розрізняють внутрішньомолекулярн\ і міжмолекулярні водневі зв’язки. Внут-рішньомолекулярні водневі зв’язки (ВВС) виникають у межах однієї молекули з утворенням п’яти-, шести- або семичленних хелатоподібних структур (від лат.
сНеІа — клішня):
о-хлорофенол
Глава З
36
Міжмолекулярні водневі зв’язки (МВС) виникають між двома або кількома молекулами з утворенням димерів або асоціатів:
МВС .о-и-о н,с—С" іс—сн,
о—н—о
димер оцтової кислоти
МВС
асоціат етилового спирту
Наявність водневих зв’язків впливає на фізичні (температура кипіння і плавлення, розчинність, в’язкість, спектральні характеристики) і хімічні властивості органічних сполук. Міжмолекулярний водневий зв’язок сприяє підвищенню температури кипіння, а часто і температури плавлення речовини. Температура кипіння етилового спирту С2Н5ОН (78 °С) значно вища за рахунок утворення асоціатів, ніж диметилового етеру СН3—О—СН3 (-24°С), що має однакову з ним молекулярну масу, але не здатний утворювати водневий зв’язок. Аналогічно вища температура плавлення .«-нітрофенолу (97°С) і «-нітрофенолу (114°С) порівняно з о-нітрофенолом (45 °С) пояснюється утворенням міжмолекулярного водневого зв’язку.
о-нітрофенол 'п„ = 45°С
ВВС
Утворення водневого зв’язку між розчиненою речовиною і розчинником (якщо це можливо) значно збільшує розчинність речовини.
Водневий зв’язок, особливо внутрішньомолекулярний, впливає на конформацію молекул і швидкість перебігу хімічних реакцій.
Установити наявність водневого зв’язку можна за допомогою методів ІЧ-, КР-і ЯМР-спектроскопії. Наприклад, в інфрачервоних спектрах гідроксиловмісних сполук (спирти, феноли) спостерігається смуга поглинання вільної ОН-групи в ділянці 3650—3590 см-1, якщо ж ця група бере участь в утворенні водневого зв’язку, смуга поглинання виявляється в ділянці 3400—3200 см-1.
Водневі зв’язки відіграють важливу роль у перебігу різноманітних біохімічних процесів в організмі. Вони визначають просторову структуру білків, полісахаридів, беруть участь в утворенні подвійної спіралі ДНК тощо.
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
37
3.2. КВАНТОВО-МЕХАНІЧНІ ОСНОВИ ТЕОРІЇ ХІМІЧНОГО ЗВ’ЯЗКУ
Сучасна теорія хімічного зв’язку ґрунтується на квантово-механічному розгляді молекули як системи, що складається з електронів і атомних ядер. Квантово-механічний підхід до вивчення хімічних систем базується на розв’язанні хвильового рівняння Ервіна Шредінгера де Я — оператор Гамільтона, Е — повна
енергія системи, Т (грец. «пси») — хвильова функція.
Рівняння Шредінгера описує енергію молекули будь-якої сполуки відповідно до хвильової функції, яка характеризує розподіл електронної густини в полі атомних ядер. Розв’язання рівняння зводиться до знаходження хвильової функції Т, залежної від просторових координат і спінових змінних усіх електронів. Квадрат модуля хвильової функції |'Р|2 визначає імовірність виявлення електрона в «точці» простору, а сама функція Т описує орбіталь.
АТОМНІ ОРБІТАЛІ
Атомною орбіталлю (АО) називають ділянку простору, усередині якої імовірність знаходження електрона максимальна.
Відповідно до квантової теорії стан будь-якого електрона в атомі описується чотирма квантовими числами: п, І, т, з. Перші три числа характеризують атомну орбіталь: головне квантове число п визначає енергетичний рівень орбіталі, побічне квантове число І — геометричну форму орбіталі, магнітне квантове число т — орієнтацію різних атомних орбіталей у просторі. Спінове квантове число з описує обертання електрона навколо власної осі.
З курсу неорганічної хімії студентам відомі геометричні форми з-, р-, «/-атомних орбіталей (рис. 3.1).
5-орбіталь
Рис. 3.1. Геометрична форма 5-, р-, <7-атомних орбіталей
Атомні орбіталі 5-типу мають сферичну симетрію. Існують три однакові за енергією />-АО гантелеподібної форми, які відрізняються одна від одної орієнтацією в просторі: рх, ру, рг (рис. 3.2).
р^-орбіталь
вузлова ділянка
Рис. 3.2. Орієнтація р-атомних орбіталей по осях координат
Глава З
38
Ервін ШРЕДІНГЕР (1887-1961)
Австрійський фізик-теоретик. Один із творців квантової механіки. Розробив теорію руху мікрочастинок — хвильову механіку, в основу якої поклав виведене ним (1926) хвильове рівняння. Рівняння Шредінгера описує енергію молекули будь-якої хімічної сполуки відповідно до хвильової функції, яка характеризує розподіл електронної густини в полі атомних ядер.
Лауреат Нобелівської премії з фізики (1933, разом з П. Діраком).
Кожна /?-орбіталь має вузлову ділянку, в якій імовірність перебування електрона дорівнює нулю. Існує п’ять атомних орбіталей б/-типу з більш складною геометричною формою.
Відповідно до принципу Паулі на одній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів, і ці електрони повинні мати протилежні спіни (умовно позначається ЕЛ).
Заповнення атомних орбіталей електронами здійснюється в порядку зростання енергій: І5 < 25 < 2р < 35 < Зр < 45 < 3(1 і т. д.
Атомну орбіталь, не зайняту електронами, називають вакантною (умовно позначається □).
Відповідно до правила Гунда заповнення орбіталей з однаковою енергією (так званих вироджених орбіталей) відбувається за таким порядком: спочатку кожна орбіталь заселяється одним електроном, і ці електрони повинні мати паралельні спіни, потім відбувається остаточне заповнення орбіталі електронами з антипаралельними спінами.
У табл. 3.1 наведені електронні конфігурації елементів, які найчастіше зустрічаються в органічній хімії.
Таблиця 3.1
Будова електронних оболонок атомів Гідрогену, Карбону, Нітрогену та Оксигену
Елемент Тип орбіталей Електронна конфігурація
І8 28 2Рх 2Ру
Н т І5
С п ТІ т 1?2?2р2
N Н'-п. Л| " і. • У^лґр-г‘1 ; . т т ; 1^2^^ , '
О 'VI, ЛІі
Ковалентний зв’язок. Для опису ковалентного зв’язку з позицій квантової механіки використовують метод молекулярних орбіталей (МО) і валентних зв’язків (ВЗ). Обидва методи являють собою математичні прийоми наближеного розв’язання рівняння Шредінгера стосовно молекули.
За методом ВЗ (теорія резонансу) ковалентний зв’язок розглядається як результат перекривання атомних орбіталей, які несуть по одному електрону з протилежними спінами. При цьому атомні орбіталі зберігають свою індивідуальність, а пара електронів локалізується в просторі між ядрами атомів. Застосування методу
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
ВЗ для опису молекули зводиться до складання максимальної кількості так званих резонансних структур і розгляду реальної молекули як гібрида цих структур.
Резонансними, або граничними, називають структура, які відрізняються тільки •шинуванням електронів.
Наприклад, молекулу водню Н—Н можна зобразити як гібрид граничних структур Н+Н" -*—► Н Н+ (-—► позначення резонансу). Теорія резонансу застосовується здебільшого для якісної оцінки реакційної здатності органічних сполук.
У методі МО теж виходять з припущення, що ковалентний зв’язок утворюється внаслідок перекривання одноелекгронних АО. Однак, на відміну від методу ВЗ, атомні орбіталі тут не зберігають своєї індивідуальності, а замість них утворюється така ж кількість орбіталей нового типу, названих молекулярними орбіталями (МО). З двох АО утворюється дві МО, з чотирьох — чотири, із шести — шість і т. д. Молекулярні орбіталі відрізняються від атомних тим, що електронні хмари оточують ядро вже не одного атома, а двох або кількох. Для утворення МО необхідно, щоб атомні орбіталі мали близькі енергії, однакову симетрію відносно лінії зв’язку в молекулі і достатню для перекривання довжину в просторі. На рис. 3.3 показана схема утворення ковалентного зв’язку в молекулі водню.
Рис. 3.3. Схема утворення ковалентного зв’язку Н—Н
Як бачимо, перекривання двох атомних орбіталей приводить до утворення двох молекулярних орбіталей. Одну з них, що має нижчу енергію, ніж вихідні АО, називають зв ’язуючою орбіталлю, другу, яка має вищу енергію, ніж АО, що її утворила, називають антизв ’язуючою орбіталлю. Заповнення молекулярних орбіталей електронами відбувається аналогічно заповненню атомних, тобто за принципом Паулі і відповідно до правила Гунда. Спочатку електрони займають більш низькі за енергією зв ’язуючі орбіталі, що приводить до утворення хімічного зв’язку між атомами. Молекулярна антизв’язуюча орбіталь в основному стані залишається вакантною. Її заповнення електронами відбувається при збудженні молекули, що призводить до послаблення зв’язку і розпаду молекули на атоми. Таким чином, за методом МО утворення ковалентного зв’язку уявляється як перехід двох електронів з атомних орбіталей на зв’язуючу молекулярну орбіталь.
Поряд зі зв’язуючими і антизв’язуючими МО існують незв’язуючі молекулярні '.талі, на яких розташовуються неподілені пари електронів.
Глава З
40
3.2.1. ГІБРИДИЗАЦІЯ АТОМНИХ ОРБІТАЛЕЙ
За квантово-механічною теорію хімічного зв’язку число утворених атомом ковалентних зв’язків визначається кількістю одноелекгронних атомних орбіталей, тобто кількістю неспарених електронів. Однак насправді атоми деяких елементів утворюють більше число ковалентних зв’язків порівняно з кількістю неспарених електронів в основному стані. Так, атом Карбону в основному стані має два неспарених електрони, але, як відомо, в органічних сполуках він утворює чотири ковалентні зв’язки. Це можна пояснити, якщо уявити, що один з 25-електронів переходить на вакантну 2рг-орбіталь:
І5 2з 2Рх 2р^
п 1! і і
_______А
основний стан атома Карбону
ц 2з 2Рх 2/\ 2Р?
и І і і І
збуджений стан атома Карбону
У такому стані, який називають збудженим, атом Карбону має чотири одно-електронні орбіталі. Оскільки валентні орбіталі Карбону нерівноцінні (одна — з, а три — р), то і ковалентні зв’язки, утворені з їхньою участю, не повинні бути еквівалентними. У дійсності ж, наприклад, у молекулі метану СН4 усі чотири ковалентні зв’язки С—Н рівноцінні. Для пояснення цього факту в квантово-механічній теорії хімічного зв’язку введене математично обгрунтоване поняття про гібридизацію атомних орбіталей.
Суть гібридизації полягає в тому, що з декількох різних за формою і близьких за енергією атомних орбіталей утворюється така ж кількість однакових за формою та енергією гібридних орбіталей. Наприклад, при взаємодії однієї з- і трьох р-атомних
Рис. 3.4. Будова атома Карбону в 5р3-гібридизації:
а — схема утворення гібридних $/>3-орбіталей; б — взаємне розташування орбіталей при ^-гібридизації
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
41
орбіталей утворюються чотири гібридні орбіталі. За формою гібридна орбіталь відрізняється як від 5-, так і від р-орбіталей, являючи собою несиметричну об’ємну вісімку: Гібридні орбіталі є атомними орбіталями, але виникають тільки
в процесі утворення хімічного зв’язку і не відбивають реальної структури вільного атома. У результаті перекривання більшої частки гібридної орбіталі з атомними орбіталями інших атомів утворюється ковалентний зв’язок. Порівняно з негібри-дизованими гібридні орбіталі вигідніші геометрично і внаслідок більшого перекривання з орбіталями інших атомів утворюють більш міцні зв’язки.
Для атома Карбону характерні три типи гібридизації з участю 5- і р-орбіталей: хр3-, хр2- і хр-гібридизація. Кожному з цих видів відповідає певний валентний стан атома.
хр3-Пбрцдизація атома Карбону (перший валентний стан). При зр3-гібридизації з однієї х- і трьох р-орбіталей утворюються чотири якісно нові, рівноцінні хр5-гіб-ридні орбіталі, направлені в просторі під кутом 109° 28' (від центра правильного тетраедра до його вершин). Тому зр3-гібридизацію називають ще тетраедричною (див. рис. 5.1, а).
Виходячи зі схеми, наведеної на рис. 3.4, можна припустити, що частка х-хмари в гібридних хр3-орбіталях дорівнює 1/4. У першому валентному стані атом Карбону утворює лише прості ковалентні зв’язки.
Алотропні модифікації Карбону
У вільному стані Карбон існує в трьох алотропних модифікаціях — алмаз, графіт, фу-лерени, що відрізняються структурою кристалічних решіток.
алмаз графіт фулерен С60
Міцну структуру алмазу визначає тетраедричну конфігурація ^-гібридизованих атомів Карбону. Алмаз — октаедричний кристал. Має найбільшу твердість серед усіх природних речовин. Шліфується тільки власним порошком. Огранені алмази називають діамантами. Алмаз не проводить електричний струм. При температурі 1500 °С перетворюється в графіт.
Тригональна конфігурація ^-гібридизованих атомів Карбону визначає плоску гексагональну решітку графіту. Шари гексагональних структур утримуються за рахунок слабких вандерваальсових сил. Графіт м’який, легко розщеплюється на шари, залишаючи слід на твердій поверхні. Проводить електричний струм, сублімується при температурі вище 3800°С. Серед продуктів сублімації графіту була виявлена третя модифікація Карбону — фулерени (див. с. 214).
Глава З
42
^-Гібридизація атома Карбону (другий валентний стан). .^-Гібридизація здійснюється внаслідок взаємодії однієї 5- і двох р-орбіталей (рх, ру). Таким чином утворюються три еквівалентні зр2 -гібридні орбіталі, що лежать в одній площині під кутом 120° (див. рис. 5.1, б). Тому зр2-гібридизацію називають ще тригональною. Залишена негібридизованою рг-орбіталь розташована в площині, перпендикулярній до площини гібридних орбіталей (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Будова атома Карбону в 5/г-гібридизації:
а — схема утворення гібридних я/г-орбіталей; б — взаємне розташування орбіталей при ^“-гібридизації
Умовно частка 5-хмари в $р2-гібридних орбіталях дорівнює 1/3. Атом Карбону в .уЛгібридизації утворює подвійний зв’язок.
2з-орбіталь
дві хр-гібридні орбіталі
дві хр-гібридні і ру~, ру-орбіталі б
Рис. 3.6. Будова атома Карбону в хр-гібридизації:
а — схема утворення гібридних хр-орбіталей: б — взаємне розташування орбіталей при хр-гібридизації
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
43
лр-Гібридизація атома Карбону (третій валентний стан). зр-Гібридизація виникає внаслідок злиття однієї з- і однієї р-орбіталей (рх). При цьому утворюються дві зр-гібридні орбіталі, розташовані одна відносно одної під кутом 180°. Звідси
. юридизацію називають лінійною. Негібридизовані ру- і рг-орбіталі розташовані у взаємно перпендикулярних площинах і під прямими кутами до зр-гібридних орбіталей (рис 3.6).
Частка з-хмари в гібридних зр-орбіталях дорівнює 1/2. Атом Карбону в стані зр-гібридизації утворює потрійний зв’язок.
Слід зазначити, що поряд із трьома граничними варіантами гібридизації з-і р-орбіталей існує багато проміжних типів. Для експериментальної оцінки характеру гібридної орбіталі успішно використовують ЯМР-спектроскопію.
3.2.2. КОВАЛЕНТНІ о- І л-ЗВ’ЯЗКИ
Залежно від способу перекривання атомних орбіталей розрізняють ковалентні зв’язки двох типів: о- (грец. «сигма») зв’язки і я- (грец. «пі») зв’язки.
п-Зв’язком називають одинарний ковалентний зв’язок, утворений у результаті перекривання атомних орбіталей уздовж лінії, яка з ’єднує ядра двох атомів, що зв 'взуються (о-перекривання) (рис 3.7).
а б
в г
Рис. 3.7. Схема перекривання атомних орбіталей при утворенні с-зв’язку: а — тип з—з; б — тип з—р; в — тип з—зр3', г — тип зр3—зр3
Молекулярні орбіталі, що виникають при цьому, називаються відповідно о-МО (зв’язуюча молекулярна орбіталь) і о*-МО (антизв’язуюча молекулярна орбіталь) (див. рис. 3.3). Максимальна електронна густина при о-перекриванні знаходиться на осі, що з’єднує ядра двох атомів, які зв’язуються.
У більшості органічних сполук о-зв’язки утворюються переважно за рахунок перекривання гібридних зр3-, зр2- і зр-орбіталей, які є енергетично вигіднішими і забезпечують більш ефективне перекривання (рис. 3.8). У молекулі етану о-зв’язки С—Н утворюються внаслідок осьового з—зр3-перекривання, а о-зв’язок С—С — за рахунок зр2—зр3-перекривання орбіталей. Оскільки максимальна електронна густина при ^-перекриванні зосереджена в просторі між ядрами атомів, то <з-зв ’язок має велику міцність.
Поряд з перекриванням атомних орбіталей уздовж осі, що з’єднує ядра атомів, існує так зване бокове перекривання атомних орбіталей. У ньому беруть участь тільки паралельно розташовані р-атомні орбіталі.
Глава З
44
Рис. 3.8. Утворення о-зв’язків у молекулі етану СН3—СН3
Я Н
Iа Iа
Iа 1° н н
Бокове перекривання р-орбіталей називають п-перекриванням, а зв ’язок, що утворюється,— п-зв’язком (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Схема перекривання атомних орбіталей при утворенні л-зв’язку
У результаті л-перекривання двох р-атомних орбіталей утворюються дві молекулярні л-орбіталі, одна з яких називається л-зв’язуючою МО, інша — л*-анти-зв’язуючою МО. В основному стані обидва електрони займають зв’язуючу л-ор-біталь, що приводить до утворення л-зв’язку. Максимальна електронна густина л-зв’язку сконцентрована у двох ділянках — вище і нижче осі, яка з’єднує ядра атомів. Тому л-зв’язок слабший, ніж о-зв’язок. л-Зв’язок утворюється лише між атомами, які знаходяться в зр2- і зр-гібридному стані (рис. 3.10).
У молекулі етилену (рис. 3.10,10.1) атоми Карбону знаходяться в зр2-гібридизації. о-Перекривання трьох гібридизованих орбіталей кожного з атомів Карбону дає вже розглянуті вище о-зв’язки (два С—Н і один С—С). л-Перекривання двох не-гібридизованих р-орбіталей дає вуглець-вуглецевий л-зв’язок. Унаслідок цього між атомами Карбону утворюється подвійний зв’язок, який являє собою поєднання о- і л-зв’язків. При цьому л-зв’язок розташований у площині, перпендикулярній до площини о-зв’язку.
Аналогічно утворюється л-зв’язок між атомами, що знаходяться в зр-гібридному стані.
У молекулі ацетилену (рис. 3.11, 12.1) атоми Карбону знаходяться в зр-гібри-дизації та утворюють між собою потрійний зв’язок, що складається з одного о-і двох л-зв’язків. о-Зв’язок виникає за рахунок перекривання зр-гібридизованих
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
45
Рис. 3.10. Утворення тг-зв’язку в молекулі етилену Н2С=СН2: а — атомно-орбітальна модель етилену; б — л-зв’язок
Рис. 3.11. Утворення л-зв’язків у молекулі ацетилену НС=СН: а — атомно-орбітальна модель ацетилену; б — л-зв’язки
орбіталей, а чотири р-орбіталі утворюють два л-зв’язки, розташовані у взаємно перпендикулярних площинах.
Залежно від кількості електронних пар, які беруть участь в утворенні хімічного зв’язку між двома атомами, розрізняють прості і кратні ковалентні зв ’язки. Прості зв’язки, їх ще називають одинарними, представлені завжди о-зв’язком. До складу кратних зв’язків поряд з о-зв’язком уходить також л-зв’язок. Розрізняють подвійні і потрійні кратні зв ’язки.
3.2.3. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОВАЛЕНТНОГО ЗВ’ЯЗКУ
Довжина зв’язку. Довжиною зв’язку називають відстань між центрами зв ’язаних у молекулі атомів. Для визначення довжини зв’язку застосовують дифракцію рентгенівських променів, дифракцію електронів і спектроскопічні методи. Оскільки атоми в молекулі знаходяться в постійному коливальному русі, довжини зв’язків є наближеними величинами. У табл. 3.2 наведені довжини найбільш розповсюджених ковалентних зв’язків.
У хімічній літературі довжини зв’язків звичайно наводяться в ангстремах (А) або нанометрах (нм). У міжнародній системі одиниць (СІ) як одиницю вимірювання
Глава З
46
Таблиця 3.2
Довжини хімічних зв’язків
їв’ ІЗОК Довжина ^в язок Довжина
А нм пм А нм пм
Схр3—Н ЇДІ 0,111 111 С=И 1,16 0,116 116
Сзр3—С$р3 1,54 0,154 154 с—Р 1,39 0,139 139
Схр2~С$р2 1,34 0,134 134 с—СІ 1,78 0,178 178
С$р=Сзр 1,20 0,120 120 С~Вг 1,93 0,193 193
с—0 1,43 0,143 143 с—І 2Д4 0,214 214
с~о 1,21 0,121 121 о—Н 0,96 0,096 96
с—N 1,47 0,147 147 м—Н 1,01 0,101 101
С=И 1,28 0,128 128 8—Н 1,30 0,130 130
довжини зв’язку застосовують пікометри, скорочено пм (1 нм = 10 А = 1000 пм). Як видно з наведених даних (табл. 3.2), довжина зв’язку залежить від природи і типу гібридизації атомів, які утворюють зв’язок. Чим більший я-харакгер атомів Карбону, тим міцніший зв’язок між ними. Найчастіше це пояснюють збільшенням 5-харакгеру гібридної орбіталі і збільшенням площі перекривання орбіталей.
Енергія зв’язку. Енергією зв’язку називають енергію, яка виділяється при утворенні хімічного зв ’язку між двома вільними атомами, або ж енергію, яку необхідно затратити на роз 'єднання двох зв ’язаних атомів.
Утворення зв’язку завжди супроводжується виділенням, а його розрив — витратою певної кількості енергії. Енергій, необхідна для гемолітичного /А-|*В) розщеплення окремого зв язку в молекулі, називається енергією дисоціації зв'язку. Оскільки енергія дисоціації залежить від структури молекули, для характеристики енергії зв’язку звичайно використовують середні значення енергії дисоціації. Енергію зв’яз-
Таблиця 3.3
Значення енергії ковалентних зв’язків*
Зв’язок Енергія Зв’язок Енергія
кДж/моль ккал/моль кДж/моль ккал/моль
Су/>3—Н 414 99 с=м 890 213
Сяр3—С5р3 347 83 с—Р 427 102
С$р2~С$р2 610 146 с—СІ 339 81
Сур=С5р 836 200 с—Вг 284 68
с—О 368 88 С-І 213 51
С—О 724 173 о—н 464 111
С—N 305 73 м—н 389 93
С=N 598 143 8—Н 339 83
* Значення Е приведені при і = 25 °С.
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
47
ку виражають у кілоджоулях на моль (кДж/моль) або в кілокалоріях на моль (ккал/моль). Значення енергії зв’язку служить мірою її міцності. У табл. 3.3 наведені значення енергії зв’язків, найбільш розповсюджених в органічних сполуках.
При порівнянні даних табл. 3.2 і 3.3 видно, що зі збільшенням 5-характсру зв’язку його довжина зменшується, а міцність зростає. Подвійні зв’язки коротші і міцніші за відповідні одинарні, а потрійні — за подвійні. Але разом з тим енергія подвійного зв’язку менша за подвоєну, а потрійного — за потроєну енергію одинарного зв’язку. Це означає, що а-зв’язок міцніший за л-зв’язок. Проаналізувавши елементи в межах групи Періодичної системи (наприклад, зв’язок С—Н), можна побачити, що при русі зверху вниз довжина зв’язку збільшується, а міцність — зменшується.
Полярність зв’язку. Полярністю зв’язку називають нерівномірний розподіл електронної густини зв ’язку, обумовлений різною електронегативністю атомів.
Електронегативність — це здатність атома притягувати електрони.
Вона залежить від ефективного заряду ядра атома і виду гібридизації атомних орбіталей. Найбільш відому шкалу електронегативносгі склав американський хімік Лайнус Карл Полінг (табл. 3.4).
Таблиця 3.4 Електронегативність елементів за шкалою Полінга
Згідно з даними табл. 3.4 електронегативність атома Карбону зростає при переході від зр3- до зр-гібридного стану, що пояснюється збільшенням 5-характеру орбіталей.
Полярний ковалентний зв’язок утворюється між атомами з різною електронегативністю, а також між атомами з однаковою електронегативністю, але які, у свою чергу, пов’язані з атомами, що мають іншу електронегативність (див. розд. 4.1):
8+ 8-
СН3->С1
хлорометан
8^Ь 8+ 8—
СН3-*СН2-*С1
хлоретан
У молекулі хлоретану атом Хлору поляризує не тільки зв’язок С—СІ, але і зв’язок С—С.
Кількісно полярність зв’язку виражається значенням дипольного моменту, який позначають буквою ц (грец. «мю»).
Дипольний момент дорівнює добутку відстані між «центрами ваги» позитивних і негативних зарядів на їх значення.
Зазвичай дипольний момент молекул виражають в одиницях Де-бая (ПЬ). В одиницях СІ його виражають в аттокулоннанометрах (аК-нм). ІВЬ = 3,33564-10-3 аК-нм. Дипольний момент — векторна величина. Для більшості ковалентних зв’язків дипольний момент дорівнює 0—3 ОЬ, сильнополярні зв’язки мають 4—7ОЬ, іонні — понад 10 ОЬ. Молекулу, що складається з трьох і більше атомів, розглядають як систему кількох диполів. Виміряти дипольний момент кожного окремого зв’язку в такій молекулі неможливо. Можна виміряти тільки сумарний дипольний момент молекули (результуючий диполь), що являє собою
Глава З
48
Лайнус Карл ПОЛІНГ (1901-1994)
Американський хімік і фізик, громадський діяч. Головне наукове досягнення — учення про хімічний зв’язок (1931—1934). Розробив метод напрямлених валентних зв’язків, уявлення про гібридизацію і перекривання атомних орбіталей, концепцію електронегативності атомів і частково-іонного характеру зв’язку. Його монографія «Природа хімічного зв’язку» (1939) — шедевр хімічної літератури. Створив (1931—1933) теорію резонансу. У галузі біохімії висловив ідею про спіральну будову поліпептидного ланцюга. Вивчав будову ДНК, антитіл, природу імунологічних реакцій. Двічі лауреат Нобелівської премії: у галузі хімії (1954) і за мир та боротьбу проти ядерних випробувань (1962).
суму векторів дипольних моментів окремих зв’язків. Знаючи дипольний момент молекули і значення кутів між напрямком зв’язків, можна визначити дипольні моменти окремих зв’язків шляхом розкладання за правилом паралелограма. Сумарний дипольний момент молекули залежить не тільки від кількості та природи полярних зв’язків, але і від взаємного розташування їх у просторі. Наприклад, молекула тетрахлорометану СС14 містить чотири зв’язки С—СІ з дипольним моментом 1,46 ПЬ кожний, а в цілому сполука не має диполя (ц = 0), тому що відбувається взаємна компенсація дипольних моментів окремих зв’язків. Молекула ж хлорометану СН3—СІ має дипольний момент 1,86 ОЬ, зумовлений в основному полярністю зв’язку С—СІ.
Наявність диполя суттєво впливає на фізичні і хімічні властивості речовини. Температури кипіння полярних сполук вищі, ніж неполярних. Полярні речовини добре розчиняються в полярних розчинниках, а неполярні, як правило,— у неполярних.
Полярність хімічних зв’язків визначає тип хімічної взаємодії (тип реакції) і є кількісною характеристикою реакційної здатності речовини.
Поляризованість зв’язку. Під «поляризова-ністю» розуміють легкість, з якою зміщуються електрони зв ’язку під дією зовнішніх впливів
(електричне поле, реагуюча частинка тощо). Іншими словами, поляризованість — це здат
ність електронної хмари зв'язку до поляризації при дії зовнішнього електричного поля або електрично заряджених частинок. Унаслідок зовнішніх дій відбувається деформація електронної хмари зв’язку, зростає її полярність (збільшується дипольний момент).
Слід відрізняти поняття «поляризованість» і «полярність» зв’язку. Якщо полярність обумовлена різною електронегативністю зв’язаних атомів, то поляризованість визначається ступенем рухливості електронів зв’язку. Полярність — це статичне явище, а поляризованість — динамічне. Поляризованість не завжди узгоджується з полярністю. Так, полярність зв’язку С—Наї у ряду С—Р > С—СІ > С—Вг > С—І зменшується, а його поляризованість, навпаки, збільшується.
При порівнянні поляризованості о- і л-зв’язків необхідно відзначити, що л-зв’язки поляризуються набагато легше, ніж о-зв’язки, оскільки л-електронна густина знаходиться далі від атомних ядер. Як і полярність, поляризованість впливає на реакційну здатність речовин, але її внесок значно більший.
ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
---------------------------------------------------------------------- 49
Напрямленість зв’язків. Ковалентні зв’язки мають певну напрямленість у просторі. Електронні пари, які утворюють хімічні зв’язки, прагнуть зайняти таке просторове положення одна відносно одної, щоб сили електростатичного відштовхування між ними були мінімальними. Кути між напрямами зв ’язків у молекулі називають валентними кутами. Значення валентного кута залежить від стану гібридизації атомних орбіталей і природи атомів, що утворюють зв’язки. Так, кути між зв’язками С—Н у метані складають 109° 28'. Однак це справедливо тільки в тих випадках, коли атом Карбону зв’язаний з чотирма однаковими замісниками. Здебільшого спостерігаються невеликі відхилення від кута правильного тетраедра. Наприклад, у молекулі 2-бромопропану валентний кут С—С—Вг дорівнює 114° 2'. Аналогічно незначне відхилення від валентних кутів 120° і 180° спостерігається в сполуках з атомом Карбону в зр1- і зр-гібридизації.
Глава 4
ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ
Ідея про взаємний вплив атомів на реакційну здатність органічних сполук була вперше висловлена Олександром Михайловичем Бутлеровим у теорії хімічної будови. Подальшого розвитку вона набула в теорії електронних зміщень (електронних ефектів). За сучасними уявленнями, реакційна здатність органічних сполук визначається характером розподілу електронної густини в молекулі та рухливістю (поляризованістю) електронів ковалентних зв’язків.
В органічних сполуках розрізняють два види електронних зміщень: зміщення електронної густини вздовж ланцюга о-зв’язків — індуктивний ефект-, зміщення по системі я-зв’язків — мезомерний ефект.
4.1. ІНДУКТИВНИЙ ЕФЕКТ
Як уже зазначалося, при утворенні ковалентного зв’язку між двома атомами з однакової електронегативністю електронна пара рівною мірою належить зв’язаним атомам (неполярний зв’язок). Якщо ж атоми мають різну електронегативність, електронна густина ковалентного зв’язку змішується до більш електронегативного атома (полярний зв’язок). У складних органічних молекулах полярний ковалентний зв’язок впливає на сусідні зв’язки, викликаючи їх поляризацію:
сн3—сн2—сн2—СН3 СН3-*СН2-»-СН2-*-СН2->С1
бутан, ц = 0 1-хлоробутан, р = 0
У молекулі бутану вуглець-вуглецеві зв’язки неполярні, електронна густина розподілена симетрично, і молекула не має дипольного моменту. Уведення в молекулу бутану атома Хлору (1-хлоробутан) приводить до поляризації не тільки зв’язку С—СІ, але і сусідніх вуглець-вуглецевих зв’язків. Атом Хлору, маючи більшу електронегативність, ніж атом Карбону, відтягує електрони о-зв’язку С—СІ у свій бік. У результаті такого зміщення на атомі Хлору виникає частковий негативний заряд (5-), а на атомі Карбону — рівний за значенням частковий позитивний заряд (8+). Зменшення електронної густини на С-1 частково компенсується відтягуванням у його бік електронної густини із сусіднього атома Карбону, що приводить до поляризації зв’язку С-2—С-1 і виникнення часткового позитивного заряду на атомі С-2. Той, у свою чергу, спричиняє поляризаціїо зв’язку С-3—С-2 і т. д. У міру віддалення зв’язку частковий заряд на атомах Карбону зменшується: 5+ > 8'+ > 8"+ > 8"'+. Таким чином, поляризація зв’язку С—СІ спричиняє електронну асиметрію молекули і появлення дипольного моменту.
Передачу електронного впливу замісника вздовж ланцюга с-зв’язків називають індуктивним (індукційним) ефектом (пізньолат. «іпсіисіїоиз» — від лат. «іпсіисііо» — наведення, спонукання).
ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ
51
Індуктивний ефект позначають символом І, напрям зміщення електронної густини о-зв’язків — прямою стрілкою (—).
Дія індуктивного ефекту найсильніше виявляється на двох найближчих о-зв’язках. Індуктивний ефект через слабку поляризованість о-зв’язків згасає через три-чотири зв’язки.
Залежно від напряму електронного впливу замісника розрізняють позитивний (+1) і негативний (—1) індуктивний ефект. Для оцінки індуктивного впливу замісника за стандарт прийнято індуктивний ефект атома Гідрогену, який, з огляду на невеликий дипольний момент зв’язку С—Н, вважають рівним нулю.
Замісники, що притягають до себе електрони а-зв’язку більшою мірою, ніж атом Гідрогену, виявляють негативний індуктивний ефект (-І), а замісники, що відштовхують від себе електрони а-зв’язку сильніше атома Гідрогену, виявляють позитивний індуктивний ефект (+1).
Під притягуванням і відштовхуванням мається на увазі різниця в положенні електронів зв’язку, зумовлена різною електронегативністю атома Гідрогену і замісників.
Замісники розташовують у ряди в порядку зменшення -І- або +/-ефектів стосовно атома Гідрогену:
К->СН2->|кі К—СН2—ІНІ К<-СН2<-ІВІ
—/-ефект стандарт І = 0 +/-ефект
+ + II
Аі: —ОК2, —МК3, — РЮ2,—С=М, —8—ОН
О
— С< , —Р, —СІ, —Вг, —І,
ОН
/£> /Р
— с< , —он., —с< ,
ов к
— 8В, —ОН, —КН2, — С=СК. —Аг*,
— СН=СК.2 тощо
В І: — Ж —О, —А1к~ (—СК3, —снк2, —СН2К, -СН3) тощо
* Аг — ароматичний радикал.
* * Аік — алкільні групи.
Негативний індуктивний ефект замісника, як правило, тим більший, чим вища електронегативність атома, зв’язаного з вуглецевим ланцюгом. Найбільший негативний індуктивний ефект виявляють групи, які несуть позитивний заряд. За інших рівних умов ^-гібридизовані атоми мають більшу електроноакцепторну здатність, ніж ур2-, а ті, у свою чергу,— більшу, ніж ^-гібридизовані атоми. Цим пояснюється негативний індуктивний ефект залишків ненасичених і ароматичних вуглеводнів:
сн3->
СН=СН2^
З 2
зр зр
—/-ефект толуен
зр
С^СН
-/-ефект пропен
сн3->
—/-ефект пропін
5/>2
Глава 4
52
Найбільший позитивний індуктивний ефект виявляють замісники, які несуть негативний заряд.
Електронодонорні властивості алкільних груп зростають при переході від первинних до третинних радикалів:
сн3->сн2->сн2->сн2—
СН3
^СН— сн3->сн2
сн3
сн3->с—
сн3
Електронодонорні властивості алкільних груп
У ряду первинних алкільних радикалів позитивний індуктивний ефект зростає зі збільшенням вуглецевого ланцюга:
СН3— < СН3->СН2— < СН3->СН2->СН2— < СН3->СН2->СН2->СН2—
Електронодонорні властивості алкільних груп
Таким чином, на підставі вищевикладеного можна зробити такі висновки:
1. Індуктивний ефект виявляється завжди при наявності в молекулі атомів з різною електронегативністю.
2. Індуктивний ефект поширюється тільки через о-зв’язки і завжди в одному напрямку.
3. Індуктивний ефект згасає в ланцюгу через три-чотири о-зв’язки.
4.2. МЕЗОМЕРНИЙ ЕФЕКТ (ЕФЕКТ КОН’ЮГАЦІЇ)
Більш ефективно відбувається передача електронного впливу замісника по кон’югованій (спряженій) системі.
Кон’югованою називають систему, що складається з простих і кратних зв’язків, які чергуються, або ж коли поруч з атомом Карбону, що утворює кратний зв ’язок, знаходиться атом, р-АО якого заповнена одним, двома електронами або вакантна.
Кон ’юговані системи поділяються на системи з відкритим і замкненим ланцюгами'.
н2с=сн—сн=сн2
1,3-бутадієн
бензен
н2с=сн—с=сн н2с=сн—с=к
вінілацетилен акрилонітрил
н2с=сн—СІ Н2С=СН—о—сн=сн2
н2с=сн—сн2
аліл-аніон
вінілхлорид
н2с=сн—сн2
аліл-радикал
дивініловий етер
н2с=сн—сн2
аліл-катіон
У кон’югованих системах має місце кон’югація (спряження) зв’язків — додаткове перекривання я- або р-орбіталей замісника з п-орбіталями зв’язків вуглецевого ланцюга або ароматичного кільця.
Кон’югація зв’язків зумовлює утворення єдиної делокалізованої електронної хмари.
ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ
53
Розрізняють (рис. 4.1) л,7г-кон’югацію (перекривання двох п-орбіталей) і р,п-кон’югацію (перекривання р- з л-орбіталлю). Кон’югація можлива лише у випадку паралельності осей симетрії (компланарності) взаємодіючих орбіталей.
Н Н
/С=С\ /Н
н /с=с
Н хн
1,3-бутадієн
Н\ Н
С = С^
Н СІ
вінілхлорид
н н
/С=С _
Н /С —н
н
аліл-аніон
н /н
/с=с\
Н /С — н
н
аліл-радикал
/С=С\ +
Н /с —н
н
аліл-катюн
Рис. 4.1. Кон’юговані системи 1,3-бутадієну, вінілхлориду й алільного аніона, радикала та катіона
Кон’югація для молекули — це енергетично вигідний процес. Вона супроводжується зменшенням енергії системи і приводить до підвищення термодинамічної стійкості молекули.
Глава 4
54
Процес передачі електронного впливу замісника по кон’югованій системі п-зв’язків називають мезомерним ефектом (М), або ефектом кон’югації.
Мезомерний ефект виявляється лише в тому випадку, якщо замісник входить у кон ’юговану систему молекули.
У молекулі аніліну аміногрупа входить у кон’юговану систему і виявляє мезомерний ефект. У молекулі бензиламіну аміногрупа ізольована від кон’югованої системи ароматичного кільця двома 5-зв’язками і не виявляє мезомерного ефекту.
ЙН2 СН2— ЮІ2
анілін бензиламін
Мезомерний ефект позначають символом М, а зміщення електронної густини в кон’югованій системі — вигнутою стрілкою Початок стрілки вказує, які саме електрони зміщуються, а кінець стрілки — зв’язок або атом, до яких спрямоване зміщення.
Розрізняють позитивний (+М) і негативний (-М) мезомерні ефекти.
Позитивний мезомерний ефект виявляють замісники, які надають електрони в кон’юговану систему.
+М-Ефект виявляють атоми, що містять неподілені пари електронів або несуть негативний заряд, а також атомні групи, які мають на першому атомі неподілені електронні пари або негативний заряд.
Негативний мезомерний ефект виявляють замісники, які зміщують на себе електронну густину кон’югованої системи.
—Л/-Ефект виявляють замісники, перший атом яких несе позитивний заряд, а також атомні групи, в яких перший атом пов’язаний з більш електронегативним атомом кратним зв’язком.
Нижче наведені деякі замісники, розташовані за порядком зменшення +М- або -Л/-ефектів.
Максимальний негативний мезомерний ефект виявляють замісники, що несуть позитивний заряд. -ЛГ-Ефект ненасичених угруповань тим більший, чим більша різниця електронегативностей атомів, сполучених кратним зв’язком.
Максимальний позитивний мезомерний ефект мають атоми, які несуть негативний заряд. +М-Ефект замісників, що містять атоми з неподіленими парами
ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ
електронів, тим більший, чим менша в межах періоду електронегативність атома, який несе неподілену електронну пару:
—\Н2 > —ОН > —Р
У межах групи періодичної системи +Л/-ефект замісників слабшає зверху вниз (—Р > —СІ > —Вг), що пояснюється більшою енергетичною вигідністю при перекриванні близьких за розмірами /^-орбіталей.
Розрізняють чотири основних типи виявлення мезомерного ефекту в органічних сполуках.
1. Взаємодія замісника, що виявляє +М-ефект, зп-електронною системою молекули:
Н2С—сн^-рсн^
+Л/-ефект
вінілметиловий етер
фенол
2. Взаємодія замісника, що виявляє —М-ефект, з ^.-електронною системою молекули:
-М-ефект акрилонітрил
—М-ефект нітробензен
3. Взаємодія двох замісників з +М- і в-зв ’язком:
-М-ефектом, безпосередньо зв’язаних
СН3-гСЗ$.
ЮН
—М-ефект
+М-ефект
оцтова кислота
4. Взаємодія замісників, що виявляють +М- і —М-ефект, через п-електронну систему молекули:
+М-ефект -М-ефект
4-амінобензальдегід
На відміну від індуктивного ефекту передача електронного впливу замісника в кон’югованій системі відбувається на значно більшу відстань, практично не згасаючи.
4.3. СПІЛЬНЕ ВИЯВЛЕННЯ ІНДУКТИВНОГО І МЕЗОМЕРНОГО ЕФЕКТІВ ЗАМІСНИКІВ
Раніше відзначалося, що індуктивний ефект виявляється в органічних сполуках завжди за наявності в молекулі атомів з різною електронегативністю. Мезомерний
Глава 4
56
же ефект виявляється лише в тому разі, якщо замісник входить у кон’юговану систему. Тому включені в кон’юговану систему замісники викликають поляризацію зв’язків за рахунок індуктивного і мезомерного ефектів. Ці ефекти можуть співпадати і не співпадати за напрямом:
Н,С=і=С->іС=М
2 | =.........
Н -і,-м
акрилонітрил
алільний карбаніон
фенол
Здебільшого індуктивний і мезомерний ефекти замісників співпадають за напрямом. У замісників, які містять атоми з неподіленими електронними парами, індуктивний та мезомерний ефекти мають протилежні напрями і ніби «гасять» один одного.
Оскільки електрони л-зв’язку поляризуються легше порівняно з електронами о-зв’язку, більш виразний вплив на поляризацію молекул справляє мезомерний ефект, тобто мезомерний ефект замісника, як правило, більший за його індуктивний ефект. Виняток складають лише атоми галогенів (Р, СІ, Вг, І), для яких у статичному (нереагуючому) стані молекули +Л/-ефект менший за -/-ефект, але в процесі реакції (динамічний стан) і для них +Л/-ефект більший за -/-ефект.
Замісники, які підвищують електронну густину в молекулі, називають електро-нодонорними, а замісники, що знижують її,— електроноакцепторними.
Унаслідок спільного виявлення індуктивного і мезомерного ефектів замісника відбувається альтернування (чергування) поляризації в кон’югованій системі за значенням зарядів:
5+^-х 8++ 8++ З-
сн2^сн->сн=ксн-*-сі
4 3 2 1
1 -хлор-1,3 -бутадієн
Так, у молекулі 1-хлор-1,3-бутадієну в результаті -/-ефекту атома Хлору, який більший за +Л/-ефект, усі атоми Карбону набувають часткового позитивного заряду. Але завдяки +Л/-ефекту Хлору на атомах С-2 і С-4 електронна густина дещо збільшується. І незважаючи на те що в результаті всі атоми Карбону несуть частковий позитивний заряд, у положеннях С-2 і С-4 він менший, ніж у С-1 і С-3, тобто відбувається чергування поляризації за значенням заряду .
Аналогічне явище спостерігається в системах із замкненим ланцюгом кон’югації.
8” \ /^НН2
з^уа--
анілін
У молекулі аніліну -/-ефект аміногрупи викликає зниження електронної густини на всіх атомах Карбону бензенового кільця. Однак, оскільки +Л/-ефект аміногрупи за рахунок неподіленої пари електронів атома Нітрогену більший за -/-ефект, це веде в цілому до підвищення електронної густини на атомах Кар-
1 Знак 3++ означає, що в цьому положенні електронна густина нижча, ніж у положенні зі знаком 5+.
ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ
57
бону кільця й особливо в положеннях 2, 4 і 6, тобто відбувається альтернувальна поляризація.
Звичайно в молекулах з відкритим ланцюгом кон’югації вказують часткові заряди, зосереджені на кінцевих атомах кон’югованої системи, а в замкнених кон’югованих системах — максимальні заряди на атомах:
фенол бензальдегід
4.4. ГІПЕРКОН’ЮГАЦІЯ
У молекулах деяких органічних сполук має місце гіперкон’югація (надспря-ження).
Гіперкон’югація — взаємодія, що виникає в молекулі, карбокатіоні або у вільному радикалі в результаті перекривання о-орбіталі С—^-зв’язків із сусідніми п- або р-орбіталями і приводить до додаткової стабілізації системи (<з,п- або о,р-кон ’югація).
Гіперкон’югація характерна для сполук, у молекулах яких зр3 -гібридизований атом Карбону, що має принаймні один атом Гідрогену, розташований поряд із кратним зв’язком, ароматичною системою (с,п-кон ’югація) або фрагментом молекули з вакантною або частково заповненою р-орбіталлю (<з,р-кон ’югація).
Ефект гіперкон’югації позначають символом Мн (індекс й від англ. «курегсопіи^аііоп» — гіперкон’югація) і схематично зображують за допомогою вигнутої стрілки
ацетонітрил
пропен
етил-катіон
ізопропіл-катіон
етил-радикал
З позицій квантово-механічної теорії гіперкон’югацію розглядають як часткове перекривання а-орбіталей С—Н-зв’язків з л-орбіталлю сусіднього кратного зв’язку, ароматичної системи або /?-орбіталлю проміжно активних частинок (кар-бокатіонів, вільних радикалів) (рис. 4.2).
Ефективність перекривання ст-орбіталі С—Н-зв’язків з я- або д-орбіталлю невисока, тому що вони не паралельні.
Ефект гіперкон’югації залежить від кількості атомів Гідрогену при а-атомі Карбону і зменшується в ряду: ;СН,]— > СН,—> 3\сЙі—.
* —‘ СН3А--'
Глава 4
58
пропен
а,р-кон’югація
етил-катіон
Рис. 4.2. Схема перекривання с-орбіталей зв’язків С—Н з я-орбіталлю кратного зв’язку в молекулі пропену, р-орбіталлю в етил-катіоні і етил-радикалі
етил-радикал
Унаслідок гіперкон’югації атоми Гідрогену при а-атомі Карбону активуються (протонуються) і виявляють підвищену реакційну здатність.
4.5. КОН’ЮГАЦІЯ І ПРОСТОРОВІ ПЕРЕШКОДИ
Наявність кон’югованої системи — обов’язкова, але не єдина умова для кон’югації. Важливу роль у кон’югації відіграє просторове розташування взаємодіючих орбіталей. Як уже відзначалося, мезомерний ефект виявляється лише в тому разі, коли всі атоми кон ’югованої системи лежать в одній площині або близько до неї, тобто коли виконується умова паралельності осей симетрії орбіталей, які беруть участь у кон ’югації (компланарність). Якщо ця умова не виконується, кон’югація не відбувається або ефективність її значно знижується (рис. 4.3).
Однією з причин порушення ефекту кон’югації замісника є просторові (стерич-ні) перешкоди. Вони виникають за наявності в молекулі в сусідніх із замісником положеннях об’ємних атомів або груп атомів. У результаті стеричних факторів
ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ
59
Рис. 4.3. Просторове розташування р-орбіталей кон’югованої системи: а — кон’югація неможлива; б — кон’югація здійснюється
замісник виходить із площини кон’югованої системи, що частково або повністю порушує перекривання д-орбіталей:
нітробензен ц = 3,97 ОЬ
2,4,6-трибромонітробензен ц = 3,17 ОЬ
Так, у молекулі нітробензену нітрогрупа і бензенове кільце розташовані в одній площині, що забезпечує кон’югацію. У молекулі ж 2,4,6-трибромонітробензену нітрогрупа в результаті просторових перешкод з боку замісників у положеннях 2 і 6 виведена з площини бензенового кільця. При цьому осі д-орбіталей атомів Нітрогену нітрогрупи і атомів Карбону кільця розташовуються під кутом відносно один одного, що перешкоджає їх перекриванню, а отже, і кон’югації.
Вплив просторових перешкод на виявлення ефекту кон’югації замісника можна знайти методом дипольних моментів. У наведеному прикладі молекула нітробензену має значно більший дипольний момент (3,97 ПЬ), ніж молекула 2,4,6-трибромонітробензену (3,17ПЬ). При зіставленні дипольних моментів необхідно мати на увазі, що розташовані в центросиметричних положеннях бензенового кільця однакові замісники не впливають на дипольний момент молекули.
4.6. СПОСОБИ ЗОБРАЖЕННЯ РОЗПОДІЛУ
ЕЛЕКТРОННОЇ ГУСТИНИ В МОЛЕКУЛАХ. ПОНЯТТЯ ПРО РЕЗОНАНС
Структурні формули досить однозначно описують будову органічних сполук лише з локалізованими хімічними зв’язками, тобто коли електрони зв’язку розділені (локалізовані) між двома атомними ядрами. Зміщення електронної густини в локалізованих зв’язках молекули зображають у структурній формулі прямою стрілкою (-►):
СН3->СН2-*С1
хлоретан
У молекулах з кон’югованими системами зв’язків одна або кілька зв’язуючих орбіталей належать уже не двом атомам, а охоплюють кілька атомних ядер. Та
Глава 4
60
кий зв ’язок називають делокалізованим. Використовувані в структурних формулах для позначення хімічних зв’язків штрихи не відображають реального положення електронів у делокалізованих зв’язках.
Для зображення розподілу електронної густини в кон ’югованій системі молекули за допомогою структурних формул застосовують два способи. Один з них полягає в тому, що сполуку зображують однією структурною формулою, в якій вигнутою стрілкою (Ґ~^) вказують напрям зміщенняр- або п-електронів:
СН3—СЗп
ОС2Н5
4-нітроанілін
етилацетат
Ідея другого способу належить американському вченому Лайнусу Карлові Полінгу та отримала назву «метод резонансних структур». Суть його в тому, що делокалізацію електронів у кон ’югованій системі зображують за допомогою кількох структурних формул, так званих резонансних (граничних) структур, які відрізняються одна від одної лише розподілом електронних пар між ядрами атомів. Дійсна електронна будова молекули не відповідає жодній з цих структур, а є проміжною між ними, тобто реальна молекула розглядається як гібрид резонансних структур. Взаємозв’язок граничних структур зображують двосторонньою стрілкою (-—►). Делокалізацію електронів у молекулі фенолу можна зобразити у вигляді таких граничних структур:
ОН ОН он он
Резонансні структури не існують реально, це лише спосіб опису делокалізації електронів у молекулі. Внесок кожної структури в дійсну будову молекули пропорційний її стійкості, тобто чим стабільніша гранична структура, тим внесок її значніший. Відносна стійкість резонансних структур визначається кількома факторами.
Стійкішою вважається структура, в якій:
а) міститься більше ковалентних зв’язків
н2с=сн—сн=сн2 -*-*► н2с—сн=сн—сн2
А Б
тобто структура А стабільніша, ніж структура Б;
б) негативний заряд «розташований» на більш електронегативному атомі (або позитивний заряд на атомах з низькою електронегативністю)
Я + /°“ - /°+
н9с=сн—с< <-► н,с—сн=с( н,с—СН=С\
хн хн хн
А Б в
тобто структура А робить основний внесок, структура Б стабільніша, ніж структура В;
ВЗАЄМНИЙ ВПЛИВ АТОМІВ В ОРГАНІЧНИХ СПОЛУКАХ
61
в) менша відстань між різнойменними зарядами
н2м—сн=о <-► н2м—сн—б <-► Н2Й=СН—б
А Б в
тобто структура А робить основний внесок; структура Б — значний, а структура В — незначний.
Енергія дійсної молекули завжди нижча енергії, розрахованої для кожної з резонансних структур.
Різницю між енергіями реальної молекули і найбільш стійкої граничної структури називають енергією резонансу. Енергія резонансу тим вища, чим більша кількість резонансних структур і чим більша кількість низькоенергетичних структур з рівною або близькою за значенням енергією. Енергія резонансу є мірою стабілізації молекули, зумовленої делокалізацією електронів у кон’югованих системах.
Незважаючи на те що метод резонансу наочніше описує делокалізацію електронної густини в кон’югованих системах, його застосування утруднене необхідністю написання великої кількості граничних структур. Це особливо незручно при складанні рівнянь реакцій, тому надалі, як правило, делокалізація електронів у кон’югованих зв’язках буде зображуватися за допомогою вигнутих стрілок. Метод же резонансу застосовуватиметься лише для якісної оцінки будови і реакційної здатності окремих органічних сполук.
Глава 5
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
Ізомерія — явище, що полягає в існуванні сполук, однакових за якісним і кількісним складом, але різних за порядком зв ’язування атомів у молекулі або розташуванням їх у просторі, унаслідок чого вони мають різні фізичні та хімічні властивості.
Уперше термін «ізомери» був уведений у 1830 році шведським хіміком Й. Я. Берцеліусом. Теоретичне ж обґрунтування ізомерії належить російському хіміку О. М. Бутлерову. З розвитком органічної хімії поняття ізомерії розширилося завдяки уявленням про просторову будову органічних сполук (Я. Вант-Гофф, Ж. А. Ле Бель, 1874).
Розрізняють два основних види ізомерії — структурну (ізомерія будови) і просторову (стереоізомерія).
5.1. СТРУКТУРНА ІЗОМЕРІЯ
Структурні ізомери, або ізомери будови, відрізняються один від одного послідовністю зв’язування атомів у молекулі, тобто структурою. Структурну ізомерію поділяють на ізомерію вуглецевого ланцюга, ізомерію положення, ізомерію функціональних груп.
Ізомерія вуглецевого ланцюга зумовлена різною послідовністю зв’язування атомів, які утворюють вуглецевий скелет молекули:
сн3—сн2—сн2—сн3 сн3—СН—СН3 (С4Н10) сн3
бутан ізобутан;
2-метилпропан
Для органічних сполук циклічної будови ізомерія ланцюга може спричинятись різною величиною циклу або різним способом з’єднання циклів:
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
63
метилцикло-пентан
(С6н12)
циклогексан
хсн3
ЧіН3
1,2-диметил-циклобутан
антрацен
фенантрен
(С14Н10)
Якоб Хендрік ВАНТ-ГОФФ (1852-1911)
Ізомерія положення зумовлена різним положенням однакових функціональних груп або кратних зв’язків при тому самому вугле-
цевому скелету молекули:
сн — сн2— сн —СІ сн—СН—СН3 (С3Н7С1)
СІ
1-хлоропропан
2-хлоропропан
1,2-дихлоро-бензен
1,3-дихлоро-бензен
1,4-дихлоро-бензен
(С6Н4С12)
н2с=сн—сн2—сн3
1-бутен
(С4Н8)
сн3—сн=сн—сн3
2-буген
Ізомерією функціональних груп називають
Голландський хімік. Один із засновників фізичної хімії і стереохімії. Одночасно і незалежно від Ж. А. Ле Беля сформулював (1874) теорію просторового розташування атомів у молекулах органічних сполук. Висунув ідею наявності двох стереоізомерів у сполуці, що містить атом Карбону з чотирма різними замісниками. Досліджував кінетику реакцій і хімічну спорідненість. Запропонував класифікацію хімічних реакцій. Установив залежність швидкості реакції від температурного режиму (правило Вант-Гоффа). Вивів рівняння ізохори та ізотерми. Уперше запропонував оцінювати реакційну здатність сполук за допомогою константи швидкості реакцій. Вивів закон осмотичного тиску (закон Вант-Гоффа).
Один з перших лауреатів Нобелівської премії (1901).
вид структурної ізомерії, при якому ізомери відрізняються природою функціональної групи.
Наочним прикладом такої ізомерії є етанол і диметиловий етер:
СН3—СН2—ОН СН3—О—СН3 (С2Н6О)
етанол диметиловий етер
Ізомерія ланцюга і положення виявляється, як правило, у межах одного класу органічних сполук, а у випадку ізомерії функціональних груп ізомери належать до різних класів.
У деяких випадках два структурних ізомери можуть перебувати в стані динамічної рівноваги один з одним. Таке явище називають таутомерією, а структурні ізомери — таутомерамії.
Глава 5
64
Жозеф Ашиль ЛЕ БЕЛЬ (1847-1930)
Французький хімік. Працював у Ш. А. Вюрца (з 1873). Після одержання спадщини (нафтові родовища в Ельзасі) заснував (1889) власну хімічну лабораторію.
Наукові праці присвячені стереохімії органічних сполук. Вивчав явище оптичної активності. Одночасно з Я. X. Вант-Гоффом і незалежно від нього сформулював (1874) теорію просторового розташування атомів у молекулах органічних сполук.
Президент Французького хімічного товариства (1892).
таутомери
сн —с—СН3^=>СН — С=СН2 (С3Н6О)
о он
5.2. ПРОСТОРОВА ІЗОМЕРІЯ (СТЕРЕОІЗОМЕРІЯ)
Речовини, що мають однаковий склад і порядок зв ’язування атомів у молекулі, але відрізняються одна від одної їх розташуванням у просторі, називають просторовими ізомерами, або стереоізомерами.
Для характеристики просторових відмінностей у стереоізомерії використовують поняття «конфігурація» і «конформація».
Конфігурацією називають те або інше відносне розташування атомів молекули в просторі.
Наприклад, у молекулі метану СН4 атом Карбону має тетраедричну конфігурацію. Просторова модель метану є правильним тетраедром, у центрі якого знаходиться атом Карбону, а у вершинах — атоми Гідрогену. Кут між зв’язками метану, рівний 109° 28', називають нормальним, або тетраедричним (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Конфігурація атома Карбону: а — тетраедрична; б — площинна; в — лінійна
в
Якщо атом Карбону зв’язаний з різними замісниками, кути між зв’язками незначно відхиляються від нормального. Так, у молекулі трихлорометану СНС13 валентний кут СІ—С—СІ дорівнює 112°. В етилені Н2С=СН2 атом Карбону має площинну конфігурацію (всі атоми лежать в одній площині, валентний кут 120°), в ацетилені — лінійну (атоми розташовані лінійно, валентний кут 180°).
Поняття «конформація» відбиває більш тонкі особливості просторової будови молекул.
Конформацією називають різне просторове розташування атомів або атомних груп у молекулах певної конфігурації, зумовлене обертанням навколо <з-зв’язків.
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
65
У молекулі етану Н3С—СН3 унаслідок обертання навколо вуглець-вуглецевого зв’язку змінюється просторове розташування однієї метальної групи відносно іншої. При цьому молекула набуває численних конформацій.
Органічні сполуки, які відрізняються одна від одної лише конфігурацією молекул (без урахування можливих конформацій), називають конфігураційними ізомерами. Розрізняють оптичні і геометричні конфігураційні ізомери.
Стереоізомери, які мають різне просторове розташування атомів або атомних груп, зумовлене обертанням навколо простого вуглець-вуглецевого зв ’язку, називають конформаційними ізомерами.
5.2.1. СПОСОБИ ЗОБРАЖЕННЯ ПРОСТОРОВОЇ БУДОВИ МОЛЕКУЛ
Для зображення просторової будови органічних сполук використовують молекулярні моделі і стереоформули.
Молекулярні моделі. Більш наочне уявлення про просторову будову молекули дають молекулярні моделі. Зазвичай використовують три основних типи моделей — кулестрижневі, скелетні (моделі Драйдінга) і напівсферичні (моделі Стюарта— Бріглеба) (рис. 5.2).
Рис 5.2. Моделі молекул етану (зверху) і етилену (знизу): а — кулестрижневі; б — Драйдінга; в — напівсферичні (Стюарта—Бріглеба)
У кулестрижневих моделях молекул атоми зображені кольоровими кульками, а хімічні зв’язки — стрижнями (рис. 5.2, а). Кульки зв’язані одна з одною стрижнями з урахуванням взаємного розташування атомів у просторі. Кулестрижневі моделі зручні для розгляду валентних кутів і обертання навколо простих зв’язків, однак вони не відтворюють відносних розмірів атомів і міжатомних відстаней у молекулі.
Моделі Драйдінга, на відміну від кулестрижневих, обмежуються зображенням лише скелета молекули, тобто хімічних зв’язків між атомами (див. рис. 5.2, б), причому міжатомні відстані в цих моделях пропорційні дійсним (у масштабі 0,1 нм = 2,5 см).
Напівсферичні моделі Стюарта—Бріглеба відтворюють реальні молекули з урахуванням просторового розташування атомів, міжатомних відстаней та розмірів
Глава 5 66 ----------------------------------------------------------------------
атомів (див. рис. 5.2, в). У молекулах Стюарта—Бріглеба атоми зображені кольоровими, частково зрізаними кульками, радіус яких пропорційний вандерваальсовому радіусу1 атома, а відстань від центра кульки до поверхні зрізу — ковалентному радіусу2.
Атом Карбону в стані зр3-гібридизації зображують у вигляді кульки з чотирма, у зр2--з трьома, зр---з двома зрізами, атом Гідрогену представляють кулькою
з одним зрізом і т. д. При складанні моделей кульки з’єднуються між собою площинами зрізів. Незважаючи на те що напівсферичні моделі найбільш вдало відтворюють реальні молекули, вони не придатні для розгляду валентних кутів між атомами і обертання навколо простих зв’язків.
Стереоформули. Для зображення просторової будови органічних сполук на площині (наприклад, на аркуші паперу або дошці) користуються стереохімічними і перспективними формулами, а також проекційними формулами Ньюмена.
У стереохімічних формулах хімічні зв’язки, розташовані в площині креслення, зображують звичайною рискою; зв’язки, що перебувають над площиною,— жирним клином або жирною рискою, а розташовані під площиною — штриховим клином або пунктирною лінією:
н н н н и н
нЛ-с'-н = н-уС-С'-и = н "
н н н н н н
етан
Перспективні формули відбивають просторову будову на площині з урахуванням розгляду молекули уздовж одного з вуглець-вуглецевих зв’язків. За зовнішнім виглядом вони нагадують лісопильні козли:
етан
При побудові проекційних формул Ньюмена молекулу розглядають у напрямі одного С—С-зв’язку так, щоб атоми, що утворюють цей зв’язок, затуляли один одного. З обраної пари ближній до спостерігача атом Карбону зображують точкою,
1 Вандерваальсів радіус атома рівний половині відстані між двома незв’язаними атомами при їх максимальному наближенні.
2 Ковалентний радіус атома рівний половині довжини ковалентного зв’язку між однаковими
атомами.
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ ------------------------------------------------------------ \зі1
а дальній — колом. Хімічні зв’язки ближнього атома Карбону з іншими атомами подають лініями, що беруть початок від точки в центрі кола, а дальнього — від кола:
етан
бутан
Жодний з наведених способів зображення просторової будови не є універсальним. Стереохімічні формули частіше використовують для опису стереохімічних аспектів перебігу реакцій, перспективні формули і проекції Ньюмена — в основному для зображення конформацій молекули.
Існують також проекційні формули Фішера, які застосовують зазвичай для зображення на площині просторової будови оптичних ізомерів (див. с. 71).
5.2.2. ОПТИЧНА ІЗОМЕРІЯ
Оптична активність і хіральність молекул. Для характеристики оптичної ізомерії важливе значення мають поняття «оптична активність» і «хіральність» молекул.
Оптичною активністю називають властивість речовини обертати площину поляризації поляризованого світла.
Якщо промінь звичайного світла, в якому, як відомо, електромагнітні коливання відбуваються в різних площинах, перпендикулярних до напряму його поширення, пропустити через призму Ніколи1, то вихідне світло буде площинно-поляризованим. У такому промені електромагнітні коливання відбуваються тільки в одній площині. Цю площину називають площиною поляризації (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Схема утворення поляризованого світла та обертання площини поляризації оптично активною речовиною:
1 — звичайне світло; 2 — призма Ніколя; 3 — площина поляризації; 4 — поляризоване світло;
5 — оптично активна речовина
При проходженні поляризованого світла через оптично активну речовину площина поляризації повертається на певний кут а вправо або вліво (див. рис. 5.3). Я-:;ио речовина відхиляє площину поляризації вправо (при спостереженні назустріч 'г->меню), її називають правообертаючою, якщо вліво — лівообертаючою. Праве обертання позначають знаком (+), ліве — знаком (-).
1 Призма Ніколя — призма, виготовлена із двох кристалів ісландського шпату (СаСО3), склеєних канадським бальзамом.
Глава 5
68
Кут обертання а залежить від природи оптично активної речовини, товщини шару оптично активного середовища, через яке проходить поляризоване світло, і його довжини хвилі. Для розчинів кут а залежить також від природи розчинника і концентрації оптично активної речовини. У меншій мірі оптичне обертання залежить від температури.
Для порівняльної оцінки оптичної активності різних сполук використовують значення питомого обертання [а]. Питоме обертання є константою оптично активної речовини. Воно характеризує оптичну активність розчину з концентрацією оптично активної речовини 1 г/мл при товщині шару 1 дм.
Питоме обертання обчислюють за однією з наведених формул:
для речовин у розчині [а]= - '
І с
для рідких речовин [а]=-^-, /р
де а — виміряний кут обертання, град.;
І — товщина шару, дм;
с — концентрація оптично активної речовини, г/100 мл розчину;
р — густина рідкої речовини.
Кут обертання а вимірюють за допомогою приладів, які називаються поляриметрами. Звичайно визначення проводять при температурі 20 °С і довжині хвилі Д-лінії спектра натрію (589,3 нм). Відповідне значення питомого обертання позначають [а]р. Обов’язковою умовою для виявлення органічною сполукою оптичної активності є асиметрія (відсутність симетрії) його молекул. Оскільки молекула являє собою тривимірне утворення, її будову можна розглядати з точки зору симетрії геометричних фігур.
Основними елементами симетрії є площина, центр і вісь симетрії.
Площиною симетрії називають уявну площину, яка проходить через молекулу, розділяючи її на дві дзеркально рівні частини (рис. 5.4, а).
Центром симетрії називають уявну всередині молекули точку, рівновіддале-ну від однакових атомів, розташованих на прямій, що проходить через цю точку (рис. 5.4, б).
Рис. 5.4. Елементи симетрії органічних молекул:
а — дихлорометану; б — 1,3-Дифлуор-2,4-дихлороциклобугану; в — хлороформу
Вісь симетрії 3-го порядку
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
69
Віссю симетрії називають уявну вісь, що проходить через молекулу, при повороті навколо якої на кут 360°/п (п — ціле число, рівне 2, 3, 4 і т. д.) молекула суміщається зі своїм вихідним положенням.
Число п визначає порядок осі симетрії. Якщо п = 2, 3 і так далі, вісь симетрії називають відповідно віссю другого, третього і так далі порядку. Наприклад, молекула хлороформу (рис. 5.4, в) суміщається зі своїм вихідним положенням при кожному повороті навколо зв’язку С—Н на кут 360°/3 = 120°. Отже вісь, що проходить через молекулу вздовж зв’язку С—Н, називається віссю симетрії третього порядку.
Різні об’єкти, у тому числі і молекули, в яких відсутні площина, центр та вісь
симетрії, мають властивість не суміщатися зі своїм дзеркальним зображенням.
Цю властивість називають хіральністю (від грец. /єір — РУка)> о молекули, які
11 мають,— хіральними.
Термін «хіральність» був уведений англійським фізиком У. Томпсоном (1884). Наочним прикладом хіральності можуть слугувати ліва і права руки, які є віддзеркаленням одна одної, але разом з тим їх не можна сумістити при будь-якому способі накладення Ірис. 5.5). Через це рукавичка з лівої руки не придатна для правої і навпаки.
Молекули, що мають хоча б один елемент симетрії, завжди ідентичні зі своїм дзеркальним відображенням, і їх називають ахіральними.
Хіральність молекули можна легко встановити . шляхом побудови моделі молекули і моделі її дзеркального відображення з подальшим їх суміщенням. Якщо моделі не суміщаються — молекула хіральна,
Рис. 5.5. Хіральні об’єкти
якщо суміщаються — ахіральна. Такий же висновок можна зробити і на підставі стереохімічних формул молекул за наявності або відсутності елементів симетрії, найчастіше площини симетрії:
хіральні молекули (площина симетрії відсутня)
Вг \ Н І
бромойодохлорометан
2-хлоробутан
ахіральні молекули (площина симетрії присутня)
сг V4-.....сі
хлороформ
бромохлорометан
Хіральність молекул — обов’язкова умова для виявлення речовиною оптичної активності.
Сполуки з одним асиметричним атомом Карбону. Однією з причин виникнення хіральності органічних молекул є наявність в їх структурі зр3-гібридизованого атома Карбону, зв’язаного з чотирма різними замісниками. Такий атом Карбону називають хіральним, або асиметричним. Часто для нього застосовують більш загальну
н
Глава 5
70
назву — «хіральний центр». У структурних формулах асиметричний атом Карбону прийнято позначати зірочкою — С*:
Н
Н
сн,—с —с,н5
.3 । х З
СІ
сн3—с —соон он
2-хлоробуган молочна кислота
Молекули, які містять один асиметричний атом Карбону, існують у вигляді двох ізомерів, що відносяться один до одного як хіральний предмет до свого дзеркального відображення. Такі ізомери називають енантіомерами (від грец. епапііо — протилежний) (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Моделі енантіомерних молекул бромойодохлорометану
Дзеркальне відображення хіральної молекули утвориться, якщо поміняти місцями будь-які два замісники при асиметричному атомі Карбону. Енантіомери дуже подібні між собою, але все ж таки не тотожні. Вони мають однаковий склад і послідовність зв’язування атомів у молекулі, але відрізняються відносним розташуванням їх у просторі, тобто конфігурацією. Якщо в ізомері а перехід від атома Йоду до атома Хлору через атом Брому спрямований за годинниковою стрілкою, то в ізомері б аналогічний перехід має протилежний напрям (див. рис. 5.6). У тому, що ці молекули різні, можна легко переконатися при накладенні їх моделей одна на одну (див. рис. 5.6, в).
Енантіомери ідентичні за фізичними і хімічними властивостями. Суттєва відмінність між ними полягає в тому, що вони по-різному відносяться до поляризованого світла, а саме: обертають площину поляризації на той самий кут, але в протилежних напрямах (якщо один обертає вліво, то інший — на такий же кут вправо). Тому їх ще називають оптичними ізомерами, або оптичними антиподами. Крім того, енантіомери з різною швидкістю реагують з іншими хіральними сполуками і, як правило, мають різну фізіологічну активність.
Суміш рівних кількостей енантіомерів називають рацемічною. Така суміш не має оптичної активності, тому що однакове за значенням, але протилежне за напрямом обертання взаємно компенсується. Для позначення рацемічної суміші перед назвою сполуки ставлять символ (±).
Зображення оптичних ізомерів на площині. Для зображення просторової будови оптичних ізомерів на площині можуть бути використані стереохімічні формули. Наприклад, енантіомери 2-бутанолу, зображені за допомогою стереохімічних фор-
мул, мають такий вигляд:
СН
сн
з
с2н
5 *он
Н"'уС но
С2Н5
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
71
Однак стереохімічні формули не зручні для опису просторової будови молекул з кількома асиметричними атомами. Тому найчастіше оптичні ізомери зображують на площині за допомогою проекційних формул Фішера. Для одержання проекційної формули Фішера необхідно керуватися певними правилами розташування тетраедричної моделі молекули в просторі. Спочатку модель молекули вибудовують таким чином, щоб головний вуглецевий ланцюг був орієнтований вертикально, причому вгорі знаходився той її кінець, з якого відповідно до номенклатури ШРАС починали нумерацію атомів. Потім модель орієнтують у просторі так, щоб асиметричний атом Карбону знаходився в площині креслення, замісники, розташовані горизонтально, були над площиною, а розташовані вертикально — за площиною креслення. При проектуванні такої моделі на площину одержують проекційну формулу Фішера, в якій зв’язки, що знаходяться за площиною, зображують вертикальними лініями, а розташовані над площиною — горизонтальними. Асиметричний атом Карбону при цьому розташований у точці перетину вертикальної і горизонтальної ліній і звичайно не позначається символом.
Хімія в дзеркалі
Багато органічних сполук існують у вигляді стереоізомерів, що зіставляються один з одним як предмет і його дзеркальне відображення. Молекули цих сполук несумісні одна з одною, тобто є хіральними об’єктами. Хіральність — універсальне явище світобудови.
Оскільки існують дві дзеркальні форми, досить несподіваний той факт, що в нашому організмі та в іншому біологічному світі присутній лише один з ізомерів. Так, звичайні цукри (див. гл. 34) — переважно представники ї)-ряду, а амінокислоти в складі білків (див. гл. 35) — представники £-ряду. Тому і не дивно, що ферменти нашого організму стереоспе-пифічні, тобто «пізнають» тільки один дзеркальний ізомер. Пам’ятаєте, як головна героїня дитячої повісті Льюїса Керролла «Аліса в Задзеркаллі» роздумує: «Чи смачне молоко, відбите в дзеркалі?» «Молоко, відбите в дзеркалі» не може бути нашою їжею. Дуже навіть можливо, шо воно виявиться токсичним для нас! Цукри і білки, які містяться в такому «молоці», будуть мати іншу конфігурацію (2)-амінокислоти, £-монози) і не можуть бути розщеплені ферментами нашого організму.
Фахівці, які займаються створенням нових лікарських препаратів, пильну увагу звертають на їхню стереохімічну чистоту. У середині 50-х років минулого століття у ФРН був розроблений і запроваджений у медичну практику препарат «Толідомід». Однак, 1961 року з’явилися перші повідомлення про серйозні проблеми, зв’язані з його застосуванням. Були зафіксовані численні випадки народження дітей з уродженими дефектами і встановлено, шо під час вагітності майбутні матері приймали цей препарат як седативний засіб. Лише 1979 року німецьким хімікам удалося розділити енантіомери цього препарату.
Я-енантіомер
Виявилося, що токсичний тератогенний ефект спричиняє 5-(-)-енантіомер. Можна було б рекомендувати застосування А-енантіомера, однак 1984 року установили, що в організмі відбувається швидке взаємоперетворення енантіомерів. Тепер препарат застосовують для лікування особливо важких випадків прокази.
Смак, запах і фармакологічний ефект сполук залежать від їхньої стереохімічної форми і взаємодії з клітинними ферментами та рецепторами.
Глава 5
72
Використовуючи для наочності клиноподібну форму зображення зв’язків, проекційну формулу Фішера одного з енантіомерів 2-бутанолу можна зобразити в такому вигляді:
С2Н
СН3
/СС"'Н
5 юн
сн3
НО—С-* н =
С2Н5
сн3
но-----н
С2Н5
Аналогічні прийоми застосовують при побудові проекцій Фішера для молекул, які містять кілька асиметричних атомів Карбону:
сно єно
НС< .^Н ?
І>ОН _ НО*~С— н _ но-------н
І л*Н = І =
н<с>он НО~ГН Н°4~Н
ОН СН2ОН СН2ОН
Щоб переконатися, молекули ідентичні чи різні, необхідно перевірити, суміщаються їх проекційні формули при накладанні чи ні. Відповідно до правил обертання проекційні формули Фішера не можна виводити з площини креслення, а також повертати в площині на 90°, хоча оберт на 180° у площині креслення дозволяється. Яків реальній молекулі, переміна місцями у формулі Фішера двох будь-яких замісників при асиметричному атомі Карбону веде до формули оптичного антипода:
МІНЯЮТЬ місцями Ні ОН
сн3 н-|-он
С2Н5
енантіомери 2-бутанолу
Сполуки з кількома асиметричними атомами Карбону. Якщо молекула має кілька асиметричних атомів Карбону, кількість можливих ізомерів збільшується.
Загальну кількість стереоізомерів у молекулі, що містить кілька асиметричних атомів Карбону з різним набором замісників, можна розрахувати за формулою
N=2",
де N — кількість ізомерів;
п — кількість асиметричних атомів Карбону.
Так, за наявності в молекулі двох нееквівалентних асиметричних атомів Карбону кількість ізомерів складає N = 22 = 4, якщо міститься три; то кількість стереоізомерів — відповідно 23 = 8 і т. д. #
Наприклад, хлорояблучна кислота НООС—СНОН—СНС1—СООН має два асиметричних атоми Карбону та існує у вигляді чотирьох просторових ізомерів:
СООН СООН
н —он НО-І-Н
СІ —н н СІ
СООН СООН
І. II.
СООН СООН
н —он і но—|—н
н СІ ; СІ—кн
СООН СООН
III. IV.
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
73
У тому, що молекули І—IV неідентичні, легко переконатися, використовуючи метод накладання. Оскільки в наведених ізомерах площина симетрії відсутня, то всі вони — оптично активні. Ізомери І і II, а також III і IV є дзеркальним відображенням один одного, тобто енантіомери. Як уже зазначалося, енантіомери мають однакові фізичні і хімічні властивості, рівне за значенням, але протилежне за знаком питоме обертання. Однак енантіомери І і II відрізняються за фізико-хімічними характеристиками від енантіомерів III і IV.
Стереоізомери І і III та І і IV, а також II і III та II і IV не є дзеркальним відображенням один одного. Вони мають однакову конфігурацію при одному асиметричному атомі Карбону, але різну — при іншому. Такі стереоізомери називають діастереомерами. На відміну від енантіомерів діастереомери мають різні фізичні і хімічні властивості, різне за значенням питоме обертання.
Коли молекула містить два асиметричних атоми Карбону з однаковим набором замісників, кількість стереоізомерів зменшується з чотирьох до трьох. У цьому випадку один з ізомерів має площину симетрії, тому він сумісний зі своїм дзеркальним відображенням. Цей ізомер називають мезофо^мою.
Прикладом може служити винна кислота (НООС—СН—СН—СООН), що має
ОН ОН
тільки три ізомери — два енантіомери та одну мезоформу:
( :оон :оон ( :оон
но— -н н— -он н— -он площина
н— -он но- —н її- -он симетрії
( :оон ( :оон с :оон
енантіомери мезоформа
Якщо для мезоформи зобразити формально оптичний антипод, то, повернувши його проекцію на 180° у площині креслення, одержимо первісну структуру. Це свідчить про те, що ці стереоізомери ідентичні:
СООН і СООН
Н---ОН =Ц НО--Н
Н—|—ОН “П но-кн
СООН СООН
мезоформа
Молекула мезоформи має площину симетрії, отже, вона ахіральна, а тому не має етичної активності. Мезоформа — типовий приклад, коли молекула, маючи кілька хіральних центрів, у цілому може бути ахіральною. Кожний з енантіомерів винної кислоти щодо мезоформи є діастереомером.
Оптично активні сполуки з іншими асиметричними атомами. Крім атома Карбону молекула може мати як асиметричний центр і інші атоми, зв’язані з чотирма різними замісниками. Це, зокрема, атоми Силіцію, Нітрогену, Фосфору. Такі молекули виявляють оптичну активність і утворюють стійкі оптичні ізомери.
СН3 ^..>С6Н4-СООН
с,нг \
2 5 с6н5
сн3 ноос-с6н4/„ І
С6нГ
Глава 5
74
СН,
с'нг \н5
С2Н5
сн, І+ Вг-
^С6н5
Поряд з цим існують асиметрично побудовані сполуки, у молекулах яких хіральний центр (атоми Нітрогену, Фосфору, Сульфуру) зв’язаний не з чотирма, а з трьома різними групами. Роль четвертого замісника в цьому випадку виконує неподілена електронна пара. Прикладами таких сполук можуть служити вторинні (а) і третинні (6) аміни, фосфіни (в) і сульфоксиди (г):
\рСн3 н,с< \
5 2 С3Н7 б
Слід зазначити, що конфігураційні ізомери сполук із тривалентним асиметричним центром украй нестійкі. За звичайних умов відбувається швидкий перебіг процесу взаємоперетворень енантіомерів один в одного, тому виділити оптично активні ізомери вдається дуже рідко.
Крім розглянутих прикладів оптична ізомерія властива також деяким речовинам, що не мають асиметричних атомів (див. атропоізомерія).
Номенклатура оптичних ізомерів. Оскільки оптичні ізомери відрізняються один від одного лише конфігурацією молекул і відношенням до поляризованого світла, то в їхній номенклатурі поруч із назвою, яка відображає хімічну будову, указуються також конфігурація і напрям обертання поляризованого світла.
Відхилення плоскополяризованого променя вправо позначають у назві оптичного ізомеру знаком (+), а вліво — знаком (-). Щоб сказати, який енантіо-мер з пари має праве, а який — ліве обертання, необхідно знати дійсне розташування навколо хірального центру, тобто абсолютну конфігурацію молекул. Важливо відзначити, що напрям і кут обертання площини поляризації не пов’язані будь-яким чином з конфігурацією. Визначення абсолютної конфігурації молекул виявилося для хіміків досить складним завданням. Лише 1951 року методом рентгеноструктурного аналізу була вперше встановлена абсолютна конфігурація натрій-рубідієвої солі (+)-винної кислоти. До цього часу конфігурація оптичних ізомерів установлювалася методом порівняння зі спеціально обраною стандартною речовиною. Така конфігурація отримала назву «відносної». У 1906 році російським ученим М. О. Розановим як стандарт для встановлення відносної конфігурації був запропонований гліцериновий альдегід СН2(ОН)—СН(ОН)—СН=О. Правообертаючому ізомеру гліцеринового альдегіду була довільно приписана абсолютна конфігурація, у фішерівській проекції якої група —ОН знаходиться справа. Таку конфігурацію позначили літерою £>. Ліво-обертаючому енантіомеру гліцеринового альдегіду відповідно приписана дзеркальна конфігурація, яку позначили літерою £ (група —ОН у проекції Фішера розташована зліва):
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
75
н—ОН СН2ОН
Г>-( + (-гліцериновий альдегід
но—н сн2он
£ - (-) -гліцериновий альдегід
Гліцериновий альдегід обрано як стандарт лише тому, що за допомогою низки хімічних реакцій його можна перетворити в численні інші оптично активні сполуки, не торкаючись зв’язку з асиметричним атомом Карбону. Наприклад, без порушення конфігурації хірального центру (+)-гліцериновий альдегід можна перетворити в (-)-молочну кислоту. Отже, (-)-молочна кислота буде мати таку ж конфігурацію, що і (+)-гліцериновий альдегід, тобто ^-конфігурацію:
ЄНО
Н---ОН
СН2ОН
Вгун2ог
СООН н—|—ОН сн2он
РВг3
-(- )-гліцериновий альдегід
СООН
* н—он СН2Вг
?п/н\
СООН н—І—он
Володимир ПРЕЛОГ (1906-1998)
Швейцарський хімік. Роботи присвячені стереохімії, синтезу і дослідженню органічних сполук, у тому числі антибіотиків. Сформулював (1950) правило Прелога про кращу конформацію оптично активних речовин у ході їхнього перетворення. Розробив (1966) разом з К. Інгольдом загальноприйняту систему /?,5-позначень для просторових конфігурацій, вони ж увели поняття «хіральність».
Лауреат Нобелівської премії (1975, разом із Дж. У. Корнфортом).
сн3
й-(-)-молочна кислота
Цей приклад свідчить про те, що молекули з однаковою конфігурацією необов’язково мають обертати площину поляризованого світла в одному напрямі.
Аналогічним чином, незалежно від знака обертання, конфігурація інших оптично активних сполук довільно віднесена до Л- чи Ь-гліцеринового альдегіду або відповідно до Р- чи Ь-стереохімічного ряду.
Пізніше експериментальним шляхом було встановлено, що довільно приписана (+)- і (-)-гліцериновому альдегіду конфігурація відповідає істинному розташуванню замісників у просторі, тобто абсолютній конфігурації цих речовин. Цей удалий збіг дозволив уникнути плутанини в хімічній літературі, тому що встановлена для різних сполук відносна конфігурація набула сили абсолютної.
В,Ь-Система позначення конфігурації оптичних ізомерів застосовується лише для структурно споріднених з гліцериновим альдегідом сполук. До них належать речовини з такою конфігурацією хірального центру, коли в проекції Фішера з одного боку від вертикальної лінії розташований атом Гідрогену, а з іншого боку — група —ОН, —1ЧН2, —1ЧО2, атом галогену тощо. Якщо зазначені замісники знаходяться справа, молекула має /^-конфігурацію, а якщо зліва — ^-конфігурацію:
Глава 5
76
соон Н—І—ОН
СН2СООН
Р-яблучна кислота
соон н2м—І—н
сн3
Л-аланін
сн3
н—І—сі
С2Н5
Р-2-хлоробутан
Щодо сполук з кількома хіральними центрами приналежність ізомерів до Р-або ^-стереохімічного ряду встановлюють за конфігурацією асиметричного атома Карбону з найбільшим порядковим номером, тобто за нижнім асиметричним атомом Карбону в проекції Фішера:
О
,0
,0
н н он
но "Н
СН2ОН
/)-треоза
но-Нн но но
СН2ОН
£-рибоза
н й"
н—он НО-І-Н
н "Ж
СН2ОН
Р-глюкоза
РН он
н
Н
Винятком із цього правила є а-амінокислоти, а-гідроксикислоти, винна кислота, у яких приналежність до £>- чи £-ряду встановлюють за конфігурацією а-атома Карбону (верхнього асиметричного атома Карбону в проекції Фішера):
СООН СООН СООН
: Н 2ІЧ— - її...Н ——О Н........НО— - Н!
’Н^ОН.........НО'-^ВҐ..........-Н^ОЙ
сн3 соон сн3
А-треонін Р-винна Л-а,р-дигідрокси-
кислота масляна кислота
Просторове положення однакових замісників у молекулах з двома сусідніми асиметричними атомами Карбону прийнято позначати в назві ізомеру префіксами трео- і еритро-.
Трео-ізомерами називають речовини, у проекціях Фішера яких однакові замісники при асиметричних атомах Карбону розташовані з різних боків, еритро-ізомерами — відповідно з одного боку:
СООН н—он н—І-сі соон
В-еритро-хлоряблучна кислота
соон
но—н сі—нн
соон
Ь- е/шдиро-хлоряблучна кислота
соон н—он СІ—|—Н соон
/> дирео-хлоряблучна кислота
соон
но— н
н— -сі
соон
Ь- трео-тофя&луть кислота
Л,£-Система позначення конфігурації, незважаючи на широке використання, має обмежену сферу застосування. Іноді сполука містить такі замісники навколо асиметричного центра, що буває просто неможливо будь-яким чином порівняти його конфігурацію з гліцериновим альдегідом.
Останнім часом в органічній хімії все ширше стала застосовуватися більш універсальна номенклатурна система позначення абсолютної конфігурації оптичних ізомерів — /?.5-система, запропонована Каном, Інгольдом і Прелогом.
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
К,8-Система ґрунтується на визначенні напрямку послідовного зниження старшинства замісників, зв’язаних з асиметричним атомом Карбону.
Старшинство замісників установлюється підрахунком атомних номерів елементів, спочатку безпосередньо зв’язаних з хіральним центром, а потім, якщо це необхідно,— елементів наступних елементних шарів. Чим більший атомний номер, тим старший замісник. У молекулі бромойодохлорометану (рис. 5.7, а) замісники утворюють такий ряд послідовно зменшуваного старшинства:
—І, —Вг, —СІ, —Н
1н
53|—С—5Вґ „І
І
^-конфігурація
І
^-конфігурація
-І > -Вг > -СІ > —Н
-ОН > -СООН > -СН3 > —Н
^-конфігурація
б
СООН
^-конфігурація
Рис. 5.7. Визначення конфігурації за Д5-системою: а — бромойодохлорометану; б — молочної кислоти
Якщо два або більше атомів, безпосередньо зв’язаних з асиметричним центром, однакові, то порядок старшинства замісників, до складу яких уходять ці атоми, визначається аналогічним чином у другому елементному шарі, тобто шляхом підрахунку суми атомних номерів елементів, безпосередньо зв’язаних з атомами першого шару, причому атомні номери елементів, зв’язаних подвійним зв’язком, подвоюються, а потрійним — потроюються.
Так, у молекулі молочної кислоти (рис. 5.7, б) у першому елементному шарі (80,6С, Н, 6С) бачимо, що найстаршим замісником є група —ОН, а наймолодшим —Н. Для з’ясування старшинства замісників —СООН і —СН3, що мають у першому шарі однакові атоми (6С), необхідно розглянути другий елементний шар. Сума атомних номерів другого елементного шару СН3-групи — 1 + 1 +1=3, а групи —СООН — 8 + 8 • 2 = 24 (див. рис. 5.7, б). Отже, група —СООН старша від групи —СН3, а всі замісники навколо хірального центру молочної кислоти розташовуються в такий ряд послідовно зменшуваного старшинства:
—ОН, —СООН, —сн3, —н
Після встановлення старшинства замісників, згідно з 7?,5-системою опису конфігурації стереоізомерів, модель молекули або її стереохімічну формулу розглядають
Глава 5
78
Кристофер ІНГОЛЬД (ІНГОЛД) (1893—1970)
Англійський хімік. Засновник фізичної органічної хімії. Вивчав (1926—1933) електронну структуру ароматичних сполук. Розвинув теорію електронних зміщень. Увів уявлення про елекгро-і нуклеофільні реагенти і реакції. Уточнив класифікацію ефектів електронних зміщень, розглянув їх причини. Узагальнив матеріали стосовно визначення залежності фізичних властивостей і реакційної здатності сполук від їхньої електронної будови. Провів низку фундаментальних досліджень кінетики реакцій заміщення. Разом з В. Прелогом розробив /(,5-систему позначень для просторових конфігурацій.
таким чином, щоб наймолодший замісник (найчастіше це атом Гідрогену) був найбільш віддалений від спостерігача (див. рис. 5.7, б). Якщо при цьому три інших замісники розташовані в просторі так, що їхнє старшинство послідовно знижується за годинниковою стрілкою, абсолютна конфігурація позначається літерою К (від лат. Кесіиз — правий), якщо ж старшинство замісників знижується проти годинникової стрілки, конфігурацію позначають літерою 8 (від лат. 8іпііїег — лівий).
Для опису через К,8-систему позначення конфігурацій стереоізомерів, зображених за допомогою проекційних формул Фішера, необхідно шляхом парного числа перестановок замісників перетворити проекцію Фішера таким чином, щоб молодший замісник знаходився внизу. Якщо при цьому інші три замісники розташовані в порядку зменшення старшинства за годинниковою стрілкою, сполука належить до А-ряду, якщо проти годинникової стрілки — до 5-ряду. Перетворюючи зазначеним способом, наприклад, проекцію 2)-гліцеринового альдегіду, бачимо, що за /(,5-системою він має /(-конфігурацію:
Я-гліцериновий альдегід
Слід пам’ятати, що непарне число перестановок замісників у проекції Фішера приводить до обернення конфігурації:
СН2ОН
Л-гліцериновий альдегід
обернення конфігурації
НОН2С
^-гліцериновий альдегід
Особливо складне перетворення проекційних формул для сполук з кількома хіральними центрами. У таких випадках /(,5-система допускає використання неперетворених проекційних формул. При цьому, якщо в проекційній формулі Фішера молодший замісник розташований справа або зліва від асиметричного центру, для опису конфігурації за /(,5-системою застосовується обернене правило, а саме — зменшення старшинства замісників за годинниковою стрілкою надає хіральному центру ^-конфігурацію, а проти годинникової — /(-конфігурацію. Наприклад, із чотирьох стереоізомерів З-бром-2-бутанолу перший має (2А,3/()-,
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
другий — (25,35)-, третій — (25,ЗК)- , четвертий — (2А,35)-конфігурацію, яка позначається у вигляді префікса до систематичної назви:
( :н3 сн3 сн3 сн3
ттгч 2 1 тт тт ( _Г\ТТ Т-Г— (_ тт/4— 1 ТТ
НО ( 7 Г1 1 ) <711 11 1 } ОН Н О і ] Н
т>г ( ] П тт_ [ \ т>г рг ' 1 14
Н \. ВГ ВГ Н 11 1 ВГ ВГ ] п
4( :н3 сн3 сн3 сн3
(27?, 37?)-ізомер (25,35)-ізомер (25,37?)-ізомер (27?, 35)-ізомер
І. II. III. IV.
Рацемічні форми. В індивідуальному вигляді органічні сполуки з хіральними молекулами утворюються лише в результаті складних біохімічних процесів, які проходять у живих організмах за участі ферментів. При синтетичних методах їх добування, як правило, утворюються рівні кількості лівообертаючих і правообер-таючих енантіомерів, які складають так звану рацемічну форму. Рацемічна форма не має оптичної активності. У газоподібному і рідкому агрегатних станах, а також у розчинах рацемічна форма — це ідеальна суміш рівної кількості енантіомерних молекул, тому вона має ті ж властивості, що й індивідуальні енантіомери (температуру кипіння, показник заломлення, ІЧ-спектри).
У твердому стані рацемічна форма може існувати у вигляді суміші дзеркально ідентичних кристалів індивідуальних енантіомерів, яка отримала назву -ране нічна * -мні», або бути молекулярною сполукою, кристали якої побудовані з молекул ліво- і правообертаючого ізомеру, які строго чергуються. Така рацемічна форма нвасться рацемічною сполукою, або рацематом. Рацемати відрізняються від індивідуальних енантіомерів фізичними властивостями (температурою плавлення, розчинністю) і спектральними характеристиками (ІЧ-спектри у твердому стані). Так, температура плавлення (+)-винної і (-)-винної кислоти рівна 170°С, а рацемічна винна кислота (виноградна) плавиться при температурі 204—206 °С.
Причиною утворення рацемічної форми при виникненні хірального центру в молекулі є тонкі відмінності в просторовій будові ахіральних молекул.
Якщо ахіральна молекула містить при ^-гібридизованому атомі Карбону чотири або три однакових замісники, то ці замісники еквівалентні, тобто їх неможливо відрізнити один від одного будь-якими фізичними і хімічними методами. Такі замісники мають однакове просторове розташування, їх називають гомотопними.
Коли при зр3-гібридизованому атомі Карбону є два однакових замісники, їхнє просторове положення може бути в одних випадках еквівалентним, в інших — нееквівалентним. У симетричному оточенні такі два замісники еквівалентні, тобто гомотопні. Так, у молекулі дихлорометану СН2С12 атоми Гідрогену мають симетричне оточення, тому заміщення кожного з них на інший замісник, наприклад атом Брому, приводить до ідентичних продуктів.
Н
Вг/,,„ । сґ
^С1
гомотопні атоми
у)
Вг2(Лу)
Вг
Н6к.І сґ
СІ
бромодихлорометан дихлорометан бромодихлорометан
У несиметричному оточенні два однакових замісники мають нееквівалентне просторове положення. При заміні одного з них на нову групу утворюється про
Глава 5
80
дукт, просторово не ідентичний тому, який одержуємо при заміщенні іншого. Ці продукти один відносно одного є енантіомерами. Атоми або групи в молекулі, заміщення яких приводить до утворення енантіомерів, називаються енантіотопними. Так, у молекулі флуорохлорометану СН2РС1 атоми Гідрогену мають несиметричне оточення, а внаслідок цього — нееквівалентне просторове положення. Вони енантіотопні, оскільки при заміщенні одного з них, наприклад атомом Брому, утворюється один енантіомер, тоді як при заміні іншого — інший енантіомер.
| енантіотопні атоми
Н
Вг/„ ।
^С1
Т І о
Вг2(М І
Вг
/ ^С1
5-бромофлуорохлорометан
флуорохлорометан
Л-бромофлуорохлорометан
Р
Еквівалентними та енантіотопними в молекулі можуть бути не лише замісники при ^-гібридизованому атомі Карбону, але і сторони подвійного зв’язку .^-гібридизованого атома Карбону. У молекулі формальдегіду (рис. 5.8), що має симетричне оточення карбонільної групи, атака ахіральним реагентом подвійного зв’язку з будь-якого боку приведе до одного і того ж продукту. Це свідчить про те, що сторони подвійного зв’язку в молекулі еквівалентні.
В ацетальдегіді (див. рис. 5.8) карбонільна група має несиметричне оточення, тому при атаці ахіральним реагентом із двох різних боків утворюються просторово неідентичні продукти. За відношенням один до одного вони енантіомери. Такі дві сторони подвійного зв’язку в молекулі називаються енантіотопними.
При взаємодії з ахіральними реагентами енантіотопні замісники або сторони в молекулі піддаються атаці з однаковою швидкістю, тому в результаті реакції
Ідентичні молекули
Рис. 5.8. Еквівалентні сторони подвійного зв’язку у формальдегіді (І) і енантіотопні сторони в ацетальдегіді (II)
Енантіомерні молекули
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
81
утворюються рівні кількості енантіомерів, тобто рацемічна форма. Хіральними реагентами, включаючи і хіральні біохімічні агенти типу ферментів, енантіотоп-ні атоми, групи або сторони атакуються з різною швидкістю, що приводить до утворення переважно або винятково одного енантіомера. Реакції, що перебігають з утворенням винятково або переважно одного з можливих стереоізомерів, називають стереоселективними.
Молекули, що містять енантіотопні атоми, групи або сторони, називають про-хіральними, тому що заміна одного з енантіотопних замісників групою, що відрізняється від трьох інших, а також приєднання нової групи за місцем розриву подвійного зв’язку приводить до утворення хіральної молекули.
Методи розділення рацемічних форм на енантіомери. Для розділення рацемічних форм на складові їх енантіомери застосовують механічний, біохімічний і хімічний методи.
Механічний метод можна застосовувати в тому разі, коли енантіомери, які утворюють рацемічну форму, кристалізуються з розчину окремо. При цьому кристали ліво- і правообертаючого ізомерів відрізняються один від одного за зовнішнім виглядом, як хіральний предмет відрізняється від свого дзеркального відображення. Такі кристали можуть бути розділені механічно. Цим методом 1848 року Луї Пастер уперше розділив на енантіомери натрійамонієву сіль виноградної кислоти. Оскільки роздільна кристалізація енантіомерів властива лише деяким рацемічним формам, метод механічного розділення має обмежене застосування.
Біохімічний метод базується на вибірковому споживанні деякими мікроорганізмами будь-якого одного з двох енантіомерів рацемічної форми. У результаті інший ізомер може бути виділений із залишку в чистому вигляді. Цим методом 1857 року Луї Пастер за допомогою плісеневого грибка Репісіїїіит §1аисит з рацемічної винної кислоти (виноградної) одержав (-)-винну кислоту. Застосування біохімічного методу розділення обмежене необхідністю пошуку придатного мікроорганізму, а також тим, що не кожну речовину можуть споживати мікроорганізми. Крім того, один з енантіомерів у процесі розділення пропадає. Однак біохімічний метод використовують для промислового виробництва И-а-амінокислот.
Хімічний метод ґрунтується на перетворенні енантіомерів рацемічної форми в діастереомери з подальшим їх розділенням і виділенням індивідуальних енантіомерів. Діастереомери одержують взаємодією рацемічної форми з будь-яким оптично активним реагентом. Розділення рацемічних форм хімічним методом можна зобразити в загальному вигляді такою схемою:
рацемічна форма оптично активний реагент
А + В І + Гс~ -
суміш діастереомерів
А • С + В • С
індивідуальні енантіомери
Глава 5
82
При взаємодії рацемічної форми (А + В) з оптично активним реагентом (С) утворюється суміш діастереомерів (А • С) і (В • С), які на відміну від енантіомерів мають різні фізичні властивості (температуру плавлення або кипіння, розчинність і т. д.), на чому і ґрунтується їх розділення. Для розділення твердих діастереомерів найчастіше користуються різною розчинністю (метод кристалізації), для рідких — різною температурою кипіння (метод перегонки). Зараз широкого розповсюдження набули хроматографічні методи розділення діастереомерів. Дією на індивідуальні діастереомери (А • С) і (В • С) інших реагентів одержують індивідуальні енантіомери (А) і (В).
Практично найчастіше діастереомери отримують реакцією солеутворення, тобто на суміш енантіомерних кислот діють оптично активною основою, а на суміш енантіомерних основ — оптично активною кислотою.
Окрім розглянутих методів розділення рацемічних форм, застосовують також хроматографічні методи.
5.2.3. ГЕОМЕТРИЧНА ІЗОМЕРІЯ
Геометричними ізомерами називають речовини, що мають однаковий склад і послідовність зв ’язування атомів у молекулах, але різне розташування замісників у просторі відносно площини подвійного зв ’язку або площини циклу.
Поява цього виду ізомерії обумовлена неможливістю вільного обертання навколо подвійного зв’язку в молекулі і а-зв’язків, що утворюють цикли1 .
Геометрична ізомерія спостерігається в органічних сполуках з подвійним зв’язком і аліциклічних сполуках.
Геометрична ізомерія сполук з подвійним зв’язком. Вона найбільш поширена серед органічних сполук, молекули яких містять подвійний вуглець-вуглецевий
зв’язок /С=С\.
Геометрична ізомерія можлива лише в тому випадку, коли в кожного з атомів Карбону, які утворюють подвійний зв’язок, є два різних замісники.
И\
с/
с=с
2-бром-1 -йод-1 -хлоретен
н
Вг
1,2-дихлоретен
Молекули таких сполук можуть існувати у вигляді двох просторових ізомерів, які відрізняються один від одного розташуванням замісників відносно площини подвійного зв’язку (рис. 5.9).
Для позначення конфігурації геометричних ізомерів використовують цис-транс- і Е,^-систему. Цис-транс-система позначень конфігурації має обмежене застосування. Її можна використовувати тільки тоді, коли зв’язані подвійним зв’язком атоми Карбону мають однакові замісники. Якщо однакові замісники розташовані з одного боку від площини подвійного зв ’язку, конфігурацію позначають цис-, якщо з різних боків — транс-'.
1 Навколо а-зв’язків циклу залежно від його разміру можливі конформаційні повороти, але в цілому цикли — жорсткі утворення.
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
н
н
Н3СХ хсн3
цмс-2-бутен
Ап/?анс-2-бутен
сн3 н
Тому геометричну ізомерію називають ще цис-транс-ізомеріею.
Рис. 5.9. Геометричні ізомери 1,2-дихлоретену: а — цис-ізомер: б — транс-ізомер
Коли атоми Карбону, що утворюють подвійний зв’язок, мають усі різні замісники, як, наприклад, у 1-бром-1-хлоропропені, застосування цис-/иронс-системи стає неможливим. У таких випадках використовують Е,Е-систему позначень:
17С1\ _ /Н 35Вг/С—С^6СН3
(2) -1 -бром-1 -хлоропропен
,7Ск /СН3 ”Вг/С-С\'н
(£) -1 -бром-1 -хлоропропен
Д^-система більш універсальна і придатна до геометричних ізомерів з будь-яким набором замісників. Д/^-система позначень конфігурації базується на визначенні за Каном—Інгольдом—Прелогом (див. с. 76, 77) старшинства замісників у кожного з атомів Карбону, сполучених подвійним зв’язком. Якщо при цьому старші замісники з кожної пари розташовані з одного боку від площини подвійного зв’язку, конфігурацію позначають буквою X (від нім. Хизаттеп — разом), якщо по різні боки — буквою Е (від нім. ЕпІ%е%еп — навпроти). Так, у наведених ізомерах 1-бром-1-хлоропропену старшим замісником в одного з атомів Карбону є атом Брому, у другого — група —СН3. Отже, ізомеру, в якому ці замісники розташовані з одного боку від площини подвійного зв’язку, відповідає .^-конфігурація, а ізомеру, де вони розташовані з обох боків,— £'-конфігурапія.
Слід зазначити, що між цис-, транс- і Е,^-системою позначень не існує будь-якого взаємозв’язку. В одному випадку цмс-ізомер може бути £-ізомером, а в іншому — ^-ізомером:
СІ
Вг
Н3СЧ /СН 2С=С\
цис-1 -бром-1,2-дихлоретен; (Е) -1 -бром-1,2-дихлоретен
г<ис-2-бутен; (2)-2-бутен
Глава 5
84
Геометричні ізомери з подвійним вуглець-вуглецевим зв’язком мають високу стійкість, причому дтранс-ізомери більш стійкі, ніж дис-ізомери. Перетворення одного ізомеру в інший відбувається в досить жорстких умовах (висока температура, опромінення ультрафіолетовим світлом) і вимагає розриву а-зв’язку.
У вигляді геометричних ізомерів можуть існувати також сполуки, молекули яких містять подвійний зв’язок /С=?Ч— з різними замісниками при атомі Карбону і подвійний зв’язок —И=М—. У цих випадках атоми при подвійному зв’язку мають три або два замісники. Роль «відсутнього» замісника в таких ізомерах виконує неподілена електронна пара атома Нітрогену (||):
(2)-оксим бензальдегіду (£)-оксим бензальдегіду
смя-ізомер дняш-ізомер
(2)-азобензен (£)-азобензен
сия-ізомер дняш-ізомер
Конфігурацію подібних ізомерів спочатку позначали префіксами син- і анти-(за аналогією з цис- і транс-). Нині використовують Е,^-номенклатуру.
Стереоізомери з подвійним зв’язком /С=К— і —И=К— мають значно меншу стабільність, ніж ізомери з подвійним вуглець-вуглецевим зв’язком.
Оскільки геометричні ізомери з подвійним зв’язком мають однакову конфігурацію при одному з атомів, які утворюють подвійний зв’язок, і різну при іншому, вони один відносно одного є діастереомерами. Такі діастереомери містять я-зв’язок, тому їх називають п-діастереомерами. Молекули я-діастереомерів ахіральні, тому не мають оптичної активності.
Геометрична ізомерія циклічних сполук. Подібно до подвійного зв’язку наявність циклу в молекулі перешкоджає вільному обертанню навколо а-зв’язків, які утворюють його, і тим самим створює можливість для існування геометричної ізомерії. Така ізомерія можлива за наявності в циклі двох атомів Карбону, кожний з яких має два різних замісники. У цьому разі два замісники при різних атомах Карбону можуть бути розташовані з одного боку від площини циклу1 — дис-ізомер або по різні боки — /ирянс-ізомер:
Н Н Н СООН
НООС^^СООН ноос'^^'н
цис-1,2-циклопропандикарбонова кислота
транс-1,2-циклопропандикарбонова кислота
цис-1,3-диметилциклогексан
транс-1,3-диметилциклогексан
1 При розгляді питань ізомерії будову циклів прийнято вважати площинною, хоча насправді вона притаманна лише тричленним циклам.
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
Для позначення конфігурації геометричних ізомерів циклічних сполук Е,^-систему не застосовують.
На відміну від сполук з подвійними зв’язками в циклічних сполуках геометрична ізомерія нерозривно зв’язана з оптичною, оскільки заміщені атоми Карбону в циклі асиметричні.
Якщо в циклі при різних атомах Карбону є однакові пари замісників, тобто асиметричні атоми Карбону рівноцінні, то, подібно до винної кислоти (див. с. 73), кількість оптичних ізомерів зменшується від чотирьох до трьох. Дис-ізомер у цьому випадку має площину симетрії, а тому сумісний зі своїм дзеркальним відображенням і не має оптичної активності (мезоформа). Транс-ізомер не має площини симетрії та існує у вигляді двох енантіомерів:
Н. .СООН
\/ ноос7 н
ноос
н
н. ,н
ноос7 хсоон
дзеркало
енантіомери 1,2-циклопропандикарбонової кислоти
мезоформа
Якщо заміщені атоми Карбону в циклі не рівноцінні, як, наприклад, у 2-бутил-1-циклопропанкарбонової кислоти, то кількість стереоізомерів відповідає формулі N = 1п і дорівнює чотирьом. У цьому разі і цис- і /иранс-ізомер існують у вигляді двох енантіомерів:
НООС
н
соон
н
енантіомери цис-2-бутил-1-циклопропанкарбонової кислоти
ноос
н
соон
н
енантіомери тиранс-2-бутил-І-циклопропанкарбонової кислоти
Геометричні ізомери мають різні фізичні властивості (температуру плавлення та кипіння, розчинність і т. д.), спектральні характеристики та хімічні властивості. Такі відмінності у властивостях дозволяють досить легко встановити їх конфігурацію за допомогою фізичних і хімічних методів.
5.2.4. КОНФОРМАЦІЙНА (ПОВОРОТНА) ІЗОМЕРІЯ
Конформаційна ізомерія обумовлена обертанням окремих фрагментів молекули навколо одинарних зв’язків. У результаті обертання молекула може набувати різних просторових форм, названих конформаціями. Молекула етану внаслідок обертання навколо вуглець-вуглецевого зв’язку може мати величезну кількість конформацій, кожна з якої характеризується певним значенням потенційної енергії. Дві крайні конформації називають заслоненою (затіненою) і загальмованою.
Для зображення конформацій на площині використовують перспективні формули і проекційні формули Ньюмена:
Глава 5
86
заслонена (затінена) конформація етану
загальмована конформація етану
У заслоненій конформації етану атоми Гідрогену метальних груп, якщо дивитися вздовж вуглець-вуглецевого зв’язку, розташовані один за одним. У загальмованій — атоми Гідрогену однієї метальної групи максимально віддалені від атомів Гідрогену іншої. Між заслоненою і загальмованою конформаціями молекула в процесі обертання набуває величезної кількості скошених конформацій. Поворот фрагментів молекули навколо одинарного зв’язку характеризується торсійним (двогранним) кутом <р (рис. 5.10).
а
б
Рис. 5.10. Торсійний (двогранний) кут (р: а — перспективна проекція; б — ньюменівська проекція
Змінювання потенційної енергії Е молекули етану залежно від торсійного (поворотного) кута ф показано на рис. 5.11.
Максимальну потенційну енергію має заслонена конформація. При переході від заслоненої конформації до загальмованої енергія поступово зменшується і стає мінімальною в загальмованій конформації. Оскільки ця конформація для молекули енергетично найбільш вигідна, більше часу молекула перебуває в загальмованій конформації. При подальшому обертанні енергія знову збільшується і досягає максимуму в наступній заслоненій конформації. У кінцевому підсумку за оберт на 360° молекула тричі набуває заслоненої і тричі загальмованої конформацій.
Енергетична нерівноцінність різних конформацій пояснюється існуванням у молекулі так званого торсійного напруження (напруження Пітцера), зумовленого взаємодією (відштовхуванням) електронних хмар супротивнії) зв ’язків. У заслоненій конформації супротивні зв’язки максимально наближені, тому взаємодія між ними найбільша. У міру віддалення супротивних зв’язків один від одного торсійне напруження зменшується і стає мінімальним у загальмованій конформації. Різницю енергій заслоненої і загальмованої конформацій називають енергетичним бар ’єром обертання. Для етану енергетичний бар’єр невеликий, він становить близько
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
87
| Енергетичний бар'єр
Загальмовані конформації
60
120
180
240
300
Рис. 5.11. Діаграма потенціальної енергії конформацій етану
0
360 ф, град
12 кДж/моль і легко долається молекулою при звичайних температурах за рахунок енергії теплового руху.
За наявності в атомів, зв’язаних одинарним зв’язком, об’ємних замісників (як у молекулі бутану) поруч з торсійним напруженням виникає напруження Ван-гіер-Ваальса. Це напруження зумовлене взаємним відштовхуванням замісників при зближенні на відстань, приблизно рівну сумі їх вандерваальсових радіусів.
При обертанні навколо зв’язку С-2—С-3 можливі чотири крайні конформації, з яких дві загальмовані і дві заслонені:
гош-
заслонені конформації
загальмовані конформації
Загальмовану конформацію, в якій об’ємні замісники максимально віддалені один від одного (торсійний кут дорівнює 180°), називають анти-конформацією. Загальмовану конформацію з торсійним кутом між об’ємними групами, рівним 60°, називають гош-конформацією.
Згідно з діаграмою (рис. 5.12) максимальну потенційну енергію має заслонена конформація (А), в якій метильні групи розташовані одна напроти одної. Для цієї конформації в потенційну енергію робить свій внесок, крім торсійного напружен-
Глава 5
88
Рис. 5.12. Діаграма потенціальної енергії конформації) бутану
ня, також і напруження Ван-дер-Ваальса, зумовлене взаємодією не зв’язаних одна з одною метальних груп.
Через це конформація має більшу енергію, ніж заслонені конформації В і Д які містять у заслоненому положенні метильну групу і атом Гідрогену. Загальмовані конформації бутану також енергетично неоднакові. Загальмовані гоїа-конформації Б і Е за рахунок метил-метильної взаємодії мають трохи більшу потенційну енергію, ніж аи/им-конформація Г, де взаємодія між об’ємними групами взагалі відсутня. Тому найбільш вигідна для молекули бутану ан/ии-конформація.
Хоча обертання навколо центрального вуглець-вуглецевого зв’язку в бутані пов’язане з подоланням енергетичного бар’єра в 25,5 кДж/моль, але він не такий великий, щоб перешкодити взаємоперетворенню конформації при кімнатній температурі. Однак у кожний момент часу більша частина молекул презентована найбільш енергетично вигідною конформацією.
Конформації з найменшим запасом енергії називають конформерами або конфор-маційними (поворотними) ізомерами.
Так, бутан при 25 °С існує приблизно на 70% у формі ан/ии-конформера і на 30% — гош-конформера. Зі зниженням температури зменшується енергія теплового руху і, отже, підвищується вміст більш стійкого конформера, а з підвищенням температури, навпаки, збільшується відсоток енергетично менш вигідних конфор-мерів. Конформери визначають властивості сполуки.
На відміну від конфігураційних ізомерів, конформери перетворюються один в одного без розриву хімічних зв’язків і не піддаються розділенню. Вони виявляються тільки фізико-хімічними методами.
ІЗОМЕРІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК. ПРОСТОРОВА БУДОВА МОЛЕКУЛ
89
Слід зазначити, що далеко не завжди загальмована аи/им-конформація має
найбільшу стійкість. Для ряду органічних сполук енергетично вигіднішими ви-
являються загальмовані гош-конформації. Так, у молекулі етиленхлорогідрину
С1СН2СН2ОН через утворення внутрішньомолекулярного водневого зв’язку між гідроксильною групою та атомом Хлору більш стабільна загальмована гош-
ш/яш-конформація
гош-конформація
Глава 6
КИСЛОТНІСТЬ І ОСНОВНІСТЬ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Для оцінки кислотності та основності органічних сполук у сучасній органічній хімії використовують дві теорії — протонну (протолітичну) теорію Бренстеда і електронну теорію Льюїса.
6.1. КИСЛОТНІСТЬ І ОСНОВНІСТЬ ЗА ТЕОРІЄЮ БРЕНСТЕДА
Відповідно до теорії Бренстеда кислотою називають будь-яку речовину, здатну віддавати протон (донор протона), а основою — речовину, здатну приєднувати протон (акцептор протона).
Звідси теорія отримала назву «протонна», або «протолітична». Для взаємодії з протоном основа повинна мати неподілену пару електронів або я-молекулярну орбіталь.
Кислотність і основність — це відносні властивості речовини. Кислотний характер може виявлятися лише в присутності основи, і, навпаки, основний — тільки в присутності кислоти. У цілому кислотно-основний процес полягає в перенесенні протона від кислоти до основи і може бути зображений такою схемою:
А—Н + В
кислота основа
А" + В+—Н
спряжена спряжена
основа кислота
Кислота А—Н, віддавши протон, перетворюється в основу А , яку називають спряженою основою цієї кислоти. Основа В, приєднавши протон, переходить у спряжену кислоту В+—Н.
Кислота А—Н і основа А", а також основа В і кислота В+—Н є спряженими кислотно-основними парами.
Багато органічних сполук можуть одночасно мати властивості і основи, і кислоти. Такі речовини називають амфотерними.
Мірою сили кислоти А—Н є константа кислотності Ка (а від англ. осіб — кислота), яку звичайно визначають відносно стандартної основи — води:
А—Н + Н2О А" + Н3О+
У достатньо розведеному розчині Ко розраховують за формулою
К - ІА~нн3о+] а [А-Н] •
Чим більше значення Ка, тим сильніша кислота. Як правило, за значенням константи кислотності дуже малі. Наприклад, для оцтової кислоти Ка при 25 °С до
КИСЛОТНІСТЬ І ОСНОВНІСТЬ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
91
рівнює 1,76 • 10-5. Оперувати такими малими числами незручно, тому на практиці частіше користуються величинами рКо.
рКа = -І^Ка.
Так, рКа оцтової кислоти дорівнює 4,75. Чим менше значення рКа, тим сильніша кислота.
Подібно до кислот силу основ кількісно виражають константою основності Кь (від англ. Ьазе — основа). Константа основності основи В у воді визначається з рівноваги:
В + Н2О В+—Н + НО
к [В+—Н][НО~]
ь [В]
Чим більше Кь, тим сильніша основа. Як і у випадку з кислотами, для зручності силу основ виражають звичайно величиною рА^:
РК/, =
Йоханнес Ніколаус БРЕНСТЕД (1879-1947)
Датський фізико-хімік. Основні наукові праці присвячені хімічній кінетиці, каталізу і термодинаміці розчинів. Сформулював (1929) основні положення теорії кислот і основ. Розвинув (1929) теорію кислотно-основного каталізу.
Чим менше рКь, тим сильніша відповідна
основа. Однак найчастіше силу основ оцінюють константою кислотності спряженої основі В кислоти В+—Н, що позначається як рА"вн . Чим більше значення рАвн , тим сильніша основа.
6.1.1. ТИПИ ОРГАНІЧНИХ КИСЛОТ
Органічні кислоти класифікують залежно від природи кислотного центру (атома елемента, з яким зв ’язаний атом Гідрогену, що обумовлює кислотні властивості)'.
> ОН-Кислоти: карбонові кислоти, спирти, феноли, вода тощо.
> 8Н-Хисимии; тіоли, тіолові кислоти тощо.
> 1ЧН-Кислоти: аміни, аміди кислот, іміди тощо.
> СН-Кислоти: сполуки, що містять сильно полярні С—Н-зв’язки.
Відомі також 8ІН-, РН-, АзН-кислоти.
Сила кислот визначається стійкістю спряжених основ (аніонів), які утворюються після відщеплення протона. Чим стійкіша спряжена основа, тим сильніша кислота. Стійкість же аніона обумовлена ступенем делокалізації негативного заряду і залежить від низки чинників:
> природи кислотного центру;
> характеру замісника, зв ’язаного з кислотним центром;
> природи розчинника.
При рівних інших чинниках стійкість аніонів, а отже, і кислотність зростають зі збільшенням електронегативності і поляризованості атомів кислотного центру. Оскільки в межах періоду періодичної системи електронегативність атомів зростає зліва направо (поляризованість не змінюється), то ОН-кислоти сильніші за відповідні МН-кислоти, а ті, у свою чергу, сильніші за СН-кислоти.
Глава 6
92
СНз-С^..
оцтова кислота Р*а =4,7
сн,—сС.......
3 >кн—н
ацетамід ?Ка = 15,1
/) сн,—сС.....
3 >сн?—н ацетон рКа = 20,0
У межах групи періодичної системи елекгронегативність атомів зменшується зверху вниз, але збільшується їхній об’єм, а отже, зростає поляризованість, тобто можливість делокалізації зовнішньої електронної хмари. Це сприяє підвищенню стабільності аніона і приводить до зростання кислотності. Тому 8Н-кислоти мають більшу кислотність, ніж ОН-кислоти:
СН3—СН2—ОН
етанол Р*а = 18,0
СН3—СН2—8Н етантіол рХ„ = 10,5
Органічні кислоти з однаковими радикалами залежно від природи кислотного
центру можна розташувати за зростанням кислотності:
СН-кислоти
< ^Н-кислоти
< ОН-кислоти
ЗН-кислоти
Кислотність органічних кислот
У межах окремого типу кислот кислотність залежить від будови радикала, зв’язаного з кислотним центром. Алкільні радикали завдяки +/-ефектові збільшують електронну густину в кислотному центрі і тим самим дестабілізують аніон, що приводить до зменшення кислотності. Ароматичні радикали, навпаки, підвищують стійкість аніона за рахунок делокалізації негативного заряду і сприяють збільшенню кислотних властивостей.
сн3->он
ОН
метанол рКа = 16,0
фенол
рКа=9,9
Замісники, введені в аліфатичні та ароматичні радикали, впливають на кислотність унаслідок виявлення ними електронних індуктивного і мезомерного ефектів. Елекгронодонорні замісники (+Г, +М-ефект) знижують кислотність, а електро-ноакцепторні (-/; -М-ефект) — збільшують її. Так, уведення в молекулу фенолу електроноакцепторних груп приводить до підвищення кислотності, уведення ж елекгронодонорних груп — знижує її.
ОН
он
мн2
4-амінофенол р^а = 10.7
он
фенол Р«а = 9,9
он
сн3
4-метилфенол рК„ = 10,1
ОН
N02
N02 4-нітрофенол рКа = 7,1
Кислотні властивості фенолів
N©2
2,4,6,-тринітрофенол рКа = 0,8
КИСЛОТНІСТЬ І ОСНОВНІСТЬ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
93
В аліфатичному ряду найсильніше впливають на кислотність замісники, розташовані до кислотного центру ближче.
Сі«-сн2—СООН СІ«-СН2—СН2—СООН сі«-сн2—сн2—сн2—СООН
хлороцтова кислота р-хлоропропіонова кислота у-хлоромасляна кислота
рК0 = 2,86 рК0 = 4,1 рХ0 = 4,5
Поряд із природою кислотного центру і будовою радикала значно впливає на виявлення кислотних властивостей розчинник. Вплив розчинника визначають його діелектричною проникністю і здатністю сольватувати розчинені частинки. Чим вищі діелектрична проникність розчинника і сольватаційний ефект, тим стабільніші іони в розчині. За рівних інших умов сольватація аніона перебігає тим сильніше, чим менший його розмір і менше делокалізований у ньому заряд. Таким чином, вплив сольватаційного ефекту розчинника і вплив замісників на кислотність протилежні один одному. Найбільш ефективний розчинник вода, яка має високу діелектричну проникність (є = 80 при 20 °С) і здатність до сольватації розчинених частинок.
6.1.2. ТИПИ ОРГАНІЧНИХ ОСНОВ
Як уже зазначалося, за протонною теорією в ролі основи може виступати будь-яка речовина, здатна приєднувати протон. Для утворення хімічного зв’язку з протоном основа повинна мати неподілену пару електронів або л-молекулярну орбіталь.
Залежно від природи основного центру (атом з неподіленою парою електронів або електрони п-зв’язку) органічні основи поділяють на п-основи і к-основи.
У п-основах центром основності є атом з неподіленою парою електронів. За природою центру основності п-основи класифікують на такі типи:
> амонієві (центр основності —ЬІ\, =Й—, =?ї): аміни, азометини (К—СН=Й—В), нітрили (К.—С=Й), нітрогеновмісні гетероцикли;
> оксонієві (центр основності —О—, =0): спирти, етери, альдегіди, кетони, естери, аміди кислот тощо;
> сульфонієві (центр основності —8—): тіоспирти (В.—8Н), тіоетери (В—8—В). При взаємодії будь-якої з и-основ із протоном як спряжена кислота утворюється відповідний катіон:
В + Н+ В+—Н
л-основа спряжена кислота
У л-основах центром основності є електрони п-зв’язку. До цієї групи основ належать алкени, алкадієни, арени. Вони дуже слабкі основи порівняно з и-основами. У процесі взаємодії протона з л-основою відбувається часткове перекривання 5-орбіталі протона зі зв’язуючою л-МО основи, унаслідок чого утворюється так званий л-комплекс:
л-комплекси
Глава 6
94
За аналогією з кислотами сила основ залежить від низки чинників:
> природи основного центру;
> характеру замісника, зв 'я за ного з основним центром;
> природи розчинника.
За рівних інших факторів зі збільшенням електронегативності атома основного центру, у межах одного і того ж періоду, неподілена пара електронів утримується міцніше, а отже, основність сполуки зменшується. Тому оксонієві основи слабкіші від амонієвих.
У межах групи періодичної системи зі збільшенням поляризованості атома основного центру посилюється делокалізація неподіленої електронної пари і відповідно зменшується основність сполуки. Тому сульфонієві основи слабкіші від оксонієвих. Ще більш слабкі основні властивості мають л-основи, в яких електронна пара, що приєднує протон, не є вільною.
Таким чином, органічні основи залежно від природи основного центру можна розташувати за зростанням основності:
п-основи
сульфонієві основи
оксонієві основи
амонієві основи
Основність органічних основ
На основність органічних сполук значно впливає природа замісника, зв’язаного з основним центром. Електронодонорні замісники підвищують електронну густину в основному центрі і ведуть до збільшення основності; електроноакцепторні, навпаки, зменшують електронну густину, а отже, зменшують основність. Наприклад, завдяки електронодонорному впливу алкільних груп основність аліфатичних амінів значно вища, ніж ароматичних, де внаслідок кон’югації неподіленої пари атома Нітрогену з л-електронною системою бензенового кільця останнє виявляє електроноакцепторний характер:
метиламін анілін
рХв(Г = 10,62 р^вн- = 4,58
Вплив розчинника на основність визначається головним чином ефектом сольватації. Як і у випадку з кислотами, сольватаційний ефект розчинника та електронні ефекти замісників справляють на основність протилежну дію.
6.2. КИСЛОТИ ТА ОСНОВИ ЛЬЮЇСА
Американський учений Г. Н. Льюїс 1923 року запропонував електронну теорію кислот і основ, яка не суперечить теорії Бренстеда, але більш узагальнена. За цією теорією Льюїса основа — будь-яка частинка (атом, молекула або аніон), здатна віддавати електронну пару для утворення ковалентного зв ’язку, а кислота — будь-яка частинка (атом, молекула, катіон), здатна приймати пару електронів з утворенням ковалентного зв ’язку.
КИСЛОТНІСТЬ І ОСНОВНІСТЬ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
95
Основа, за теорією Льюїса, є донором, а кислота — акцептором пари електронів. З наведеного визначення випливає, що основи Льюїса тотожні з основами Бренстеда. Однак кислоти Льюїса охоплюють більш широке коло органічних сполук. Кислотою Льюїса вважається будь-яка частинка, яка має вакантну орбіталь.
Якщо в теорії Бренстеда кислота — це донор протона, то за теорією Льюїса сам протон є кислотою, оскільки має вакантну орбіталь. Тобто у світлі електронної теорії кислота Бренстеда є сполукою, яка утворює кислоту Льюїса. Тому за теорією Льюїса до кислот належать не тільки сполуки, які відщеплюють протон (протонні кислоти), але й інші речовини, що мають вакантну орбіталь і здатні приймати пару електронів (апротонні кислоти). Кислотами Льюїса є такі сполуки, як ВР3, А1С13, 8ЬС13, ХпС12, Н§С12 тощо.
Кислотно-основний процес, за Льюїсом, полягає в утворенні ковалентного зв’язку між основою і кислотою за рахунок електронної пари основи і вакантної орбіталі кислоти. Так, основи Льюїса, які мають неподіле-ні пари електронів, утворюють з кислотами Льюїса и-комплекси:
Гільберт Ньютон ЛЬЮЇС (1875-1946)
Американський фізико-хімік. Основні роботи присвячені хімічній термодинаміці та теорії будови речовини. Визначив вільну енергію багатьох сполук. Увів поняття «термодинамічна активність». Уточнив формулювання діючих мас. Розвинув (1916) теорію ковалентного хімічного зв’язку: концепцію спільної електронної пари. Запропонував (1926) нову теорію кислот і основ. Увів (1929) термін «фотон».
СН3->СІ: +
А1С13
СН3—сі—А1С13 —► СН3[А1С14]
хлорометан (основа Льюїса)
алюміній хлорид (кислота Льюїса)
«-комплекс
Основи Льюїса, що містять у своїй структурі л-зв’язок, утворюють з кислотами Льюїса я-комплекси:
бензен
Вг+
л-комплекс
катіон брому
(основа Льюїса) (кислота Льюїса)
Легкість перебігу кислотно-основної реакції визначається силою кислоти та основи, а також жорсткістю або м 'якістю кислоти та основи. Уявлення про жорсткі і м’які кислоти та основи (ЖМКО), упроваджене Р. Пірсоном, по суті є подальшим розвитком теорії Льюїса. За концепцією Пірсона кислоти та основи Льюїса поділяються на жорсткі і м’які.
До жорстких кислот належать кислоти Льюїса, в яких атоми-акцептори мають малий об’єм і несуть високий позитивний заряд, а отже, мають високу електро-негативність і низьку поляризованість (Н+, Ьі+, №+, К+, М§2+, Са2+, Мп2+, А13+, Ре3+, А1С13, В—С=О). Нижня вільна молекулярна орбіталь (НВМО) у жорстких кислотах має низьку енергію.
Глава 6
96
До м’яких кислот належать кислоти Льюїса, в яких атоми-акцептори мають великий об’єм і несуть низький позитивний заряд, а тому мають низьку електронегативність і високу поляризованість (Си+, А§+, Н§2+, Рі2+, І2, Вг2 тощо). НВМО в м’яких кислотах має високу енергію.
До жорстких основ належать основи Льюїса, в яких атоми-донори мають високу електронегативність та низьку поляризованість (Н2О, ОН , р“, СГ, СН3СОО~, 8О4", СО3“, N0’, в—он, в—о, В—О—В, МН3, В— МН2, н2м—мн2, кн2 і под.). Верхня зайнята молекулярна орбіталь (ВЗМО) у твердих основах має низьку енергію.
До м 'яких основ належать основи Льюїса, в яких атоми-донори мають низьку електронегативність та високу поляризованість (В8Н, В8-, В—8—В, Н8“, І-, СР4”, В—СН, С2Н4, С6Н6, Н-, В- тощо), ВЗМО в м’яких основах має високу енергію.
Виходячи з загального положення про те, що більш ефективно відбувається взаємодія між орбіталями з близькими енергіями, жорсткі кислоти переважно реагують із жорсткими основами, а м’які кислоти — з м’якими основами {принцип ЖМКО).
Слід зазначити, що поняття «жорсткі» і «м’які» кислоти та основи не зв’язані з поняттями «сильні» і «слабкі» кислоти та основи. Так, м’яка основа Н- і жорстка С2Н5О є сильними основами, а м’яка основа Н8- і жорстка СН3СОО — слабкими.
Глава 7
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Перш ніж розпочати вивчення будови органічної сполуки, хімік має виділити з реакційної суміші або природних джерел індивідуальну речовину в чистому вигляді і провести оцінку її чистоти.
Для виділення та очищення органічних сполук зазвичай використовують перекристалізацію, перегонку, екстракцію, хроматографію та інші методи. Для оцінки чистоти визначають фізичні константи (температуру плавлення або кипіння), хроматографічні характеристики, показник заломлення тощо. Докладний опис методів виділення, очищення і доведення індивідуальності органічних сполук наведено в практичних посібниках з органічної хімії.
Після одержання речовини в хімічно чистому стані встановлюють її будову (структуру), тобто визначають природу і кількість атомів, що входять до складу молекули, послідовність їх зв’язування, розташування в просторі і тип хімічного зв’язку між ними.
Існує два основних підходи до встановлення будови органічних сполук. Якщо досліджувана речовина була раніше вивчена, для доведення її структури визначають фізичні константи і спектральні характеристики, які порівнюють з літературними даними. Якщо ж органічна сполука отримана вперше, її спочатку піддають якісному і кількісному елементному аналізові, тобто встановлюють, які елементи та в якій кількості входять до складу (див. практичні посібники з органічної хімії). Потім визначають молекулярну масу речовини. З цією метою застосовують кріоскопічний (за зниженням температури замерзання) і ебуліоскопічний (за підвищенням температури кипіння) методи, які розглядаються в курсі фізичної хімії. Нині для визначення молекулярної маси широко застосовують метод мас-спектрометрії.
На підставі молекулярної маси і даних елементного аналізу встановлюють молекулярну формулу (брутто-формулу) речовини. Нарешті, визначають структуру вуглецевого скелета, природу і положення функціональних груп, установлюють певні фрагменти молекули і розташування атомів у просторі. Для цього застосовують хімічні і фізичні (інструментальні) методи. На базі отриманих даних виводять структурну або стереохімічну формулу.
7.1. ХІМІЧНІ МЕТОДИ
Застосування хімічних методів для встановлення будови органічних сполук ґрунтується на використанні якісних реакцій, що дозволяють визначити структуру вуглецевого скелета молекули, знайти функціональні групи, кратні зв’язки і т. д. Наприклад, наявність у сполуці альдегідної групи виявляють реакцією «срібного дзеркала», подвійний зв’язок визначають за знебарвленням бромної води. Іноді для ідентифікації проводять деструкцію (розщеплення) вуглецевого скелета молекули
Глава 7 98 ---------------------------------------------------------------------
або одержують різні похідні, які визначають шляхом порівняння з відомими речовинами. Усі ці реакції розглядаються в розділах, в яких характеризують реакційну здатність відповідних класів.
7.2. ФІЗИЧНІ (ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ) МЕТОДИ
Останнім часом поряд з хімічними методами для дослідження будови органічних сполук широко застосовують фізичні (інструментальні) методи. У ряді випадків інструментальні методи відіграють вирішальну роль при доведенні структури речовини. Завдяки фізичним методам найчастіше одержують таку інформацію про будову, яку не дають хімічні методи. Лише за допомогою фізичних методів можна визначити відстані і кути між атомами в молекулі, їх взаємне розташування в просторі, внутрішньомолекулярні і міжмолекулярні взаємодії. Перевага інструментальних методів перед хімічними полягає також у тому, що в процесі аналізу досліджувана речовина, як правило, піддається слабким діям, не змінюється і не витрачається, що дозволяє використовувати їх для вивчення будови нестійких і малостійких речовин, виконувати структурні завдання при наявності невеликої кількості речовини. З одним і тим же зразком можна провести серію різних вимірювань.
До найважливіших фізичних методів дослідження будови належать спектральні (інфрачервона (ГЧ-) спектроскопія, спектроскопія комбінаційного розсіювання (КР), ультрафіолетова (УФ-) спектроскопія, спектроскопія у видимій смузі спектра, спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР), мас-спектрометрія) та дифракційні методи (рентгенографія, електронографія, нейтронографія). Кожний окремий метод має обмежені можливості і не може однозначно виконати структурного завдання. Тому частіше для вивчення структури застосовують комплекс фізичних методів. Найкращі результати при такому підході дає сумісне використання ядерного магнітного резонансу, інфрачервоної, ультрафіолетової спектроскопії і мас-спектрометрії.
В основу спектральних методів покладена властивість органічних молекул поглинати електромагнітне випромінювання в певному діапазоні електромагнітного спектра. Електромагнітне випромінювання можна охарактеризувати кількома взаємозалежними параметрами: енергією Е, довжиною хвилі А,, частотою V або хвильовим числом V:
Е = йу = — = Псу', Х = —; у = Ь у = |, X Е А. А,
де с — швидкість світла;
й — стала Планка.
Між енергією і частотою, або хвильовим числом, існує пряма залежність, а між енергією і довжиною хвилі — обернена, тобто чим вища енергія випромінювання, тим менша довжина його хвилі, більша частота і хвильове число.
Енергія випромінювання звичайно виражається в електрон-вольтах (еВ), частота — у герцах (Гц) або мегагерцах (МГц)1, довжина хвилі — у нанометрах (нм), хвильове число — в обернених сантиметрах (см-1).
Залежно від довжини хвилі електромагнітне випромінювання поділяється на кілька ділянок спектра: рентгенівську, ультрафіолетову (УФ), видиму, інфрачервону (ІЧ), мікрохвильову і радіочастотну (табл. 7.1).
1 1 МГц = 106 Гц.
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
99
Таблиця 7.1
Ділянки електромагнітного спектра
Назва ділянки Діапазони довжин хвиль
Рентгенівська 10-3—10 нм
х ’ іпафіолетова (УФ): дальня ближня 10—200 нм 200—400 нм ія Е >
Ви шма 400—800 нм
фрачервона (ІЧ): ближня середня дальня 0,8—2,5 мкм 2,5—50 мкм 50—1000 мкм енері у»
Мікрохвильова 0,1—100 см
В і почасготна 1-1000 м
Поглинання молекулою електромагнітного випромінювання відбувається квантами (йу). При цьому молекула переходить з основного енергетичного стану в збуджений. Слід зазначити, що органічні молекули взаємодіють з випромінюванням вибірково. Молекула поглинає лише ті кванти електромагнітного випромінювання, енергія яких відповідає різниці енергій (Д£) двох квантових станів молекули — основного (£"]) і збудженого (£2): = Е2 - Е} = йу.
Поглинена енергія в ультрафіолетовій і видимій ділянках спектра використовується молекулою на збудження електронів.
Спектроскопію, яка вивчає електронні переходи в молекулах, називають електронною спектроскопією.
Енергія інфрачервоного випромінювання витрачається речовиною на збудження коливань атомних груп у молекулі і є предметом вивчення інфрачервоної спектро-с копії.
Радіочастотне випромінювання викликає зміну спінового стану атомних ядер, яка вимірюється спектроскопією ядерного магнітного резонансу.
У реальних умовах поглинання речовиною енергії випромінювання відбувається не строго при певній довжині хвилі, яка відповідає енергії переходу молекули в збуджений стан, а в деякому інтервалі довжин хвиль — у вигляді так званої спектральної смуги (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Основні характеристики спектральної смуги:
— положення максимуму; £тах — інтенсивність поглинання в максимумі; А1/2 — напівширина
Глава 7
100
Для характеристики спектральних смуг використовують три основних параметри: положення максимуму (Хтах або 7тіп), інтенсивність поглинання в максимумі (єтах) і напівширину (А 1/2) — ширину смуги поглинання при єтах/2.
Слід зазначити, що переходів у молекулі, а отже, і смуг поглинання може бути велика кількість. У сукупності спектральні смуги утворюють спектр поглинання сполуки. Кожній речовині відповідає характерний лише для неї спектр, який дозволяє розрізняти сполуки між собою.
7.2.1. ЕЛЕКТРОННА СПЕКТРОСКОПІЯ
Електронна спектроскопія вивчає спектри поглинання в ультрафіолетовому {ультрафіолетова спектроскопія) і видимому (спектроскопія у видимій ділянці) діапазонах електромагнітного випромінювання. Спектри поглинання в ультрафіолетовій і видимій ділянках обумовлені електронними переходами в молекулах, тому їх ще називають електронними спектрами. При поглинанні молекулою енергії, яка відповідає енергетичній різниці двох її електронних станів, електрони, що утворюють о- і л-зв’язки, а також неподілені електрони (л-електрони) збуджуються і переходять на більш високі енергетичні рівні. За теорією молекулярних орбіталей електронні переходи розглядають як переміщення електронів зі зв’язуючих а- і л-та антизв’язуючих л-МО на антизв’язуючі о*- і л*-МО. При цьому можливі чотири типи електронних переходів: о—о*, л—я*, л—сг*, л—л*.
Переходи о-*о* спостерігаються в органічних сполуках, які містять лише о-електрони (о-зв’язки), наприклад в алканах і циклоалканах. Якщо до складу органічної сполуки входять гетероатоми з неподіленими парами електронів (—ГЧ—, —О—, —8— тощо), поглинання електромагнітного випромінювання
може бути зумовлене як о-кт*-, так і л—о*-переходами. У молекулах з кратними зв’язками поряд з о—о*- і л-»о*-переходами спостерігаються л—л*- і л—л*-пере-ходи. Як видно з рис. 7.2, переходи о—о* і л—о* потребують більшої енергії. Вони відбуваються при поглинанні випромінювання в дальній ультрафіолетовій ділянці. Переходи ж л- і л-елекгронів на антизв’язуючі л*-МО низькоенергетичні і виявляються, як правило, у вигляді поглинання в ближній ультрафіолетовій (200— 400 нм) та видимій (400—800 нм) ділянках.
Поряд з енергією поглинання електронні спектри характеризуються інтенсивністю поглинання с. Інтенсивність поглинання визначає імовірність електронного переходу кожного типу, тобто переходи, які відбуваються з більшою імовірністю, мають більшу інтенсивність поглинання і навпаки. З більшою імовірністю відбуваються електронні переходи між МО одного типу симетрії (о—о* і я—л*). Такі переходи дозволені за симетрією і мають більшу інтенсивність. Переходи типу л—о* і л—л* заборонені за симетрією і відбуваються з малою імовірністю, а отже, мають малу інтенсивність поглинання.
Оскільки сучасні спектрофотометри не дають можливості вимірювати поглинання в дальній ультрафіолетовій ділянці спектра через низку причин (обмежена прозорість матеріалу кювет і оптичних деталей спектрофотометра, поглинання випромінювання повітрям), метод електронної спектроскопії застосовують здебільшого для аналізу органічних сполук, що містять кратні зв’язки. Атомне угруповання, яке містить один або кілька кратних зв’язків, називають хромофором. Наявність у структурі речовини хромофора обумовлює вибіркове поглинання
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
випромінювання в ближній ультрафіолетовій та видимій ділянках, що зв’язано з я—►я*- або п—-я*-переходами. Розрізняють хромофори ізольовані і кон ’юговані. До перших належать угруповання з одним кратним зв’язком
>с=с(, —с=с—, ;с=о, )с=и—, — С=ЬІ, — №=ьі—, —N=0, —,
о
до других — системи з кон’югованими кратними зв’язками:
Рис. 7.2. Енергетична діаграма молекулярних орбіталей і типи електронних переходів у молекулах
Як видно з табл. 7.2, у молекулах з кон’югованими хромофорами поглинання відбувається в більш довгохвильовій ділянці спектра і з більшою інтенсивністю, ніж в аналогічних системах з ізольованими хромофорами. Максимум поглинання хромофора в певних межах може змінюватися залежно від його оточення, тобто від будови молекули. До збільшення довжини хвилі і підвищення інтенсивності поглинання приводить включення в систему хромофора так званих ауксохромів — груп, які містять гетероатом з неподіленими парами електронів, наприклад —Г4Н2, —ОН, —8Н (див. табл. 7.2).
Особливу структуру електронних спектрів мають ароматичні сполуки, де кон’югована система замкнена в цикл. Так, бензен має три смуги поглинання, зумовлені я—-л*-переходами, найбільш довгохвильова з яких має Хтах = 255 нм (є = 220). Уведення в бензенове кільце різних замісників приводить до згладжування тонкої структури і невеликого зсуву смуги поглинання в довгохвильову область.
У цілому для характеристики спектральних змін хромофора, викликаних модифікацією структури або заміною розчинника, використовують спеціальну термінологію: зсув смуги поглинання вбік великих довжин хвиль називають батохромним зміщенням-, зсув смуги поглинання вбік менших довжин хвиль — гіпсохромним зміщенням-, збільшення інтенсивності поглинання — гіперхромним ефектом-, зменшення інтенсивності поглинання — гіпохромним ефектом.
Глава 7
102
Параметри електронних спектрів деяких органічних сполук
Таблиця 7.2
Сполука* Хромофор \пах> нм Єтах Тип переходу
Н2С=СН2 /с=с\ 162 10 000
Н2С=СН—сн=сн2 II о— 1 о— II 217 20 900
Н2С=СН—ІЙ'^С2Н5 -ЧС2Н5 /с=с\ 231 4200
сн3—с=сн —с=с— 186 450
сн3—с< 3 хн )с=о 160 293 20 000 12 * * 1 і
.0 Н2С=СН— хн /С=С—с=о х 1 1 230 327 12 600 40 * * £ £ 11 £ «
сн3—с—сн3 0 /С=О 187 271 1000 16 «-►я*
о о 183 203 255 46 000 7400 220 а а а 111 а а а * * *
о 234 286 8300 1500 а а 1 1 а а * *
* Пунктирною лінією відмічено ауксохроми.
Рис. 7.3. Електронний спектр поглинання антрацену
Електронні спектри переважно вимірюють у розведених розчинах, застосовуючи розчинники, які не поглинають вище 200 нм. Цим умовам відповідають насичені вуглеводні, вода, спирти, етери тощо. При дослідженні електронних спектрів вимірюють оптичну густину розчину:
2) = 18^-,
де /0 — інтенсивність світлового потоку, що падає на речовину;
І — інтенсивність потоку, що пройшов через речовину.
За законом Бугера—Ламберта—Бера
£) = &сІ, де с — концентрація речовини в розчині, моль/л;
/ — товщина шару розчину, см;
є — коефіцієнт пропорційності, так званий «молярний коефіцієнт поглинання».
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Молярний коефіцієнт поглинання є служить мірою поглинальної здатності молекули і є величиною, характеристичною для кожної речовини.
Електронний спектр поглинання, отриманий автоматично або записаний за точками, має вигляд графіка, де по осі абсцис відкладається енергія випромінювання (зазвичай довжина хвилі або хвильове число), а по осі ординат — молярний коефіцієнт поглинання є (рис. 7.3).
Електронна спектроскопія застосовується для ідентифікації сполук, дослідження будови і кількісного аналізу.
7.2.2. ІНФРАЧЕРВОНА СПЕКТРОСКОПІЯ
Інфрачервона спектроскопія (ІЧ) ґрунтується на властивості органічних речовин поглинати випромінювання інфрачервоного діапазону електромагнітного спектра. При взаємодії органічних молекул з інфрачервоним випромінюванням (4000—400 см“’) відбувається збудження їх коливальних рухів і перехід на більш високий коливальний рівень.
Розрізняють два основних типи коливань у молекулах — валентні і деформаційні (рис. 7.4).
Валентні коливання
симетричне
асиметричне
Рис. 7.4. Типи коливань групи (символ означає коливання в напрямку, перпендикулярному до площини рисунка)
Коливання, що відбуваються вздовж осі зв’язку атомів (розтягування — скорочення зв’язку), називають валентними (позначаються V). Коливання, зумовлені зміною валентних кутів (атоми відхиляються від осі зв’язку), називають деформаційними (позначаються 5). У свою чергу, валентні коливання поділяються на симетричні і асиметричні (Уа5). У симетричних валентних коливаннях усі зв’язки розтягуються і скорочуються одночасно, в асиметричних — розтягання і скорочення зв’язків відбувається почергово (див. рис. 7.4). Серед деформаційних коливань розрізняють ножичні, маятникові, крутильні і віялові.
Глава 7
104
Принцип ІЧ-спектроскопії полягає в тому, що при опроміненні речовини інфрачервоним випромінюванням з безперервно перемінною частотою певні ділянки спектра випромінювання поглинаються молекулою, викликаючи збільшення амплітуди коливань відповідних зв’язків. У результаті промінь, який проходить крізь речовину, слабшає в ділянках поглинання, при реєстрації його інтенсивності після проходження зразка записується ІЧ-спектр. ІЧ-спектр звичайно зображають у вигляді залежності пропускання Т, вираженого у відсотках (Т% = —100), -Ч) від хвильового числа в обернених сантиметрах (см-1) або довжини хвилі в мікрометрах (мкм) (рис. 7.5).
Важливо відзначити, що в багатоатомних молекулах коливання окремих пар атомів або атомних груп, наприклад,
уС=О, — С=ЬІ, —ОН, Н, /С=С\’ ~8О2—’ — И°2 та інші’ відбуваються практично незалежно від іншої частини молекули.
Кожна така група має власну, характерну лише для неї частоту коливань, яка незначно змінюється при переході від однієї речовини до іншої. Такі частоти і відповідні їм смуги поглинання отримали назву «характеристичні». У табл. 7.3 наведені характеристичні частоти для низки груп, які часто зустрічаються.
Пошук в спектрі характеристичних частот — головне завдання функціонально-структурного аналізу речовини за її спектром.
ІЧ-спектри органічних сполук можна вимірювати в газоподібному стані (для летких речовин), у рідкому (для рідин), у твердій фазі (для кристалічних) і в розчині. Як розчинники частіше використовують карбону тетрахлорид, хлороформ, сірковуглець, тетрахлоретилен тощо. Вода як розчинник у ІЧ-спектроскопїї не використовується, оскільки кювети ІЧ-спекгрометрів виготовляються з розчинних солей (КВг, ІЧаСІ, ЬіР).
Інтерпретацію ІЧ-спектрів починають, як правило, з високочастотної ділянки (3700—2900 см-1), в якій розташовуються смуги валентних коливань зв’язків 4с—н, —о—н, н, —к^н.
7 7 хн
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
— 105
Таблиця 7.3
Характеристичні частоти поглинання груп атомів в інфрачервоній ділянці
Угруповання атомів Сполука Інтервал частот, см 1 Інтенсивність смуги
-)с—н Алкани 2960-2850 Сильна
1 =с—н Алкени, арени 3100-3010 Середня
=с—н Алкіни 3300 Сильна
А с\ Алкани 1500-600 Слабка
/С=С\ Алкени 1680-1620 Змінна
—с=с— Алкіни 2260-2100 Змінна
—с=\ Нітрили 2300-2200 Змінна
-)с—0— Спирти 1300-1000 Сильна
/С=О Альдегіди 1740-1720 Сильна
)с=о Кетони 1725-1705 Сильна
/С=О Кислоти 1750-1700 Сильна
—О—н (неасоційоване) Спирти, феноли 3650-3590 Змінна
—О—Н (асоційоване) Спирти, феноли 3400-3200 Сильна, широка
—О—Н (асоційоване) Кислоти 3000-2500 Змінна, широка
X X г 1 Аміни первинні 3500-3300 (дві смуги) Середня
/ЇМ—н Аміни вторинні 3500-3300 (одна смуга) Середня
Ці смуги зазвичай інтенсивні, причому положення і контур смуг груп N11 і ОН залежать від їхньої участі в утворенні водневих зв’язків. Виникнення водневих зв’язків приводить до зміщення максимумів поглинання в низькочастотну ділянку (вправо) і до збільшення ширини смуг.
Потім проводять віднесення смуг поглинання в ділянці 2500-1900 см-1, що називають ділянкою потрійних зв ’язків. Саме в ній виявляються смуги поглинання зв’язків —С=С— і —С=И.
Важливе значення при аналізі ІЧ-спекгрів має ділянка 1900—1300 см-1, названа ділянкою подвійних зв ’язків. У ній спостерігаються смуги поглинання дуже важливих функціональних груп і структурних фрагментів: /С=О, /С=И—, —N=N—, —КО2, /С=С\ алкенов, С^С ароматичних сполук тощо. Тут поглинають карбонільні сполуки, карбонові кислоти та їхні похідні, нітросполуки, гетероцикли і т. ін. Ділянка менше 1300 см-1 містить велику кількість смуг, багато з яких важко віднести до певного типу коливань, оскільки вони зумовлені коливаннями вуглецевого скелета всієї молекули. Характер спектра в цій ділянці істотно змінюється навіть при незначних змінах у структурі сполуки. Ця ділянка
Глава 7
106
строго індивідуальна для кожної органічної речовини, тому її називають ділянкою відбитків пальців.
Метод ІЧ-спектроскопії широко застосовується для встановлення будови та ідентифікації органічних сполук, доведення ідентичності речовин, вивчення внутрішньо- і міжмолекулярних взаємодій, здійснення контролю за ходом реакції.
7.2.3. СПЕКТРОСКОПІЯ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ
Спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР) ґрунтується на властивості ядер деяких атомів, при перебуванні їх у зовнішньому магнітному полі, поглинати випромінювання в діапазоні радіочастот.
Важливо відзначити, що поглинання енергії радіочастотного випромінювання характерне тільки для ядер, які мають магнітний момент. До них належать ядра з непарною сумою протонів і нейтронів, тобто такі, які мають спінове квантове число, не рівне нулю,— 'Н, 13С, 19Р, 31Р тощо. Такі ядра поводять себе в зовнішньому магнітному полі як магніти.
Нині в органічній хімії широко застосовується спектроскопія ЯМР на протонах (’Н), названа протонним магнітним резонансом (ПМР).
Суть спектроскопії ПМР полягає в тому, що при вміщенні органічної речовини в магнітне поле ядра атомів Гідрогену (протони), які мають магнітний момент, орієнтуються віссю обертання вздовж напряму силових ліній магнітного поля. При цьому можливі дві орієнтації магнітного моменту протонів відносно напряму зовнішнього магнітного поля — за напрямом поля (паралельна орієнтація, спін = +1/2) і супроти напряму поля (антипаралельна орієнтація, спін = -1/2). Першій орієнтації відповідає стан з більш низькою енергією, ніж останній (рис. 7.6).
Отже, більша частина протонів звичайно займає нижчий енергетичний стан, їх перехід на вищий енергетичний рівень відбувається при поглинанні речовиною радіочастотного випромінювання з енергією, рівною енергетичній різниці (ДЕ) рівнів, і супроводжується переорієнтацією спіну (спін +1/2 змінюється на -1/2). Поглинена енергія фіксується на спектрограмі у вигляді піка (сигналу).
Електронна оболонка, яка оточує протон, частково заслоняє (екранує) його від дії зовнішнього магнітного поля. Тому протони, шо мають різне електронне оточення, здійснюють енергетичні переходи і поглинають випромінювання при різних частотах. Якщо, наприклад, у молекулі метану СН4 всі атоми Гідрогену мають однакове електронне оточення і геометричне положення, то і поглинати (резонувати) вони будуть при одній частоті. У той же час у молекулі етилового спирту СН3—СН2—ОН можна виділити три групи протонів: протони метильної групи —СН3, метиленової —СН2— і протон гідроксилу —ОН, які мають різне електронне оточення. Отже, і резонувати вони будуть при різних частотах.
Кількісною характеристикою ступеня екранування ядер є хімічний зсув 5, який характеризує відстань між
ОТЖЖЖЖГЖЛГЖЮ (спін = -1/2)
ДЕ
ф
Відсутнє \ зовнішнє магнітне поле ДМЖШШШ (спін = +У2)
Прикладене зовнішнє магнітне поле
Рис. 7.6. Схема розщеплення енергетичних рівнів протона в зовнішньому магнітному полі
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
107
сигналом ядер певного типу і сигналом ядер еталонної речовини. Як еталон для виміру хімічних зсувів протонів зазвичай використовують тетраметилсилан [ТМС, 5і(СН3)4]. У молекулі ТМС міститься 12 еквівалентних сильно екранованих протонів, тому в спектрі ПМР спостерігається один інтенсивний сигнал, який легко розпізнається в сильному полі (у правій частині спектра). Для протонів ТМС хімічний зсув прийнятий рівним нулю. Хімічний зсув виражається у відносних одиницях — мільйонних частках (млн-1) і розраховується за формулою
§ _ у ~УТМС . ірб
де V — резонансна частота протона;
утмс — резонансна частота протонів ТМС;
у0 — робоча частота генератора.
Хімічні зсуви сигналів протонів більшості органічних сполук знаходяться в інтервалі 0—10 млн-1. У табл. 7.4 наведені значення хімічних зсувів окремих протонів у різних класах органічних сполук.
Таблиця 7.4
Інтервали хімічних зсувів протонів різного типу
Сполука Тип протона 8, млн 1
Алкани* Н2С-Н 0,8-1,0
не—н 1,0-1,4
-^с—н 1,3-1,6
Циклоалкани* не—н 1,4-1,8
Етиленові вуглеводні =нс—н 4,3-5,4
=кс—н 5,1-6,0
Ацетиленові вуглеводні =с—н 2,3-3,1
Похідні бензену -са,-н 6,5-8,2
Гетероароматичні сполуки X 1 /Ч. 6,0-9,2
Альдегіди 1 о /V X о 9,0-10,0
Спирти** —С—0—н 1,0-4,5
Феноли** -С.-О-Н 4,5-9,0
Кислоти** о /V о о — 10-13
Аміни аліфатичні /М—н 0,5-2,0
Аміни ароматичні са,-у-н 3,0-4,0
* Належать також їхні похідні, які вміщують функціональні групи далі, ніж через три С—С-зв’язки від цих протонів.
** Хімічний зсув сильно залежить від природи розчинника і концентрації речовини.
Глава 7
108
На значення хімічних зсувів суттєво впливають сусідні атоми і групи. Електро-
нодонорні замісники збільшують електронну густину навколо протона і зміщу-
ють сигнал у сильне поле. Електроноакцепторні, навпаки, дезекранують протон і зсувають сигнал у слабке поле. Однак для деяких сполук спостерігаються істотні відхилення від цієї залежності внаслідок значного впливу кільцевих струмів, які
виникають у ненасичених угрупованнях, особливо в ароматичних системах і сполуках з потрійним зв’язком. Такі струми можуть як дезекранувати протони (ароматичні сполуки), так і екранувати їх (сполуки з потрійним зв’язком).
Велике значення при вирішенні структурного завдання за допомогою спектрів ПМР має інтенсивність сигналів, яка визначається площею під резонансною кривою і є величиною, пропорційною кількості протонів певного типу. У спектрі ПМР інтенсивність записується у вигляді кривої, що робить у ділянці кожного сигналу сходинку, висота якої пропорційна площі відповідного сигналу (рис. 7.7). Відношення
О
а б Ц в
СН3—СН2 —С -О-СН3
З протони
2 протони
З протони
/ 15 мм
-----7 І 7 4
/ 10 мм
І; 1 15,мм б а
15 мм б а ! ТМС
Інтегральна крива
8 7 6 5 4 3 2 1 0^
Хімічний зсув 8, млн
Рис. 7.7. ПМР-спектр метилпропіонату (1аб — константа спін-спінової взаємодії)
висот сходинок на цій кривій показує співвідношення кількості протонів різних типів.
Таким чином, кількість сигналів у спектрі ПМР показує, скільки груп еквівалентних протонів міститься в зразку; хімічний зсув указує на належність протонів до певного угруповання, а інтенсивність сигналу визначає кількість протонів у кожному угрупованні.
Цінну інформацію про будову органічної сполуки дає форма (структура) сигналів
спектра ПМР. Протони одного типу, достатньо віддалені від інших протонів у мо-
лекулі, дають резонансний сигнал у вигляді вузького піка з одним максимумом (синглетний сигнал). Якщо протони різних типів (які мають різне електронне оточення або геометричне положення) розділені двома або трьома ковалентними
зв’язками
, —С—С—, то резонансний сигнал виявляється на спектрі
не у вигляді синглету, а розщеплюється на ряд ліній різної інтенсивності, розташованих на рівній відстані одна від одної. Такий сигнал називають мультиплетом, а явище — спін-спіновою взаємодією. Спін-спінова взаємодія зумовлена взаємним впливом магнітних полів сусідніх протонів і спостерігається тільки в тому разі, коли протони не еквівалентні і відстань між ними не перевищує двох-трьох ковалентних зв’язків. Відстань між найближчими лініями мультиплету вимірюється в герцах і має назву «константа спін-спінової взаємодії» (1).
Мультиплетність (М), тобто ступінь розщеплення сигналу, залежить від кількості сусідніх протонів і визначається за формулою М = п + 1, де л — кількість сусідніх протонів. У наведеному на рис. 7.7 спектрі ПМР метилпропіонату протони групи —ОСН3 не вступають у спін-спінову взаємодію і виявляються у вигляді
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
109
синглету (в), три еквівалентних протони групи —СН3 мають два сусідніх протони і внаслідок спін-спінової взаємодії (п + 1 = 3) дають сигнал у вигляді триплету (а). Протони метиленової групи —СН2—, взаємодіючи з трьома протонами групи —СН3 (п + 1 = 4), виявляються в спектрі у вигляді квартету (б).
У більш складних випадках, коли розщеплення сигналу викликане спін-спіновою взаємодією з двома або більше групами нееквівалентних протонів, мультиплетність сигналу визначається добутком мультиплетностей, зумовлених кожною з цих груп окремо.
Мультиплетність і константа спін-спінової взаємодії мають важливе значення для структурного аналізу. Мультиплетність указує на кількість протонів поблизу від даного. Константа спін-спінової взаємодії залежить від природи хімічного зв’язку і просторового розташування взаємодіючих протонів, що дозволяє застосовувати спектроскопію ПМР для вивчення стереохімічних особливостей молекул.
7.2.4. МАС-СПЕКТРОМЕТРІЯ
Мас-спектрометрія належить до деструктивних1 методів аналізу. Вона ґрунтується на іонізації молекул досліджуваної речовини і реєстрації спектра мас утворених іонів. Існує кілька методів іонізації, але найбільш розповсюджений нині так званий метод електронного удару, коли речовина в газовій фазі піддається бомбардуванню пучком прискорених електронів. У цих умовах спочатку з нейтральної молекули (М) вибивається один електрон і утворюється позитивно заряджений іон — молекулярний іон (катіон-радикал М •), який потім зазнає низки послідовних розпадів з утворенням більш дрібних позитивно заряджених іонів (фрагментарних іонів) і нейтральних частинок:
М + е » М • ----------► фрагментарні іони + нейтральні частинки.
Після прискорення в сильному електростатичному полі потік позитивно заряджених іонів диференційовано розділяється в змінному магнітному полі залежно від відношення їх маси до заряду (т/%) і реєструється у вигляді спектра. З огляду на те що зазвичай заряд іона дорівнює одиниці, то величина т/і є мірою маси частинок. У мас-спектрі кожний позитивно заряджений іон виявляється у вигляді окремого сигналу (піка), положення якого визначається масою іона (точніше відношенням маси до заряду), а інтенсивність (висота) сигналу пропорційна кількості іонів з цією масою (рис. 7.8).
Нижче наведена фрагментація молекулярного іона гексану (числа під іонами позначають т/£у.
[СН3СН2СН2СН2СН2СН3]+
|—► СН3СН2СН2СН2СН2 + сн3 т/~ 71
—► СН3СН2СН2СН2 + СН2СН3 т/і 57
—► СН3СН2СН2 + СН2СН2СН3 т/і 43
!—► СН3СН2 + СН2СН2СН2СН3
т/ї 29
1 Деструкція, тобто руйнування.
Глава 7
110
Рис. 7.8. Мас-спектр гексану
При низькій енергії пучка електронів (близько 10 еВ) найбільш інтенсивний пік на спектрі, як правило, відповідає молекулярному іону вихідної молекули. При більш високих енергіях іонізації (зазвичай 70 еВ) інтенсивність піка молекулярного іона спадає за рахунок його подальшого розпаду. Напрям розпаду молекулярного іона і подальші розпади фрагментарних іонів визначаються будовою молекули, тому мас-спектр характеристичний для кожної сполуки. У цілому розпад іонів підпорядковується звичайним для органічних реакцій закономірностям і визначається місцем локалізації заряду та стабільністю частинок, які утворюються при розпаді. Відношення маси до заряду для молекулярного іона відповідає молекулярній масі досліджуваної речовини.
Мас-спектрометрію застосовують для встановлення структури органічних сполук, їх ідентифікації і визначення молекулярної маси речовин. Висока чутливість методу, а також те, що для одержання результату досить невеликої кількості речовини (аж до 10-12 г), дозволяє широко застосовувати мас-спектрометрію в судовій експертизі.
Фемтосекундна спектроскопія
Останні досягнення спектральної техніки дозволяють реєструвати процеси розриву й утворення ковалентних зв’язків, що відбуваються в режимі реального часу (у нано- (10“9), піко- (10-12) і фемто- (10-15) секундних інтервалах). У реагуючих молекулах переміщення атомів при розриві й утворенні ковалентних зв’язків складають лише кілька ангстремів, а швидкості досягають 1 км/с. Нині лише фемтосекундна спектроскопія дозволяє реєструвати відповідні молекулярні рухи. На молекули, що знаходяться у вакуумній камері, лазером направляють два імпульси. Могутній перший імпульс переводить молекули в збуджений стан, більш слабкий другий імпульс реєструє зміни, що відбуваються в молекулі.
Цей метод застосовують для вивчення реакцій у розчинах, газах, на поверхні, а також у складних природних структурах (білки, нуклеїнові кислоти тощо).
МЕТОДИ ВСТАНОВЛЕННЯ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
111
7.2.5. ДИФРАКЦІЙНІ МЕТОДИ
Дифракційні методи дослідження будови базуються на вивченні розподілу інтенсивності розсіяного речовиною випромінювання. Як правило, у цих методах використовують рентгенівські промені (рентгенографія), прискорені електрони (електронографія) або нейтрони (нейтронографія). Унаслідок інтерференції (накладання хвиль) розсіяного випромінювання виходить дифракційна картина — система максимумів і мінімумів інтенсивності, яку фіксують на фотоплівці у вигляді плям з різним ступенем затемнення або реєструють іншим способом. Розташування дифракційних максимумів та їх інтенсивність залежать від будови аналізованої речовини.
Рентгеноструктурний аналіз. Рентгеноструктурний аналіз (рентгенографія) — метод дослідження просторового розташування атомів у молекулі, побудований на вивченні дифракції рентгенівських променів, які мають довжини хвиль, співмірні з міжатомними відстанями.
За допомогою рентгеноструктурного аналізу досліджують головним чином речовини в кристалічній формі. Рентгенівські промені розсіюються внаслідок взаємодії з електронними оболонками атомів речовини. На підставі дослідження дифракційної картини (рентгенограми) будують карти електронної густини молекули, з’єднуючи точки з однаковою електронною густиною суцільною лінією. За цими даними розраховують міжатомні відстані, валентні кути і будують просторову модель молекули.
Електронографія. Метод ґрунтується на явищі дифракції прискорених електронів на ядрах атомів. Аналіз дифракційної картини (електронограми) дозволяє встановити розташування атомів, між’ядерні відстані і валентні кути. Електронографія для великих органічних молекул застосовується рідко через складність розшифровки дифракційної картини.
Глава 8
ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
8.1. ЕНЕРГЕТИЧНІ УМОВИ ПЕРЕБІГУ РЕАКЦІЙ
Рис. 8.1. Зміна вільної енергії системи в процесі реакції
Можливість перебігу тієї чи іншої реакції визначається не тільки хімічною природою реагуючих молекул, але і низкою інших чинників, серед яких важливе значення мають енергетичні. Оскільки будь-яка система прагне, як відомо, до стану з найменшою можливою потенційною енергією, реакція може здійснюватися лише за умови, якщо вільна енергія вихідних речовин (7ВИХ більша від вільної енергії кінцевих продуктів 6^ реакції, тобто коли зміна вільної енергії Д(7 від’ємна (рис. 8.1).
Однак від’ємна величина АС необхідна, але недостатня умова для самовільного перебігу реакції. Звичайно на шляху до продуктів реакції молекулам вихідних речовин доводиться долати енергетичний бар’єр, названий енергією активації Еа (рис. 8.2).
Енергія активації необхідна для здійснення активних зіткнень реагуючих молекул, тобто зіткнень, які призводять до хімічної взаємодії. Максимум на енергетичній діаграмі реакції (див. рис. 8.2) відповідає так званому перехідному стану, або активованому комплексу. Перехідний стан являє собою гранично нестійке сполучення реагуючих молекул, яке утворюється внаслідок перерозподілу електронної густини хімічних зв’язків у молекулах реагентів при їхньому зближенні. У реакції А + В—С ► А—В + С у міру зближення атома А з молекулою В—С відбувається ослаблення зв’язку В—С і одночасно починає формуватися зв’язок між атомами А і В. У результаті утворюється активований комплекс А—В—С, в яко
Рис. 8.2. Енергетична діаграма для одностадійної реакції
ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
113
му унаслідок перерозподілу електронної густини атом В однаковою мірою зв’язаний з атомами А і С. Активований комплекс перебуває в стані рівноваги з вихідними реагентами, а потім при подальшому зменшенні відстані між атомами А і В синхронно перебігають процеси утворення зв’язку А—В і розриву зв’язку В—С:
А+ В—С [А—В—С] А—В + С
активований комплекс (перехідний стан)
Характер перехідного стану визначає селективність (вибірковість) перебігу
реакції в будь-якому одному переважному напрямі з кількох можливих. Чим ста-
більніший перехідний стан, тим менша енергія активації, а чим менша енергія
активації, тим вища швидкість реакції.
Для дво- або багатостадійних реакцій характерне утворення не лише активованих комплексів, але і проміжних сполук (інтермедіатів)1. Реакція, яка проходить у дві стадії (рис. 8.3), становить власне кажучи дві окремі реакції.
Двостадійний процес характеризується наявністю двох перехідних станів, яким відповідають енергетичні максимуми Ед і Ед, а також проміжного продукту.
Стадію реакції, перехідний стан якої має найвищу енергію активації, називають лімітуючою стадією.
Ця стадія проходить з нижчою швидкістю і визначає швидкість реакції в цілому, тому часто її називають швидкістьвизначальною ста-/ійю. Западина (провал) на кривій
Рис. 8.3. Енергетична діаграма для двостадійної реакції
потенційної енергії відповідає проміжному продукту. На відміну від активованого комплексу проміжний продукт є реально існуючою сполукою з досить високою потенційною енергією. Час життя інтермедіату залежить від глибини западини на енергетичній діаграмі. Якщо «провал» між двома перехідними станами виражений досить чітко, проміжний продукт можна реально виділити. Частіше інтермедіат існує короткий час, тому що завдяки високій реакційній здатності при невеликій енергії активації (Ед) він через перехідний стан 2 перетворюється в кінцевий продукт реакції. В органічних реакціях як інтермедіати найчастіше виступають карбокатіони, карбаніони, вільні радикали і о-комплекси.
Докладніше енергетичні і кінетичні умови перебігу реакцій розглядаються в курсі фізичної хімії.
8.2. ПОНЯТТЯ ПРО МЕХАНІЗМ РЕАКЦІЇ
Загальні схеми хімічних реакцій, за допомогою яких описують перетворення органічних сполук, не відбивають повного мірою реальні процеси взаємодії. Біль
1 Від англ. іпіегтедіаіе — проміжний.
Глава 8
114
шість органічних реакцій проходить, як правило, у кілька елементарних стадій, сукупність яких складає механізм реакції. Інакше кажучи, механізмом реакції називають загальний шлях, по якому здійснюється перехід від вихідних речовин до кінцевих продуктів реакції. Установлення механізму реакції — це досить складне завдання, розв’язанням якого займається переважно фізична органічна хімія. Для з’ясування механізму реакції вдаються до хімічних (метод мічених атомів, ізотопний метод, кінетичні і стереохімічні методи) та фізичних методів. Найкращим доказом механізму реакції є виділення з реакційного середовища проміжних продуктів або виявлення їх за допомогою фізичних методів. Механізм реакції має пояснювати всі експериментально отримані дані і включати відомості про те, яким чином, в якій послідовності і які зв’язки розриваються в ході реакції, як утворюються проміжні і кінцеві продукти, з яких елементарних стадій складається реакція, які відносні швидкості кожної стадії і т. д. Механізм реакції завжди слід розглядати як гіпотезу з достатнім рівнем достовірності. Немає жодного механізму, який був би відомий повністю. З виявленням нових фактів механізм може уточнюватися і навіть змінюватися.
8.3. ТИПИ МЕХАНІЗМІВ РЕАКЦІЙ
При розгляді типів механізмів реакцій для зручності умовно прийнято одну з реагуючих речовин називати субстратом, а другу — атакуючим реагентом.
Залежно від способу розриву зв’язків у атакуючому реагенті і субстраті розрізняють три типи механізмів реакцій: гемолітичний (вільнорадикальний), гетеролі-тичний (іонний) і перициклічний (молекулярний).
Гемолітичним, або вільнорадикальним, називають механізм, в якому при розриві зв ’язків у реагуючих молекулах у кожного з фрагментів, що утворюються, залишається по одному електрону. Такі частинки називають радикалами'.
А-|-В —► А’ + В*.
Вільнорадикальний механізм позначають символом К.
Гетеролітичним, або іонним, називають механізм, у якому при розриві зв ’язків у реагуючих молекулах обидва електрони залишаються на одному з фрагментів, що утворюються. Такі частинки називають іонами:
А:|В —► А- + В+.
Залежно від електронної природи атакуючого реагенту реакції, що відбуваються за іонним механізмом, поділяють на нуклеофільні (символ А) і електрофільні (символ £). У нуклеофільних реакціях атакуючим реагентом є нуклеофіл (Аи), в електрофільних — електрофіл (£).
Нуклеофільними (такими, що шукають ядра) називають реагенти, які віддають електронну пару при утворенні хімічного зв’язку із субстратом.
До нуклеофільних реагентів належать аніони і нейтральні молекули, які містять атоми з неподіленими парами електронів або центри з підвищеною електронною густиною.
1 Від лат. писіеиз — ядро і грец. <рйіа (філіа) — дружба, любов.
ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Типові нуклеофільні реагенти-.
1) іони, які несуть негативний заряд (аніони): ОН , С18Г, КСГ, МН2, К—СОО“, К8“, 8Н“, СГ, Вг", Г, Н8О3", СИ8’ тощо;
2) нейтральні молекули, які містять одну або кілька неподілених пар електронів: ЙН3, К—ИН2, К2МН, К3Ч Н2О, К—ОН, В,—О—В тощо;
3) молекули, які мають центри з підвищеною електронною густиною (алкени, алкадієни, алкіни, арени):
/С=С\> /С=С—С=С\, —С=С—,
Нуклеофіли здатні утворювати ковалентний зв’язок із субстратом, атакуючи в його молекулі центри зі зниженою електронною густиною.
Електрофільними' (такими, що шукають електрони) називають реагенти, що приймають електронну пару від субстрату при утворенні з ним хімічного зв’язку.
До електрофільних реагентів належать катіони і нейтральні молекули, які мають вакантну орбіталь або центри зі зниженою електронною густиною.
Типові електрофільні реагенти'.
1) іони, які несуть позитивний заряд (катіони): протон (Н+), катіони металів (М”+), арилдіазоній-катіон (Аг—Ьї2), протонований сульфур(УІ) оксид (Н8О3), нітроній-катіон (ЬЮ2), нітрозил-катіон (N0*) тощо;
2) нейтральні молекули, які мають вакантну орбіталь: 8О3, кислоти Льюїса (А1С13, РеВг3, 8пС14, ВР3 тощо);
3) молекули, які мають центри зі зниженою електронною густиною: галогено-\8+
похідні вуглеводнів (-уС—Наі), сполуки з карбонільною групою
5+С° 8+С° 8+С° 8+С° 8+С°
В—СГ , В—С< , В—С\ , В—С\ , В—С< тощо,
Н ХВ' ОН ОВ' Наі
а також галогени1 2 С12, Вг2, І2.
Електрофільні реагенти здатні утворювати ковалентний зв’язок із субстратом, атакуючи в його молекулі центри з підвищеною електронною густиною.
Електрофільні і нуклеофільні реакції, подібно до процесів окиснення і відновлення, нерозривно пов’язані між собою, тобто залежно від того, яка з реагуючих речовин приймається за атакуючий реагент, а яка — за субстрат, ту ж саму реакцію можна назвати як електрофільною, так і нуклеофільною. Однак найчастіше субстратом вважають речовину зі складнішою структурою або речовину, молекули якої надають атом Карбону для утворення нового зв’язку.
Крім гомо- і гетеролітичних, відомі реакції, які перебігають за так званим пе-рициклічним (молекулярним) механізмом. Молекулярний механізм характеризується одночасним (узгодженим) розривом і утворенням зв’язків у реагуючих молекулах. Молекулярні реакції проходять без утворення іонів або радикалів. Вони супроводжуються синхронним переміщенням електронів у субстраті і реагенті. Типовим прикладом молекулярної реакції є приєднання дієнів до алкенів:
1 Від грец. чХєктроу — електрон і (ріХіа — дружба, любов.
2 Галогени виявляють електрофільні властивості під дією каталізатора або л-електронів атакованого реагента, які викликають поляризацію зв’язку в молекулі.
Глава 8
116
8.4. ТИПИ ОРГАНІЧНИХ РЕАКЦІЙ
Величезну кількість органічних реакцій можна розділити на кілька основних типів.
1. Реакції приєднання (від англ. асісііїіоп — приєднання, позначають символом А або
А=В + X—¥ —► А—В
X ¥
Вони характерні для сполук, які мають кратні зв’язки між атомами Карбону, Карбону і Оксигену, Карбону і Нітрогену, Нітрогену і Нітрогену, а також для сполук, що містять атоми з неподіленими електронними парами і вакантними орбіталями.
Реакції приєднання можуть відбуватися за такими можливими механізмами:
а) електрофільне приєднання (А£);
б) нуклеофільне приєднання (Яу);
в) радикальне приєднання (Лл);
г) молекулярне (синхронне) приєднання.
2. Реакції заміщення (від англ. зиЬзіїіиіїоп — заміщення, позначають символом 5): А—В + X—¥ —► А—X + В—¥
Вони характерні для всіх класів органічних сполук і можуть відбуватися за такими механізмами:
а) електрофільне заміщення (8Е);
б) нуклеофільне заміщення (5у);
в) радикальне заміщення (5Д).
3. Реакції відщеплення (елімінування) (від англ. еіітіпаіїоп — відщеплення, позначають символом Е):
А—В —► А=В + X—¥
І ¥
Від органічних сполук найчастіше відщеплюються такі речовини, як вода, галогеноводні, амоніак. Реакції відщеплення характерні для галогенопохідних вуглеводнів, спиртів, галогено-, гідрокси- і амінокислот.
4. Перегрупування (від англ. геаггап§тепі — перегрупування, позначають символом Ку.
А—В —► А—В І І
X X
Перегрупування включають перехід (міграцію) окремих атомів або груп від одного фрагмента молекули до іншого. До них дуже схильні ненасичені сполуки.
ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
117
5. Реакції окиснення і відновлення супроводжуються зміною ступеня окиснення атома Карбону, який є реакційним центром. Процеси окиснення і відновлення нерозривно пов’язані між собою. Однак, класифікуючи органічні реакції, окиснення і відновлення розглядають за відношенням органічної речовини.
За кількістю молекул, які беруть участь у стадії, що визначає швидкість реакції, розрізняють мономолекулярні і бімолекулярні реакції. їх позначають цифровими індексами «1» і «2» відповідно. У лімітуючій (найповільнішій) стадії мономолекулярної реакції беруть участь молекули одного реагенту, у бімолекулярній — молекули двох реагентів.
8.5. ПРОМІЖНІ АКТИВНІ ЧАСТИНКИ
Перетворення вихідних речовин у продукти реакції здебільшого відбувається за складним механізмом, що включає утворення проміжних активних частинок (інтермедіатів). Зазвичай це короткоживучі частинки, які швидко перетворюються в більш стійкі молекули. Однак деякі інтермедіати мають досить високу стабільність і можуть бути виділені з реакційного середовища у вільному стані. Як проміжні активні частинки найчастіше зустрічаються карбокатіони, карбаніони і вільні радикали:
карбокатіон
в І в—с
І в карбаніон
в
в—с* І в
вільний радикал
Карбокатіони і карбаніони утворюються внаслідок гетеролітичного розриву зв’язку С—X, де X — атом Гідрогену або інший замісник:
В В
В—СІ:Х В— С+ + X
ґ І
к в
карбокатіон
в в
В—С:ІХ В—С + Х+
І * І
В в
карбаніон
Вільні радикали утворюються при гемолітичному розриві зв’язку:
В
в—с-в
+ X-
вільний радикал
8.5.1. КАРБОКАТІОНИ
Карбокатіонами називають органічні катіони, які містять позитивно заряджений атом Карбону.
Атом Карбону, що несе позитивний заряд, знаходиться в карбокатіоні в 5р2-гібридизації: три його о-зв’язки із сусідніми атомами розташовані в од-
Глава 8
118
Вакантна р-АО
Рис. 8.4. Просторова будова карбокатіона
ній площині; р-атомна орбіталь, вісь якої перпендикулярна до площини а-зв’язків, вакантна (рис. 8.4).
Назви карбокатіонів складаються шляхом додавання до найменування відповідного радикала слова «катіон»'.
СН3
сн3—сн—сн3
СН3\ +
)сн—сн, сн/ 2
метил-катіон ізопропіл-катіон ізобутил-катіон
Існує кілька основних способів утворення карбокатіонів'.
1. Пряма іонізація сполук у сильнополярних середовищах характерна для речовин, в яких атом Карбону зв’язаний із замісником сильнополярним ковалентним зв’язком:
Н2С=СН<-СН2->С1 Н2С=СН—СН2 + СГ
алілхлорид аліл-катіон
Процес іонізації помітно активізується в присутності каталізатора, зокрема кислот Льюїса (А1С13, РеВг3, 2пС12 тощо), або протона:
СН3->С1 + А1С13 ◄=£ СН3 + [А1С14]
хлорометан метил-катіон
сн3—сн2->он + н+ ◄=£ сн3—сн2—6—н сн3—сн2 + Н2О
етанол етил-катіон
2. Приєднання протона або іншої електрофільної частинки до одного з атомів, зв ’язаних між собою кратним зв ’язком:
Н2С=СН2 + Н
етилен
сн3—сн2
етил-катіон
Стійкість карбокатіонів визначається можливістю делокалізації (розосередження) заряду в молекулі. Чим у більшій мірі позитивний заряд розподілений між іншими атомами в молекулі, тим стійкіший катіон. Ступінь розосередження заряду в карбо-катіоні обумовлена його будовою. Електронодонорні групи збільшують електронну густину в катіонному центрі, а отже, сприяють розосередженню позитивного заряду в катіоні, надаючи йому тим самим стабілізаційного впливу. За рахунок збільшення +7-ефекту і ефекту гіперкон’югації з боку алкільних груп стійкість алкільних карбокатіонів зростає при переході від первинного до третинного:
сн,
сн3 сн3—сн2 СН3\ + /СН СН/ сн3—с+ 1
сн3
метил-катіон етил-катіон ізопропіл-катіон /яре/я-бутил-катіон
Стійкість карбокатіонів
ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
119
Якщо позитивно заряджений атом Карбону зв’язаний з атомом Карбону в 5р2-гібридизації або гетероатомом, що має неподілену пару електронів (—О—, —N—, —8— тощо), стійкість карбокатіона значно підвищується внаслідок дело-
калізації заряду в кон’югованій системі:
Н2С% /СН2 Н2С^ ^СН2 = Н2С<^СН2 сн сн сн
аліл-катіон
сн3—о—сн2 *-► сн3—о=сн2
метоксиметил-катіон
Аналогічно відбувається делокалізація заряду в карбокатіонах, позитивно заряджений атом Карбону яких знаходиться в кон’югації з л-електронною системою бензенового кільця. Можливість такої делокалізації приводить до сильнішого зростання стійкості карбокатіона:
бензил-катіон
Електроноакцепторні замісники, навпаки, збільшують електронний дефіцит у катіонному центрі, тим самим дестабілізуючи карбокатіон. Так, хлорометил-катіон СН2С1 унаслідок —7-ефекту з боку атома Хлору менш стійкий, ніж метил-катіон СН3.
Поряд зі структурними особливостями великий вплив на стабільність карбо-катіонів справляють зовнішні чинники, зокрема сольватація катіонів молекулами розчинника, тобто утворення навколо кожного катіона оболонки з молекул розчинника. Чим у більшій мірі сольватований катіон, тим вища його стійкість. За інших рівних умов сольватаційний ефект тим вищий, чим менший розмір іона і чим менше делокалізований у ньому заряд. Сольватна оболонка значною мірою екранує заряд катіона і послаблює його взаємодію з іншими іонами, перешкоджаючи в такий спосіб взаємній нейтралізації різноіменно заряджених іонів. Сольватаційна здатність розчинника визначається величиною діелектричної проникності є. Найбільшу сольватаційну здатність має вода (є = 80) і сульфатна кислота (є = 84).
Оскільки карбокатіони найчастіше є короткоживучими проміжними частинками, які при невеликій енергії активації вступають у подальші хімічні перетворення, виявляють їх в основному за допомогою інструментальних методів ЯМР-і УФ-спектроскопії.
8.5.2. КАРБАНІОНИ
Карбаніонами називають органічні аніони, які містять негативно заряджений атом Карбону, тобто тривалентний атом Карбону з неподіленою парою електронів:
К
І
К—С
І
к
Глава 8
120
Аніонний центр залежно від структури аніона може мати тетраедричну або площинну будову.
Тетраедрична будова характерна для насичених карбаніонів і карбаніонів, в яких аніонний центр не перебуває в кон’югації з л-електронами кратного зв’язку. У таких карбаніонах негативно заряджений атом Карбону перебуває в ^-гібридизації, а вільна електронна пара займає $/?-гібридну орбіталь (див. зліва):
к V, Карбаніони, в яких неподілена пара електронів аніонного к центру перебуває в кон’югації з л-електронами кратного зв’язку, мають площинну будову. При цьому негативно заряджений атом Карбону перебуває в $/?2-гібридизації, а вільна електронна пара займає р-атомну орбіталь:
Плоску структуру мають також карбаніони, в яких аніонний центр містить подвійний або потрійний зв’язок. У таких карбаніонах вільна електронна пара займає $р2- або ^-гібридну орбіталь відповідно:
Назви карбаніонів складають шляхом додавання до найменування відповідного радикала слова «аніон»:
СН3 метил-аніон
СН3—СН2—СН2 (С6Н5)3С
пропіл-аніон трифенілметил-аніон
Існують кілька основних способів утворення карбаніонів'.
1) взаємодія сполук з достатньо полярним зв'язком С—Н з активними реагентами (лугами, амідами лужних металів тощо)'.
с6н5Ч
СЙН^С—Н + №МН2
О 3 к/ /
с6н/ трифенілметан натрій амід
◄=£ (С6Н5)3С + Иа+ + МН3
трифенілметил-аніон
ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
121
2) іонізація металорганічних сполук:
С2Н5М§Вг сн3—СН2 + М§Вг
етилмагній бромід етил-аніон
Стійкість карбаніонів визначається можливістю делокалізації негативного заряду. Чим у більшій мірі заряд розосереджений між іншими атомами в молекулі, тим більш стійкий карбаніон. Ступінь делокалізації негативного заряду визначається насамперед будовою карбаніона. До структурних чинників, які визначають стійкість, належить стан гібридизації атома Карбону аніонного центру, а також природа і кількість замісників, з якими він зв’язаний. При рівних інших умовах стійкість карбаніонів зростає зі збільшенням ^-характеру гібридної орбіталі, яку займає не-поділена пара електронів аніонного центра:
СН3—СН2—СН2 (5р3) < СН3—СН=СН ($р2) < СН3—С=С(зр) пропіл-аніон пропеніл-аніон пропініл-аніон
Стійкість карбаніонів
І "
Таким чином, стійкість карбаніонів зростає зі збільшенням електронегатив-ності атома Карбону аніонного центру.
Суттєво впливають на стійкість карбаніонів електронна природа і кількість замісників, з якими зв’язаний аніонний центр. Електронодонорні замісники підвищують електронну густину в аніонному центрі і тим самим дестабілізують карбаніон. Так, стійкість простих алкіланіонів зменшується в ряду
СНЗЧ -
СН3 > СН3—СН2 > СН/СН
метил-аніон етил-аніон ізопропіл-аніон
Стійкість алкіланіонів
Електроноакцепторні замісники (-/-ефект) відтягають електронну густину з аніонного центру (делокалізують негативний зарядні, отже, підвищують стійкість карбаніона. Наприклад, 2,2,2-трифлуоретил-аніон СН2—СР3 унаслідок електро-ноакцепторного впливу з боку атомів Флуору більш стійкий, ніж етил-аніон СН—СН3.
Стійкість карбаніонів значно підвищується внаслідок взаємодії неподіленої пари електронів аніонного центру з я-електронами кратних зв’язків або я-електрон-ною системою бензенового кільця (р,я-кон’югація). У цьому випадку негативний заряд делокалізуються по всій кон’югованій системі:
Н2С^ ^сн2 *-► Н2( сн ^^сн2 ^а^сн2 ^сн2 = Н2С<. ^сн2 сн сн аліл-аніон ^СН2 ^х^СН2 ^^СН2‘ бензил-аніон
Глава 8
122
Ще більш стійкі карбаніони, у яких аніонний центр сполучений із кратним зв’язком
О О О
К—СН—С—К' К—СН=С—Е' = к— СН—С—К'
І. II.
Оскільки атом Оксигену має більшу елекгронегативність, ніж атом Карбону, а отже, здатний сильніше утримувати негативний заряд, внесок структури II у резонансний гібрид більший за внесок структури І. Тому карбаніони такого типу називають енолят-аніонами.
На стійкість карбаніонів, як і карбокатіонів, поряд зі структурними особливостями великий вплив має сольватаційний ефект розчинника. Чим у більшій мірі аніон сольватований молекулами розчинника, тим вища його стійкість.
Для виявлення карбаніонів найчастіше застосовують спектроскопію в ультрафіолетовій і видимій ділянках, а також метод ядерного магнітного резонансу.
8.5.3. ВІЛЬНІ РАДИКАЛИ
Вільними радикалами називають незаряджені частинки, які містять неспарений електрон (одноелектронну орбіталь).
В органічних вільних радикалах неспарений електрон може перебувати при атомі Карбону, а також при атомах Нітрогену, Оксигену та інших елементів:
К
І Кх
к—С к—о
І к
к
Найчастіше зустрічаються вільні радикали, які несуть неспарений електрон на атомі Карбону. У таких радикалах атом Карбону з неспареним електроном може мати площинну і тетраедричну конфігурацію. Прості алкільні радикали, а також радикали, в яких атом Карбону з неспареним електроном перебуває в кон’югації з л-електронами кратного зв’язку або бензенового кільця, мають площинну будову радикального центру, тобто атом Карбону перебуває в 5р2-гібридизації; неспарений електрон займає р-атомну орбіталь:
метил-радикал
аліл-радикал
бензил-радикал
ОСНОВИ ТЕОРІЇ РЕАКЦІЙ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
123
Третинні алкільні радикали мають тетраедричну будову радикального центру; неспарений електрон займає 5р3-гібридну орбіталь:
лр'-АО
треш -бутил-радикал
Як і у випадку карбаніонів, якщо атом Карбону з неспареним електроном бере участь в утворенні подвійного зв’язку, радикальний центр має площинну будову, а неспарений електрон перебуває на ^-гібридизованій орбіталі:
Н
Н
вініл-радикал
феніл-радикал
Вільні радикали утворюються внаслідок гемолітичного розриву ковалентного зв’язку в молекулі, який відбувається в основному при термічних і фотохімічних впливах:
К-|-№К-|-К 2К- + М2
азосполука
о о
>11 ь II сн3|с—сн3 сн3- + с—сн3
ацетон метил- ацетил-
радикал радикал
Стійкість вільних радикалів аналогічно карбокатіонам і карбаніонам залежить від їх структури та визначається можливістю делокалізації неспареного електрона. Чим більша делокалізація, тим вища стійкість.
Стійкість алкільних радикалів зростає в ряду:
СН3
СН І
сн3 < сн3->сн2 < 3^сн < сн3->с* сн3х 3 |
сн3
метил-радикал етил-радикал ізопропіл-радикал /лре/л-бутил-радикал
Стійкість алкільних радикалів
Глава 8
124
Алкільні групи за рахунок +/-ефекту збільшують електронну густину в радикальному центрі і тим самим частково заповнюють одноелекгронну орбіталь другим електроном, приводячи, по суті, до делокалізації. Вільні радикали, в яких од-ноелектронна орбіталь перебуває в кон’югації з л-електронною системою кратних зв’язків, більш стійкі, тому що в цьому разі делокалізація неспареного електрона відбувається по всій кон’югованій системі:
Н2С^ /СН2 Н2С. .СН2 СН СН
Н2С</^СН2
СН аліл-радикал
бензил-радикал
Незважаючи на те що бензильні і алільні радикали більш стійкі, ніж прості алкільні, усі вони мають високу реакційну здатність і існують тільки як проміжні частинки. Поряд з цим є і довгоживучі вільні радикали: трифенілметил-радикал (С6Н5)3С зберігається у вільному стані в розчині при кімнатній температурі тривалий час.
Вільні радикали мають магнітний момент і є парамагнітними частинками завдяки присутньому неспареному електрону. Цю властивість використовують для їх виявлення. Метод, побудований на вимірюванні магнітних властивостей неспаре-них електронів, отримав назву «електронний парамагнітний резонанс» (ЕПР). Цей метод аналогічний ядерному магнітному резонансу, тільки замість ядерного спіну в ньому фіксують спін електрона.
Глава 9
АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
Аліфатичними вуглеводнями називають органічні сполуки, молекули яких складаються тільки з атомів Карбону і Гідрогену, що утворюють відкритий (не-замкнений) вуглецевий ланцюг.
За мірою насиченості вуглець-вуглецевих зв’язків їх поділяють на алкани (насичені вуглеводні), алкени (вуглеводні з подвійним зв’язком), алкадієни (з двома подвійними зв’язками), алкіни (з потрійним зв’язком).
АЛКАНИ
Алканами називають аліфатичні вуглеводні, у молекулах яких атоми Карбону зв ’язані простими ковалентними <з-зв ’язками.
Алкани також називають насиченими вуглеводнями. Раніше ці сполуки іменувалися парафінами (від лат. рагит а^іпііаз — позбавлені спорідненості), що вказує на їхню порівняно низьку реакційну здатність.
Загальна формула алканів СиН2й+2.
Алкани утворюють гомологічний ряд, родоначальником якого є метан (табл. 9.1). Кожний гомолог цього ряду відрізняється від наступного на ланку СН2 (гомологічна ріши ця).
Починаючи з вуглеводню С4Н10, алкани можуть мати як нерозгалужений, так і розгалужений вуглецевий ланцюг. Алкани з нерозгалуженим ланцюгом атомів Карбону називають нормальними, або н-алканами.
9.1. БУДОВА АЛКАНІВ
Усі атоми Карбону в алканах знаходяться в стані 5р3-гібридизації і мають тетраедричну конфігурацію (див. с. 40, 41). Валентні кути між зв’язками дорівнюють 109°28' (тетраедричний кут). Якщо атом Карбону зв’язаний з чотирма різними замісниками, то кути трохи відхиляються від тетраедричного. Відстань між атомами Карбону в алканах складає 0,154 нм, а між атомами Карбону і Гідрогену — 0,110 нм (рис. 9.1).
Глава 9
126
Таблиця 9.1
Представники гомологічного ряду алканів
Структурна формула Брутго-формула Кількість атомів Карбону Назва
сн4 > Метан
СН3СН3 с2н6 Етан
СН3СН2СН3 с3н8 3 Пропан
СН3(СН2)2СН3 с4н10 4 Бутан
СН3(СН2)3СН3 С3Н12 5.5. : . і сі-М^?-;^д^ййґан';'<.
СН3(СН2)4СН3 с6н14 ’ • 6 '^^'’^Пекеай^ -
СН3(СН2)5СН3 С7Й16 7’'" Гептан
СН3(СН2)6СН3 СвН18 •• £ - \ . і
СН3(СН2)7СН3 С9Н20 у"л & е - г» М ї1 * ’ Л? * і * і < } ? г, а У Р ' і і іх': 6 ? .і ; н
СН3(СН2)8СН3 С1ОН22 10 Декан
СН3(СН2)9СН3 С 11^24 ... ^^.Увдєкдїі,,,
СН3(СН2)10СН3 ЦіДи 12 Додекан
СН3(СН2)ПСН3 ^13^28 ІЗ
СН3(СН2)12СН3 ^14^30 14 Теїрадекан
СН3(СН2)13СН3 С15Н32 15 П^іпядекан
СН3(СН2)18СН3 ^20^42 20 Ейкозан
Н 109°28'
О Н
г* У 0,154 нм\С 110 н н
нм
Н Н
в
Рис. 9.1. Будова молекули етану:
а — кулестрижнева модель; б — геометрія молекули; в — о-зв’язки
Навколо вуглець-вуглецевих зв’язків відбувається вільне обертання, у результаті якого молекула може приймати різні просторові форми — конформації (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Конформації алканів: а — зиґзаґоподібна; б — нерегулярна; в — клішнеподібна
АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
127
На підставі даних рентгеноструктурного аналізу встановлено, що алкани нормальної (нерозгалуженої) будови в кристалічному стані мають зиґзаґоподібну конформацію. Така будова для молекули найбільш вигідна, оскільки в цьому разі всі атоми Карбону відносно один одного перебувають у загальмованій антибута-новій конформації. При розгалуженій будові вуглецевого ланцюга конформація може змінюватися.
9.2. НОМЕНКЛАТУРА
Перші чотири представники гомологічного ряду алканів мають тривіальні назви — метан, етан, пропан, бутан. Назва наступних вуглеводнів з нормальним вуглецевим ланцюгом утворюється від назви грецького числівника, яка вказує кількість атомів Карбону в молекулі, з додаванням суфікса -ан: пентан, гексан тощо (див. табл. 9.1).
У назвах алканів з розгалуженим ланцюгом, в яких дві метильні групи знаходяться на одному кінці вуглецевого ланцюга, що не має інших відгалужень, використовується префікс ізо-, якщо ж на кінці вуглецевого ланцюга є три метильні групи, у назву алкана вводиться префікс нео-:
/снз
СН3—СН2—СН2—СН хсн3
ізогексан
сн, сн3—сн2—с—сн. 3 2 І
сн3 неогексан
Назви алканів з розгалуженим вуглецевим ланцюгом складають за замісниковою поз іенк. і а ту рою ІIIРА С:
1. За основу приймають назву вуглеводню, якому відповідає найдовший не-розгалужений вуглецевий ланцюг (головний вуглецевий ланцюг). Якщо у вуглеводні є кілька ланцюгів однакової довжини, то головним з них вважається той, що має найбільшу кількість розгалужень:
| головний ланцюг
сн3
ланцюг не є головним
СН3 ----------------------
СН3—СН—СН—СН2—СН3
сн3—сн—сн—сн2—сн3
СН3—СН—СН3
сн3—сн—сн3
2. Нумерують атоми Карбону головного ланцюга з того кінця, до якого ближче розташований замісник. Якщо в молекулі алкану замісники розміщені на рівній відстані від обох кінців, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче знаходиться замісник з назвою, що стоїть за алфавітним порядком раніше:
5 4 3 2 1
сн3—сн2—сн2—сн—сн3
1 2 3 4 5 6 7
сн3—сн2—сн—сн2—сн—сн2—сн3
З 2 । 2 । 2 3
сн2—сн3 сн3
З-етил-5-метилгептан
сн3
2-метилпентан
Глава 9
128
Якщо ж на однаковій відстані від обох кінців головного ланцюга розташовані ідентичні замісники, але з одного боку кількість розгалужень більша, ніж з іншого, нумерацію починають з того кінця, де більша кількість замісників:
СН3
1 ї| 3 4 5 6
сн3—с—сн2—сн2—СН—сн3
сн3 сн3
2,2,5 -триметилгексан
6 5 4 3 2 1
сн3—сн—сн2—сн—сн—сн3
сн3 сн3 сн3
2,3,5-триметилгексан
З, Складають назву сполуки в цілому, дотримуючись певних правил:
а) спочатку перелічують за алфавітним порядком назви замісників, указуючи цифровий локант, який відповідає положенню кожного замісника в головному вуглецевому ланцюзі. Якщо вуглеводень містить кілька однакових замісників, то їх кількість позначають множними префіксами ди- (ді-), три-, тетра- і так далі, а положення кожного з них у головному ланцюзі — зазвичай цифрами;
б) потім називають вуглеводень, якому відповідає головний вуглецевий ланцюг у сполуці, що розглядається.
Замісниками при головному вуглецевому ланцюзі в алканах є одновалентні залишки алканів, так звані алкільні групи, або алкільні радикали', їх позначають Аік або К. Назви алкільних груп утворюють з назв відповідних алканів, замінюючи суфікс -ан на -ил (-іл).
Найчастіше зустрічаються алкільні радикали:
СН3—
метил
сн3—сн2—
етил
сн3—сн2—сн2—
пропіл
СН3\
3)сн— сн/
ізоопропіл
сн3—сн2—сн2—сн2—
СН3\
3)сн—сн2— сн/
сн3—сн2—сн—
бутил
ізобутил
сн3
в/лор-бутил
сн3—с—
3 І
сн3
/ире/и-бутил
У наведених назвах префікси втор- (вторинний) і трет- (третинний) характеризують атом Карбону з вільною валентністю.
Для назви складних розгалужених радикалів використовують нумерацію вуглецевого ланцюга радикала, причому починають нумерацію завжди з атома Карбону, який має вільну валентність:
5 4 3 2 1
сн3—сн—сн—сн2—сн2—
сн3 сн3
3,4-ди метилпентил
Назви залишків молекул алканів, які мають дві вільні валентності, утворюють від назв відповідних алканів шляхом заміни суфікса -ан на -член (-ілен) (якщо вільні валентності знаходяться при різних атомах Карбону) або -иліден (-іліден) (якщо вільні валентності знаходяться біля одного і того ж атома Карбону):
АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
129
—сн2— —сн2—сн2— сн3—сн= сн3—сн2—сн=
метилен етилен етиліден пропіліден
сн3—с—сн3 —сн—сн2— сн3 —сн2—сн2—сн2—
ізопропіліден пропілен триметилен
Зважаючи на розглянуті правила складання назв алканів за замісниковою номенклатурою ШРАС, нижченаведені вуглеводні слід називати таким чином:
СН3
4 З 2І 1
СН3—сн2—(р—сн3 сн3
2,2-диметилбутан
сн
2 ЗІ 4
сн3
сн3—сн—сн—сн2—с—сн2—сн2—сн3 сн3
сн2—сн3
5-етил-3-ізопропіл-2,5-диметилоктан
9.3. ІЗОМЕРІЯ
Для алканів характерна структурна та оптична ізомерії. Структурна ізомерія алканів зумовлена різною послідовністю зв’язування атомів Карбону в молекулі {ізомерія ланцюга). Вона характерна для бутану і наступних гомологів ряду алканів:
С4Н10 СН3—СН2—СН2—СН3
бутан
/СН3 сн3—сн чсн3
ізобутан; 2-метилпропан
с5н12 сн3—сн2—сн2—сн2—сн3
/СН3 сн3—сн2—сн
ХСН3
пентан
ізопентан;
2-метилбутан
сн3
сн3—с—сн3 І сн3
неопентан;
2,2-диметилпропан
Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі алкана кількість структурних ізомерів значно зростає. Так, гексан СбН]4 має п’ять ізомерів, гептан С7Н1б — дев’ять, октан С8Н18 — 18, декан С]0Н22 — 75, ейкозан С20Н42 — 366319.
Для алканів, починаючи з вуглеводню складу С7Н16, можлива оптична ізомерія. Так, 3-метилгексан СН3СН2СН(СН3)СН2СН2СН3 має асиметричний атом Карбону і існує у вигляді двох енантіомерів (дзеркальних ізомерів):
СН
сн3—СН^
СС"'Н
сн2—сн2—сн3
з
сн3
11 / ^сн2—сн3
сн3—сн2—сн2 2 3
К- 3-метилгексан
5- 3 -метилгексан
Глава 9
130
9.4. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
9.4.1. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА
Головними природними джерелами алканів є нафта і природний газ. Нафта — це складна суміш органічних сполук, основними компонентами якої є нерозгалу-жені і розгалужені алкани. Природний газ складається з газоподібних алканів — переважно метану (до 95 %), етану, пропану і бутану.
Для одержання суміші алканів та інших вуглеводнів нафту піддають фракційній перегонці. У результаті перегонки виділяють кілька фракцій (петролейний ефір, бензин, гас, дизельне пальне, мазут), кожна з яких становить суміш вуглеводнів, що киплять у певному інтервалі температур (табл. 9.2).
Таблиця 9.2
Фракції, які одержують перегонкою нафти
Фракція Температура кипіння, °С Суміш алканів
Петролейний ефір 20-60 ? С5,с6
Бензин 60-180 Сб’-’Сіо
Гас 180-230 Сц> С12
Дизельне пальне 230-300 С13“ С17
Мазут вище 300 С18 і вище
З мазуту перегонкою під вакуумом або з водяною парою добувають солярове масло (вуглеводні складу С18—С25), мастила (вуглеводні складу С28—С38), вазелін і парафін. Подальшою перегонкою фракцій нафти можна одержати індивідуальні алкани.
Природний газ розділяють на складові компоненти шляхом зрідження з подальшою фракційною перегонкою.
9.4.2. СИНТЕТИЧНІ МЕТОДИ ДОБУВАННЯ
Каталітичне гідрування карбон(П) оксиду {синтез Фішера—Тропиш). Пропускаючи суміші карбон(ІІ) оксиду і водню над залізним або кобальтовим каталізатором при температурі 180—300°С, одержують суміш вуглеводнів, яка складається переважно з алканів нормальної будови, молекули яких містять 6—10 атомів Карбону:
Природні джерела метану
Завдяки бактеріям «метаногенам», що розкладають рослинні і тваринні залишки без доступу кисню, щорічно на нашій планеті виділяється приблизно 2 млрд тонн метану. Так, болотний газ на 99% складається з метану, природний газ містить близько 95%, попутні гази — 75—85 % метану.
Величезні кількості метану входять до складу атмосфери важких планет (Нептуна, Урана, Юпітера, Сатурна). Можливо в майбутньому будуть здійснені фантастичні проекти транспортування метану на Землю.
АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
131
иСО + (2п + 1)Н2 С„Н2„ + 2 + лН2О
Синтез Фішера—Тропша застосовують у промисловості для одержання синтетичного бензину та окремих вуглеводнів.
Каталітичне гідрування алкенів і алкінів. Реакція перебігає за нормальних умов у присутності каталізаторів Рі, Реї або N1:
сн— с=с—СН3 Н-'№» сн—сн=сн—сн3 Н2,1ЧІ» сн3—сн2—сн2—сн3
2-бутин 2-бутен бутан
Взаємодія галогеналканів з металічним натрієм. Метод відомий як реакція Вюрца (1855) полягає в обробці галогеналканів (переважно йодидів і бромідів) надлишком натрію:
2СН3—І + 2№ —► СН—СН3 + 2ИаІ йодометан етан
Реакція проходить через стадію утворення металорганічних сполук:
СН—І + 2№ —► СН3Ма + МаІ
метилнатрій
СН3Ма + СН3—І —► СН3—СН3 + МаІ
Якщо як вихідні речовини використовують два різних галогеналкани, то в результаті реакції утворюється суміш трьох вуглеводнів:
На
СН-І + СН-СН-І
—► сн3—сн3 +сн3—сн2—сн3 + сн3—сн2—сн2—сн3
етан пропан бутан
Замість натрію в цій реакції можуть бути використані й інші метали (Хп, М§, Ьі). Найлегше реакція Вюрца проходить з первинними йодалканами, важче з бром- і хлоралканами. Вторинні і третинні галогенопохідні вуглеводнів в умовах реакції Вюрца практично не утворюють алканів. У цьому випадку утворюються переважно алкени. Реакція рідко використовується в синтетичних цілях через наявність побічних процесів (елімінування, перегрупування).
Сплавлення солей карбонових кислот з лугами. Як вихідні речовини зазвичай використовують солі карбонових кислот з лужними або лужноземельними металами і натрій або барій гідроксиди з додаванням натронного вапна. При сплавленні утворюється алкан, що має на один атом Карбону менше, ніж у вихідній кислоті:
СН3—СН2—ССКЖа + МаОН -*-► СН3—СН3 + №2СО3 натрій пропіонат
Взаємодія металорганічних сполук з водою. При дії води на металорганічні сполуки Літію, Натрію, Магнію або Цинку розривається зв’язок метал—Карбон з утворенням вуглеводнів:
СН3— СН2М§! + НОН —► СН3—СН3 + М§(ОН)І етилмагніййодид етан
Дією води на алюміній карбід добувають метан:
Глава 9
132
А14С3 + 12Н2О —► ЗСН4! + 4А1(ОН)3|
Електроліз водних розчинів солей карбонових кислот. Частіше використовують натрієві і калієві солі карбонових кислот:
2СН3СОО“Ка+ + 2Н2О електроліз» СН3~СН3 + 2СО2 + 2№ОН + Н2 натрій ацетат етан
На аноді ацетат-іон СН3СОО“ віддає один електрон, перетворюючись у нестійкий вільний радикал, який розпадається на карбон(ІУ) оксид і вільний метальний радикал. Метильні радикали димеризуються з утворенням етану:
2СН3СОО" 2СН3СОО’ 2Снз' ~* СН3—СН3
На катоді утворюються водень і гідроксид відповідного лужного металу.
9.5. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За звичайних умов чотири перших представники гомологічного ряду алканів — газоподібні речовини; нормальні алкани, які містять від 5 до 17 атомів Карбону,— рідини, наступні гомологи — тверді речовини (табл. 9.3).
Таблиця 9.3
Фізичні характеристики деяких алканів
Формула Назва Температура, °С
плавлення кипіння
СН4 Метан -182,6 -161,6
СН3СН3 Етан -183,3 -88,5
СН3СН2СН3 Пропан -187,1 -42,2
СН3(СН2)2СН3 Бутан -138,4 -0,5
СН3СН(СН3)СН3 2-Метилпроцан -159,6 -И,7
СНз(СН2)3СН3 Пентан -129,7 36,1
СН3СН(СН3)СН2СН3 2-Метилбутан —159,9 27,8
СН3С(СН3)з 2,2-Диметилпропан -16,6 9,5
СН3(СН2)4СН3 Гексан -94,0 . 68,7 \
СН3(СН2)5СН3 Гептан -90,5 98,4
СН3(СН2)8СН3 Декан -29,7 174,1
СН3(СН2)13СНз Пентадекан 10 270,7
СН3(СН2)18СН3 Ейкозан 36,4 345,1
У гомологічному ряду алканів у міру збільшення молекулярної маси зростають температури плавлення і кипіння. Температури кипіння ізомерів з розгалуженим вуглецевим ланцюгом більш низькі порівняно з алканами нормальної будови. Газоподібні і тверді алкани не мають запаху, рідкі — мають характерний «бензиновий» запах. Усі алкани легші за воду і практично не розчиняються в ній. Але вони добре розчиняються в неполярних розчинниках — діетиловому етері, те-
АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
133
трахлорометані, бензені та інших, причому зі збільшенням молекулярної маси розчинність зменшується.
9.6. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За звичайних умов алкани є малореак-ційноздатними сполуками. Вони стійкі до дії кислот, лугів і окисників. Інертність алканів використовують на практиці. Концентровану сульфатну кислоту і луги застосовують для очищення нафтопродуктів. Лужні метали, для запобігання контакту з киснем і вологою повітря, зберігають під шаром інертного розчинника (гас). Хімічна інертність алканів зумовлена високою міцністю о-зв’язків С—С і С—Н (див. розд. 3.2.3). Через незначну різницю в електронегатив-ності зр3-гібридизованого атома Карбону (2,5) і атома Гідрогену (2,1) о-зв’язки С—С і С—Н в алканах практично не полярні і тому не схильні до гетеролітичного розриву, але здатні розщеплюватися гомолітично з утворенням вільних радикалів. Незважаючи на те що зв’язок С—С слабший, ніж зв’язок С—Н, останній розривається з більшою легкістю, тому що більш доступний для атаки реагентом. Хімічні перетворення алканів супроводжуються гемолітичним розщепленням зв’язків С—Н з наступним заміщенням атома Гідрогену іншими атомами або групами, тобто для них характерні реакції заміщення, які відбуваються за радикальним механізмом (5д). При високих температурах може спостерігатися гомолітичний розрив зв’язків С—С.
Шарль Адольф ВЮРЦ (1817—1884)
Французький хімік. Закінчив медичний факультет Страсбурзького університету (1839). Вивчав хімію в лабораторії Ю. Лібіха в Гісенському університеті (1842). Професор Паризького університету з 1875 року.
Наукові роботи проводив у галузі органічної і неорганічної хімії. Одержав ціанурову кислоту, ізоціанові естери. Відкрив (1849) алкіламіни, синтезував метиламін і етиламін. Розробив (1855) метод синтезу парафінових вуглеводнів при взаємодії алкілгалогенідів з металічним натрієм (реакція Вюрца). Синтезував етиленгліколь (1856), молочну кислоту (1865), етиленхлоро-гідрин, етиленоксид (1859), фенол, ета-ноламіни, холін (1867), нейрин (1869). Одночасно з О. П. Бородіним здійснив альдольну конденсацію (1872). Провів (1872) кротонову конденсацію оцтового альдегіду.
Був прекрасним лектором. На його честь названий мінерал вюрцит.
9.6.1. РЕАКЦІЇ РАДИКАЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ (Ак)
Галогенування. Алкани легко реагують з галогенами (крім йоду), утворюючи суміші моно- і полігалогеналканів. За реакційною здатністю в реакціях з алканами галогени розташовуються в ряд: Р2 С12 Вг2. Пряме флуорування алканів є важко контрольованою екзотермічною реакцією. Енергія, яка виділяється при заміщенні атома Гідрогену на атом Флуору, перевищує енергію дисоціації зв’язку С—С. При флуоруванні алканів поряд із заміщенням атомів Гідрогену Флуором відбувається розрив вуглець-вуглецевих зв’язків, унаслідок чого утворюється складна суміш флуоралканів. Саме тому пряме флуорування алканів має обмежене застосування.
Глава 9
134
Менш екзотермічна реакція алканів із хлором. Вона перебігає в умовах фотохімічного (при УФ-опроміненні) або термічного (300 °С) процесу. При взаємодії метану з хлором атоми Гідрогену поступово заміщуються на атоми Хлору:
СН4 + С12 НС1 + СН3С1
хлорометан
СН3С1+С12 НС1+СН2С12
дихлорометан
СН2С12+ С12 НС1+ СНС13
трихлорометан;
хлороформ
СНС13+С12 НС1+СС14
тетрахлорометан;
чотирихлористий вуглець
Реакція проходить за ланцюговим вільнорадикальним механізмом, який було вивчено радянським ученим Миколою Миколайовичем Семеновим.
У ланцюговому процесі виділяють три стадії: ініціювання, зростання ланцюга, обрив ланцюга.
Ініціювання. Під дією енергії квантів світла (йу) або нагрівання молекула хлору активується і зазнає гемолітичного розриву зв’язку з утворенням двох вільних радикалів:
Сі-Ьсі 2СГ
Зростання ланцюга. Вільні радикали хлору атакують зв’язок С—Н у молекулі метану, відриваючи при цьому атом Гідрогену з утворенням хлороводню НС1 і вільного метального радикала СН3:
Н Н
Н*.С:Н + СГ —► Н:С- + Н--С1 н н
Метальний радикал, у свою чергу, атакує молекулу хлору, відриває атом галогену і утворює хлорометан СН3С1 та вільний радикал хлору:
СН3* + С1-|-С1 —► СН3--С1+ СГ
Утворений радикал хлору повторює цикл зазначених перетворень, тобто відбувається ланцюговий процес, в якому атом Хлору, витрачений на попередній стадії зростання ланцюга, сприяє вивільненню нового радикала хлору на наступній стадії.
Таким чином утворюється суміш моно-, ди-, три- і тетрахлоропохідних метану:
СГ + СН3С1 —► -сн2сі + неї •СН2С1 + С12 —► СН2С12 + СГ дихлорометан
СГ + СН2С12 —► 'СНС12 + неї
•СНС12 + С12 —СНС13 + СГ
трихлорометан
СНС13 + СГ —► -СС13 + неї •ссі3 + С12 —► СС14 + СГ тетрахлорометан
АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АІ КАНИ
135
Ланцюговий процес припиняється лише після зникнення всіх вільних радикалів, що утворюються в ході реакції.
Обрив ланцюга. Унаслідок рекомбінації (димеризацїї) вільних радикалів відбувається обрив ланцюга:
СН,' + СН/ —► СН,—СН,
СН/ + СІ’ —► СН,—СІ СГ + СГ —► С12
Аналогічно проходить реакція бромування метану, проте вона значно менш екзотермічна, ніж реакції флуорування і хлорування.
Слід зазначити, що заміщення атома Гідрогену на атом галогену в алканах відбувається здебільшого регіоселективно (вибірково): у першу чергу заміщується атом Гідрогену при третинному атомі Карбону, потім — при вторинному і в останню чергу — при первинному. При бромуванні 2-метилпропану утворюється продукт заміщення біля третинного атома Карбону:
Микола Миколайович СЕМЕНОВ (1896-1986)
Радянський фізик і фізико-хімік. Закінчив Петроградський університет (1917). Відкрив (1927) новий тип хімічних процесів — розгалужені ланцюгові реакції, теорію яких уперше сформулював у 1930—1934 роках. Установив механізм ланцюгових реакцій. Виконав (1950—1960) цикл робіт у сфері гомогенного і гетерогенного каталізу.
Лауреат Державної премії СРСР (1941, 1949), Нобелівської премії (1956, разом із С. Н. Хіншелвудом), Ленінської премії (1976).
СН3
сн3—с—сн3 +
н
2-метилпропан
сн3
сн3—с—СН3 + НВг Вг
2-бром-2-метилпропан
Така послідовність заміщення зумовлена стійкістю вільних радикалів, шо утворюються. Чим стійкіший вільний радикал, тим легше він утворюється. Оскільки третинні алкільні радикали стабільніші, ніж вторинні, а тим більше — за первинні (див. с. 123), реакційна здатність зв’язків С—Н при галогенуванні алканів збільшується в ряду: первинний < вторинний < третинний атом Карбону. Проте ця закономірність не завжди витримується. Регіоселективність галогенування залежить також від активності реагенту (атома галогену) і температури. Чим активніший реагент, тим нижча селективність реакції. Отже, в алканів реакція бромування більш селективна, ніж хлорування. Регіоселективність галогенування алканів зростає при зниженні температури.
Радикальне йодування алканів ендотермічне і внаслідок низької реакційної активності Г проходить важко. Реакція оборотна, тому шо йодоводень НІ, який утворюється, відновлює алкілйодид.
Сульфохлорування. Під дією сульфур(ГУ) оксиду і хлору в умовах УФ-опро-мінювання алкани утворюють алкансульфонілхлориди (хлорангідриди алкансуль-фонових кислот).
Глава 9
136
Михайло Іванович КОНОВАЛОВ (1858-1906)
Російський хімік-органік. Учень В. В. Марковникова. Закінчив Московський університет (1884). Професор Київського політехнічного університету з 1899 року, потім ректор (1902-1904).
Основні наукові праці присвячені вивченню дії нітратної кислоти на органічні сполуки. Вивчив нітруючу дію розведеної нітратної кислоти на аліфатичні (реакція Коновалова), алі-циклічні і жирноароматичні вуглеводні. Своєю реакцією він, за словами М. Д. Зелінського, «оживив хімічних мерців», якими в той час вважали парафінові вуглеводні. Розробив методи одержання оксимів, альдегідів, кетонів та спиртів на основі нітросполук жирного ряду.
К—Н + 8О2+ С12 К—8О2С1 + НС1
алкан алкансульфоніл-
хлорид
Як і у випадку галогенування, реакція сульфохлорування алканів проходить за ланцюговим радикальним механізмом (5Л):
СІ--СІ СГ + СГ
к—н + СГ —► к- + неї
К- + 8О2 —► К—8О2
К—8О2 + С12 —► К—8О2С1 + СГ і т. д.
У результаті реакції утворюється суміш первинних і вторинних алкансульфонілхло-ридів. Третинні сульфонілхлориди не утворюються, мабуть, унаслідок просторових перешкод.
Реакція сульфохлорування має важливе значення у виробництві синтетичних мийних засобів.
Нітрування. Рідкофазове нітрування алканів, назване реакцією Коновалова (1888), здійснюється з використанням розведеної нітратної кислоти (концентрація 10—20%-ва) при температурі ПО—140°С, нормальному або підвищеному тиску:
в—н + НЬЮ3 (розв.) к—N02 + Н2О
алкан нітроалкан
Реакція перебігає за вільнорадикальним механізмом:
НО—МО2 НО’ + N0;
к—н + но- —► к- + Н2О к- + НО—N02 —► в—N©2 + НО-Нітрування алканів характеризується високою регіоселективністю:
СН3
сн3—с—сн2—сн3 +
н ізопентан
сн3
НN03 (розв.) СН3—с—СН2—СН3 + Н2О
З ' 3 । £ З £
1ЧО2
2-метил-2-нітробутан
Концентрована нітратна кислота в звичайних умовах не взаємодіє з алканами; при нагріванні вона діє головним чином як окисник.
А1ІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
137
9.6.2. ОКИСНЕННЯ АЛКАНІВ
У надлишку кисню або на повітрі алкани згорають з утворенням карбон(ІУ) оксиду і води з виділенням великої кількості теплоти:
СН4 + 2О2 —► СО2 + 2Н2О + 882 кДж/моль
Окиснення алканів киснем повітря в присутності каталізатора (солей Мангану, Хрому, Плюмбуму тощо) при температурі 150—200 °С приводить до утворення суміші продуктів, яка складається в основному з карбонових кислот з різною довжиною вуглецевого ланцюга, альдегідів, кетонів і спиртів. Реакція перебігає за радикальним механізмом і супроводжується розривом вуглець-вуглецевих зв’язків. Як проміжні продукти окиснення утворюються органічні гідропероксиди.
Схема окиснення пропану:
сн3-сн -сн3 сн3—сн—сн3 сн3—сн—сн3
І 3 3
О—О’
сн—сн—сн3 —►
о—он
гідропероксид
/9 сн3—с< хн
ацетальдегід
+ сн3—он + сн3— с—СН3 + Н2О
З З Ц З 2
о
метанол ацетон
І01 сн,—с^° хон оцтова кислота
і°-н—с^° он
мурашина кислота
Реакція окиснення використовується в промисловості для одержання метанолу, формальдегіду, ацетальдегіду та оцтової кислоти з пропану і бутану, а також вищих жирних кислот з алканів з довжиною ланцюга більше 25 атомів Карбону.
9.6.3. КРЕКІНГ АЛКАНІВ
Крекінг — процес термічного розщеплення алканів. Під дією високих температур алкани розкладаються з розривом зв’язків С—С і С—Н. Одночасно проходять процеси дегідрування, ізомеризації і циклізації. Початкова температура розпаду алканів залежить від їх будови і молекулярної маси: чим більша молекулярна маса вуглеводню, тим легше він розщеплюється при нагріванні. Розрізняють терміч-шй крекінг і каталітичний крекінг. Термічний крекінг проводять при температурі 800°С і вище, каталітичний — при температурі 450—550°С в присутності алюмосилікатних каталізаторів (алюміній оксид А12О3 на силікагелі 8іО2).
Найстійкіший до термічного розкладу метан. В інтервалі температур 1400—1500 °С він піддається розпаду з утворенням ацетилену:
2СН4 1400—1500°С > нс=сн + зн2
Етан розкладається при нижчих температурах:
СН3—СН3 600~800°с » Н2С=СН2 + Н2
Глава 9
138
Вищі алкани в умовах термічного крекінгу розкладаються з утворенням складної суміші нижчих алканів і алкенів. Розрив вуглецевого ланцюга молекули може відбутися в будь-якому положенні:
г-> СН4 + Н2С=СН—СН2—СН2—СН3
СН3—СН2—СН2—СН2—СН2—СН3
гексан
—► сн3—сн3 + н2с=сн—сн2—сн3
—► сн3—сн2—сн3 + н2с=сн—сн3
сн3—сн2—сн2—сн3 + Н2С=СН2
Термічний крекінг проходить за радикальним механізмом. При каталітичному крекінгу розщеплення вуглець-вуглецевого зв’язку супроводжується переважно ізомеризацією //-алканів в алкани з розгалуженим ланцюгом:
2СН3—сн2—сн2—сн2—сн2—сн3
А12О,; 500 °С
гексан
—► сн3—сн—сн—сн3
сн3 сн3
2,3 -диметилбутан
СН3
+ сн3—с—сн2—сн3
сн3
2,2-диметилбутан
У присутності каталізатора вищі алкани здатні до циклізації з утворенням ароматичних вуглеводнів:
сн3—сн2—сн2—сн2—сн2—сн2—сн3
гептан
Сг2О3; АІ2О,; 500 °С
+ 4Н2
Каталітичний крекінг відбувається за іонним механізмом.
Крекінг-процес має важливе промислове значення і широко використовується для одержання високооктанових бензинів, ненасичених і ароматичних вуглеводнів.
9.7. ІДЕНТИФІКАЦІЯ АЛКАНІВ
Хімічні методи для ідентифікації алканів не застосовують. Алкани ідентифікують за фізичними константами (температурами кипіння і плавлення, показником заломлення, питомим обертанням для оптично активних речовин тощо) і спектральними характеристиками.
Алкани поглинають УФ-випромінювання в ділянці менше 200 нм, тому рідкі алкани використовують як розчинники для вимірювання електронних спектрів інших речовин. Для ІЧ-спектрів алканів характерні смуги поглинання в ділянці 3000—2850 см-1, які відповідають валентним коливанням зв’язків С—Н, і в ділянці 1470—1370 см-1, що характеризують деформаційні коливання зв’язків С—Н.
У ПМР-спектрах алканів різні за розташуванням протони мають близькі значення хімічних зсувів (0,5—2 млн-1), що ускладнює інтерпретацію ПМР-спекгрів.
АЛІФАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. АЛКАНИ
За останній час досягнуто великі успіхи при ідентифікації алканів методом мас-спектрометрії.
9.8. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Метан СН4. Безбарвний газ (н. у.), який не має запаху, малорозчинний у воді. Метан є основною складовою частиною природного газу. Він широко використовується як промислове і побутове паливо, а також служить важливою сировиною для хімічної промисловості. З метану добувають ацетилен, метиловий спирт, формальдегід, хлороформ, тетрахлорометан, газову сажу та інші речовини.
Етан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10. Безбарвні гази (н. у.), без запаху. Пропан і бутан легко зріджуються, що дозволяє вживати їх у побуті як паливо (балонний зріджений газ). Ці алкани, подібно до метану, широко використовують у хімічній промисловості як сировину для виробництва етилену, пропілену, бутадієну та інших речовин, що мають важливе практичне значення.
Вазелінове масло. Безбарвна масляниста рідина, без запаху і смаку, практично нерозчинна у воді. За хімічною структурою — суміш алканів складу Ц—С|5. Використовують у медицині як проносний засіб, у фармації — при виготовленні ліків, а також у парфюмерно-косметичній промисловості як компонент косметичних кремів і мазей.
Вазелін. Безбарвна або світло-жовтого кольору однорідна речовина, практично нерозчинна у воді. У хімічному відношенні становить суміш рідких і твердих алканів складу С12—С25. Вазелін широко застосовують у фармації як основу для виготовлення мазей.
Петролейний ефір. Суміш рідких насичених аліфатичних вуглеводнів, головним чином розгалуженої будови складу С5—С6. Одержують шляхом відгонки легких фракцій бензину. Використовують як розчинник смол, жирів, ефірних олій та інших неполярних речовин.
Парафін. Біла тверда дрібнокристалічна маса, без запаху і смаку, злегка жирна на дотик, нерозчинна у воді. Температура плавлення 45—65 °С. Парафін складається із суміші твердих алканів складу С19—С35. Застосовують у фармації як основу для виготовлення мазей. У зв’язку з великою теплоємністю і низькою теплопровідністю парафін використовують у медицині для лікування теплом (парафінотерапія).
Озокерит (гірський віск). Тверда воскоподібна маса чорного кольору. Температура плавлення близько 80°С. Викопна речовина нафтового походження. За хімічною структурою — це суміш вищих алканів і алкенів, смол і мінеральних масел. Як і парафін, озокерит застосовують у медицині для лікування теплом при невралгіях, невритах, плекситах та інших захворюваннях.
Глава 10
АЛКЕНИ
Алкенами називають аліфатичні вуглеводні, які містять подвійний вуглець-вуглецевий зв ’язок.
Загальна формула алкенів СйН2л.
Родоначальником гомологічного ряду алкенів є етилен (табл. 10.1), що обумовило ще одну їхню назву «етиленові вуглеводні». Збереглася також історично сформована назва «олефіни» (масл ©утворюючі), оскільки нижчі гомологи цієї групи сполук при взаємодії з хлором або бромом утворюють маслянисті рідини.
Таблиця 10.1
Представники гомологічного ряду алкенів
Сполука Назва за номенклатурою
систематичною тривіальною
Н2С=СН2 Етен Етилен
н2с=сн—сн3 Пропен Пропілен
н2с=сн-сн2—сн3 1-Бутен а-Бутилен
сн3—сн=сн—сн3 2-Бутен Р~ Бутилен
Н2С=С—СН3 сн3 2-Метилпропен Ізобутилен
н2с=сн—сн2—сн2—сн3 1 -Пентен а-Аміл єн
сн3—сн=сн—сн2—сн3 2-Пентен Р-Амілен
10.1. НОМЕНКЛАТУРА
За правилами ШРАС назви алкенів утворюють від назв відповідних алканів, заміняючи суфікс -ан на -єн з указівкою положення подвійного зв’язку в ланцюзі атомів Карбону (див. табл. 10.1).
Н2С=СН2
етен
н2с=сн—сн3
пропен
сн3—сн=сн—сн3
2-бутен
При складанні назв алкенів за замісниковою номенклатурою ШРАС користуються такими правилами'.
1. Вибирають найдовший вуглецевий ланцюг, що включає подвійний зв’язок (головний вуглецевий ланцюг).
АЛКЕНИ
141
2. Атоми Карбону головного ланцюга нумерують, починаючи з того кінця ланцюга, до якого ближче розташований подвійний зв’язок.
3. Складають назву алкену, перелічуючи спочатку за алфавітним порядком вуглеводневі замісники з указівкою їхнього положення в головному ланцюзі, потім називають вуглеводень, якому відповідає головний вуглецевий ланцюг. Перед назвою вуглеводню через дефіс ставлять цифру {локант), яка вказує положення подвійного зв’язку (номер першого з двох атомів Карбону, що утворюють подвійний зв’язок).
4 3 2 1
сн —сн — сн=сн2
1-бутен
СН 23 45
1 2 з 41 3 сн3—сн2—с—сн2—сн—сн3
СН,— СН=СН—с—СН3 1ІІ„ І
5І 6 СН2 С '
сн—сн3
4,4-Диметил-2-гексен 2-стил-4-метил-1-пентен
Для нижчих членів гомологічного ряду алкенів застосовують також тривіальні назви — етилен, пропілен, бутилен і так далі (див. табл. 10.1), причому назві першого представника — етилен — правилами ШРАС надається перевага над назвою етен.
Назва одновалентних вуглеводневих радикалів, утворених з алкенів, складають шляхом додавання до назви алкена суфікса -іл:
3 2 1 3 2 1
н2с=сн— сн3—сн=сн— н2с=сн—сн2—
етеніл 1-пропеніл 2-пропеніл
Деякі радикали мають також тривіальні назви:
н2с=сн— сн3—с=сн2 н2с=сн—сн2—
вініл ізопропеніл аліл
10.2. ІЗОМЕРІЯ
Для алкенів характерна структурна та геометрична ізомерії.
Структурна ізомерія алкенів зумовлена різною послідовністю зв’язування атомів Карбону в молекулі {ізомерія ланцюга) і різним положенням подвійного зв’язку при одному і тому ж вуглецевому скелеті {ізомерія положення). Такий вид ізомерії можливий, починаючи з бутену С4Н8, який може існувати у вигляді трьох структурних ізомерів:
ізомери ланцюга
Н2С= =сн—сн—сн2- 1-пентен —сн3 н2с=сн—сн—сн3 сн3—сн= сн3 3-метил-1-бутен =сн—сн2—сн3 2-пентен
ізомери положення
Глава 10
142
Крім цого, у ряду алкенів має місце геометрична, або так звана цис-транс-ізомерія, що зумовлено різним розташуванням атомів або груп у просторі відносно площини подвійного зв’язку (див. с. 82). Так, 2-бутен може існувати у вигляді двох просторових ізомерів — цис- {два однакові замісники при атомах Карбону подвійного зв’язку розташовані з одного боку від площини п-зв’язку) і транс- (два однакові замісники розташовані з різних боків відносно площини п-зв’язку):
Н,С\ /СН,
3 )С=С< 3
Нх Н
^мс-2-бутен
Н,СЧ /Н
3 )с=с< нх хсн3
транс-2-букв.
Якщо біля атомів Карбону, зв’язаних подвійним зв’язком, є три або чотири різні замісники, використовують Е,^-систему позначень конфігурації геометричних ізомерів (див. с. 83):
Н3С V /СН,СН, /С=С\
СН3СН2 СН2СН2СН3
/-4-етил-З-метил-З-гептен
Н3СЧ /СН2СН2СН3 /С=С\ СН3СН2 СН2СН3
/Г-4-етил-З-метил-З-гептен
Як бачимо, 4-етил-З-метил-З-гептен може мати Х-конфігурацію (старші замісники при атомах Карбону з подвійним зв ’язком розташовані по один бік відносно площини я-зв’язку) та Е-конфігурацію (старші замісники розташовані по різні боки щодо площини п-зв’язку).
Е,^-Система більш універсальна і використовується для позначення геометричних ізомерів з різним набором замісників.
10.3. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
У невеликих кількостях алкени зустрічаються в деяких родовищах нафти і природного газу, звідки можуть виділятися в чистому вигляді. Як зазначалося раніше (див. розд. 9.6.3), алкени утворюються також при термічному крекінгу вищих алканів.
Більшість методів синтезу побудовані на елімінуванні (відщепленні) атомів або атомних груп від молекул алканів, галогеналканів і спиртів.
Дегідратація насичених спиртів. Насичені спирти при нагріванні із сильними мінеральними кислотами — сульфатною або фосфатною — відщеплюють молекулу води і утворюють відповідні алкени:
сн2—сн2 Н25°4;' » Н2С=СН2 + Н2О
Н ОН
етанол етилен
Механізм реакції наведений у розд. 22.1.5.
У промисловості дегідратацію здійснюють при пропусканні парів спирту над каталізатором — алюміній оксидом А12О3 при температурі 300—400 °С:
АЛКЕНИ
143
сн3—сн—сн2 А1А:300 400°с>
н он
1-пропанол
—► сн3—СН=СН2 + Н2О
пропен
У цій реакції легше відщеплюють воду вторинні й особливо третинні спирти. При цьому, якщо атом Карбону зв'язаний з нерівноцінними між собою атомами Карбону, відщеплення води відбувається переважно таким чином, шо разом з гідроксилом відщеплюється атом Гідрогену від менш гідрогенізованого сусіднього атома Карбону,
Ця закономірність, установлена 1875 року російським хіміком-органіком Олександром Михайловичем Зайцевим, отримала назву «правило Зайцева» (див. с. 325):
СН3
1 2 ЗІ 4 Н 40 /
сн3—сн—с—сн3 2 - >
он н
З -метил-2-бутанол
сн3
4 З 2І 1
—► сн3—сн=с—сн3 + Н20
2-метил-2-бутен
Дегідрогалогенування моногалогеналканів. При нагріванні моногалогеналканів зі спиртовим розчином натрій або калій гідроксиду відщепляється галогеноводень і утворюються алкени:
сн3-сн2-сн2 №ОН(С2Н5°Н)>
1-бромопропан Вг
Олександр Михайлович ЗАЙЦЕВ (1841-1910)
Російський хімік-органік. Член-кореспондент Петербурзької академії наук з 1885 року. Учень О. М. Бутлерова. Закінчив Казанський університет (1862). Удосконалював свою освіту в лабораторіях А. В. Г. Кольбе ІШ. А. Вюрца (1862—1865). З 1865 року працював у Казанському університеті. Наукові дослідження були спрямовані на розвиток органічного синтезу і теорії хімічної будови Бутлерова. Розробив (1870—1875) цинкорганічні методи синтезу різних класів спиртів («зайцевські спирти»). Сформулював (1875) правило (правило Зайцева). Разом з учнями виконав велику кількість робіт із синтезу та вивчення властивостей багатоатомних спиртів, органічних оксидів, ненасичених кислот, гідроксикислот тощо.
Створив школу хіміків.
снз—СН=СН2 + КаВг + Н2О
пропен
Механізм реакції наведений на с. 254.
Подібно до спиртів порядок відщеплення галогеноводню від вторинних і третинних галогеналканів визначається переважно правилом Зайцева, тобто разом з атомом галогену відщеплюється атом Гідрогену, який перебуває при менш гідро-генізованому сусідньому атомі Карбону:
СН3 СН3
1 2 ЗІ 4 N304 (С,Н,ОН) 4 3 21 1
СН3—СН—с—СН3 ----------- 2 5 > сн3—СН=С—СН3 + №Вг + н,о
з । । з з з 2
Вг Н
2-бром-З-метилбутан 2-метил-2-бутен
Глава 10
144
Дегалогенування дигалогеналканів. Дигалогеналкани з атомами галогену біля сусідніх атомів Карбону при дії цинку або магнію у водно-спиртовому розчині відщеплюють два атоми галогену, утворюючи алкени:
СН3—СН—СН—СН3 + 7п —► СН3—СН=СН—СН3 + ХпВг2
Вг Вг
2,3-дибромобутан 2-бутен
Дегідрування алканів {промисловий метод). При температурі 300—500°С в присутності каталізаторів (тонкоздрібнений нікель, хром(ІІІ) оксид Сг2О3 тощо) алкани відщеплюють водень, утворюючи алкени:
СН3—СН2—СН3 СН3—СН=СН2 + Н2
пропан пропен
Селективне гідрування алкінів. У присутності каталізаторів зі зниженою активністю (Ре, частково дезактивовані, «отруєні» солями важких металів Реї і Рі) алкіни селективно (вибірково) приєднують водень з утворенням алкенів:
НС=С—СН3 Нг; ра/рьс°3 > н2С=СН—СН3
пропін пропен
10.4. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Перші чотири представники гомологічного ряду алкенів подібно до алканів за нормальних умов — гази, далі йдуть рідини (С5—С17), потім — тверді речовини.
Усі алкени практично нерозчинні у воді, добре розчиняються в органічних розчинниках.
Температури кипіння алкенів нерозгалуженої будови, як правило, вищі, ніж їх ізомерів з розгалуженим ланцюгом атомів Карбону, цис- Ізомери порівняно з тиронс-ізомерами мають звичайно більш високі температури кипіння і більш низькі температури плавлення.
10.5. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Головною структурною особливістю, що визначає реакційну здатність алкенів, є наявність у їх молекулі подвійного вуглець-вуглецевого зв’язку. Атоми Карбону, сполучені подвійним зв’язком, знаходяться в стані 5р2-гібридизації. Подвійний зв’язок (див. с. 44, 45) являє собою поєднання ковалентних о- і л-зв’язків, з яких л-зв’язок слабший. Електронна густина л-зв’язку розміщена симетрично вище і нижче площини, в якій лежать о-зв’язки ^-гібридизованих атомів Карбону (рис. 10.1).
Завдяки такому розміщенню електрони л-зв’язку легше поляризуються порівняно з електронами о-зв’язку. Унаслідок високої поляризованості та низької енергії утворення л-зв’язку алкени досить легко вступають у реакції приєднання, що проходять з розривом л-зв’язку. Здебільшого такі реакції перебігають за іонним механізмом і починаються з атаки електрофільним реагентом (елекгрофільною частинкою) електронів л-зв’язку, а тому їх називають реакціями електрофільного приєднання (ЛЕ).
АЛКЕНИ
145
Рис. 10.1. Будова молекули етилену:
а — кулестрижнева модель; б —геометрія молекули; в — а-зв’язки; г — я-зв’язок; д — атомно-орбітальна модель
Н Крім того, подвійний зв’язок впливає на реакційну здат-
ність зв’язків С—Н біля сусіднього з ним ^//-гібридизованого 2 атома Карбону.
Завдяки гіперкон’югації (о,л-кон’югацїї) атоми Гідрогену, розміщені біля а-атома Карбону відносно подвійного
зв’язку, набувають рухливості і здатності вступати в реакції заміщення (5Л), які перебігають значно легше, ніж в алканів.
Для алкенів характерні також реакції окиснення, відновлення і полімеризації.
10.5.1. РЕАКЦІЇ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ПРИЄДНАННЯ (АЕ)
За рахунок наявності у своїй структурі л-зв’язку алкени виявляють нуклео-фільні (електронодонорні) властивості і вступають у реакції з електрофільними реагентами, такими як галогени, галогеноводні, сульфатна кислота, вода в присутності мінеральних кислот тощо. Ці реакції проходять за механізмом електроді, і міого приєднання (Л£).
Механізм включає дві послідовні стадії:
Стадія І
8+ 8—
+ Х->¥ ++
я-комплекс
карбокатіон
Глава 10
146
Стадія II
¥
\ +/ \ І /
/С—С\ + ¥ —► /С—С'
X X
8+ 8-
На стадії І електрофільна частинка або молекула електрофільного реагенту X -►¥ унаслідок електростатичної взаємодії з електронною хмарою л-зв’язку утворює з молекулою алкену так званий п-комплекс. Потім виникає ковалентний зв’язок між електрофільною частинкою Х+ і одним з атомів Карбону подвійного зв’язку, при цьому л-комплекс перетворюється в карбокатіон.
На стадії II карбокатіон взаємодіє з вивільненою з електрофільного реагенту нуклеофільною частинкою ¥” і утворюється кінцевий продукт приєднання.
Приєднання галогенів (галогенування). Алкени досить легко приєднують за місцем розриву подвійного зв’язку хлор і бром, важче — йод. У результаті взаємодії утворюються дигалогенопохідні алканів, які містять атоми галогену біля суміжних атомів Карбону (віцинальні дигалогенопохідні вуглеводнів):
Н2С=СН2 + Вг2 —► Н2С—СН2
2 X 2. 2 । । 2
Вг Вг
1,2-диброметан
Численними дослідженнями встановлено, що механізм цієї реакції включає електрофільну атаку молекули галогену на л-електрони подвійного зв’язку.
Під дією л-електронної хмари подвійного зв’язку молекула галогену поляри-8+ 8—
зується (Вг-*-Вг) і стає здатного виступати як електрофільний реагент.
На стадії І реакції атом галогену, який несе частковий позитивний заряд, вступає у взаємодію з л-електронами подвійного зв’язку, унаслідок чого утворюється л-комплекс:
н н б+ н н
ус=сС +Вг_>вг лтсС Н* *Н Н* і „ *н
о 5+
Вг
етилен л-комплекс
Потім у л-комплексі поступово відбувається гетероциклічний розрив зв’язку між атомами галогену з утворенням продукту приєднання, будова якого може бути показана рівновагою між іоном карбонію і циклічним іоном галогенонію;
Н Н Н ф н ;с=і=с£ Вг'+ н'"^с—с; Н* І % :Вг:.. ..А*Н Вг5+ І 8 Вг8' тг-комплекс іон карбонію н н - ;с\—/СГ н* *н циклічний іон бромонію
АЛКЕНИ
147
Стан рівноваги здебільшого зміщений убік циклічного іона галогенонію. Але якщо подвійний зв’язок алкену кон’югований з бензеновим ядром, здатним де-локалізовати позитивний заряд, продукт приєднання існує переважно у вигляді іона карбонію.
На стадії II реакції циклічний іон галогенонію піддається атаці негативним іоном галогену по атому Карбону з боку, протилежного до вже наявного галогену, з утворенням продукту /прйнс-приєднання:
Н Н...............
;С—С^"’ + ВГ
циклічний іон бромонію
Н Вг
С^н в/ *н
1,2-диброметан
Отже, приєднання галогенів до алкенів відбувається, як правило, стереоселек-тивно, тобто просторово вибірково.
У цілому механізм реакції галогенування алкенів можна зобразити таким чином:
алкен галоген
я:-комплекс циклічний
іон галогенонію
віцинальний дигалогеналкан
Ця реакція широко використовується у фармацевтичному аналізі для якісного і кількісного визначення сполук, що містять подвійний вуглець-вуглецевий зв ’язок.
Приєднання галогеноводнів (гідрогалогенування). Алкени приєднують галогено-водні за місцем розриву подвійного зв’язку, утворюючи галогеналкани:
Н2С=СН2 + НВг —► СН3—СН2—Вг
брометан
Реакція з НІ, НВг, НР перебігає при кімнатній температурі, взаємодії з НС1 потребне нагрівання.
Приєднання галогеноводнів до алкенів, як і приєднання галогенів, відбувається за гетеролітичним електрофільним механізмом. Спочатку електронодефіцитний 8+ 8—
атом Гідрогену молекули галогеноводню (Н -+-Х) атакує л-електрони подвійного зв’язку алкену з утворенням карбокатіона, який потім реагує з негативно зарядженим іоном галогену, утворюючи кінцевий продукт приєднання:
^с=с//
Г \
алкен
карбокатіон
галогеналкан
Реакційна здатність галогеноводнів з алкенами зростає в ряду:
НЕ < НС1 < НВг < НІ.
Приєднання галогеноводнів до несиметричних алкенів проходить регіоселек-тивно, тобто утворюється переважно один із двох можливих продуктів реакції.
Глава 10
148
Володимир Васильович МАРКОВНИКОВ (1837-1904)
Російський хімік-органік. Закінчив Казанський університет (1860) і за поданням О. М. Бутлерова був залишений при університеті лаборантом. Працював (1865—1867) у лабораторіях А. І. Ф. В. Байєра, Р. А. К. В. Ер-ленмейєра й А. В. Г. Кольбе. Наукові дослідження присвячені теоретичній органічній хімії, синтезу і нафтохімії. Сформулював (1869) правило напрямку реакцій заміщення, відщеплення, приєднання за подвійним зв’язком та ізомеризації залежно від хімічної будови (правило Марковникова). Відкрив (1883) новий клас органічних сполук — нафтени. Довів існування циклів, які містять від трьох до восьми атомів Карбону. Уперше вивчив перехід нафтенів до ароматичних вуглеводнів. Досліджував склад нафти, заклавши основи нафтохімії як науки.
Один із засновників Російського фізико-хімічного товариства (1868).
Так, у результаті приєднання НВг до пропену утворюється переважно 2-бромопропан, але не 1-бромопропан.
У 1869 році російський хімік Володимир Васильович Марковников установив закономірність, що визначає напрям приєднання галогеноводнів і споріднених з ними сполук (сульфатної кислоти, води в присутності мінеральних кислот) за місцем розриву подвійного зв'язку алкенів, яка отримала назву «правило Марковникова». Суть цього правила можна сформулювати таким чином:
при взаємодії галогеноводнів і споріднених з ними сполук з несиметричними алкенами атом Гідрогену приєднується за місцем розриву подвійного зв'язку до більш гідрогенізованого атома Карбону, тобто атома Карбону, який зв'язаний з більшою кількістю атомів Гідрогену.
СН3—С=СН2+ Н—Вг
СН3
2-метилпропен
Вг
І
—► сн3—с—сн3
сн3
2-бром-2-метилпропан
Такий напрям приєднання визначається поляризацією молекули несиметричного алкену в нереагуючому стані (статичний фактор) і відносною стійкістю карбокатіо-нів, які утворюються на першій стадії реакції (динамічний фактор). Вплив статичного фактора полягає в тому, що в нереагуючій молекулі несиметричного алкену внаслідок +/-ефекту і о,л-кон’югації з боку алкільних груп л-електронна густина подвійного зв’язку зміщена до більш гідрогенізованого ненаси-ченого атома Карбону. Це визначає найбільш імовірне місце приєднання протона:
✓'^5— 5+ 8—
сн3->с^=сн2 + н—Вг
3 І к 2
сн3
Вг
—► сн3—с—сн3
сн3
2-бром-2-метилпропан
Вплив динамічного фактора зумовлений тим, що з двох можливих варіантів приєднання протона до несиметричного алкену переважно реалізується той, при якому як проміжний продукт приєднання утворюється стійкіший карбокатіон. Більш стійкому карбокатіону відповідає перехідний стан з меншою енергією, а це
АЛКЕНИ
149
забезпечує вищу швидкість реакції. Делокалізація позитивного заряду, а отже, і стійкість карбокатіона зростають зі збільшенням кількості алкільних груп, тому третинні карбокатіони стійкіші за вторинні, а ті, у свою чергу, стійкіші за первинні (див. с. 118). Тому не важко помітити, що приєднання НВг до 2-метилпропену відбуватиметься переважно за напрямом а:
Вг
сн3—с=сн2
СН3
2-метилпропен
а
сн3
третинний карбокатіон
сн3—сн—сн2
сн3—с—сн3
сн3
2-бром-2-метилпропан
СН3—СН—СН2—Вг
З
З
сн3
первинний карбокатіон
сн3
1 -бром-2-метилпропан
Слід зазначити, що правило Марковникова виконується не завжди. Так, у присутності пероксидів приєднання бромоводнів до несиметричних алкенів відбувається за вільнорадикальним механізмом з орієнтацією всупереч правилу Марковникова:
Н2О2 + 2НВг —► 2Вг‘ + 2Н2О
. СН3—СН—СН2Вг СН3—СН2—СН2Вг + Вг'
сн-сн=сн2 — б . НВг
СН3—СНВг—СН2 СН3—СНВг—СН3 + Вг'
Радикал брому, який виник на першій стадії реакції, приєднується за місцем розриву подвійного зв’язку алкену до більш гідрогенізованого атома Карбону (напрям а), тому що при цьому утворюється стійкіший радикал. Останній атакує нову молекулу НВг з утворенням кінцевого продукту приєднання.
Приєднання концентрованої сульфатної кислоти. Приєднання сульфатної кислоти до алкенів здійснюється за іонним електрофільним механізмом аналогічно приєднанню галогеноводнів. Реакція підпорядковується правилу Марковникова і приводить до утворення моноалкілсульфатів — кислих естерів сульфатної кислоти:
СН3—СН=СН2 + Н28О4 (конц.) —► СН3—СН—СН3
О8О3Н
ізопропіловий естер сульфатної кислоти; ізопропілсульфат
При нагріванні з водою моноалкілсульфати гідролізуються, утворюючи спирти:
СН3—СН—СН3 + Н2О СН3—СН—СН3 + Н28О4
О8О3Н ОН
2-пропанол
У промисловості реакція застосовується для виробництва етилового та ізо-пропілового спиртів.
Глава 10
150
Приєднання води (гідратація). У присутності мінеральних кислот — сульфатної, нітратної, перхлоратної та інших — алкени приєднують воду за місцем розриву подвійного зв’язку. Реакція проходить відповідно до правила Марковникова і приводить до утворення спиртів: ОН н+ І
сн,—с=сн2 + нон сн,—с—сн,
І І
сн3 сн3
2-метилпропен 2-метил-2-пропанол;
АЛ^^-буТИЛОВИЙ спирт
Аналогічно приєднанню галогеноводнів гідратація алкенів здійснюється за іонним електрофільним механізмом з первісною атакою протона:
Н\ /Н
+б
:ОН
СЧ5- н+ + НОН І І ,
СН3—С=*=СН2 СН3— С—СН3 СН3— С—СН3 <=► СН,—С—СН3 + Н+
□ | д | д д । д д । д
СН3 сн3 сн3 сн3
Реакція використовується в промисловому синтезі спиртів.
Приєднання гіпогалогенових кислот (гіпогалогенування). Алкени приєднують за місцем розриву подвійного зв’язку гіпогалогенові кислоти (НОСІ, НОВг, НОІ) з утворенням галогеногідринів:
5— 6+
сн,—сн=сн, + носі —► сн3—сн—сн,—СІ □ З । х
он
пропен 1-хлор-2-пропанол;
пропіленхлорогідрин
Приєднання відбувається за електрофільним механізмом і за правилом Марковникова, тобто позитивно заряджений іон галогену направляється до більш гідрогенізованого атома Карбону при подвійному зв’язку.
Гіпогалогенування проводять дією на алкен водного розчину галогену. Гіпога-логенова кислота в цих умовах утворюється за реакцією:
С12 + Н2О —* НОСІ + НС1
10.5.2. РЕАКЦІЇ ВІДНОВЛЕННЯ ТА ОКИСНЕННЯ
Відновлення алкенів (гідрування). Алкени в присутності каталізаторів (тонко-здрібнені Рі, Реї або N1) приєднують за місцем розриву подвійного зв’язку водень, утворюючи алкани:
N1 сн3—СН=СН2 + н2 —► сн3—сн2—СН3 пропен пропан
Каталітичне гідрування в присутності паладію і платини здійснюється здебільшого вже при кімнатній температурі, використання нікелю потребує нагрівання. Ураховуючи велику вартість платини і паладію, відновлення алкенів у промис
АЛКЕНИ
151
ловості зазвичай проводять у присутності тонкоздрібненого нікелю при температурі 150-300 °С.
Окиснення алкенів. Алкени окиснюються досить легко. Напрям окиснювання залежить від природи окисника та умов проведення реакції.
Окиснення калій перманганатом (реакція Вагнера). Розведений розчин калій перманганату в нейтральному або слабколужному середовищі окиснює алкени до двохатомних спиртів (гліколей). При цьому знебарвлюється рожево-фіолетовий колір розчину калій перманганату і випадає коричневий осад манган(ІУ) оксиду:
ЗН2С=СН2 + 2КМпО4 + 4Н2О —►
етилен
—► ЗСН2—СН2 + 2КОН + 2МпО2|
ОН он
етиленгліколь
Ця реакція була відкрита 1888 року російським хіміком Єгором Єгоровичем Вагнером. Реакція Вагнера використовується у фармацевтичному аналізі для виявлення подвійного иуглець-вуглецевого зв ’язку.
Концентровані розчини калій перманганату окиснюють алкени з розривом подвійного зв’язку. Залежно від структури алкену як продукти окиснення утворюються кетони та альдегіди, причому останні окиснюються далі до карбонових кислот:
Єгор Єгорович ВАГНЕР (1849-1903)
Російський хімік-органік. Закінчив Казанський університет (1874). Основні наукові дослідження присвячені органічному синтезу. Разом з О. М. Зайцевим відкрив (1875) реакцію одержання вторинних і третинних спиртів дією на карбонільні сполуки цинку та алкілгалогенідів. Уточнив (1885) правило О. Н. Попова (окиснення кетонів). Відкрив (1888) реакцію окиснення органічних сполук, які містять етиленовий зв’язок, дією 1 %-вого розчину калій перманганату в лужному середовищі (реакція Вагнера). Установив будову і довів ненасичений характер ряду терпенів. Відкрив (1897) камфенове перегрупування першого роду (перегрупування Вагнера—Меєрвейна).
снзч
)с=сн—сн3 сн/
2-метил-2-бутен
КМпО4*
сн
сн
ацетон
ч
V—сн, нх
ацетальдегід
1'°'
СН3СООН
оцтова кислота
Озонування алкенів. Алкени легко окиснюються озоном. Реакція озонування перебігає за складним механізмом з утворенням продуктів приєднання озону за місцем розриву подвійного зв’язку, названих озонідами:
У-®
сн3—сн=сн2 + о3 —► сн3—сн сн2 хс/
пропен озонід
Глава 10
152
Багато озонідів вибухонебезпечні. При обробці цинком в оцтовій кислоті озо-ніди розкладаються, утворюючи карбонільні сполуки (2 моль альдегіду або 2 моль кетону, або ж 1 моль альдегіду та 1 моль кетону залежно від структури алкену):
,О О.
сн,—сні сн, г° * сн'с00н > сн —+ V—н + Н,0
.-V-.. ХН н7
озонід ацетальдегід формальдегід
Отримані карбонільні сполуки можуть бути ідентифіковані, що дозволяє використовувати реакцію озонування для визначення положення подвійного зв ’язку.
Оскільки озон реагує з алкенами кількісно (1 моль озону витрачається на 1 моль алкену), ця реакція може також застосовуватися для встановлення числа подвійних вуглець-вуглецевих зв ’язків у молекулі.
Окиснення алкенів киснем і пероксикислотами. Кисень повітря в присутності срібного каталізатора окиснює алкени при нагріванні з утворенням епоксидів:
2Н2С=СН2 + О2 -^ 300°С» 2Н2С—СН2
О
етилен етиленоксид;
епоксиетан
Реакція застосовується в промисловості для виробництва етиленоксиду (окси-рану).
Аналогічно алкени окиснюються пероксикислотами (реакція Прилєжаєва). Так, при обробці алкенів пероксибензойною кислотою утворюються епоксиди:
/V /Р
сн,—сн=сн2 + сйн,—с< —► сн,—сн—сн, + СЙН<—СГ
о—о—Н \о/ Х)Н
пропен пероксибензойна пропіленоксид бензойна кислота
кислота
Реакція вивчена 1909 року російським хіміком-органіком М. О. Прилєжає-вим.
10.5.3. ПОЛІМЕРИЗАЦІЯ АЛКЕНІВ
Полімеризацією називають процес сполучення одна з одною молекул низькомолекулярних речовин (мономерів) з утворенням високомолекулярних сполук (полімерів).
У реакцію полімеризації можуть вступати молекули одного і того ж мономера, а також молекули двох і більше різних мономерів.
Полімер, що складається з однакових мономерів, називається гомополімером, а полімер, до складу якого входять два і більше різних мономерів,— кополімером.
Реакцію, що веде до утворення кополімерів, називають реакцією кополімери-зації.
Полімеризація алкенів — це послідовне сполучення молекул алкену одна з одною внаслідок розриву подвійного зв’язку. У загальному вигляді полімеризацію алкенів можна виразити такою схемою:
АЛКЕНИ
153
мономер
полімер
Число повторюваних мономерних ланок п називають ступенем полімеризації.
Залежно від ступеня полімеризації з одного і того ж мономера можна одержати речовини з різними властивостями. Процес полімеризації здійснюється в присутності каталізаторів (ініціаторів) і включає три основні стадії: зародження ланцюга (ініціювання), зростання ланцюга, обрив ланцюга.
Залежно від структури вихідного мономера, природи ініціатора й умов реакції (температури, тиску) полімеризація алкенів може відбуватися за радикальним та іонним (катіонним) механізмами. Особливим типом полімеризації є полімеризація в присутності металорганічних сполук, яка отримала назву «координаційна полімеризація».
Вільнорадикальна полімеризація. За радикальним механізмом алкени по-лімеризуються в присутності пероксидних сполук, таких як ацетил пероксид О О 0 0
СН3—С—О—О—С—СН3, бензоїн пероксид С6Н5—С—О—О—(І—С6Н5 та інших, здатних при високому тиску і температурі розпадатися на вільні радикали. Ці вільні радикали потім приєднуються до алкену з утворенням нових радикалів. Далі відбувається послідовне приєднання інших молекул алкену. Активований ланцюг, який зростає, при радикальній полімеризації є вільним радикалом. Обрив ланцюга здійснюється найчастіше шляхом димеризації вільних радикалів. Механізм радикальної полімеризації етилену в присутності ацетил пероксиду можна зобразити такою схемою:
сн3— с—о—о—с—СН3 ► 2СН3— с—О*
3 II II 3 3
О о
о
Н2С=СН2 + СН3—С—О' —► СН3—С—О—СН2—СН2" (зародження ланцюга) О О
н,с=сн,
СН3—СОО—СН2—СН2* —------V
(л-1)Н,С=СН,
—► сн3—соо—сн2—сн2—сн2—сн;--------------
—► СН3—СОО-(-СН2—СН2-)^-СН2—СН2‘ (зростання ланцюга)
сн—соо-есн—сн^сн—сн; + 'СН—сн2-^сн—сн^оос—сн3 —►
сн3—СОО-ЄСН2—сн2-^-сн2—сн2
—► І (обрив ланцюга)
сн3—соо-есн2—сн2-^сн2—сн2
Таким способом у промисловості одержують поліетилен і поліпропілен високого тиску.
Глава 10
154
Катіонна полімеризація. Катіонна полімеризація алкенів ініціюється протонними кислотами або кислотами Льюїса (А1С13, ВР3 тощо). Реакційним центром полімерного ланцюга, який зростає, є карбокатіон. За іонним катіонним механізмом найлегше полімеризуються несиметрично побудовані алкени загальної формули К\
уС=СН2, з яких утворюються відносно стабільні проміжні карбокатіони. У про-к
мисловості цей метод застосовують для полімеризації ізобутилену:
сн3\ р|8-
3;с=*=сн2
н+ СН,\ +
—► 4С—СН3
(зародження ланцюга)
ізобутилен
снзЧ, +
/С—сн, /^тт / З
6_ сн3
.чКН І
иН2С—с—сн3
сн3
СН3‘
сн3
* сн,—с—сн,—с—сн,—с
3 І сн3
2 І сн3
2
сн3
сн3
СН3-
сн3
(зростання ланцюга)
п
сн—с—|-сн2—с—|-сн2—с —
сн3
3 І сн3
2 І сн3
п
сн3
сн3“
сн3
сн—с—І-сн—с—|-сн=с сн3
2 І сн3
(обрив ланцюга)
п
поліізобутилен
сн3
Координаційна полімеризація. Координаційна полімеризація алкенів — це досить складний процес, що проходить у присутності комплексних металорганічних каталізаторів. Ці каталізатори відкриті німецьким хіміком Карлом Циглером і модифіковані італійським хіміком Джуліо Натта (каталізатори Циглера—Натта).
Синтетичні полімери і захист навколишнього середовища
Полімерні матеріали широко використовуються в сучасному житті. Загальний щорічний обсяг їхнього виробництва досягає десятків мільйонів тонн! Учені, створивши надміцні і стійкі полімери, тепер зіштовхнулися з глобальною екологічною проблемою їхньої утилізації. Тонни відпрацьованої тари, пакувального матеріалу, виготовлених на основі полімерів, не піддаються руйнуванню в природі. Цей факт пояснюється відсутністю в бактеріях і грибах відповідних ферментів, які б розщеплювали синтетичні полімери. Створення біорозкладних полімерів (див с. 471) на основі безвідходних і безпечних для навколишнього середовища технологій — одне з найважливіших завдань, поставлених сьогодні перед хімічною наукою.
АЛКЕНИ
-------------------------------------------------------------------------- 155
Найбільш розповсюджений з них комплекс триетилалюмінію з титан хлоридом А1(С2Н5)з • ТіС14.
Механізм координаційної полімеризації досі точно не відомий, однак установлено, що утворення полімеру відбувається шляхом проникнення молекул алкену у зв’язок метал—Карбон полімерного ланцюга, який зростає.
Полімеризація алкенів у присутності каталізаторів Циглера—Натта дозволяє одержувати високомолекулярні полімери при відносно низьких тиску і температурі. Цей метод широко застосовують у промисловості для виробництва поліетилену і поліпропілену низького тиску.
Важлива особливість координаційної полімеризації — її стереохімічна спрямованість. При вільнорадикальній і катіонній полімеризації утворюється полімер нерегулярної будови, тобто з довільною стереохімічною конфігурацією. Такий полімер називають атактичним. Полімеризація алкенів з використанням каталізатора Циглера—Натта приводить до утворення стереорегулярного полімеру, що отримав назву «ізотактичний».
Просторова будова атактичного та ізотактичного поліпропіленів:
Н £Н3СН3^Н СНз^НН ^сн3 /сх /с\ /с\ /с\
сн2 сн2 сн2 сн2 сн2
СН, НСНз н сн. н сн, н
\ /с\ /с\ /с\ /с\ сн2 сн2 сн2 сн2 сн2
атактичний поліпропілен
ізотактичний поліпропілен
Ізотактичним полімерам порівняно з атакгичними властива велика міцність і вищі температури плавлення.
10.5.4. АЛІЛЬНЕ ГАЛОГЕНУВАННЯ АЛКЕНІВ
При дії на алкени галогенуючих реагентів (С12, М-бромосукцинімід тощо) у присутності ініціаторів процесу утворення вільних радикалів (пероксиди, температура, УФ-опромінювання) відбувається не приєднання галогену за місцем розриву подвійного зв’язку, а вільнорадикальне заміщення на галоген атома Гідрогену, що знаходиться при атомі Карбону в а-положенні до подвійного зв’язку (алільне положення). Так, при температурі 500—600°С пропен реагує з хлором, утворюючи алілхлорид:
н2с=сн—сн3 + сі2 ^)() ~600°с » Н2С=СН—СН2—СІ + НС1
пропен алілхлорид
Реакція використовується в промисловому синтезі гліцерину (див. с. 334).
Бромування алкенів за алільним положенням найчастіше здійснюється дією М-бромосукциніміду в присутності пероксидів:
Н2С=СН—СН2—К + Вг —роксиди > н2с=сн—сн—к+ н
Ь Вг Ь
ЬІ-бромосукцинімід сукцинімід
Алільне галогенування здійснюється за вільнорадикальним механізмом (див. с. 133) і включає стадію утворення алільного радикала. У результаті кон’югації
Глава 10
156
неспареного електрона з л-електронами подвійного зв’язку алільні радикали більш стійкі, ніж звичайні алкільні радикали:
н2с=сн—сн2 н2с—сн=сн2
Тому заміщення атома Гідрогену на атом галогену в алільному положенні алкенів відбувається легше, ніж в алканах.
10.6. ІДЕНТИФІКАЦІЯ АЛКЕНІВ
На відміну від алканів, алкени ідентифікують з використанням інструментальних та хімічних методів. Хімічні методи ґрунтуються на наявності в структурі алкенів реакційноздатного подвійного зв’язку. Зазвичай для доведення наявності подвійного зв’язку використовують реакцію взаємодії алкенів з розчином брому в хлороформі або тетрахлорометану (спостерігається знебарвлення розчинів брому) і реакцію окиснення розведеним розчином калій перманганату в нейтральному або лужному середовищі, так звана проба Байєра (спостерігається зникнення рожево-фіолетового забарвлення розчину калій перманганату). Проте ці реакції не є строго специфічними на подвійний зв’язок, тому для ідентифікації алкенів використовують комплекс даних, отриманих за допомогою хімічних і фізичних методів дослідження.
З фізичних методів широко застосовують ІЧ-, ПМР-спектроскопію і мас-спектрометрію. У ІЧ-спектрах алкенів присутня смуга поглинання в ділянці 1670—1640 см-1, зумовлена валентними коливаннями зв’язку С=С, і смуга в ділянці 3090—3010 см-1, яка відповідає валентним коливанням зв’язку С5#2—Н. Крім того, у спектрі також присутні смуги деформаційних коливань зв’язків С5рі—Н, що для цис-ізомеру виявляються на ділянці 720—650 см-1, /ирянс-ізомеру — 980—960 см-1.
ПМР-спектри алкенів характеризуються наявністю сигналів алкенових протонів при 5 = 4,5...6,0 млн-1.
Розпад алкенів при вимірюванні мас-спектрів — досить складний процес. Разом з тим найлегше відбувається алільне розщеплення молекулярного іона внаслідок утворення стабілізованого за рахунок полярного резонансу аліл-катіона:
[К-І-СН2—СН=СН2]+’ —► К. + СН2—(®=СН2
аліл-катіон
10.7. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Етилен Н2С=СН2. Безбарвний газ з дуже слабким запахом, малорозчинний у воді, горить яскравим коптячим полум’ям, з повітрям утворює вибухові суміші. У промисловості слугує сировиною для виробництва етанолу, етиленгліколю, ацетальдегіду, поліетилену тощо. Використовується як речовина, що сприяє дозріванню овочів і фруктів.
Пропілен Н2С=СН—СН3. Безбарвний газ зі слабким запахом. Широко вживається в промисловому органічному синтезі для одержання ізопропілового спирту, гліцерину, ацетону, поліпропілену та інших цінних органічних сполук.
Глава 11
АЛКАДІЄНИ
Алкадієнами називають аліфатичні вуглеводні, що містять два подвійні вуглецевуглецеві зв’язки.
Загальна формула алкадієнів С„Н2п_2.
Залежно від розташування подвійних зв’язків у молекулі розрізняють три основних типи алкадієнів:
> алкадієни з кумульованими подвійними зв ’язками (подвійні зв’язки розташовані біля одного атома Карбону) /С=С=С^. Такі сполуки називають аленами (за тривіальною назвою найпростішого представника цього ряду — алена Н2С=С=СН2);
> алкадієни з кон ’югованими подвійними зв ’язками (подвійні зв’язки розділені одним простим С—С-зв’язком) /С=С—С=С\;
> алкадієни з ізольованими подвійними зв ’язками (подвійні зв’язки розділені одним з \ । /
і більше зр -гібридизованими атомами Карбону) //С=С-(-С-)^-С=С\.
11.1. НОМЕНКЛАТУРА
Назви алкадієнів за номенклатурою ШРАС утворюють аналогічно алкенам. Наявність двох подвійних зв’язків позначають суфіксом -дієн з указівкою положення кожного з них у головному вуглецевому ланцюзі:
сн3—сн=сн—сн=сн2 сн3—сн=с=сн2 н2с=с—сн=сн2
сн3
1,3-пентадієн
1,2-бутадієн
2- метил-1,3-бутадієн
Для деяких алкадієнів використовують тривіальні і раціональні назви:
н2с=с—сн=сн2 н2с=сн—сн=сн2 н2с=сн—сн2—сн=сн2
X । £ £ II І
сн3
дивінілметан
11.2. БУДОВА АЛКАДІЄНІВ
У молекулі алкадієнів з кумульованою системою подвійних зв’язків атом Карбону, що утворює два подвійні зв’язки, знаходиться в стані ^-гібридизації, а сусідні з ним атоми Карбону — у 5р2-гібридизації (рис. 11.1, а). Ці три атоми Карбону
Глава 11
158
розташовані в просторі лінійно, а л-зв’язки знаходяться у двох взаємно перпендикулярних площинах. Чотири замісники при вуглецевих атомах у ^-гібридизації теж розташовані удвох взаємно перпендикулярних площинах (рис. 11.1, б).
2 2 н
Н.зр Зр зр
Г=С=С^
НХ
Рис. 11.1. Схема просторової будови аленів
Унаслідок такої просторової будови молекули аленів, в яких при кожному з атомів Карбону в зр2-гібридизації знаходяться різні замісники, є хіральними, а отже, для них можлива оптична ізомерія:
Н3С4 /Н
:с=с=сб
ьг сн3
н. *сн3
\с=с=с^
Н3С >н
енантіомери 1,3-диметилалену
Якщо подвійні зв’язки в молекулі розділені одним вуглець-вуглецевим о-зв’язком (алкадієни з кон ’югованими зв’язками), відбувається додаткове перекривання р-електронних хмар сусідніх я-зв’язків (л,л-кон’югація) і утворюється єдина я-електронна система, в якій л-електрони вже не належать окремим зв’язкам, а делокалізовані по всій системі (див. рис. 11.2).
Н 0,134 НМ/Н
С С 0,148 нм
/ \3 4 /
Н С=С
/0,134 нм\ н
Рис. 11.2. Схематичне зображення кон’югованої системи 1,3-бутадієну: а — геометрія молекули; б — перекривання р-АО; в — делокалізована л-МО
Перерозподіл електронної густини в молекулі приводить до укорочення а-зв’язку, розташованого між етиленовими групами, і супроводжується виділенням енергії, що сприяє підвищенню стабільності системи. Цю енергію називають енергією резонансу. Так, у молекулі 1,3-бутадієну довжина зв’язку С-2—С-3 становить 0,148 нм, тоді як довжина зв’язку С—С в етані дорівнює 0,154 нм. Енергія резонансу 1,3-бутадієну складає приблизно 15 кДж/моль.
За допомогою методу електронографії встановлено, що алкадієни з кон’юго-ваними зв’язками мають переважно трансоїдну конформацію (/пранс-розташування подвійних зв’язків відносно одинарного):
АЛКАДІЄНИ
159
Н Н
Н Н
Алкадієни з ізольованими подвійними зв’язками побудовані аналогічно алкенам.
Особливості будови алкадієнів різних типів позначаються на їх реакційній здатності. Зокрема, алкадієни з кумульованими та ізольованими зв’язками за хімічними властивостями в багатьох випадках нагадують алкени. Вони легко вступають у численні реакції приєднання, тільки в них бере участь не один, а два подвійні зв’язки. Алкадієни з кон’югованими подвійними зв’язками виявляють специфічні хімічні властивості.
11.3. АЛКАДІЄНИ З КОН’ЮГОВАНИМИ ЗВ’ЯЗКАМИ
11.3.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Для добування алкадієнів з кон’югованими зв’язками найчастіше застосовують дегідрування алканів і алкенів, дегідратацію діолів і ненасичених спиртів.
Каталітичне дегідрування алканів і алкенів. Метод широко використовують у промисловості для одержання 1,3-бутадієну (дивінілу) і 2-метил-1,3-бутадієну (ізопрену). Реакція проходить у присутності змішаного алюмохромового каталізатора Сг2О3/А12О3. Для отримання 1,3-бутадієну дегідруванню піддають бутан-бутенову фракцію нафти:
сн3—сн2—сн2—сн3 н2с=сн—сн2—сн3
650°С кат. * Н2С=СН_СН=СН2
1, 3-бутадієн
Для одержання ізопрену проводять дегідрування ізопентан-ізопентенової фракції нафти:
сн3—сн—сн2—сн3
сн3
сн3—сн—сн=сн2
сн3
550 °С, кат.
-Н2
н2с=с—сн=сн2
сн3
2-метил-1,3-бутадієн
Дегідратація діолів (гліколів). У присутності мінеральних кислот або алюміній оксиду 1,3- і 1,4-діоли відщеплюють воду з утворенням кон’югованих алкадієнів:
сн2—сн2—сн—сн3
он он
1,3-бугандіол
А1,Од 280°С
-2_;н о » н,с=сн—сн=сн2
1,3-бутадієн
Глава 11
160
Сергій Васильович ЛЕБЕДЄВ (1874-1934)
Радянський хімік. Закінчив Петербурзький університет (1900).
Основні наукові дослідження присвячені полімеризації, ізомеризації і гідрогенізації ненасичених сполук. Уперше (1910) одержав зразок синтетичного бутадієнового каучуку. Розробив (1926—1928) одностадійний промисловий спосіб одержання бутадієну з етилового спирту. Одержав (1928) синтетичний каучук полімеризацією бутадієну під дією металічного натрію. Розробив (1930) методи одержання гуми і гумотехнічних виробів.
З 1932 року за способом Лебедєва в СРСР почала створюватися вперше у світі промисловість синтетичного каучуку.
Дегідратація ненасичених спиртів. Спосіб має важливе промислове значення для добування 1,3-бутадієну та ізопрену.
1,3-Бутадієн одержують дегідратацією кротилового спирту:
СН3—СН=СН—СН2—ОН
кротиловий спирт
—► н2с=сн—сн=сн2
У 1928 році радянський хімік Сергій Васильович Лебедєв розробив одностадійний спосіб одержання 1,3-бутадієну з етилового спирту шляхом каталітичного дегідрування і дегідратації на змішаному цинк-алюмінієвому каталізаторі:
2СН3—СН2—ОН /|1О/Л'А>
—► Н2С=СН—СН=СН2 + 2Н2О + Н2
Реакція проходить через стадію утворення кротилового спирту.
Ізопрен одержують дегідратацією нена-сиченого спирту 2-метил-3-бутен-2-олу:
ОН
сн3—с—сн=сн2
сн3
---►
кат.
-Н2О
н2с=с—сн=сн2 сн3
11.3.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Для алкадієнів з кон’югованими зв’язками характерні реакції приєднання і полімеризації, властиві алкенам. Однак у хімічній поведінці 1,3-алкадієнів є і деякі особливості. По-перше, порівняно з алкенами кон ’юговані дієни виявляють вищу реакційну здатність. По-друге, у реакціях електрофільного приєднання найчастіше утворюються два продукти, з яких один є наслідком приєднання за місцем розриву подвійного зв’язку (1,2-приєднання), а другий — до кінців кон’югованої системи (1,4-приєднання). Співвідношення цих продуктів залежить від умов проведення реакції (температури, розчинника), а також природи електрофільного реагенту.
Гідрування. Водень у момент виділення зазвичай утворює з 1,3-алкадієнами продукти 1,4-приєднання:
АЛКАДІЄНИ
161
н2с=сн—сн=сн2
2СН3ОН + 2№
сн3—сн=сн—сн3
2-бутен
У присутності каталізаторів (N1, Рі) 1,3-алкадієни приєднують водень у 1,2-і 1,4-положення з утворенням відповідних алкенів, які піддаються подальшому гідруванню до алканів:
2Н2С=СН—СН=СН2 —
сн3—сн2—сн=сн2
1-бутен
Н2; кат.
► сн3—сн=сн—сн3
2-бутен
—► сн3—сн2—сн—сн3
бутан
Приєднання галогенів. Приєднання галогенів до кон’югованих дієнів приводить до утворення суміші продуктів 1,2- і 1,4-приєднання, склад якої залежить від природи галогену, структури дієнового вуглеводню та умов проведення реакції. Як правило, при підвищенні температури і переході від хлору до йоду зростає вихід продукту 1,4-приєднання. У процесі бромування 1,3-бутадієну при температурі -80°С утворюється переважно продукт 1,2-приєднання, а при 40°С — продукт 1,4-приєднання:
/ ,2-присднаііня
Н2С=СН—СН=СН2
+ Вг2
сн2—сн—сн=сн2 I I
Вг Вг
3,4-Дибром-1 -бутен
1,4-присднання
сн2—сн=сн—сн2
Вг Вг
1,4-дибром-2-бутен
Аналогічно алкенам приєднання галогенів до кон’югованих алкадієнів відбувається за іонним електрофільним механізмом. Особливість механізму полягає в тому, що електрофільна частинка завжди атакує кінцевий атом Карбону кон ’югованої системи, оскільки при цьому утворюється мезомерно стабілізований карбокатіон алільного типу, будову якого можна подати граничними структурами І і II. Подальша атака карбокатіона бромід-іоном приводить до утворення продуктів 1,2- (III) і 1,4-приєднання (IV).
н2с=сн—сн=сн2
Н2С=і=СН—сн=сн2
—Вг
8+ 5—
Вг->Вг
л-комплекс
сн2—сн—сн^=сн2 сн2—сн=£сн—сн2
Вг Вг
І.
II.
Глава 11
162
сн2—сн—сн=сн2
Вг Вг ПІ.
3,4-дибром-1 -бутен
сн,—сн=сн—сн,
І І IV.
Вг Вг
1,4-Дибром-2-бутен
Приєднання галогеноводнів. Як і у випадку галогенування, приєднання до кон’югованих дієнів галогеноводнів відбувається з утворенням продуктів 1,2- і 1,4-приєднання:
Н2С=СН—СН=СН2 Д2-
Отто Пауль Герман ДІЛЬС (1876-1954)
Німецький хімік-органік. Закінчив Берлінський університет (1899). Основний науковий напрям — структурна органічна хімія. Разом з К. Аль-дером вивчав (1911) азодикарбоновий естер, а потім відкрили (1928) дієно-вий синтез. Проводив роботи зі встановлення будови холестеролу і холевої кислоти.
Лауреат Нобелівської премії (1950, разом з К. Альдером).
сн3—сн—сн=сн2 +
3-хлор-1-бутен (1,2-адукт)
+ сн3—сн=сн—СН2—СІ
1-хлор-2-бутен (1,4-адукт)
Реакція Дільса—Альдера (дієновий синтез). Реакція Дільса—Альдера ґрунтується на взаємодії кон’югованих дієнів з дієнофілами — речовинами, які мають у своєму складі подвійний або потрійний вуглець-вуглецевий зв’язок. Особливо легко ця реакція перебігає з дієнофілами, що містять активований подвійний зв’язок, тобто коли подвійний зв’язок знаходиться в кон’югації з елекгроноакцепторною або електронодонорною групою (—СІЧ, —1ЧО2, —СНО, —СОК, —СООН, —СООК, —Наї, —ОК тощо).
У процесі реакції кон’юговані дієни приєднують дієнофіли в положення 1,4 з утворенням циклічних структур:
,сн2
НС.
^СН2
1,3-бутадієн
акролеїн (дієнофіл)
тетрагідробензойний альдегід;
3-циклогексенкарбальдегід
Реакція Дільса—Альдера перебігає за молекулярним механізмом, який характеризується синхронним процесом розриву та утворення зв’язків у реагентах. Ця
Х.1КАДІЄНИ
163
реакція належить до реакцій [4+2]-циклоприєднання, оскільки в ній беруть участь чотирьох-л-електронна система дієну і двох-л-електронна система дієнофілу. Реакція вперше була відкрита 1928 року німецькими хіміками Оттом Дільсом і Куртом Альдером. Дієновий синтез широко використовується для синтезу поліциклічних сполук, у тому числі при синтезі біологічно активних сполук складної будови.
Полімеризація. Важливою властивістю алкадієнів з кон’югованими зв’язками є їх схильність до полімеризації. Як ініціатори частіше застосовують органічні і неорганічні пероксиди, металорганічні сполуки, лужні метали. Утворення полімеру відбувається переважно за типом 1,4-приєднання:
«Н2С=СН—СН=СН2
1,3-бутадієн
—► -(-сн2—сн=сн—сн24т-
1,4-полібутадієн
При полімеризації заміщених дієнів 1,4-приєднання здійснюється за принципом «голова до хвоста»:
лН
с=с—сн=сн2
сн3
—► —сн2—с=сн—сн2-|-сн2—с=сн—сн2— • сн3 сн3
2
ізопрен
Реакції полімеризації кон’югованих дієнів широко використовують у виробництві синтетичного каучуку.
11.3.3. НАТУРАЛЬНИЙ І СИНТЕТИЧНИЙ КАУЧУК
Натуральний (природний) каучук. Одержують з латексу (молочний сік) тропічної рослини гевеї, яка росте переважно в Бразилії. Молочний сік, що виділяється при підсочуванні дерев, містить 20—60% каучуку, який осаджують додаванням мурашиної або оцтової кислоти.
За хімічною будовою натуральний каучук — це лінійний стереорегулярний полімер ізопрену (поліізопрен), який має ^і/с-конфігурацію ізопренових ланок:
Н3С Н Н3С П
___________________Г
ІСН2 снЛсн, СН2ті-СН, СН,-*—••
....... ' і ' =“
Н3С н
натуральний каучук; цнс-поліізопрен
Молекулярна маса натурального каучуку становить у середньому 100000— 150000.
У природі зустрічається також поліізопрен з ліранс-конфігурацією ізопренових ланок, який отримав назву «гутаперча»'.
Глава 11
164
Курт АЛЬДЕР (1902-1958)
сн3 сн3
-----------4---------
•< 4^ /С. /СН,;
:сн; с с і
-----.............
гутаперча;
/ирднс-поліізопрен
Німецький хімік-органік. Основна сфера наукових досліджень — органічний синтез. Вивчав (1926) азодикарбо-новий естер під керівництвом Дільса. Ця робота привела до відкриття ними (1928) однієї з найважливіших реакцій органічної хімії — дієнового синтезу. Установив можливість здійснення реакції, зворотної дієновому синтезу (ретро-дієновий розпад). Відкрив ен-синтез.
Лауреат Нобелівської премії (1950, разом з Дільсом).
Гутаперча, на відміну від натурального каучуку, не еластична.
Синтетичний каучук. Велика потреба промисловості в каучуку і відсутність у багатьох країнах природної сировини зумовили розробку синтетичних способів його добування.
Уперше в промисловому масштабі синтетичний каучук одержано 1932 року в колишньому СРСР полімеризацією 1,3-бутадієну в присутності металічного натрію (спосіб С. В. Лебедєва). Отриманий полімер містить приблизно 70% ланок 1,2-приєднання і 30% ланок 1,4-приєднання. Через невеликий вміст фрагментів 1,4-приєднання такий каучук поступається натуральному за своєю еластичністю. У наступні роки полімеризацією 1,3-бутадієну над металорганічними каталізаторами отриманий лінійний стерео-
регулярний бутадієновий каучук з ^мс-конфігурацією мономерних ланок, який за
властивостями не поступається натуральному:
-і-сщ ’снЛі-сн, сн,4сн\ СН.4- • І Хс=с\ Н /-С=СХ ХС=С-Х "І
Н Н Н Н Н Н
бутадієновий каучук; цис-полібутадієн
Нині промисловість виробляє багато видів синтетичних каучуків з різними властивостями. Так, полімеризацією ізопрену в присутності комплексних каталізаторів Циглера—Натта одержують ізопреновий каучук стереорегулярної будови, полімеризацією 2-хлор-1,3-бутадієну (хлоропрену) Н2С=СС1—СН=СН2 відповідно хлоропреновий каучук. Отримані також кополімери 1,3-бутадієну зі стиреном С6Н5—СН=СН2 (бутадієн-стиреновий каучук), з акрилонітрилом СН2=СН—СХ (бутадієн-нітрильний каучук) тощо.
Вулканізація каучуку. Для надання каучуку підвищеної міцності, еластичності, стійкості до змін температури і дії хімічних реагентів його піддають вулканізації. Процес вулканізації полягає в обробці каучуку сіркою при нагріванні. У результаті вулканізації відбувається поперечне зшивання лінійних молекул полімеру за рахунок утворення сульфідних містків. При цьому каучук перетворюється в еластичну масу, так звану ґуму.
АЛКАДІЄНИ
165
11.3.4. ІДЕНТИФІКАЦІЯ КОН’ЮГОВАНИХ ДІЄНІВ
Аналогічно алкенам наявність подвійних зв’язків у кон’югованих дієнів може бути доведена звичайними реакціями на кратний зв’язок (реакцією з бромом і реакцією з калій перманганатом). Якщо проба на кратний зв’язок позитивна, то ідентифікацію 1,3-дієнів проводять за утворенням кристалічних продуктів приєднання в реакції дієнового синтезу з ангідридом малеїнової кислоти при нагріванні:
,сн2 не
НС.
СН,
1,3-бутадієн
не
не
малеїновий ангідрид
цис-1,2,3,6-тетрагідрофталевий ангідрид
У ІЧ-спектрах кон’югованих дієнів, порівняно з алкенами, характерне зміщення смуги валентних коливань С=С-зв’язку в довгохвильову ділянку (1600— 1620 см-1) і збільшення її інтенсивності.
В УФ-спектрах кон’югованих дієнів спостерігається інтенсивне поглинання в ділянці 200—220 см-1.
ПМР-спектри дієнів не мають суттєвих відмінностей від спектрів алкенів.
11.3.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
1,3-Бутадієн (дивініл) Н2С=СН—СН=СН2. Безбарвний газ з характерним запахом, при 20°С існує переважно у вигляді /иранс-ізомеру. Добре розчиняється в етері і бензені, нерозчинний у воді. При температурі 420°С самозаймається. Використовується для виробництва синтетичних каучуків, пластиків, у синтезі аліциклічних сполук. СН3
2-Метил-1,3-бутадієн (ізопрен) Н2С=СН—С=СН2. Безбарвна рідина (т. кип. 34,1 °С). Не розчиняється у воді, добре розчинний у більшості вуглеводневих розчинників. У високих концентраціях виявляє наркотичну дію, у малих — подразнює слизові оболонки дихальних шляхів і очей. Ізопрен — основа багатьох природних сполук, таких як натуральний каучук, терпени, стероїди. Широко використовується в промисловості для одержання ізопренового каучуку, пахучих речовин, ліків.
< .,ава 12
АЛКІНИ
Алкінами називають аліфатичні вуглеводні, які містять потрійний вуглець-вуглецевий зв ’язок.
Загальна формула алкінів СлН2л_2.
Найпростішим представником цього ряду сполук є ацетилен С2Н2, тому часто алкіни називають ацетиленовими вуглеводнями.
Ацетилен відкрив Е. Деві (1836). Уперше його синтезував М. Бертло з вугілля і водню (1862).
Таблиця 12.1 Представники гомологічного ряду алкінів
Сполука Назва за номенклатурою
систематичною раціональною,
нс==сн Етин Ацетилен
нс==с—сн3 Пропін Метилацетилен
нс==с—сн2—сн3 1-Бутин Етилацетилен
сн3—с=с—сн3 2-Бутин Диметилацетилен
НСЕЕС—сн—сн3 сн3 З-МетиЛ-1-бутин Ізопроігілацетилен
12.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
За номенклатурою ШРАС назви алкінів утворюють від назв відповідних алканів, замінюючи суфікс -ан на -ин (-ін) з указівкою положення потрійного зв’язку в ланцюзі атомів Карбону (див. табл. 12.1). Нумерацію головного вуглецевого ланцюга починають з того кінця, до якого ближче розміщений потрійний зв’язок:
НС=СН
етин
5 4 3 2 1
сн3—с=сн сн3—сн—с=с—сн3
сн3
пропін 4-МЄТИЛ-2-ПЄНТИН
Поряд з номенклатурою ШРАС для найпростіших вуглеводнів часто застосовують раціональні назви. Відповідно до раціональної номенклатури, ацетиленові вуглеводні розглядають як похідні ацетилену, у молекулі якого атоми Гідрогену заміщені на вуглеводневі радикали:
НС=С±СН3
нс^сТс н-с 113 с н34с^с±с н3
мсі илацетилен
ніацетилен
диме гилацетилен
АЛКІНИ
167
Для першого представника гомологічного ряду алкінів збереглася тривіальна назва «ацетилен».
Назви вуглеводневих залишків (радикалів) алкінів утворюють шляхом додавання до назви вуглеводню суфікса -іл:
нс^с—
етиніл
З 2 1
сн3—с=с—
1-пропій іл
З 2 1
нс=с—сн2—
2-пропініл; пропаргіл
Для алкінів характерна структурна ізомерія, зумовлена різною структурою вуглецевого ланцюга (ізомерія ланцюга) і різним положенням потрійного зв’язку (ізомерія положення):
ізомери ланцюга
нс=с—сн2—сн2—сн3
нс^с—сн—сн
сн3
1 -пентин
З-метил- 1-бутин
сн3—Сн=С—сн2—сн3
2-пентин
ізомери положення
12.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Алкіни найчастіше одержують дегідрогалогенуванням дигалогенозаміщених алканів і алкілюванням ацетилену. Для добування ацетилену існує низка специфічних способів.
Дегідрогалогенування дигалогеналканів і галогеналкенів. Гемінальні дигалогеноза-міщені алканів (атоми галогену розташовані біля одного атома Карбону) і віцинальні дигалогеналкани (атоми галогену розташовані біля двох сусідніх атомів Карбону) у присутності спиртового розчину натрій або калій гідроксиду при нагріванні відщеплюють галогеноводень з утворенням алкінів:
Н Вг
СН—с—СН 2№ОН<САОН);' » СН—С=СН + 2МаВг + 2Н2О
Н Вг
1,1 -дибромопропан пропін
снз—СН—СН2 2№0Н(С^0Н>;' » сн с=сн + 2МаВг + 2Н2О
3 І І 2 3 2
Вг Вг
1,2-дибромопропан пропін
За аналогічних умов алкіни утворюють також і галогеналкени, які містять атом галогену при атомі Карбону з подвійним зв’язком:
Глава 12
168
СН3—С=СН2 -^°4<£хн<он>:' » Сн С=СН + N3(2! + н 0
□ । 2 3 2
СІ
2-хлоропропен пропін
Алкілювання ацетилену. Алкілюванням називають процес уведення алкільної групи в молекулу органічної сполуки. Цей спосіб дозволяє одержати з ацетилену його гомологи. Для цього спочатку дією на ацетилен натрій амідом КаКН2 у рідкому амоніаку або алкілмагнійгалогенідами (реактивами Гриньяра) в етері отримують натрій ацетиленід або алкінілмагнійгалогенід відповідно, які потім обробляють галогеналканом:
НС=СН X"; > НС=С\а СІ^а~Вг> НС=С—С2Н5
натрій 1-бутан
ацетиленід
нс=сн НС=СМ^1 > нс=с—сн
V І І І 12
етинілмагніййодид пропін
Добування ацетилену з метану (промисловий метод). При нагріванні метану до 1500 °С утворюється ацетилен:
2СН4 1500°с » НС=СН + ЗН2
Добування ацетилену з кальцій карбіду (промисловий метод). При взаємодії кальцій карбіду з водою утворюється ацетилен:
СаС2 + 2Н2О —► НС=СН| + Са(ОН)2|
Цим способом одержують основну кількість ацетилену, використовуваного для зварювальних робіт.
12.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За фізичними властивостями три перших представники гомологічного ряду алкінів за нормальних умов являють собою гази, далі ідуть рідини (С5—С15), а починаючи з вуглеводню складу С16Н30, алкіни — тверді речовини. Зміни температур плавлення і кипіння в гомологічному ряду алкінів підпорядковуються основним закономірностям, характерним для алканів і алкенів.
12.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Хімічні властивості алкінів зумовлені наявністю в їх структурі потрійного зв’язку (див. с. 44, 45). Атоми Карбону, зв’язані потрійним зв’язком, перебувають у стані др-гібридизації. Потрійний зв’язок — це поєднання одного о-зв’язку і двох л-зв’язків, розташованих у взаємно перпендикулярних площинах (рис. 12.1).
Отже, для алкінів, як і для сполук з подвійними зв’язками, характерні реакції електрофільного приєднання за рахунок розриву л-зв’язків. Ці реакції перебігають зазвичай у дві стадії. Після приєднання однієї молекули реагенту алкін
АЛКІНИ
169
180°
П. 106 НМ
н—С—с—н
-н—н-
0,120 нм
б
г д
Рис. 12.1. Будова молекули ацетилену: а — кулестрижнева модель; б — геометрія молекули; в — о-зв’язки; г — л-зв’язки; д — атомно-орбітальна модель
перетворюється в заміщений алкен, який може приєднувати за місцем розриву л-зв’язку другу молекулу реагенту. Проте внаслідок більшої електронегативності зр-гібридизованого атома Карбону порівняно з атомом Карбону в зр2-гібридизації л-зв’язки алкінів важче вступають у хімічну взаємодію з електрофільними реагентами, ніж л-зв’язок алкенів. Тому алкіни порівняно з алкенами дещо менш активні в реакціях електрофільного приєднання. Крім того, завдяки високій електронегативності атома Карбону в зр-гібридизації алкіни з кінцевим потрійним зв’язком В—С=С—Н виявляють слабку СН,-кислотність і здатні заміщувати атом Гідрогену на метали та інші групи. Нарешті, аналогічно алкенам алкіни вступають також у реакції окиснення, відновлення і полімеризації.
12.4.1. РЕАКЦІЇ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ПРИЄДНАННЯ (АЕ)
Найважливішими реакціями електрофільного приєднання в ряду алкінів є галогенування і гідрогалогенування.
Галогенування. Алкіни досить легко приєднують за місцем розриву потрійного зв’язку Хлор і Бром. У реакцію може вступати одна або дві молекули галогену. Унаслідок приєднання однієї молекули галогену утворюється переважно транс-дигалогеналкен. Приєднання другої молекули галогену відбувається важче. При цьому утворюється тетразаміщений алкан і спостерігається знебарвлення характерного кольору брому (якіснареакція на кратний зв’язок).
нс=с_сн3
Н. .Вг
/С=С\
Вг СН3
пропін
транс-1,2-дибромопропен
Вг Вг
Вг, І І
не—с—СН.
І І
Вг Вг
1,1,2,2-тетрабромопропан
Механізм реакції аналогічний галогенуванню алкенів (див. с. 146).
Глава 12
170
Гідрогалогенування. Алкіни можуть приєднувати одну або дві молекули галогеноводню (НС1, НВг) з утворенням відповідно моно-галогенозаміщених алкенів або гемінальних дигалогеналканів (обидва атоми галогену знаходяться при одному атомі Карбону). Приєднання відбувається за правилом Марков-никова:
Михайло Григорович КУЧЕРОВ (1850-1911)
Російський хімік-органік. Основні наукові праці присвячені розвитку органічного синтезу. Здійснив синтез (1873) дифенілу і його похідних. Досліджував (1875) умови перетворення бромистого вінілу в ацетилен. Відкрив (1881) реакцію каталітичної гідратації ацетиленових вуглеводнів з утворенням карбоніловмісних сполук. Реакція перетворення ацетилену в оцтовий альдегід у присутності солей Меркурію (реакція Кучерова) покладена в основу промислового добування оцтового альдегіду та оцтової кислоти.
Російським фізико-хімічним товариством була заснована (1915) премія імені М. Г. Кучерова для молодих хіміків-дослідників.
Гідратація {реакція Кучерова).
нс=с—сн3 н2с=с—сн3
Вг
пропін 2-бромопропен
Вг
І —► сн3—с—сн3
Вг
2,2-дибромопропан
За механізмом реакція аналогічна гідро-галогенуванню алкенів.
12.4.2. РЕАКЦІЇ НУКЛЕОФІЛЬНОГО ПРИЄДНАННЯ (АЛ)
Алкіни на відміну від алкенів вступають у реакції нуклеофільного приєднання (А^. Здатність алкінів взаємодіяти з нуклеофіль-ними реагентами пояснюється підвищеною електронегативністю зр-гібридизованого атома Карбону.
Нуклеофільним приєднанням (Лу) називають реакції приєднання, в яких атакуючою частинкою є нуклеофіл (див. с. 114, 246).
Алкіни в присутності каталізатора — солей
Меркурію(П) — взаємодіють з водою. Приєднання відбувається за правилом Марковникова. У результаті гідратації ацетилену утворюється ацетальдегід, а його гомологи утворюють кетони. Реакція гідратації алкінів відкрита 1881 року росій-
ським хіміком М. Г. Кучеровим.
Гідратація алкінів проходить через стадію утворення енолів — гідроксипохід-них вуглеводнів, які містять гідроксильну групу при атомі Карбону з подвійним зв’язком (див. с. 340). Такі сполуки нестійкі. У процесі утворення вони ізомеризуються в більш стабільні карбонільні сполуки — альдегіди або кетони. Ця закономірність була встановлена 1877 року російським хіміком О. П. Ельтековим і отримала назву «правило Ельтекова»:
Не2 Н нс=сн + нон -Е-л—
8-Е. Ч.сн-Н н,с=*=с< хн
/) сн3—СГ хн
енол
ацетальдегід
171
VI КІН И
нс=с—сн3 + нон пропін
н7с^с—сн, 2 4 6*1 8+
. чо<-н1
енол
сн,—с—сн,
3 II о
ацетон
Механізм реакції Кучерова:
+/Н
„ 8+»' 8+ НОН Н /О\
нс=сн + н§2+ нс^сн < " » + )с=С\ н <=►
Т Н8х ХН -н+
Н82*
я-комплекс
___► Н\г_г/0—Н н*м Н кето-енольна тР\с_с^°
Н§ ХН - н82+ {V Щ таутомерія ц/
ацетальдегід
Спочатку потрійний зв’язок активується внаслідок утворення л-комплексу з іонами Н§ , а потім відбувається нуклеофільне приєднання молекули води.
Реакцію Кучерова широко використовують у промисловості для добування апетальдегіду з ацетилену.
Вінілювання. Реакції приєднання за місцем розриву потрійного зв’язку алкінів, шо приводять до утворення сполук загальної формули Н2С=СН—X, називають реакціями вінілювання. Вінілювання алкінів відбувається за механізмом АІЧ і каталізується солями Меркурію(ІІ) або Купруму(І).
заміщені акрилонітрили
Вінілювання алкінів спиртами в присутності твердого калій гідроксиду вивчено 1887 року російським хіміком О. Є. Фаворським (реакція Фаворського).
нс=с—сн3 + с2н5он К0Н; н2с=с—сн3
пропін
ос2н5
2-етоксипропен
Глава 12
172
12.4.3. РЕАКЦІЇ ЗАМІЩЕННЯ
Реакції заміщення характерні для ацетилену та алкінів з кінцевим (термінальним) потрійним зв’язком В—С=СН.
Утворення ацетиленідів. Ацетилен та його гомологи з кінцевим потрійним зв’язком реагують з натрій амідом №МН2 у рідкому амоніаку, амоніачному розчині аргентум оксиду А§2О і купрум (І) хлориду СиСІ. У результаті взаємодії атом Гідрогену метанової групи =С—Н заміщується на метал і утворюються солі — ацетиленіди (алкініди).
НСЕЕСН ^ХНонН » А§—С=С—
аргентум ацетиленід
НС=С—СН3 —13,С|СІ * Си—С=С—СН3
купрум(І) метилацетиленід
~ №N4,; N11. (ж) + - _ _
нс=с—В -----------------► КаС=С—К
' натрій Я-ацетиленід;
натрій алкінід
Алкініди аргентуму являють собою осади білого кольору, а купруму(І) — червоно-бурого.
Реакції термінальних алкінів з розчинами амоніакатів аргентуму і купруму(І) є якісними на кінцевий потрійний зв’язок.
Аналогічно перебігає реакція з магнійорганічними сполуками (реактиви Гри-ньяра):
к—с=сн + с2н5—М§1 —► к—с=с— М§1 + С2Н6
алкінілмагнійгалогенід
Металічні похідні алкінів — високореакційноздатні сполуки. Вони легко вступають у реакцію нуклеофільного заміщення з галогеналканами (див. с. 168), взаємодіють з альдегідами і кетонами, утворюючи продукти приєднання по карбонільній групі:
сн — сн,
В—С=С—М§1 ----------2-----►
<рн3 ^Н3
-* В—С=С—(р—ОМ§І в—с=с—с—он
сн3 сн3
При дії хлоридної кислоти ацетиленіди розкладаються з виділенням вихідного алкіну:
В—С=СМа + НС1 —► В—С=С—Н + МаСІ
Цю реакцію застосовують для виділення алкінів у чистому вигляді із сумішей з іншими вуглеводнями.
АЛКІНИ
173
Заміщення атомів Гідрогену біля ^-гібридизованого атома Карбону в раду алкінів галогенами. Галогенування ацетилену та його термінальних гомологів здійснюють при дії галогенів у лужному середовищі:
нс=сн ВГ2І №ОН» вг—с=сн Вг,; №ОН>
брометин
Вг—С^С—Вг диброметин
12.4.4. РЕАКЦІЇ ОКИСНЕННЯ І ВІДНОВЛЕННЯ
Окиснення алкінів. Алкіни, подібно до алкенів, легко окиснюються. Як окисники використовують калій перманганат у нейтральному і лужному середовищах, озон, рутеній(УІП) оксид КиО4, селен(ГУ) оксид 8еО2 і под. При окиснюванні калій перманганатом у лужному середовищі або озоном відбувається розщеплення молекули алкінів за місцем розриву потрійного зв’язку й утворюються карбонові кислоти:
КМпО.; ОН“ сн3—сн2—( =с—сн3 ------------►
2-пентин
—► сн3—сн2—соон + сн3—СООН
пропанова кислота оцтова кислота
Алкіни з кінцевим потрійним зв’язком при окиснюванні в цих умовах утворюють карбонову кислоту і карбон(ГУ) оксид:
Олександр Павлович ЕЛЬТЕКОВ (1846-1894)
Російський хімік-органік. Закінчив Харківський університет (1868). Основні наукові праці присвячені дослідженню перетворень вуглеводнів і оксигеновмісних похідних — спиртів, етерів. Відкрив (1877) правило, відповідно до якого гідроксипохідні вуглеводнів, що містять гідроксильну групу при подвійному вуглець-вуглецевому зв’язку, необоротно перетворюються в ізомерні насичені альдегіди і кетони (правило Ельтекова). Розробив метод визначення будови ненасичених вуглеводнів. Відкрив (1878) реакцію одержання альдегідів і кетонів у результаті нагрівання відповідних а- та Р-дибромалканів з водою в присутності плюмбум оксиду (останню стадію називають перегрупуванням Ельтекова).
снз—сн2—( =( Н °з(ССІ4) > сн3—сн2—СООН + СО2І
1-бутин пропанова кислота
Під дією калій перманганату в нейтральному середовищі, рутеній(УІП) або селен(ГУ) оксиду алкіни окиснюються до а-дикетонів:
„ КМпО4; Н2О
к— (=с-К --------4 2 » к—с—с—К'
О О
а-дикетон
Відновлення алкінів. Алкіни в присутності каталізаторів Реї, Рї або N1 відновлюються з утворенням алканів. Процес гідрування здійснюється ступінчасто:
сн3—с=сн Н2<кат)» сн3—СН=СН2 н,(кат)>. СН3—сн2—сн3
пропін пропен пропан
Глава 12
174
Алкен, що утворюється як проміжний продукт, не удається виділити у вільному стані внаслідок швидкого перетворення в алкан. Проте при використанні паладію як каталізатора, частково дезактивованого солями Плюмбуму(П), процес відновлення зупиняється на стадії утворення алкену, причому водень приєднується в ^ис-положення:
сн-с=с-сн3Щ™^і Н>с=с<Н
Н3С сн
2-бутин цис-2-бутен
Олексій Євграфович ФАВОРСЬКИЙ (1860-1945)
Російський хімік-органік. Закінчив Петербурзький університет (1882).
Один із засновників хімії ацетиленових вуглеводнів. Сформулював закономірності перебігу процесів ізомеризації залежно від будови реагентів і умов реакції (правило Фаворського). Відкрив (1905) реакцію одержання третинних ацетиленових спиртів конденсацією ацетиленових вуглеводнів з карбонільними сполуками (реакція Фаворського). Розробив спосіб синтезу діоксану, уперше ним отриманого та описаного (1906). Першим запропонував синтез а-карбінолів ацетиленового ряду на основі кетонів, а також етерів і естерів на основі ацетилену і спиртів.
Творець наукової школи хіміків-органіків, лауреат Державної премії СРСР (1941).
При відновленні алкінів за допомогою натрію в рідкому амоніаку водень також приєднується селективно, але з утворенням /ир««с-ізомеру:
сн3—с=с—сн3
Нг(№; ІЧНД
Нч СН3
► )с=с< Н3С Н
2-бугин
/лрш/с-2-бутен
12.4.5. ДИМЕРИЗАЦІЯ, ТРИМЕРИЗАЦІЯ І ТЕТРАМЕРИЗАЦІЯ АЛКІНІВ
Ацетилен у присутності купрум(І) хлориду та амоній хлориду димеризується з утворенням вінілацетилену:
НС=СН + НС=СН ^*-нс=с—СН=СН2
вінілацетилен
Реакція має важливе промислове значення, тому що вінілацетилен використовують як проміжний продукт при виробництві синтетичгіих каучуків.
Ацетилен та його гомологи піддаються циклотримеризації.
При нагріванні ацетилену в присутності активованого вугілля утворюється бензен.
знс=сн
С(акт.) ; (
бензен
Алкіни при нагріванні в присутності комплексних нікельорганічних каталізаторів №(СО)2[(С6Н5)3Р]2 піддаються циклотримеризації з утворенням бензену і його заміщених:
АЛКІНИ
175
СН
ЗСН —С^СН
1,3,5 -триметилбензен
Ацетилен при нагріванні в присутності каталізатора нікол ціаніду піддається циклотетрамеризації з утворенням циклооктатетраєну:
циклооктатетраєн
12.5. ІДЕНТИФІКАЦІЯ АЛКІНІВ
Наявність кратного зв’язку в структурі алкінів, як і в алкенах, виявляють реакціями з розчином бром або калій перманганату (спостерігається зникнення характерного забарвлення). Щоб відрізнити алкіни з кінцевим потрійним зв’язком від алкенів, використовують реакцію утворення ацетиленідів. Доведенням наявності в сполуці групи =С—Н слугує утворення осаду з амоніачним розчином аргентум оксиду або купрум(І) хлориду (див. с. 172).
У ІЧ-спектрах алкінів з кінцевим потрійним зв’язком спостерігається смуга поглинання в ділянці 3300 см-1, яка характеризує валентні коливання угруповання =С—Н. Для несиметричних алкінів характерна слабоінтенсивна смуга поглинання в ділянці 2300—2100 см-1, що відповідає валентним коливанням потрійного вуглець-вуглецевого зв’язку. У симетричних алкінів К—С^С—К. аналогічна смуга в ІЧ-спектрі визначається дуже важко.
Алкіни подібно до алканів і алкенів поглинають УФ-випромінювання в ділянці нижче 200 нм.
У ПМР-спектрах алкінів сигнали протона при атомі Карбону з потрійним зв’язком (=С—Н) виявляються в ділянці 2,3-2,9 млн-1.
Розщеплення алкінів при одержанні мас-спектрів відбувається аналогічно алкенам.
12.6. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Ацетилен НС=СН. Безбарвний газ, без запаху, погано розчиняється у воді, горить яскравим, сильно кіптявим полум’ям, з повітрям утворює вибухові суміші. При згоранні ацетилену в кисні виділяється велика кількість тепла (температура полум’я досягає 3000°С). Це дозволяє використовувати ацетилен для автогенного зварювання та різання металів.
2С2Н2 + 5О2 —► 4СО2 + 2Н2О + 1300 кДж
Ацетилен — сировина для багатьох хімічних виробництв. У промисловості його використовують для добування ацетальдегіду і хлорвінілу Н2С=СН—СІ, з яких у подальшому добувають оцтову кислоту і поліхлорвініл відповідно.
Глава 12
176
Велику кількість ацетилену використовують у техніці для одержання вінілацетилену, який потім під дією хлороводню перетворюють на хлоропрен (2-хлор-1,3-бутадієн), а частковим гідруванням — на 1,3-бутадієн:
нс=с—сн=сн2
неї
н2с=с—сн=сн2 СІ
н2с=сн—сн=сн2
Хлоропрен і 1,3-бутадієн — це цінна вихідна сировина для виробництва синтетичного каучуку. Полімеризацією хлоропрену одержують хлоропреновий каучук, полімеризацією 1,3-бутадієну — бутадієновий каучук.
Ряд лікарських речовин стероїдної природи містить у своїй структурі потрійний зв’язок (местранол, прегнін тощо).
Глава 13
АЛІЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
Аліциклічними (від аліфатичні циклічні) називають вуглеводні, молекули яких містять один або кілька циклів неароматичного характеру.
13.1. КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА АЛІЦИКЛІЧНИХ ВУГЛЕВОДНІВ
Аліциклічні вуглеводні класифікують залежно від кількості циклів, їх величини і способу сполучення.
За числом циклів, які входять до складу молекули, аліциклічні вуглеводні поділяють на моно- і поліциклічні (бі-, трициклічні тощо).
У ряду моноциклічних аліцикличних сполук виділяють малі цикли (С3 і С4), звичайні (С5—С7), середні (С8—Сн) і макроцикли (12 і більше атомів Карбону).
Найбільш численна група в ряду аліцикличних вуглеводнів — моноциклічні сполуки. З метою спрощення написання структурних формул аліциклічні сполуки умовно зображують у вигляді геометричних структур (багатокутників).
СН, Н,С—СН2 „
/ \ 2 = А / \ = Г\
н2с—сн2 н2сх хсн2
сн2
Відповідно до правил ШРАС назви моноциклічних аліциклічних вуглеводнів утворюють від назв алканів з відповідною кількістю атомів Карбону, додаючи префікс цикло-:
циклопропан циклобутан циклопентан циклогексан
Положення замісників у кільці позначають за допомогою цифрових локантів. Нумерацію атомів Карбону циклу починають з атома, який має замісник і проводять таким чином, щоб інші атоми Карбону циклу, зв’язані з замісниками, одержали якомога менші номери. При наявності в циклі кратного зв’язку нумерацію починають з атомів Карбону, що утворюють кратний зв’язок.
сн3 1-етил-З-метилциклопентан Г/" ^СН, І4 21 І6 41 ^^СНз 1,2- ’ ' іс і илциклогексан 3-метилциклогексен
Глава 13
178
Структури, що складаються з двох і більше циклів, належать до поліциклічних (багатоядерних) вуглеводнів. Залежно від взаємного розташування циклів багатоядерні аліциклічні вуглеводні поділяють на такі основні групи:
— з ізольованими циклами, розділеними вуглець-вуглецевим ланцюгом;
— з циклами, безпосередньо зв’язаними простим (або подвійним) вуглець-вуглецевим зв’язком;
з циклами, що мають один спільний атом (спірани);
з циклами, що мають два спільних атоми (конденсовані системи);
з кількістю спільних атомів у циклі більше двох (місткові системи).
Для перших двох груп вуглеводнів у назвах використовують переважно раціональну номенклатуру:
циклопропілциклопентилметан
циклопропілциклопентан
Назву спіранової системи складають, додаючи префікс спіро- до назви вуглеводню з відповідною кількістю атомів Карбону. Між префіксом і назвою в квадратних дужках указують 0’ порядку зростання) кількість атомів Карбону, крім спільного, у кожному з циклів. Нумерацію починають з меншого циклу з найближчого до спільного (вузлового) атома Карбону.
спіро [3.4]октан
спіро [3.5]нонан
спіро[2.2]пентан
Назви конденсованих і місткових аліциклічних сполук утворюють, додаючи префікс біцикло- до назви вуглеводню з відповідним числом атомів Карбону. Між префіксом і назвою вуглеводню в квадратних дужках указують (у порядку убування) кількість атомів Карбону в кожнім із трьох ланцюгів, що з’єднують два третинних (вузлових) атоми Карбону (останні при цьому не враховують). Нумерацію атомів Карбону починають з одного з вузлових атомів і здійснюють таким чином, щоб спочатку був пронумерований самий довгий ланцюг, що сполучає вузлові атоми, потім коротший, а у випадку місткових систем на завершення нумерують най-коротший вуглецевий ланцюг — місток:
біцикло [3.2.0]гептан
біцикло [4.2.0]октан
біцикло[3.2.1]октан
Систематичні назви поліциклічних сполук складні, тому частіше використовують тривіальні назви:
АЛІЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
179
декалін;
біцикло[4.4.0]декан
сн3
В 7<Ьсн3 ^1хсн3 пінан;
2,6,6-трпмстил-біцикло [3.1.1 ]гептан
адамантан
Більш докладно в цій главі розглянуті циклоалкани.
13.2. ЦИКЛОАЛКАНИ. ІЗОМЕРІЯ
Циклоалкани (циклопарафіни, поліметини, циклани) — одноядерні насичені аліциклічні вуглеводні.
Загальна формула циклоалканів С„Н2и (п > 3).
Для циклоалканів характерна структурна, геометрична і оптична ізомерія.
Структурна ізомерія зумовлена:
розміром циклу
1,2-димс тплциклогексан
1,3-д и мс і ил циклогексан
1,4-ли ме тилциклогексан
структурою бокових ланцюгів
СН2—СН3
пропіл циклогексан
Геометрична ізомерія циклоалканів зв’язана з різним розташуванням замісників щодо площини циклу (див. с. 84):
СН3 СН3
транс-\ ,2-диметилциклопропан
цис-1,2-диметилциклопропан
Оптична ізомерія характерна для циклоалканів, молекули яких не мають площини симетрії (див. с. 85). Вона нерозривно зв’язана з геометричною ізомерією. Так, транс- 1,2-диметилциклопропан існує у вигляді пари енантіомерів:
Глава 13
180
енантіомери транс-1,2-диметилциклопропан
13.3. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Деякі циклоалкани (циклопропан, циклогексан та інші), а також їх гомологи входять до складу деяких видів нафти, з яких можуть бути виділені в чистому вигляді.
Існує ряд синтетичних методів добування циклоалканів.
Взаємодія оцсо-дигалогеналканів1 з металічним натрієм або цинком. Цей метод, який є внутрішньомолекулярним варіантом реакції Вюрца, дозволяє одержати три-, чотири- і п’ятичленні циклоалкани:
СН2—СН2—Вг
СН2—СН2—Вг
сн2—сн2
+ 2п —► | | + 2пВг,
сн2—СН2
1,4-Дибромобутан
циклобутан
Піроліз кальцієвих, барієвих або торієвих солей дикарбонових кислот. При пі-ролізі (сухій перегонці) кальцієвих, барієвих або торієвих солей дикарбонових кислот утворюються циклічні кетони, які потім відновлюють до відповідних циклоалканів:
О
СН2—СН2—
О СН2—СН2Ч -ні СН2—СН2Ч
>Са ^с^со*- । /С=0 । >СН2
(У ; сн2—сн/ 2° сн2—сн/
сн2—сн2—сґ^ хо
кальцій адипінат циклопентанон циклопентан
Кальцієві і барієві солі дикарбонових кислот утворюють з високими виходами тільки п’яти- і шестичленні цикли. Для одержання більших циклів використовують солі торію.
Реакції циклоприєднання. Циклоприєднанням називають процес сполучення двох або кількох ненасичених молекул з утворенням продукту циклічної будови. Залежно від кількості атомів, які беруть участь в утворенні циклу, розрізняють [2+1] -циклоприєднання, [2+2]-циклоприєднання і [4+2]-циклоприєднання.
Реакції циклоприєднання мають важливе значення для синтезу різних аліциклічних сполук.
Взаємодія алкенів з карбенами ([2+V]-циклоприєднання). Карбени є органічними радикалами (див. с. 289), що утворюються як проміжні продукти при розкладанні діазоалканів або дегідрогалогенуванні галогеналканів. При взаємодії карбенів з алкенами утворюються похідні циклопропану:
1 Останню літеру грецького алфавіту со (омега) використовують для позначення замісника, який
знаходиться на кінці вуглецевого ланцюга.
УІШИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
181
Н2С=Й=К
діазометан
□
СН3—СН=СН2 + :СН2
пропен
:СН2 + 1Ч2
карбен
сн2
/ \2
—► сн3—сн—сн2
метилциклопропан
Димеризація алкенів ([2+2]-циклоприєднання). Циклоприєднання двох молекул алкену відбувається тільки при УФ-опромінюванні (фотохімічно) і приводить до утворення циклобутану і його похідних:
СН2 СН2
II 2 + II 2
сн2 сн2
сн2—сн2
сн2—сн2
циклобутан
Реакція Дільса—Альдера (дієновий синтез). Реакція являє собою приєднання алкену до кон’югованого дієну (див. с. 162). Дієновий синтез належить до реакцій [4+2]-циклоприєднання і широко застосовується для одержання циклогексану і його похідних. Реакція проходить легко при кімнатній температурі або незначному нагріванні. Утворений циклоалкен відновлюють до циклоалкану:
Л2Н2 нс^
Х2Н2
1,3-бутадієн
циклогексен
СН3
Л2Н
НС^ СН2
І + 11
сн2
Сгі
сн3
2,4-гексадієн
циклогексан
3,6-диметил-1 -циклогексен 1,4-Диметилциклогексан
Електроциклічні реакції. Електроциклічною називають реакцію, в якій відбуваються утворення а-зв’язку між кінцями відкритої кон ’югованної системи молекули. До електроциклічних реакцій належать також зворотні процеси, тобто такі, що відбуваються з розривом п-зв’язку й утворенням кон’югованої системи. За допомогою електроциклічних реакцій замикання циклу, що ініціюються термічно або фотохімічно, добувають ненасичені та аліциклічні сполуки, які можуть бути відновлені до циклоалканів:
СН
НС^ ЧСН2
II 2
не ^сн2 сн
1,3,5-гексатриєн
сн нс^ ^сн2
І І 2 нс^ сн2 сн
1,3-циклогексадієн
[Н]
циклогексан
Глава 13
182
13. НІ ВПАСТИВОС
За звичайних умов циклопропан і циклобутан — газоподібні речовини, циклоалкани з розміром циклу від С5 до Сн — рідини, наступні представники — тверді речовини (табл. 13.1). Порівняно з відповідними алканами (див. табл. 9.3) циклоалкани мають дещо вищі температури кипіння і плавлення. Усі циклоалкани практично нерозчинні у воді.
Таблиця 13.1
Фізичні характеристики циклоалканів
Сполука Назва Температура, °С
плавлення кипіння
С3Н6 Циклопропан -127 -33
С4Н8 Метилциклопропан -177 0,7
С4Н8 Циклобутан -80 13
Циклопентан -93,8 49,3
^5^10 Метилциклобутан 149,3 36,8
с6н12 Циклогексан 6,5 80,7
с6н12 Метилциклопентан -142,2 71,9
С7Н14 Циклогептан -12 118
с8н16 Циклоокган 14 151
13.5. БУДОВА ЦИКЛОАЛКАНІВ
Аналогічно алканам у молекулах циклоалканів атоми Карбону знаходяться в стані 5р3-гібридизації. Але якщо молекули алканів мають значну гнучкість завдяки вільному обертанню навколо вуглець-вуглецевих зв’язків, то молекули циклоалканів, незважаючи на можливі конформаційні повороти, являють собою досить жорсткі утворення.
Для молекул циклоалканів, як і для алканів, характерні торсійне напруження (напруження Пітцера), пов’язане з взаємодією хімічних зв’язків у заслоненій або частково заслоненій конформації, і напруження Ван-дер-Ваальса, зумовлене взаємним відштовхуванням замісників при зближенні на відстань, близьку до суми їх вандерваальсових радіусів (див. с. 66, 87). Для деяких циклоалканів також характерне напруження, пов’язане з відхиленням валентних кутів між вуглець-вуглецевими зв’язками в циклі від нормального (тетраедричного) значення. Це напруження отримало назву «кутове напруження», або «напруга Байєра» (за ім’ям німецького хіміка-органіка Адольфа Байєра, який запропонував 1885 року теорію напруги циклів).
За цією теорією циклоалкани розглядалися як плоскі багатокутники.
Чинником, визначальним міцність циклу, вважалося напруження, викликане відхиленням внутрішніх валентних кутів між атомами Карбону в циклі від тетра-
АЛІЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
183
едричного кута 109° 28' у метані. Чим більше таке відхилення, тим вище напруження і менш стійкий цикл.
109° 28'
СН2
сн2
Н2СІ 60
Кутову напругу Ба-йєра оцінюють за допомогою валентного відхилення (а), яке припадає на один зв’язок (сторона кута). Для циклопропану валентне відхилення складає
а = (109°28' - 60°)/2 = 24°44', циклобутану - а4 = (109°28' - 90°)/2 = 9°44', циклопентану - а5 = (109°28' - 108°)/2 = 0°44' і т. д. Тричленний цикл менш стійкий, ніж чотиричленний, а той, у свою чергу, менш стійкий, ніж п’ятичленний цикл. Ці уявлення підтверджувалися наявним на той час експериментальним матеріалом. Але вже для шестичленного циклу експериментальні дані вступили в протиріччя з теорією. Шестичленні цикли (внутрішній кут 120°), які ма-
ють значне відхилення валентних кутів від тетраедричного, виявилися стійкішими від п’ятичленних, у яких внутрішні кути найближчі до тетраедричних.
Причиною невідповідності теорії Ба пера експериментальному матеріалові бую спілкове уявлення автора про плоску будову циклів. Насправді ж циклоалкани. ш
Кеннет Сенборн ПІТЦЕР (нар. 1914)
Американський хімік. Член Національної академії наук СІЛА (з 1949). Наукові праці присвячені квантовій хімії, хімічній термодинаміці і молекулярній спектроскопії. Розробив наближені методи розрахунку термодинамічних властивостей для парафінових і аліциклічних вуглеводнів. Установив, що потенційний бар’єр внутрішнього обертання молекули етану не дорівнює 0, як передбачалося раніше, а складає 3 ккал/моль. Висловив (1947) припущення, що циклопентан існує в складчастій конфігурації.
инятком циклопропану, не мають плоскої будови.
Просторова будова циклоалканів визначається різною конформаційною рухливістю атомів Карбону, що залежить від кількості ланок у циклі. Молекула будь-кого ииклоалкану прагне набути в просторі таку форму (конформацію), в якій сума кутового, торсіиного і вандерваальсового напружень була б мінімальною.
З усіх циклоалканів найжорсткішу структуру мають сполуки, які містять тричленний цикл. Оскільки відповідно до правил геометрії три точки завжди лежать в одній площині, тричленний цикл може мати тільки плоску будову. Атоми Гідрогену в такому циклі знаходяться в заслоненій конформації (див. рис. 13.1), що створює сильне торсійне напруження. Поворот навколо вуглець-вуглецевих зв’язків неможливий. Внутрішні валентні кути між зв’язками С—С у тричленному циклі сильно відхилені від тетраедричного значення (109° 28'), унаслідок чого
виникає велике кутове напруження.
Унаслідок взаємного відштовхування електронних хмар вуглець-вуглецевих зв’язків максимальна електронна густина орбіталей атомів Карбону, які перекри-
Глава 13
184
Рис. 13.1. Моделі молекули циклопропану: а — кулестрижнева; б — Драйдінга
Адольф Йоган Фрідріх Вільгельм фон БАЙЄР (1835-1917)
Німецький хімік-органік. Учився в Гейдельберзькому університеті в Р. В. Бунзена і Ф. А. Кекуле, а також у Берлінському університеті.
Наукові праці належать до синтетичної органічної хімії і стереохімії. Вивчив (1861 — 1864) будову і властивості сечової кислоти та продуктів її перетворень. Відкрив (1864) барбітурову кислоту і барбітурати. Увів (1866) у практику органічного синтезу метод відновлення органічних речовин цинковим пилом. Синтезував (1869) індол та його похідні, одержав (1870) піко-ліни і колідини. Відкрив (1879) індо-фенінову реакцію. Висунув (1885) теорію напруги циклів, що встановлює залежність міцності циклів від величини кутів між валентними зв’язками. Одержав (1886) терефталеву кислоту. Увів (1888) поняття про цис-транс-ізомерію. Експериментально (1888) довів ідентичність усіх вуглецевих атомів у бензені.
Засновник школи хіміків-органіків, лауреат Нобелівської премії (1905).
ваються, в тричленному циклі розташована не по прямій, що з’єднує центри зв’язуваних атомів, а за межами трикутника молекули (рис. 13.2).
Рис. 13.2. Схема утворення вуглець-вуглецевих зв’язків у молекулі циклопропану
Утворювані при цьому о-зв’язки відрізняються від звичайних о-зв’язків. Вони займають проміжне положення між о-і л-зв’язками. їх називають т-(грец. «тау») зв ’язками, або «банановими» зв візками. Незважаючи на те що перекривання за межами трикутника менш ефективне, утворення «бананових» зв’язків для молекули вигідний процес, оскільки в результаті цього кути між зв’язками, що теоретично мають становити 60°, збільшуються до 104°, що відповідно
знижує кутове напруження молекули.
Чотиричленний цикл, на відміну від тричленного, має все-таки незначну гнучкість. Внутрішні валентні кути в ньому менш спотворені, ніж у тричленному, а отже, і кутове напруження дещо нижче. Намагаючись зменшити торсійне напруження в чотиричленному циклі, один з атомів Карбону виступає з площини інших трьох атомів на кут 25—30°. Тому чотиричленний цикл не плоский, його просторова форма зображена на рис. 13.3, а.
БІЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
185
н
а б
Рис. 13.3. Просторова будова молекул: а — циклобутану; б — циклопентану
Ще більша гнучкість характерна для п’ятичленного циклу. На відміну від тричленного і чотиричленного, у п’ятичленному циклі практично відсутнє кутове напруження (відхилення внутрішніх валентних кутів від тетраедричного становить менше Г). Однак у плоскому п’ятичленному циклі зв’язки С—Н знаходяться в заслоненій конформації, що створює значне торсійне напруження в молекулі. Намагаючись зменшити торсійне напруження в п’ятичленному циклі, кожний з п’яти атомів Карбону по черзі виступає з площини, в якій розташовані чотири інших атоми Карбону. При цьому кільце начебто перебуває в безперервному хвилеподібному русі. Ця неплоска, осцилююча структура отримала назву «конверт» (рис. 13.3, б). Незважаючи на те що в конформації «конверт» дещо зростає кутове напруження, це повного мірою компенсується за рахунок зниження торсійного напруження молекули.
У шестичленном циклі, якщо уявити його плоским, внутрішні валентні кути мають дорівнювати 120°, що призвело б до значного кутового напруження. Крім того, у плоскій структурі з’являються взаємодії, пов’язані з заслоненням зв’язків С—Н (торсійне напруження). Уникнути кутового напруження шестичленний цикл може за умови його існування в неплоских конформаціях. Так, молекула циклогексану існує у вигляді двох крайніх конформацій — «крісло» і «ванна» («човен»), які легко переходять одна в одну (рис. 13.4).
Рис. 13.4. Конформації циклогексану: а — «крісло»; б — «ванна»
У зазначених конформаціях усі валентні кути тетраедричні, тому відсутнє кутове напруження. Стійкіша конформація «крісло», оскільки в ній усі атоми Гідрогену і Карбону перебувають у загальмованій конформації, що виключає торсійне напруження (рис. 13.5, о).
Глава 13
186
Рис. 13.5. Проекції Ньюмена конформацій циклогексану: а — «крісло»; б — «ванна»
У конформації «ванна» при атомах Карбону, розташованих у «основі ванни», атоми Гідрогену знаходяться в заслоненій конформації (рис. 13.5, б), що створює певне торсійне напруження. Ця конформація, будучи гнучкою структурою, може переходити в дещо більш стійку форму (з меншим заслоненням), яку називають лшс/п-конформацією (спотворена «ванна»):
конформація «ванна»
твіст -конформація
Енергія конформації «крісло» приблизно на 33 кДж/моль нижча за енергію конформації «ванна» і на 21 кДж/моль — за енергію тв/с/я-конформаці/. Тому за звичайних умов переважна частина молекул циклогексану (99,9%) існує в конформації «крісло», причому кільце зазнає безперервної інверсії, тобто в результаті обертання навколо вуглець-вуглецевих зв’язків одна конформація «крісло» переходить в іншу з проміжним утворенням конформації «ванна» і /пе/сти-конформації:
конформація «крісло»
конформація «ванна»
твіст-конформація
конформація «крісло»
Дві конформації «крісло» можуть взаємоперетворюватися також без проходження через конформацію «ванна».
Слід зазначити, що молекула циклогексану в конформації «крісло» має два типи зв’язків С—Н. Шість з них (по одному при кожному атомі Карбону) напрямлені паралельно осі симетрії поперемінно догори і додолу. Ці зв ’язки називають аксіальними і позначають символом а. Інші шість зв’язків С—Н напрямлені радіально, розміщуючись поблизу площини кільця. їх називають екваторіальними і позначають символом е.
Таким чином, кожен атом Карбону має один аксіальний, а другий — екваторіальний зв’язок С—Н. У процесі інверсії циклу аксіальні зв’язки стають екваторіальними і навпаки:
АЛІЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
187
Унаслідок високої частоти інверсії циклогексанового циклу (~ 100 000 разів за секунду при 25 °С) усі 12 атомів Гідрогену в ньому еквівалентні.
Для монозаміщеного циклогексану дві конформації «крісло» енергетично не рівноцінні. Більш стабільна є конформація з екваторіальним положенням замісника, тому більша частина молекул існує в цій конформації. Приблизно 95 % молекул метилциклогексану в рівноважній суміші мають екваторіальне положення метильної групи і лише близько 5 % — аксіальне:
Аксіальне положення замісника для молекули менш вигідне, тому що в цьому випадку виявляється взаємодія замісника з аксіально розташованими атомами Гідрогену в положеннях 3 і 5, що призводить до стеричного відштовхування.
За наявності в молекулі кількох замісників переважно утворюється конформація з максимально можливою кількістю груп в екваторіальному положенні.
13.6. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
У хімічному відношенні циклоалкани часто поводяться подібно до алканів. Для них характерні реакції заміщення, що перебігають за радикальним механізмом (5Я):
циклопропан
хлороциклопропан
бромоциклогексан
+ НВг
Циклоалкани з малими циклами (циклопропан і циклобутан) виявляють своєрідні хімічні властивості, пов’язані з особливістю їх будови (див. с. 183, 184). Через
Глава 13
188
велике кутове і торсійне напруження тричленний цикл і меншою мірою чотиричленний є нестійкими. Тому сполуки, що містять три- і чотиричленні цикли, поряд з реакціями заміщення вступають також у реакції приєднання, що супроводжуються розкриттям циклу. Циклопропан у присутності каталізаторів N1, Рі і нагріванні до 50 °С легко приєднують водень:
АН?; кат.; (
——сн3—сн2—сн3
циклопропан пропан
Циклобутан приєднує водень при вищій температурі (200°С).
Аналогічно відбувається реакція циклопропану з галогенами і галогеновод-нями:
Вг—СН2—СН2—СН2—Вг
— 1,3-дибромопропан
сн3—СН2—сн2—Вг
1-бромопропан
Приєднання галогеноводнів до алкілзаміщених циклопропану здійснюється за правилом Марковникова.
СН3 Вг
А + НВг —► сн3—сн2—сн—сн3
метилциклопропан 2-бромобутан
Циклобутан з галогеноводнями не реагує, а з галогенами вступає в реакцію заміщення 8К.
Для циклоалканів та їх похідних характерні реакції звуження та розширення циклів. Реакції перебігають у присутності каталізаторів кислот Льюїса:
СН2—СН3
А1С13; і
метилциклопентан
етилциклобутан
13.7. ІДЕНТИФІКАЦІЯ ЦИКЛОАЛКАНІВ
Унаслідок високої інертності циклоалканів (за винятком циклопропану, що виявляє ненасичений характер) для їх ідентифікації зазвичай не застосовують хімічні методи.
Циклоалкани, як і алкани, поглинають УФ-випромінювання в ділянці менше 200 нм, що дозволяє використовувати їх як розчинники для вимірювання електронних спектрів інших сполук.
ІЧ-спектри циклоалканів, крім циклопропану та його похідних, дуже схожі з ІЧ-спектрами алканів. У ІЧ-спектрах циклопропанового циклу є смуги поглинання в ділянці 1050 і 1000 см-1, які відповідають деформаційним коливанням кільця, та в ділянці 3100—3010 см-1, що характеризують валентні коливання зв’язків С—Н.
V1ШНКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ЦИКЛОАЛКАНИ
189
У ПМР-спектрах циклоалканів сигнали протонів циклу виявляються в тій же ділянці, що і в алканів. Деякі особливості має тричленний цикл, протони якого поглинають випромінювання в сильному полі (0,1—0,6 млн-1).
13.8. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Циклопропан. Безбарвний газ (т. кип. -34,5°С), добре розчинний в органічних розчинниках, погано розчиняється у воді. Легкозаймистий, суміші з киснем або нітроген(ІУ) оксидом вибухонебезпечні. Використовують у медичній практиці як засіб для інгаляційного наркозу.
Циклопентан. Безбарвна рідина (т. кип. 49,3 °С). Не розчиняється у воді, розчинний в органічних розчинниках, ефективний розчинник для естерів целюлози. Має наркотичну дію. Використовують в органічному синтезі. Циклопентанове кільце входить до складу важливих біологічно активних сполук — простагландинів (див. розд. 37.3.1).
Циклогексан. Безбарвна рідина (т. кип. 80,7°С), не розчиняється у воді, розчиняється в органічних розчинниках. Широко використовують як розчинник, а також як вихідну сировину для виробництва капролактаму та адипінової кислоти.
Адамантан. Безбарвна кристалічна речовина зі слабким запахом камфори. Температура плавлення становить 270 °С, але вже при кімнатній температурі кристали сублімуються. Уперше добутий з нафти 1933 року.
Молекула адамантану містить конденсовану систему, яка складається з трьох циклогексанових кілець, які мають конформацію «крісло». Просторове розташування атомів Карбону відповідає кристалічній решітці алмазу.
Деякі похідні адамантану застосуються в медичній практиці як лікарські засоби, що мають сильну противірусну дію.
1-Аміноадамантан гідрохлорид (мідантан). Використовують у медицині як препарат, що має противірусну дію (проти ИН -НС1 вФУсів грипу типу А2), а також для лікування хвороби Пар-2 кінсона.
1-(Г-Адамантил)етиламін гідрохлорид (ремантадин). Застосовують у медичній практиці як противірусний засіб.
СН—СН3-НС1 мн2
і лава 14
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
Термін «ароматичні» спочатку застосовували для органічних сполук, які або самі мали приємний запах, або ж виділялися з природних речовин із приємним запахом. Надалі назва збереглася за великою групою органічних сполук, які виявляють схожі з бензеном властивості.
До ароматичних вуглеводнів належать сполуки, молекули яких містять одне або кілька бензенових кілець.
Залежно від кількості бензенових циклів, які входять до складу молекули, розрізняють одноядерні (моноциклічні) і багатоядерні (поліциклічні) арени. Багатоядерні арени поділяють на арени з конденсованими циклами (анельовані) та арени з ізольованими циклами.
14.1. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ. БУДОВА БЕНЗЕНУ. АРОМАТИЧНІСТЬ
Найпростішим представником одноядерних ароматичних вуглеводнів є бен-зен* (бензол) С6Н6.
Уперше бензен був отриманий Майклом Фарадеєм 1825 року з конденсованих залишків світильного газу, який утворюється в процесі переробки кам’яного вугілля. Проте будова його молекули тривалий час залишалася для хіміків загадкою.
Незважаючи на те що формула С6Н6 передбачає досить виражений ненаси-чений характер, бензен, на відміну від ненасичених сполук, виявився відносно інертною речовиною. Так, він порівняно стійкий до нагрівання і дії окисників, практично не вступає в характерні для ненасичених сполук реакції приєднання. Навпаки, для бензену більш характерними виявилися не властиві ненасиченим сполукам реакції заміщення.
Сполуці складу С6Н6 приписувалися різні структурні формули, але всі вони не пояснювали повного мірою хімічні властивості бензену.
Важливим етапом у встановленні будови бензену стала висловлена німецьким хіміком Фрідріхом Августом Кекуле ідея про циклічну будову його молекули. У 1865 році він запропонував формулу у вигляді циклу із шести атомів Карбону з розташованими почергово простими і подвійними зв’язками. Ця формула відома в органічній хімії як формула Кекуле:
За пропозицією УНКоХіТерН (див. с. 26).
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
191
Формула Кекуле припускає рівноцінність усіх атомів Карбону в молекулі, що пізніше було підтверджено дослідженнями Альберта Ладенбурга (1874) і Едуарда Вроблевського (1878).
Разом з тим відповідно до формули Кекуле бензен повинен мати два 1,2-дизаміщених ізомери:
Майкл ФАРАДЕЙ (1791-1867)
Але експериментально було встановлено, що 1,2-дизаміщені бензени не мають ізомерів положення, тобто вони існують у вигляді однієї речовини.
На пояснення цього протиріччя 1872 року Кекуле висунув осциляційну гіпотезу, згідно з якою три подвійні зв’язки в молекулі бен-зену не фіксовані, а безперервно переміщаються (осцилюють) між двома можливими положеннями:
Правильно відображаючи деякі властивості бензену, формула Кекуле все ж таки не узгоджувалася з низкою встановлених фактів. Як і раніше, залишалося незрозумілим, чому за наявності в молекулі трьох подвійних зв’язків бензен виявляє значну інертність у реакціях приєднання і надто більш
Англійський фізик і хімік, член Лондонського королівського товариства (з 1824). Навчався самостійно. Наукові дослідження почав у галузі хімії. Відкрив (1825) бензен, ізобутилен. Одержав (1826) а- і 0-наф-таленсульфокислоти та їх солі. Поклав початок (1826) дослідженням натурального каучуку. Один з перших вивчав каталітичні реакції. Уперше одержав (1828) етилсульфатну кислоту при взаємодії етилену із сульфатною кислотою. Установив (1833) кількісні закони електролізу. Величезні його заслуги в галузі фізики. Проводив дослідження з електромагнетизму. Творець учення про електромагнітне поле. Увів поняття «діелектрична проникність».
схильний до реакцій заміщення, чому він стійкий до нагрівання і дії окисників. Усе це змушувало хіміків переглядати структури бензену.
Сновидіння Кекуле
Упродовж майже ЗО років хіміки намагалися розгадати будову сполуки складу С6Н6. Моменти творчого прозріння іноді приходять уві сні. Фрідріх Кекуле (див. с. 22) під час роботи над підручником (1861) несподівано задрімав. Йому приснилися ланцюжки атомів Карбону, що перепліталися і скручувалися, як змійки. Раптом голова однієї змії схопила свій власний хвіст і утворила замкнене кільце. Згодом Кекуле висловив (1865) ідею про циклічну будову молекули.
У своїй імпровізованій промові на святкуванні 25-ї річниці, присвяченій праці з циклічної структури бензену, він уперше повідомив про своє сновидіння і підсумував: «Давайте вчитися спати, і, можливо, тоді ми дізнаємося правду. Але при цьому давайте остерігатися опубліковувати наші сновидіння, поки вони не будуть перевірені розбудженим розумом».
Глава 14
192
За сучасними уявленнями, що ґрунтуються на даних квантової хімії і фізико-хімічних досліджень, молекула бензену є правильним плоским шестикутником. Усі атоми Карбону знаходяться в стані ^-гібридизації. Кожен атом Карбону утворює три о-зв’язки (один С—Н і два С—С), які лежать в одній площині під кутом 120° один до одного (рис. 14.1, а) і надає одну р-орбіталь для утворення замкненої кон’югованої системи, електронна густина якої рівномірно розподілена (делокалізована) між атомами Карбону і сконцентрована в основному над і під площиною о-скелета молекули (рис. 14.1, б).
Рис. 14.1. Схема утворення о-зв’язків (а) і замкненої я-електронної системи (б) у молекулі бензену
Утворення замкненої кон’югованої системи (ароматичного секстету) для молекули бензену енергетично вигідний процес. Експериментально встановлено, що кон’югація в циклі приводить до зменшення енергії на 150,7 кДж/моль, тобто реально бензен виявився на 150,7 кДж/моль стабільнішим, ніж це можна було припустити, виходячи з формули Кекуле. Різниця енергій реального стану молекули бензену і розрахованої для гіпотетичної структури — 1,3,5-циклогексатриєну {енергія резонансу) і є причиною високої стійкості молекули.
З позицій теорії молекулярних орбіталей при перекриванні шести р-атомних орбіталей утворюється шість л-молекулярних орбіталей, з яких три — зв’язуючі, а три — антизв’язуючі л-МО. Кожна МО характеризується певною енергією і може бути заповнена двома електронами з антипаралельними спінами. В основному стані шість л-електронів займають три зв’язуючі л-МО, які мають нижчу енергію. Високоенергетичні антизв’язуючі л*-МО залишаються незаповненими (рис. 14.2).
Підвищена стійкість молекули бензену визначається енергією нижчої л,-МО, в якій л-електронна хмара охоплює всі атоми Карбону циклу (рис. 14.2). Унаслідок кон’югації всі вуглець-вуглецеві зв’язки в молекулі бензену вирівняні.
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
193
Антив’язуючі л*-МО
Рис. 14.2. Енергетичні рівні шести тг-молекулярних орбіталей бензену і схематичне зображення трьох зв’язуючих тг-МО (т^, тг2 і л3)
Таким чином, у бензеновому кільці немає простих і подвійних зв’язків. На кожен вуглець-вуглецевий зв’язок, окрім двох о-електронів, припадає електронна густина одного л-електрона. Такий зв ’язок називають ароматичним. Якщо довжина простого зв’язку С—С в алканах становить 0,154 нм, довжина подвійного зв’язку в алкенах — 0,134 нм, то довжина вуглець-вуглецевого зв’язку в молекулі бензену дорівнює 0,139 нм, тобто є проміжною між довжиною одинарного і подвійного зв’язків.
Делокалізація л-електронної густини і вирівняність зв’язків у бензеновому кільці графічно зображуються у вигляді кола всередині правильного шестикутника:
Однак поряд з таким зображенням у хімії широко використовується і формула Кекуле, яка особливо зручна для опису механізмів реакцій. Але, застосовуючи формулу Кекуле, необхідно пам’ятати, що л-елекгронна густина в бензеновому кільці делокалізована, а зв’язки між атомами Карбону вирівняні.
Сукупність специфічних властивостей бензену, а саме висока стабільність, інертність у реакціях приєднання і схильність до реакцій заміщення отримала загальну назву «ароматичність», або «ароматичні властивості».
У 1931 році німецький учений Еріх Гюккель на підставі квантово-хімічних розрахунків за допомогою методу МО сформулював правило стабільності циклічних
Глава 14
194
кон’югованих систем, що являє собою теоретично обґрунтований метод, який дозволяє передбачити, буде циклічна кон’югована система ароматичною чи ні.
Відповідно до правила Гюккеля критерієм ароматичності органічної сполуки є наявність у її структурі плоского циклу, який містить замкнену кон ’юговану систему, що включає (4п +2) п-електронів, де п = 0, 1, 2, 3 і т. д.
До найбільш розповсюджених ароматичних систем, які містять шість л-електронів (п = 1), належать бензен та його похідні. Правило Гюккеля застосовують і до систем з конденсованими ядрами, таких як нафтален, антрацен і фенантрен:
нафтален Юл-електронів (п = 2)
антрацен 14л-електронів (и = 3)
фенантрен 14л-електронів (* = з5
14.2. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
За замісниковою номенклатурою І і/РАС одноядерні арени розглядають як продукти заміщення бензену: метилбензен, етилбензен, вінілбензен і т. д. За наявності в бензеновому кільці двох і більше замісників їх положення вказують цифрами. Нумерацію атомів Карбону бензенового кільця здійснюють так, щоб замісники мали якомога менші номери. У дизаміщених бензену положення замісників поряд із цифровими локантами відображають також позначеннями: орто- (о-) положення — 1,2; мета- (м-) положення — 1,3 і пара- (п-) положення — 1,4.
Окрім систематичних назв, у ряду одноядерних аренів збереглися і тривіальні назви', толуен, ксилен, кумен тощо. Нижче наведені деякі представники аренів (тривіальні назви подано в дужках):
ЄН;
і юі і роніл бензен (кумен)
вінілбензен (стирен)
меінл бензен (толуен)
2-е гил -1,4-ли метилбензен
1,3,5 -три м от и л бензен (мезитилен)
1,2-ди метилбензен 1-і юп роп іл-4-м етил бензен
(о-ксилен) (цимен)
Іноді моноциклічні ароматичні вуглеводні розглядають як похідні якогось іншого вуглеводню, що має тривіальну назву, — толуену, стирену тощо:
ХРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
195
3-^ І і толуен
Загальна назва одновалентних радикалів ароматичних вуглеводнів — арили (Аг).
Двовалентний радикал бензену називають феніленом'.
о-фенілен м-фенілен «-фенілен
Вищі гомологи бензену найчастіше розглядають як похідні аліфатичних вуглеводнів, що містять як замісник бензенове ядро:
сн3—сн2—сн—сн2—сн—сн3
2-меіи і-4-фсі 11 ігексан
/ іомерія гомологів бензену зумовлена різною будовою, положенням і кількістю замісників у бензеновому кільці.
Однозаміщені гомологи бензену не мають ізомерів положення, оскільки всі атоми Карбону в бензеновому кільці рівноцінні. Разом з тим для них характерна ізомерія, яка пов ’язана з різною структурою замісника:
Дизаміщені бензени існують у трьох ізомерних формах, які мають різне положення замісників у бензеновому кільці (ізомери положення):
СН. СН. СН,
1,2-диметилбензен; о-ксилен
1,3- \ гти тбензен; лі-ксилен
сн,
1,4-ти мсти [бензен;
л-ксилен
Глава 14
196
Тризаміщені бензени з однаковими замісниками в бензеновому кільці також мають три ізомери положення:
1,2,3-триметилбензен
1,2,4-триметил бензен
1,3,5-тримстил бензен; мезитилен
Для гомологів бензену також характерна ізомерія, зумовлена різною кількістю замісників у бензеновому кільці:
е піл бензен
о-лиме гил бензен; о-ксилен
14.3. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
14.3.1. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА
Основними природними джерелами ароматичних вуглеводнів є нафта і кам’яне вугілля.
Добування з нафти. У сирій нафті міститься невелика кількість ароматичних вуглеводнів. Тому з метою збільшення їх масової частки нафту піддають так званій ароматизації, тобто нагрівають при високій температурі та тиску в присутності каталізаторів. При цьому відбуваються процеси дегідрування, ізомеризації і циклізації. Нижче наведено схеми деяких типових реакцій:
ф 300°С;И > 0 +ЗН2
циклогексан бензен
сн3
СН3СН2СН2СН2СН2СН2СН3 500°С; » |^] + 4Н2
гептан толуен
сн3
X /СН.
500°С; Сг,О,/А1,О, Ґ' 7г
сн3сн2сн2сн2сн2сн2сн2сн3 ---------- 2 2 2 3» Г І] +4Н2
октан о-ксилен
Після ароматизації вихідна сировина, яка містила близько 10% аренів і 65% алканів, перетворюється в продукт, що включає 50—65 % аренів.
АРОМАТИЧНІ вуглеводні, одноядерні арени
197
Важливий внесок у вивчення процесів, які перебігають при ароматизації нафти, зробили відомі вчені Микола Дмитрович Зелінський, Борис Олександрович Казанський, Альфред Феліксович Плате та ін.
Добування з кам’яного вугілля. При нагріванні кам’яного вугілля без доступу повітря до 1000—1300°С утворюється кокс, коксовий газ і кам’яновугільна смола. Уїм3 коксового газу міститься близько ЗО г бензену і 10 г толуену. Кам’яновугільна смола — складна суміш органічних сполук. Піддаючи її фракційній перегонці, одержують одноядерні ароматичні вуглеводні (бензен, толуен, кси-лени), багатоядерні арени (нафтален, антрацен). феноли, гетероциклічні сполуки тощо. Усього з кам’яновугільної смоли виділено понад 120 індивідуальних речовин.
14.3.2. СИНТЕТИЧНІ МЕТОДИ ДОБУВАННЯ
Циклотримеризація алкінів. При нагріванні в присутності активованого вугілля або комплексних нікельорганічних каталізаторів алкіни утворюють бензен та його гомологи (див. с. 174).
Еріх Арманд Артур Йозеф ГЮККЕЛЬ (1896-1980)
Німецький фізик і хімік-теоретик. Учень П. Й. В. Дебая.
Основний науковий напрям — розробка квантово-хімічних методів вивчення будови молекул. Пояснив (1929—1930) природу зв’язку в ненасичених і ароматичних сполуках. Висунув (1930) пояснення стійкості ароматичного секстету на основі методу молекулярних орбіталей (правило Гюккеля).
Взаємодія суміші алкіл- і арилгалогенідів з металічним натрієм (реакція Вюрца—
Фіттіга). При обробці металічним натрієм суміші галогеналканів і галогенаренів
утворюються гомологи бензену:
бромобензен
Вг
+ 2№ + Вг—С2Н5
брометан
+ 2№Вг
Ця реакція — окремий випадок реакції Вюрца стосовно аренів. Як побічні продукти в процесі реакції Вюрца—Фіттіга утворюються алкани, а також дифеніл та його гомологи:
Вг + 2№ —►
+ 2№Вг
дифеніл
2СН3—СН2—Вг + 21Ча —► СН3—СН2—СН2—СН3 + 2№Вг бутан
Алкілювання ароматичних вуглеводнів за Фріделем—Крафтсом. Реакція Фріделя— Крафтса (1887) є загальним методом добування гомологів бензену і Грунтується на взаємодії ароматичних вуглеводнів з алкілюючими агентами — галогеналканами, алкенами і спиртами (див. алкілювання за Фріделем—Крафтсом, с. 202).
Глава 14
198
14. чиї ВЛАСТИВОСТІ:
За звичайних умов бензен і нижчі члени гомологічного ряду є рідинами, які мають сильний специфічний запах (табл. 14.1).
Таблиця 14.1
Фізичні характеристики нижчих гомологів бензену
Сполука Температура, °С ,2° «4
плавлення кипіння
Бензен 5,5 80,1 0,8790
Толуен “95,0 110,6 0,8669
о-Ксилен “25,0 144,4 0,8802
ти-Ксилен 47,9 139,1 0,8641
л-Ксилен 13,3 138,4 0,8610
Кумен “96,0 152,4 0,8618
Мезитилен -44,7 164,7 0,8651
л-Цимен “67,9 177,1 0,8573
Стирен “30,6 145,2 0,9060
Усі ароматичні вуглеводні нерозчинні у воді і добре розчиняються в органічних розчинниках. Багато з них найкращі розчинники для інших органічних речовин. Через високий вміст вуглецю ароматичні вуглеводні горять сильно коптявим полум’ям. Бензен дуже отруйний. Тривале вдихання його парів викликає лейкемію.
14.5. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність бензену і його гомологів визначається переважно наявністю в структурі замкненої л-електронної системи, яка є зоною підвищеної електронної густини молекули і здатна притягати позитивно заряджені частинки — елек-трофіли. Тому ароматичні вуглеводні, як і алкени, мають нуклеофільний характер. Однак арени, на відміну від ненасичених сполук, при взаємодії з електрофільними реагентами більш схильні не до реакцій приєднання, а до реакцій заміщення, оскільки при цьому зберігається їх ароматична система. Ці реакції називають реакціями е.іектрофільїіогп заміщення
Реакції приєднання для аренів менш характерні, тому що вони призводять до порушення ароматичності. Дуже важко вступають ароматичні вуглеводні і в реакції окиснення.
14.5.1. РЕАКЦІЇ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ (5£)
Бензен і його гомологи порівняно легко вступають у реакції електрофільного заміщення. Електрофільна частинка, що атакує л-електронну систему бензенового кільця, може бути представлена позитивно зарядженим іоном Е+ або частиною
ХРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
199
8+ 8-
нейтральної молекули, яка має центр зі зниженою електронною густиною Е -►X (див. с. 115). Утворення електрофільних частинок для участі в реакції можливе різними способами — під дією л-електронної системи бензенового кільця, каталізатора, розчинника тощо.
Незважаючи на велике різноманіття електрофільних реагентів і ароматичних систем, переважна більшість реакцій електрофільного заміщення в ароматичному ряду розглядається за єдиним загальним механізмом.
Під час атаки електрофільною частинкою л-електронної системи бензенового кільця спочатку внаслідок електростатичної взаємодії утворюється нестійкий л-комплекс:
71-КОМПЛЄКС
л-Комплекс є координаційною сполукою, в якій бензенове кільце — донор електронів, а електрофіл — акцептор. Утворення л-комплексу — швидка і оборотна стадія реакції. Ароматичність бензенового кільця при цьому не порушується.
У багатьох випадках л-комплекс удається виявити за допомогою електронних спектрів поглинання. Поглинаючи деяку кількість енергії, л-комплекс перетворюється потім у о-комплекс (карбокатіон). На відміну від л-комплексу, у о-комплексі електрофільна частинка утворює ковалентний зв’язок з одним з атомів Карбону бензенового кільця за рахунок двох його л-електронів. При цьому відбувається порушення ароматичної системи бензенового циклу, тому що один з атомів Карбону переходить зі стану зр2- у стан 5р3-гібридизації. Чотири л-електрони бензенового кільця, що залишилися, делокалізовані поміж п’ятьма атомами Карбону.
Будову о-комплексу можна зобразити у вигляді резонансного гібрида структур 1. II, III, але частіше його показують структурою IV:
о-комплекс
IV. о-комплекс
Утворення о-комплексу є найбільш високоенергетичною стадією реакції, яка визначає швидкість усього процесу.
Перебіг електрофільного заміщення через стадію о-комплексу підтверджено численними дослідженнями. У деяких випадках о-комплекс удалося виявити спектральними методами і навіть виділити в кристалічному вигляді.
Незважаючи на відносну стабільність о-комплексу за рахунок розподілу позитивного заряду поміж п’ятьма атомами Карбону, він значно менш стійкий, ніж структури з ароматичним секстетом електронів. Для того щоб набути більшої стабільності, о-комплекс відщеплює протон від атома Карбону, зв’язаного з електро-філом, і тим самим відновлює ароматичність бензенового кільця:
Глава 14
200
Відновлення ароматичної структури дає виграш енергії, що становить 42 кДж/моль.
До найбільш важливих реакцій електрофільного заміщення в бензеновому ядрі належать реакції нітрування, сульфування, галогенування, алкілювання та аци-лювання.
Нітрування. Нітруванням натвають процес введення в молекулу органічної сполуки нітрогрупи —N0-,.
Як нітруючі агенти в реакції нітрування здебільшого використовують концентровану нітратну кислоту або суміш концентрованих нітратної і сульфатної кислот {нітруюча суміш). З концентрованою нітратною кислотою арени реагують повільно, тому для їх нітрування переважно використовують нітруючу суміш:
N02
О, < . Н,5О4 (конц.); 60°С кп »» ~
+ Ї^О3 (конц.) -2—^---------------------► Г |] + Н2О
нітробензен
Атакуючою електрофільною частинкою в реакції нітрування є іон нітронію N0^, який утворюється внаслідок кислотно-основної реакції між нітратною і сульфатною кислотами, де нітратна кислота відіграє роль основи:
Н—О—N02 + Н28О4 Н—6—N©2 + Н8О;
Н протонована нітратна кислота н—б—=N02 Н20 + N©2
нітроній-іон
Н2О + Н28О4 Н3О+ + Н8О;
Сумарне рівняння:
но—N02 + 2Н28О4 N0* + Н30+ + 2Н8О;
Іон нітронію атакує л-електронну систему бензенового ядра, утворюючи нітро-похідну арену:
І| + N©2
я-комплекс
о-комплекс
—н
Сульфування. Сульфуванням називають процес введення в молекулу органічної сполуки сульфогрупи —8О3Н.
Для сульфування бензену і його гомологів переважно застосовують концентровану сульфатну кислоту або димучу сульфатну кислоту (олеум). Унаслідок взаємодії утворюються аренсульфокислоти:
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
201
О^х/8О3Н + Н28О4 (кони.) ґ 1] + Н2О
бензенсульфокислота
Сульфування аренів є оборотною реакцією. Вода, яка утворюється в процесі взаємодії, зміщує рівновагу вліво. Тому для збільшення виходу цільового продукту беруть надлишок концентрованої сульфатної кислоти або використовують олеум (розчин сульфур(УІ) оксиду в сульфатній кислоті).
Тонкі особливості механізму сульфування аренів вивчені недостатньо, однак більшість експериментальних даних свідчать про те, що атакуючою електрофіль-ною частинкою в реакції слугує сульфур(УІ) оксид 8О3:
л-комплекс ст-комплекс бензенсульфокислота
Галогенування. Бензен і його гомологи хлоруються, бромуються і йодуються. Заміщення атома Гідрогену в бензеновому ядрі на атом Хлору або Брому здійснюють дією вільного хлору або брому в присутності каталізаторів — кислот Льюїса (А1С13, РеВг3, 2пС12 тощо):
Вг
□ + Вг2 -РеВГз» + НВг
бромобензен
Під дією каталізатора, на атомі металу якого є дефіцит електронної густини, молекула галогену поляризується. Атакуючою електрофільною частинкою в цьому разі слугує або комплекс поляризованої молекули галогену з кислотою Льюїса, або катіон галогену, що утворюється в процесі іонізації цього комплексу:
6+ Гз+ 8-
Вг—Вг + РеВг-. Вг—Вг-*-РеВг, Вг + РеВг,
+ Ві—Вг->РеВг3 Н+ + РеВг4” 8+ 8- -*-Вг—Вг->РеВг3 Л-КОМПЛЄКС тт п < - „ ? ГС*>Г*вг Г і] —РеВг4 — Н о-комплекс бромобензен —► НВг + РеВг3
Глава 14
202
Молекулярний йод порівняно з хлором і бромом слабкий галогенуючий агент. При взаємодії йоду з бензеном рівновага реакції практично повністю зміщена вбік вихідних
речовин:
2
Тому пряме йодування аренів прово-
дять йодом у присутності окисників, таких
як НГ4О3 або ЩО. Роль окисника полягає в зв’язуванні йодоводню, що утворюється:
+ 212 + ЩО —►
Шарль ФРІДЕЛЬ (1832-1899)
Французький хімік-органік, мінералог. Основний науковий напрям — каталітичний органічний синтез. Уперше синтезував ацетофенон (1857), молочну кислоту (1861), ізопропіловий спирт (1862), гліцерин (1873), мелі-синову (1880), мезокамфорну (1889) кислоти. Разом із Крафтсом досліджував (з 1863) силіційорганічні сполуки, установив чотиривалентність Титану і Силіцію, а також розробив (1877) метод алкілювання та ацилювання ароматичних сполук відповідними алкіл- і ацилгалогенідами в присутності алюміній хлориду (реакція Фріделя — Крафтса). Штучно одержав кварц, рутин і топаз.
+ ЩІ2 + Н2О
Алкілювання за Фріделем—Крафтсом. Для введення алкільної групи в молекулу бензену і його гомологів як електрофільні реагенти найчастіше використовують галогеналкани. Взаємодія аренів з галогеналканами відбувається в присутності каталізаторів — кислот Льюїса (А1С13, РеС13, ХпС12, ВР3 тощо), з яких найчастіше застосовують алюміній
хлорид А1С13:
+ с2н5—СІ
хлоретан
А1С13 -----
с2н5
+НС1
етилбензен
Для алкілювання аренів, окрім галогеналканів, можуть бути використані спирти та алкени. Реакції за участю спиртів перебігають у присутності кислот Льюїса або мінеральних кислот (Н3РО4, Н28О4):
І| + С2Н -ОН
|| + Н2О
Алкілювання аренів алкенами потребує присутності кислоти Льюїса як каталізатора і мінеральної кислоти як джерела протонів.
Н3С—СН—СН3
ОН ; А1СІ, + н2с=сн—сн3---------------Г І]
пропен
кумен
Атакуючою електрофільною частинкою в реакції алкілювання за Фріделем— Крафтсом є карбокатіон, який утворюється в кожному конкретному випадку при взаємодії алкілюючого агента і каталізатора.
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
203
Утворення електрофілу з галогеналканів:
СН3—СН2->С1 + А1С13 ◄=£ СН3—СН2 + А1С14
хлоретан іон карбонію;
етил-катіон
Утворення електрофілу зі спиртів'.
< Н —СН2—ОН + А1С13 СН3—СН2—ОА1С12 ◄=£ СН3—СН2 + ОА1С12
неї
етанол
< Н-—сн2—он + н+ сн3—сн2—б—н сн3—СН2 + Н2О
н
Утворення електрофілу з алкенів:
8+ р(8- +
сн3->сн—сн2 + н+ сн3—сн—сн3
пропен ізопропіл-катіон
За своїм механізмом реакція алкілювання аналогічна розглянутим вище реакціям нітрування, сульфування і галогенування.
І| + СН2—СН3
СН2—СН3
л-комплекс
-н+>
о-комплекс
^Х^СН2—сн3
етилбензен
Уведена в бензенове ядро алкільна група, будучи електронодонором, підвищує реакційну здатність ароматичного кільця відносно електрофільних реагентів. Тому утворений у процесі алкілювання продукт більш схильний до взаємодії з електрофілом, ніж вихідний арен. У результаті цього алкілювання часто не завершується на стадії утворення монозаміщеного продукту, а приводить до ди- і полі-алкіларенів.
Ацилювання за Фріделем—Крафтсом. Ацилюванням називають процес уведення /Я
« молекулу органічної сполуки ацильної групи К—С<^ .
Ацилювання бензену і його гомологів за Фріделем—Крафтсом переважно здійснюють галогенангідридами або ангідридами карбонових кислот у присутності кислот Льюїса. Ця реакція слугує загальним методом добування ароматичних кетонів.
+ СН3—С\
СІ
ацетилхлорид
А1С1зг
+ неї
Глава 14
204
Електрофілом, який атакує бензенове кільце, у реакції ацилювання є або аци-лієвий іон К,—С=О, або комплекс ацилгалогеніду з каталізатором (К.СОА1С14):
КСОС1 + А1С13 КСОА1С14 К—С=О + А1С17
(КСО)2О + А1С13 К—С=О + КСООА1С13
л-комплекс
ст-комплекс
Ацилювання ароматичного ядра, на відміну від алкілювання, перебігає переважно з утворенням монозаміщених продуктів. Ацильна група, будучи електро-ноакцепторним замісником, знижує реакційну здатність бензенового кільця відносно електрофільних реагентів. Тому диацилпохідні аренів утворюються лише в жорстких умовах.
14.5.2. РЕАКЦІЇ ПРИЄДНАННЯ
Як зазначалося раніше, реакції приєднання для ароматичних вуглеводнів не характерні. Проте за жорстких умов вони все ж таки можливі.
Гідрування. Бензен і його гомологи при підвищених температурі і тиску в присутності каталізаторів (найчастіше використовують нікель Ренея) приєднують три молекули водню, утворюючи циклогексан та його похідні:
І| + ЗН2
N1
циклогексан
Зупинити реакцію на стадії утворення продуктів часткового гідрування (цикло-гексадієну, циклогексену) неможливо, оскільки останні гідруються значно легше за самий бензен.
Хлорування. При інтенсивному сонячному освітленні або при ультрафіолетовому опромінюванні бензен приєднує хлор. Реакція перебігає за радикальним механізмом з утворенням суміші стереоізомерів гексахлороциклогексану {гексахлорану)'.
І] + зсі2 —
СІ
СІ СІ
СІ СІ
СІ
гексахлороциклогексан
14.5.3. РЕАКЦІЇ ОКИСНЕННЯ
Окиснення бензенового циклу. Бензенове кільце дуже стійке до дії окисників. За звичайних умов такі сильні окисники, як калій перманганат, нітратна кислота, хром(УІ) оксид, гідроген пероксид і такі інші, не окиснюють бензен. Але за жор-
ХРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
205
стких умов, наприклад при дії кисню повітря в присутності ванадій(У) оксиду як каталізатора, при температурі 400—500 °С бензенове ядро окиснюється, утворюючи малеїновий ангідрид:
,0
о;у2О5
не- .
|| О + 2СОЛ + 2Н2О
НС
О малеїновий ангідрид
Окиснення гомологів бензену. Алкілбен-зени, на відміну від незаміщеного бензену, окиснюються значно легше. При дії сильних окисників (КМпО4, К2Сг2О7 і под.) окисню-ванню піддаються бокові вуглецеві ланцюги. Продуктами окиснення є ароматичні карбонові кислоти. Причому кожен алкільний радикал у бензеновому кільці, незалежно від довжини вуглецевого ланцюга, окиснюється до карбоксильної групи.
Джеймс Мейсон КРАФТС (1839-1917)
Американський хімік, член Національної академії наук США з 1872 року. Основні наукові дослідження присвячені органічній хімії. Разом із Фріделем досліджував (з 1863) силіцій-органічні сполуки, установив чотиривалентність Титану і Силіцію, а також розробив (1877) метод алкілювання та ацилювання ароматичних сполук відповідними алкіл- і ацилгалогенідами в присутності алюміній хлориду (реакція Фріделя—Крафтса).
Займався також дослідженнями газових термометрів і вніс величезний вклад у термометрію.
+ СО2| + Н2О
фталева кислота
Якщо в бензеновому кільці є кілька замісників, то шляхом підбору оптимальних умов можна провести їх послідовне окиснення. Алкільні групи за реакційною здатністю до дії окисників розташовуються в такій послідовності:
—СНК, > —СН,К > — СН.
Третинні алкільні групи при бензеновому ядрі до карбоксильної групи не окиснюються.
Окиснення алкілбензенів — важливий спосіб добування ароматичних карбонових кислот.
Озонування. Подібно до алкенів, бензен та його гомологи реагують з озоном, утворюючи вибухонебезпечні продукти приєднання — триозоніди. Під дією води триозоніди розкладаються з утворенням дикарбонільних сполук і продуктів їх подальшого окиснення — дикарбонових кислот:
Глава 14
206
бензен триозонід
знон „ Лс_г/ зно~он)г 0Чг_с^° зно-он н/ \н -знон но/ \о
гліоксаль щавлева кислота
14.5.4 . ГАЛОГЕНУВАННЯ ГОМОЛОПВ БЕНЗЕНУ ЗА УЧАСТІ БОКОВОГО ЛАНЦЮГА
Взаємодія гомологів бензену з галогенами (хлором або бромом) за умов віль-норадикального заміщення (див. с. 133) здійснюється за участі бокового ланцюга. При цьому на атом галогену заміщується, як правило, атом Гідрогену при атомі Карбону, безпосередньо зв’язаному з бензеновим кільцем (а-положення):
П /IV
СН2—СН3 + С12 —
етилбензен
сн—сн3 + неї
СІ
1 -феніл-1 -хлоретан
Такий напрям заміщення зумовлено утворенням як проміжної активної частинки вільного радикала бензильного типу, в якому електронна густина значно делокалізована за рахунок кон’югації з бензеновим кільцем (див. с. 124):
СН2—СН3 + СГ
сн—сн3 + неї
вільний радикал бензильного типу
14.6. ВПЛИВ ЗАМІСНИКІВ У БЕНЗЕНОВОМУ КІЛЬЦІ НА НАПРЯМ І ШВИДКІСТЬ РЕАКЦІЙ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ
У молекулі незаміщеного бензену електронна густина розподілена рівномірно, тому електрофільний реагент може атакувати в однаковій мірі будь-який із шести атомів Карбону.
Якщо в бензеновому кільці міститься будь-який замісник, то під його впливом відбувається перерозподіл я-електронної густини циклу, і нова група вступає вже в певні положення відносно наявного замісника. У реакціях електрофільного заміщення монозаміщених бензену, залежно від електронної природи замісника, група, що вступає, може займати переважно орто-, мета- або лора-положення, а реакція відповідно перебігати швидше або повільніше, ніж з незаміщеним бен-зеном.
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
207
За впливом на напрям реакцій електрофільного заміщення і реакційну здатність бензенового кільця замісники можна поділити на дві групи — замісники 1 ооду (орто-, пара-орієнтанти) і замісники // роду (мета-орієнтанти).
До замісників І роду належать атоми й атомні групи, що виявляють позитивний індуктивний або позитивний мезомерний ефекти: —О-, —НК2, —N14 К, —ІЇН2, —ОН, —бв, — ІЇНСОК, —ОСОК., —8К, —Е, —СІ, — Вг, —ї, —Аік тощо.
Замісники І роду (за винятком галогенів) збільшують електронну густину в бензеновому кільці і тим самим активують його в реакціях електрофільного заміщення.
Замісники І роду направляють заміщення переважно в орто- і пара-положення:
фенол
□-нітрофенол л-нітрофенол
До замісників IIроду належать г^упи, які виявляють негативний індуктивний або негативний мезомерний ефекти: —N113, —Т4Н3, —КО2, —8О3Н, ——СНО, —СОВ, —СООН, —СООВ, —СОКН2, —СС13тощо.
Замісники II роду зменшують електронну густину у бензеновому кільці і знижують швидкість реакції електрофільного заміщення порівняно з незаміщеним бензеном.
Замісники IIроду направляють заміщення переважно в мета-положення:
N02
+ Ь^О3 (конц.)
Н28О4 (конц.)
л<-динітробензен
нітробензен
Слід зазначити, що наведена вище орієнтація заміщення не є абсолютною, а свідчить лише про головний напрям реакції з переважним утворенням того чи іншого ізомеру. Так, при нітруванні нітробензену утворюється 93% мета-, 6 % орто- і 1 % яора-динітробензену.
Механізм впливу замісників у бензеновому кільці на напрям і швидкість реакцій електрофільного заміщення можна пояснити з огляду на електронні ефекти, які відіграють суттєву роль як у розподілі електронної густини в стаціонарному стані молекули (статичний фактор), так і в стабілізації о-комплексів, що утворюються в процесі реакції (динамічний фактор).
Замісники І роду (крім галогенів) за рахунок +1- або +Л/-ефекту виявляють елекгронодонорні властивості. Вони підвищують електронну густину на всіх атомах Карбону бензенового кільця, але більшою мірою на атомах Карбону в орто-і лара-положеннях (статичний фактор):
Глава 14
208
+Л/-ефект
Це сприяє елекгрофільному заміщенню порівняно з реакціями 8Е у неза-міщеному бензені і переважній атаці електрофільною частинкою орто- і пара-положень.
Замісники II роду, навпаки, за рахунок — І- або — М-ефектів виявляють електро-ноакцепторні властивості, викликаючи загальне зменшення електронної густини в бензеновому кільці, але більшою мірою цей вплив виявляється в орто- і пара-положеннях. Тому вони утруднюють реакції електрофільного заміщення взагалі, а особливо за участі орто- і лоро-положень. Як наслідок — заміщення відбувається переважно в л/ета-положенні:
Слід зазначити, що поряд зі статичним фактором істотний, а іноді й вирішальний вплив на напрям електрофільного заміщення здійснює динамічний фактор. Його суть визначається впливом уже наявного в бензеновому кільці замісника на стійкість того чи іншого о-комплексу, який утворюється в момент реакції. З усіх можливих о-комплексів для молекули енергетично вигідніші ті, в яких є можливість додаткової делокалізації позитивного заряду за рахунок замісника. Ці о-комплекси мають меншу енергію, а отже, вони стійкіші, і тому їх утворення в ході реакції буде переважальним.
У реакціях 8Е замісники І роду унаслідок своїх електронодонорних властивостей підвищують стійкість усіх о-комплексів порівняно з незаміщеним бензеном і, таким чином, збільшують швидкість реакції, але в більшій мірі вони стабілізують о-комплекси, що відповідають продуктам орто- і лара-заміщення. Наприклад, при нітруванні метоксибензену кожний з о-комплексів, який утворюється внаслідок орто-, мета- і лара-заміщення, стабілізований за рахунок делокалізації позитивного заряду між атомами Карбону бензенового кільця (граничні структури І, II, III):
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
209
о-комплекс при «-заміщенні
Але в о-комплексах при орто- і лара-заміщенні позитивний заряд може бути додатково делокалізований за участі неподіленої пари електронів атома Оксигену метоксигрупи (гранична структура IV). Тому утворення їх у ході реакції переважає. У результаті утворюються здебільшого продукти орто- і пара-заміщення.
Замісники II роду внаслідок своїх електроноакцепторних властивостей дестабілізують у тій чи іншій мірі всі три можливих о-комплекси і тим самим утруднюють електрофільне заміщення порівняно з незаміщеним бензеном. Однак о-комплекс у л/ета-положенні дестабілізується меншою мірою, ніж о-комплекс в орто- і пара-положеннях.
Так, при нітруванні нітробензену можливе утворення таких о-комплексів:
о-комплекс
II.
III.
при о-заміщенні
о-комплекс
при ^-заміщенні
о-комплекс при «-заміщенні
І.
III.
N
Глава 14
210
Як бачимо, серед наведених граничних структур (І—III), які показують дело-калізацію позитивного заряду в о-комплексах, структура III при ор/по-заміщенні і структура II при лара-заміщенні містять позитивні заряди на сусідніх атомах. Такі структури енергетично надзвичайно не вигідні і роблять невеликий внесок у резонансний гібрид. Тому о-комплекси за участі орто- і лара-положень дестабілізовані більшою мірою, ніж о-комплекс у л/ета-положенні. У результаті електрофільне заміщення утруднене і проходить переважно в .ме/пд-положенні.
Здебільшого статичний і динамічний фактори діють узгоджено. Але якщо їхній вплив виявляється в протилежних напрямах, то вирішальне значення на напрям електрофільного заміщення здійснює динамічний фактор. Наочним прикладом можуть слугувати арилгалогеніди, в яких атоми галогену виявляють електроно-акцепторні властивості, але разом з тим направляють електрофільне заміщення в орто- і лара-положення. Причиною такої поведінки галогенів як замісників є неузгоджена дія статичного та динамічного факторів.
Як відомо, атом галогену в бензеновому ядрі виявляє негативний індуктивний і позитивний мезомерний ефекти, причому в статичному стані -/-ефект більший за +Л/-ефект. У результаті відбувається зміщення електронної густини бензенового кільця вбік атома галогену і, отже, реакційна здатність циклу відносно електрофільних реагентів знижується:
:С1:
—/-ефект » +Л/-ефект
Отже, у статичному стані галогени, подібно до орієнтантів II роду, утруднюють електрофільне заміщення.
Однак у процесі реакції неподілені пари електронів атома галогену, що знаходяться в кон’югації з л-електронною системою бензенового кільця, беруть участь у додатковій стабілізації о-комплексів, які утворюються при орто- і пара-заміщенні, але не беруть участь у стабілізації л/елга-о-комплексу (про що і свідчать граничні структури):
Тому галогени виступають як замісники І роду і спрямовують електрофільне заміщення в орто- і лара-положення.
Крім замісників І і II роду існує невелика кількість замісників, які виявляють змішану дію (—СН2МО2, —СН2На1, —СН2ОН, —СННа12 тощо). Ці замісники дещо утруднюють електрофільне заміщення в бензеновому ядрі, але в результаті реакції, як правило, утворюється суміш приблизно рівних кількостей орто-, мета-і лара-ізомерів.
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
211
14.6.1. ОРІЄНТАЦІЯ В ДИЗАМІЩЕНИХ БЕНЗЕНУ
За наявності в бензеновому кільці двох замісників їх орієнтуючий вплив здійснюється складніше, але й у цьому разі часто можна правильно передбачити кращий напрям входження нового замісника.
Залежно від електронної природи замісників і їх взаємного розміщення розрізняють узгоджену і неузгоджену орієнтації.
При узгодженій орієнтації обидва наявні замісники направляють нову групу в одні і ті ж положення бензенового кільця. Узгоджена орієнтація характерна для дизамі-щених бензену, в яких замісники знаходяться:
> в тиета-положенні один відносно одного і належать до орієнтантів одного роду (переважні місця входження нового замісника зазначені стрілками):
г орто- або лара-положенні один відносно одного, але один з них є замісником І роду, а другий — замісником II роду.
о-гідроксибензойна кислота; саліцилова кислота
При неузгодженій орієнтації один із замісників направляє нову групу в одні, а другий — в інші положення бензенового кільця. У результаті, як правило, утворюються кілька різних ізомерів. Однак переважний напрям заміщення можна визначити, використовуючи такі правила:
1. Якщо один із замісників є замісником І роду, то переважний напрям заміщення визначає саме він:
ОН
л-нітрофенол
л-метоксинітробензен
2. Якщо обидва замісники є замісниками І роду, то переважний напрям заміщення визначається сильнішим електронодонорним замісником.
Глава 14
212
За силою орієнтуючого впливу замісники / роду можна розмістити в ряд:
—О’ > —мк2 > —мнк > —мн2 > —он > —ок > —мисок > > —ОСОК > —Аік > —Р > —СІ > —Вг > —І
Так, при нітруванні 2-бромофенолу утворюються переважно 2-бром-4-нітро-фенол і 2-бром-6-нітрофенол.
ОН
2-бромофенол
2-бром-4-нітрофенол
2-бром-6-нітрофенол
3. Якщо обидва замісники є замісниками II роду, електрофільне заміщення здійснюється дуже важко, а переважне місце входження третього замісника визначається сильнішим орієнтантом.
За силою орієнтуючого впливу у реакціях 8Е замісники 11 роду можна розмістити в ряд:
—СООН > —8О3Н > —СN > — ИО2
Наприклад, в о-нітробензойній кислоті заміщення спрямоване переважно в ліе/иа-положення відносно карбоксильної групи
СООН
о-нітробензойна кислота
Слід також зазначити, що поряд з електронною природою замісників на співвідношення продуктів заміщення впливають просторові чинники. За інших рівних умов через стеричні перешкоди входження третьої групи між двома вже присутніми замісниками малоймовірне.
14.7. ІДЕНТИФІКАЦІЯ МОНОЯДЕРНИХ АРЕНІВ
Для ідентифікації моноядерних аренів найчастіше використовують спектральні методи — УФ-, ІЧ-, ПМР-спекгроскопії та мас-спектрометрію.
АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ. ОДНОЯДЕРНІ АРЕНИ
213
Бензену і його гомологам притаманне характерне поглинання в УФ-ділянці: інтенсивне поглинання в діапазоні 180—210 нм і малоінтенсивне — в діапазоні 230—270 нм. При високій розділювальній здатності приладу малоінтенсивна смуга виявляється у вигляді ряду вузьких піків (тонка структура). Малоінтенсивне поглинання в ділянці 230—270 нм із тонкою структурою дуже характерне для ароматичних вуглеводнів, тому часто його називають смугою бензенового поглинання (рис. 14.3).
У ІЧ-спектрах бензену та його гомологів є характерні смуги поглинання в ділянці 3100— 3000 см-1, що пов’язані з валентними коливаннями ароматичних зв’язків С—Н і смуги в ділянці 1600—1500 см-1, зумовлені валентними коливаннями зв’язків С—С бензенового ядра. Наявність зазначених смуг свідчить про присутність у структурі сполуки бензенового кільця. За характером інших смуг поглинання, особливо в ділянках 2000—1650 і 1225—950 см-1, можна установити кількість і взаємне розташування замісників у бензеновому ядрі.
Рис. 14.3. УФ-спектр бензену в газовій фазі: 180—210 нм — інтенсивне; 230—270 нм — малоінтенсивне поглинання
Сигнали ароматичних протонів у спектрі ПМР бензену і його гомологів виявляються в слабкому полі (8 = 6,5...8,0 млн-1). Це пов’язано з дезекрануванням протонів за рахунок кільцевого струму, який утворюється при дії зовнішнього магнітного поля.
У мас-спектрах бензену і його гомологів спостерігається інтенсивний пік молекулярного іона.
14.8. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Бензен. Безбарвна рідина з характерним запахом (т. кип. 80,1 °С), нерозчинний у воді, горить дуже коптявим полум’ям. Бензен сильно отруйний. У хімічній промисловості широко використовується як розчинник і вихідна сировина для виробництва стирену, фенолу, циклогексану, аніліну, барвників, лікарських препаратів.
Толуен (метилбензен). Безбарвна рідина з характерним запахом (т. кип. 110,6°С). Толуен практично нерозчинний у воді, змішується з етиловим спиртом і діетиловим етером. Використовується у виробництві лаків, друкарських фарб, бензойної кислоти, вибухових речовин, лікарських препаратів тощо, а також як добавка до моторного пального для підвищення октанового числа бензинів. Має слабку наркотичну дію.
Ксилени (о-, м- і и-диметилбензени). Безбарвні рідини з запахом бензену. Змішуються з етанолом, діетиловим етером, ацетоном, хлороформом, бензеном. Суміш ізомерних ксиленів, так званий технічний ксилен (т. кип. 138—144°С), використовується в промисловості як розчинник і високооктанова добавка до моторного пального.
Глава 14
214
Стирен (вінілбензен). Безбарвна рідина зі своєрідним запахом (т. кип. 145,2°С). Використовується у виробництві полістиролу, синтетичного каучуку.
Кумен (ізопропілбензен). Безбарвна рідина (т. кип. 152,4°С). Нерозчинний у воді, змішується з етанолом, діетиловим етером, бензеном. Використовується у виробництві фенолу й ацетону.
и-Цимен (1-ізопропіл-4-метилбензен). Безбарвна рідина з приємним запахом (т. кип. 177,4°С). Нерозчинний у воді, розчиняється в етанолі, хлороформі, ацетоні, діетиловому етері. Входить до складу жирних олій багатьох рослин.
Фулерени
У жовтні 1996 року Харольд В. Крото (Великобританія), Річард Смоллі і Роберт Керл (США) були удостоєні Нобелівської премії за відкриття нової модифікації Карбону — С60.
Сполуку С60 було названо «бакмінстерфулерен» або «бакі-бол» на честь відомого архітектора Бакмінстера Фуллера. Він розробив незвичайні сферичні будівлі, основним фрагментом яких є повторювані гексагональні фрагменти. Для того щоб геометричне тіло набуло сферичної поверхні, необхідно в певні положення ввести п’ятикутні фрагменти.
Структура С60 нагадує футбольний м’яч, зшитий із 20 шести- і 12 п’ятикутних фрагментів.
Молекула фулерену С60
У молекулі фулерену $р2-гібридизовані карбонові атоми утворюють п-зв’язки з трьома сусідніми атомами Карбону. У результаті перекривання негібридизованих 2рг-орбіталей формується делокалізована МО. Кожен атом Карбону надає в систему делокалізованих МО по одному електрону. Таким чином, 20 шестикутних циклів у складі С60 є бензеновими кільцями. Наявність таких кілець — аргумент, що пояснює стійкість нової модифікації Карбону.
Виникло уявлення про групу сполук за назвою «фулерени» як про нову групу ароматичних сполук. Вони більш реакційноздатні порівняно з аренами. Вступають у реакції нуклеофільного приєднання, що не характерно для аренів.
Фулерени С60 мають високу електронну спорідненість і легко акцептують електрони з лужних металів. Отримано сіль С60К, що має надпровідні властивості.
Дослідження у сфері фулеренів тривають.
Глава 15
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З КОНДЕНСОВАНИМИ (АНЕЛЬОВАНИМИ) БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
Багатоядерні арени з конденсованими циклами містять у своєму складі два або більше бензенових ядра, що мають спільні атоми Карбону.
Залежно від способу зчленування циклів розрізняють два основних типи конденсованих систем:
- конденсовані системи з лінійним розміщенням циклів:
нафтален антрацен тетрацен
' конденсовані системи з ангулярним ('від англ. ап§еІ — кут) розміщенням циклів:
Найважливішими представниками конденсованих аренів є нафтален, антрацен і фенантрен.
15.1. НАФТАЛЕН
Уперше нафтален було виділено з кам’яновугільної смоли 1819 року. Елементний склад його молекули встановив російський хімік Олександр Абрамович Во-скресенський 1838 року, а будову довів німецький хімік Карл Гребе 1898 року.
15.1.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
Молекула нафталену складається з двох конденсованих бензенових кілець. Нумерацію атомів Карбону нафталенового ядра здійснюють відповідно до правил ШРАС.
У молекулі нафталену, на відміну від бензену, атоми Карбону ґр |] 1 2ЇР не рівнозначні. Атоми Карбону в положеннях 1, 4, 5, 8 прийнято позначати символом а і називати ^.-положення, а в положеннях 2,3, " ° 6, 7 — символом р і називати відповідно р-положення.
Унаслідок нерівнозначності положень однозаміщені нафталени існують у вигляді а- і Р-ізомерів:
Глава 15
216
СН
а -метилнафтален; 1-метилнафтален
Р-метилнафтален; 2-метилнафтален
У номенклатурі дизаміщених нафталену поряд з цифровими локантами положень замісників використовують також позначення: орто-положення — 1,2; мета— 1,3; пара— 1,4; ана— 1,5; пері----1,8; амфі---2,6.
Двозаміщені нафталени з однаковими замісниками можуть існувати у вигляді десяти ізомерів положення:
1,2-ди метилнафтален; о-диме і илнафтален
1,3-ди метилнафтален; лг-диме і илнафтален
1,5-диме і илнафтален; 1,6-диме і илнафтален
шш-димс і илнафтален
сн3
1,4-ди метилнафтален; л-ди ме гилнафтален
1,7-диме гилнафтален
1,8-димеі илнафтален; пері-ли метилнафтален
2,3-диме і илнафтален
2,6-диме і илнафтален; амфі-лм м ети л нафтален
2,7-диметилнафтален
15.1.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Нафтален, його монометильні та деякі диметильні похідні в промисловості добувають переважно з кам ’яновугільної смоли (вміст нафталену в кам’яновугільній смолі становить близько 10%).
Крім того, відомий ряд синтетичних методів добування нафталену та його гомологів. Так, нафтален поряд з бензеном утворюється при пропусканні ацетилену через нагріті до 700—800 °С трубки:
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З КОНДЕНСОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
217
5НС^СН
+ н2
Нафтален і його гомологи одержують шляхом дегщроциклізації алкілбензенів з боковим ланцюгом з чотирьох і більше атомів Карбону:
СН,
Р(; 300 °С
+ зн2
пентилбензен а-метилнафтален
Однак у зв’язку з високим вмістом нафталену і його гомологів у кам’яновугільній смолі синтетичні методи добування не мають практичного значення.
15.1.3. БУДОВА НАФТАЛЕНУ
Електронна будова нафталену схожа з будовою бензену. Аналогічно бензену молекула нафталену планарна (плоска). Усі атоми Карбону перебувають у 5/г-гібридизації. Кожний з десяти атомів Карбону надає р-атомну орбіталь для утворення замкненої кон’югованої системи, яка охоплює всі атоми Карбону (рис. 15.1).
Рис. 15.1. Схема утворення замкненої д-електронної системи в молекулі нафталену
Загальна кількість л-електронів у кон’югованій системі відповідає правилу ароматичності Гюккеля (див. с. 193).
Проте ступінь ароматичності нафталену нижчий, ніж бензену. Методом рентгеноструктурного аналізу встановлено, що в нафталені порушена характерна для бензену вирівняність вуглець-вуглецевих зв’язків: зв’язки С“—С*3 укорочені, а зв’язки сР—С*3 видовжені порівняно з вуглець-вуглецевими зв’язками бензену. Так. у молекулі нафталену довжина зв’язку С“—С*3 становить 0,136 нм, зв’язку С7—С*3 — 0,142 нм, тоді як у бензені всі вуглець-вуглецеві зв’язки ма-
ють довжину 0,139 нм. Як бачимо, у молекулі нафталену хімічні зв’язки між а-і р-атомами Карбону більше нагадують подвійні (довжина зв’язку /С=С\ в алкенах 0,134 нм). Унаслідок різної довжини вуглець-вуглецевих зв’язків у молекулі нафталену л-електронна густина розподілена нерівномірно. Електронна густина у а-атомів Карбону вища, ніж у Р-атомів. Відповідно і енергія резонансу нафталену (255,2 кДж/моль) значно менша подвоєної енергії резонансу бензену (2 • 150,7 = 301,4 кДж/моль). Тому нафтален легше за бензен вступає в реакції заміщення, приєднання, окиснення і відновлення.
Глава 15
218
Для зображення молекули нафталену в хімічній літературі використовують структурні формули І—III.
Застосування формули III малообґрунтоване, тому що нафтален не містить у своїй структурі двох незалежних замкнених кон’югованих систем бензену.
15.1.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Для нафталену, як і бензену, властиві реакції електрофільного заміщення, приєднання, відновлення та окиснення.
РЕАКЦІЇ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ (5£)
У реакції електрофільного заміщення нафтален вступає легше, ніж бензен.
При взаємодії і е.іектрофі.іьними реагентами утворюються переважно продукти о,-заміщення.
Переважний напрям заміщення в а-положення зумовлений тим, що, по-перше, в а-положенні нафталену електронна густина вища, ніж у 0-положенні {статичний фактор), а по-друге, при атаці електрофілу в а-положення утворюється стабільніший, а тому енергетично більш вигідний для молекули о-комплекс, ніж при атаці в Р-положення {динамічний фактор)-.
З наведеної схеми видно, що при електрофільному заміщенні в а-положенні утворюється о-комплекс, в якому позитивний заряд може бути делокалізований без порушення ароматичної системи сусіднього кільця, тоді як у о-комплексі, що утворюється при заміщенні в Р-положенні, делокалізація позитивного заряду можлива тільки за рахунок порушення ароматичної системи сусіднього кільця, що спричиняє додаткову витрату енергії.
Нітрування. Нафтален досить легко нітрується нітруючою сумішшю з утворенням а-нітронафталену:
КО2
а -нітронафтален
За більш жорстких умов здійснюється подальше нітрування, яке приводить до утворення суміші 1,5- і 1,8-динітронафталенів.
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З КОНДЕНСОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
219
Сульфування. Нафтален піддається сульфуванню при дії концентрованої сульфатної кислоти. Суттєво впливає на напрям реакції сульфування температура реакційного середовища. Залежно від температури реакція сульфування може перебігати переважно в а- або 0-положенні. Так, сульфування нафталену при температурі 80 °С призводить до утворення а-нафталенсульфокислоти, а при 160 °С — переважно 0-нафталенсульфокислоти:
При нагріванні до температури 160°С а-ізомер перетворюється в 0-ізомер.
У присутності 20%-вого олеуму при 40 °С а-нафталенсульфокислота сульфу-ється далі, утворюючи суміш 1,5- і 1,6-нафталендисульфокислот.
Галогенування. Нафтален хлорується при температурі 90—ПО °С в присутності ферум(Ш) хлориду з утворенням переважно а-хлоронафталену. Бромування нафталену в а-положення проходить легко за відсутності каталізатора:
СІ
СІ2; РеСІ;
-НСІ
Вг2; СС14; І
-НВг
а-бромонафтален
а -хлоронафтален
Вг
Алкілювання та ацилювання. У присутності кислот Льюїса (А1С13, 8пС14 тощо) нафтален взаємодіє з галогеналканами і галогенангідридами карбонових кислот з утворенням суміші а- і 0-заміщених ізомерів.
РЕАКЦІЇ ПРИЄДНАННЯ
Нафтален значно легше, ніж бензен, вступає в реакції приєднання, тому що зв’язки між а- і 0-атомами Карбону в молекулі нафталену мають більшу ненаси-ченість, ніж зв’язки С—С у бензені.
Так, при звичайній або пониженій температурі за відсутності каталізатора нафтален приєднує молекулу хлору з утворенням продукту 1,4-приєднання:
Глава 15
220
Н СІ
1,4-дигідро-1,4-дихлоронафтален
Розглянута раніше (див. с. 219) реакція бромування нафталену відбувається за схемою приєднання—відщеплення, тобто спочатку бром приєднується в положення 1 і 4, а потім продукт приєднання при нагріванні відщеплює бромоводень,
1,4-дибром-1,4-дигідронафтален а-бромонафтален
У присутності каталізатора N1 нафтален значно легше, ніж бензен, приєднує водень. Процес гідрування нафталену проходить ступінчасто. Спочатку при температурі 150°С утворюється 1,2,3,4-тетрагідронафтален (тетралін), який при 200°С гідрується далі з утворенням декагідронафталену (декаліну):
тетралін декалін
ОКИСНЕННЯ
Нафтален окиснюється набагато легше, ніж бензен. Залежно від умов окис-нювання утворюються різні продукти. При окисненні нафталену киснем повітря в присутності каталізатора У2О5 утворюється ангідрид фталевої кислоти. Дією хром(УІ) оксиду в оцтовій кислоті нафтален окиснюється до 1,4-нафтохінону:
фталевий ангідрид 1,4-нафтохінон
Слід зазначити, що при окисненні гомологів нафталену, на відміну від гомологів бензену, більш чутливе до дії окисників нафталенове ядро:
О
р -метилнафтален 2-метил-1,4-нафтохінон
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З КОНДЕНСОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
221
15.1.5. ОРІЄНТАЦІЯ ЗАМІЩЕННЯ В НАФТАЛЕНОВОМУ ЯДРІ
Якщо нафталенове ядро вже містить якийсь замісник, то, як і в разі моно-заміщених бензену, при електрофільному заміщенні можна з певною точністю передбачити напрям уходження нового замісника. Однак правила орієнтації в наф-таленовому циклі порівняно з правилами орієнтації в бензеновому кільці мають деякі особливості.
Напрям електрофільного заміщення в монозаміщених нафталену визначається', г електронною природою і положенням уже наявного замісника;
підвищеною реакційною здатністю а-положення.
Електронодонорні замісники (о-, л-орієнтанти), підвищуючи в цілому електронну густину у нафталеновому циклі, у більшій мірі активують кільце, з яким зв’язаний замісник. Тому входження нового замісника відбувається переважно в це ж кільце і в а-положення як більш реакційноздатне. При наявності електронодонорного замісника в а-положенні новий замісник вступає здебільшого в положення 4, яке є ядра-положенням відносно наявного замісника і а-положенням нафталенового циклу:
а-метилнафтален
Н>Ю3 (конц.); Н28О4 (конц.)
-Н2О
1 -метил-4-нітронафтален
У разі, коли електронодонорний замісник (о-, я-орієнтант) перебуває в Р-положенні, новий замісник при електрофільному заміщенні спрямовується переважно в положення 1, яке є орто-положенням відносно наявного замісника і а-положенням нафталенового циклу:
р-нафтол 1-нітро-2-нафтол
Якщо в нафталеновому циклі міститься електроноакцепторний замісник, то за рахунок -І- або -Л/-ефекгів він у цілому дезактивує нафталенове ядро відносно електрофільного заміщення, але в більшій мірі дезактивується кільце, з яким зв’язаний цей замісник. Тому новий замісник вступає в сусіднє кільце. З огляду на підвищену реакційну здатність а-положень заміщення відбувається переважно в положеннях 5 і 8:
Глава 15
222 -----------------------------------------------------------------------
Здебільшого при електрофільному заміщенні утворюється суміш ізомерів:
р-нафтален -сульфокислота
N02
5-нітро-2-нафтален- 8-нітро-2-нафтален-
сульфокислота сульфокислота
У зв’язку з особливістю реакції сульфування при високих температурах і тривалому нагріванні сульфогрупа направляється переважно в р-положення сусіднього кільця (положення 6 і 7):
р-нафтален-сульфокислота
2,6-нафтален-дисульфокислота
80.Н НО38
2,7-нафтален-дисульфокислота
80. Н
15.1.6. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Нафтален. Безбарвна кристалічна речовина з характерним запахом, має високу леткість, т. пл. 80,3 °С. Добре розчиняється в органічних розчинниках, погано — у воді. Нафтален використовують у виробництві фталевого ангідриду, тетраліну, декаліну, барвників, лікарських засобів. Застосовується як інсектицид.
2-Метилнафтален. Безбарвна кристалічна речовина з т. пл. 34,4°С. Добре розчиняється в органічних розчинниках, погано — у воді. 2-Метилнафтален використовують переважно для виробництва лікарського препарату «Вікасол» (синтетичний вітамін К). Для цього спочатку 2-метилнафтален окиснюють хром(УІ) оксидом, а потім дією МаН8О3 одержують водорозчинну похідну:
СгО3; СН3СООН
2-метилнафтален
2-метил-1,4-нафтохінон
натрій 2,3-дигідро-2-метил-1,4-нафтохінон-2-сульфонат; вікасол
Вікасол підвищує згортання крові.
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З КОНДЕНСОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
223
2. АНТРАЦЕН
Антрацен уперше було виділено з кам’яновугільної смоли 1832 року французькими хіміками Ж. Дюма і О. Лораном.
(мезо — середній) положеннями.
Молекула антрацену складається з трьох лінійно конденсованих бензенових циклів. Нумерацію атомів Карбону проводять, як показано на структурній формулі.
Положення 1, 4, 5 і 8 у молекулі антрацену називають (і-положеннями, положення 2, 3, 6 і 7 — [3-, а 9 і 10 — у- або
15.2.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
У промисловості антрацен добувають з антраценової фракції кам ’яновугільної смоли. Антрацен можна одержати і синтетично.
Алкілювання бензену за Фріделем—Крафтсом 1,1,2,2-тетраброметаном:
Вг^ Вг СН + І + /СН Вг Вг
А1Вг3г
+ 4НВг
Відновлення 9,10-антрахінону:
О
О
9,10-антрахінон
—2Н2О
15.2.2. БУДОВА. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Молекула антрацену плоска. Усі атоми Карбону знаходяться в ^-гібридизації. Кількість л-електронів (14 електронів) підпорядковується правилу ароматичності Гюккеля. Разом з тим електронна густина в молекулі антрацену розподілена ще нерівномірніше, ніж у нафталені. Енергія резонансу антрацену (351,5 кДж/моль) значно менша потроєної енергії резонансу бензену (3*150,5 = 451,5 кДж/моль). Тому антрацен має менш виражену ароматичність, ніж нафтален, і значно меншу за бензен. Антрацен порівняно з нафталеном у більшій мірі схильний до реакцій приєднання та окиснення. Реакції електрофільного заміщення для антрацену проходять легко, але здебільшого вони супроводжуються утворенням проміжних продуктів приєднання, які можна виділити в індивідуальному вигляді. Найбільш реакційноздатними в антрацені є жезо-положення (положення 9 і 10).
Антрацен легко відновлюється воднем у момент виділення й окиснюється концентрованою нітратною кислотою з утворенням відповідно 9,10-дигідроантрацену і 9,10-антрахінону:
Глава 15
224
Н
Н
9,10-дигідроантрацен 9,10-антрахінон
Реакції електрофільного заміщення, зокрема галогенування і нітрування, перебігають в положенні 9. При взаємодії з хлором або бромом спочатку утворюються продукти приєднання в положеннях 9 і 10, які при нагріванні відщеплюють гало-геноводень, перетворюючись у 9-галогенантрацени:
У результаті сульфування антрацену сульфатною кислотою при нагріванні утворюється суміш 1- і 2-антраценсульфокислот, які є більш стійкими ізомерами, ніж 9-антраценсульфокислота.
1 -атраценсульфокислота 2-атраценсульфокислота
Антрацен використовується переважно у виробництві антрахінону і барвників.
15.3. ФЕНАНТРЕН
Фенантрен — структурний ізомер антрацену. Його молекула складається з трьох конденсованих ангулярно бензенових циклів. Структурну формулу фенан-трену подають двояко:
Нумерацію атомів Карбону в молекулі фенантрену здійснюють, як показано на структурній формулі.
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З КОНДЕНСОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
Добувають фенантрен здебільшого з антраценової фракції кам’яновугільної смоли. Відомі також синтетичні методи добування фенантрену та його гомологів.
За фізичними властивостями фенантрен безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 101 °С), нерозчинний у воді, легко розчиняється в органічних розчинниках. Бензенові розчини фенантрену мають блакитну флуоресценцію.
За будовою і реакційною здатністю фенантрен дуже схожий з антраценом. Як і антрацен, він ароматична сполука, однак ароматичний характер фенантрену виражений дещо сильніше. Так, енергія резонансу фенантрену (387 кДж/моль) на 35,5 кДж/моль вища, ніж антрацену.
Фенантрен так само, як і антрацен, легко вступає в реакції електрофільного заміщення, відновлення та окиснення. Найбільш активними є положення 9 і 10. Хімічний зв’язок між С-9 і С-10 у фенантрені надто нагадує подвійний, тому при електрофільному заміщенні в окремих випадках утворюються проміжні продукти приєднання, які можна виділити в індивідуальному вигляді:
При нітруванні фенантрену нітратною кислотою в середовищі оцтової кислоти утворюється 9-нітрофенантрен.
Каталітичне гідрування фенантрену призводить до утворення 9,10-дигідрофе-нантрену, при окиснюванні утворюється 9,10-фенантренхінон:
Про мутагени
У ряду конденсованих аренів виявлена численна група промутагенів, тобто речовин, що здобувають мутагенну активність, коли піддаються метаболізму в живому організмі. Високий їх вміст у кам’яновугільній смолі, автомобільних вихлопних газах, тютюновому димі тощо.
У 1933 році здійснений синтез одного з найбільш небезпечних канцерогенів — бензо[а]пірену. Потрапляючи в організм, ця сполука
піддається ферментативному розщепленню з утворенням бензо[а]пірен дигідроксиепоксиду.
Наявність у структурі продукту окиснення високореакційного тричленного циклу з атомом Оксигену (див. Оксиран, с. 543) визначає взаємодію з основами, які входять до складу ДНК. Як наслідок, відбу-
ОН бензор/]пірен бензо[г/] пірен
дигідроксиепоксид
ваються серйозні порушення процесу поділу КЛІТИН і генетичного коду організму.
Глава 15
226
9,10-фенантренхінон
Сам фенантрен не знайшов значного практичного використання. Однак його частково або повністю гідровані похідні входять до складу багатьох природних сполук, які мають фізіологічну активність,— стероїдів (див. розд. 37.3.2), алкалоїдів (див. розд. 33.6) тощо. Так, в основі стероїдів покладено скелет стерану, який є конденсованою системою, що складається з повністю гідрованого фенантрено-вого ядра (пергідрофенантрену) і циклопентану:
стеран;
циклопентанпергідрофенантрен
Глава 16
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ
З ІЗОЛЬОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
До багатоядерних аренів з ізольованими циклами належать вуглеводні, які містять два або більше бензенових цикли, сполучених між собою або о-зв’язком, або через аліфатичний вуглецевий ланцюг.
Найважливішими представниками цієї групи сполук є біфеніл, дифенілметан і трифенілметан.
16.1. БІФЕНІЛ
Молекула біфенілу містить два бензенових кільця, сполучених о-зв’язком.
Для позначення положення замісників у молекулі біфенілу використовують цифрові локанти і позначення о-(орто~), м-(мета-) і п-(пара-) відповідно. Атоми Карбону кожного бензенового кільця нумерують окремо, починаючи з атома Карбону, через який здійснюється зв’язок із іншим циклом:
біфеніл
4,4'-ди метил біфеніл;
п,гі -ди метил біфеніл
Наявність замісників у положеннях 2,6,2',6' часто позначають у назві як орто-, у положеннях 3,5,3',5' — мета-, у 4,4' — пара-.
16.1.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
У невеликій кількості біфеніл міститься в кам ’яновугільній смолі.
В промисловості застосовують кілька синтетичних способів добування біфенілу
Дегідрування бензену:
750-800 °С
-н2
Нагрівання йодобензену в присутності порошку міді (реакція Ульмана):
2Си; 200-250 °С
—2СиІ
16.1.2. БУДОВА. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Два бензенових кільця в молекулі біфенілу сполучені між собою о-зв’язком, довжина якого (0,148 нм) трохи менша від довжини вуглець-вуглецевого зв’язку в алканах (0,154 нм). Зменшення довжини о-зв’язку зумовлене мезомерною взає
Глава 16
228 •
модією л-електронів бензенових кілець, яка, як відомо, найефективніша при пленарному розміщенні циклів.
]_[ |_| Однак унаслідок взаємного відштовхування атомів Гідрогену
___/ \__ в положеннях 2 і 2' мезомерна взаємодія між бензеновими ци-/г \ ялами в біфенілі затруднена.
\___у За Даними електронографічних досліджень у газовій фазі
бензенові кільця біфенілу розташовані під кутом 45° один до одного. Отже, навколо о-зв’язку в молекулі біфенілу можливе вільне обертання. При відсутності в рр/яо-положеннях замісників бар’єр обертання невеликий. Але якщо в рр/ио-положеннях обох бензенових кілець містяться об’ємні замісники, то через просторові перешкоди вільне обертання навколо о-зв’язку, що з’єднує два цикли, стає неможливим і бензенові ядра розміщуються у взаємно перпенди-
кулярних площинах:
Якщо принаймні хоча б в одному з бензенових кілець в ор/ио-положеннях є однакові замісники, то така молекула має площину симетрії, а отже, вона ахі-ральна:
Але якщо в ррто-положеннях кожного бензенового ядра молекули біфенілу є різні замісники, молекула не має площини симетрії і стає хіральною, що, як відомо, зумовлює появу оптичної ізомерії. Так, 6,6'-динітродифенова кислота існує у вигляді двох енантіомерів:
Дзеркальні ізомери в ряду біфенілу можна розглядати як конформери, які стали стабільними внаслідок просторових перешкод обертанню.
Вид просторової ізомерії, зумовленої обмеженням вільного обертання навколо простого зв’язку, називають атропоізомерією (від грец. атроло — немає повороту).
Для виявлення атропоізомерії необов’язковою є наявність чотирьох замісників в рр/яо-положеннях, іноді досить трьох або навіть двох об’ємних груп.
Хімічні властивості біфенілу аналогічні властивостям моноядерних аренів. Фе-нільні групи виявляють одна відносно одної слабкі електронодонорні властивості. Тому в реакції електрофільного заміщення (галогенування, нітрування тощо) біфеніл
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З ІЗОЛЬОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
229
вступає дещо легше, ніж бензен, утворюючи переважно пара- і ор/ио-заміщені продукти. У монозаміщених біфенілу при електрофільному заміщенні новий замісник входить в незаміщене ядро:
Біфеніл — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 71 °С) зі слабким своєрідним запахом, малорозчинна у воді, добре розчиняється в органічних розчинниках.
Використовується в суміші з дифеніловим етером як високотемпературний теплоносій для обігрівання хімічних реакторів та інших установок. Похідні біфенілу використовують у виробництві барвників.
16.2. ДИФЕНІЛМЕТАН
У молекулі дифенілметану два бензенові цикли зв’язані через метиленову групу:
Дифенілметан можна добути алкілюванням бензену бензилхлоридом або ди-хлорометаном в умовах реакції Фріделя—Крафтса:
АІС1зг
+ СН2С12
+ 2НС1
Реакційна здатність дифенілметану зумовлена наявністю в його структурі бензенових циклів і активної метиленової групи.
За участі бензенових кілець дифенілметан вступає в характерні для аренів реакції електрофільного заміщення, утворюючи 4,4'-дизаміщені і 2,4,2',4'-тетра-заміщені продукти:
НМО3 (конц.); __ __
Н^конц.)» О^_/"А_СН _/“\_^2
Н1ЧО3 (конц.);
Н28О4 (конц.)
-н2о
4,4' -динітродифенілметан
2,4,2' ,4' -тетранітродифенілметан
Глава 16
230
У молекулі дифенілметану внаслідок електроноакцепторної дії фенільних груп набувають рухливості атоми Гідрогену метиленової групи. У результаті метиленова група легко окиснюється, а при галогенуванні атоми Гідрогену заміщуються на атом галогену:
бромодифенілметан
Дифенілметан — безбарвна кристалічна речовина зі слабким приємним запахом (т. пл. 26—27 °С), нерозчинна у воді, розчинна у етанолі. Використовується в парфумерній промисловості як віддуїпка для мила (запах герані).
16.3. ТРИФЕНІЛМЕТАН
Молекула трифенілметану містить три бензенові цикли, зв’язані через метанову групу:
Нумерацію атомів Карбону в кожному циклі виконують окремо, починаючи з атома Карбону, сполученого з метановою групою.
Трифенілметан добувають алкілюванням бензену хлороформом в умовах реакції Фріделя—Крафтса:
За хімічними властивостями трифенілметан здебільшого нагадує дифенілметан. Для нього характерні реакції електрофільного заміщення за участі бензенових циклів, які проходять переважно в лдрй-положеннях.
Унаслідок електроноакцепторної дії трьох фенільних груп у молекулі трифенілметану набуває рухливості атом Гідрогену метанової групи, який легко заміщується на метали і галогени. Так, при дії натрій аміду в рідкому амоніаку трифенілметан утворює трифенілметилнатрій, при взаємодії з хлором дає трифенілхлорометан, при окисненні утворює трифенілметанол (трифенілкарбінол):
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З ІЗОЛЬОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
231
трифенілметилнатрій
трифенілхлорометан
трифенілметанол
Трифенілметилнатрій має іонну будову. Його молекула складається з катіона Натрію і трифенілметил-аніона. Етерові розчини трифенілметилнатрію проводять електричний струм.
Атом галогену в молекулі трифенілхлорометану і гідроксильна група в молекулі трифенілметанолу під впливом електроноакцепторних властивостей трьох бензенових кілець виявляють високу рухливість (активність). Так, трифенілхлорометан у рідкому 8О2 (розчинник з високою діелектричною сталою) у присутності А1С13 піддається іонізації з утворенням трифенілметил-катіона. Аналогічно відбувається іонізація трифенілметанолу в концентрованій сульфатній кислоті:
трифенілметанол
Глава 16
232
Здатність трифенілметильної групи утворювати стійкі карбокатіони і карб-аніони зумовлена участю бензенових циклів у делокалізації позитивного або негативного заряду іона за рахунок кон’югації:
8+
трифенілметил-катіон
трифенілметил-аніон
Однак, незважаючи на те що центральний атом Карбону в трифенілметил-катіоні і трифенілметил-аніоні перебуває в $р2-гібридизованому стані, зазначені іони мають не площинну, а пропелероподібну структуру, в якій бензенові цикли вивернуті з площини на 30—40°. Таке розміщення бензенових кілець у просторі пов’язане зі стеричною взаємодією атомів Гідрогену в рр/яо-положеннях (рис. 16.1).
Вакантна р-АО
а
Рис. 16.1. Просторова будова:
а — трифенілметил-катіона; б — трифенілметил-аніона
Саме тому кон’югація центрального атома Карбону з кожним ядром дещо менша, ніж можна було б очікувати при площинній структурі.
При обробці трифенілхлорометану цинком, натрієм або тонкоздрібленим сріблом у бензеновому розчині утворюється вільний трифенілметильний радикал, що знаходиться в рівновазі зі своїм димером:
трифеніл-хлорометан
трифенілметил-радикал
похідна циклогексадієну
Уперше вільний трифенілметил-радикал було отримано 1900 року американським хіміком Мозесом Гомбергом при вивченні хімічних властивостей трифеніл-
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З ІЗОЛЬОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
233
хлорометану. Це був перший з радикалів, виділений у вільному вигляді. Причина такої високої стійкості трифенілметил-радикала порівняно з алкільними радикалами полягає в значній делокалізації неспареного електрона по всіх бензенових ядрах.
8(.)
Трифенілметил-радикал дуже реакційноздатна речовина: на повітрі легко окиснюється, утворюючи трифенілметил пероксид (С6Н5)3С—О—О—С(С6Н5)3, з металічним натрієм — трифенілметилнатрій (С6Н5)3С~№+, з йодом — йодотри-фенілметан (С6Н5)3С—І.
Трифенілметильний катіон, аніон і радикал мають характерне забарвлення: трифенілметил-катіон — червоно-оранжеве, трифенілметил-аніон — червоне, а вільний трифенілметил-радикал — жовте. Появу забарвлення в зазначених іонах і вільному радикалі зумовлює наявність в їхній структурі довгої кон’югованої системи (хромофору), що включає три бензенових цикли.
Похідні трифенілметану знайшли широке практичне застосування як барвники і лікарські препарати.
16.3.1. БАРВНИКИ ТРИФЕНІЛМЕТАНОВОГО РЯДУ
Трифенілметанові барвники є аміно- або гідроксипохідними трифенілметану. Представником амінотрифенілметанів є барвник брильянтовий -зелений:
соо
СООН
Брильянтовий зелений добувають конденсацією бензальдегіду з N,14-ді-етиланіліном у присутності кислотного каталізатора, частіше концентрованої хлоридної кислоти. Унаслідок реакції утворюється безбарвна речовина, так звана лейкооснова брильянтового зеленого [4,4'-£/с-(діетиламіно)трифенілметан], яку потім окиснюють плюмбум(ІУ) оксидом у кислому середовищі. При окисненні утворюється безбарвна речовина, що отримала назву карбінольна основа брильянтового зеленого [4,4'-6гс-(діетиламіно)трифенілкарбінол], яка зі щавлевою кислотою утворює сіль — барвник брильянтовий зелений:
Глава 16
234 -----------------------------------------------------------------------
лейкооснова брильянтового зеленого
бензальдегід
карбінольна основа брильянтового зеленого
Брильянтовий зелений — кристалічна речовина золотаво-зеленого кольору, розчинний у воді, етанолі, хлороформі. Водні розчини мають інтенсивно зелене забарвлення, носієм якого є катіон, що містить у своєму складі довгу кон’юговану систему, яка включає хіноїдне угруповання (хромофор), а також діетиламіно- і ді-етиламонійну групи (ауксохроми) (див. с. 314). Забарвлення брильянтовим зеленим малостійке до дії світла і вологих обробок, унаслідок чого барвник використовується переважно для фарбування нетекстильних матеріалів — паперу, деревини і т. ін.
Брильянтовий зелений використовують у медицині у вигляді 1—2 %-вих водних або спиртових розчинів як антисептичний засіб, а також при виготовленні бактерицидних лейкопластирів.
БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ З ІЗОЛЬОВАНИМИ БЕНЗЕНОВИМИ ЦИКЛАМИ
235
До амінопохідних трифенілметану належать також барвники — малахітовий зелений і кристалічний фіолетовий:
малахітовий зелений
кристалічний фіолетовий
Малахітовий зелений використовують для фарбування тканин (бавовни, вовни, шовку) у зелений колір, а кристалічний фіолетовий — переважно як кислотно-основний індикатор для титрування у водних і неводних середовищах. У водному середовищі він має
Мозес ГОМБЕРГ (1866-1947)
Американський хімік. Член Національної академії наук США.
Засновник хімії вільних радикалів. Уперше одержав (1897) тетрафенілме-тан. Відкрив (1900) існування вільних радикалів. Вивчав також металорга-нічні сполуки. Спільно зі своїм учнем В. Бахманом розробив спосіб конденсації двох арильних радикалів з утворенням похідних дифенілу (реакція Гомберга). Створив перший удалий антифриз для автомобілів.
Президент Американського хімічного товариства (1931).
два переходи забарвлення: в інтервалах рН = О...1,О жовте забарвлення переходить у зелене, а при рН = 1,0...2,6 — зелене переходить у фіолетове.
Представником гідроксипохідних трифенілметану є фенолфталеїн. Одержують його конденсацією фенолу з фталевим ангідридом у присутності концентрованої сульфатної кислоти. Унаслідок реакції утворюється безбарвна (лактонна) форма фенолфталеїну:
ОН
Фенолфталеїн — біла кристалічна речовина (т. пл. 259—263°С), практично нерозчинний у воді, добре розчиняється в етанолі. Фенолфталеїн використовують
Глава 16
236
в аналітичній практиці як кислотно-основний індикатор. У кислому і нейтральному середовищах він перебуває в безбарвній лакгонній формі, у лужному середовищі (при рН = 8,2... 10,0) набуває малиново-червоного забарвлення внаслідок утворення хіноїдної структури:
фенолфталеїн фенолфталеїн
(безбарвна форма) (форма з малиново-червоним забарвленням)
У сильнолужному середовищі (рН >12) малиново-червоне забарвлення фенолфталеїну зникає внаслідок утворення солі бензойної структури:
фенолфталеїн
(форма з малиново-червоним забарвленням)
безбарвна форма
Фенолфталеїн використовують у медицині як проносний засіб при хронічних запорах (пурген).
Глава 17
НЕБЕНЗОЇДНІ АРОМАТИЧНІ СПОЛУКИ
Як уже зазначалося, критерієм ароматичності сполуки є наявність у її структурі плоского циклу, що має замкнену кон’юговану систему, яка містить (4л+2) л-електронів. Цим вимогам задовольняє ряд сполук, які не містять у своєму складі бензенових циклів. Найважливішими представниками небензоїдних ароматичних систем є циклопентадієніл-аніон, циклогептатриєніл-катіон (тропілій-катіон) та біциклічний вуглеводень азулен.
не—СН
// \\
не _ сн
циклопентадієніл-аніон
6 я -електронів (п = 1)
нс=сн н< > НС^СН
циклогептатриєніл-катіон; тропілій-катіон 6 я-електронів (п = 1)
НС=^ \с^СН не І ^сн нс^сн сн азулен 10 я-електронів (п = 2)
17.1. ЦИКЛ ОПЕНТАДІЄНІ ЛАН ІОН
При взаємодії 1,3-циклопентадієну з металічним натрієм у киплячому ксилені активна метиленова група відщеплює протон, утворюючи циклопентадієнілнатрій, який містить ароматичний циклопентадієніл-аніон:
НС—СН // \\
не сн
N3
-н+
НС—сн // \\ не _ сн хсх н
н н
1,3- циклопентадієн циклопентадієнілнатрій
У циклопентадієніл-аніоні всі п’ять атомів Карбону знаходяться в ^-гібридизації. На п’ятьох р-орбіталях розміщаються шість р-електронів (чотири електрони двох л-зв’язків і два електрони аніонного центру) (рис. 17.1).
Унаслідок перекривання р-орбіталей утворюється замкнена я-електронна хмара, яка має ароматичний секстет електронів. При цьому негативний заряд аніонного центру рівномірно розподіляється поміж п’ятьма атомами Карбону.
Ароматичні властивості циклопентадієніл-аніона підтверджуються його здатністю вступати в реакції електрофільного заміщення (сульфування, азосполучен-ня), а також утворювати стійкі л-комплекси з катіонами двовалентних металів
Глава 17
238
Рис. 17.1. Схема утворення ароматичної системи циклопентадієніл-аніона
групи Феруму (Ферум, Кобальт, Нікол). При взаємодії циклопентадієнілнатрію із солями Феруму(ІІ) утворюється фероцен (дициклопентадієнілферум):
фероцен
Фероцен — представник групи металорганічних сполук, які отримали загальну
назву «металоцени».
О фероцерон
С
Методом рентгеноструктурного аналізу встановлено, що циклопентадієніль-ні аніони у фероцені розміщені один над одним у двох паралельних площинах, між якими розташований атом Феруму. Така будова, яка нагадує намазане масло між двома скибками хліба в бутерброді, отримала назву «сендвічевої структури» (від англ. запсіугіск — бутерброд).
Молекула фероцену — це л-комплекс, який утворюється внаслідок перекривання зв’язуючих л-МО двох циклопентадієніл-аніонів з вакантними АО катіона Феруму.
Фероцен — типова ароматична сполука. Він стійкий до нагрівання і каталітичного гідрування, вступає в реакції електрофільного заміщення — алкілювання та ацилювання за Фріделем—Крафтсом, сульфування.
У техніці фероцен використовують як антидето-СООКа натор і термічно стійкий теплоносій. Похідна фероцену — фероцерон — застосовується в медицині для лікування залізодефіцитних анемій.
17.2. ЦИКЛОГЄПТАТРИЄНІЛ-КАТІОН
Циклогептатриєніл-катіон (тропілій-катіон) утворюється при відщепленні гідрид-іона (атома Гідрогену з двома електронами) від метиленової групи
239
НЕБЕНЗОЇДНІ АРОМАТИЧНІ СПОЛУКИ
1,3,5-циклогептатриєну (тропілідену). Так, при взаємодії 1,3,5-циклогептатриєну з бромом утворюється тропілій бромід, який містить циклогептатриєніл-катіон:
0 8+ 8-
+ Вг->Вг її Н
1,3,5-циклогептатриєн
тропілій бромід
Тропілій-катіон має ароматичність. У семичленній циклічній структурі тропілі-євого іона всі атоми Карбону перебувають у ^-гібридизованому стані. Унаслідок перекривання шести одноелектронних р-орбіталей подвійних зв’язків і однієї вакантної р-орбіталі атома Карбону катіонного центру утворюється замкнена л-електронна хмара (ароматичний секстет), яка охоплює всі атоми Карбону циклу. При цьому позитивний заряд катіонного центру рівномірно розподіляється між сімома атомами Карбону (рис. 17.2).
Рис. 17.2. Схема утворення ароматичної системи циклогептатриєніл-катіона
Унаслідок ароматичності тропілій-катіон досить стійкий. Маючи дефіцит електронної густини, тропілій-катіон виявляє електрофільні властивості і легко вступає в реакції з нуклеофільними реагентами, утворюючи продукти приєднання, які призводять до порушення ароматичності:
0Вг-+ СН3СЖа —► + МаВг
н <осн3
тропілій бромід 7-метокси-1,3,5-циклогептатриєн
17.3. АЗУЛЕН
Азулен — біциклічна конденсована система, що складається з циклопентаді-єнового і циклогептатриєнового кілець:
н/сГ^с-Кн
НС6 І 2СН
нсЦу^сн
азулен;
біцикло[5.3.0]декапентаєн
Глава і
240
Молекула азулену має біполярну будову — атоми Карбону п’ятичленного цикл несуть частковий негативний, а семичленного — частковий позитивний заря;
Утворення біполярної структури зумовлено намаганням кожного кільця мат ароматичний секстет ^-електронів. Така можливість з’являється при переході од ного електрона із семичленного циклу в п’ятичленний, унаслідок чого п’ятичленн кільце набуває негативного заряду, а семичленне — позитивного.
Тому азулен можна розглядати як конденсовану систему, що складаєтьс з циклопентадієніл-аніона і тропілій-катіона. Азулен має ароматичність. Арома тичний характер азулену виявляється в схильності до реакцій електрофільного за міщення (галогенування, нітрування, сульфування, ацилювання), які перебігают по п’ятичленному кільцю в положеннях 1 або 1 і 3.
При нагріванні азулен ізомерується в нафтален:
“с^с\
не І ,сн нс"с^ сн азулен
нафтален
Алкілпохідні азулену містяться в ефірних оліях низки лікарських рослин (ро машки, деревію, полину, евкаліпта тощо). їх присутністю зумовлена протизапаль на дія цих рослин.
Глава 18
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
Галогенопохідними вуглеводнів називають продукти заміщення у вуглеводнях одного або кількох атомів Гідрогену атомами галогенів.
Галогенопохідні вуглеводнів залежно від природи вуглеводневого радикала поділяють на аліфатичні, аліциклічні та ароматичні. У ряді аліфатичних галогенопохідних вуглеводнів розрізняють насичені (галогеналкани) і ненасичені (галогеналке-ни, галогеналкіни). Ароматичні галогенопохідні вуглеводнів поділяють на сполуки, в яких атом галогену безпосередньо зв’язаний з ароматичним ядром (галогенарени), і речовини, що містять атом галогену в боковому ланцюзі (арилалкілгалогеніди). Відповідно до природи атома галогену галогенопохідні вуглеводнів підрозділяють на флуоро-, хлоро-, бромо-, йодопохідні. За кількістю атомів галогену в молекулі розрізняють моно-, ди-, три- та полігалогенопохідні вуглеводні.
18.1. НОМЕНКЛАТУРА
За замісниковою номенклатурою 11!РАС назви галогенопохідних вуглеводнів складають аналогічно назвам відповідних вуглеводнів. Атоми галогенів, які входять до їх складу, позначають у назві у вигляді префікса, до якого додають назву родоначальної структури. В аліфатичних галогенопохідних вуглеводнів за родоначальну структуру обирають головний вуглецевий ланцюг, в аліциклічних і ароматичних — цикл:
СН—СН—СН—СН3
Вг
2-бромобутан
Вг
бромобензен
Якщо при родоначальній структурі є кілька замісників, якими, крім атомів галогенів, можуть бути і вуглеводневі радикали, то в назві їх перелічують за алфавітним порядком. Атоми Карбону родоначальної структури нумерують у цьому разі таким чином, щоб замісник, позначений у назві першим, отримав якомога менший номер:
СН3— СН— СН,— СН—СН
3 І 2 І
Вг СН3
2-бром-4-метилпентан
сн,—сн—сн,—сн— сн, сі сн3
2-метил-4-хлоропентан
Глава 18
242
сн,—СН—СН — СН,—сн,
З І І 2 3
СН3 Вг
З-бром-2-метилпентан
1-бром-З-ізонропілбензен
У галогеналкенах і галогеналкінах нумерацію атомів Карбону головного ланцюга здійснюють так, щоб якомога менші номери отримали атоми Карбону кратного зв’язку:
5 4 3 2 1 сн9— сн9— сн—сн=сн9 I I 2 3 2 1 сн9—с=сн 1 2
Вг СН3 5-бром-3-метил-1-пентен СІ 3-хлоропропін
Для найпростіших галогенопохідних вуглеводнів широко використовують радикало-функціональну номенклатуру, за якою назву складають з назви вуглеводневого радикала, зв’язаного з атомом галогену, і суфікса -флуорид, -хлорид, -бромід або -йодид'.
СН — Р
метилфлуорид
/СІ С6Н—сн
бензиліденхлорид
С2Н—Вг
етилбромід
Н2С = СН—СІ
вінілхлорид
СЙН,—СН,—СІ од 2
бензилхлорид
н2с=сн—СН—І
алілйодид
Повністю галогеновані вуглеводні (всі атоми Гідрогену заміщені атомами галогену) називають пергалогенованими (у назвах використовують префікс пер-):
Р Р
Р—С—С—Р
Р Р
перфлуоретан
р р
/с=с\ р р
перфлуоретилен
За деякими галогеновуглеводнями збереглися тривіальні назви:
СН3С1 СНС13 СНВг3
хлористий метил хлороформ бромоформ
СНІ3
йодоформ
СІ
Н2С=С—сн=сн2
хлоропрен
18.2. ІЗОМЕРІЯ
Для галогенопохідних вуглеводнів характерні структурна, геометрична та оптична ізомерії.
Структурна ізомерія обумовлена різною структурою вуглецевого скелета молекули і різним положенням атомів галогенів у ланцюзі. Так, хлоробутан С4Н9С1 існує у вигляді чотирьох структурних ізомерів:
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
243
СН,—СН,—СН,—СН,
□ 2 2 । 2
СІ
1 -хлоробутан
сн,—сн—сн,
3 І І 2
сн3 СІ
2-метил-1 -хлоропропан
сн,—сн,—сн—сн,
□ 2 । Д
СІ
2-хлоробутан
сн,
І сн,—с—сн,
І
СІ
2-метил-2-хлоропропан
Дигалогенопохідні можуть бути представлені кількома структурними ізомерами, які відрізняються взаємним розташуванням атомів галогенів:
сн2—сн—сн3
сн2—сн—сн2
СІ
сн —сн2—сн
СІ
сн —с—сн3
СІ СІ
1,2-дихлоропропан
СІ СІ
1,3-дихлоропропан
СІ
1,1 -дихлоропропан
СІ
2,2-дихлоропропан
Дигалогенопохідні вуглеводнів з атомами галогенів біля одного і того ж атома Карбону називають гемінальними (скорочено гем), біля сусідніх атомів Карбону — віцинальними (скороч. вій,).
/Бг СН3—СН2—СН
ХВг
гем-дибромопропан
сн —сн—сн
Вг Вг
вщ-дибромопропан
2
Для галогеналкенів, які мають різні замісники при атомах Карбону, що утворюють подвійний зв’язок, поряд зі структурною ізомерією можлива геометрична ізомерія'.
Н Н
С=С
СІ СН3
СІ н
/с=с\ н сн3
цис-1 -хлоропропен
транс-1 -хлоропропен
Для галогеналканів, що містять у своїй структурі асиметричний атом Карбону, характерна оптична ізомерія (див. розд. 5.2.2). Так, 2-хлоробутан СН3СН2СНС1СН3 існує у вигляді двох дзеркальних ізомерів (енантіомерів):
СН, Н—|—СІ
С2Н5
2-хлоробутан;
8- 2-хлоробутан
сн,
СІ—|—Н
С2Н5
£-2-хлоробутан; Я-2-хлоробутан
Глава 18
244
18.3. ГАЛОГЕНАЛКАНИ
18.3.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Галогенування алканів. Взаємодія алканів з галогенами здійснюється при УФ-опромінюванні за вільнорадикальним механізмом 8К (див. с. 133). Метод дозволяє одержати хлор- і бромалкани. Вадою цього способу є утворення суміші моно-, ди- і полігалогеналканів:
СН4
сі2; йу
-неї *
СН3С1
С12; ку Сі2; ку
—-—► гн сі ______-__►
-на -на
а2; ку
СНС13 СС14
хлорометан
дихлорометан
трихлорометан; тетрахлорометан
хлороформ
Приєднання галогеноводнів до алкенів (див. с. 147).
сн3->сн=О:н2 + нвг —► сн3—сн—сн3
Вг
пропен 2-бромопропан
Метод дозволяє одержати флуор-, хлор-, бром- і йодалкани.
Добування зі спиртів. Для одержання галогеналканів зі спиртів як галогенуючі реагенти використовують галогеноводні (НС1, НВг, НІ), галогеніди фосфору (РС13, РС15, РВг3, РВг5) і тіонілхлорид 8ОС12.
Взаємодія спиртів з галогеноводнями відбувається за такою схемою:
С2Н—ОН + НВг —► С2Н—Вг + Н2О
етанол брометан
Зазвичай галогеноводні виділяються безпосередньо в процесі взаємодії солей галогеноводневих кислот з концентрованою сульфатною кислотою:
С2Н,—ОН + КВг + Н28О4 —► С?Н,— Вг + КН8О4 + Н,О
За допомогою цієї реакції можна одержати хлор-, бром- та йодалкани. Особливості перебігу реакції залежно від будови спирту і природи галогеноводню, а також механізм взаємодії розглянуто в розд. 22.1.5.
З більш високими виходами галогеналкани утворюються при взаємодії спиртів з фосфор(ІІІ) або фосфор(У) галогенідами, а також з тіонілхлоридом 8ОС12:
зс2н5—ОН + РС13 —► зс2н—СІ + Н3РО3
с2н—он + РС15 —► с2н5—Сі + неї + РОСІ
с2н—он + 8ОС12 —► С2н-С1 + НСИ + 8О2і
Реакція з тіонілхлоридом найзручніша, тому що всі побічні продукти є газоподібними речовинами і легко виходять з реакційного середовища.
Взаємодія галогеналканів із солями галогеноводневих кислот (реакція Фінкель-штейна). При дії на хлор- або бромалкани натрій йодиду в середовищі ацетону відбувається заміщення атома Хлору або Брому на атом Йоду:
ацетон
С2Н—Вг + N31 -----------► С2н—І + ИаВг
Реакцію використовують для одержання йодалканів з більш доступних хлоро-або бромопохідних вуглеводнів.
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
245
18.3.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За звичайних умов нижчі галогеналкани — безбарвні гази або рідини зі своєрідним солодкуватим запахом, середні — рідини, вищі — тверді речовини (табл. 18.1).
Таблиця 18.1
Фізичні характеристики галогеналканів
Сполука Назва Температура, °С
плавлення кипіння
СН3Р Флуорометан -141,8 -78,6
СН3С1 Хлорометан -96,7 -23,8
СН3Вг Бромометан -93,6 -3,6
СН3І Йодометан -66,1 42,5
сн3сн2р Флуоретан -143,2 -37,7
СН3СН2С1 Хлоретан -138,7 12,2
СН3СН2Вг Брометан -119 38,2
СН3СН2І Йодетан -108,5 72,2
СН3СН2СН2С1 1-Хлоропропан -122,8 47,2
СН2С12 Дихлорометан -96,7 40,1
СНС13 Трихлорометан -63,5 61,3
СНВг3 Трибромометан 8 150
СНІ3 Трийодометан 119 210 (розклад)
СС14 Т етрахл орометан -22,8 76,8
Температура кипіння зростає зі збільшенням атомної маси галогену, кількості атомів галогену (за винятком флуоропохідних) і довжини вуглецевого ланцюга молекули. Нижчі галогеналкани практично нерозчинні у воді, але легко розчиняються в органічних розчинниках. Деякі з них є ефективними розчинниками. Багато галогеналканів мають наркотичну дію.
18.3.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Галогеналкани — досить реакційноздатні речовини. Найбільш характерні для них реакції нуклеофільного заміщення (5д,) і відщеплення (£). Вони також здатні до взаємодії з металами і відновлення.
РЕАКЦІЇ НУКЛЕОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ (5^
Галогеналкани є електрофільними реагентами. їх електрофільні властивості зумовлені полярністю зв’язку С—Наі. Оскільки атом галогену виявляє більшу електронегативність, ніж атом Карбону, електронна густина зв’язку С—Наі у галогеналканів зміщена до атома галогену. У результаті атом галогену набуває часткового негативного (3-), а атом Карбону — часткового позитивного (8+) заряду 8+ 8-
(С—•'Наі). Електронодефіцитний атом Карбону стає електрофільним центром молекули галогеналкану і може бути атакований нуклеофільним реагентом. У процесі атаки нуклеофіл надає пару електронів для утворення хімічного зв’язку з елек-
Глава 18
246
тронодефіцитним атомом Карбону, а атом галогену відщеплюється від молекули галогеналкану з електронною парою зв’язку С—Наї:
\8+> 8— \
-ЧЗ->На1 + N11 —► -42 —N11 + Наї
галогеналкан нуклеофіл продукт відхідна
заміщення група
Таку реакцію називають реакцією нуклеофільного заміщення і позначають символом 5д/. Нуклеофільними реагентами можуть бути речовини, які містять у молекулах атоми з неподіленими парами електронів (ЙН3, В.—Т4Н2, В2Т4Н, НОН тощо), або речовини, що утворюють при дисоціації аніони (нуклеофільні частинки): №ОН (ОН-), С2Н5(Жа (С2Н5О-), КСN (СК-), N384 (8Н-), Ка1ЧО2 (ЬЮ2), СН,СООЖ (СН3СОО ), КВг (Вг-), КІ (Г) тощо.
У результаті нуклеофільного заміщення в структуру нуклеофілу вводиться ал-кільний замісник, тобто відбувається алкілювання нуклеофілу. Тому галогеналкани є алкілюючими реагентами.
Схильність галогеналканів до реакцій 8Н визначається полярністю зв’язку С—Наї {статичний фактор). Виходячи з величин електронегативностей атомів галогенів (див. с. 47), полярність зв’язку С—Наї збільшується в ряду: С—І < С—Вг < < С—СІ < С—Р. Отже, можна припустити, що флуоропохідні галогеналканів мають бути більш реакційноздатні, ніж хлоропохідні, а останні — більш активними, ніж бромо- і йодопохідні.
Реально ж реакційна здатність галогеналканів у реакціях зменшується в ряду:
В—І > В—Вг > В—СІ » В—Р
Реакційна здатність галогеналканів у 5реакціях
Закономірність, що спостерігається, пояснюється поляризованістю зв’язку С—Наї, тобто здатністю зв’язку збільшувати полярність при підході нуклеофільного реагенту {динамічний фактор). Як відомо, поляризованість зв’язку тим більша, чим більш об’ємиста і рухлива електронна оболонка атомів, які утворюють зв’язок. Серед галогенів найвищу поляризованість має атом Йоду, найменшу — атом Флуо-ру, а тому зв’язок С—І більш схильний до гетеролітичного розриву, ніж зв’язок С—Р. Через низьку поляризованість зв’язку С—Р флуоралкани практично не вступають у реакцію нуклеофільного заміщення. Активність інших галогеналканів відносно нуклеофілів знижується в ряду:
В—І > В—Вг > В—СІ
Залежно від будови галогеналкану, природи нуклеофілу і розчинника реакції нуклеофільного заміщення перебігають за двома основними механізмами: механізмом 5у2 і механізмом 5^1.
Механізм 5у2 (бімолекулярне нуклеофільне заміщення). За механізмом 5^2 реакція відбувається в одну стадію через утворення перехідного стану, у побудові якого бере участь як молекула галогеналкану, так і нуклеофільний реагент.
У механізмі 5у2 нуклеофіл атакує електрофільний центр молекули галогеналкану (атом Карбону, зв’язаний з атомом галогену) з боку, протилежного зв’язку С—Наї (атака з тилу). При зближенні нуклеофілу з галогеналканом у їх молекулах відбувається перерозподіл електронної густини хімічних зв’язків. У результаті
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
247
утворюється перехідний стан як украй нестійке сполучення двох реагентів, в якому зв’язок С—Наі послаблюється і починає формуватися зв’язок С—N11. Перехідний стан перебуває в рівновазі з вихідними реагентами. Йому відповідає максимум на енергетичній діаграмі реакції. У міру подальшого зближення реагентів у перехідному стані відбувається синхронний процес розриву зв’язку С—Наі і утворення зв’язку С—N11:
.. _ \^8+
N4 + Наі
перехідний стан
N11 — С
+ Наі
З позицій теорії МО при утворенні перехідного стану відбувається перегібридизація центрального атома Карбону, а саме: вихідна зр3-гібридизація змінюється на 5р2-гібридизацію. Унаслідок цього три нереагуючі зв’язки атома Карбону розташовуються в одній площині, перпендикулярно якій знаходиться негібридизована р-орбіталь. Одна частина цієї р-орбіталі частково перекривається з орбіталлю атакуючого нуклеофілу, а друга — з орбіталлю атома галогену (рис. 18.1).
Якщо електрофільним центром у молекулі галоген-алкану є асиметричний атом Карбону, то нуклеофільне заміщення атома галогену супроводжується оберненням
конфігурації. Це підтверджує, що в механізмі 5Л2 нуклеофільна атака електрофільного центру галогеналкану здійснюється з тилу (фронтально):
3 \б+ ..8-
N13 З- р^\ч***С Вг: —
с2н5
Рис. 18.1. Схема перекривання р-орбіталі атома Карбону в перехідному стані з орбіталлю атакуючого нуклеофілу і атома галогену
/СН, N0—С’.,г/ + вн
'с.н,
сн,
8- І 8-
N11 -“£---Вг
н*' с2н5
Я-ізомер 5-ізомер
За пропозицією англійського хіміка К. Інгольда описаний механізм одержав позначення 5Л2. Буква 8 указує на заміщення, N — на нуклеофільний тип реакції, а цифра 2 позначає, що реакція є бімолекулярною, тобто в стадії, яка визначає швидкість реакції в цілому (у цьому випадку утворення перехідного стану), беруть участь два реагенти (галогеналкан і нуклеофіл). Швидкість реакцій, які перебігають за механізмом 5^2, залежить від концентрації обох реагентів і описується кінетичним рівнянням другого порядку о = ЦЯ—Наі] [N11].
Чинники, які сприяють перебігу реакцій за механізмом 8^. Реакційна здатність галогеналканів за механізмом 5^2 тим вища, чим більший частковий позитивний заряд на атомі Карбону, зв’язаному з атомом галогену. Тому серед первинних галогеналканів активність підвищується в ряду:
8"+ 8'+ 8+
СН3->СН2->СН2-> Вг < СН,-*СН2-^Вг < СН3->Вг
8"+ < 8'+ < 8+
Реакційна здатність галогеналканів у 8^-реакціях
Глава 18
248
Однак поряд з електронними факторами значно більше впливають на реакційну здатність галогеналканів за механізмом 5^2 просторові чинники. Чим більші кількість і об’єм замісників при атомі Карбону, зв’язаному з атомом галогену, тим важче утворюється перехідний стан через просторові перешкоди. У зв’язку з цим за механізмом Уу2 легко реагують первинні і дещо важче — вторинні галогеналкани. Третинні галогеналкани через просторові перешкоди в реакції нуклеофільного заміщення за механізмом 5^2 не вступають.
Для реакцій, які перебігають за механізмом 8^1, важливе значення має природа нуклеофілу, тому що він бере участь в утворенні перехідного стану. Чим вища реакційна здатність нуклеофілу, тим легше проходить реакція за механізмом 8М2.
Під нуклеофільністю (нуклеофільною силою) реагенту розуміють його здатність утворювати за рахунок неподіленої пари електронів ковалентний зв’язок з елек-тронодефіцитним атомом Карбону.
Нуклеофільність реагенту залежить від низки чинників: електронегативності і поляризованості нуклеофільного центру (атома з неподіленою парою електронів, або негативним зарядом), характеру замісників, зв ’язаних з нуклеофільним центром, і розчинника.
При рівних інших факторах зі збільшенням електронегативності атома нуклеофільного центру в межах одного і того ж періоду Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва неподілені пари електронів утримуються міцніше і, отже, нуклеофільність реагенту зменшується. Так, нуклеофільність таких сполук і відповідних їм аніонів знижується в рядах:
Г4Н3 > Н2О > НР
МН2 > ОН" > Р“
Нуклеофільність
Слід зазначити, що нуклеофільність іона значно вища від нуклеофільності відповідної нейтральної молекули:
КН2 > Г4Н3; ОН“ > Н2О; 8Н > Н28
У межах групи Періодичної системи елементів нуклеофільність збільшується згори вниз відповідно до зростання поляризованості нуклеофільного центру. Так, нуклеофільність галогенід-іонів збільшується в ряду:
Аналогічно нуклеофільність сульфуровмісних нуклеофілів вища, ніж в оксигено-вмісних аналогів:
К8“ > КО“; 8Н > ОН“
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
249
На нуклеофільність реагенту впливають замісники, зв’язані з нуклеофільним центром. Електронодонорні замісники підвищують електронну густину в нуклео-фільному центрі і приводять до збільшення нуклеофільності, а елекгроноакцеп-торні, навпаки, знижують нуклеофільність:
сн3-*-к’н2 > Мн3 >
Нуклеофільність реагентів
Вплив розчинника на нуклеофільність визначається ефектом сольватації.
Розчинник, молекули якого містять атом Гідрогену, здатний до утворення водневого зв ’язку або до взаємодії з основою, називають протонним.
Протонні полярні розчинники (вода, спирти, мурашина кислота, оцтова кислота тощо) добре сольватують як катіони, так і аніони. Сольватуючи нуклеофіл, вони знижують його реакційну здатність і, отже, сповільнюють реакції, що йдуть за механізмом 5Л2.
Розчинник, молекули якого не містять атом Гідрогену, здатний до утворення водневого зв ’язку або до взаємодії з основою, називають апротонним.
Апротонні полярні розчинники (диметилформамід НСОК(СН3)2, диметил-сульфоксид (СН3)28О, ацетон СН3СОСН3, ацетонітрил СН3—С=И тощо) сольватують тільки катіони, тому швидкість реакцій 5^2 у них суттєво підвищується.
Механізм 5^1 (мономолекулярне нуклеофільне заміщення). На відміну від механізму 8^, де розрив зв’язку С—Наї і утворення зв’язку С—N11 відбувається синхронно, у механізмі 5У1 розрив зв’язку С—Наї передує утворенню зв’язку С—N0.
За механізмом 5У1 реакція перебігає через дві стадії:
І попільно І ,
Стадія І — С—Наї .. ►. — С+ + Наї
карбокатіон
Стадія II — С+ + Ми” швидк0» — С—Ки
На стадії І відбувається іонізація молекули галогеналкану з утворенням карбо-катіона і галогенід-іона. Процес іонізації проходить повільно, а тому він визначає швидкість усієї реакції. Іонізації галогеналкану сприяє розчинник.
На стадії II катіон, що утворився, швидко взаємодіє з нуклеофільним реагентом, утворюючи кінцевий продукт реакції.
Механізм нуклеофільного заміщення, який здійснюється за розглянутою схемою, називають мономолекулярним, оскільки на стадії, яка визначає швидкість усього процесу (стадія І), бере участь молекула лише одного реагенту — галогеналкану. Такий механізм позначають 5^1.
Швидкість реакцій, які перебігають за механізмом 5^1, залежить лише від концентрації галогеналкану та описується кінетичним рівнянням першого порядку: о = £[К—Наї].
Оптично активні третинні галогеналкани, в яких атом галогену зв’язаний з асиметричним атомом Карбону, у реакціях 5^1 здебільшого утворюють раце-
Глава 18
250
мічні форми. Це зв’язано з тим, що утворений на стадії 1 реакції карбокатіон має площинну конфігурацію (катіонний центр перебуває в 5р2-гібридизації) і може бути атакований нуклеофільним реагентом з однаковою імовірністю з обох боків площини. А це приводить до утворення рівних кількостей двох стереоізомерів, тобто до рацемізації:
Указані експериментальні дані підтверджують механізм 5^1.
Чинники, що сприяють перебігу реакцій за механізмом 5^1. Проходженню реакцій за механізмом 8ц\ сприяють такі чинники:
> просторові перешкоди для атаки нуклеофілом електронодефіцитного атома Карбону галогеналкану;
х здатність сполук утворювати дуже стійкі карбокатіони;
> висока іонізуюча і сольватуюча здатність розчинника.
За механізмом 5Л1 відбувається нуклеофільне заміщення в третинних і за певних умов — у вторинних галогеналканах.
У молекулі третинного галогеналкану /ире/п-бутилброміду (СН3)3С—Вг три метильні групи створюють просторову перешкоду для підступу нуклеофілу до електрофільного центру, і, отже, його атака з тилу стає неможливою. Разом з тим третинні галогеналкани в сильнополярних середовищах здатні до іонізації:
СН3—С —Вг <=► СН3—С+ + ВГ
І І
сн3 сн3
Як відомо, іонізація сполуки тим легша, чим стабільніші іони, що утворюються. Стійкість алкільних карбокатіонів зумовлена делокалізацією позитивного заряду за рахунок +/-ефекту алкільних груп:
+ + V*3 їНз
сн3 < сн3->сн2 < сн—сн < сн—с+
сн3
Відносна стабільність карбокатіонів
Тому утворення третинного карбокатіона для молекули енергетично вигідніше, ніж вторинного, і тим більше — первинного. Звідси третинні галогеналкани легше піддаються іонізації, ніж вторинні та первинні, і тому найбільше реакційноздатні в реакціях, які проходять за механізмом 5^1.
Вплив розчинника на перебіг реакцій за механізмом 8^ зумовлений ефектом сольватації. Протонні полярні розчинники, такі як вода, спирти, мурашина
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
251
кислота, оцтова кислота, сприяють іонізації галогеналкану і добре сольватують карбокаті-они та аніони, що утворюються, підвищуючи їх стійкість. Ці розчинники прискорюють реакції, які проходять за механізмом 5^1.
Таким чином, на підставі вищевикладе-ного можна зробити висновок, що первинні га-_ і.ікани зазвичай реагують за механізмом пре тинні — за механізмом 5Л1. Вторинні < еналкани, залежно від природи нуклеофілу чинника, можуть реагувати як за механіз-... 5\2, так і за механізмом 5Л1.
Сильні нуклеофільні реагенти і апротон-ні полярні розчинники (нітробензен, диме-тилформамід, ацетонітрил тощо) сприяють перебігу реакції за механізмом 5Л2, а протонні полярні розчинники (вода, метиловий спирт, етиловий спирт, мурашина кислота, оцтова кислота тощо), які мають високу сольватуючу здатність, сприяють взаємодії за механізмом 5^1.
Деякі нуклеофільні реагенти містять аніони, що мають у своєму складі два і більше ну-клеофільних центри: нітрит-іон [:О—N=0]", ніанід-іон [:С=М]- тощо. Такі іони виявляють двояку реакційну здатність і називаються амбідентними.
У реакціях, які проходять за механізмом 5уу2, амбідентні іони атакують електрофіль-ний реагент реакційним центром з більшою нуклеофільністю, тобто атомом Нітрогену в нітрит-іоні та атомом Карбону в ціанід-іоні.
Александер Вільям ВІЛЬЯМСОН (1824-1904)
Англійський хімік-органік. Навчався в X. Г. Гмеліна (з 1840 ) і Ю. Лібіха (з 1844).
Основні наукові праці присвячені дослідженню реакцій одержання ете-рів. Довів (1851), що етери утворюються в результаті міжмолекулярної дегідратації спиртів. Розробив спосіб одержання етерів, який ґрунтується на взаємодії алкіл галогенідів з алкоголятами і фенолятами (синтез Віль-ямсона). Уперше синтезував (1851) змішані етери. Запропонував (1852) спосіб одержання кетонів нагріванням змішаних солей різних кислот. Президент Лондонського хімічного товариства (1863, 1865, 1869-1871).
У реакціях, які йдуть за механізмом 5дД, утворений проміжний карбокатіон активніше взаємодіє з реакційним центром з вищою електронною густиною, а саме атомом Оксигену в нітрит-іоні та атомом Нітрогену в ціанід-іоні. Досить часто
заміщення в галогеналканах здійснюється паралельно за механізмами 5у2 і 5у1. Галогеналкани вступають у численні реакції нуклеофільного заміщення (5^).
Гідроліз галогеналканів. Галогеналкани при гідролізі утворюють спирти. Реакція з водою відбувається повільно і є оборотною:
С2Н5— Вг + НОН С2Н—ОН + НВг
брометан етанол
Тому зазвичай гідроліз проводять у присутності водних розчинів лугів або карбонатів лужних металів:
С2Н5—Вг + КаОН —► С2Н—ОН + МаВг
Взаємодія з алкоголятами і фенолятами (реакція Вільямсона). При дії на галогеналкани алкоголятів і фенолятів утворюються етери. Третинні галогеналкани утворюють алкени як побічні продукти:
Глава 18
252
С,Н,— Вг + ЙаО—С2Н, —► С,Нс—О —С7Н5 + ИаВг
X А, А» і. О
натрій етилат діетиловий етер
С2н5—Вг + ЙаО——► С2н— О—+ №Вг
натрій фенолят етилфеніловий естер
Реакція відкрита 1851 року англійським хіміком Александером Вільямом Віль-ямсоном і використовується як один з кращих методів добування етерів.
Взаємодія із солями карбонових кислот. При дії на галогеналкани солей карбонових кислот у середовищі апротонного полярного розчинника (диметилформамі-ду, диметилсульфоксиду) з високим виходом утворюються естери (за механізмом ЗД:
С,Н5—Вг + N30—С —СН. —► С,Н,— О — С—СН. + ИаВг
25 II 3 2 5 II 3
О о
натрій ацетат етилацетат
Взаємодія з амоніаком, алкіл- і ариламінами. При взаємодії галогеналканів з надлишком амоніаку утворюється суміш первинних, вторинних і третинних амінів, а також солі четвертинних амонієвих основ (опис реакції див. на с. 282).
Утворення первинного аміну відбувається за схемою:
С2Н5-Вг [С2Н-ЙН3]Вг С2Н-ГМН2
етиламоній бромід етиламін
Аналогічно реагують галогеналкани з алкіл- і ариламінами (див. с. 286, 292).
Взаємодія із солями ціанідної кислоти. Оскільки ціанід-іон є амбідентним нуклеофіл ом, при взаємодії галогеналканів із солями ціанідної кислоти утворюються нітрили або ізонітрили (ізоціаніди) залежно від умов проведення реакції.
Первинні і вторинні галогеналкани із солями лужних металів ціанідної кислоти (КСТЧ, №СМ) у середовищі апротонного полярного розчинника з високим виходом утворюють нітрили (механізм 5^2):
С2Н5—Вг + №СИ —► С2Н— С=И + ИаВг
пропанонітрил
Основними продуктами реакції вторинних і третинних галогеналканів з ар-гентум ціанідом у середовищі протонного полярного розчинника є ізонітрили (ізоціаніди) (механізм 5у1).
СЩ\ снз\ + -
3;сн—Вг + А^ —► /СН—N=0 + А§ВгІ
сн; сн;
ізопропілізоціанід
Взаємодія із солями нітритної кислоти. Взаємодія галогеналканів із солями нітритної кислоти, що містять амбідентний нітрит-іон, відбувається залежно від умов проведення реакції з утворенням нітросполук або естерів нітритної кислоти.
Первинні і вторинні галогеналкани з натрій нітритом в умовах реакції 8$. утворюють переважно нітросполуки:
С2Н—Вг + КаИО2 —► С2Н5—N€>2 + ИаВг
нітроетан
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
253
Вторинні і третинні галогеналкани з аргентум нітритом А§ЬЮ2 в умовах реакції УдД утворюють з високим виходом естерів нітритної кислоти:
СН3\ СНзЧ
3;СН—Вг + А§ИО2 —► /СН—О—N=0 + А§Вгі
сн/ сн/
3 ізопропілнітрит
Взаємодія із солями галогенідних кислот (реакція Фінкельштейна). Ця реакція дозволяє замінити в молекулі галогеналкану один атом галогену іншим. Взаємодія галогенів із солями галогенідних кислот — процес оборотний. Для зсуву рівноваги вправо використовують різну розчинність вихідних речовин і продуктів реакції. Реакція має практичне значення для одержання первинних флуор- і йодалканів з більш доступних хлоро- і бромопохідних. Для одержання йодидів реакцію проводять в ацетоні, тому що натрій йодид розчинний в ацетоні, а №С1 або ИаВг, які утворюються в процесі взаємодії, випадають в осад:
С2Н—СІ + МаІ ацетон » С2Н—І + Касі!
Взаємодія з гідросульфідами і сульфідами лужних металів. При дії на первинні і вторинні галогеналкани гідросульфідів лужних металів утворюються тіоспирти (меркаптани), при дії сульфідів — тіоетери.
С2Н —І + Иа8Н —► С2Н—8Н + N31
етантіол
2С2Н —І + Ка28 —► С2Н5—8 —С2Н5+ 2КаІ
діетилсульфід
РЕАКЦІЇ ЕЛІМІНУВАННЯ (Е)
Кожний реагент, що містить атом з неподіленою парою електронів або негативним зарядом, нарівні з нуклеофільними виявляє також і основні властивості (див. с. 93). Отже, він здатний не тільки надавати пари електронів для утворення зв’язку з електрофільним атомом Карбону, але і відщеплювати від молекули, яка має рухливі атоми Гідрогену, протон Н+. У молекулі галогеналкану набувають рухливості атоми Гідрогену при Р-атомі Карбону внаслідок -/-ефекту атома галогену:
Р
8'+ 8+ 8-
К— СН->СН,->На1
І
Тз"+
Н
Тому в більшості випадків разом з реакцією нуклеофільного заміщення атома галогену паралельно проходить реакція відщеплення галогеноводню з утворенням алкену. Реакції відщеплення, в яких аніон галогену Наї- і протон Н+ відщеплюються від сусідніх атомів Карбону з утворенням п-зв’язку між ними, називають Р-елімінуванням.
СН3—СН—І + КаОН —
нуклеофільне заміщення
-№1
р-елімінування
-МаІ; -НОН
сн3—сн—он
етанол
Н2С=СН2 етен
Реакції нуклеофільного заміщення та елімінування конкурують одна з одною і за певних умов кожна з них може стати домінуючою. Відщеплення галогеноводню від галогеналкану стає переважним процесом у присутності нуклеофільних
Глава 18
254
реагентів, які мають високу основність. До них належать спиртові розчини гідроксидів лужних металів (спиртовий розчин №ОН, КОН) або алкоголяти лужних металів (С2Н5ОМа, С2Н5ОК і т. ін.). Елімінуванню сприяють також підвищення температури реакційної суміші і концентрації реагентів. Сприятливо впливає збільшення кількості замісників біля електрофільного атома Карбону. Тому найлегше елімінування відбувається в ряду третинних галогеналканів.
Якщо в молекулі галогеналкану є кілька альтернативних шляхів відщеплення га-логеноводню, то реалізується з них переважно той, на якому подвійний зв'язок утворюється при найбільш заміщеному атомі Карбону, тобто разом з галогеном відходить Гідроген від найменш гідрогенізованого сусіднього атома Карбону.
Ця закономірність отримала назву «правило Зайцева»'.
сн3
сн3—сн—сн—сн3
Вг
сн3
|—► сн—с=сн —сн3
2-метил-2-бутен
ИаОН (С2Н5ОН)
-ИаВг; -Н,О СН3
І
*—► сн— сн— сн=сн2
(основний продукт реакції)
(побічний продукт реакції)
3-метил- 1-бутен
Аналогічно нуклеофільному заміщенню елімінування галогеналканів може проходити за бімолекулярним (£2) і мономолекулярним (£1) механізмами.
Механізм Е2 (бімолекулярне елімінування). Механізм бімолекулярного елімінування Е2 подібний до механізму бімолекулярного нуклеофільного заміщення 5^2.
Механізм Е2 зображується такою схемою:
^8+ |р І а
В + н —С —С—Наї
5- ( І * І 5-
В — н — С=“С—Наї
основа галогеналкан
перехідний стан
—► В —Н + ^С=сґ + НаГ
Як бачимо, реакція за механізмом Е2 аналогічно механізму 8^2 проходить в одну стадію з утворенням перехідного стану, у формуванні якого беруть участь молекули двох реагентів. Тому швидкість такої реакції залежить від концентрації обох реагентів і описується кінетичним рівнянням другого порядку. Процеси розриву й утворення зв’язків у перехідному стані відбуваються синхронно.
Різниця між механізмами 5^2 і Е2 полягає в тому, що в механізмі 5^2 частинка з неподіленою парою електронів або яка несе негативний заряд, атакує елекгро-фільний атом Карбону молекули галогеналкану, діючи при цьому як нуклеофіл, а в механізмі Е2 вона атакує атом Гідрогену при 0-атомі Карбону, діючи як основа. Тому процеси 5у2 і Е2 є конкурентними. Найлегше за механізмом Е2 відбувається елімінування в ряду первинних галогеналканів.
Механізм £1 (мономолекулярне елімінування). Як механізм Е2 подібний до механізму 5^2, так і механізм Еї має велику схожість з 5^ і конкурує з ним.
Реакція, яка проходить за механізмом Е\, складається з двох стадій. На стадії І, як і в реакціях за механізмом 5^1, під дією розчинника відбувається іонізація мо
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
255
— С —С+ + НаГ
Н карбокатіон ^с=с^ + Н+
алкен
лекули галогеналкану з утворенням карбокатіона. Процес іонізації йде повільно і визначає швидкість реакції в цілому. На стадії II карбокатіон стабілізується, відщеплюючи протон від 0-атома Карбону, і утворює алкен:
„ I ' повільно
Стадія І —С — С—Наї < ►
Н галогеналкан
Стадія II — С—>С+ ШВИДКО
н '
карбокатіон
Акцептором протона часто служить сам розчинник, наприклад вода, тому реакція, яка перебігає за механізмом £1, звичайно не вимагає присутності основи як реагенту. У реакції елімінування за механізмом Еї найлегше вступають третинні галогеналкани.
ВЗАЄМОДІЯ 3 МЕТАЛАМИ
Галогеналкани реагують з деякими металами (найчастіше — з магнієм), утворюючи металорганічні сполуки. При взаємодії галогеналканів з металічним магнієм у середовищі безводного діетилового етеру утворюються магнійорганічні сполуки, відомі як реактиви Гриньяра,
С2Н5а + М§ -2^ С2Н5М§С1
етилмагнійхлорид
Реактиви Гриньяра — надто реакційноздатні речовини. їх активність зумовлена полярністю зв’язку С—М§. Оскільки атом Карбону має більшу електронегативність, ніж Магній, зв’язок поляризований таким чином, що на атомі Карбону локалізується частковий негативний заряд СН3—СН2-*-М§С1. Магнійорганічні сполуки є сильними нуклеофільними реагентами і сильними основами.
При взаємодії галогеналканів з металічним натрієм металорганічні сполуки утворюються як проміжний продукт (див. реакцію Вюрца, с. 131).
ВІДНОВЛЕННЯ ГАЛОГЕНАЛКАНІВ
При відновленні галогеналканів утворюються алкани. Як відновник використовують водень у присутності каталізаторів гідрування або йодоводень:
С,Н,С1 + Н2 С9НЙ + НСІ
2 3 2 2 0
С2Н5СІ + 2НІ С2Н6 + НСІ + І2
18.4. ДИГАЛОГЕНАЛКАНИ
Дигалогеналкани містять у своєму складі два атоми галогену. Атоми галогенів можуть знаходитися біля одного і того ж атома Карбону (гемінальні дигалогенал-сани), біля сусідніх атомів Карбону (віцинальні дигалогеналкани) або розділені кількома вуглець-вуглецевими зв’язками.
Глава 18
256
18.4.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Приєднання галогеноводнів до алкінів (див. с. 169) призводить до утворення гемінальних дигалогеналканів:
Г1
неї неї /
НС=СН -------► Н2С = СН —СІ -------► СН3—СН
\і
етин хлоретен 1,1 -дихлоретан
Взаємодія альдегідів і кетонів з пентагалогенідами фосфору (РС15, РВг5). У процесі реакції утворюються гемінальні дигалогеналкани:
О ХС1
СН3—+ РС15 СН3—СН + РОС13
н \і
ацетальдегід 1,1-дихлоретан
Вг
І
СН3—С —СН, + РВг, СН,—С —СН, + РОВг,
З ц о з з । з з
О Вг
ацетон 2,2-дибромопропан
Приєднання галогенів до алкенів (див. с. 146) веде до утворення віцинальних дигалогеналканів.
СН,—СН=СН, + Вг, СН,—СН—сн9
З X / 3 । । £
Вг Вг
1,2-дибромопропан
18.4.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Хімічні властивості дигалогеналканів аналогічні властивостям моногалогенал-канів: вступають у реакції нуклеофільного заміщення і відщеплення.
Так, при лужному гідролізі дигалогеналканів, в яких атоми галогену перебувають при різних атомах Карбону, утворюються двохатомні спирти — гліколі: сн3—сн—сн2 2№0”; *Н2О)» СН3—СН—СН2
СІ СІ он он
1, 2-дихлоропропан пропіленгліколь
У присутності спиртових розчинів лугів при нагріванні гемінальні і віцинальні дигалогеналкани піддаються елімінуванню з утворенням алкінів:
СІ
сн3—СН
СІ
1,1-дихлоретан
сн3—сн—сн2
СІ СІ
1,2-дихлоропропан
2ЦаОН; (С2Н5ОН) * -2№С1; —2Н2О
2№ОН; (С2Н5ОН)
-2№С1; -2Н2О
нс=сн
ацетилен
сн3—с^сн
пропін
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
257
Однак гемінальні дигалогеналкани в хімічному поводженні мають деякі особливості — при лужному гідролізі вони утворюють альдегіди або кетони:
СІ
сн3—СН СІ 1,1-дихлоретан
Н2О (ОН ) -сі
/°~ін сн3—сн...і
цСІ..
-неї
СН—С^ н оцтовий альдегід
сн3—с—сн3
СІ СІ 2,2 -дихл оропропан
Н2О (ОН )
-СІ
сн3— с—сн3
ОіН СІ
-неї
сн3—с—сн3
О
ацетон
18.5. ГАЛОГЕНАЛКЕНИ
Галогеналкенами називають похідні алкенів, в яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені атомами галогенів.
За взаємним розміщенням подвійного зв’язку й атома галогену галогеналкени можна умовно розділити на три групи:
вінілгалогеніди — сполуки, що містять атом галогену біля атома Карбону, який утворює подвійний зв ’язок:
СІ
н2с=сн—СІ СН3—СН=СН—СІ н2с=с—сн3
вінілхлорид 1-бромопропен 2-\лоропропен
алілгалогеніди — сполуки, в яких атом галогену знаходиться в а-положенні до атома Карбону, що утворює подвійний зв ’язок:
Н2С = СН — СН — СІ
аліл хлорид
сн3—сн—сн=сн2
СІ
3-хлор- 1-бутен
г сполуки, в яких атом галогену й атом Карбону, що утворює подвійний зв ’язок, розділені двома і більше простими вуглець-вуглецевими зв ’язками:
Н2С = СН — СН—СН — Вг сн3— сн= сн— сн—сн2— СІ
4-бром-1-бутен 5-хлор-2-пентен
18.5.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
До основних способів добування галогеналкенів належать гідрогалогенування алкінів, галогенування алкенів і взаємодія галогенуючих реагентів з ненасиченими спиртами.
Гідрогалогенування алкінів (див. с. 169):
НС=СН + НС1 —► Н2С = СН —СІ
хлористий вініл
Галогенування алкенів в алільне положення (див. с. 155):
н2с=сн—сн3 + С12 500-600°с> н2с=сн—сн2—сі + неї
хлористий аліл
Глава 18
258
Взаємодія галогенуючих реагентів (РС13, РС15, 8ОС12 тощо) з ненасиченими спиртами (див. взаємодію з галогенідами фосфору і галогенангідридами неорганічних кислот, с. 327):
н2с=сн—сн2—ОН +РС15 —► н2с=сн—СН2—СІ +РОС13+НС1
аліловий спирт хлористий аліл
18.5.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Хімічні властивості галогеналкенів обумовлені наявністю в їхній структурі подвійного вуглець-вуглецевого зв’язку і зв’язку С—Наї. Будучи біфункціональ-ними сполуками, галогеналкени по подвійному зв’язку здатні вступати в реакції, характерні для алкенів (приєднання, полімеризація тощо, див. с. 146), а по зв’язку С—Наї — у реакції заміщення і відщеплення, властиві галогеналканам. Однак реакційна здатність галогеналкенів переважно залежить від взаємного розташування функціональних груп у молекулі. Якщо в сполуці атом галогену та подвійний зв’язок досить віддалені один від одного (розділені двома і більше простими вуглець-вуглецевими зв’язками), то кожна з цих функціональних груп поводить себе незалежно від іншої.
Разом з тим галогеналкени, що містять атом галогену біля атома Карбону, який утворює подвійний зв’язок (вінілгалогеніди), унаслідок взаємного впливу функціональних груп характеризуються низькою реакційною здатністю зв’язку С—Наї і подвійного зв’язку. Атом галогену в цих сполуках малорухливий і дуже важко заміщується на інші атоми та групи. Реакції приєднання по подвійному зв’язку також йдуть гірше, ніж в алкенах.
Причиною низької реакційної здатності зв’язку С—Наї є кон’югація неподі-леної пари електронів атома галогену з л-електронами подвійного зв’язку (атом галогену виявляє +М-ефект):
ЩС^СН^СІ
У результаті кон’югації зв’язок С—Наї вкорочується і стає значно міцнішим, ніж у галогеналканів. Тому реакції нуклеофільного заміщення для вінілгалогенідів г більшості випадків здійснити не вдасться. При звичайній температурі вони практично не проходять, а при нагріванні перебігають побічні процеси — відщеплення галогеноводню, приєднання по подвійному зв’язку, полімеризація.
У присутності концентрованих розчинів лугів вінілгалогеніди, які містять атом Гідрогену біля атома Карбону, що утворює подвійний зв’язок, відщеплюють гало-геноводень і перетворюються в алкіни:
Н2С=С — СН3 + №ОН —► НС=С—СН3 + ИаСІ + Н2О
СІ 2-хлоропропен пропін
Поряд з цим у молекулі вінілгалогеніду атом галогену за рахунок сильного негативного індуктивного ефекту зменшує електронну густину подвійного зв’язку і тим самим знижує її реакційну здатність у реакціях електрофільного приєднання (АЕ). Тому вінілгалогеніди приєднують галогени, галогеноводні та інші електрофільні реагенти важче, ніж відповідні алкени. Приєднання галогеноводнів здійснюється відповідно до правила Марковникова:
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
259
СІ
н2с=сн — СІ + неї —► сн3—сн
хсі
хлористий вініл 1,1-дихлоретан
У присутності каталізаторів вінілгалогеніди легко вступають у реакції полімеризації, які широко використовуються у виробництві полімерних матеріалів:
иН2С = СН —СІ
—СН2—СН —
С1
полівінілхлорид
У молекулах алілгалогенідів, на відміну від вінілгалогенідів, атом галогену має під-іниену рухливість. Алілгалогеніди вступають у реакції нуклеофільного заміщення легше, ніж галогеналкани. Заміщення, як правило, відбувається за механізмом 5у1.
Висока активність алілгалогенідів у реакціях нуклеофільного заміщення пояснюється їх схильністю до іонізації, оскільки при цьому утворюється досить стійкий алільний катіон:
Н2С=СН —СН2—Вг <=► Н2С = СН —СН2 + ВГ
Стабільність алільного катіона зумовлена делокалізацією позитивного заряду по кон’югованій системі:
н2с=О:н—СН2 <-►
СН —СН=СН2
Н2С-СН-СГ
Унаслідок електроноакцепторного впливу атома галогену реакційна здатність подвійного зв’язку в алілгалогенідах трохи нижча, ніж у відповідних алкенах, однак приєднання галогеноводнів проходить за правилом Марковникова:
Н2сГ=СН—СН2— СІ + НС1 —► СН3—СН—СН2
СІ СІ
алілхлорид 1,2-дихлоропропан
18.6. АРОМАТИЧНІ ГАЛОГЕНОВУГЛЕВОДНІ
Ароматичними галогеновуглеводнями називають похідні ароматичних вуглеводнів, в яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені атомами галогенів.
Залежно від положення атомів галогену ароматичні галогеновуглеводні поділяють на дві групи:
> галогенарени — сполуки, в яких атоми галогену безпосередньо зв ’язані з ароматичним ядром:
о-бромотолуен
Вг
а-бромонафтален
Глава 18
260
> арилалкілгалогеніди — сполуки, які містять атоми галогену в боковому вуглецевому ланцюзі'.
СН—СІ
сн—сн3
СІ
бензилхлорид
1 -фенил-1 -хлоретан
18.6.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Для добування галогенаренів найчастіше використовують два методи.
Пряме галогенування ароматичних вуглеводнів (див. с. 201). Реакція проходить за механізмом 8Е. У надлишку галогену утворюються ди- і тригалогенарени:
СІ
С12; ГеСІ3 -НСІ
хлоробензен
Заміщення діазогрупи в солях ариддіазонію на атом галогену (реакція Зандмейєра, див. с. 307):
бензендіазоній хлорид хлоробензен
Для т;е<й’ння атома галогену в боковий вуглецевий ланцюг аренів застосовують такі методи, як галогенування алкіларенів і реакцію хлорометилювання.
Галогенування алкіларенів. На відміну від галогенування в ароматичне ядро, галогенування в боковий ланцюг відбувається без каталізатора при високих температурах або при УФ-опроміненні. Реакція перебігає за механізмом 8К (див. с. 133):
толуен бензилхлорид бензиліденхлорид бензилідинхлорид
Галогенування в боковий ланцюг іде, як правило, в а-положення відносно бензенового ядра, оскільки в цьому разі утворюється стійкий вільний радикал бензильного типу (див. с. 124):
СН —сн3
+ С12
сн—сн3
СІ
+ неї
1 -феніл-1 -хлоретан
У надлишку галогену всі атоми Гідрогену при а-атомі Карбону в молекулі можуть бути заміщені на атоми галогену.
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
261
Реакцію хлорометилювання використовують для одержання арилметилхлоридів. Вона ґрунтується на взаємодії аренів з формальдегідом і хлороводнем у присутності каталізатора (А1С13, ХпС12). У процесі реакції атом Гідрогену бензенового кільця заміщується на хлорометильну групу:
О
1 —С^ + НС1 Н формальдегід
7пС12
бензилхлорид
сн2сі
+ Н2О
Хлорометилювання належить до реакцій електрофільного заміщення в ароматичному ряду. Атакуючою електрофільного частинкою є гідроксиметил-катіон СН2ОН:
8+У 8+8- і
Н —+ н—СІ СН.ОН + СГ
н
єн,он
сн2он
неї; 2пС12
-Н2О
СН.С1
Для добування ароматичних галогеновуглеводнів з атомами галогену в боковому ланцюзі придатні всі способи одержання галогенопохідних аліфатичного ряду.
18.6.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Галогенопохідні бензолу та його гомологів — це рідини або кристалічні речовини. Температури кипіння галогенаренів зростають у ряду: флуоро-, хлоро-, бромо-, йодопохідні. Усі сполуки цього ряду нерозчинні у воді, але легко розчиняються в органічних розчинниках. Арилалкілгалогеніди з атомами галогену в а-положенні бокового ланцюга, маючи подразнюючу дію на слизові оболонки, викликають сльозотечу.
18.6.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Для ароматичних галогеновуглеводнів характерні реакції нуклеофільного заміщення (Удг) за участю зв’язку С—Наї, реакції електрофільного заміщення (5£) по ароматичному ядру і реакції з металами (металювання).
РЕАКЦІЇ НУКЛЕОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ (\)
Галогеновуглеводні, які містять атом галогену, безпосередньо зв’язаний з бензеновим кільцем, характеризуються низькою реакційною здатністю зв’язку С—Наї. Атом галогену в цих сполуках малорухливий і заміщується дуже важко. У цьому відношенні галогенарени подібні до вінілгалогенідів.
Низька активність зв’язку С—Наї у галогенаренів, як і У вінілгалогенідів, зумовлена взаємодією неподіленої пари а електронів атома галогену з л-електронною системою бензе-
+л/-ефект нового кільця (р,л-кон’югація).
Глава 18
262
Унаслідок кон’югації відбувається укорочення або зменшення полярності зв’язку С—Наі, що приводить до його зміцнення. Тому нуклеофільне заміщення атома галогену в галогенаренах відбувається лише за дуже жорстких умов.
Так, у молекулі хлоробензену атом Хлору заміщується на гідроксильну групу під дією концентрованого розчину лугу при температурі понад 300°С і тиску 150 атм:
СІ ХОН
300 °С
+ №ОН » + №С1
хлоробензен фенол
Реакція з амоніаком відбувається при температурі 200 °С в присутності каталізатора — порошку міді або солей одновалентного Купруму (реакція Ульмана):
NN2
+ N^01
СІ
+ 2NН3
Си; 200 °С
хлоробензен
Разом з тим рухливість атома явності в орто- або лада-положеннях відносно атома галогену сильних електро-ноакцепторних замісників (—N02, —N0, —СМ, —СООН, —8О3Н тощо). Такі сполуки називають активованими гало-генаренами. Підвищення реакційної здатності зв’язку С—Наі в активованих галогенаренах пов’язане зі збільшенням часткового позитивного заряду на атакованому атомі Карбону під дією електроноакцепторного замісника.
Так, у молекулі 2,4-динітро-1-хлоробензену атом Хлору досить легко заміщується на групи —ОН, —N42, —ОСН3 тощо:
анілін
галогену в галогенаренах різко зростає за на-
СІ
№0Н (Н2О); 100 °С -КаСІ
ОН
N02
СІ
N02
N02
2,4-динітро-1 -хлоробензен
N02
2,4-динітрофенол
NН2
N02
2МН3; 200 °С
-МН4СІ
МО2
2,4-динітроанілін
осн3
N02
сн3ок
-ксі
N02
1 -метокси-2,4-ДИнітробензен
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
263
Реакції нуклеофільного заміщення активованого атома галогену перебігають за механізмом 5^2. Однак на відміну від реакцій 5у2 в аліфатичному ряду, які проходять в одну стадію і супроводжуються синхронними процесами розриву зв’язку С—Наї і утворення зв’язку С—Ми, бімолекулярне нуклеофільне заміщення в ароматичному ряду відбувається в дві стадії. На стадії І атакуюча нуклеофільна частинка приєднується до електрофільного атома Карбону, зв’язаного з атомом галогену, утворюючи карбаніон (о-комплекс). Електроноакцепторні групи в складі карбаніона беруть участь у делокалізації негативного заряду і тим самим підвищують його стійкість. Стадія І проходить повільно і лімітує швидкість усього процесу. На стадії II реакції карбаніон відщеплює галогенід-іон з утворенням продукту заміщення:
На відміну від реакцій 5^2 в аліфатичному ряду, при бімолекулярному нуклео-фільному заміщенні в ароматичному ряду процеси утворення зв’язку С—Ми і розриву зв’язку С—Наї відбуваються несинхронно, оскільки новий зв’язок утворюється раніше, ніж розривається старий.
Якщо атом галогену в галогенарені не активований електроноакцепторною групою, то при нуклеофільному заміщенні атакуюча частинка не завжди займає місце галогену. Так, при лужному гідролізі и-хлоротолуену утворюється еквімо-лярна суміш двох ізомерних продуктів — мета- і лара-крезолів:
ОН он
СІ
2КаОН; 340 °С - 2КаС1
л-крезол
л/-крезол
л-хлоротолуен
При взаємодії калій аміду КМН2 з міченим 1-14С-хлоробензеном утворюється майже рівна кількість аніліну, міченого в положеннях 1 і 2:
Глава 18
264
СІ
хлоробензен
К1МН2; 1МН, (рідк.)
Усі ці факти можна пояснити з позицій так званого аринового механізму взаємодії. За цим механізмом заміщення атома галогену на нуклеофіл іде не прямо, а через попереднє відщеплення галогеноводню і наступне приєднання нуклеофілу. Спочатку нуклеофільний реагент, будучи сильною основою, відщеплює від молекули галогенарену галогеноводень, утворює нестійкий, досить реакційноздатний проміжний продукт — дегідробензен (арин), що містить у своєму складі потрійний зв’язок. Потім дегідробензен миттєво приєднує за місцем потрійного зв’язку нуклеофільний реагент, причому ковалентний зв’язок з нуклеофілом може утворити однаковою мірою кожний із двох зв’язаних потрійним зв’язком атомів Карбону:
Стадія І
хлоробензен
Стадія II
дегідробензен; арин
Цей механізм називають ще механізмом елімінування—приєднання.
Ароматичні галогеновуглеводні з атомом галогену в боковому ланцюзі легко вступають у різні реакції нуклеофільного заміщення. Сполуки, в яких атом галогену ізольований від бензенового кільця двома і більше вуглець-вуглецевими зв’язками, за активністю в реакціях нагадують галогеналкани. Галогеновуглеводні, які містять атом галогену при а-атомі Карбону бокового ланцюга (бензил-галогеніди), мають підвищену реакційну здатність зв’язку С—Наї. За активністю в реакціях бензилгалогеніди подібні до алілгалогенідів. Нуклеофільне заміщення атома галогену відбувається в них за механізмом 5^1. Висока рухливість атома галогену в бензилгалогенідах зумовлена більшою стійкістю бензильного катіона, який утворюється після відщеплення галогенід-іона (див. с. 119).
РЕАКЦІЇ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНОМУ ЯДРІ (УЕ)
За участі ароматичного ядра галогенарени вступають у реакції електрофільного заміщення: галогенування, нітрування, сульфування тощо. Як уже зазначалося, атом галогену, безпосередньо зв’язаний з ароматичним кільцем, виявляє негативний індуктивний і позитивний мезомерний ефекти, причому в статичному стані -/-ефект > +Л/-ефекту. Тому атоми галогену в цілому виявляють елекгроноак-цепторні властивості відносно бензенового кільця і тим самим знижують його реакційну здатність у реакціях 8Е. Беручи участь у стабілізації ст-комплексів, які утворюються при заміщенні в орто- і иара-положеннях, атоми галогенів виступа
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
265
ють як замісники І роду і спрямовують електрофільне заміщення в орто- і пара-положення (див. с. 210):
СІ
о-хлоробензенсульфокислота
СІ
- 6
1ЧО2 л-нітрохлоробензен
СІ
9
8О3Н
л-хлоробензенсульфокислота
РЕАКЦІЇ З МЕТАЛАМИ (МЕТАЛЮВАННЯ)
Галогенарени легко вступають у реакцію з металами — літієм, натрієм, магнієм. При взаємодії з магнієм у середовищі діетилового етеру утворюються магнійорганічні сполуки (реактиви Гриньяра):
Вг М§Вг
|ґ^] + М§
фенілмагнійбромід
В умовах реакції Вюрца—Фіттіга металорганічні сполуки утворюються як проміжний продукт:
С6Н5—Вг + 2 На —► С6Н5№ + ИаВг
бромобензен фенілнатрій
СЛЬМа + С6Н5—Вг —► СЙН,—С,Н, + №Вг ол ол ОдОд
біфеніл
18.7. ІДЕНТИФІКАЦІЯ ГАЛОГЕНОПОХІДНИХ ВУГЛЕВОДНІВ
18.7.1. ХІМІЧНІ МЕТОДИ
Найпростішим методом виявлення галогену в органічній сполуці є проба Бейль-штейна. Вона базується на здатності галогеновуглеводнів при нагріванні з міддю утворювати леткі купрум(ІІ) галогеніди, які забарвлюють полум’я пальника в зелений колір. Проба Бейльштейна дуже чутлива, проте не дозволяє визначити природу галогену. Не можна також з її допомогою відкрити Флуор, оскільки куп-рум(П) флуориди нелеткі.
Для визначення природи галогену в органічній речовині застосовують метод сплавлення з металічним натрієм. При сплавленні галогеновуглеводнів з нат-
Глава 18
266
Франсуа Огюст Віктор ГРИНЬЯР (1871-1935)
Французький хімік-органік. Основні наукові дослідження присвячені синтезу і вивченню органічних сполук. Здійснив (1900) синтези органічних сполук за допомогою змішаних магнійорганічних сполук, одержуваних з алкілгалогенідів і магнію в етерно-му середовищі. Установив (1901), що основним реагентом у таких синтезах є реактив, що складається з алкіл-магнійгалогенідів, розчинених в етері (реактив Гриньяра). Використовував магнійорганічні сполуки для синтезу вуглеводнів, спиртів (1901—1903), кетонів, альдегідів (1906), етерів, нітрилів, амінів (1920), кислот тощо. Ці синтези (реакція Гриньяра) широко застосовуються в хімічній практиці.
Лауреат Нобелівської премії (1912).
рієм утворюються натрій галогеніди, в яких галогенід-іон визначають реакцією з арген-тум нітратом в кислому середовищі.
18.7.2. ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ МЕТОДИ
У ІЧ-спектрах галогенопохідних вуглеводнів спостерігаються смуги поглинання, зумовлені валентними коливаннями зв’язку С—Наі. Зв’язок С—Р виявляється в ділянці 1350—1000 см-1, зв’язок С—СІ — 800—600 см-1. Валентні коливання зв’язків С—Вг і С—І знаходяться в діапазоні нижче 600 см"1, який не доступний для вимірювання більшістю існуючих ІЧ-спектрометрів.
Хімічні зсуви протонів у ПМР-спектрах галогеналканів залежать від природи галогену і розгалуження вуглецевого ланцюга при атомі Карбону, з яким зв’язаний атом галогену. Унаслідок дезекрануючого ефекту атомів галогену сигнали протонів, які знаходяться при тому ж атомі Карбону, що й атом галогену, зміщені в слабке поле і характеризуються хімічним зсувом 2,8—4,2 млн-1.
Для ідентифікації галогенаренів широко застосовують метод мас-спектрометрії. Ароматичний характер цих сполук сприяє утворенню досить стабільних молекулярних іонів, інтенсивність піків яких достатня для якісного і кількісного визначення галогену.
18.8. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Хлоретан (етилхлорид) С2Н5С1. Газоподібна речовина, у звичайних умовах при температурі нижче 12 °С безбарвна рідина. Змішується з етанолом і діетиловим етером. Вогненебезпечний. Має сильну наркотичну дію. При контакті зі шкірою хлоретан, унаслідок швидкого випаровування, викликає сильне охолодження ділянки шкіри і втрату больової чутливості, що дозволяє використовувати його в медицині для місцевого знеболювання при невралгіях, нейроміозитах, невеликих поверхневих порізах.
Хлороформ (трихлорометан) СНС13. Безбарвна рідина з характерним солодкуватим запахом (т. кип. 61,2°С). Хлороформ малорозчинний у воді, добре розчинний в органічних розчинниках. Розчиняє багато органічних речовин і широко застосовується як розчинник у хімічних виробництвах, а також для екстракції багатьох речовин з рослинної сировини, зокрема жирів, алкалоїдів, смол тощо. На світлі хлороформ повільно окиснюється киснем повітря з утворенням високотоксичної
ГАЛОГЕНОПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ
267
речовини — фосгену і хлороводню. Фосген може окиснюватися далі, утворюючи молекулярний хлор і карбон(ІУ) оксид:
СІ О
І [О] II
СІ —С —СІ —► СІ —С —СІ + НСІ
|| фосген
о
сі—с—сі сі2 + со2
Хлороформ виявляє сильну наркотичну дію. Раніше його використовували в медицині для посилення дії нітроген(І) оксиду при комбінованому інгаляційному наркозі, але нині через високу токсичність не використовується.
Йодоформ (трийодометан) СНІ3. Тверда кристалічна речовина лимонно-жовтого кольору з різким характерним стійким запахом (т. пл. 116°С). Практично нерозчинний у воді, добре розчинний у хлороформі і діетиловому етері. Йодоформ здавна використовується як антисептичний засіб у стоматології, а також у формі присипок і мазей для лікування інфікованих ран та виразок.
Флуоретан (2-бром-1,1,1 -трифлуор-2-хлоретан). Безбарвна рухлива рідина з запахом, що нагадує запах хлороформу (т. кип.
Федір Федорович (Фрідріх Конрад) БЕЙЛЬШТЕЙН
(1838-1906)
Хімік-органік, академік Петербурзької академії наук з 1886 року. Вивчав хімію під керівництвом Р. Бунзе-на, Ф. Велера, Ш. А. Вюрца.
Основна сфера наукових досліджень — хімія ароматичних сполук. Запропонував (1872) якісну реакцію відкриття галогенів в органічних сполуках (проба Бейльштейна). Досліджував кавказьку нафту. Ініціатор створення і перший укладач багатотомного довідника, який включав інформацію про всі відомі на час випуску чергового тому органічні сполуки.
49—51 °С). Малорозчинний у воді, добре розчиняється в етанолі, діетиловому етері, хлороформі. Флуоретан має сильну наркотичну дію і низьку токсичність.
Він широко використовується в медичній практиці як засіб для комбінованого інгаляційного наркозу.
Р Вг
Р —С —СН
І І
Р СІ
Дифлуородихлорометан (фреон-12) СР2С12. За звичайних умов дифлуороди-хлорометан є газоподібною речовиною без запаху. Він не горючий, не вибухонебезпечний, не токсичний і не викликає корозії металів. Зазначені властивості дозволяють використовувати фреон-12 як холодоагент в холодильних установках, а також як пропелент у виробництві аерозольних лікарських препаратів.
Хлоробензен С6Н5С1. Безбарвна рідина зі своєрідним запахом (т. кип. 132°С). З водою утворює азеотропну суміш, яка містить 71,6% хлоробензену. Розчиняється в бензені, етанолі, хлороформі та інших органічних розчинниках. Хлоробензен використовується у виробництві фенолу, аніліну, лікарських засобів.
Глава 18
268
У медичній практиці широко застосовують йодовмісні рентгеноконтрастні засоби (йопаноєву, амідотризоєву, йоталамову кислоти). Відомі лікарські препарати муколітичної (бромогексин гідрохлорид), седативної (бромокамфора, бромізовал), протигрибкової (клотримазол) та інших видів фармакологічної дії.
1 сн2—сн3 йопаноєва кислота;
йопагност
йоталамова кислота
амідотризоєвої кислоти дигідрат; урографін; ангіографін
бромогексин гідрохлорид; бромобене
Руйнування озонового шару
Озоновий шар знаходиться над поверхнею Землі на відстані 15—30 км. Він оберігає планету і все живе від небезпечного впливу УФ-променів Сонця. Уперше в сімдесяті роки минулого століття були виявлені «озонові діри». Припускають, що основною причиною, яка викликає зменшення озонового шару, є група хімічних сполук — флуорохлорокарбони (ФХК). Вони широко використовуються у виробництві холодильників, кондиціонерів, аерозолей, а також як розчинники і піноутворювачі. Для них характерна термічна та окис-нююча стійкість. ФХК не здатні розкладатися в нижніх шарах атмосфери і, потрапляючи в стратосферу, беруть участь у фотохімічних реакціях.
Р Р
Р — с-|-сі Р —С* + СГ
І І
СІ СІ
Вільний радикал, що утворився, ініціює перебіг ланцюгової радикальної реакції, в якій можуть брати участь молекули озону:
О. + СГ-----► О2 4- СЮ’
У 1987 році був підписаний Монреальський протокол про захист озонового шару, який закликає до припинення виробництва ФХК. Як замінники були запропоновані флуоро-хлоровуглеводні; вони менш стійкі і руйнуються в тропосфері. Однак флуорохлоровуглевод-ні належать до парникових газів, які сприяють посиленню парникового ефекту. Проблема руйнування озонового шару і глобального потепління клімату Землі нині залишається надзвичайно актуальною.
Глава 19
НІТРОСПОЛУКИ
Нітросполуками називають похідні вуглеводнів, які містять у своєму складі одну або кілька нітрогруп —КО2.
Нітрогрупа має планарну (плоску) будову. Атоми Нітрогену та Оксигену знаходяться в стані зр2-гібридизації. Електронну будову нітрогрупи можна показати за допомогою двох граничних структур, в яких один з атомів Оксигену утворює з атомом Нітрогену подвійний, а інший — семіполярний зв’язок:
О:
+ /О;
в—N
Однак у реальній молекулі хімічні зв’язки обох атомів Оксигену з атомом Нітрогену рівноцінні.
В—N
^°’1/2
чо-1/2
Залежно від природи вуглеводневого радикала, з яким зв’язана нітрогрупа, розрізняють аліфатичні і ароматичні нітросполуки. Аліфатичні можуть бути насиченими (нітроалкани) і ненасиченими (нітроалкени, нітроалкіни). Ароматичні нітросполуки можуть містити нітрогрупу, безпосередньо зв’язану з бензеновим ядром (нітроарени), і нітрогрупу в боковому ланцюзі (нітроалкіларени). За розміщенням нітрогрупи у вуглецевому ланцюзі нітроалкани і нітроарени з нітрогрупою в боковому ланцюзі поділяють на первинні, вторинні і третинні'.
в—сн2—N02
В\
/СН—ио2 вх
первинна нітросполука
вторинна нітросполука
в
В—€ — N02
В третинна нітросполука
У цій главі розглянуто нітроалкани, нітроарени з нітрогрупою в бензеновому кільці і нітроарени з нітрогрупою в боковому ланцюзі.
19.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
За замісниковою номенклатурою назви нітроалканів і нітросполук з нітрогрупою в бензеновому кільці утворюють додаванням префікса нітро- до назви родоначального вуглеводню з указівкою положення нітрогрупи у вуглецевому ланцюзі:
Глава 19
270
сн.—сн— сн2— сн. сн,—сн— сн — сн.
□ | X □ З । । З
КЮ2 N02 снз
2-нітробутан 2-ме і и.і-3-нітробутан
нітробензен 3-нітротолуен
Нітросполуки з нітрогрупою в боковому ланцюзі розглядають як похідні нітро-алканів, що містять як замісник ароматичний радикал:
фенілнітрометан
1-нітро-2-фенілетан
Ізомерія нітросполук може бути зумовлена різною структурою вуглецевого скелета (ізомерія ланцюга) і різним положенням нітрогрупи у вуглецевому ланцюзі (ізомерія положення):
СН — СН — СН — СН —N02 СН — СН — СН— СН3 СН — С — СН3
N02 №?
1-нітробутан
2-нітробутан 2-метил-2-нітропропан
19.2. НІТРОАЛКАНИ
19.2.1 . СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Нітрування алканів (реакція Коновалова). Реакція перебігає при дії на алкани розведеною нітратною кислотою (10—25%-вою) при підвищених температурі і тиску (див. с. 136):
СН—СН2—СН3 + НОNО2(розв.) 140~150°с^> СН —СН —СН3 + Н2О
N©2
Взаємодія галогеналканів із солями нітритної кислоти. Цей метод дозволяє одержати первинні і вторинні нітроалкани (див. с. 252). Для зменшення домішок
НІТРОСПОЛУКИ
271
естерів нітритної кислоти, які утворюються в процесі реакції, взаємодію первинних і вторинних галогеналканів із солями нітритної кислоти (Д§?Ю2, Ка>Ю2, КЬЮ2) здійснюють у середовищі апротонного розчинника — диметилсульфоксиду (СН3)28О або диметилформаміду НСОМ(СН3)2:
С2Н5—І + №N0, -------*- С2Н5—МО2 + МаІ
Окиснення трет-алкіламінів. Цим способом одержують тільки третинні нітросполуки. Первинні аміни, що містять /ире/и-алкільний вуглеводневий залишок, у присутності органічних пероксикислот окиснюються, утворюючи нітроалкани:
СН3 СН3
І [О] І
сн3—с—сн3 сн3—с—сн3
з । -3 -н2о 3 । ?
кн2 мо2
2-метил-2-пропанамін 2-метил-2-нітропропан
Зазвичай нітроалкани — безбарвні або ледь жовтуваті рідини з приємним запахом, отруйні. Вони малорозчинні у воді, розчинні в більшості органічних розчинників. Це полярні сполуки, для яких характерні великі дипольні моменти (3,15—3,7 БЬ). Температури кипіння нітроалканів вищі, ніж відповідних спиртів або карбонільних сполук.
19.2.2 . ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність нітроалканів визначається наявністю в їх структурі нітро-групи. Завдяки сильним електроноакцепторним властивостям нітрогрупа активує атоми Гідрогену при а-атомі Карбону вуглеводневого радикала
а сн,—сн,—сн—
Тому первинні і вторинні нітроалкани є СН-кислотами.
Хімічні перетворення нітроалканів відбуваються за участі нітрогрупи та п-атома Карбону.
Таутомерія та утворення солей. Первинні і вторинні нітроалкани є таутомер-ними сполуками, в яких нітроформа (нітроалкан) знаходиться в рухомій рівновазі з аіщ-нітроформою (нітроновою кислотою):
/°“н
К— СН—N. к— СН — N.
І О о
нітроформа дци-нітроформа
Така таутомерія одержала назву «шщ-нітротаутомерія».
У нейтральному середовищі рівновага зазвичай майже повністю зміщена убік нітроформи. Перетворення нітроформи в аіщ-нітроформу проходить через стадію утворення амбідентного (двоїстого) аніона, стабілізованого за рахунок кон’югації:
Глава 19
272
К—СН—N
Н
нітроформа
К—СН—
І 0
4 /°
В,— СН=І\/
о
амбідентний аніон
/О—н в—сн=м^ о
аци-нітроформа
У лужному середовищі таутомерна рівновага зміщується вбік сщм-нітроформи. Так, первинні і вторинні нітроалкани розчиняються у водному розчині лугу, утворюючи солі нітронових кислот (нітронати):
В Л.О В бка+
/СН—МС + ИаОН ------► хС=Т< + н,о
кх чо і/ чо
натрієва сіль нітронової кислоти
Солі нітронових кислот вибухонебезпечні.
Якщо лужний розчин нітроалкана обробити мінеральною кислотою, спочатку утворюється розчинна у воді нестійка нітронова кислота, яка потім перетворюється в нерозчинний у воді нітроалкан:
В-ч , О№' /с=1чС
в О натрієва сіль нітронової кислоти
ПСІ
—№С1
к\ /ОН
хс=м^
К чо
нітронова кислота
к\ 'сн—
к Чо
нітроалкан
Третинні нітроалкани не мають атомів Гідрогену при а-атомі Карбону, а отже, для них не характерна дцм-нітротаутомерія, і тому вони не розчиняються у водних розчинах лугів.
Реакція з нітритною кислотою. Взаємодія нітроалканів з нітритною кислотою відбувається за участі рухливих атомів Гідрогену при а-атомі Карбону.
Первинні нітроалкани реагують з нітритною кислотою з утворенням алкілнітро-лових кислот. Реакція проходить через стадію утворення нітрозонітросполуки:
К—С—N0, + НО—N=0 —тт
/ \ 2 —Н2О
н н
первинний нітроалкан
К—с—N0, Н^\=Об~
нітрозонітро-сполука
В—С—N0
II
и—ОН
алкілнітролова кислота
Алкілнітролові кислоти — безбарвні кристалічні речовини. Солі, утворені нітро-ловими кислотами і лужними металами, у розчині забарвлені в червоний колір.
Вторинні нітроалкани реагують з нітритною кислотою з утворенням псевдо-нітролів:
В В
/СН—N02 + НО—N=0 ----------------► /С —И02 + Н20
В В ।
N=0 вторинний псевдонітрол
нітроалкан
НІТРОСПОЛУКИ
273
Розчини і розплави псевдонітролів забарвлені в синій колір.
Третинні нітросполуки з нітритною кислотою не реагують.
Первинні, вторинні та третинні нітросполуки можна відрізнити одна від одної .її/ ; нітритною кислотою.
Реакція з альдегідами і кетонами. Первинні і вторинні нітроалкани в слабколуж-ному середовищі вступають у реакцію конденсації з альдегідами і кетонами, утворюючи нітроалканоли. Ця реакція проходить за типом альдольної конденсації.
В.
І ;5+ в—с—н
N02
ИаОН
в. он
в—с—сн—сн, І
N©2
При конденсації первинних нітроалканів з карбонільними сполуками нітроалканоли, які утворюються, здебільшого відщеплюють молекулу води, і реакція завершується утворенням ненасичених нітросполук:
К—СН, + /С — сн3 тчо2 н
он І
в—сн—сн—сн, в—с=сн—сн,
| н2о | з
М02 №2
З формальдегідом первинні нітроалкани часто утворюють продукти конденсації з двома, а нітрометан — із трьома молекулами альдегіду:
н_г^0 сн,он н_г^° сн,он ні НІ
в—сн, ---------► в—сн ----------------► в—с—сн,он
І 2 І І 2
N02 №г №2
Відновлення нітроалканів. При відновленні нітроалканів утворюються алкан-аміни:
С,Н,— N0, + 6Н ----► С,Н,—ИН, + 2Н2О
Як відновники використовують станум(ІІ) хлорид, ферум у присутності хло-ридної кислоти, сульфіди лужних металів тощо.
19.3. АРОМАТИЧНІ НІТРОСПОЛУКИ
19.3.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Нітрування аренів. Нітросполуки, що містять нітрогрупу, зв’язану з ароматичним радикалом, одержують нітруванням аренів сумішшю концентрованих нітратної і сульфатної кислот (див. с. 200):
+ НОNО2 (конц.)
Н28О4 (конц.)
N02
|^П| + Н20
нітробензен
Глава 19
274 ------------------------------------------------------------------------
Для введення другої нітрогрупи потрібні більш жорсткі умови: висока температура, концентровані кислоти, тривале нагрівання. Уведення третьої нітрогрупи в молекулу бензену відбувається надзвичайно важко при надлишку димучої нітратної і сульфатної кислот: N0
1,3-динітробензен
1,3,5 -тринітробензен
НЬЮ3(конц.); Н28О4 (конц.);/
-Н2О
При наявності в ядрі електронодонорних замісників реакція нітрування значно полегшується. Так, при нітруванні толуену можна в звичайних умовах увести три нітрогрупи за схемою:
Для одержання ароматичних нітросполук з нітрогрупою в боковому ланцюзі застосовують способи добування, аналогічні методам синтезу нітроалканів: нітрування гомологів бензену за умов реакції Коновалова (див. с. 136); взаємодія арилалкілгалогенідів із солями нітритної кислоти (див. с. 252) і т. д.
19.3.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Нітроарени, що містять у своєму складі одну нітрогрупу, є рідинами або кристалічними речовинами. Вони безбарвні або забарвлені в блідо-жовтий колір, нерозчинні у воді. Рідкі нітросполуки важчі за воду. Нітроарени мають запах гіркого мигдалю. Це полярні речовини, що мають високі температури плавлення.
Нітроарени, які містять кілька нітрогруп (полінітросполуки),— кристалічні речовини, забарвлені в жовтий колір. Вибухові.
19.3.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Відновлення нітроаренів (реакція Зініна). При відновленні ароматичних нітросполук утворюються ароматичні аміни. Уперше реакцію відновлення нітробензену в анілін здійснив 1842 року відомий російський учений Микола Миколайович Зінін.
Як відновники найчастіше використовують Ре, 8п або Хп у хлоридній кислоті, амоній сульфід (МН4)28, натрій гідросульфід МаН8, гідразин Н2М—>Ш2 у присутності нікелю Ренея.
НІТРОСПОЛУКИ
275
Залежно від рН реакційного середовища процес відновлення може проходити у двох напрямах, які відрізняються утворенням різних проміжних сполук.
У нейтральному і кислому середовищах як проміжні сполуки утворюються ароматичні нітрозосполуки та арилгідроксиламіни:
нітробензен
2Н 44^0
2Н
МИ—ОН
2Н
анілін
нітрозобензен
фенілгідроксиламін
При відновленні в нейтральному середовищі реакцію можна зупинити на будь-якій стадії. У кислому середовищі виділити проміжні продукти неможливо.
У лужному середовищі відбувається конденсація проміжних продуктів відновлення — нітрозосполук з арилгідроксиламіном. Це приводить до появи азокси-сполук, що відновлюються до азосполук. Останні, приєднуючи водень, перетворюються в гідразосполуки, які, у свою чергу, легко перетворюються в ариламіни:
нітробензен
фенілгідроксиламін
ОН
-Н20
2Н
-Н20
азоксибензен
^2^—N=N—^2^ К——
Н Н азобензен гідразобензен
анілін
Реакцію відновлення нітроаренів у лужному середовищі можна зупинити на кожній із наведених стадій. Вона слугує основним способом добування азо-і гідразосполук.
РЕАКЦІЇ ПО АРОМАТИЧНОМУ ЯДРУ
Реакції електрофільного заміщення (8Е). Нітрогрупа, маючи електроноакцептор-ний вплив (——А/-ефект), дезактивує бензенове ядро в реакціях електрофільного заміщення. Так, нітробензен не алкілюється в умовах реакції Фріделя—Крафтса:
Тому часто нітробензен у цих реакціях використовується як розчинник.
Однак він може вступати в реакції нітрування, галогенування, сульфування з утворенням відповідних мета-заміщених продуктів:
Глава 19
276
+ Н28О4 (конц.)
ти-нітробензен-сульфокислота
Микола Миколайович ЗІНІН (1812-1880)
Російський хімік-органік. Закінчив Казанський університет (1833).
Наукові дослідження присвячені органічній хімії.
Відкрив (1842) реакцію відновлення ароматичних нітросполук (реакція Зініна), яка заклала фундамент нової галузі — хімії анілінових барвників. Відкрив (1845) «бензидинове перегрупування». Виявив, що аміни — основи, здатні утворювати солі з різними кислотами. Вивчив (1854) реакцію утворення і перетворення похідних сечовини. Відкрив уреїди.
Засновник (разом з О. А. Воскре-сенським) школи російських хіміків. Серед його учнів були О. М. Бутлеров, М. М. Бекетов, О. П. Бородін та ін.
Один з організаторів Російського фізико-хімічного товариства і перший його президент (1868—1877).
Реакції нуклеофільного заміщення (5М). Електроноакцепторний вплив нітрогрупи приводить до зниження електронної густини в ароматичному радикалі і створює можливість для перебігу реакцій, які проходять за механізмом нуклеофільного заміщення в аренах. У реакціях нітрогрупа направляє замісник в орто- і иара-положення. При нагріванні нітробензену з твердим калій гідроксидом одержують суміш калій о- і и-нітро-фенолятів:
кон
ОК
калій калій
о-нітрофенолят л-нітрофенолят
За наявності в ядрі бензену трьох ніт-рогруп різко збільшується рухливість атомів Гідрогену бензенового ядра. Тому сим-тринітробензен легко окиснюється до пікринової кислоти:
сіш-тринітробензен
[О]
ОН
2,4,6-тринітрофенол; пікринова кислота
При дії на 2,4,6-тринітробензен гідроксиламіну атом Гідрогену ароматичного ядра легко заміщується на аміногрупу:
2,4,6-тринітроанілін
НІТРОСПОЛУКИ
277
Нітрогрупа, зменшуючи електронну густину в бензеновому ядрі, збільшує рухливість замісників, що знаходяться в орто- або лдря-положенні відносно неї. Це дозволяє одержувати різні нітроарени:
21МН3; 160 °С
—мн4сі
КОН; СН3ОН
-КС1; -Н2О
Н2О; Ма2СО3; 130 °С
-СО2; -КаСІ
о-нітрофенол
У цьому випадку нітрогрупа бере участь у делокалізації негативного заряду о-комплексу, який утворюється, полегшуючи тим самим заміщення атома галогену:
л-нітрохлоробензен о-комплекс «-нітрофенол
Реакція заміщення атома галогену в аренгалогенідах також проходить за механізмом 5у.
Ароматичні нітросполуки, що містять нітрогрупу в боковому ланцюзі, у реакціях, які відбуваються за участі нітрогрупи, нагадують нітроалкани. Вони легко відновлюються до амінів, розчиняються в лугах з утворенням солей сщи-нітроформи (див. с. 272).
Наявність ароматичного радикала дозволяє їм вступати в різні реакції заміщення по ароматичному ядру.
19.4. ІДЕНТИФІКАЦІЯ НІТРОСПОЛУК
Для ідентифікації нітросполук використовують інструментальні (ІЧ-, УФ-спектроскопії, мас-спектрометрію) та хімічні методи аналізу.
ГЧ-Спектри нітросполук характеризуються наявністю інтенсивних смуг поглинання, які відповідають валентним коливанням нітрогрупи. Для нітроалканів відмічається смуга в ділянці 1580 і 1375 см-1. В ІЧ-спектрах нітроаренів спостерігаються дві сильні смуги поглинання в ділянках 1560—1490 і 1380—1320 см-1.
Глава 19
278
В УФ-спекграх нітросполук присутні смуги поглинання, що відповідають я—я* переходу. У нітроалканів такий перехід спостерігається в ділянці 210 нм (є = 1500). В УФ-спектрах нітроаренів присутня смута поглинання в ділянці 250-300 нм (є = 6000).
Як хімічні методи ідентифікації зазвичай використовують хімічні реакції, які дозволяють відрізнити одну сполуку від іншої або розрізнити групи сполук.
Щоб відрізнити первинні, вторинні і третинні нітроалкани один від одного, використовують реакції з лугом і нітритною кислотою (див. с. 272). Ці ж реакції дозволяють відрізнити нітроалкани від нітроаренів, а також нітроарени від ароматичних нітросполук з нітрогрупою у боковому ланцюзі.
Вибухові речовини
Речовини або суміші, здатні під дією різних зовнішніх впливів (нагрівання, тертя, удару тощо) до швидкої самопоширювальної хімічної реакції, яка супроводжується виділенням значної кількості енергії і газів, називають вибуховими.
Першою такою речовиною був димний порох, винайдений у Китаї в VII столітті. У Європі він відомий з XIII століття.
Одна з численних груп вибухових речовин — сполуки, що містять угруповання —N62:
Ароматичні нітросполуки Нітроаміни
тринітротолуен (тротил, тол)
пікринова кислота (2,4,6-тринітрофенол)
гексоген
гчо2
О2м— N N—N02
І
N02
Нітроестери
Н2С —о—N02 НС —О—N02 Н2С — О — N©2 нітрогліцерин
Н2с — О — N0,
— О —СН2— С — СН — О— N02
Н2С — О — N©2
тетранітропентаеритрит
(пентаеритриттетранітрат)
Молекули таких речовин під час вибуху розкладаються з утворенням газоподібних продуктів. Так, з 4 моль нітрогліцерину утворюється 29 моль різних газів.
Н2с — о — N02
4 НС —О —N02 —► 6^1 + 12СО2Т + 10Н2О| + О2|
Н2С —О —N02
Реакція супроводжується вивільненням великої кількості енергії (1415 кДж/моль на 1 моль нітрогліцерину).
НІТРОСПОЛУКИ
279
Для ідентифікації ароматичних нітросполук, що містять нітрогрупу в ядрі, застосовують реакцію відновлення до амінів з подальшим діазотуванням і азоспо-лученням (див. с. 299).
19.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Нітрометан СН3—МО2. Найпростіший представник нітроалканів. Безбарвна рідина з т. кип. 101,2°С. Використовується як розчинник естерцелюлозних лаків, різних вінілових полімерів, вибухових речовин, хлоропікрину С13С—ЬЮ2.
Нітробензен С6Н5—ЬЮ2. Рідина з т. кип. 210 °С, має запах гіркого мигдалю. Використовується для добування аніліну, бензидину, у виробництві барвників, як розчинник і окисник у хімічних реакціях.
Нітротолуени СН3—С6Н4—ИО2. н-Нітротолуен являє собою кристалічну речовину (т. пл. 52°С), о- і л/-нітротолуени — рідкі речовини (т. кип. 221,7 і 232,6°С відповідно). Використовують нітротолуени для синтезу барвників та інших ароматичних сполук.
Ряд синтетичних лікарських препаратів містять у своїй структурі нітрогрупу:
О2\
ИНСОСН3
ОС3Н7
фалімінт (антисептичний засіб)
О2И /)— сн— сн—СН2ОН
ОН МНСОСНС12
хлорамфенікол; левоміцетин (антибіотик)
ніфедипін (антиаритмічний засіб)
сн=и—ин— с—ин2
нітрофурал;
фурацилін (антисептичний засіб)
Глава 20
АМІНИ
Амінами називають похідні амоніаку, у молекулі якого один, два або три атоми Гідрогену заміщені вуглеводневими радикалами.
Відповідно до кількості вуглеводневих залишків розрізняють первинні, вторинні і третинні аміни.
в в
в—мн2 /И— н в^
в в
первинний амін вторинний амін третинний амін
Залежно від природи вуглеводневих радикалів біля атома Нітрогену аміни поділяють на аліфатичні, аліцикличні та ароматичні (аренамінйу, аміни, в яких атом Нітрогену зв’язаний з аліфатичним і ароматичним вуглеводневим радикалами, називають змішаними'.
сн3—кн2
аліфатичний амін
14112
аліциклічний амін
^^МН2 ароматичний амін
^х^МН—С2Н5
змішаний амін
20.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
За замісною номенклатурою /ГРАС назви первинних амінів утворюють шляхом додавання до назви вуглеводню суфікса -амін, указуючи положення аміногрупи у вуглецевому ланцюзі. При складанні назв вторинних і третинних амінів їх розглядають як похідні первинного аміну з замісниками при атомі Нітрогену. За вихідний первинний амін у цьому випадку приймають зв’язаний з атомом Нітрогену найбільш складний за структурою радикал. Інші вуглеводневі замісники при атомі Нітрогену перелічують за алфавітним порядком із зазначенням локанта N-1
1 2 З
сн3—сн—сн3 сн3—мн—С2Н5
ічн2
2-пропанамін ЬІ-метилетанамін
1 2 З
сн3— м— сн2— сн — сн3
с2н5
ІМ-етил- М- метил-1 -пропан амін
Якщо сполука містить дві або три аміногрупи, то в назві їх позначають множними префіксами ді- або три-, які ставлять перед суфіксом -амін'.
12 3 4
Н2ЬІ—сн — сн — сн — сн—мн2
1,4-бутандіамін
Найпростіші аміни найчастіше називають за радикало-функціональною номенклатурою. За цією номенклатурою назви амінів утворюють з назв вуглеводневих радикалів, які перелічують за алфавітним порядком, і суфікса -амін.
АМІНИ
281
с2н5— 1ЧН2
етиламін
сн3—\н—с,н, с,н,—к—с,н, сн,—сн,—сн—сн, £ З з X । З
МН2
етилметиламін триетиламін втор-бутил амін
сн — сн—СН—МН2 сн — с—мн2
сн3 сн3
ізобутиламін трет-бутиламін
Деякі аміни зберігають тривіальні назви'.
бензиламін
анілін толуїдини
(о-, м-, п-)
анізидини (о-, м-, п-)
кн,
^-ОС2Н,
фенетидини
(о-, М~, П-)
бензидин
фенілендіаміни (о-, М-, П-)
Назви первинних ароматичних амінів, а також змішаних амінів зазвичай утворюють на основі назви представника родоначальної структури — аніліну. У разі змішаних амінів положення замісників при атомі Нітрогену позначають за допомогою локанта 1Ч-:
2-етиланілін; ЬІ,М-ди метил анілін М-етил-2-етиланілін
о-етиланілін
Вторинні і третинні ароматичні аміни, як правило, називають за радикало-функціональною номенклатурою:
гш
дифеніламін трифеніламін
Ізомерія амінів зумовлена різною структурою вуглеводневих радикалів, різним положенням аміногрупи і метамерією. Суть метамерії полягає в тому, що аміни з однією і тією ж брутто-формулою можуть бути первинними, вторинними і третинними. Наведені нижче сполуки є метамерами:
СН3
СН— СН— СН — МН2 СН —1ЧН—СН2—СН3 СН—М—СН3 пропіламін етилметиламін триметиламін
Глава 20
282
20.2. АЛКІЛАМІНИ
Алкіламінами називають продукти заміщення одного, двох або трьох атомів Гідрогену в амоніаку алкільними групами.
20.2.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Взаємодія галогеналканів з амоніаком (реакція Гофмана). При нагріванні спиртового розчину амоніаку з галогеналканами утворюється суміш первинного, вторинного та третинного амінів і сіль четвертинної амонієвої основи. Цю реакцію відкрив 1850 року німецький хімік Август Вільгельм Гофман.
Спочатку амоніак з галогеналканом утворює сіль алкіламонію, яка в надлишку амоніаку перетворюється в первинний алкіламін:
+ _ N14,
СН3І + Р4Н3 ------- [СН3КН3]І Ч ' * СН3МН2 + МН4І
метиламоній йодид метиламін
Первинний амін, що утворився, реагує з наступною молекулою галогеналкану і т. д. У результаті утворюється вторинний амін, потім третинний і сіль четвертинної амонієвої основи:
СН3ЬГН2 + СН3І
(СН3)2МН + СН3І
(СН3)3К + СН3І
+ _ NN.
[(СН3)2КН2]Г 5=±
диметиламоній йодид
+ _ ^Н3
[(СН3)3МН]І
триметиламоній йодид
[(СН3)4Й]Г
тетраметиламоній йодид
(СН3)2КН + \Н4І диметиламін
(СН3)3И + КН4І
триметиламін
При значному надлишку амоніаку збільшується вихід первинного аміну, у разі надлишку галогеналкану в суміші переважає сіль четвертинної амонієвої основи. Утворену суміш первинних, вторинних і третинних амінів розділяють фракційною
перегонкою.
Синтез Габріеля. Метод дозволяє одержати первинні алкіламіни. Він ґрунтується на взаємодії калій фталіміду з галогеналканами і подальшим гідролізом утвореного N-алкілфталіміду:
М-етилфталімід
+ КС1
/\,СООН
фталева кислота
+ с2н5—гчн2
Відновлення нітроалканів і нітрилів. При відновленні нітроалканів і нітрилів утворюються первинні аміни. Відновлення проводять воднем у присутності каталізатора (N1, Реї, Рі) або воднем у момент виділення.
АМІНИ
283
СН3— М02 + ЗН2 СН3—N14, + 2Н2О
нітрометан метиламін
сн3— С=К + 2Н2 сн3— сн — кн2
ацетонітрил етанамін
Розщеплення незаміщених амідів карбонових кислот натрій гіпобромітом (перегрупування Гофмана). При обробці незаміщених амідів карбонових кислот натрій гіпобромітом (або сумішшю брому і натрій гідроксиду) утворюються первинні аміни, в яких на один атом Карбону менше, ніж у вихідному аміді:
СН— СН— С\ ин2 амід пропіонової кислоти
Г^аОВг (Вг2 + КаОН)
---* СН—СН—МН2 + СО2 + №Вг
етиламін
20.2.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. ПРОСТОРОВА БУДОВА
За звичайних умов метиламін, диметиламін і триметиламін безбарвні гази; алкіл-аміни, які містять від 4 до 15 атомів Карбону,— рідини; вищі аміни — тверді речовини (табл. 20.1).
Нижчі аміни добре розчинні у воді, зі збільшенням молекулярної маси розчинність знижується. Вищі аміни не розчинні у воді. Газоподібні аміни мають запах амоніаку, рідкі аміни — різкий неприємний запах, який дещо нагадує запах оселедцевого розсолу, тверді — без запаху. Температури кипіння третинних амінів значно нижчі, ніж первинних
Август Вільгельм ГОФМАН (1818—1892)
Німецький хімік-органік. Основні наукові дослідження присвячені ароматичним сполукам. Виділив (1841) з кам’яновугільної смоли анілін і хінолін. Після знайомства зі способом одержання аніліну, розробленим М. М. Зі-ніним, усі свої дослідження присвятив синтезам анілінових барвників. Спостерігав (1845) полімеризацію старену. Відкрив толуїдини (1845), тетраалкі-ловані амонієві основи. Запропонував (1850) спосіб синтезу аліфатичних амінів дією амоніаку на галогеналкани (реакція Гофмана). Уперше (1867) разом з Кауром одержав аліловий спирт і продукт його окиснення — акролеїн. Синтезував (1858) фуксин. Відкрив (1868) перетворення первинних амінів в ізонітрили. Запропонував (1881) спосіб одержання з незаміщених амідів кислот первинних амінів (перегрупування Гофмана).
Засновник і перший президент Німецького хімічного товариства.
і вторинних з однією і тією ж кількістю атомів Карбону. Це зв’язано зі здатністю первинних і вторинних амінів утворювати, подібно до спиртів, водневі зв’язки:
5-
Н н 8+ ГІ 5+
N
к н N
4 К
Н Н
Л
,.-Н Н N ...н"" ‘хсн3 н"' ‘^сн! б й
х н ,.Н/’ Н
ге
сн
N
Глава 20
284
Таблиця 20.1
Фізичні характеристики алкіламінів
Сполука Назва Температура, °С
плавлення кипіння
сн3—кн2 Метиламін -93 —6
сн3—сн2—мн2 Етиламін -81,2 17
сн3—сн2—сн2—мн2 Пропіламін -83 48
сн3—сн—сн3 кн2 Ізопропіламін -95 32
сн3—сн2—сн2—сн2—мн2 Бутил амін -50 78
сн3 сн3—с—мн2 сн3 трет-Бутиламін -73 44
СН3(СН2)4МН2 Пентиламін -55 104
СН3(СН2)5МН2 Гексил амін -19 130
(СН3)2МН Диметиламін -92 7
(С2Н5)2МН Діетиламін -48 56
(СН3)3Н Триметиламін -117 3
(С2Н5)^ Триетиламін -115 89
Аміни утворюють менш міцні асоціати, ніж відповідні спирти, у зв’язку з тим, що електронегативність атома Нітрогену менша, ніж атома Оксигену. Третинні аміни не мають атома Гідрогену при атомі Нітрогену, тому вони не здатні до асоціації.
Просторова модель молекули алкіламіну має форму чотиригранної піраміди, у вершині якої знаходиться атом Нітрогену. Валентні кути між зв’язками в середньому становлять 107—108°, тобто близькі до тетраедричного. Умовно прийнявши неподілену пару електронів атома Нітрогену за четвертий замісник, можна показати конфігурацію атома Нітрогену в амінах аналогічно тетраедричній конфігурації атома Карбону:
/ N
В'
Виходячи з вищенаведеного, атом Нітрогену в амінах знаходиться в лр3-гібридизації, а неподілена пара електронів займає зр3-гібридну орбіталь.
Така будова припускає існування оптичної ізомерії в сполук, що мають три різних замісники при атомі Нітрогену (роль четвертого замісника виконує неподілена пара електронів). Однак, унаслідок інверсії, тобто швидкого взаємного
АМІНИ
285
перетворення однієї тетраедричної конфігурації в іншу, розділити оптичні ізомери неможливо:
Саме тому алкіламіни не виявляють оптичної активності.
20.2.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність алкіламінів визначається головним чином наявністю при атомі Нітрогену неподіленої пари електронів. За рахунок пари електронів атома Нітрогену аміни, з одного боку, здатні приєднувати протон від кислоти, виявляючи при цьому основні властивості, а з іншого — можуть атакувати в молекулі реагенту електрофільний центр (частіше атом Карбону, який несе частковий або повний позитивний заряд) і утворювати хімічний зв’язок з ним, виявляючи иуклеофільні властивості
Через порівняно низьку електронегативність атома Нітрогену та +/-ефекту з боку алкільних груп поляризованість зв’язку N—Н в алкіламінах невелика. Тому первинні і вторинні алкіламіни дуже слабкі ЬШ-кислоти.
ОСНОВНІСТЬ
Будучи похідними амоніаку, алкіламіни, подібно до амоніаку, виявляють яскраво виражені основні властивості, зумовлені наявністю на атомі Нітрогену неподіленої пари електронів. Причому алкіламіни сильніші основи, ніж амоніак.
Як відомо, сила основи визначається стійкістю катіона, який утворюється внаслідок приєднання протона. Чим стійкіший катіон, тим сильніша основа. На стійкість катіона впливає електронна природа замісників при катіонному центрі і природа розчинника. Алкільні замісники, виявляючи +/-ефект, сприяють де-локалізації позитивного заряду катіона і тим самим підвищують його стійкість. Тому можна припустити, що третинні алкіламіни, маючи три електронодонорні замісники, є сильнішими основами, ніж вторинні, а вторинні, у свою чергу, більш сильними, ніж первинні аміни та амоніак:
сн3-^йн2 <
СН. .. сн3-^
СН,
Основність амінів (у газовій фазі)
Така закономірність зміни основності алкіламінів спостерігається в газовій фазі та в неводних розчинах. Однак у водних розчинах, поряд з електронними ефектами замісників, на стійкість катіона впливає сольватаційний ефект розчинника. Ступінь сольватації катіона тим вищий, чим менший його об’єм і нижчий ступінь делокалізації в ньому заряду.
Глава 20
286
Здатність до сольватації алкіламонієвих катіонів зростає в ряду:
Н Н Н
К' К" К Н-О\ /О—Н Н—О\
N н < N Н<Н N н
К Н—с/ К Н—О\ К Н—О\
н н н
Як бачимо, електронні ефекти замісників і сольватаційний ефект розчинника здійснюють на основність протилежний вплив. Тому внаслідок сумісного виявлення цих двох факторів у водних розчинах основність третинних амінів зазвичай нижча за основність первинних і вторинних:
К' ..
К — < К — ЙН2 < /ЙН
Я" К'
третинний первинний вторинний
Основність амінів (у водних розчинах)
Водні розчини алкіламінів мають лужне середовище:
К—ИН2 + НОН К—1ЧН3 + ОН-
З кислотами алкіламіни утворюють солі алкіламонію:
С2Н5— МН2 + НС1 ---------► [С2Н5—ТЧН3]СГ
етиламоній хлорид
При дії на амонієву сіль сильної основи — натрій гідроксиду вивільнюється вихідний амін:
[С2Н—ТЧН3]СГ + ИаОН --------► С2Н5—1ЧН2 + №іС1 + НОН
Реакцію солеутворення з подальшим виділенням вільного аміну часто використовують для очищення амінів.
РЕАКЦІЇ З ЕЛЕКТРОФІЛЬНИМИ РЕАГЕНТАМИ
Взаємодія з галогеналканами. За допомогою цієї реакції в структуру аміну вводять алкільний замісник, і тому вона отримала назву «реакція алкілювання». При взаємодії з галогеналканами первинні аміни перетворюються у вторинні, вторинні — у третинні, а третинні утворюють четвертинні амонієві солі:
‘48+ 8-
с2н5— мн2 + сн3-^і
[С2Н5—КН2—СН3]Г с,н5—кн—СН.+НІ
етилметиламоній йодид етилметиламін
Аналогічно вторинний амін алкілюється з утворенням третинного, а третинний — з утворенням четвертинної амонієвої солі (див. реакція Гофмана, с. 282).
АМІНИ
287
Залежно від природи галогеналкану та алкіламіну реакція може перебігати за механізмом 5^1 або 5^2 (див. с. 245).
Ацилювання. Первинні і вторинні алкіламіни вступають у реакцію з функціональними похідними карбонових кислот — галогенангідридами, ангідридами або естерами, утворюючи відповідні аміди (див. розд. 26.4.2).
С2Н—МН2
етиламін
о
+ сн3—
СІ хлорангідрид оцтової кислоти
с2н—мн—с —сн3 + неї
етиламід оцтової кислоти
ги0
СН3 сх ц О
С2Н,— №3, + .О -- С,Н,—1ЧН—С —СН, + СН,— С<
X З А* / Л 3 .з З
сн—с^ он
о
оцтовий ангідрид
с2н— ьш2 + сн3—с^ с2н— мн— с — СН, + С2Н5ОН
ОС2Н, етилацетат £
У процесі реакції атом Гідрогену при атомі Нітрогену в молекулі аміну заміщується на залишок карбонової кислоти К—С^ , названий ацильною групою.
Реакції, за допомогою яких у молекулу органічної речовини вводиться ацильна група, називають реакціями ацилювання.
Третинні аміни не містять при атомі Нітрогену атома Гідрогену і тому в реакцію ацилювання не вступають.
Взаємодія з нітритною кислотою. З нітритною кислотою реагують первинні і вторинні алкіламіни. Нітритна кислота дуже нестійка, зазвичай її одержують безпосередньо в процесі реакції взаємодією солей нітритної кислоти (НаТЧО2, КМО2) з будь-якою сильною мінеральною кислотою, частіше хлоридною або сульфатною.
При дії нітритної кислоти на первинні алкіламіни виділяється вільний азот і утворюються спирти. Реакція проходить через стадію утворення нестійких солей алкілдіазонію, які у водному середовищі розкладаються з виділенням азоту та утворенням спиртів:
С2Н— \Н2 + НО—N = 0 > [С2Н5—Ан=Н|СГ —
етиламін етандіазоній хлорид
—► с2н—он + к2 + неї
етанол
Механізм утворення солі діазонію викладений на с. 305.
Глава 20
288
Як побічні продукти реакції часто утворюються алкени і галогеналкани.
Вторинні алкіламіни в реакції з нітритною кислотою утворюють ІЧ-нітроз-аміни:
(СН3)2МІ + НО—N = 0 ----- (СН3)2М—N=0 + Н20
диметиламін 1Ч-нітрозодиметиламін
Нітрозаміни — це жовті або оранжеві маслянисті рідини. При обробці концентрованими мінеральними кислотами вони розщеплюються з утворенням вихідного аміну і нітритної кислоти:
(СН3)2ЬІ— N=0 + неї (СН3)2МН-НС1 + НО—N=0
Третинні алкіламіни за звичайних умов з нітритною кислотою не реагують.
Первинні, вторинні та третинні алкіламіни можна відрізнити один від одного реакцією з нітритною кислотою.
Ізонітрильна (карбіламінна) реакція. Реакція характерна тільки для первинних амінів. При нагріванні первинних алкіламінів із хлороформом у присутності лугів (ИаОН, КОН) у спиртовому середовищі утворюються ізонітрили (карбіламіни, ізоціаніди):
с2н— ічн2 + снсі3 + зкон -5^°11» с2н—й=с_ + зкеї + зн2о
етиламін етилізоціанід
Нітрозаміни
У 1962 році масове харчове отруєння овець у Норвегії було наслідком уживання риб’ячого м’яса з підвищеним вмістом нітритів. Цей інцидент відразу ж викликав у суспільстві стурбованість, пов’язану зі споживанням подібних продуктів людьми. Натрій нітрит широко використовують як консервант (у сосисках, шинці, беконі тощо). Нітрити надають м’ясу приємного рожевого відтінку і запобігають змінам (псуванню), інгібують ріст деяких небезпечних бактерій. Цілком можливо, що нітрити, які знаходяться в їжі, можуть реагувати з кислотами, які містяться в слині і шлунковому соку, утворюючи нітритну кислоту НК02. Подальша взаємодія нітритної кислоти з вторинними амінами, які входять до складу їжі, призводить до утворення нітрозамінів.
К
Ж— Н К
К
/М—N=0 к
+ НО—N = 0
+ Н20
М-нітрозамін
Нітрозаміни — сильні мутагени. Вони високотоксичні, легко метаболізуються в організмі.
Копчена риба, консервовані м’ясні продукти, пиво і низка інших продуктів містять нітрозаміни.
Незважаючи на численні дослідження, так і не було встановлено: чи небезпечні для нашого здоров’я незначні кількості нітрозамінів.
Насамкінець — кілька непоганих новин. Вміст нітрозамінів у беконі можна значно зменшити додаванням аскорбінової кислоти до суміші речовин, що використовуються під час копчення. Оптимізація процесу пивоваріння дозволяє знизити рівень нітрозамінів, утворюваних в ході промислового виробництва пива.
АМІНИ
289
Ізоціаніди мають різкий неприємний нудотний запах. На цій властивості грунтується використання ізонітрильної реакції в аналітичних цілях для якісного виявлення первинних амінів.
Реакція перебігає за механізмом нуклеофільного заміщення.
При взаємодії хлороформу з лугом утворюється як проміжний продукт дихлорокарбен:
СІ
Н—С^СІ + ЬІаОН
СІ
□
----► :СС12 + МаСІ + Н2О
дихлорокарбен
Дихлорокарбен — двовалентний радикал, що має вакантну орбіталь, яка піддається атаці неподіленою парою електронів атома Нітрогену аміну. Продукт приєднання, який утворюється, відщеплює в присутності спиртового розчину лугу дві молекули хлороводню і перетворюється в ізоціанід:
" сі
с2н-Йн2 + :ссі2 — с2н-^-с< ;№ОН,С-Н1ОНІ.
І СІ
С2Н— Й=С“+ 2МаСІ + 2Н2О
етилізоціанід
М-Галогенування. При взаємодії первинних і вторинних алкіламінів з галогенами (С12, Вг2) або гіпогалогенітами (МаОСІ, МаОВг) атоми Гідрогену аміногрупи заміщуються на атоми галогену і утворюються М-галогено- або ІЧ,М -дигалогенаміни:
Н Н СІ
/ сі / сі /
С2Н5-< С2Н5-< -ТПІГ С2Н-1<
Н СІ СІ
М-хлоретиламін М,К-дихлоретиламін
N-Гал огенал кіл аміни нестійкі сполуки.
ОКИСНЕННЯ АЛКІЛАМІНІВ
Первинні алкіламіни при окисненні озоном утворюють з високим виходом нітроалкани:
С2Н — мн2 °3 > С2Н5—МО2 + Н2О етиламін нітроетан
Третинні алкіламіни при окисненні гідрогену пероксидом або пероксикисло-О
тами В. — С\ утворюють М-оксиди амінів: ООН
(С2н5)3м (С2Н5)3М^О
триетиламін триетиламін-М-оксид
При окисненні в більш жорстких умовах первинні, вторинні і третинні алкіламіни утворюють альдегіди, кетони або карбонові кислоти.
Глава 20
290
20.3. АРИЛАМІНИ
Ариламінами називають похідні амоніаку, у молекулі якого один, два або три атоми Гідрогену заміщені залишками ароматичних вуглеводнів.
20.3.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Відновлення нітроаренів (реакція Зініна):
ОД-мо, С6Н5—МН2
нітробензен анілін
Як відновники використовують метали (Ре, 2п, 8п) у середовищі хлоридної кислоти, натрій сульфід, водень у присутності каталізатора тощо. Залежно від рН реакційного середовища процес відновлення супроводжується утворенням різних проміжних продуктів (див. с. 275).
Взаємодія галогенаренів з амоніаком і амінами. Галогенарени реагують з амоніаком, первинними і вторинними амінами за жорстких умов (високому тиску і температурі, за присутності каталізатора). При взаємодії з амоніаком утворюються первинні ариламіни:
С6Н—СІ + 2ИН3 _.200°сі^Си> с6Н5—МН2 + ин4С1
хлоробензен анілін
При взаємодії галогенаренів з ариламінами утворюються вторинні і третинні ариламіни:
С6Н,—СІ + С6Н5—1ЧН2 _200-250°с^Си » с н е й + НСІ Од О д 2 ОД Од
хлоробензен анілін дифеніламін
С6Н-1 + сбн-кн-сбн5 —;р;Си > (С6Н5)3М + НІ
йодобензен дифеніламін трифеніламін
Якщо в орто- або лара-положенні молекули галогенарену знаходиться елек-троноакцепторний замісник (—МО2, —СМ, —СОВ. тощо), то заміщення атома галогену здійснюється значно легше (див. с. 262).
Алкілювання первинних ариламінів. Цей метод дозволяє одержати змішані N-алкіл- і М,М-діалкілариламіни. Як алкілюючі реагенти найчастіше використовують галогеналкани або спирти в присутності кислот. У процесі реакції утворюється суміш вторинного і третинного амінів:
ЬІ-метиланілін
N -диметиланілін
20.3.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За звичайних умов ариламіни — це безбарвні висококиплячі рідини або тверді кристалічні речовини зі слабким неприємним запахом (табл. 20.2). Вони малорозчинні у воді, сильнотоксичні, окиснюються киснем повітря, через що при зберіганні набувають жовтого забарвлення.
АМІНИ
291
Фізичні характеристики ариламінів
Таблиця 20.2
Сполука Назва Температура, °С
плавлення кипіння
мн2 Анілін -6 184
тчн—сн3 ТЧ-Метил анілін -57 196
/СНз СН3 N, N -Диметил анілін 2,5 194
/ГПХ /С2Н5 \=/ хс2н5 -Діетиланілін -21,3 217
\=/ н " Дифеніламін 54 302
О_х,_/=\ \=/ ] 6 Трифеніламін 127 365
мн2 Хсн3 о-Толуїдин -24 200
МН2 сн3 лг-Толуїдин -32 203
СНз“^3“ІЧН2 я-Толуїцин 45 200
1ЛЗЗ. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Для ариламінів характерні реакції за участі аміногрупи і реакції за участі атомів Карбону ароматичного ядра.
РЕАКЦІЇ ЗА УЧАСТІ АМІНОГРУПИ
Ариламіни по атому Нітрогену вступають практично в усі реакції, розглянуті раніше для алкіламінів, проте перебіг деяких з них має свої особливості.
Основність. За рахунок наявності неподіленої пари електронів на атомі Нітрогену ариламіни, як і алкіламіни, виявляють основні властивості. Однак основність ариламінів значно нижча за основність алкіламінів:
Основа
сн3—МН2
4,6
0,78
Р^вн
10,6
Глава 20
292
Значне зниження основності ариламінів порівняно 3 зумовлено кон’югацією неподіленої пари
оУ 2 +л/_ефект електронів атома Нітрогену з я-електронною системою
ароматичного ядра.
Завдяки кон’югації неподілена пара електронів частково делокалізується по ароматичному ядру, і тому вона стає менш доступною для координації з протоном.
На основність ариламінів істотно впливають замісники в бензеновому кільці. Електронодонорні замісники збільшують основність, а електроноакцептор-ні — зменшують її. Анілін сильніша основа, ніж л-нітроанілін, але слабша, ніж л-анізидин:
л-анізидин
л-нітроанілін
Основність ариламінів значно знижується при переході від первинних до третинних:
анілін
дифеніламін
Основність ариламінів
Завдяки електроноакцепторним властивостям трьох бензенових кілець три-феніламін практично не має основних властивостей. Будучи слабкими основами, ариламіни утворюють солі лише із сильними мінеральними кислотами:
СЙН,— N11, + неї о? 2
анілін
СЙН,—1ЧН.СГ о З З
аніліній хлорид
Реакція алкілювання. Подібно до алкіламінів, первинні і вторинні ариламіни реагують з галогеналканами, утворюючи N-алкіл- і М,М-діалкілариламіни. Через зниження нуклеофільних властивостей атома Нітрогену алкілювання ариламінів відбувається важче порівняно з алкіламінами:
С,Н— МН, + С2Н,—І -----► СЙН,—№1—С,Н, + НІ
03 2 23 0 3 23
X-етил анілін
СЙН,—ІЧН—С,Н5 + С,Н,—І 0 3 2 3 2 3
С2Н5
С6Н5—Ьі' + НІ
с2н5
N, N - діетил анілін
Реакцію алкілювання використовують для добування змішаних амінів.
АМІНИ
293
Реакція ацилювання. При дії на первинні і вторинні ариламіни галогенангідри-дів або ангідридів карбонових кислот атоми Гідрогену аміногрупи заміщуються на
О
ацильні залишки В.— .У результаті реакції утворюються заміщені аміди кар-
бонових кислот. 14-Ацильні похідні аніліну та його гомологів називають анілідаміг.
О
С6Н5—ЬІН2 + (СН3СО)2О --------► СбН—Мі—С—СН3 + СН3СООН
оцтовий феніламід оцтової кислоти;
ангідрид ацетанілід
Колись ацетанілід за назвою «антифебрин» (від лат. апіі — проти і /еЬгіз — гарячка, пропасниця) використовувався в медицині як жарознижуючий засіб. Аміди карбонових кислот легко гідролізуються в кислому або лужному середовищі з утворенням вихідного аміну і карбонової кислоти:
О
II н+
с6н,—тчн—с—сн3 + н2о —► сйн,—1ЧН2 + сн3— с<
03 5 2 О д 2 5 \
ацетанілід ОН
На цій властивості амідів карбонових кислот ґрунтується використання реакції ацилювання амінів для тимчасового захисту аміногрупи від окиснення та інших реакцій, якщо вони небажані.
У М-ацильних похідних ароматичних амінів неподілена пара електронів атома Нітрогену знаходиться в сполученні не тільки з л-електронною системою бензенового ядра, але і з л-електронами подвійного зв’язку карбонільної групи С = О, що призводить до значного зниження порівняно з амінами її електронодонорних властивостей відносно бензенового кільця:
Взаємодія з нітритною кислотою. Первинні, вторинні і третинні ароматичні аміни при взаємодії з нітритною кислотою утворюють різні продукти. При дії нітритної кислоти на первинні ароматичні аміни в присутності сильної мінеральної кислоти утворюються солі діазонію. Ця реакція отримала назву «реакція діазотування».
С6Н—№і2 + НО—N = 0 нс1(надлиш)> [СбН5-Й—Н]СГ + 2Н2О
бензендіазоній хлорид
Про умови перебігу і механізм реакції діазотування див. на с. 304.
Вторинні ариламіни і М-алкілариламіни при взаємодії з нітритною кислотою, так як і алкіламіни, утворюють ГЧ-нітрозаміни:
С6Н — N4—С6Н5 + НО—N = 0 -----► С6Н—Т4—С6Н5 + Н2О
N=0
дифеніламін К-нітрозодифеніламін
С6Н5—МН—СН3 + НО—N=0 —► сль—м—сн3 + н,о
о з О □ | з 2
N=0
Ьї-метиланілін Х-метил-М-нітрозоанілін
Глава 20
294
Третинні N1, М-діалкілариламіни під час дії нітритної кислоти піддаються нітро-зуванню в лара-положенні бензенового кільця, а якщо воно зайняте, то в орто-положенні:
.СН, /СН,
ЛСНз
Г Р + НО—N = 0 -----------------► Г 1 + Н2о
N = 0
М,М-диметил анілін 4-нітрозо-Х,Х-диметиланілін
Ізонітрильна реакція. Аналогічно алкіламінам первинні ароматичні аміни при нагріванні з хлороформом і лугом у спиртовому середовищі утворюють ізонітрили (ізоціаніди) — речовини з різким неприємним нудотним запахом:
СДЬ—МН, + СНС1, + ЗМаОН _9.н?он > СДЬ—С" + ЗМаСІ + ЗН,О О З 2 5 Од 2
фенілізоціанід
Про механізм реакції див. на с. 289.
Утворення азометанів. Первинні аміни при взаємодії з альдегідами і кетонами утворюють М-заміщені іміни (азометани)1.
К— МН2 + 0=С^ К — №С\ + Н20
амін альдегід N-заміщений імін;
або кетон азометин
Іміни, отримані на основі аліфатичних карбонільних сполук і аліфатичних амінів, зазвичай малостійкі і спонтанно полімеризуються. Іміни, синтезовані з ароматичних амінів або ароматичних оксосполук, відрізняються значною стабільністю.
Реакція первинних ароматичних амінів з ароматичними альдегідами була відкрита 1864 року італійським хіміком Хуго Йозефом Шиффом, тому продукти реакції називають основами Шиффа.
Під дією розведених кислот М-заміщені іміни гідролізуються з утворенням вихідного аміну і карбонільної сполуки.
Шиффові основи використовують у синтезі вторинних амінів, гетероциклічних сполук (похідних піридину, хіноліну), для захисту альдегідної групи або аміногрупи, а також в аналітичних цілях для ідентифікації первинних амінів і альдегідів.
РЕАКЦІЇ ЗА УЧАСТІ АРОМАТИЧНОГО ЯДРА
Для ариламінів характерні реакції електрофільного заміщення по ароматичному ядру, властиві ароматичним вуглеводням. Аміногрупа в молекулі ариламіну за
______________
1 До азометанів належать органічні сполуки загальної формули С = \ — К", де КиК' = Н, Аік, Аг; Я” = Аік, Аг. ІГ
АМІНИ
295
рахунок виявлення +Л/-ефекту виступає як сильний електронодонорний замісник для бензенового кільця і тим самим активізує його реакційну здатність у реакціях електрофільного заміщення. Тому ариламіни вступають у реакції електрофільного заміщення значно легше, ніж бензен. Аміногрупа, будучи замісником І роду, направляє електрофільне заміщення в орто- і ияря-положення.
Галогенування. Анілін легко реагує з галогенами (С12, Вг2) за відсутності каталізатора, утворюючи 2,4,6-тригалогенопохідні ариламіни. Так, при обробці аніліну бромною водою практично з кількісним виходом утворюється осад 2,4,6-триброманіліну:
Хлор у водних розчинах окиснює анілін, тому хлорування з утворенням 2,4,6-три-хлораніліну проводять дією хлору в неводних
Хуго Йозеф ШИФФ (1834-1915)
Італійський хімік. Основні наукові праці присвячені органічної хімії. Одержав (1857) тіонілхлорид. Відкрив (1864) продукти конденсації альдегідів з амінами, пізніше названі основами Шиффа. Запропонував (1866) якісну реакцію на альдегіди з фуксинсуль-фітною кислотою (реакція Шиффа), а також на фурфурол. Створив прилад для визначення азоту за способом, запропонованим (1830) Ж. Б. Дюма.
розчинниках.
При добуванні моногалогенозаміщенних ариламінів аміни спочатку переводять у М-апильні похідні, які потім галогенують і гідролізують. К-Апетиламіногрупа є замісником І роду, але її активуючий вплив на бензенове кільце значно менший, ніж аміногрупи, тому що неподілена пара електронів атома Нітрогену бере участь у кон’югації не тільки з л-елекгронною системою бензенового ядра, але і з л:-електронами подвійного зв’язку карбонільної групи:
(СН3СО)2О
-сн3соон
анілін
ацетанілід
кнсосн3
н2О; н+
Ц. 0 -сн,соон
Вг
4-бромацетанілід
мн.
Вг
4-броманілін
Нітрування. Нітрування ариламінів на відміну від аренів має низку особливостей. Пряме нітрування ароматичних амінів концентрованою нітратною кислотою здійснити неможливо, тому що вони легко окиснюються. При використанні нітруючої суміші як нітруючого реагенту ариламіни, поряд з окисними процесами, які частково перебігають, перетворюються в ариламонійні солі. Амонійна група, будучи елекгроноакцепторним замісником, утруднює нітрування і сприяє утворенню переважно тиеяш-ізомеру:
Глава 20
296
Н28О4
аніліній гідросульфат
л-нітроаніліній гідросульфат
л«-нітроанілін
Для захисту аміногрупи від процесів окиснення і протонування по атому Нітрогену ароматичні аміни попередньо ацетилюють. N-Ацетильні похідні, на відміну від амінів, дуже слабкі основи і навіть у сильнокислому середовищу реагують у непротонованій формі. Разом з тим ЬІ-ацетиламіногрупа зберігає електронодо-норні властивості та орієнтує нітрування в орто- і лара-положення. Співвідношення орто- і лара-ізомерів залежить від складу нітруючої суміші та умов проведення реакції. Після нітрування М-ацильні похідні гідролізують у кислому або лужному середовищі:
(СН,СО),О
-СНіСООН
анілін
ацетанілід
о-нітроацетанілід
МНСОСН3
N0, НОН; Н+
-сн,соон
МНСОСН3
Г4О2
НОН; Н
-СН,СООН
л-нітроанілін
п -нітроацетанілід
Сульфування. При нагріванні аніліну з концентрованою сульфатною кислотою в середовищі висококиплячого розчинника утворюється л-амінобензен-сульфокислота, яку частіше називають сульфаніловою кислотою. Реакція перебігає через стадію утворення М-фенілсульфамінової кислоти, яка перегруповується в л-амінобензенсульфокислоту:
аніліній гідросульфат
N-феніл сульф-амінова кислота
л-амінобензен-сульфокислота; сульфанілова кислота
Сульфанілова кислота є структурним фрагментом великої групи лікарських препаратів — сульфаніламідів (див. с. 510)
АМІНИ
297
ОКИСНЕННЯ АРИЛАМІНІВ
У присутності кисню повітря анілін окиснюється до л-хіноніміну, набуваючи при цьому бурого забарвлення:
+ 02
ЬІН
л-хінонімін
Під дією таких окисників, як монопероксисульфатна кислота Н2805 (кислота Каро) або гідроген пероксид в оцтовій кислоті, первинні ароматичні аміни окис-нюються до нітрозосполук. При окисненні трифлуоропероксиоцтовою кислотою утворюються нітросполуки:
N=0
нітробензен
нітрозобензен
20.4. ДІАМІНИ
Діамінами називають сполуки, які містять у своєму складі дві аміногрупи, зв ’язані з вуглеводневим радикалом.
Залежно від природи вуглеводневого радикала розрізняють аліфатичні та ароматичні діаміни1:
СН3—СН —СН2
\Н2 КН2
1,2-пропандіамін
сн2—сн—сн—сн2
мн2 мн2
1,4-бутандіамін;
тетраметилендіамін1
о-фенілендіамін
20.4.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Діаміни добувають аналогічно моноамінам, використовуючи як вихідні речовини відповідні біфункціональні похідні.
Амоноліз дигалогеналканів (див. с. 282):
Вг—СН—СН—Вг + 4МН3 —► Н2М —СН—СН2—КН2 + 2Т4Н4Вг
1,2-диброметан 1,2-етандіамін
1 Якщо аміногрупи розміщені на кінцях нерозгалуженого ланцюга, то в назві вказують кількість метиленових груп (використовуючи грецькі числівники), додаючи суфікс -діамін.
Глава 20
298
Відновлення динітрилів (див. с. 283):
N = С—СН2—СН2—СН2—СН2—С = N + 4Н2 —►
адиподинітрил
----- Н2К—СН—(СН2)4—сн2 —мн2
гексаметилендіамін
Відновлення нітроанілінів або динітробензенів (див. с. 274):
о-нітроанілін
ЗН2
-2Н2О
6Н2
- 4Н2О
20.4.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За хімічними властивостями діаміни подібні до моноамінів. Особливістю їх хімічної поведінки є лише те, що реакції можуть проходити по одній або двох аміногрупах. Так, діаміни утворюють солі з одним або двома еквівалентами кислот; за участі однієї або двох аміногруп вони вступають у реакції алкілювання, ацилювання тощо. Діаміни сильніші основи, ніж моноаміни, що пояснюється присутністю двох аміногруп.
Для деяких діамінів характерні специфічні реакції, пов’язані з утворенням гетероциклічних структур. При нагріванні хлороводневих солей тетраметиленді-аміну і пентаметилендіаміну відбувається їх внутрішньомолекулярна циклізація і утворюються відповідно п’яти- і шестичленні гетероциклічні сполуки — піролі-дин і піперидин:
СН2— СН— ЙН3СГ
СН2—СН—ЙН3СГ
тетраметилендіамін дигідрохлорид; тетраметилендіамоній дихлорид
сн2—сн—ЙН3СГ
сн2
сн2—сн—МН3СГ
пентаметилендіамін дигідрохлорид; пентаметилендіамоній дихлорид
сн2—сн2
I /Г4—Н-НС1 + 1ЧН4С1 сн2—сн2
піролідин гідрохлорид; піролідиній хлорид
ХСН2—сн2
СН2 Н-НС1 + МН4С1
СН2—сн2
піперидин гідрохлорид; піперидиній хлорид
АМІНИ ----------------------------------------------------------------- 299
Хлороводнева сіль етилендіаміну в цих умовах вступає в реакцію міжмолекулярної циклізації, утворюючи гетероцикл — піперазин:
/ЙН3СГ _сін3ьіх
СН, СН,
І 2 + І 2
сн2 сн2
ХЙН3СГ “СІН^
н
І
N.
Н2С сн2
н І, -2НС1 + 2МН4С1
2 2
І
Н
піперазин дигідрохлорид
о-Фенілендіамін вступає в реакції конденсації з а-діальдегідами, дикетонами, альдегідо- і кетокислотами, а також карбоновими кислотами, утворюючи гетероциклічні продукти. Так, при конденсації о-фенілендіаміну з гліоксалем утворюється хіноксалін:
о-фенілендіамін гліоксаль
+ 2Н2О
У процесі конденсації з карбоновими кислотами утворюються похідні бенз-імідазолу:
о-фенілендіамін
2-метилбензімідазол
+ 2Н2О
20.5. ІДЕНТИФІКАЦІЯ АМІНІВ
20.5.1. ХІМІЧНІ МЕТОДИ
Первинні аліфатичні та ароматичні аміни можна виявити за допомогою ізо-нітрильної реакції (див. с. 288) за характерним неприємним запахом ізонітрилів, які утворюються:
К—МН2 + СНС13 + ЗМаОН -------------► К— Й=С“ + ЗИаСІ + ЗН2О
ізонітрил
Для виявлення первинних ароматичних амінів використовують реакцію діа-зотування (див. с. 304) з подальшою конденсацією солі діазонію, яка утворилася,
Глава 20
300
з Р-нафтолом (див. реакцію азосполучення, с. 309). Спостерігають появу оранжево-червоного кольору азобарвника:
№ЇЧО2 + НС1 (надлипп)
-КаСІ; -Н2О
N=N0"
бензендіазоній хлорид
N=N01“
Р-нафтол
2КаОН
-ХаСІ;
-н2о
азобарвник;
натрій 1-(бензеназо)-2-нафтолят
Первинні, вторинні і третинні аміни аліфатичного та ароматичного рядів можна відрізнити один від одного реакцією з нітритною кислотою (див. с. 287 і 293).
Ідентифікацію первинних і вторинних амінів часто здійснюють через утворення М-ацильних похідних. Причому для характеристики аліфатичних амінів звичайно одержують ІЧ-бензоїльні похідні, для ароматичних — М-ацетильні. Бензоїльні похідні легко утворюються при обробці амінів бензоїлхлоридом, а ацетильні — дією оцтового ангідриду:
С2Н5— ин2 +
С2Н—мн —с
+ неї
о
СН3—С\ о
СН,—Ск чо оцтовий ангідрид
етиламід бензойної кислоти
ацетанілід
+ сн—с^
он
М-Ацильні похідні амінів — це кристалічні речовини з чіткими температурами плавлення.
20.5.2. ФІЗИЧНІ МЕТОДИ
У ІЧ-спектрах амінів спостерігаються смуги поглинання, зумовлені валентними коливаннями зв’язку С—N. В аліфатичних амінах ус_м виявляються в ділянці 1230—1030 см-1, в ароматичних — 1300—1250 см-1. ІЧ-Спектри первинних і вторинних амінів мають смуги поглинання в ділянці 3550—3320 см-1, які відповідають валентним коливанням зв’язку N—Н. У первинних амінів у цій ділянці дві смуги поглинання, а у вторинних — одна. Утворення міжмолекулярних водневих зв’язків призводить до зміщення смуг поглинання зв’язку N—Н в ділянку 3330-3000 см"1.
Метод УФ-спектроскопії застосовується в основному для ідентифікації ариламінів. Аліфатичні аміни поглинають УФ-випромінювання в далекій ультрафіоле
АМІНИ
товій ділянці, яка малодоступна для вимірювання. Наявність у молекулі ариламіну аміногрупи, зв’язаної з бензеновим ядром, призводить до значного зміщення смуги бензенового поглинання в довгохвильову ділянку і збільшення її інтенсивності.
Так, в УФ-спектрі аніліну бензенова смуга виявляється при Хтах = 280 нм (є = 1430).
У ПМР-спекграх первинних і вторинних амінів спостерігається широкий нерозщеплений сигнал в зоні 0,5—4,7 млн-1, що відповідає протонам груп —Г4Н2 і )КН.
20.6. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Метиламін СН3—Т4Н2. Газ з гострим запахом, що нагадує запах амоніаку, добре розчиняється у воді. Насичений водний розчин містить 35—40% метиламіну. Метиламін використовується у виробництві лікарських засобів, барвників, інсектицидів, фунгіцидів тощо.
Анілін С6Н5>Ш2. Безбарвна рідина зі своєрідним запахом (т. кип. 184,4°С), легко окиснюється киснем повітря, набуваючи червонясто-бурого забарвлення. Анілін отруйний. Виробляється у великих кількостях, широко використовується в синтезі барвників, пластмас, лікарських препаратів, фотоматеріалів тощо.
/ Фенамін (1-феніл-2-пропанамін). Біла кристаліч-
\__/ СН2 СН СН3 на речовина, малорозчинна у воді. Використовується
в медицині як стимулятор центральної нервової сис-2 теми.
о-Фенілендіамін. Безбарвна кристалічна речовина, темніє на повітрі (т. пл. 102—104°С), добре розчинний у воді. Широко вико- [І | ристовується у виробництві лікарських препаратів (дибазол і под.), барвників, пестицидів.
Тетраметилендіамін (путресцин) Н2И—СН2—СН2—СН2—СН2—МН2. Кристалічна речовина (т. пл. 27—28 °С), легко розчиняється у воді. Утворюється в процесі гниття білків при ферментативному декарбоксилюванні амінокислоти орнітину:
СН2— СН— СН2— СН — СООН
ЬІН, МН,
орнітин
сн2— сн2— сн2— сн2
мн2 мн2
путресцин
Путресцин має неприємний запах. Він також утворюється при гнилісному розкладанні трупів, через що його відносять до групи птомаїнів (трупних отрут). В організмі людини путресцин використовується для синтезу біологічно активних поліамінів — спермідину і сперміну, які беруть участь у регуляції біосинтезу нуклеїнових кислот і білків:
Н2М—(СН2)4— МН — (СН2)3— N Н2 спермідин
Н2М—(СН2)3— МН — (СН2)4— МН — (СН2)3— мн2 спермін
Глава 20
302
Пентаметилевдіамін (кадаверин) Н2И—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—КН2. Рідина (т. кип. 178°С), легко розчиняється у воді. Утворюється в процесі гниття білків при ферментативному декарбоксилюванні амінокислоти лізину:
СН2—СН—СН2—СН2—СН —СООН —о-> СН2—СН—СН—СН2—СН2
гш2 мн2 ин2
лізин кадаверин
Кадаверин, як і путресцин, утворюється при гнилісному розкладанні трупів і належить до групи птомаїнів.
нзс\ + /снз
Н3С—Й—(СН2)6—Й— СН3 н3сх хсн3
Бензогексоній ([ 1,6-5/с-(М-три-метиламоній)-гександибензенсуль-2С6Н58О3 фонат], або ЬІ,М'-гексаметил-1,6-гексаметилендіамоній дибензенсуль-фонат). Біла кристалічна речовина
(т. пл. 196—202°С), легко розчиняється у воді. Використовується в медицині як гангліоблокуючий і гіпотензивний засіб.
Глава 21
ДІАЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
21.1. ДІАЗОСПОЛУКИ
Діазосполуками називають органічні сполуки, які містять у своїй структурі угруповання з двох атомів Нітрогену, зв ’язане з вуглеводневим радикалом і залишком мінеральної кислоти.
Загальна формула діазосполук КМ2Х,
де К. — вуглеводневий радикал',
X — залишок мінеральної кислоти (СГ, Вг-, МО3, Н8О4, ОН-, СМ-, 8О3Н-, 8Н- тощо).
Залежно від природи вуглеводневого радикала розрізняють аліфатичні та ароматичні діазосполуки. У цій главі розглянуто ароматичні діазосполуки, що мають велике практичне значення в синтезі барвників, лікарських препаратів, у фармацевтичному аналізі і т. д.
Загальна формула ароматичних діазосполук Аг—М2Х.
Залежно від природи кислотного залишку (аніона) зв’язок між Аг—М2 і X може бути іонним або ковалентним. Якщо X — залишок сильної мінеральної кислоти (СГ, Вг-, Н8О4, М03 тощо), то діазосполуки мають іонну будову і їх називають солями діазонію Аг—І\|=МХ-. Якщо ж X — залишок слабкої мінеральної кислоти (СМ-, Н8О^, ОН-, 8Н- і под.), діазосполуки мають ковалентну будову Аг—М=М—X.
Діазосполуки загальної формули Аг—М=М—0-М+, де М — метал, отримали назву «діазотати». У розчині зазначені форми діазосполук, залежно від рН середовища, можуть перетворюватися одна в одну. У кислому середовищі діазосполуки існують у формі солей діазонію, у середовищі, близькому до нейтрального, мають ковалентну будову, а в лужному середовищі знаходяться у формі діазотатів. Так, при дії на сіль діазонію водним розчином натрій гідроксиду в нейтральному середовищі утворюється діазосполука ковалентної будови (діазогідроксид), яка у лужному середовищі перетворюється в діазотат. І навпаки, під дією хлоридної кислоти діазотат у нейтральному середовищі переходить у діазогідроксид, а в кислому середовищі утворює сіль діазонію:
кисле середовище нейтральне середовище лужне середовище
к ИаОН . жт жт КаОН . +
Аг—N = N01 < * Аг — М = М—ОН < » Аг — М = М—ОМа
неї неї
сіль діазонію арилдіазогідроксид натрій арилдіазотат
21.1.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
За номенклатурними правилами Н'РАС назви ароматичних діазосполук утворюють шляхом додавання до назви вихідного вуглеводню суфікса -діазо-, а назви солей діазонію — додаванням закінчення -діазоній з подальшою вказівкою аніона:
Глава 21
304
М = М — ОН
бензендіазогідроксид; діазогідрат
СІ
N = 14 —СК
4-хлоробензендіазоціанід
сн3—™= КВг
4-метилбензендіазоній бромід
N=14— О№+
Йоганн Петер ГРИСС (1829-1888)
Німецький хімік-органік. Основні наукові праці належать до хімії нітрогеновмісних органічних сполук. Уперше одержав (1857) діазосполуки і запропонував термін «діазо». Відкрив реакцію діазотування ароматичних амінів нітритною кислотою в середовищі мінеральної кислоти. Запропонував (1864) спосіб відновлення діазосполук. Одержав (1864) новий тип барвників — азобарвники. Відкрив барвники, що використовуються для фарбування бавовни.
натрій бензендіазотат
Ковалентнопобудовані діазосполуки можуть існувати у вигляді двох геометричних ізомерів — син-(цис-) і анти-(транс-), з яких більш стійкою є дн/гш-форма (див. с. 84):
(/////-діазосполука
«///////-діазосполука
21.1.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ СОЛЕЙ АРЕНДІАЗОНІЮ
Реакція діазотування. Реакція, відкрита 1858 року німецьким хіміком Йоганном Петером Гриссом, ґрунтується на взаємодії первинних ароматичних амінів з нітритною кислотою в середовищі сильної мінеральної кислоти, найчастіше хлоридної або сульфатної. Оскільки сама нітритна кислота надто нестійка, зазвичай на практиці ароматичний амін обробляють розчином солі нітритної кислоти (NаNО2, КМО2) у присутності сильної мінеральної кислоти, причому на 1 моль аміну використовують не менше 2,5 моль мінеральної кислоти: 1 моль — на одержання нітритної кислоти, один — на утворення солі діазонію, а надлишок кислоти необхідний для створення кислого середовища. Мінеральна кислота бере також участь у розчиненні ароматичного аміну, однак у реакцію діазотування вступає не сіль аміну, а вільний амін, який у невеликій кількості знаходиться в рівновазі з нею:
С,Н,— ЙН.СГ СЙН,— МН, + НС1 О л 3 о л 2
Реакція діазотування екзотермічна. Оскільки солі діазонію при нагріванні легко
розкладаються, діазотування проводять при температурі О...-5°С:
МН2
анілін
КаГЧО2; НС1 (надлиш.) 0-5 °С
№ИСГ
+ МаСІ + Н2О
бензендіазоній хлорид
ДІАЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
305
Механізм реакції. При взаємодії натрій нітриту з мінеральною кислотою утворюється нітритна кислота, яка в кислому середовищі утворює кілька діазотуючих + + агентів — протоновану нітритну кислоту Н— О—М= О, нітрозоній-катіон N = О
і нітроген(ІІІ) оксид М2О3: Н
Н— О—N=0 + Н+
Н
Н—О—N=0
протонована нітритна кислота
Н2О + N=0 нітрозоній-катіон
0=И + :0—N=0
Н
0=М— 6—N=0 —т* М2О3
| _н
18+ нітроген(ІІІ)
Н оксид
Найактивнішим серед утворених діазотуючих агентів є нітрозоній-катіон. Спочатку він атакує атом Нітрогену ароматичного аміну з утворенням М-нітрозаміну, який у кислому середовищі легко переходить у свою таутомерну форму — ді-азогідроксид. Потім діазогідроксид у кислому середовищі перетворюється в сіль діазонію:
С,Щ—ЇЇН2 + N=0
О 3 2
н
С6Н5—и—N=0
І "н+ н
н5+
І (Хі-
С6Н5— N^N=0
К-нітрозамін
С,Н,—ОН
О з
діазогідроксид
НСІ
С6Н—№КСГ+ н—о—Н
сіль діазонію
Унаслідок реакції одержують водні розчини солей діазонію, які безпосередньо використовують для подальших реакцій.
Взаємодія первинних ароматичних амінів з алкілнітритами. При дії на первинні ароматичні аміни естерів нітритної кислоти в присутності мінеральної кислоти в середовищі етанолу утворюються солі діазонію в кристалічному вигляді:
С.Н,— N11, + С,Н,—О —N=0 + НСІ ------------------
о З 2 2 3
етилнітрит
---► С-Н,—N=N01' + С,Н.~ ОН + Н20
О 3 2 3 2
бензендіазоній хлорид
Використання солей діазонію в кристалічній формі обмежене через їх високу вибухонебезпечність.
21.1.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Солі діазонію — безбарвні кристалічні речовини, легко розчиняються у воді. Вони нестабільні, при нагріванні і механічній дії розкладаються з вибухом. Тому в реакціях зазвичай використовують їх свіжоприготовані водні розчини.
Глава 21
ЗИб --------------------------------------------------------
21.1.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність солей діазонію зумовлена наявністю в їх структурі ді-азокатіона. Методом рентгеноструктурного аналізу встановлено, що атоми Нітрогену в діазокатіоні розміщені лінійно в площині бензенового кільця. Зв’язок між атомами Нітрогену за довжиною відповідає потрійному (0,11 нм). Це свідчить про те, що обидва атоми Нітрогену перебувають у стані ^-гібридизації. При цьому один з них містить позитивний заряд, а інший — має неподілену пару електронів (формула І). Позитивний заряд катіона делокалізований в основному між атомами Нітрогену та лише частково за рахунок л-електронної системи бензенового кільця (формула II):
п.
У результаті делокалізації кожний з атомів Нітрогену набуває часткового позитивного заряду, що можна зобразити за допомогою резонансних структур:
М = М:
Реакції за участі солей діазонію можна умовно розділити на дві групи: з виділенням азоту і без виділення азоту.
РЕАКЦІЇ З ВИДІЛЕННЯМ АЗОТУ
Реакції солей діазонію з виділенням азоту супроводжуються розривом зв’язку С—N у діазокатіоні і заміщенням діазогрупи на інші атоми або групи атомів. Залежно від способу розриву зв’язку С—N заміщення діазогрупи може відбуватися за механізмом 5^1 або 5К.
Механізм 5Л,1 — це двостадійний процес. На першій, повільній, стадії відбувається гетеролітичний розрив зв’язку С—N у діазокатіоні з утворенням дуже нестійкого арил-катіону і молекули азоту. На другій стадії арил-катіон швидко взаємодіє з нуклеофілом, утворюючи продукт заміщення:
Аг —И=МХ~ попі'ь"° > Аг+ + N2 + X’
арил-катіон
л + і хт - ШВИДКО А хт
Аг + Ми ------------* Аг —Ми
Перебігу реакцій за механізмом 5^1 сприяють нагрівання і розчинники, які мають високу сольватуючу здатність.
Заміщення діазогрупи за радикальним механізмом відбувається в присутності каталізатора — солей Купруму(І) або порошкоподібної міді. Останні здатні виступати як донор електронів.
На першій стадії реакції іон Си+ віддає один електрон діазокатіону, перетворюючись в іон Си2+. При цьому в діазокатіоні відбувається гемолітичний розрив зв’язку С—N з утворенням арильного радикала і молекули азоту. На другій стадії арильний радикал відриває атом галогену від купрум(П) галогеніду, регенеруючи тим самим купрум(І) галогенід:
ДІАЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
307
С6Н-Й^СГ
С6Н5— №И‘
^С6Н5-
С6Н5* + С1* І *Си — СІ ------► Сбн5— СІ + СиСІ
Реакції солей діазонію з виділенням азоту дозволяють ввести в ароматичне ядро різні замісники: —ОН, —Р, —СІ, —Вг, —І, —С=^ —N02, —ОК тощо.
Заміщення діазогрупи на гідроксильну групу. Для заміщення діазогрупи на гідроксильну групу підкислені водні розчини солей діазонію піддають кип’ятінню. При цьому виділяється азот і утворюються феноли. Реакцію можна проводити з розчинами будь-яких солей, але краще з цією метою використовувати гідросульфати. Взаємодія відбувається за механізмом 5^1:
с6н—+ нон -2-4 с6н5—он + N2 + н2зо4
бензендіазоній фенол
гідросульфат
Щоб запобігти реакції азосполучення (див. с. 309) між сіллю діазонію і фенолом, який утворюється, зазвичай розчин солі діазонію додають поступово до киплячої розведеної сульфатної кислоти Н2ЗО4.
Заміщення діазогрупи на атом Йоду. При нагріванні розчинів солей діазонію з розчином натрій або калій йодиду діазогрупа заміщується на атом Йоду. Реакція — один з найзручніших методів уведення йоду в ароматичне ядро:
СЛЬ— ЙшМСГ + КІ —СЙН,— І + N. + КС1 0 З 0 3 2
бензендіазоній йодобензен
хлорид
Заміщення діазогрупи, каталізоване солями Купруму(І) (реакція Зандмейєра). При каталітичній дії солей Купруму(І) діазогрупа може бути заміщена на атоми Хлору, Брому, нітрогрупу, ціаногрупу, хлоросульфонільну групу —8О2С1 тощо. Реакція названа на честь швейцарського хіміка Траугота Зандмейєра, який 1884 року із солей діазонію в присутності солей Купруму(І) одержав хлор- і бромарени. Реакція перебігає за механізмом
С6Н — ^N01’ бензендіазоній хлорид ► Сбн5— СІ + N2 хлоробензен КВг; СиВг; і ► ель—Вг + N5 + КС1 0 3 2 бромобензен КСМ; СиСИ; і С 14 СМ 4-М + КСІ
бензонітрил КМО2; СиМО9; і —* СЛЬ—N0, + N. + КС1 0 3 2 2 нітробензен $О2; СиСІ; 1 ► ель— 8О.С1 + N. 0 3 2 2 бензенсульфохлорид
Заміщення діазогрупи на атом Гідрогену. При нагріванні солей діазонію з відновлюючими агентами (гіпофосфітна кислота Н3РО2, формальдегід, спирти тощо)
Глава 21
308
Траугот ЗАНДМЕЙЄР (1854-1922)
Швейцарський хімік. Один з піонерів створення промисловості синтетичних барвників. Відкрив (1884) реакцію заміни діазогрупи в ароматичних або гетероароматичних сполуках на атом галогену шляхом розкладання солі діазонію в присутності галогенідів купруму(І) (реакція Зандмейєра). Запропонував новий спосіб одержання ізатину (взаємодією аміну з хлоралем і гідроксил аміном).
діазогрупа заміщується на атом Гідрогену. Унаслідок вільнорадикального заміщення сіль діазонію перетворюється на ароматичний вуглеводень:
N=N0" + Н3РО2 + Н20
2 + НСІ + Н3РО3
При використанні як відновника спиртів поряд з відновленням солі діазонію відбувається побічна реакція з утворенням етерів:
N=N01” + С2Н5ОН
О—С2Н5 + N2 + НСІ
[2 + сн3—+ неї н
етилфеніловий етер
Реакція заміщення діазогрупи на атом Гідрогену застосовується в органічному синтезі як непрямий метод видалення аміногрупи з ароматичного ядра після її використання для необхідної орієнтації заміщення. Таку сполуку, як 1,3,5-три-бромобензен, неможливо добути прямим бромуванням бензену. Однак її легко можна одержати з аніліну через утворення 2,4,6-триброманіліну з подальшим ді-азотуванням і відновленням солі діазонію:
анілін 2,4,6-триброманілін
2,4,6-трибромобензен-діазоній бромід
1,3,5 -трибромобензен
РЕАКЦІЇ БЕЗ ВИДІЛЕННЯ АЗОТУ
Утворення діазопохідних. Солі діазонію, будучи електрофільними реагентами, вступають у реакції з різними нуклеофільними реагентами з утворенням діазопо-
ДІАЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
309
хідних. Так, при додаванні до розчину солі діазонію лугів утворюються діазотати. З первинними і вторинними амінами в слабколужному і нейтральному середовищах солі діазонію утворюють діазоаміносполуки {триазенй). При дії на солі діазонію ціанідами лужних металів утворюються діазоціаніди:
2№ОН
С6Н—N=N01'
-№С1
Сбн5—ОИа
натрій діазотат
с,н5—м=м—мн—сн.
О 2> 5
З-метил-1-фенілтриазен
с6н5—м=м—см
бензендіазоціанід
Відновлення солей діазонію. При відновленні солей діазонію в м’яких умовах (дією станум(ІІ) хлориду в хлоридній кислоті, цинкового пилу в оцтовій кислоті, натрій сульфіту тощо) утворюються арилгідразини:
С6Н— Й=МСГ с6н5—мнмн2 • неї
фенілгідразин гідрохлорид
Реакція азосполучення. Солі діазонію реагують з фенолами в слабколужному середовищі та ароматичними амінами в слабкокислому середовищі, утворюючи азосполуки загальної формули Аг—М=М—Аг. Ця реакція одержала назву «реакція азосполучення». Сіль діазонію в реакції азосполучення називають діазокомпонентою, а фенол або ароматичний амін — азокомпонентою.
азокомпонента
(X = —ОН; — МН2; — КГНК; — МК2)
діазокомпонента
о-комплекс
бензендіазоній хлорид
анілін
азосполука
Н+
-неї
4-аміноазобензен
й=мсг
фенол
ИаОН
-КаСІ; -Н2О
он
4-гідроксиазобензен
За механізмом взаємодії реакція азосполучення належить до реакцій електрофільного заміщення в ароматичному ряду. Атакуючим електрофільним реагентом у реакції виступає діазокатіон. Активність діазокомпоненти в реакціях 8Е залежить від природи замісників в ароматичному ядрі (особливо в орто- і пара-положенні).
Глава 21
3*0 ---------------------------------------------------------------------------
Активність діазокомпоненти
Оскільки діазокатіон відносно слабкий електрофіл, він здатний реагувати тільки з дуже реакційноздатними ароматичними сполуками. До них належать сполуки, що. містя гь в ароматичному ядрі сильні електронодонорні групи: —ОН, —1^Н2, —Т4НК., —Як2. Зазначені замісники за рахунок виявлення +М-ефекту збільшують електронну густину у бензеновому ядрі і тим самим активують його в реакціях 8Е. Заміщення йде головним чином у лара-положення відносно активуючої групи, якщо ж це положення зайняте, відбувається орто-заміщення.
Великий вплив на перебіг реакції азосполучення має рН реакційного середовища.
Реакцію з фенолами проводять у слабколужному середовищі, де вони перетворюються в більш реакційноздатні феноляти, оскільки група —О- має значніші електронодонорні властивості, ніж група —ОН:
он~ н+
Сильнолужне середовище неприпустиме, тому що в цих умовах сіль діазонію перетворюється в діазотат, який не вступає в реакцію азосполучення.
З ароматичними амінами реакцію азосполучення проводять у слабкокисло-му середовищі (рН = 5...7). У сильнокислому середовищі реакція не проходить, оскільки в цьому разі аміногрупа практично повністю перетворюється в амонійну, яка дезактивує бензенове ядро в реакціях 8Е.
Катіон діазонію, будучи електрофільним реагентом, атакує в бензеновому кільці ароматичного аміну або фенолу атом Карбону з найбільшою електронною густиною, утворюючи ст-комплекс, який відщеплює протон і перетворюється в азосполуку (див. механізм, с. 309).
У випадку первинних і вторинних ароматичних амінів поряд з атакою бензенового кільця діазокатіон конкурентно атакує атом Нітрогену аміногрупи. Унаслідок цієї атаки утворюються діазоаміносполуки (триазени), які при нагріванні в кислому середовищі піддаються перегрупуванню з утворенням азосполук:
діазоамінобензен
ДІАЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
311
перегрх 11\ їм п: і
ин2
4-аміноазобензен
Використовуючи в реакції азосполучення різні діазо- і азоскладові, можна одержати велику кількість азосполук. З огляду на те що всі азосполуки забарвлені речовини, реакція азосполучення широко застосовується у фармацевтичному аналізі для підтвердження тотожності лікарських препаратів, що містять у своєму складі первинну ароматичну аміногрупу.
21.2. АЗОСПОЛУКИ
Азосполуками називають органічні сполуки, які містять у своєму складі угруповання —N=N— (азогрупу), зв’язане з двома вуглеводневими радикалами.
Залежно від природи вуглеводневого радикала розрізняють аліфатичнії ароматичні азосполуки. Найважливіше значення мають ароматичні азосполуки.
Загальна формула ароматичних азосполук
Аг—N=N—Аг'.
Назви азосполук з однаковими вуглеводневими радикалами складають з префікса азо- і назви вуглеводню. Положення замісників у вуглеводневих радикалах позначають цифрами або локантами орто-, мета- і пара-.
азобензен
2-гідрокси-4' -метилазобензен; о-гідрокси-гі -метилазобензен
Азосполуки з різними вуглеводневими радикалами при азогрупі розглядають як похідні вуглеводню з більш складною структурою, що містить як замісник ареназогрупу Аг—М=М—:
2-бензеназонафтален
1-(4'-нітробензеназо)-2-нафтол
Азосполуки, як і інші сполуки, що містять угруповання —К=М—, існують у вигляді двох геометричних ізомерів — син- (цис-) і анти- (транс-). Так, азобензен (т. пл. 68 °С) є ан/пи-ізомером. При опромінюванні УФ-світлом він переходить у син-ізомер (т. пл. 71 °С):
/С(Н5
м=м
сил-азобензен; 2Г-азобензен
лляш-азобензен; £-азобензен
См«-ізомер нестабільний і швидко перетворюється в пллги-ізомер.
Глава 21
312
21.2.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Реакція азосполучення (див. с. 309). Це найважливіший спосіб добування азосполук і широко застосовується в промисловості.
Відновлення нітроаренів у лужному середовищі. При відновленні нітроаренів у лужному середовищі азосполуки утворюються як проміжні продукти (див. с. 275). Проте за певних умов, зокрема під дією цинку в лужному середовищі, процес відновлення може бути зупинений на стадії утворення азосполуки:
2С6Н — N©2 Сбн5—№М— С6Н5
азобензен
21.2.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність азосполук зумовлена наявністю в їх структурі азогрупи —N=N—. Азосполуки виявляють слабкі основні властивості за рахунок не-поділених пар електронів на атомах Нітрогену азогрупи. Азогрупа протонується в присутності мінеральних кислот:
СЛЬ—№ЬІ—СДЬ + НСІ 5=^ СЛЬ—К=М—СЛГ + СГ
03 03 | 03
н
Азосполуки за участі азогрупи вступають у реакції окиснення та відновлення.
Під дією пероксикислот азосполуки окиснюються з утворенням азокси-сполук:
в—сооон +
СДЬ—№?4—СДЬ < * СДЬ—№М—СЛЬ
65 6 5 К—СООН 6 5 | 65
о-
азобензен азоксибензен
При відновленні азосполук за м’яких умов (дія цинку в розчинах лугів) утворюються гідразосполуки:
[Н] (2п + №ОН)
СЛЬ—N=>1—ель -------------------- ель—ьш—>ш—ель
03 03 03 03
азобензен гідразобензен
Відновлення станум(П) хлоридом у середовищі хлоридної кислоти приводить до утворення ариламінів:
8пС12; НСІ (надлиш.)
4-метилазобензен
л-толуїдин
анілін
Азосполуки — це кристалічні речовини, забарвлені в жовтий, оранжевий, червоний, синій та інші кольори і можуть бути використані як барвники, індикатори тощо.
Низку азосполук використовують у медичній практиці як хіміотерапевтичні засоби. Салазопіридазин, салазодиметоксин застосовують для лікування захворювань товстого кишечнику — неспецифічного виразкового коліту і хвороби Крона.
ДІАЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
313
соон
СООН
салазопіридазин
салазодиметоксин
Дослідження азобарвника пронтозилу привели до створення хіміотерапевтичних антибактеріальних препаратів широкого спектра дії — сульфаніламідів (див. с. 508—510). У 1935 році співробітники інституту Луї Пастера встановили, що пронтозил в організмі розщеплюється з утворенням л-амінобензенсульфаміду. Цей факт і змусив сконцентрувати увагу вчених на дослідженнях у ряду сульфаніламідів.
Н^
ьш 1^112 пронтозил
8О2НН2
21.2.3. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕОРІЇ КОЛЬОРОВОСТІ. АЗОБАРВНИКИ
Теорія кольоровості розглядає залежність забарвлення органічних сполук від будови їх молекул.
Забарвлення будь-якої речовини зумовлене її здатністю поглинати електромагнітне випромінювання у видимій ділянці спектра (400—760 нм). При цьому людське око сприймає предмет забарвленим у додатковий колір до того, що поглинається (табл. 21.1).
Таблиця 21.1 Спектральні і додаткові кольори
Довжина хвилі, нм Спектральний колір (поглинене випромінювання) Додатковий колір (колір речовини)
400-435 435-480 480-490 490-500 500-560 560-580 580-595 595-605 605-730 730-760 Фіолетовий Синій Зеленувато-синій Синювато-зелений Зелений Жовтувато-зелений Жовтий Оранжевий Червоний Пурпурний Зеленувато-жовтий Жовтий Оранжевий Червоний Пурпурний Фіолетовий Синій Зеленувато-синій Синювато-зелений Зелений Батохромне зміщення Гіпсохромне зміщення
Поглинання речовиною світла у вузькому діапазоні довжин хвиль приводить до появи яскравих барв (червоної, синьої, зеленої тощо). Якщо речовина поглинає світло в широкому діапазоні видимої ділянки спектра, з’являються неяскраві барви (коричнева, бордо, хакі і т. ін.). При поглинанні речовиною практично всієї
Глава 21
314
видимої ділянки спектра з’являється чорне або сіре забарвлення. Речовини, які не поглинають випромінювання у видимій ділянці, безбарвні.
Енергія, яку поглинає молекула у видимій ділянці, витрачається на збудження електронів (л-електронів), що утворюють л-зв’язки, та неподілених електронів (л-електронів), які при цьому переходять на більш високоенергетичні антизв’язуючі л*-МО (див. розд. 7.2.1). Таким чином, поглинання у видимій ділянці і пов’язана з ним поява забарвлення зумовлені л—л*- і и—л*-переходами. Особливо легко здійснюється л-^л*-переходи в кон’югованій системі кратних зв’язків.
Структурні фрагменти молекули, які поглинають випромінювання у видимій ділянці, і, за хромофорною теорією німецького хіміка Отто Ніколауса Вітта (1876), відповідальні за забарвлення, отримали назву «хромофори» (від грец. хромос — колір і форос — носій).
Основні хромофори: досить довга кон’югована система кратних зв’язків, азогру-па —М=И—, хіноїдна група =Ф /=, нітрогрупа —ЬЮ2, нітрозогрупа —N=0 тощо. \=/
Для появи забарвлення часто достатньо лише одного такого хромофора. Якщо молекула містить кілька хромофорів, уключених в єдиний ланцюг кон’югації, інтенсивність забарвлення збільшується.
Однак для того щоб речовина стала барвником, в її структурі мають бути присутніми угруповання, які без хромофорів не здатні викликати забарвлення, але, знаходячись з ними в єдиній кон’югованій системі, підсилюють забарвлення. Такі групи отримали назву «ауксохроми» (від грец. ауксео — збільшую і хромос — колір).
Основні ауксохромьі: групи —ОН, —МН2, —МНК, —МК2, —ОК, —8Н тощо.
Ауксохромами звичайно є замісники, які виявляють +Л/-ефект. Ауксохромні групи не тільки посилюють колір барвника, але і сприяють його взаємодії з матеріалом, який фарбується, що підвищує стійкість забарвлення до дії мийних засобів.
За хімічною будовою розрізняють нітро-, нітрозо-, азо-, трифенілметанові, антрахінонові, індигоїдні барвники і т. ін. Найрозповсюдженішим класом барвників є азобарвники. їх використовують для фарбування вовняних і штучних тканин, шкіри, паперу і т. д. Колір деяких азобарвників змінюється залежно від рН середовища, що дозволяє використовувати їх як індикатори. Типовим азобарвником є індикатор метиловий оранжевий (метилоранж, геліантин).
НаО38 —4 /-N = N—6 д— М(СН3)2
метиловий оранжевий;
геліантин
Метилоранж одержують азосполученням діазотованої сульфанілової кислоти з М,М-диметиланіліном:
ЙН3 ф
8О3 сульфанілова кислота
№0Н
-Н20
№М02; 2НС1
4-діазобензен-сульфокислота
№(СН3)2
-------►
рН = 3...4
натрієва сіль сульфанілової кислоти
ДІАЗО- ТА АЗОСПОЛУКИ
315
метиловий оранжевий (червона форма)
СН3СООКа
-СН3СООН
метиловий оранжевий (жовта форма)
У нейтральному і лужному середовищах метилоранж має жовте забарвлення, у кислому жовтий колір змінюється на червоний унаслідок утворення хіноїдної структури:
червона форма
Жовте забарвлення метилоранжу в нейтральному і лужному середовищах зумовлене наявністю в його структурі довгої кон’югованої системи, до складу якої входить хромофор — азогрупа —. У кислому середовищі внаслідок приєднання протона до одного з атомів Нітрогену азогрупи відбувається електронна перебудова кон’югованої системи, при якій азогрупа зникає, але з’являється сильніша хромофорна група — хіноїдна. Це приводить до поглиблення забарвлення. Інтервал переходу забарвлення від червоного до жовтого знаходиться в діапазоні рН середовища від 3,1 до 4,4. Як кислотно-основний індикатор використовують також азобарвник — метиловий червоний.
СООН
метиловий червоний;
4' -диметиламіноазобензен-2-карбонова кислота
У лужному середовищі метиловий червоний знаходиться у вигляді азоформи, яка має жовте забарвлення, а в кислому — переходить у хіноїдну форму з червоним забарвленням:
жовта форма
червона форма
Інтервал переходу від червоного до жовтого забарвлення знаходиться в межах рН = 4,2...6,2.
Глава 22
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
Гідроксильними похідними називають похідні вуглеводнів, в яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені на гідроксильну групу.
Залежно від типу гібридизації атома Карбону, безпосередньо зв’язаного з гідроксильною групою, гідроксильні похідні вуглеводнів поділяють на спирти (гідроксильна група знаходиться при атомі Карбону в зр3 -гібридизації) і феноли (гідроксильна група розташована при зр2-гібридизованому атомі Карбону, що входить в ароматичну систему). Сполуки з гідроксильною групою при зр2-гібридизованому атомі Карбону, що не входить в ароматичну систему, отримали назву «еноли». Такі речовини здебільшого нестійкі. Гідроксильні похідні з групою —ОН при атомі Карбону в ^-гібридизації невідомі.
Залежно від кількості гідроксильних груп у молекулі розрізняють одно-, двох-, трьох- і поліатомні спирти і феноли.
За розташуванням гідроксильної групи у вуглецевому ланцюзі спирти класифікують на первинні (група —ОН при первинному атомі Карбону), вторинні (група —ОН при вторинному) і третинні (група —ОН при третинному):
К.
к сн2— он /СН—он ІГ к. —с—он к
первинний спирт вторинний спирт третинний спирт
22.1. ОДНОАТОМНІ СПИРТИ
Одноатомними спиртами1 називають гідроксильні похідні вуглеводнів, що містять одну гідроксильну групу, зв ’язану з атомом Карбону в зр3-гібридизації.
Залежно від природи вуглеводневого радикала одноатомні спирти поділяють на три групи:
г насичені (алканоли і циклоалканоли) — гідроксильні похідні алканів та циклоалканів;
ненасичені (алкеноли, алкіноли, циклоалкеноли і под.) — гідроксипохідні ненасичених вуглеводнів, в яких гідроксильна група не знаходиться при кратному зв’язку;
> ароматичні (арилалканоли) — гідроксильні похідні ароматичних вуглеводнів з групою —ОН у боковому ланцюзі.
1 Часто одноатомні спирти називають просто спиртами.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
317
22.1.1. НОМЕНКЛАТУРА
Для назви спиртів найчастіше застосовують замісникову і радикало-функціональну номенклатуру ШРАС.
За замісниковою номенклатурою назву спирту утворюють з назви вуглеводню, що відповідає головному вуглецевому ланцюгу, до якого додають суфікс -ол з ука-занням положення гідроксильної групи в ланцюзі атомів Карбону. Нумерацію головного вуглецевого ланцюга починають з того кінця, до якого ближче розташована гідроксильна група.
1 2 3 4 3 2 1
сн,—сн,—он сн,—сн—сн, н,с=сн—сн—сн,—он
он сн3
етанол 2-пропанол 2-метил-3-бутен-1-ол
5 4 3 2 1
сн3—с= с—сн2—сн—он
З-пентин-1-ол
циклогексанол
2 1
сн2—сн—он
2-фенілетанол
За радикало-функціональною номенклатурою назви спиртів утворюють з відповідної назви вуглеводневого радикала, зв’язаного з гідроксильною групою, до якого додають -овий і спирт'.
С2Н5—ОН
етиловий спирт
сн,—с—он І сн3
/яре/я-бутиловий спирт
сн2—он
бензиловий спирт
н2с=сн—сн—он
аліловий спирт
Іноді для назви спиртів використовують раціональну номенклатуру, відповідно до якої спирти розглядають як похідні метилового спирту СН3ОН, що дістав назву «карбінол»:
сн — сн — он
метилкарбінол
сн—сн—сн—он сн3
етилметилкарбінол
Для деяких спиртів досить розповсюдженими залишаються тривіальні назви:
сн—он с2н5—он
деревний спирт
винний спирт
ментол
он
бензогідрол
Глава 22
318
22.1.2. ІЗОМЕРІЯ
Для спиртів характерна структурна, геометрична та оптична ізомерії. Структурна ізомерія спиртів зумовлена різним положенням гідроксильної групи у вуглецевому ланцюзі, а також будовою вуглецевого скелета:
ізомери ланцюга
сн3— сн2— сн2— сн —он
сн3—сн—сн2—он сн3
сн3—сн,—сн—сн3
З 2 । З
ОН
І
ізомери положення
Для ненасичених спиртів структурна ізомерія може зумовлюватись і положенням кратного зв’язку:
4 3 2 1
н2с= сн—сн — сн—он
4 3 2 1
н3с—сн=сн—сн—ОН
З-бутен-1-ол
2-бутен-1-ол
Геометрична ізомерія характерна для ненасичених спиртів і визначається різним розташуванням замісників відносно площини подвійного зв’язку:
н3сч /СН—ОН
/С=С\ Н Н
Н3С\ Н
/с=с\ н сн—он
44йС-2-буТЄН-1-ОЛ
транс-2-бутен-1 -ол
Оптична ізомерія можлива для спиртів, які мають у своїй структурі асиметричний атом Карбону:
СН— СН— СН—СН3
ОН
2-бутанол
сн—сн3 С-'"Н НО^ ^СНз
А-2-бутанол
сн,—сн3
12 Д
с
н,^ 'он
5-2-бутанол
22.1.3. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Гідроліз галогенопохідних вуглеводнів. Галогенопохідні вуглеводнів, атом галогену яких зв’язаний з атомом Карбону в 5/Лгібридизації, у присутності водних розчинів лугів при нагріванні піддаються гідролізу з утворенням спиртів (див. с. 251):
СН — СН2— сі КаО” » СН3— СН2— ОН
З 2 ~К’аС1 3 2
етанол
хлоретан
Гідратація алкенів. Приєднання води до алкенів приводить до утворення насичених спиртів (див. с. 150):
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
319
сн3— сн=сн2 Н0Н; н+ » сн3— СН—сн3
он
пропен 2-пропанол
Оскільки приєднання води до алкенів відбувається за правилом Марковнико-ва, то в умовах цієї реакції залежно від будови вуглеводню утворюються вторинні і третинні спирти. З первинних спиртів цим способом можна одержати лише
етанол.
Відновлення карбонільних сполук — альдегідів, кетонів, карбонових кислот і ес-терів. Відновлення карбонільної групи до гідроксильної — досить поширений метод добування спиртів. Як відновники використовують різні реагенти. Найбільш розповсюджений метод гідрування карбонільних сполук полягає в їхній обробці натрієм в етанолі. Дуже часто застосовують каталітичне гідрування в присутності нікелю Ренея, Рї, Реї і т. ін. Крім того, для відновлення карбонільних сполук використовують комплексні гідриди металів: натрій борогідрид МаВН4, літій алюмогідрид ЬіА1Н4 тощо.
При відновленні альдегідів, карбонових кислот і естерів утворюються первинні, а при відновленні кетонів — вторинні спирти:
СН3— СГ
Н ацетальдегід
//*
СН3— С\
4 он
оцтова кислота
[Н]:№ » сн — сн — он
етанол
лА1Н4
» сн3— сн,— он
[НІ; (Ка + С2Н50Н)^
Сг13— С
хос2н5
етилацетат
сн3—сн—он
сн,—с—сн3 II о
ацетон
[Н]; Рї
сн3—СН—сн3
он
2-пропанол
Для відновлення ненасичених карбонільних сполук використовують м’який селективний відновник — натрій борогідрид Ка+ВН4, що не порушує при відновленні кратні вуглець-вуглецеві зв’язки:
X)
Н2С = СН—СН2—СН—С^ №ВН4 » Н,С = СН— СН2— СН — СН— ОН
Н
4-пентеналь 4-пентен-1-ол
Цей метод використовують для добування ненасичених спиртів з альдегідів і кетонів.
Взаємодія карбонільних сполук з магнійорганічними сполуками {реактивами Гри-ньяра). Для одержання спиртів використовують реакцію магнійорганічних сполук КМ§Х з альдегідами, кетонами та естерами. Синтез здійснюють у дві стадії. На
Глава 22
320
першій стадії молекула магнійорганічної сполуки приєднується до молекули карбонільної сполуки за місцем розриву л-зв’язку карбонільної групи. Напрям при-\ 8+ 8-
єднання зумовлений полярністю карбонільної групи ^С=О і полярністю зв’язку
І 8- 8+
С—М§ у реактиві Гриньяра К—С<-М§Х.
ОМ§Вг
8+^О ....87........ 8+ |
н —+ :СН —сн?—:М§Вг —► н—с—сн2—сн3
формальдегід
етилмагнійбромід
бромомагній алкоголят
На другій стадії одержаний алкоголят піддають гідролізу, унаслідок якого утворюється спирт:
СН3—СН2—СН2—ОМ§Вг + НОН —► СН3—СН2—СН2—ОН + М§(ОН)Вг
1-пропанол
При дії магнійорганічних сполук на формальдегід одержують первинні спирти, з іншими альдегідами — утворюються вторинні спирти:
сн3— С ' н
ацетальдегід
ОМ§Вг
СН-С-СД
З | £ з
н
бромомагній алкоголят
НОН
- М8(ОН)Вг
сн—сн—сн—сн3
2-бутанол
Взаємодією магнійорганічних сполук з кетонами добувають третинні спирти:
О ОМ^Вг
сн3—с СгН5Мі?Вг» СН3—С —С2Н5
3 І 3 | 2 5
сн3 сн3
ацетон
НОН
- Мй(ОН)Вг
ОН
сн— с— с2н5
сн3
2-метил-2-бутанол
При дії магнійорганічних сполук на естери утворюються третинні спирти. У цій реакції з однією молекулою естеру реагують дві молекули реактиву Гриньяра:
сн3— С '
ос2н5
етилацетат
С2Н5М£Вг
ОМ&Вг сн3—с —с2н5
ОС2Н5
С2Н5М§Вг
—С2Н5ОМвВг
ОМ§Вг
нон
—М§(ОН)Вг
он І
с—(
С2Н5
бромомагній алкоголят
З-метил-З-пентанол
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
321
Спиртове бродіння вуглеводів (глюкози, фруктози, сахарози тощо) дозволяє одержати етиловий спирт:
С6Н12О6 дріждж1» 2С2Н5ОН + 2СО2і
глюкоза
22.1.4. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Насичені одноатомні спирти — безбарвні рідини або кристалічні речовини зі специфічним запахом (табл. 22.1).
Таблиця 22.1
Фізичні характеристики деяких спиртів
Сполука Назва Температура, °С
плавлення кипіння
сн3— он Метанол -97,8 64,7
сн3— сн—он Етанол -117,3 78,4
сн3— сн—сн — он 1-Пропанол -127,0 97,2
сн3— сн—сн3 он 2-Пропанол -88,5 82,3
сн3— сн—сн — сн—он 1-Бутанол -89,5 117,7
сн3— сн2— сн—сн3 он 2-Бутанол -114,7 100,0
сн3—сн—сн2—он сн3 2-Метил-1 -пропанол -108,0 108,4
сн3 сн3—с—сн3 он 2-Метил-2-пропанол 25,5 83,0
н2с=сн—сн—он 2-Пропен-1-ол; аліловий спирт -129,0 96,9
нс^с—сн—он 2-Пропін-1-ол; пропаргіловий спирт -48,0 113,6
<^^-ОН Циклогексанол 25,1 161,1
<^-сн-он Феніл метанол; бензиловий спирт -15,3 205,8
Глава 22
322
Нижчі члени гомологічного ряду мають характерний «спиртовий» запах; бута-нолам і пентанолам притаманний неприємний «сивушний» запах; вищі алканоли мають приємний фруктовий запах. Циклоалканоли, ненасичені та ароматичні спирти здебільшого рідкі або тверді речовини з приємним ароматним запахом. Так, циклогексанол має запах камфори, пропаргіловий спирт НС=С—СН2—ОН має запах герані, а 2-фенілетанол С6Н5—СН2—СН2—ОН — запах троянд.
Спирти мають вищі температури плавлення і кипіння, більшу розчинність у воді, ніж відповідні вуглеводні.
Така різка відмінність між фізичними властивостями спиртів і алканів зумовлена насамперед тим, що спирти є полярними сполуками. Вони мають два полярні зв’язки С—О і О—Н. Існування на атомах гідроксильної групи часткових зарядів протилежного знака приводить до міжмолекулярної взаємодії гідроксильних груп і утворення водневих зв’язків:
5- 5+ 5- 8+ 8- 8+
І І І
я я я
Унаслідок такої взаємодії відбувається асоціація молекул спирту. Водневі зв’язки значно слабші за ковалентні, проте їх утворення суттєво зменшує леткість, підвищує температуру кипіння, тому що асоціати, які утворюються, мають більшу молекулярну масу. Наприклад, етан кипить при -89 °С, тоді як етанол — при 78,5 °С.
Спирти з невеликою молекулярною масою добре розчинні у воді.
Метанол, етанол, пропаноли, аліловий і пропаргіловий спирти змішуються з водою в усіх співвідношеннях.
У водних розчинах спиртів утворюються водневі зв’язки між молекулами води і спирту:
ґ І 8-8+ 8- 8+ 8- 8+ 8- 8+
І І І І
я н я н
Водневі зв’язки, які утворюються, міцніші, ніж зв’язки між молекулами спирту, що приводить до зменшення сумарного об’єму води і спирту при змішуванні (явище контракції спирту).
22.1.5. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Для спиртів характерні реакції за участі зв’язків О—Н, С—О і реакції окиснення. Присутність у молекулі спирту кратних зв’язків або ароматичного радикала не змінює принципово хімічні властивості гідроксильної групи, а надає спиртам властивостей, характерних для ненасичених або ароматичних сполук (див. розд. 10.5 і 14.5).
Кислотно-основні властивості. Спирти виявляють слабкі кислотні і слабкі основні властивості, тобто вони є амфотерними речовинами. їх кислотні властивості зумовлені рухливістю атома Гідрогену гідроксильної групи. Атом Оксигену як більш електронегативний елемент зміщує електронну густину зв’язку ->О^-Н на себе, утворюючи при цьому на атомі Гідрогену частковий позитивний заряд. Під дією сильних основ спирти відщеплюють від гідроксильної групи протон, тобто виявляють властивості ОН-кислот. Однак спирти є слабшими ОН-кислотами, ніж
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
323
вода. Це зумовлено позитивним індуктивним ефектом вуглеводневого радикала, зв’язаного з гідроксильною групою. Додаткове збільшення електронної густини на атомі Оксигену за рахунок +/-ефекту вуглеводневого радикала приводить до зменшення полярності зв’язку О—Н і відповідно рухливості атома Гідрогену.
Тому при переході від первинних спиртів до третинних кислотні властивості знижуються:
СН3. 1 3
8+ 8'+ ▼ 3"+
сн,-*-о<-н сн-*о<-н > сн3-*-с->о<-н
сн/* І
3 сн3
метанол 2-пропанол 2-метил-2-пропанол
8+ > 8'+ > 8"+
Кислотні властивості спиртів ШИ——ИІІ Iі і .........
Полярність зв’язку О—Н у спиртах визначає її схильність до гетеролітичного розриву. Спирти як кислоти реагують з лужними металами, утворюючи алкоголяти (алкоксиди):
2С2Н—ОН + 2№ —► 2С2Н — О~\а + Н2| етанол натрій етилат;
натрій етоксид
У спиртовому середовищі алкоголяти піддаються іонізації з утворенням алкоксид-аніона, який виявляє сильні нуклеофільні і сильні основні властивості:
х кон
К —О\а < » К —О" + №+
натрій алкоксид алкоксид-аніон
Саме тому алкоголяти широко використовуються в органічному синтезі як сильні основи та сильні нуклеофільні реагенти. Алкоголяти легко розкладаються під дією води до вихідних спиртів, що підтверджує більш низьку кислотність спиртів порівняно з водою:
С,Н-ОЖ + НОН С2Н5—ОН + №ОН
Через низьку кислотність спирти майже не вступають у реакцію з лугами.
Основні властивості спиртів зумовлені наявністю на атомі Оксигену гідроксильної групи неподіленої пари електронів, здатної до приєднання протона. Так, із сильними кислотами первинні спирти утворюють на холоді нестійкі солі алкілоксонію:
С2Н—ОН + НВг
етилоксоній бромід
Алкоксонієві солі утворюються як проміжні продукти в багатьох реакціях за участі спиртів.
Основні властивості спиртів порівняно з кислотними змінюються за протилежним порядком, тобто при переході від первинних до третинних спиртів основні властивості зростають:
Глава 22
324
І
▼ 8"-
сн,->с->о<-н
І
сн3
2-метил-2-пропанол
СН. 8- ’Х 8’-
сн,->о<-н < сн->о<-н <
снх
метанол 2-пропанол
8''- > 8'- > 8-
Осндвні властивості спиртів
Взаємодія з мінеральними та органічними кислотами. Спирти реагують з мінеральними кислотами (сульфатною, нітратною, нітритною тощо) і органічними
кислотами з утворенням естерів.
с2н5—0—н + Н—0 —8О3Н С2Н5—0—8О3Н етилгідросульфат + Н2О
с2н5— 0—н + НО—N02 Н+; 0...5 °С — ► С2Н5—0—N02 етилнітрат + н2о
< —
О 0
II Н28О4 (конц.^ II
с2н5—0—н + но—с—сн3 с2н5—0—с—сн3 + н2о
етилацетат
Реакція естерифікації оборотна. Для зміщення рівноваги вправо або беруть надлишок одного з реагентів (зазвичай спирту), або видаляють один із продуктів реакції. Взаємодія спиртів з карбоновими кислотами відбувається в присутності каталізатора, найчастіше концентрованої сульфатної кислоти. Швидкість реакції естерифікації залежить від будови спирту і карбонової кислоти. Російським хіміком М. О. Меншуткіним установлено, що при одній і тій же кислоті швидкість утворення естерів зменшується в ряду спиртів: первинний, вторинний, третинний. Реакції спиртів з карбоновими кислотами відбуваються за механізмом нуклеофільного заміщення (див. с. 411). Молекула води, яка виділяється в процесі взаємодії, утворюється за рахунок атома Гідрогену групи —ОН спирту і гідроксильної групи карбонової кислоти.
Дегідратація спиртів. При нагріванні спиртів у присутності концентрованої сульфатної кислоти, безводної фосфатної кислоти або при пропусканні парів спирту над каталізатором алюміній оксидом А12О3 спирти відщеплюють воду, тобто піддаються дегідратації. Залежно від природи спирту та умов проведення реакції дегідратація може проходити міжмолекулярно і внутрішньомолекулярно.
При міжмолекулярній дегідратації спиртів утворюються етери:
с2н5—о—н + но—с2н5 н+;г » С2Н5—О—С2Н5 + Н2О
діетиловий етер
Унаслідок внутрішньомолекулярної дегідратації утворюються алкени:
сн3—сн—он - н+;/ » Н2С=СН2 + Н2О
етилен
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
325
Внутрішньомолекулярна дегідратація в ряду вторинних і третинних спиртів здійснюється за правилом Зайиева: протон відщеплюється від сусіднього, менш гібпо-енізованого атома Карбоне
сн3—сн2—сн—сн3 > сн3—сн=сн—сн3 + н2о
он
2-буганол
2-буген
Міжмолекулярна і внутрішньомолекулярна дегідратації спиртів — це два конкурентні процеси, кожний з яких за певних умовах може стати домінуючим. Відщеплення води від двох молекул спирту з утворенням етерів — міжмолекулярна <егідратація — стає переважним процесом при нагріванні спиртів у присутності літалітичних кількостей мінеральної кислоти (спирт г надлишку) при температурі І4О-16О°С.
Внутрішньомолекулярна дегідратація, тобто перетворення спирту в алкен, стає домінуючим при нагріванні спиртів з надлишком мінеральної кислоти при температурі вище !70°С. Особливо легко вона перебігає в ряду третинних спиртів.
У випадку пропускання парів спирту над А12О3 при температурі 200—250 °С відбувається міжмолекулярна дегідратація з утворенням етерів, а при вищій температурі (300—400°С) проходить внутрішньомолекулярна дегідратація, тобто утворюються алкени.
Міжмолекулярна дегідратація спиртів відбувається за механізмом 5у2 або 5у1. При цьому спочатку молекула спирту під дією мінеральної кислоти протонується з утворенням оксонієвого катіона, а потім проходить заміщення групи —ОН:
В—С —ОН + Н+ ’< * В— С — б^
первинний спирт
оксонієвий катіон
Механізм 5у2 включає утворення перехідного стану, який формується в процесі нуклеофільної атаки електрофільного атома Карбону оксонієвого катіона
другою молекулою спирту:
| нуклеофільний
! центр
електрофільний центр
В— с— ОН
\| /н
’ 1 8+ + /
В— С — О.
Н
спирт
оксонієвий катіон
Н в
І .. І /н
в— с—о - с—о
І І /х Хн
Н Н н н н
перехідний стан
—Н2О
н
н
н н н н
ч-* В—с —б —С —В -в—с —о —с —в
III “н І І
н н н н н
етер
Глава 22
326
Механізм 5у1 проходить через стадію утворення карбонієвого катіона: Я Я
І ,/н І.
к— с—о - ► к—с + н,о
І І
я я
оксонієвий катіон карбонієвий катіон
я я я я я я
|< .. І І + І II
я— с + но— С —Я Я—С—О —С—Я —7*- я—с—о —с—я
І І І І І "н І І
я я я н я я я
спирт етер
Подібно до галогеналканів первинні спирти вступають у реакцію міжмолекулярної дегідратації зазвичай за механізмом 5у2, третинні — за механізмом 8ці, вторинні можуть реагувати як за 5у2-, так і за -механізмом.
Внутрішньомолекуляриа дегідратація спиртів залежно від їх будови може перебігати за механізмами Е\ і Е1. Первинні спирти реагують здебільшого за механізмом Е1, а вторинні та особливо третинні — за механізмом Еї.
Як і у випадку нуклеофільного заміщення, елімінування спиртів проходить через стадію утворення оксонієвого катіона. Лімітуючою стадією процесу є розщеплення цього катіона на молекулу води і карбокатіон. Елімінування завершується швидким відщепленням Р-протона від карбокатіона під дією слабкої основи (молекули води, спирту тощо) з утворенням алкену.
Схема внутрішньомолекулярної дегідратації спирту за механізмом ЕІ:
СН,
І / іґ сн,— с—ОН 4—...........»
3 І сн3
/ире/и-бутиловий спирт
|Нз./Н сн,— с—о
сн/н
оксонієвий катіон
ПОВІЛЬНО /^!ТТ Д + швидко^
-н2о з -Н
СН2<-Н
карбокатіон
сн3
—► сн,— с
II сн2 2-метилпропен
Взаємодія з галогеноводневими кислотами. При взаємодії спиртів з галогеновод-невими кислотами (НС1, НВг, НІ) гідроксильна група заміщається на атом галогену й утворюються галогеналкани. Реакція оборотна. Для зміщення рівноваги вправо зазвичай з реакційного середовища видаляють воду або галогеналкан:
С2Н—ОН + НІ <__» С2Н—І + Н2О
За реакційною здатністю зі спиртами галогеноводневі кислоти розташовуються в ряд: НС1 < НВг < НІ. З йодидною і бромідною кислотами реакція перебігає легко,
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
327
із хлоридною — значно важче. Первинні і вторинні спирти реагують із хлоридною кислотою лише в присутності цинк хлориду (кислота Льюїса).
Реакційна здатність спиртів відносно галогеноводневих кислот спадає в ряду: бензиловий спирт > аліловий спирт третинні > вторинні > первинні. З первинними спиртами реакція перебігає, як правило, за механізмом 5^2, із третинними — за 5д,1. Вторинні спирти реагують як за механізмом 8^, так і за 5^2. Нижче наведені схеми взаємодії спиртів із бромідною кислотою за механізмами 5у2 і 5^1.
Механізм 5^2:
сн3—сн2—ОН
етанол
н
СН3— СН2->О\ -±-
. , . Н
оксонієвий катіон
ПОВІЛЬНО --------->
н
5- І 8+/
Вг-- С---0
/\ ХН н н н
перехідний стан
-Н2О
Вг—сн2—сн3
брометан
Механізм
си3 сн,
сн,- с — он сн,- с—
І І н
сн3 сн3
2-метил-2-пропанол оксонієвий катіон
сн3 сн3
| швидко |
СН3—С+ СН3—с—Вг
3 І І
сн3 сн3
карбокатіон 2-бром-2-метилпропан
Взаємодія з галогенідами фосфору і галогенангідридами неорганічних кислот. При дії на спирти галогенідів фосфору РС13, РВг3, РС15, тіонілхлориду 8ОС12 утворюються галогеналкани:
ЗС,Н,—ОН + РВг3 -----► ЗС2Н5—Вг + Н3РО3
С2Н—ОН + РС15 -----► С2н—СІ + РОС13 + неї
С2Н—ОН + 8ОС12 ----► С2н5—СІ + 8О21 + НС1Ї
Реакція з тіонілхлоридом відбувається за механізмом внутрішньомолекулярно-го нуклеофільного заміщення 8^\, який включає стадію утворення естеру:
СН3—СН2—ОН + 8ОС1, НГІ» СН3— СНГС8=О —► СН3— СН2— СІ
8 і. £ —НСІ □ 1 — оО2 Х
-СІ5-
етанол тіоніл- етиловий естер хлорангідриду хлоретан
ХЛОрИД сульфітної кислоти
Глава 22
!28
Окиснення. Первинні, вторинні і третинні спирти по-різному реагують на дію окисників. Первинні спирти при окисненні спочатку утворюють альдегіди, які можуть окиснюватися далі, перетворюючись при цьому в карбонові кислоти:
СН3—СН—СН —ОН СН—СН—С^ СН3—СН—С^
Н хон
1-пропанол пропаналь пропанова кислота
Вторинні спирти при окисненні утворюють кетони:
[О]
СН3—СН—СН3 - ‘ » СН,—С —СН3
□ । з — гі2О ^||
он о
2-пропанол пропанон;
ацетон
Третинні спирти стійкі до окиснення, проте за жорстких умов вони окиснюються з розривом вуглецевого скелета молекули й утворенням суміші кетонів та карбонових кислот.
Як окисники для окиснювання спиртів використовують хром(УІ) оксид, калій дихромат у сульфатній кислоті (хромова суміш), калій перманганат у сульфатній кислоті тощо.
У промисловості для окиснення первинних спиртів в альдегіди застосовують метод каталітичного дегідрування. Суть методу полягає в пропусканні парів спирту над каталізатором (тонкоздрібнена мідь) при 280—300 °С. Відбувається відщеплення молекули водню від молекули спирту і утворюється альдегід. Перевагою каталітичного дегідрування є те, що не відбувається більш глибоке окиснення альдегіду до кислоти:
в—сн — он Си; 280 300 °с > В—С^ + н2
н
За умовами цієї реакції з вторинних спиртів синтезують також багато кетонів.
22.1.6. ІДЕНТИФІКАЦІЯ СПИРТІВ
Хімічні методи. Для спиртів не існує якісної реакції, яка б переконливо і однозначно вказувала на наявність у молекулі гідроксильної групи. Спирти можна розрізнити за їх реакцією окиснення хромовим ангідридом СгО3 у водному розчині сульфатної кислоти. Приблизно упродовж двох секунд прозорий оранжевий розчин перетворюється на каламутний блакитнувато-зелений. Проте цієї реакції не дають третинні спирти. Ця реакція характерна також для альдегідів, але їх можна відрізнити від спиртів іншими специфічними реакціями (див. с. 379, 381, 388). Реакція утворення естерів ВСООВ.', які зазвичай мають характерний приємний запах, також може слугувати для ідентифікації спиртів.
Первинні, вторинні і третинні спирти можна ідентифікувати за допомогою проби Лукаса. Проба ґрунтується на різній швидкості взаємодії первинних, вторинних і третинних спиртів з розчином цинк хлориду в концентрованій хлоридній кислоті (реактив Лукаса). У результаті утворюється галогенопохідна вуглеводню, яка виділяється у вигляді дрібнодисперсного осаду. Взаємодіючи з реактивом Лу-
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
329
каса, третинні спирти виявляються майже одразу, вторинні — приблизно за 5 хв, а первинні спирти при кімнатній температурі практично не реагують.
Н
Спирти, що мають у молекулі фрагмент —С — СН3, дають позитивну
ОН
формну пробу. Вона полягає в обробці спирту йодом і натрій гідроксидом або натрій гіпойодитом МаОІ:
Н
К.— С—СН, + ИаОІ —► К. — С —СН, + №1 + Н,0 (окиснення) І II
он о
К —С —СН. + ЗІ. + 3№ОН —► К— С—СІ. + ЗИаІ + ЗНОН (галогену-
II II вання)
О О
К— С — СІ3 + №ОН —► СНІ31 + К—С^ (розщеплення)
0 жовтий ОН а
Унаслідок реакції утворюється жовтий осад йодоформу СНІ3, що має характерний запах. Йодоформна проба не строго специфічна реакція на спирти. Позитивну йодоформну пробу також дають ацетальдегід, метилкетони (див. с. 386), 0-ДИКЄТОНИ, оксими, вінілові етери тощо.
Незвичайний антидот
Метиловий і етиловий спирти практично неможливо відрізнити за запахом. Уживання метилового спирту всередину може спричинити безповоротну втрату зору, дихальну недостатність, судоми і смерть. Антидотом, який видається, на перший погляд, дивним, є етиловий спирт.
Як відомо, метаболізм спиртів відбувається переважно в печінці. Фермент алкогольде-гідрогеназа каталізує перетворення спиртів у відповідні альдегіди. При отруєнні метанолом в організмі утворюється формальдегід, що, реагуючи з білками, і викликає вищезгадані
симптоми.
-2Н
г-тт ллтт алкогольдегідрогеназа Сгі.— ОН ---------------------------► Н С
3 -?н \
Н
Сам метанол безпечний, але вживання його всередину може стати фатальним! Необхідно якнайшвидше ввести внутрішньовенно потерпілому етанол для того, щоб він успішніше конкурував за фермент алкогольдегідрогеназу. Спорідненість алкогольдегідрогенази з етанолом порівняно з метанолом у 25 разів вища! Необхідно задіяти фермент у реакцію окиснення етанолу з утворенням менш токсичного (але токсичного!) ацетальдегіду.
алкогольдегідрогеназа
СН. СН. ОН
-3 ь — 2Н
СН — С\ н
Це дає організму час вивести метанол без його окиснення в потенційно смертельно небезпечний формальдегід.
Глава 22
330
Фізичні методи. Спирти, у молекулі яких відсутні хромофори, не поглинають ультрафіолетове світло з довжиною хвилі більше 200 нм. Електронні спектри ненасичених і ароматичних спиртів характеризуються поглинанням за рахунок вуглеводневого радикала. Тому для аналізу спиртів електронна спектроскопія використовується дуже рідко.
В інфрачервоних спектрах найбільш характерна інтенсивна широка смуга в ділянці 3600—3200 см-1, обумовлена валентними коливаннями групи О—Н. Розширення цієї смуги відбувається внаслідок утворення міжмолекулярних водневих зв’язків. При відсутності водневих зв’язків (розведений розчин спирту в неполярному розчиннику СС14) в ІЧ-спектрах спиртів спостерігається вузька смуга в ділянці 3640—3610 см-1. Інша інтенсивна широка смуга, викликана валентними коливаннями зв’язку С—О, розташована в ділянці 1200—1000 см-1.
У ПМР-спектрах спиртів сигнал протона гідроксильної групи зазвичай виявляється в ділянці 2,0—5,0 млн~'. Величина хімічного зсуву залежить від ступеня асоціації і міцності водневих зв’язків. При зменшенні ступеня асоціації, наприклад, при розведенні спирту тетрахлорометаном, сигнал протона ОН-групи зміщується в більш сильне поле. Відповідно до цього розміщення сигналу гідроксильної групи сильно залежить від температури, концентрації і природи розчинника. Якщо в ІЧ-спектрах спостерігаються смуги, зумовлені як коливаннями водневозв’язаних, так і вільних гідроксильних груп, то в ПМР-спектрах спиртів спостерігається лише один сигнал. Це пов’язано з тим, що для реєстрації ПМР-спектра необхідно більше часу, ніж для ІЧ-спектра. Тому фіксується лише один усереднений сигнал протонів ОН-групи. При знятті ПМР-спектрів у диметилсульф-оксиді обмін протонами сповільнюється за рахунок виникнення сильних водневих зв’язків між розчинником і спиртом. Це дозволяє спостерігати розщеплення сигналу гідроксильного протона за рахунок спін-спінової взаємодії із сусідніми протонами і, таким чином, за мультиплетністю сигналу встановлювати належність до первинних (триплет), вторинних (дублет) або третинних (синглет) спиртів.
22.1.7. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Метанол СН3ОН. Безбарвна горюча рідина із запахом, що нагадує запах етилового спирту, змішується з водою в будь-яких співвідношеннях (т. кип. 64,7 °С). Отруйний, смертельна доза всередину — 25 г, менші кількості (~10 г) призводять до сліпоти. При окисненні в організмі перетворюється у формальдегід і мурашину кислоту. Має значення як вихідна сполука для синтезу органічних речовин, використовується також як розчинник. До 1925 року метанол добували сухою перегонкою деревини, нині — каталітичним гідруванням карбон(П) оксиду. Реакція проходить при температурі 400 °С, тиску 250—400 атм:
р; кат.
2Н2 + СО —---------► СН3ОН
Етанол С2Н5ОН. Безбарвна горюча рідина, пекуча на смак, з характерним запахом, змішується з водою в будь-яких співвідношеннях (т. кип. 78,3°С). У невеликих кількостях викликає сп’яніння, великі дози призводять до наркотичного стану. В організмі окиснюється до ацетальдегіду, а потім до карбон(ІУ) оксиду і води. Широко використовується як сировина і розчинник в органічному синтезі, у фармації і медицині (виготовлення настойок, екстрактів, розчинів), як знезаражуючий засіб, для консервації різних анатомічних препаратів, як пальне і багато
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
чого іншого. Входить до складу алкогольних напоїв. Для виробництва етанолу з найдавніших часів широко використовується ферментативний гідроліз вуглеводів. Нині етанол одержують також гідратацією етилену:
Н2С = СН2 + НОН н+; 300 °С; 60атм» СН3— СН— ОН
З водою етанол утворює азеотропну суміш (т. кип. 78,15°С) зі вмістом 95,572% спирту. Спирт-ректифікат, який виробляється в промисловості, містить близько 96,6% етанолу. Для одержання безводного (абсолютного) етанолу застосовують спеціальні методи зневоднювання, такі як тривале нагрівання з кальцій оксидом, безводним купрум(ІІ) сульфатом або іншими речовинами, здатними зв’язувати воду хімічним шляхом:
(С2Н5ОН + Н2О) + СаО —► С2Н5ОН + Са(ОН)21
Аліловий спирт Н2С=СН—СН2—ОН. Безбарвна рідина з різким запахом (т. кип. 96,9°С). Змішується з водою. Використовують у виробництві гліцерину. У промисловості добувають з 3-хлоропропену:
н2с=сн—сн—сі НаО”^с?);250°с * н2с=сн—СН—ОН
Пропаргіловий спирт НС^С—СН2—ОН. Безбарвна рідина зі слабким запахом герані (т. кип. моногідрату 113,6°С). З водою змішується в будь-яких співвідношеннях. Утворює азеотропну суміш, яка кипить при 97 °С і містить 45% пропаргілового спирту. Добувають з ацетилену і формальдегіду. Використовують в органічному синтезі.
Бензиловий спирт. Безбарвна рідина, погано розчинна у воді, розчинна в органічних розчинниках (т. пл. 15°С, т. кип. 205°С). Міститься в ефірних оліях /=\ і бальзамах. Належить до пахучих речовин і використовується
/ \— СН — 0н в парфумерії як фіксатор запаху, а також як розчинник для
V—'/ барвників, чорнильних паст, казеїну, восків і т. ін.
22.2. ДВОХ, ТРЬОХ-1 ПОЛІАТОМНІ СПИРТИ
Двохатомні спирти (містять дві гідроксильні групи) називають діолами, або гліколями.
Залежно від положення гідроксильних груп у вуглецевому ланцюзі гліколі поділяють на а-гліколі (гідроксильні групи знаходяться при сусідніх атомах Карбону, тобто в положенні 1,2); ^-гліколі (ОН-групи в положенні 1,3); у-гліколі (ОН-групи в положенні 1, 4) і т. д.:
к— сн—сн—к к— сн—сн,—сн—к 1 2 1 к— сн- сн— СН— СН—К'
он он он он ом он
а-гліколь Р-гліколь у-гліколь
а-Гліколі ще називають віцинальними гліколями. Гліколі з гідроксильними групами при одному атомі Карбону (гемінальні гліколі) — дуже нестійкі сполуки. У момент утворення вони відщеплюють молекулу води і перетворюються в альдегід або кетон:
Глава 22
332
НО /К /С\
НО >
- Н2О *
О=С
к
К'
гемінальний діол
оксосполука
Такі діоли можуть існувати тільки за наявності в молекулі сильних електро-ноакцепторних замісників. Так, хлоральгідрат є стійкою сполукою
? /он
С1<-С—сн
СІ
\)Н
і
За систематичною номенклатурою І і! РАС назви гліколів утворюють від назви відповідного вуглеводню, додаючи суфікс -діол і цифрові локанти, які вказують на положення гідроксильних груп у вуглецевому ланцюзі. За радикало-функціональною номенклатурою назви а-гліколів утворюють від назви відповідного двовалентного радикала, до якого додають суфікс -гліколь:
СН —СН2 сн2— сн—сн, I I 3 сн,—сн=сн—сн 1 2 1
он он он он он он
1,2-етандіол; 1,2-пропандіол; 2-буген-1,4-діол
етиленгліколь пропіленгліколь
Трьохатомні спирти (містять три гідроксильні групи) називають триолами, або гліцеринами.
За замісною номенклатурою назви трьохатомних спиртів утворюють додаванням до назви відповідного вуглеводню суфікса -триол:
СН—СН —СН2
он он он
1,2,3-пропантриол;
гліцерин;
гліцерол1
Багатоатомні спирти містять більше трьох гідроксильних груп і їх називають поліолами.
Так, чотирьохатомні спирти мають загальну назву «еритрити», п’ятиатомні — «пентити», шестиатомні — «гексити» і т. д.
Структурна ізомерія двох-, трьох- і поліатомних спиртів зумовлена різною будовою вуглецевого скелета і положенням гідроксильних груп:
СН—СН —СН3 СН—СН—СН2
ОН ОН ОН ОН
1,2-пропандіол 1,3-пропандіол
Для поліатомних спиртів характерна оптична ізомерія, зумовлена появою в їх структурі асиметричних атомів Карбону. Так, еритрит (бутантетраол) містить
1 За пропозицією УНКоХіТерН (див. с. 26).
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУТЛЕ ВОДНІВ. ЕТЕРИ
333
у своєму складі два асиметричних атоми Карбону й існує у вигляді трьох просторових ізомерів (див. с. 73):
СН2ОН СН2ОН СН2ОН
НО-І-Н н—|—он н-І-он
н—он но—н н—он
сн2он СН2ОН сн2он
Я,Я-еритрит 5,5-еритрит мезо-еритрит
22.2.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ ДВОХ-, ТРЬОХ-1 ПОЛІАТОМНИХ СПИРТІВ
Гідроксильні похідні вуглеводнів з кількома гідроксильними групами можна добути тими ж способами, що й одноатомні спирти, використовуючи як вихідні речовини поліфункціональні похідні (див. розд. 22.1.3.). Так, гідролізом дигалоге-нопохідних вуглеводнів, які містять атоми галогенів при різних атомах Карбону, добувають гліколі:
сн,—сн—сн2 "аО“ Т > СН—СН—СН2
| 2 2 | 2 -2№Вг І 2 2 I 2
Вг Вг ОН ОН
1,3-дибромопропан 1,3-пропандіол
Крім того, існує низка специфічних способів добуваний.
Окиснення (гщроксилювання) алкенів. Цю реакцію проводять, діючи на алкени водним розчином калій перманганату на холоді (реакція Вагнера)'.
ЗСН,—СН=СН, + 2КМпО4 + 4Н,0 —► ЗСН,—СН—СН, + 2КОН + 2МпО,
З £ І □ І І /
он он
пропен
1,2-пропандіол
Гідратація оксиранів. Оксиран і його похідні приєднують молекулу води, утворюючи а-гліколі. Реакція відбувається в кислому середовищі і супроводжується розкриттям циклу:
Н2С —СН2 + Н2О
оксиран
сн—СН
он он
1,2-етандіол
Цей спосіб застосовується в промисловості для виробництва етиленгліколю.
Кислотним або лужним гідро, іізом жирів (естерів гліцерину і вищих гомологів карбонових кислот) можна одержати найбільш важливий представник триолів — гліцерин (1,2,3-пропантриол, гліцерол):
СН—О —СО—В СН—О — СО—К сн—о—СО—к тригліцерид (жир)
ЗН2О
сн—ОН + ЗВ—соон сн—он
гліцерин карбонова
кислота
Глава 22
334
У промисловості синтез гліцерину здійснюють із пропілену за схемою:
сн3 сн,—СІ 1 2 сн,—он 1 2 сн,—он 1 2 сн,—он
сн с'-;ґ» сн №0Н > СН — НОСІ » сн—он №0Н> 1 2 сн—он
II "НСІ || —КаСІ II (С1 2 + Н2О) | НМаСІ 1
сн2 СН2 сн2 сн—СІ сн—он
пропілен алілхлорид аліловьій 3-хлор- гліцерин
спирт 1,2-пропандіол
22.2.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Нижчі члени гомологічного ряду діодів — це в’язкі рідини, вищі — кристалічні речовини. Рідкі гліколі мають більшу густину і більш високі температури плавлення та кипіння, ніж одноатомні спирти; добре розчиняються у воді. Трьохатомні спирти — в’язкі рідини або тверді речовини, що важко кристалізуються. В ’язкість, розчинність у воді, температури плавлення та кипіння гідроксильних похідних аліфатичних вуглеводнів збільшуються в ряду: одноатомні спирти < гліколі < гліцерини. Така залежність — наслідок посилення асоціації молекул за рахунок утворення міжмолекулярних водневих зв’язків.
Відмінною рисою гідроксильних похідних вуглеводнів з кількома ОН-групами є їх солодкуватий смак, який підсилюється, як правило, зі збільшенням кількості гідроксильних груп у молекулі.
22.2.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Двохатомні спирти вступають у ті ж реакції, що й одноатомні, з тією лише різницею, що вони можуть проходити за участі однієї або двох гідроксильних груп. Ще більший вихід різноманітних продуктів можливий для реакцій за участі трьох- і поліатомних спиртів. Гліцерин утворює три ряди похідних: моно-, ди-і тризаміщені продукти. При цьому для моно- і дизаміщених похідних можливі структурні ізомери, що зумовлено різним положенням замісників.
Утворення алкоголятів. Гліколі — більш сильні ОН-кислоти, ніж одноатомні спирти, тому вони утворюють алкоголяти (гліколяти) не тільки з лужними металами, але і з іншими активними металами (А1, М§ і т. ін.), а також з лугами і гідроксидами важких металів. Підвищення кислотних властивостей гліколів пов’язане з електроноакцепторним впливом однієї гідроксильної групи на іншу (-/-ефект). При взаємодії з активними металами безводні гліколі утворюють неповні і повні гліколяти:
2сн-он 2№^
СН —ОН
етиленгліколь
сн—О№
2 І 2
СН —ОН
натрій моногліколят
2№ * 2
СН — ОИа
натрій дигліколят
а-Гліколі реагують з купрум(П) гідроксидом з утворенням купрум(ІІ) гліколя-ту — комплексної сполуки синього кольору:
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
335
н
н,с—ОН 2 1 +1 Си(ОН)2 - н2с—ОН Н,с —О\ ^о— сн, -► 1 ^Си 1 + 2Н2О Н2С — О:л ^0—СН2 Н
етиленгліколь купрум(ІІ) гліколят
Зі збільшенням кількості гідроксильних груп у молекулі кислотні властивості сполуки посилюються. Так, гліцерин порівняно з етиленгліколем має більш виражені кислотні властивості. У водному розчині лугу гліцерин легко утворює моногліцерати [НОСН2—СН(ОИа)—СН2ОН]. При взаємодії з купрум(ІІ) гідроксидом гліцерин утворює купрум(ІІ) гліцерат (розчин синього кольору). Висока розчинність гліцератів у воді пояснюється їх комплексною будовою:
Н2С —он
2НС —ОН + |Си(ОН)2
Н,С —ОН „1 л Иа\
Н2С —ОН
2
Си |
і'* ^о —СН
Ма І
но—СН
+ 4Н2О
Взаємодія з галогеноводнями. При взаємодії гліколів з галогеноводнями (НС1 або НВг) утворюються хлоро- або бромогідрини:
СН,—СН, ——► СН,—СН,
| 1 | 2 -н2о | |
ОН ОН ОН Наї
Друга гідроксильна група заміщується важче (краще використовувати РС15 або 8ОС12):
гойсь
сн,—сн, ------------—► сн,—сн,
І 2 у 2 —28О2; —2НС1 । 2 у“2
СІ СІ
ОН он
При взаємодії гліцерину з галогеноводнями утворюється суміш моно- і дига-логенозаміщених продуктів:
сн,—сн 1 1 —сн, 1 2 неї сн,—сн 1 1 —сн, 1 2 неї
-н2о ' -н2ох 1 2 1 1 2
он он он СІ он он СІ ОН СІ
гліцерин гліцерин гліцерин
монохлорогідрин дихлорогідрин
Утворення етерів і естерів. При взаємодії гліколів зі спиртами, мінеральними або органічними кислотами утворюються два ряди похідних:
а) неповні і повні етери
СН—ОН к—ОН; Н+ * СН—О К. К—ОН; н+ СН2—О К
СН—ОН "Н2° СН—ОН Н2° СН—О—К
Глава 22
336
б) неповні і повні естери
сн,—он 1 2 ногю2 СН—О—N0, нокю2 СН—0—N02
-н2о -н2о
сн—он сн—ОН СН—0—N©2
етиленгліколь етиленгліколь
мононітрат динітрат
0 0=0 с 1 о 1 я Г 3
СН-ОН но 0 II -с —К; Н+ II сн,—о—с—к 1 2 0 II НО —С —К; Н\ с
сн—он -н2о сн—он -н2о ( :н2—о—с—к
Для гліцерину в цьому випадку утворюються три ряди похідних. При взаємодії гліцерину з концентрованою нітратною кислотою в присутності концентрованої сульфатної кислоти одержують повний естер гліцерину — гліцерин тринітрат (нітрогліцерин):
СН,—ОН сн,—©N0,
СН—ОН + ЗНО—N02 (конц.) -Н2—1(кони0» СН—©N0, + ЗН2О
СН2—ОН СН2— ОМО2
Аналогічно за жорстких умов утворюється повний естер гліцерину — гліцерил-триацетат:
О
СН—О —С—СН3
СН,—ОН О О
І II н+ II
сн—он + зно—с—сн3 —► сн—о—С—СН3 + ЗН2О
І о
сн—ОН II
сн2—о—с—сн3
Окиснення двох-, трьох- і поліатомних спиртів. При окисненні гліколів утворюється суміш продуктів окиснення:
^о
СҐ
сн—ОН
сн—он
,о с^
сн—он
сн—он гліколева кислота
с
гліоксаль
гліоксилова кислота
.о с
с^он ,о
С^
^он
етиленгліколь
гліколевий альдегід
щавлева кислота
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
337
Деякі з цих проміжних продуктів можна виділити, проводячи окиснення етиленгліколю за спеціально підібраних умов.
Окиснення гліцерину проходить складно, багатоступінчасто. Залежно від природи окисника можуть переважати ті або інші продукти окиснення. На першому етапі окиснення утворюється гліцериновий альдегід або діоксиацетон, кінцевим продуктом є мезоксалева кислота:
сно СН2ОН 1 2 СООН
снон с—о с=о
СН2ОН сн2он СООН
гліцериновий альдегід діоксиацетон мезоксалева кислота
Специфічною реакцією окиснення 1,2-діолів є їх взаємодія з перйодатною кислотою НІО4 (глікольне розщеплення). У процесі реакції відбувається розщеплення І І
вуглець-вуглецевого зв’язку в діольному фрагменті — С — С—, при якому залеж-
он ОН
но від будови гліколю утворюються відповідні альдегіди і кетони:
К Н
К —С —С —К'
ОН ОН
ГЛІКОЛЬ
-104 » /С = О + 0 = С\ + НІ03 + Н2°
кетон альдегід
У цю ж реакцію вступають і гліцерини:
К
к — с 4- сн-і-сн— К' 2НІ°4»
ОН ОН ОН
К\ /7°
—► С = О + Н—С\ +
к он
/>
к— СГ + 2НІО3 + Н2О н
кетон мурашина кислота альдегід
Дегідратація гідроксильних похідних з кількома групами ОН. Під дією водовід-німаючих реагентів гліколі, як і одноатомні спирти, піддаються внутрішньомоле-кулярній або міжмолекулярній дегідратації. Напрям дегідратації залежить від умов проведення реакції.
Так, при нагріванні етиленгліколю в присутності концентрованої сульфатної кислоти відбувається міжмолекулярна дегідратація, і утворюється циклічний простий діетер — діоксан'.
,он но.
Н2С СН2 Ц28О4; /
Н2С. ,сн2 2Н,°
ОН но
Н2С^
Н2С\
0\
сн2
/СН, о^
діоксан
Глава 22
338
Для 1,4- і 1,5-діолів можлива внутрішньомолекулярна дегідратація з утворенням п’яти- і шестичленних циклічних етерів:
Н2С— СН2—СН—СН2
ОН ОН
1,4-бугандіол
Н28О4
-Н2О *
н,с—сн, 7 \ 2
Н2С сн2 чох тетрагідрофуран
Гліцерин при нагріванні з калій гідросульфатом або іншими водовіднімаючими засобами піддається внутрішньомолекулярній дегідратації з утворенням ненасиче-ного альдегіду — акролеїну.
сн—сн—сн2
он он он
КН8О4; і
-Н2О
сн,—сн=сн^бн І 2
он
гліцерин
н,с—сн—с'
І І 4 он н
КН8О4; і
-н2о
Н2С=СН—с' н акролеїн
Акролеїн (акриловий альдегід) — це рідина з різким подразнюючим запахом.
Поліконденсація двохатомних спиртів. Молекули етиленгліколю в кислому середовищі вступають у реакцію поліконденсації з утворенням поліетеру — по-ліетиленгліколю:
НО—сн2—сн2—ОН + но—сн2—сн,—он
—► но—сн2—сн—о—сн2—сн—он
діетиленгліколь
(НО— СН2— СН2— ОН)„
—пН2О
—► НОЧ-СН2—СН—О-ЬгН
поліетиленгліколь
Поліетиленгліколь з молекулярною масою до 400 використовують у фармації як розчинник лікарських речовин, основи для мазей, а також як зв’язуюча речовина у виробництві таблеток.
Поліконденсація етиленгліколю в лужному середовищі приводить до утворення краун-етерів (див. с. 366).
6Н2С-СН2 >
2 । । 2 -6Н2О
он он
[18]-краун-6
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУ ГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
339
комплекс
[К(18-краун-6)]+
Важливою властивістю краун-етерів є здатність утворювати стійкі ліпофільні комплекси з катіонами лужних і лужноземельних металів. Вони використовуються для поліпшення розчинності неорганічних солей в органічних розчинниках, як міжфазні каталізатори, екстрагенти, як лікарські препарати, антидоти, пестициди і т. д.
При поліконденсації етиленгліколю з терефталевою кислотою утворюється поліестер — поліетилентерефталат, який використовують для виготовлення синтетичного волокна — лавсану:
сн9—ОН я | 2 +
СН—ОН
етиленгліколь
терефталева кислота
-/?Н2О
поліетилентерефталат
22.2.4 . ІДЕНТИФІКАЦІЯ ДІОЛІВ І ТРИОЛІВ
Виявити гідроксильні групи в діодах і триолах можна за утворенням забарвленого в синій колір розчину комплексної солі Купруму(ІІ) (див. с. 335).
Для виявлення гліцерину можна використовувати реакцію дегідратації з утворенням акролеїну — речовини з різким подразнюючим запахом (див. с. 338).
Для ідентифікації а-гліколей використовують реакцію окиснення з перйодат-ною кислотою НІО4 (глікольне розщеплення) (див. с. 337). При окисненні відбувається розрив хімічного зв’язку між атомами Карбону, зв’язаними з групами —ОН, і утворюються відповідні карбонільні сполуки, за якими можна встановити місце розміщення діольного фрагмента молекули:
СН—ОН
сн—он + ню4
сн3
пропіленгліколь
о /°
н—+ СН—С^ + НІО3 + Н2О н н
метаналь
етаналь
22.2.5 . ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Етиленгліколь (1,2-етандіол) НО—СН2—СН2—ОН. Безбарвна в’язка рідина (т. кип. 197,6°С, т. пл. -11,5°С, <720 = 1,113). Гігроскопічний, змішується з водою і етанолом. Сильно знижує температуру замерзання води, тому використовується для приготування антифризу. Дуже токсичний. Широко застосовується для одержання синтетичних волокон.
Глава 22
340
СН,—ОН
І
сн—ОН
І
сн—он
Гліцерин (1,2,3-пропантриол). Безбарвна сиропоподібна рідина без запаху, із солодким смаком (т. пл. 18 °С, т. кип. 290 °С з розкладанням). Гігроскопічний, змішується з водою та етанолом у будь-яких співвідношеннях. Використовують як основу для мазей і паст, добавки до мил, у великих кількостях — для добування нітрогліцерину.
Нітрогліцерин (гліцерин тринітрат). Важка масляниста рідина із солодкуватим пекучим смаком, при нагріванні або ударі вибухає. Використовується для виготовлення динаміту. У вигляді розведених спиртових розчинів нітрогліцерин справляє судинорозширювальну дію і застосовується в медицині при стенокардії. Випускається також у таблетках зі вмістом 0,0005 г речовини.
сн—око, сн—омо2 сн—око2
22.3. ЕНОЛИ
Гідроксильні похідні вуглеводнів, що містять гідроксильну групу при подвійному вуглець-вуглецевому зв ’язку, називають енолами.
У назвах енолів суфікс -єн позначає ^С = С^ подвійний зв’язок, а -ол — гідроксильну групу.
Формально еноли можна віднести до ненасичених спиртів, в яких ОН-група зв’язана з атомом Карбону в 5д2-гібридизації. Проте за своїми властивостями ці гід-роксипохідні вуглеводнів настільки відрізняються від ненасичених спиртів з ОН-групою при зр3-гібридизованому атомі Карбону, що їх доцільно розглянути окремо.
Назви енолів за систематичною номенклатурою ШРАС утворюють з назви алкену, до якого додають суфікс -ол:
Н2С = СН —ОН
етенол;
вініловий спирт
н2с=с—сн3 он
1 -пропен-2-ол
1 2 3 4 5 6
сн3— сн—с=с—сн—сн3
ОН СН3
4-мсіил-З-гексен-З-ол
Розглянемо дві ізомерні ненасичені гідроксильні похідні вуглеводню:
1 2 з
н2с = с—сн3
он
1-пропен-2-ол (енол)
З 2 1
н2с=сн—сн—он
2-пропен-1-ол (ненасичений спирт)
Ці два ізомери дуже суттєво відрізняються за своїми фізичними і хімічними властивостями. Перша речовина належить до енолів (гідроксильна група при подвійному вуглець-вуглецевому зв’язку), а друга — до ненасичених спиртів (алкено-лів) (гідроксильна група знаходиться при атомі Карбону в зр3-гібридизації).
Еноли, на відміну від ненасичених спиртів, нестійкі сполуки. Спроби одержати сполуки з енольною структурою /С = С — ОН приводять до сполук, які містять карбонільну групу ^С — О.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
341
Так, при гідратації ацетилену як проміжна речовина утворюється вініловий спирт (енол), який ізомерується в ацетальдегід:
Н,0; Н+; Не
н—с=с—н —--------
8>^| /у. 8+
н,с=сн—о—н
.0
з \
н
ацетилен вініловий спирт ацетальдегід
Ця властивість енолів відображена в правилі Ельтекова—Ерленмейєра.
Сполуки, в яких гідроксильна група розташована при атомі Карбону, що утворює кратний вуглець-вуглецевий зв’язок, нестійкі та ізомеруються у відповідні карбонільні сполуки — альдегіди або кетони.
Нестійкість енолів спричинена міграцією протона від атома Оксигену ОН-групи до сусіднього атома Карбону, який утворює подвійний зв’язок. Таке явище називається прототропною ізомерією, або таутомерією. При цьому відбувається ізомеризація енольної форми в кетонну:
Гіі . .8+
8- ’
гС^=С
(X
8+ \ У >
Н->,С->СЧ
енольна форма кетонная форма
Наведена прототропна ізомерія називається кето-енольною таутомерією.
У випадку кето-енольної таутомерії рівновага сильно зміщена вбік утворення кетонної форми. Це пояснюється тим, що в рівноважній суміші таутомерів завжди більше тієї форми, в якій атом Гідрогену міцніше зв’язаний, тобто рівновага зміщена вбік слабшої кислоти. Природно, що в кетонній структурі (СН-кислота) атом Гідрогену утримується сильніше, ніж в енольній структурі (ОН-кислота), і тому рівновага сильно зсунута вбік утворення кетонної форми. У зв’язку з цим стають зрозумілими причини невдач у синтезах енолів.
На відміну від енолів їх етери і естери дуже стійкі. Вони не містять рухливого атома Гідрогену і за звичайних умов не перегруповуються в карбонільні сполуки. Так, відомі естери вінілового спирту, наприклад вінілацетат, який одержують реакцією приєднання оцтової кислоти до ацетилену (див. вінілювання, с. 171):
СН— С\ + нс=сн —► сн— с
хон
о—сн=сн2
вінілацетат
Вінілацетат здатний полімеризуватися з утворенням полівінілацетату (ПВА):
сн=сн, п І
ососн3
сн—сн2---
ососн, 3 _ІИ
полівінілацетат (ПВА)
Молекулярна маса ПВА може коливатися від 500 000 до 1 600 000. Він широко використовується у виробництві лаків, фарб і як основа для клеїв.
Глава 22
342
Ріхард Август Карл Еміль ЕРЛЕНМЕЙЄР
(1825—1909)
Німецький хімік-органік. Учень Ю. Лібіха. Основні наукові дослідження присвячені структурній органічній хімії. Після невдалих спроб хіміків одержати метиленгліколь і його аналоги, що містять дві гідроксильні групи при одному атомі Карбону, сформулював (1864) правило, що заперечує існування таких сполук. Висунув і обґрунтував (1864) ідею про подвійний вуглець-вуглецевий зв’язок. Уперше запропонував (1865) загальноприйняті формули етилену та ацетилену. Запропонував (1866) правильну формулу нафталену. Синтезував (1833) тирозин, маніт, дульцит, лейцин, ізосерин. Увів у практику конічну колбу (1859). Один з перших іноземних учених — прихильників і послідовників теорії хімічної будови О. М. Бутлерова.
СН— СН — ОН
NN2
2-амі ноетанол; р-аміноетиловий спирт
При гідролізі ПВА добувають полівініловий спирт (ПВС), який є білою аморфною речовиною, що не розчиняється в органічних розчинниках, але розчиняється в гарячій воді:
---СН —СН2
ОСОСН3
СН —СН2---
І + «СН,СООН
ОН
_ІИ
полівініловий спирт (ПВС)
Полівініловий спирт використовують у виробництві штучних волокон, лікарських засобів, зокрема при виготовленні хірургічних ниток, які саморозсмоктуються, кро-во- і плазмозамінників.
22.4. АМІНОСПИРТИ
Аміноспиртами називають похідні вуглеводнів, які містять аміногрупу (^і-алкіл- або и,№-діалкіламіногрупу) та спиртовий гідроксил.
Стійкими є аміноспирти, в яких аміногрупа і спиртовий гідроксил розміщені при різних атомах Карбону. Для назви аміноспиртів частіше застосовують замісникову номенклатуру, за якою їх називають як похідні спиртів, що містять як замісник аміногрупу. Положення аміногрупи вказують цифрами або літерами грецького алфавіту:
СН3—СН —СН—ОН
мн2
2-а мі но-1-пропан ол;
р-амінопропіловий спирт
сн—сн—он
і\інсн3
2-К-метила м і ноетанол
сн—сн—он
И(С2Н5)2
2-М,М-діетилам і ноетанол
Якщо молекула аміноспирту містить у своєму складі дві або три гідроксиал-кільні групи, зв’язані через атом Нітрогену, у цьому випадку за основу береться назва аміну:
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУТЛЕ ВОДНІВ. ЕТЕРИ
343
НО — СН,— сн2\ но —СН—СН2\
\Н НО — СН — СН —N
но—сн—сн/ но—сн— сн/
ди(р -оксиетил)<і \11 н; триф -оксиетил)ам і н;
ди(2-гідроксиетил)лмні три(2-гідроксиетил)амін
Ізомерія спиртів зумовлена тими ж причинами, що і в дизаміщених вуглеводнів.
Аміноспирти — це асоційовані сполуки, в яких міжмолекулярні водневі зв’язки утворені за участі аміногруп та спиртових гідроксилів:
Н Н
—: N — СН — СН—ОН • • •: N — СН—СН — О Н—
Н Н
22.4.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Взаємодія 1,2-епоксидів з амоніаком або амінами. Одним з найпоширеніших способів добування аміноспиртів є реакція розкриття 1,2-епоксидного циклу амоніаком або амінами:
Н,С —СН, + 1ЧН, —► СН,— СН,— 1ЧН, 2\ / 2 3 | 2 ° ОН
оксиран; 2-аміноетанол
епоксиетан
Відновлення нітроспиртів. При відновленні відповідних нітроспиртів утворюються аміноспирти:
сн3— СН—СН — он _3^о» сн3— сн—сн — он
N0;, МН2
2-нітро-1 -пропанол 2-аміно-1 -пропанол
Взаємодія галогеновмісних спиртів з амоніаком або амінами:
СН2—СН —ОН + (СН3)2КН —► СН2—СН —он + неї
Сі И(СН3)2
2-хлоретанол диметиламін 2-М,М-диметиламіноетанол
22.4.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Аміноспирти належать до біфункціональних сполук, що виявляють властивості спиртів (див. розд. 22.1.5) та амінів (див. розд. 20.2.3).
Як основи аміноспирти утворюють солі з мінеральними кислотами:
НО —СН—СН—ИН2 + НСІ но—сн—сн —йн3сг
2-аміноетанол 2-гідроксиетиламоній хлорид;
2-аміноетанол гідрохлорид
Глава 22
344
Наявність гідроксильної групи, що виявляє електроноакцепторні властивості, приводить до деякого зниження основності аміноспиртів. Зі збільшенням кількості метиленових груп між спиртовим гідроксилом і аміногрупою такий вплив слабшає.
Аміноспирти, що містять аміногрупу і спиртовий гідроксил при сусідніх атомах Карбону, при нагріванні із сульфатною кислотою відщеплюють молекулу води, утворюючи гетероциклічні структури:
н,с—СН, І І 2 мн2 он
н2зо4
-н2о
Н,С —СН
N
Н
азиридин; етиленімін
Виявляючи нуклеофільні властивості, аміноспирти взаємодіють з 1,2-епокси-дами з утворенням відповідних ди- і тризаміщених похідних:
н2с-сн2
НО—СН2—СН2—МН, -------►
НО —СН—сн2\ МН но—сн—сн/
ди(2-гідроксиетил)амін; діетаноламін
н2с—сн2
V/
НО —СН—сн2Х НО —СН—СН—N но—сн— сн/
три(2-гідроксиетил)амін; триетаноламін
При обробці аміноспиртів тіонілхлоридом 8ОС12 утворюються галогеновмісні аміни:
НО —сн2—сн2\
МН + 28ОС12 —►
НО —СН—сн/
ди(2-гідроксиетил)амін
СІ—СН2—сн2\
МН + 28О2 + 2НС1
СІ—СН—сн/
ди(2-хлоретил)амін
При взаємодії три(2-гідроксиетил)аміну з тіонілхлоридом утворюється три(2-хлоретил)амін (азотистий іприт) (С1СН2СН2)3М-сполука, що має шкірно-наривну дію,— бойова отруйна речовина.
22.4.3. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Коламін (2-аміноетанол) Н2М—СН2—СН2—ОН. В’язка гігроскопічна рідина (т. кип. 171 °С), добре розчинна у воді. Водний розчин коламіну має сильнолужну реакцію. Коламін входить до складу складних ліпідів (див. розд. 37.2.2). Утворюється при розщепленні фосфатидів.
Холін [2-(гідроксиетил)триметиламоній щд____сн___су____М(СН ) ІОН- гідроксид]. Безбарвна кристалічна речовина
1 2 2 3?з] (т. пл. 180°С). Холін міститься у тваринних
тканинах, рослинах і мікроорганізмах.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУ ГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ -------------------------------------------------------------- 345
Синтетично холін можна добути дією триметиламіну на оксиран у присутності води:
н2о +
Н2с —СН2 + (СН3)3\ -*-► [НО—СН—СН —^СН3)3]ОН холін
Холін необхідний для життєдіяльності людей і тварин. Нестача холіну може викликати жирове переродження печінки та її цироз. Він належить до вітамінів групи В, бере участь у побудові клітинних мембран, транспортуванні жирів і метаболізмі білків та вуглеводів. З продуктів харчування найбагатші холіном м’ясо, риба, яєчний жовток тощо.
У процесі гниття або при кип’ятінні з баритовою водою холін піддається дегідратації з утворенням токсичної речовини — нейрину:
[НО—СН—СН —Й(СН3)3]ОН~ ---------► [Н2С=СН—Й(СН3)3]ОН“
нейрин
О-Ацильна похідна холіну — ацетилхолін — є медіатором і бере участь у передачі нервових імпульсів.
О
[СН—с—О—СН—СН —Й(СН3)3]ОН“
ацетилхолін
22.5. ФЕНОЛИ. ОДНОАТОМНІ ФЕНОЛИ
Фенолами (аренолами) називають похідні ароматичних вуглеводнів, що містять одну або кілька гідроксильних груп, безпосередньо зв ’язаних з атомами Карбону ароматичного циклу.
Назва класу походить від найпростішого представника — фенолу С6Н5ОН.
Феноли класифікують залежно від кількості гідроксильних груп — одноатомні (ареноли), двохатомні (арендіоли), трьох- і поліатомні феноли (арентриоли, аренполіоли), а також за кількістю ароматичних ядер — власне феноли, нафтоли, антроли тощо (див. гл. 15).
аренол арендіол
нафтол
Феноли, як і еноли, мають гідроксильну групу при ^-гібридизованому атомі Карбону. Однак, якщо еноли нестійкі і майже повністю ізомеруються в карбонільні сполуки, то феноли — стійкі сполуки та існують винятково в енольній формі:
ОН
фенол
ОН
енольна форма
кетонна форма
Глава 22
'46 ---------------------------------------------------------------------
Велика стабільність енольної форми зумовлюється ароматичною будовою вуглеводневого радикала та високим ступенем кон’югації ОН-групи з бензеновим ядром.
Феноли суттєво відрізняються за своїми фізичними та хімічними властивостями і від спиртів. Головна причина цих відмінностей — різний характер електронних взаємодій гідроксильної групи з вуглеводневим радикалом. У спиртах гідроксильна група зв’язана з атомом Карбону в ^-гібридизації. За рахунок -/-ефекту гідроксильної групи відбувається зміщення електронної густини по о-зв’язку та утворення на атомі Оксигену часткового негативного заряду 3-, а на атомі Карбону — часткового позитивного заряду 8+.
\ 8+ 8-
—с->о<-н
-І
У фенолах атом Оксигену гідроксильної групи зв’язаний з атомом Карбону ароматичної системи і тому поряд з негативним індуктивним ефектом (-7) має місце і позитивний мезомерний ефект (+Л/). Унаслідок мезомерного ефекту відбувається зміщення неподіленої пари електронів атома Оксигену до бензенового кільця, і на атомі Оксигену виникає частковий позитивний заряд. Такий же за величиною негативний заряд переходить на ароматичне ядро.
+м
Через те що для гідроксильної групи мезомерний ефект за силою перевершує індуктивний (+Л/> -І), то сумарний частковий заряд на атомі Оксигену фенольного гідроксилу позитивний, тоді як атом Оксигену спиртового гідроксилу має частковий негативний заряд.
Друга низка відмінностей пов’язана з різною реакційною здатністю вуглеводневих радикалів. Ці відмінності підпорядковуються закономірностям, які характерні і для інших функціональних похідних вуглеводнів аліфатичного та ароматичного рядів.
22.5.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
За замісниковою номенклатурою ШРАС назви фенолів утворюють від назв відповідних аренів з додаванням префікса гідрокси-. Для багатьох фенолів використовують тривіальні назви. Як основу назв гомологів фенолу найчастіше використовують слово «фенол»1.
он
он
ОН
фенол; гідроксибензен; карболова кислота
2-метил фенол;
о-метил фенол;
І-гідрокси-2-мсі и.ібензен;
о-крезол
3-метил фенол;
м- метил фенол;
1-гідрокси-З-метилбензен;
ти-крезол
4-метилфенол;
п- метил фенол; 1-гідрокси-4-метил бензен;
«-крезол
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
347
ОН
С2Н5
2- і юнроіи.і-5-метилфенол; І-гідрокси-2-ізопропіл-5-мс піл бензен;
тимол
2-нафтол;
4-етил фенол;
я-стил фенол;
1 -гідрокси-4-еі ил бензен
р-нафтол;
а-антрол;
2-гідроксинафтален 1 -гідроксиантрацен
Структурна ізомерія фенолів зумовлена ізомерією положення замісників, як це має місце у випадку трьох ізомерних крезолів. Проте можливий і інший варіант, коли ізомерія викликана структурними змінами замісників:
НО-С А-СН2—СН2—СН3
но
сн3
4-і юпронілфенол
4-11 роп іл фенол
4-етил-З-мс гилфенол
но
3,4,5-ірпмети іфенол
22.5.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Природні джерела. Природним джерелом фенолів є кам’яновугільна смола, з якої 1834 року Фрідліб Фердинанд Рунге вперше і добув фенол та назвав його карболовою кислотою. З кам’яновугільної смоли також виділяють крезоли. Крім того, фенол і крезоли утворюються при крекінгу нафти. Однак найчастіше фенол добувають синтетичними методами.
Синтез фенолів з аренів. Промисловий синтез фенолу здійснюють з бензену. Реакцію проводять у дві стадії. Спочатку бензен сульфують або хлорують, а потім у жорстких умовах під дією лугу проводять заміну сульфогрупи або атома Хлору на групу —ОН:
хлоробензен
Ці реакції використовують для добування й інших аренолів. У синтезі 0-нафтолу спочатку сульфують нафтален концентрованою сульфатною кислотою, а потім
Глава 22
348
отриману 0-нафталенсульфокислоту сплавляють з лугом при 300 °С (реакція лужного плавлення, див. с. 511). У результаті подальшого підкислення натрій 0-нафтоляту виділяють 0-нафтол:
нафтален
Н28О4 (конц.)
160 °С
р -нафталенсульфокислота
3№ОН (сплавлення)
-N33803; -2Н2О
натрій р-нафтолят
р-нафтол
Кумольний спосіб добування фенолу. Цей спосіб одержання фенолу ґрунтується на окисненні кумену (кумолу). Як вихідні продукти використовують бензен і пропілен:
Н2С=СН —СН3; Н+; А1С13
бензен
кумен;
кумол;
ізопропілбензен
О2; кат.; 110-130 °С
о^он
н3с—с—сн3
Н28О4
фенол
сн — с—сн
гідропероксид кумену
ацетон
з
Окиснення кумену — економічно вигідний метод, тому що дозволяє добути нарівні з фенолом й інший важливий продукт — ацетон (на 1 кг фенолу припадає 0,6 кг ацетону). Нині цей метод найширше застосовується в промисловості і дозволяє виробляти понад 80% від усього синтетичного фенолу.
Окисне декарбоксилювання ароматичних карбонових кислот. При нагріванні аренкарбонових кислот до температури 200—300 °С в присутності солей Куп-руму(ІІ) відбувається утворення фенолів:
^^^СООН
О2; Н2О; Си2+
бензойна кислота
Розкладання солей ариддіазонію. Феноли можна добувати при нагріванні водних розчинів солей ариддіазонію (див. с. 307):
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
349
N=N01“ + НОН
ОН + N2 + неї
фенол
бензендіазоній хлорид
22.5.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Найпростіші феноли — це в’язкі рідини або низькоплавкі тверді речовини з дуже специфічним стійким запахом («карболовий запах»). Фенол розчинний у воді (9 частин на 100 частин води), інші феноли у воді малорозчинні. Більшість фенолів — безбарвні речовини, однак при зберіганні під дією кисню повітря вони можуть окиснюватися і набувати темного забарвлення за рахунок домішки продуктів окиснення.
22.5.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Усі можливі реакції фенолів можна розподілити на реакції за участі зв’язків О—Н, С—О, арильного радикала, а також реакції відновлення та окиснення. Однак унаслідок р,я-кон’югації неподіленої пари електронів атома Оксигену з л-електронною системою ароматичного ядра міцність зв’язку С—О значно більша, ніж у спиртів. Тому реакції фенолів з розривом зв’язку С—О проходять дуже важко. Тільки при дії РС13 або РС15 у жорстких умовах гідроксильна група заміщується на атом галогену, а основним продуктом є естер фосфатної або фос-фітної кислоти відповідно:
4С6Н5ОН + РС15
(С6Н5О)3Р=О + С6Н5С1 + 4НС1
трифенілфосфат хлоробензен
РЕАКЦІЇ ЗА УЧАСТІ ЗВ’ЯЗКУ О—Н
Кислотні властивості. Феноли — сильніші ОН-кислоти, ніж спирти. Це пов’язано з тим, що неподілена пара електронів атома Оксигену в молекулі фенолу зміщена до ядра (+Л/-ефект ОН-групи), що приводить до утворення часткового позитивного заряду 3+ на атомі Оксигену та збільшення полярності зв’язку О—Н порівняно зі спиртами. Крім того, фенолят-іон (феноксид-іон), який утворився, має підвищену стабільність за рахунок делокалізації негативного заряду по ароматичному радикалу:
.. 8+
в + н
кислота
спряжена
спряжена
основа
кислота основа
резонансні структури феноксид-іона
Глава 22
350
Доведенням більш сильних кислотних властивостей фенолів порівняно зі спиртами може слугувати їх реакція з водними розчинами лугів з утворенням солей — фенолятів (феноксидів):
СйНс—ОН + МаОН <=► СЙН,— О\а + Н,0 0 3 О 3 2
фенол натрій фенолят
На відміну від фенолів, спирти, як слабші кислоти, здатні утворювати алкоголяти тільки при взаємодії з лужними металами.
У водному розчині феноляти лужних металів частково гідролізовані (як солі слабких кислот і сильних основ), і тому їх розчини мають лужну реакцію.
С,Н,—014а + Н,0 С,Н,—ОН + МаОН
о з 2 О 5
Під дією розчинів карбонових і мінеральних кислот, у тому числі й карбонатної (вугільної) кислоти, із солей одержують вільні феноли.
С6Н5— ОМа + СО2 + Н2о —► С6Н5—ОН + №НСО3
На кислотність фенолу значно впливають замісники в ароматичному ядрі (див. с. 92). Так, уведення в п-положення бензенового ядра молекули фенолу електроноакцепторних замісників (—МО2, —СМ, —Наі тощо) підсилює кислотні властивості фенолу. Уведення ж у п-положення електронодонорних замісників (—МН2, —ОСН3 і под.) приводить до зниження кислотності, оскільки при цьому зменшується зміщення електронів зв’язку О—Н до атома Оксигену, що утруднює відрив протона:
Кислотні властивості фенолів
Утворення етерів і естерів. При взаємодії фенолятів з галогеналканами утворюються етери (див. реакцію Вільямсона, с. 251). Такі реакції називають О-алкілюванням, тому що при цьому алкілюється атом Оксигену:
ОМа + С2Н5—Вг
натрій фенолят
С2Н5 + МаВг
етилфеніловий етер
Метилові етери фенолів зазвичай одержують взаємодією фенолятів з диметил-сульфатом (О-алкілювання)'.
ОМа
(СН,)28О4
-СН3О5ОрЧа+
метилфеніловий етер
Аналогічно проходить реакція утворення естерів при взаємодії фенолят-іона з ацилюючими реагентами — галогенангідридами та ангідридами карбонових кислот (О-ацилювання):
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУ ГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
351
/°
ОЙа + СН—
СІ
С—СН3 + ИаСІ
фенілацетат
ацетилхлорид
У реакцію О-ацилювання можуть вступати і феноли:
О
V— СН3
ОН +
^с-сн3 о
оцтовий ангідрид
—сн3
фенілацетат
+ сн—с он
Ацилювання фенолів карбоновими кислотами в присутності сульфатної кислоти, на відміну від ацилювання спиртів, практично не використовується, тому що ця реакція через зменшення електронної густини на атомі Оксигену в молекулі фенолу проходить значно повільніше.
РЕАКЦІЇ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНОМУ КІЛЬЦІ (У£)
Гідроксильна група, виявляючи електронодонорні властивості, дуже сильно активує бензенове кільце відносно електрофільних реагентів. Реакції електрофільного заміщення 5е у фенолах перебігають в о- і «-положення. Фенолят-іони в реакції 3Е ще активніші, ніж відповідні феноли. Через високу активність фенолів необхідно вживати спеціальних заходів для запобігання реакції окиснення та по-лізаміщення.
Галогенування. Зазвичай для введення атома галогену в бензенове кільце потрібні каталізатори — кислоти Льюїса. Реакція галогенування фенолів, з огляду на їх високу реакційну здатність, перебігає досить легко за відсутності каталізатора. Вони знебарвлюють бромну воду, причому відбувається заміщення всіх атомів Гідрогену в о- і «-положеннях:
2,4,6-трибромофенол (осад білого кольору)
+ ЗНВг
2,4-Дибром-6-метилфенол
Глава 22
352
Подальше бромування призводить до утворення так званого «тетрабромофе-нолу»:
+ НВг
2,4,4,6-тетрабром-
2,5 -циклогексадієнон; «тетрабромофенол»
При цьому відбувається порушення ароматичності бензенового кільця.
Для введення в молекулу фенолу одного або двох атомів галогену необхідні спеціальні умови. Якщо бромування проводити в низькополярному розчиннику (СС14, СНС13), утворюються переважно монобромофеноли з переважною кількістю ларо-ізомеру:
ОН
ссі4
я-бромофенол о-бромофенол
В інших умовах можна домогтися переваги дибромозаміщеного фенолу:
ОН
+ 2Вг2
ЗО °С ------►
2,4-дибромофенол
При хлоруванні утворюється переважно орліо-ізомер. Йод безпосередньо не йодує феноли.
Нітрування. Реакція нітрування фенолу відбувається при кімнатній температурі вже при обробці розведеною нітратною кислотою, тоді як для нітрування бензену використовують нітруючу суміш. При цьому утворюється суміш о- і «-нітрофенолів:
он
+ 2НО—N02 (розв.)
25 °С -------►
о-нітрофенол я-нітрофенол
2Н2О
фенол
При дії концентрованої нітратної кислоти фенол перетворюється в 2,4,6-три-нітрофенол {пікринову кислоту):
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
353
ОН
N0,
2,4,6-тринітрофенол;
пікринова кислота
Раніше пікринову кислоту використовували як вибухову речовину.
Сульфування. Сульфування фенолу проходить досить легко і залежно від темпе-
ратурного режиму приводить до утворення орто- або ларл-ізомерів:
Адольф Вільгельм Герман КОЛЬБЕ (1818—1884)
Німецький хімік-органік. Основні наукові дослідження присвячені органічній хімії. Здійснив синтез тетра-хлорометану (1843), оцтової кислоти (1845) з елементів.
Відкрив загальний метод одержання карбонових кислот зі спиртів через нітрили (1847), електрохімічний метод одержання насичених вуглеводнів електролізом водних розчинів солей лужних металів карбонових кислот (реакція Кольбе) (1849).
Синтезував саліцилову (1860), мурашину (1861) кислоти, нітроетан (1872). Одночасно з Ф. А. Кекуле висловив припущення про чотиривалентність Карбону. Передбачив (1857) існування вторинних і третинних спиртів. Був запеклим супротивником теорії хімічної будови і стереохімії.
орто-Ізомер при нагріванні до температури 100 °С перегруповується в більш стійкий ияря-ізомер.
Нітрозування. Фенол порівняно легко нітрозується нітритною кислотою вже при кімнатній температурі з утворенням суміші орто- і ияря-ізомерів:
ОН
он он
+ 2№1ЧО2 + 2НС1
о-нітрозофенол «-нітрозофенол
+ 2ИаС1 + 2Н2О
Алкілювання і ацилювання. Алкілювання фенолів можна проводити за реакцією Фріделя—Крафтса (С-алкілювання). Проте виходи в цій реакції, як правило, неви-
Глава 22
354
сокі. Найчастіше для алкілювання використовують спирти та алкени в присутності кислот (Н28О4, Н3РО4 або ВР3):
ОН
ВР
СН3 о-метилфенол; «-метилфенол;
о-крезол
и-крезол
Ацилювання фенолів також можна провести за реакцією Фріделя — Крафтса, діючи на феноли хлорангідридами та ангідридами кислот у присутності кислот Льюїса (С-ацилювання}'.
ОН
А
2 || І + 2СН—С
СІ
А1С13
2-гідроксиацетофенон
он
+ [ґ^] + 2НС1
/Ч о сн3 4-гідроксиацетофенон
Однак частіше ацильні похідні фенолів одержують у дві стадії: спочатку феноли перетворюють у естери, які потім нагрівають з алюміній хлоридом. При цьому відбувається міграція ацильної групи від атома Оксигену гідроксильної групи в о- або «-положення ароматичного кільця. Ця реакція отримала назву «перегрупування Фриса» (1908 р.):
ОН
сн,—с
СІ
-неї
2-гідроксиацетофенон
4-гідроксиацетофенон
Азосполучення. Феноли, і особливо фенолят-іони, взаємодіють із солями діазонію з утворенням азосполук (див. с. 309):
ИаОН »
бензендіазоній хлорид
ОН + №С1 + Н2О
4-гідроксиазобензен
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
355
Карбоксилювання (синтез фенолокарбоно-вих кислот). При нагріванні натрій феноля-
Йоган Карл Фердінанд ТІМАН (1848-1899)
ту в потоці карбон(ІУ) оксиду утворюється натрій саліцилат (реакція Кольбе—Шмітта, 1860 р.), який під дією мінеральних кислот перетворюється в саліцилову кислоту (див. с. 473):
+ СО2
натрій саліцилат саліцилова кислота
Карбон(ГУ) оксид СО2 — дуже слабкий електрофіл, тому реакцію проводять з натрій фенолятом як більш активним субстратом.
Формілювання (синтез ароматичних гідро-ксиальдегідів). При нагріванні фенолів із хлороформом у водному або спиртовому розчині лугу утворюються ароматичні гідроксиальде-
Німецький хімік. Народився в Рю-беланді. Закінчив Берлінський університет (1871).
Професор Берлінського університету з 1882 р.
Основні наукові праці присвячені дослідженню терпенів. Разом з К. Рей-мером вивчав реакцію одержання ароматичних о-гідроксиальдегідів шляхом уведення формільної групи в молекулу фенолів при нагріванні їх з хлороформом у присутності лугу (реакція Реймера—Тімана). На основі цієї реакції вони одержали (1876) ванілін.
Використав (1884) алкілціаніди і нітрили для одержання амідоксимів. Вивчав ненасичені аліфатичні спирти. Запропонував (1898) формули гераніоли і ліналооли. Установив будову цитралю.
Разом зі своїм співробітником П. Крюгером виділив (1893) із кореневища ірису ірон — речовину із запахом фіалки. Конденсацією цитралю з ацетоном синтезував (1894) псевдоіонон і перетворив його в іонон.
гіди (реакція Реймера—Тімана, 1876 р.). На першій стадії реакції утворюється за-
міщений бензиліденхлорид, який потім піддається лужному гідролізу і приводить до утворення гідроксиальдегіду.
ОН
СНС13; КаОН; 70 °С *
ОН
-2СГ; —Н2О
натрій о-формілфенолят
саліциловий альдегід
З високим рівнем регіоселективності утворюються ор/по-ізомери.
Гідроксиметилювання. При обробці фенолів формальдегідом у кислому або лужному середовищі утворюється суміш о- і и-гідроксиметилфенолів.
Глава 22
356
Карл Людвіг РЕЙМЕР (1845-1883)
Німецький хімік. Основні наукові праці присвячені органічному синтезу. Відкрив (1876) реакцію одержання ароматичних о-гідроксиальдегідів при нагріванні фенолів із хлороформом у присутності лугу. Вивчав її разом з Й. К. Ф. Тіманом (реакція Рейме-ра—Тімана). Одержав (1876) ванілін при нагріванні гваяколу, хлороформу і натрій гідроксиду.
Н+ або ОН’ ------------►
2 -гідроксиметилфенол
СН2ОН
4-гідроксиметилфенол
+ Механізм реакції — 8Е, електрофілом в умовах кислотного каталізу є катіон
СН2ОН:
Н+ + +
н2с=он <—► сн2—он
гідроксиметил-катіон
Н2С=О формальдегід
2-гідроксиметилфенол
Гідроксиметилфеноли стійкі лише в лужному середовищі та при зниженій температурі. У присутності мінеральних кислот гідроксиметилфенол вступає в реакцію конденсації з молекулою фенолу:
2,2' -дигідроксидифенілметан
За більш жорстких умов утворюються високомолекулярні продукти поліконденсації — фенолоформальдегідні смоли (бакеліти):
ОН
сн2он
он н
-------------► - (п - 1)Н2О
Фенолоформальдегідні смоли використовують для одержання пластмас, які мають підвищену термостійкість, а також як основи для іонітів (іонообмінні смоли), що застосовуються для демінералізації води, для очищення речовин, у тому числі і лікарських препаратів.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
357
РЕАКЦІЇ ВІДНОВЛЕННЯ ТА ОКИСНЕННЯ
За умов каталітичного гідрування феноли відновлюються до циклоалканолів:
ОН
он
фенол
+ зн2
N1; Г; р
циклогексанол
Окиснення фенолів відбувається складно. Залежно від природи окисника утворюються різні продукти. Хром(УІ) оксид у кислому середовищі окиснює фенол до и-бензохінону:
ОН
СгО3; Н+
—Сг(ОН)3 *
«Пастки радикалів»
Антиоксидантами називають хімічні сполуки, здатні інгібувати або попереджати окисні процеси, що призводять до старіння полімерів, згіркнення харчових жирів, обсмолювання палива тощо.
Одними з ефективних синтетичних антиоксидантів є заміщені феноли, які містять в ароматичному ядрі об’ємні замісники.
2-/яре/я-бутил-4-метоксифенол
(СН3)3С
2,6-ди(/яре/я-бутил)-4-метилфенол; іонол
2-/яреди-бутилгідрохінон
Дія антиоксидантів ґрунтується на їхній здатності обривати розгалужене ланцюгове окиснення. Вони зв’язують вільні радикали, які викликають зростання ланцюга в ланцюговій реакції, а самі перетворюються в стабільні і малоактивні радикали.
ОН (СН^С^І^СНз), тд + к* сн3
(СН3)3С
С(СН3)3
сн3
+ кн
Стеричні перепони з боку об’ємних треш-бутильньїх груп в ароматичному ядрі утворених арилоксильних радикалів унеможливлюють процес рекомбінації.
Антиоксиданти використовують при зберіганні харчових жирів, вітамінів, нафтопродуктів, синтетичних каучуків, ґуми, деяких полімерних матеріалів.
Глава 22
358
При окисненні фенолу калій персульфатом у лужному середовищі утворюється гідрохінон (реакція Ельбса):
ОН ОН
[Л] ф
он
фенол гідрохінон
22.5.5. ІДЕНТИФІКАЦІЯ ОДНОАТОМНИХ ФЕНОЛІВ
Хімічні методи. Для більшості фенолів характерна кольорова реакція з ферум(ІІІ) хлоридом. Унаслідок реакції утворюються комплексні сполуки, які мають інтенсивне забарвлення. При взаємодії фенолу з ферум(ІІІ) хлоридом утворюється суміш комплексних сполук С6Н5ОРеС12, (С6Н5О)2РеС1, (С6Н5О)3Ре, забарвлених у фіолетовий колір. Крезоли з РеС13 дають голубе, а-нафтол — фіолетове, Р-нафтол — зелене забарвлення розчину. Феноли з вільними орто- та лара-положеннями знебарвлюють бромну воду та утворюють при цьому продукти заміщення, які звичайно випадають в осад (див. с. 369).
Для ідентифікації фенолів можна використати реакцію азосполучення із солями діазонію (див. с. 309). Зазвичай для цього обирають діазотовану сульфанілову кислоту. У процесі взаємодії з фенолами утворюються азобарвники (забарвлені продукти).
Спектральні методи. У ІЧ-спектрах фенолів, як і спиртів, виявляється сильна широка смуга валентних коливань зв’язку О—Н у ділянці 3600—3200 см-1. Положення смуги валентних коливань зв’язку С—О (~ 1230 см-1) відрізняється від положення цієї смуги в спектрах спиртів (1200—1050 см-1). Для фенолів у ІЧ-спектрі спостерігається і поглинання ароматичного кільця. У спектрах ПМР положення сигналу протона гідроксильної групи, як і в спиртів, сильно залежить від того, наскільки сильний водневий зв’язок, а також від температури, концентрації та природи розчинника. Сигнал може виявлятися у вигляді розширеної смуги в ділянці 8 = 4...7 млн-1 і за наявності водневих зв’язків зміщується в слабкіше поле (5 = 6... 12 млн-1).
В УФ-спектрах фенолів спостерігається поглинання в ділянках 210—230 і 270—280 нм.
22.5.6. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Фенол С6Н5ОН. Безбарвні кристали, які рожевіють на повітрі внаслідок окиснення (т. пл. 43°С, т. кип. 182°С). Розчиняється у воді (при 15°С — близько 8%). Має антисептичні властивості. У вигляді 5 %-вого водного розчину (карболова кислота) використовується як дезінфікуючий засіб. Знайшов широке запровадження у виробництві пластмас, барвників, вибухових речовин, лікарських засобів. Фенол токсичний, може викликати опіки шкіри.
°н Крезоли (о-, м-, л-метилфеноли). Використовуються для ви-
робництва пластмас, барвників і т. ін. Суміш ізомерних крезолів Н —І—СН3 з милами використовують як дезінфікуючий засіб у ветеринарній практиці (лізол, креолін).
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
359
СН(СН3)2
ОН
Тимол (2-ізопропіл-5-метилфенол). Кристалічна речовина (т. пл. 50°С, т. кип. 232,9°С). Добре розчиняється в етанолі, діетиловому етері, бензені.
Застосовується в медицині як антисептичний і протиглисний засіб.
Використовується у виробництві ментолу.
Пікринова кислота (2,4,6-тринітрофенол).
Жовті кристали, малорозчинні у воді, краще — в органічних розчинниках (т. пл. 122°С). Вибухає при терті, нагріванні до 300 °С, ударі, контакті з металами та їх оксидами. Пікринова кислота вживається у виробництві азобарвників, широко використовується у фармацевтичному аналізі.
ОН а-Нафтол (1-гідроксинафтален). Жовтуваті кристали (т. пл. 122°С, т. кип. 286°С), погано розчиняється у воді, розчинний у спирті, діетиловому етері, хлороформі, бензені. Використовується у виробництві нафтолсульфокислот, галогене- і нітронафтолів, азобарвників.
0-Нафтол (2-гідроксинафтален). Білий кристалічний порошок (т. пл. 93 °С, т. кип. 351 °С), розчинний в органічних розчинниках і нерозчинний у воді. Використовується у виробництві нафтолсульфокислот і антиоксидантів для каучуків, а також як реагент у фармацевтичному аналізі.
22.6. ДВОХ, ТРЬОХ- І ПОЛІАТОМНІ ФЕНОЛИ
N0
Назви багатоатомних фенолів утворюють за загальними правилами номенклатури ШРАС. Для найпростіших представників використовують і тривіальні назви:
1,2-дигідроксибензен; пірокатехін; пірокатехол *
резорцин;
резорцинол *
он
он
1,4-Дигідроксибензен; гідрохінон
1,2,3-тригідроксибензен; пірогалол
1,3, 5-три гідроксибензен; флороглюцин; флороглюцинол *
он
он
1,2,4-тригідроксибензен; оксигідрохінон
* За пропозицією УНКоХіТерН (див. с. 26).
Глава 22
360
22.6.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Сплавлення ароматичних сульфокислот з лугами. Реакція перебігає через стадію утворення натрієвих або калієвих солей сульфокислот, які з твердими лугами при температурі 300—350 °С утворюють феноляте, з яких при підкисленні виділяють феноли (див. розд. 22.5.2 і 29.3).
л/-бензендисульфо-кислота
№ОН; і
------►
ОКа
Взаємодія дигалогенопохідних бензену або галогенозаміщених фенолів з лугами:
о-хлорофенол
№ОН; -300 °С
Добування гідрохінону з аніліну. Для одержання гідрохінону використовують реакцію окиснення аніліну до и-бензохінону з подальшим його відновленням:
к2сг2о7; н+г
анілін
о он
ф ф
о он
«-бензохінон гідрохінон
22.6.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Для багатоатомних фенолів характерні ті ж реакції, що і для одноатомних. Вони легко галогенуються, нітруються, сульфуються і т. д. Проте перебіг реакцій має свої особливості.
Кислотні властивості. Двохатомні феноли — сильніші кислоти, ніж фенол. Тому вони здатні утворювати солі не тільки з лужними, але і з важкими металами. Пірокатехін при взаємодії з плюмбум ацетатом утворює нерозчинну сіль:
+ (СН3СОО)2РЬ
+ 2СН3СООН
Цю реакцію використовують для виявлення в сполуках пірокатехінового фрагмента.
Окиснення. Багатоатомні феноли набагато легше, ніж одноатомні, взаємодіють з окисниками. При окисненні пірокатехіну і гідрохінону утворюються відповідні бензохінони. Особливо легко окиснюється гідрохінон:
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
361
^\Д)Н
пірокатехін
А§2О; етер
о-бензохінон
он
он
гідрохінон л-бензохінон
.м-Дигідроксибензени також окиснюються, але не утворюють л/-бензохінонів, тому що для останніх неможлива плоска ненапружена структура.
Реакції заміщення та конденсації. Ці реакції перебігають ще легше, ніж у фенолу. Навіть за м’яких умов утворюються ди- і тризаміщені феноли:
резорцин
стифнінова кислота
Дуже легко відбувається конденсація багатоатомних фенолів з альдегідами та ароматичними спиртами:
1,1 -ди(3' ,4' -дигідроксифеніл)етан
сн—с н ацетальдегід
резорцин бензиловий спирт
2,4-Дигідроксидифенілметан
22.6.3. ІДЕНТИФІКАЦІЯ
Для аналізу багатоатомних фенолів придатні ті ж методи, що і для одноатомних (див. с. 358). Широко використовується реакція багатоатомних фенолів із ферум(Ш) хлоридом, унаслідок якої з’являється характерне забарвлення (див. табл. 22.2).
Глава 22
362
Таблиця 22.2
Забарвлення фенолів у реакції з ГеСІ3
Сполука Назва Характерне забарвлення
он Х.ОН ОТ Пірокатехін Зелене
он Ок ^С)Н Резорцин Синє
он ф он Гідрохінон Зелене, яке переходить в жовте
он 1.ОН [ґ т ^С)Н Пірогалол Червоне
он XX но^^сж Флороглюцин Темно-фіолетове
22.6.4. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Пірокатехін (о-дигідроксибензен). Кристалічна речовина (т. пл.
105 °С, т. кип. 245 °С), розчинний у воді і спиртах. На світлі і повітрі ОН набуває коричневого забарвлення внаслідок окиснення. Має антисептичні властивості, використовується як вихідна речовина в синтезі лікарського препарату — адреналіну; застосовується у фотографії як проявник.
Резорцин (л-дигідроксибензен). Кристалічна речовина (т. пл. ОН 110°С, т. кип. 178°С), розчинний у воді. Використовується у ви-робництві барвників, резорциноформальдегідних смол. Ефективний (| антисептик при лікуванні шкірних захворювань (у складі примочок і мазей). Резорцин подразнює шкіру і слизові оболонки.
ОН
ОН
не—ОН
Н2С — Г4НСН3
он
Адреналін (а-3,4-дигідроксифеніл-Р-метиламіноетанол). Кристалічна речовина, добре розчиняється в гарячій воді. Є гормоном групи катехоламінів, які виробляє внутрішня мозкова частина надниркових залоз. Бере участь у регуляції вуглеводного і жирового обмінів. Застосовується в медичній практиці у вигляді гід-рохлориду або гідротартрату завдяки здатності звужувати дрібні кровоносні судини, підвищувати артеріальний тиск, стимулювати діяльність серця і т. ін.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ ----------------------------------------------------------- 363
он
Пірогалол (1,2,3-тригідроксибензен). Біла кристалічна речовина (т. пл. 134°С, т. кип. 309°С), розчиняється у воді, спиртах. На світлі темніє. Сильний відновник. Активно реагує з киснем у лужному розчині, у зв’язку з чим його застосовують для поглинання О2 у газоаналізаторах. Використовується у виробництві барвників, як відновник в органічному синтезі, проявник у фотографії.
Флороглюцин (1,3,5-тригідроксибензен). Кристалічна ре- ОН
човина (т. пл. 223 °С), розчинний у спиртах і погано — у воді, І
сублімується. Застосовується як азоскладовий компонент світло- ні чутливих паперів та плівок. Використовується також в якісному аналізі як аналітичний реагент, зокрема для виявлення пентоз. НО
22.7. АМІНОФЕНОЛИ
Амінофенолами називають похідні ароматичних вуглеводнів, що містять у своєму складі фенольний гідроксил і аміногрупу.
За взаємним розміщенням аміногрупи та фенольного гідроксилу розрізняють орто-, мета- і иара-амінофеноли:
о-амінофенол
он
л-амінофенол
22.7.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Відновлення нітрофенолів. Один з найбільш розповсюджених способів добуван-
ня амінофенолів. Відновлення зазвичай проводять цинковим пилом у лужному розчині:
ОН ОН
л«-нітрофенол
л«-амінофенол
Взаємодія двохатомних фенолів з амоніаком. При нагріванні двохатомних фенолів з амоніаком відбувається заміщення одного з фенольних гідроксилів на аміногрупу:
он
он
+ ин3 он
+ НОН тчн2
резорцин
л/-амінофенол
Глава 22
364
Відновлення нітробензену. Метод застосовується для промислового виробництва и-амінофенолу. Він ґрунтується на перегрупуванні фенілгідроксиламіну під дією концентрованої сульфатної кислоти:
—н2о
нітробензен
Н28О4 г
он
нітрозобензен
фенілгідроксиламін
л-амінофенол
22.7.2. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Амінофеноли мають властивості фенолів (див. розд. 22.5.4) і властивості ароматичних амінів (див. розд. 20.3.3). Основні властивості амінофенолів порівняно з аніліном дещо вищі, що пояснюється електронодонорним впливом гідроксильної групи:
У той же час присутність ароматичної аміногрупи приводить до деякого зниження кислотного характеру фенольного гідроксилу:
Таким чином, амінофеноли є амфотерними речовинами і здатні утворювати солі з мінеральними кислотами та лугами:
мн
натрій л-амінофенолят; натрієва сіль л-амінофенолу
л-гідроксианіліній хлорид
Серед специфічних реакцій амінофенолів слід виділити реакцію ацилювання о- та п-амінофенолів і здатність о-амінофенолу циклізуватися з утворенням гетероциклічних сполук.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
365
При ацилюванні л-амінофенолу утворюються М-ацильні похідні:
МН2 Г4НСОСН3
І£^] + (СН3СО)2О —► (ґ^) + СН3СООН
ОН ОН
л-амінофенол ЬІ-ацетил-л-амінофенол;
л-гідроксиацетанілід
Дія оцтового ангідриду на о-амінофенол приводить до замикання циклу з утворенням 2-метилбензоксазолу:
О
/С- СН3
+ 0 —► І £ ч>— СН3 + сн—С + н20
уз-сн3 ^^о он
О 1
2-метилбензоксазол
22.7.3. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
і N0 о-Амінофенол. Кристалічна речовина (т. пл. 174°С), яка швидко 2 темніє на повітрі. Використовується у виробництві деяких азобарв-£ \ ників, лікарських препаратів (нітроксоліну і т. ін.), входить до складу барвника для хутра. 0Н
ти-Амінофенол. Безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 123 °С). І
Важливий вихідний продукт для виробництва родамінових і роза-мінових барвників. £ ^£
Особливе значення у виробництві барвників має його Г4,ЬІ-ди- Г4Н2
метильна похідна.
л-Амінофенол. Кристалічна речовина (т. пл. 184°С), яка швидко темніє ОН на повітрі внаслідок утворення продуктів окиснення. Використовується як проявна речовина у фотографії, а також як проміжні продукти у ви-| робництві барвників.
Ацетильна похідна л-амінофенолу — л-ацетамідофенол (парацетамол, І колпол, панадол, тайленол, ефералган) застосовується в медицині як жа-І^Н2 рознижуючий і болезаспокійливий засіб.
НО—£ У- ННСОСН3
п-ацетамідофенол
Глава 22
366
Велике значення в синтезі лікарських препаратів і барвників мають етери амінофенолів. Метилові етери амінофенолів називають анізидинамщ етилові — фенетидинами.
СН3О—С /Н МН2
С2Н5О-< Л-НН2
метиловий етер л-амінофенолу; л-анізидин
етиловий етер л-амінофенолу; л-фенетидин
Ацетильна похідна л-фенетидину — фенацетин застосовується як жарознижуючий та антиневралгічний засіб.
С2Н5О—С /?—МНСОСН3
фенацетин
22.8. ЕТЕРИ
Етерами називають органічні сполуки загальної формули К—О—К.'.
їх також можна розглядати як похідні спиртів, енолів та фенолів, які утворюються внаслідок заміщення атома Гідрогену гідроксильної групи вуглеводневим залишком.
Радикали в етерах можуть бути однаковими (симетричні етери) або різними (несиметричні, або змішані етери):
С2Н5—О —С2Н5
симетричні етери
С2Н5 —о —сн3
о—сн3
несиметричні етери
Етери можуть мати і циклічну будову. У циклічних етерах один або більше атомів Оксигену входять до складу циклу.
циклічні етери
Макроциклічні поліетери загальної формули -£СН2—СН2О^, де п = 4...20, називають краун-етерами (від англ. снят — корона).
краун-етер
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
367
22.8.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
Назви етерів за радикало-функціональною номенклатурою утворюють з назв вуглеводневих радикалів К. і В.' (за алфавітним порядком), суфікса -овий і слова етер
СН3—О—СН3
диметиловий етер
СН3—О —С2Н5
етилметиловий етер
о—сн3
метилфеніловип етер
За замісниковою номенклатурою ШРАС етери розглядають як похідні вуглеводнів, в яких один з атомів Гідрогену заміщений К.-оксигрупою (КО—). За родоначальну структуру беруть більш складний за структурою радикал:
2 1
с,н,—о—сн—сн3
2 з । з
Зсн3
2-етоксипропан
12 3 4
сн3—о—сн,—сн,— сн—сн3
З 2 2 । З
сн3
З- метил-1 -метоксибутан
о—сн—сн—сн3
пропоксибензен
Циклічні етери частіше розглядають як гетероциклічні сполуки і для складання їх назв застосовують тривіальну і систематичну номенклатури (див. гл. 31).
оксиран; оксетан;
етиленоксид; триметиленоксид
оксолан; 1,4-діоксан
тетрагідрофуран (ТГФ)
епоксиетан
У назвах краун-етерів цифра в квадратних дужках позначає загальну кількість атомів у макроциклі, а інша цифра — кількість атомів Оксигену.
[12]-краун-4
Ізомерія етерів зумовлена ізомерією радикалів, зв’язаних з атомом Оксигену:
СН — О — СН — СН2— СН3
метилпропіловий етер;
1-метоксипропан
хснз
сн—о—сн
хсн3
ізопропілметиловий етер; 2-метоксипропан
сн — сн — о—сн2— сн3
діетиловий етер;
етоксиетан
Глава 22
368
22.8.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Взаємодія алкоголятів і фенолятів з галогеналканами (див. реакція Вільямсона, с. 251)
С2Н5—ОМа+ + С2Н—І
С2Н5—О—С2Н5
діетиловий етер
О№
+ С2Н5—І
+ N31
+ N31
етилфеніловий етер
Приєднання спиртів і фенолів до алкінів (див. с. 171). Реакція перебігає за механізмом А№ Спирти приєднуються до алкінів у присутності алкоксидів і гідроксидів лужних металів з утворенням вінілових етерів:
НС = СН + С2Н5—ОН н2С=СН —О—С2Н5
ацетилен етанол вінілетиловий етер
Утворення арилвініловіх етерів Н2С=СН—О—Аг відбувається за більш жорстких умов при взаємодії фенолів з ацетиленом.
Міжмолекулярна дегідратація спиртів. При нагріванні спиртів у присутності концентрованої сульфатної кислоти або інших водовіднімаючих засобів утворюються етери (див. с. 324):
2СН — СН— ОН Нг5°4(конц); |4°- » снз—СН—О —СН—СН3 + Н2О
Дегідратація гліколей. Внутрішньо- і міжмолекулярна дегідратація гліколей дозволяє одержувати циклічні етери — тетрагідрофуран (с. 338), 1,4-діоксан (с. 337), краун-етер (с. 338) і т. ін.
22.8.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Діалкілові етери — безбарвні рідини зі своєрідним «ефірним» запахом і відносно низькими порівняно з відповідними спиртами температурами кипіння. Алкіл-арилові і діарилові етери — безбарвні рідини або кристалічні речовини з приємним запахом (табл. 22.3).
Таблиця 22.3
Фізичні характеристики деяких етерів
Сполука Назва Температура, °С
плавлення кипіння
сн3—о—сн3 Диметиловий етер - 138,5 - 23,7
сн - сн2— о—сн - сн3 Діетиловий етер - 116,3 34,6
СН — СН — 0 — сн = сн2 Вінілетиловий етер - 36,0
О~°-сНз Метилфеніловий етер; анізол - 37,5 153,8
Дифеніловий етер; дифенілоксид 26,8 259,3
Молекули етерів не утворюють міжмолекулярних водневих зв’язків.
Властивості окремих циклічних етерів розглянуто в гл. 31 і розд. 32.3.3.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
369
22.8.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
У хімічному відношенні етери є дуже інертними речовинами. Вони не реагують з розведеними мінеральними кислотами і лугами на холоді. Етери виявляють слабкі основні властивості за рахунок наявності на атомі Оксигену неподілених пар електронів. Вони піддаються розщепленню під дією йодидної і концентрованої сульфатної кислот. Реакційна здатність вінілових і арилових етерів зумовлена природою вуглеводневого радикала.
Утворення оксонієвих солей. Етери утворюють з концентрованими мінеральними кислотами (НСІ, Н28О4, НЬІО3 і т. ін.) оксонієві солі. Протон кислоти приєднується за рахунок неподіленої пари електронів атома Оксигену:
СН3—СН—б —СН3 + НСІ
етилметиловий етер
сн—сн—б—сн3
н
етилметилоксоній хлорид
СГ
Розщеплення етерів. Розщеплення під дією лужних металів. Етери піддаються розщепленню під дією металічного натрію, калію та особливо літію.
В— О— к + 2Иа
—► К-О\а + ЮЧа
натрій натрійорганічна
алкоголят сполука
Розщеплення під дією кислот (ацидоліз). Реакцію розщеплення органічних сполук під дією кислот називають ацидолізом. Концентровані кислоти (НІ, НВг, Н28О4) уже при кімнатній температурі розщеплюють етери.
У реакції з йодидною кислотою при еквімолярному співвідношенні реагентів утворюються галогеновуглеводні і спирт, у надлишку кислоти — тільки галогено-вуглеводні.
НІ
СН—СН—О —СН3
етилметиловий етер
2НІ; і
------►
СН—СН—ОН + СН3—І етиловий спирт метилйодид
СН—СН—І +СН3 —І +Н2О
етилйодид метилйодид
У несиметричних етерах нуклеофільній атаці переважно піддається найбільш стерично досяжний радикал.
Реакція перебігає за механізмом 8^2:
нг
Стадія І СН3— СН2—О — СН3 < " >
швидко
етилметиловий етер
СН—СН2—б —СН3 г
н
етилметилоксоній йодид
Глава 22
370
н н ’
Стадія II СН—СН2—б —СН3 + 1 П°В1ЛЬН° » СН— СН—
Н н н перехідний стан
—► СН3—СН—ОН + СН3—І
етиловий спирт метилйодид
При взаємодії еквімолярних кількостей галогенідної кислоти і діалкілових етерів, у складі яких один радикал первинний, а інший — третинний, алільний або бензильний, утворюється первинний спирт.
сн,соон
(СН3)3С —О—СН3 + НВг —3------► (СН3)3С —Вг + снз—ОН
т/?ет-бутилметиловий етер бутил бромід метиловий спирт
Реакція проходить за механізмом 5д,І:
(СН3)3С —О—СН3 <=► (СН3)3С —б—СН3 < *
І -сн3он
н
швидко
(СН3)3С+ (СН3)3С —Вг
При взаємодії еквімолярних кількостей галогенідної кислоти й алкіларилових етерів утворюються фенол і алкілгалогенід.
С2Н5 + НІ
фенетол
СН3СООН
он + с2н5—І
фенол етилйодид
Ця реакція взята за основу методу Цейзеля, що застосовується для кількісного визначення метокси- та етоксигруп.
Діарилові етери не піддаються розщепленню під дією галогенідних кислот.
Розщеплення етерів під дією концентрованої сульфатної кислоти приводить до утворення естерів сульфатної кислоти:
2Н28О4 (конц.)
С2Н5—О —С2Н5
діетиловий етер
Н28О4 (конц.) або 8О3
2С2Н5—О—8О3Н + Н2О
етилсульфат
С2Н—о —8О2—О—С2Н5 + Н2О
діетилсульфат
Окиснення етерів. Етери окиснюються під дією кисню повітря з утворенням вибухонебезпечних гідропероксидів К—О—ОН і пероксидів К.—О—О—К. Тому перегонку етерів не можна вести насухо через небезпеку вибуху. Для руйнування пероксидів етер обробляють відновником, який розкладає пероксид. Зберігають вільні від пероксидів етери над металічним натрієм або кальцій гідридом.
ГІДРОКСИЛЬНІ ПОХІДНІ ВУ ГЛЕВОДНІВ. ЕТЕРИ
22.8.5. ІДЕНТИФІКАЦІЯ ЕТЕРІВ
Ідентифікацію етерів через їх низьку реакційну здатність за допомогою хімічних методів здійснюють рідко. Будову етерів зазвичай встановлюють у ході аналізу продуктів їх розщеплення йодидною кислотою.
У ІЧ-спектрах діалкілових етерів спостерігаються смуги валентних коливань зв’язку С—О (1150—1060 см-1), а для арилових і вінілових етерів — у ділянці 1275—1200 см . У спиртах також спостерігається смуга ус_0 в ділянці 1100 см-1, але для етерів у ІЧ-спектрах немає характеристичної смуги ОН-групи.
У ПМР-спектрах будову етерів можна проаналізувати лише за впливом атома Оксигену на сигнали сусідніх зв’язків С—Н.
22.8.6. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Діетиловий етер1 (етоксиетан) С2Н5—О—С2Н5. Безбарвна летка легкозаймиста рідина зі специфічним запахом, утворює з повітрям вибухову суміш (т. кип. 36,5°С). Змішується з більшістю органічних розчинників. Не змішується з водою, значно легша від останньої. Часто використовується як розчинник. Широко застосовується в медицині як препарат для загального наркозу. При дії сонячного світла на повітрі він легко окиснюється з утворенням ацетальдегіду, гідроперок-сиду (СН3—СНОН—ООН), пероксиду (СН— СНОН—О—О—СНОН—СН3) та інших дуже отруйних речовин, присутність яких неприпустима в «Ефірі для наркозу».
/—\ Діоксан. Прозора безбарвна рідина (т. пл. 11,8°С, т. кип. 101,5°С),
О О змішується з водою, горить блакитним полум’ям. Ефективний розчин-'—' ник органічних речовин. Отруйний.
Анізол (метоксибензен, метилфеніловий етер) С6Н5—О—СН3. Рідина, змішується з органічними розчинниками, не змішується з водою (т. пл. -37,5 °С, т. кип. 153,8 °С). Подразнює слизові оболонки. Використовується у виробництві пахучих речовин, дисперсних барвників.
Фенетол (етоксибензен, етилфеніловий етер) С6Н5—О—С2Н5. Безбарвна рідина, змішується з етанолом, етером та іншими органічними розчинниками, практично не змішується з водою (т. пл. -29,5°С, т. кип. 170°С). Використовується як розчинник, а також у виробництві пахучих речовин.
1 Діетиловий етер зазвичай називают ефіром, етиловим або сірчаним ефіром.
Глава 23
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
Альдегідами і кетонами називають похідні вуглеводнів, що містять карбонільну групу ^:С=О.
У молекулах альдегідів карбонільна група зв’язана з атомом Гідрогену й вугле-водневим радикалом . Угруповання —С називають альдегідною групою.
Н
У молекулах кетонів карбонільна група зв’язана з двома вуглеводневими радикалами і називається кетогрупою.
К —С К — С — К'
н і
альдегіди кетони
Альдегіди і кетони належать до групи карбонільних сполук.
Залежно від будови вуглеводневого радикала альдегіди і кетони поділяють на аліфатичні, аліциклічні та ароматичні. Серед аліфатичних альдегідів і кетонів розрізняють насичені і ненасичені.
23.1. НАСИЧЕНІ АЛЬДЕГІДИ І КЕТОНИ
23.1.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
У номенклатурі альдегідів і кетонів використовують тривіальні та систематичні назви. Тривіальні назви альдегідів походять від назв кислот, на які вони перетворюються при окисненні. Альдегід, при окисненні якого одержують мурашину (форміатну) кислоту, називають мурашиний альдегід, або формальдегід (від лат. асШит /огтісипїу, альдегід, при окисненні якого утворюється оцтова (ацетатна) кислота,— оцтовий альдегід, або ацетальдегід (від лат. асісіит асеіїсит) і т. д.
За замісниковою номенклатурою І ТРАС назви альдегідів утворюють від назви вуглеводню з такою ж самою кількістю атомів Карбону (включаючи атом Карбону альдегідної групи) з додаванням суфіксу -аль. Нумерацію головного вуглецевого ланцюга починають з атома Карбону альдегідної групи. Приклади назв альдегідів за тривіальною та замісниковою номенклатурами наведені в табл. 23.1.
Нерідко в назвах альдегідів положення замісників указують грецькими літерами а, р, у і т. д. (літерою а позначають атом Карбону, сусідній з альдегідною групою):
8 у р а у р а
СН,—СН,—СН,—СН—С сн,—сн,—сн,—с
<ін, н іг н
а-метилвалеріановий альдегід у-бромомасляний альдегід
_____________ О
1 У складі формальдегіду Н—С карбонільна група зв’язана з двома атомами Гідрогену. хн
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
---- 373
Таблиця 23.1
Назви альдегідів аліфатичного ряду
Сполука Назва за номенклатурою
тривіальною замісниковою
Н-С н Мурашиний альдегід; формальдегід Метаналь
сн—с хн Оцтовий альдегід; ацетальдегід Етаналь
сн3— сн,—с н Пропіоновий альдегід Пропаналь
сн3— сн— сн— с хн Масляний альдегід; бутиральдегід Бутаналь
сн,— сн—с ін, Ізомасляний альдегід 2-Метил пропаналь
сн3— сн— сн — сн,—с н Валеріановий альдегід Пентаналь
сн3— сн—сн,—с 1 н сн^ Ізовалеріановий альдегід 3 - Метилбутаналь
Для назв кетонів широко використовують радикало-функціональну номенклатуру, за якою до назв (в алфавітному порядку) замісників вуглеводневих радикалів при карбонільній групі додають суфікс -кетон-.
СН3—С —СН3 сн,—сн,—с—сн,
II II
о о
диметилкетон етилметилкетон
При утворенні назв кетонів за замісниковою номенклатурою обирають найдовший вуглецевий ланцюг, до складу якого входить кетогрупа. Нумерацію здійснюють так, щоб атом Карбону карбонільної групи отримав якомога менший номер. Потім до назви насиченого вуглеводню, який містить таку ж саму кількість атомів Карбону, додають суфікс -он і цифровий локант, що позначає атом Карбону кетогрупи:
СН,—СН— СН,— С—СН, СН,—СН — С — СН,—СН,
з । 2 Ц 3 3 І II 2 3
сн3 о сн3 о
4 -метил - 2 - пентанон
2-мети л - 3 - пентанон
Глава 23
374
Для деяких кетонів збереглися тривіальні назви. Диметилкетон частіше називають ацетоном. Приклади назв кетонів за радикало-функціональною та замісни-ковою номенклатурами наведені в табл. 23.2.
Таблиця 23.2
Назви кетонів аліфатичного ряду
Сполука Назва за номенклатурою
радикало-функціональною замісниковою
сн,—с—сн, II 0 Диметилкетон Пропанон
сн,—с—сн,— сн, II 0 Етилметилкетон Бутанон
сн,—с—сн,—сн,—сн, II 0 Метилпропілкетон 2-Пентанон
сн,— сн,—с—сн,—сн, II 0 Діетилкетон З-Пентанон
Для карбонільних сполук характерна структурна ізомерія. Альдегіди та кетони, які містять однакову кількість атомів Карбону, ізомерні між собою. Так, пропанон
СН3—С—СН3 і пропаналь СН3—СН2—С є структурними ізомерами (ізоме-
і
рами функціональної групи).
Ізомерія альдегідів і кетонів може бути пов’язана з різною структурою вуглецевого ланцюга'.
сн3— сн—сн2—с н
масляний альдегід
сн,—сн,—сн,—с—сн, II о
2-пентанон
сн3—сн—с^ н
сн3
ізомасляний альдегід
сн3—сн—с—сн3
сн3 о
3-метилбутанон
Для кетонів характерна також ізомерія, зумовлена положенням карбонільної групи:
СН—СН2— СН2— с—СН3 сН сн с — СН2—сн3
II 2 II
О о
2-пентанон
3-пентанон
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
375
23.1.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Окиснення спиртів. Первинні спирти окиснюються до альдегідів, а вторинні — до кетонів (див. с. 328).
В—СН—ОН
[О]
—Н2О
В —С
В— СН—В'
ОН
—нб -> В — С — В
Н2О ц
О
Гідратація алкінів (реакція Кучерова) (див. с. 170, 171). В умовах реакції Кучерова з ацетилену утворюється ацетальдегід, з гомологів ацетилену — кетони:
НС=СН + Н2О -Не2+: Нг5°4» СН—С^
н
В-С=СН + Н2О —’ -г^ > В-С-СЩ
II 3
о
Гідроліз гемінальних дигалогеналканів. При гідролізі гем-дигалогеналканів з атомами галогену при первинному атомі Карбону утворюються альдегіди, а при вторинному — кетони:
СІ
СН3—СН—СН \1
1,1 -дихлоропропан
сн,—с^-сн3 СІ СІ
2,2 -дихлоропропан
СН3— СН—С + 2НС1 хн
пропіоновий альдегід
СН3—С—СН3 + 2НС1 II о
ацетон
Піроліз солей карбонових кислот. При піролізі (термічний розклад) кальцієвих, барієвих або торієвих солей карбонових кислот утворюються відповідні карбонільні сполуки. Зі змішаної солі мурашиної та іншої карбонової кислоти добувають альдегіди, а в решті випадків утворюються кетони:
СН — С
°х О
Са 3110 с » СН — С^ + СаСО3
О Н
н-с
о
Глава 23
376
СН— С
Са 3<>І> ( » СН3—С—СН3 + СаСО ох II
/ О
сн3-с о
Озоноліз алкенів. При взаємодії алкенів з озоном утворюються озоніди — циклічні пероксидні сполуки, які легко розщеплюються цинком в оцтовій кислоті з утворенням альдегідів або кетонів:
К. К
/С=С\ к н
о3
в /°Т°\ /К' /Сх
В о хн
2п; СН3СООН
—Н20
В
хс=о + в7
в—с
алкен
озонід
Оксосинтез (гідроформілювання). У промисловості альдегіди отримують взаємодією алкенів з карбон(ІІ) оксидом і воднем при підвищеній температурі і тиску в присутності платинового, нікелевого або кобальтового каталізаторів. Зазвичай утворюється суміш ізомерів:
2В,—СН = СН2 + 2С0 + 2Н2 — р » В—СН2—СН2 + В—СН—СН3
/С^ /С<.
Н О Н О
23.1.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Формальдегід (мурашиний альдегід) — газ, нижчі альдегіди і кетони — леткі рідини (табл. 23.3). Киплять вони при нижчій температурі, ніж відповідні спирти, тому що не здатні утворювати водневі зв’язки. Температури кипіння кетонів дещо вищі, ніж в ізомерних до них альдегідів. Альдегіди і кетони добре розчиняються в органічних розчинниках, зокрема нижчі представники — розчинні у воді. Більшість альдегідів і кетонів мають характерний запах.
Таблиця 23.3 Фізичні характеристики альдегідів та кетонів
Сполука Температура, °С Густина ^4°
плавлення кипіння
н— С н -92,0 -21,0 0,815 (бГ?))
сн— с хн -123,5 21,0 0,780
сн3—сн2—с н -81,0 48,8 0,807
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
Закінчення табл. 23.3
Сполука Температура, °С Густина
плавлення кипіння
сн—сн—сн—с хн -99,0 75,7 0,817
сн,— сн—с ін, " -65,9 63,5 0,794
снз—(СН2)3—с н -91,5 103,4 0,809
сн,—сн — сн,—с ін, -51,0 92,5 0,803 (<)
сн,— с—СН. II 0 -95,0 56,5 0,792
сн,—с—сн,—сн, II 0 -86,4 79,6 0,805
сн,—с—сн,—сн,—сн, II 0 -77,8 101,7 0,809
сн,—сн,—с—сн,—сн, II 0 -42,0 102,7 0,816 <)
23.1.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Хімічні властивості альдегідів та кетонів визначаються наявністю в їх молекулі карбонільної групи, будову якої зображено на рис. 23.1.
Рис. 23.1. Будова карбонільної групи
Глава 23
378
Атом Карбону карбонільної групи знаходиться в стані 5р2-гібридизації і зв’язаний з оточуючими його атомами трьома о-зв’язками, розташованими в одній площині під кутом 120°. Негібридизована р-орбіталь атома Карбону перекривається з р-орбіталлю атома Оксигену, утворюючи п-зв’язок. Атом Оксигену як більш електронегативний елемент притягує до себе о- і п-електрони (останні більш рухливі, тому що значно слабше утримуються ядрами). Унаслідок цього подвійний зв’язок карбонільної групи сильно поляризований, на атомі Оксигену виникає частковий негативний заряд, а на атомі Карбону — частковий позитивний: \8+ ҐЧ.8-
^С—О . Завдяки такій поляризації альдегіди та кетони здатні вступати в реакцію з нуклеофільними реагентами, які атакують атом Карбону карбонільної групи. Реакційна здатність карбонільних сполук визначається величиною часткового позитивного заряду на атомі Карбону групи ^С=О.
Альдегіди, як правило, більш реакційноздатні за кетони. Алкільні радикали за рахунок +/-ефекту зменшують частковий позитивний заряд на атомі Карбону карбонільної групи. Наявність у молекулі кетону двох алкільних груп при карбонільному угрупованні призводить до більшого зниження часткового позитивного заряду, порівняно з молекулою альдегіду. Крім того, алкільні радикали в молекулі кетону більше заважають підходу нуклеофілу до карбонільної групи.
8'+
К->С<-К
8+ >
Поряд з реакціями, які перебігають за участі карбонільної групи, для альдегідів та кетонів характерні також перетворення по а-атому Карбону. Виходячи з вище-наведеного, реакції альдегідів та кетонів умовно можна розділити на такі групи: нуклеофільного приєднання;
приєднання — відщеплення;
о- конденсації;
г- за участі а-атома Карбону;
> полімеризації;
> окиснення і відновлення.
РЕАКЦІЇ НУКЛЕОФІЛЬНОГО ПРИЄДНАННЯ (А^
До реакцій Лд, альдегідів та кетонів належать: приєднання ціанідної кислоти, натрій гідросульфіту, води, спиртів, взаємодія з магнійорганічними сполуками. Нуклеофільне приєднання починається з атаки нуклеофілом елекгронодефіцитного атома Карбону карбонільної групи. Нуклеофілом можуть бути іони або нейтральні частинки.
Приєднання ціанідної кислоти. Ціанідна (синильна) кислота приєднується до карбонільних сполук, утворюючи ціангідрини, або а-гідроксинітрили'.
С°"
СН,—+ Н-СІЧ сн-сн с\
хн І
он
ацетальдегід нітрил а-гідрокси-
пропіонової кислоти
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
379
8+ 8+ 8- _ - І
сн3—сн2—с—сн3 + Н —СМ > сн3—сн2—с—см
<11. І
Ч.О8’ он
бутанон нітрил а-гідрокси-
а-метилмасляної кислоти
Реакція проходить у присутності основи, нуклеофілом є ціанід-іон:
К\8+ ГЧ8- _ ®-\ н+ _
ХС —О + СМ <=► С <=► сх к см к см
ціангідрин
Утворені ціангідрини можна легко гідролізувати до відповідних а-гідроксикислот, а також для подовження вуглецевого ланцюга цукрів.
Приєднання натрій гідросульфіту. Альдегіди і метилкетони реагують з натрій гідросульфітом (бісульфітом), утворюючи гідросульфітні сполуки — а-гідроксисульфо-нати. Кетони більш складної будови в реакцію не вступають. Взаємодія відбувається без каталізатора, тому що гідросульфіт-іон — досить сильний нуклеофіл:
К
8 — °Н
ХОМа+
ОН
К — с — 8О3Ма+
гідросульфітна сполука;
натрій а-гідроксиалкансульфонат
в—с'
хсн3
8<Т0Н ХОМа+
ОН
В — С — 8О3Ма+
СН3
гідросульфітна сполука
Гідросульфітні сполуки погано розчиняються у воді і виділяються у вигляді кристалічного осаду. Нагрівання з водним розчином мінеральної кислоти або натрій карбонату приводить до їх руйнування з виділенням вільного альдегіду або кетону.
Реакція з натрій гідросульфітом є якісною на карбонільну групу, а також використовується для виділення та очищення альдегідів і кетонів.
Приєднання води. Розчинення альдегідів у воді супроводжується утворенням гідратів, які є продуктами приєднання молекули води по карбонільній групі. Як правило, гідрати альдегідів нестійкі. У водних розчинах вони перебувають в динамічній рівновазі з альдегідом:
8 Со8~ о—н
+ НОН В,—С~О —н
н н
гідратна форма альдегіду; гем-діол
Глава 23
380
Положення рівноваги визначається будовою карбонільних сполук. Формальдегід у воді практично повністю гідратований, ацетальдегід — наполовину, а ацетон — практично не взаємодіє з водою. Гідрати альдегідів існують лише в розчині і виділити їх неможливо; при перегонці вони розкладаються. Існування гідратів доводять за допомогою фізичних методів дослідження.
У деяких випадках, коли карбонільна група зв’язана із сильним електроноак-цепторним замісником, можна виділити гідрат, який утворився, у вільному вигляді. Трихлорацетальдегід (хлораль), приєднуючи молекулу води, перетворюється в хлоральгідрат, який є стійкою кристалічною речовиною:
хлораль
8+ 8-
нон
7 /он
сі—с<-сн
1, чон
хлоральгідрат
Відокремити воду від хлоральгідрату вдається тільки дією сульфатної кислоти. Хлоральгідрат використовується в медичній практиці як заспокійливий і проти-судомний засіб.
Приєднання спиртів. При взаємодії альдегідів зі спиртами утворюються напівацеталі, а в присутності слідів мінеральних кислот — ацеталі.
в—с + В—ОН < » в — с — ов
н і
напівацеталь
Напівацеталі здебільшого малостійкі.
Винятком є циклічні напівацеталі, які утворюються самовільно з у- і 8-гідро-ксиальдегідів:
р- сі Н
циклічний напівацеталь
5-гідрокси-валеріановий альдегід
Напівацеталі при подальшій взаємодії з другою молекулою спирту перетворюються в ацеталі:
ОН
в —с —ов + в—он
н
ов
в—с —ОВ + Н2О
н
ацеталь
Ацеталі стійкі в лужному середовищі, але легко гідролізуються до вільного альдегіду в розведених кислотах. Така властивість ацеталів використовується в органічному синтезі для захисту альдегідної групи.
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
381
Кетони через низьку реакційну здатність і просторові перешкоди зі спиртами не взаємодіють, тому кеталі добувають, використовуючи інші синтетичні методи.
Взаємодія з магнійорганічними сполуками. Альдегіди та кетони реагують з алкіл-і арилмагнійгалогенідами (реактиви Гриньяра) з утворенням продуктів приєднання по карбонільній групі, які гідролізуються в присутності розведених мінеральних кислот до спиртів:
А «- ОМ§Вг
а- 8+ І
СН3— С'х + С2Н5<-М§Вг —► сн3—с —с2н5
ацетальдегід етилмагній- бромомагній алкоголят
бромід
НОН; Н+ < — — М§(ОН)Вг
он
сн — с — с2н5
н
2-бутанол; в/яор-бутиловий спирт
^О8’
118+ 8— 8+
СН—С—СН3 + С2Н5<-М§Вґ —► сн3-
ацетон
ОМ§Вг ОН
с-с2н5 СН3—С —С2Н5
сн3 сн3
2-метил-2-бутанол;
/яре/и-аміловий спирт
З формальдегіду утворюється первинний спирт, усі інші альдегіди дають вторинні спирти, а кетони — третинні. Реакція приєднання магнійорганічних сполук до альдегідів і кетонів є одним з важливих способів добування спиртів.
РЕАКЦІЇ ПРИЄДНАННЯ - ВІДЩЕПЛЕННЯ
Альдегіди та кетони взаємодіють з ЬІ-нуклеофілами (Н2?ї—X, де X = —Н, —Аік, —Аг, —ОН, —1ЧН2 тощо) з утворенням нестійких продуктів нуклеофільного приєднання, які стабілізуються завдяки відщепленню молекули води. Ця група реакцій отримала назву «реакції приєднання — відщеплення».
Взаємодія з амоніаком. Альдегіди, приєднуючи молекулу амоніаку, утворюють альдіміни. У процесі реакції спочатку утворюється нестійкий аміноспирт, від якого потім відщеплюється молекула води.
Механізм реакції:
СН—С* + 1ЧН3 хн
0“
сн — с — йн3 н
н
^о—н
ч
СН—с —N Н
н
он
сн,—с —1МН, І
н
сн— сн=мн + н2о ацетальдімін;
етанімін; азометин
За аналогічним механізмом перебігають реакції з іншими М-нуклеофілами.
Глава 23
382
Альдіміни — нестійкі сполуки, вони спонтанно циклотримеризуються з утворенням альдегідамоніаку:
з сн3— сн=мн
сн, І н. .сн н N V
І І
не сн Нзс N снз н
альдегідамоніак
Кетони також взаємодіють з амоніаком, але при цьому утворюються продукти більш складної будови.
Взаємодія з первинними амінами. Альдегіди та кетони реагують з первинними амінами з утворенням М-заміщених імінів (азометанів) (див. с. 294).
/С=О +
альдегід або кетон
Н2Г4 — В
амін
<=£ ^С=М — в + н2о
М-заміщений імін; азометан
Кетони реагують повільніше, ніж альдегіди. М-Заміщені іміни, які містять у своїй структурі хоча б один арильний радикал, відрізняються значною стійкістю; їх називають основами Шиффа.
Взаємодія з гідроксиламіном. Продукти конденсації альдегідів та кетонів з гідро-ксиламіном називають альдоксимами і кетоксимами:
В—С
+ Н2М—ОН <=£
В —С —В'
+ н2м—он <=£
В— СН = М —ОН + Н2О
альдоксим
В —С—В' + Н,0
II м—он кетоксим
Альдоксими і кетоксими — кристалічні речовини з чіткою температурою плавлення. У кислому середовищі вони легко гідролізуються з утворенням вихідних продуктів. Тому реакцію утворення оксимів використовують для виділення та ідентифікації альдегідів і кетонів.
Взаємодія з гідразином і його похідними. Альдегіди та кетони реагують з гідразином Н2М—МН2 і його похідними — фенілгідразином С6Н —МН—МН2, семі-карбазидом Н2М—МН—С—МН2, тіосемікарбазидом Н2М—МН—С — МН2
О 8
з утворенням гідразонів, семікарбазонів і тіосемікарбазонів відповідно:
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
383
К
/С=К—мн2
БГ
гідразон
к
\:=м—ин—с6н5
К'
фенілгідразон
к
,С=М—N14—С —N13
II
семікарбазон
к
,С=N—NН—С —NН
к./ II
тіосемікарбазон 8
Продукти цих реакцій, подібно до оксимів, добре кристалізуються і використовуються для відкриття альдегідів та кетонів, а також виділення їх із сумішей.
При взаємодії з гідразином карбонільні сполуки, нарівні з гідразонами, утворюють азини:
К
2 \:=О + Н21Ч— N132
к к
—► /С=N—N = 0^ + 2Н2О
Ж'
азин
РЕАКЦІЇ КОНДЕНСАЦІЇ
Альдольна конденсація. Альдегіди, які містять атоми Гідрогену при а-атомі Карбону, у присутності каталітичних кількостей основи здатні вступати в реакцію альдольної конденсації. Взаємодія здійснюється за участі рухливого а-атома Гідрогену однієї молекули і карбонільної групи іншої молекули альдегіду та приводить до утворення сполуки зі спиртовою та альдегідною групами (альдоль).
л ОН
он І
2 СН3— С ' » СН — С — СН2— С '
н н н
р-гідроксимасляний альдегід;
З -гідроксибутанал ь
У слабколужному середовищі гідроксид-іон відщеплює протон від а-атома Карбону альдегіду з утворенням спряженого енолят-аніона:
А С° - у /'
Н-РсЛ-С^ СН—«—- ( ІІ.-ІІ
<| \н -нон - \н - \н
п енолят-аніон
Енолят-аніон має сильні нуклеофільні властивості й атакує атом Карбону карбонільної групи другої молекули альдегіду з утворенням альдолю:
Глава 23
384
сн—с* н
0“
І сн3—с —сн2—с
н
нон
< -
ОН
І сн —с —сн,—с
н
+ он
Олександр Порфирійович БОРОДІН (1833-1887)
Російський композитор і хімік-органік. Закінчив медико-хірургіч-ну академію в Петербурзі (1856). У 1859—1862 роках працював у хімічних лабораторіях Гейдельберга, Парижа і Пізи.
Основні наукові праці — у сфері органічного синтезу. Розробив способи одержання бромозаміщених (1861) і флуорангідридів карбонових кислот (1862). Досліджував (1863—1873) продукти конденсації альдегідів. Здійснив (1872) альдольну конденсацію (одночасно із Ш. А. Вюрцем).
Продукти альдольної конденсації — Р-гід-роксиальдегіди — при нагріванні легко втрачають воду, перетворюючись в а,Р-ненаси-чені альдегіди:
0
сн3—сн—сн,—с
3 І
он
р-гідроксимасляний альдегід /7°
—► сн3— сн=сн — с + Н2О
н
кротоновий альдегід
Перехід від насичених альдегідів через стадію утворення альдолю з подальшою внутрішньомолекулярною дегідратацією до а,р-ненасичених альдегідів називають кротоновою конденсацією.
он
2 СН— С^ ◄= Н
ацетальдегід
0 #
сн,—сн—сн,—с
з І \
он
р-гідроксимасляний альдегід
сн — сн=сн—с н
кротоновий альдегід
Кротоновій конденсації піддаються альдегіди, які мають у а-положенні метиленову групу.
У реакцію альдольної конденсації вступають і кетони, проте через нижчу реакційну здатність кетогрупи взаємодія відбувається в більш жорстких умовах:
СН,
І
2СН3—с—сн3 сн,— с—сн,— с—сн3
II 3 І 2 II 3
о он о
діацетоновий спирт;
4-гідрокси-4-метил-2-пентанон
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
385
У сильнокислому середовищі кетони вступають у реакцію кротонової конденсації з утворенням ненасичених кетонів: н+
—Н2О
2 СН—С —СН3
сн — с=сн—с—сн3
О
сн3 о
4-метил-3-пентен-2~он; мезитилоксид
Естерова конденсація (реакція Тищенко). Російський хімік В’ячеслав Євгенович Тищенко 1906 року виявив, що при нагріванні альдегідів з алюміній етилатом утворюються естери карбонових кислот:
# А1(ОС2Н5), #
2СН— С' --------------СН— С'
хн хос2н5
етилацетат
У цій реакції одна молекула альдегіду відновлюється до спирту, а інша — окис-нюється до кислоти. Реакції, у процесі яких відбувається самоокиснення — само-відновлення сполуки, отримали назву «диспропорціювання», або «дисмутації».
На початку реакції відбувається приєднання алюміній етилату до карбонільної групи альдегіду. Продукт приєднання (І) вступає у взаємодію з іншою молекулою альдегіду, утворюючи нестійку проміжну сполуку (II), в якій відбувається перенесення гідридного іона (Н"), відщеплення алюміній етилату і формування молекули естеру:
о
СН -С\ + А1(ОС2Н5)3
н
о—А1(ОС2Н5)3
СН3— С\
Н І.
О—А1(ОС2Н,)з О. + / о
< Н — С-*......... + с—сн3
чн н
^^-А1(ОС2Н5)3
—► СН3— С\ —►
: О_£-СН3
II. н
о
СН—С^ + А1(ОС2Н5)3
хо—сн— сн3
РЕАКЦІЇ ЗА УЧАСТІ а-АТОМА КАРБОНУ
Карбонільна група впливає на вуглеводневий радикал. Як електроноакцеп-торний замісник вона збільшує рухливість атомів Гідрогену при а-атомі Карбону (СН-кислотність):
Глава 23
386
В’ячеслав Євгенович ТИЩЕНКО (1861-1941)
Радянський хімік, академік (з 1935). Основна сфера наукових інтересів — хімія природних сполук. Розробив (1899) спосіб одержання алкоголятів алюмінію. Відкрив (1906) реакцію ес-терової конденсації (реакція Тищенка). Вивчав (1890) склад нафти (під керівництвом Д. І. Менделєєва). Автор книги «Каніфоль і скипидар» (1895). Досліджував склад соснової живиці, канадського і російського бальзамів. Розробив каталітичний спосіб одержання камфори зі скипидару. Запропонував новий тип склянок для промивання й осушення газів (склянки Тищенка). Під його керівництвом розроблені способи одержання багатьох хімічно чистих реактивів.
До групи реакцій, які проходять за участі а-атома Карбону, належать галогенування та розглянута вище альдольна конденсація.
Реакція галогенування. Альдегіди та кетони як СН-кислоти легко вступають у реакції з галогенами з утворенням а-галогенозаміщених продуктів:
н
сн3—сн2—С + Вг2
н
снз—сн—Сч + НВг н
Вг
а-бромопропіоновий альдегід
Н'
сн—с—сн3 + сі2 —
о —► сн3—с—сн—сі + на
о
хлорацетон
а-Галогенопохідні альдегідів та кетонів мають сльозоточиву дію і називаються лакриматорами (від лат. Іасгіта — сльоза). а-Моногалогенопохідні оксосполук одержують у присутності мінеральної кислоти. У лужному середовищі відбувається подальше заміщення атомів Гідрогену при а-атомі Карбону, що дозволяє отримати ди- і тригалоге-нозаміщені альдегіди та кетони.
Для метилкетонів та ацетальдегіду харак
терна галоформна реакція. При взаємодії з хлором, бромом або йодом у лужному середовищі вони галогенуються по метильній групі. Отримані продукти — трига-логенокетон або тригалогенацетальдегід — розщеплюються в лужному середовищі на сіль карбонової кислоти і галоформ (хлороформ, бромоформ, йодоформ).
У разі йодування в лужному середовищі реакція проходить з виділенням йодоформу СНІ3 — кристалічної речовини жовтого кольору з характерним запахом:
О О о
В—С\ + СНІ3І
О№
„ " т 31,; ^ОН „ " №ЮН
в—с—сн3 —---------► в — с—СІ3 ------
Реакцію утворення йодоформу використовують в аналітичній практиці під назвою «йодоформна проба». Вона застосовується для відкриття груп СН3—С—
і СН3~СН—. Спирти, які містять угруповання СН3—СН—, в умовах реакції спо-
ОН
ОН
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
387
чатку окиснюються до відповідного альдегіду або кетону і лише потім піддаються йодуванню (див. с. 329).
РЕАКЦІЇ ПОЛІМЕРИЗАЦІЇ
Альдегіди, на відміну від кетонів, здатні полімеризуватися. Реакція полімеризації проходить за звичайних умов і прискорюється в присутності мінеральних кислот. Так, уже в 40%-вому водному розчині формальдегіду (формаліну), особливо при температурі нижче 9 °С, спостерігається випадання білого осаду продукту лінійної полімеризації (параформу):
Н
п /С=О + Н2О —► НО —СН—(ОСН2)й—ОН
Н параформ (п = 8... 100)
Полімеризація ацетальдегіду в присутності слідів сульфатної кислоти приводить до утворення за певних умов двох циклічних продуктів — паральдегіду та метальдегіду. Паральдегід утворюється, якщо реакцію проводити при 20 °С, а метальдегід — при 0°С:
II НС /О
НС СН „ ^О-СН
Н1С" "єн. Н=С \нз
паральдегід метальдегід
Паральдегід — рідина (т. кип. 128°С), метальдегід — тверда речовина, використовується в побуті як сухе паливо під назвою «сухий спирт».
Реакція полімеризації оборотна, при нагріванні продуктів реакції з мінеральними кислотами відбувається їх деполімеризація.
РЕАКЦІЇ ВІДНОВЛЕННЯ ТА ОКИСНЕННЯ
Реакції відновлення. Реакцію відновлення альдегідів та кетонів широко використовують для виробництва спиртів (альдегіди відновлюються до первинних, а кетони — до вторинних спиртів). У техніці спирти добувають унаслідок каталітичного гідрування; приєднання водню відбувається в присутності кобальту, нікелю або платини:
.О
К—С^ —’кат'» к—сн —ОН
н
Відновлення альдегідів або кетонів до спиртів у лабораторії здійснюють літій алюмогідридом ЬіА1Н4 або воднем у момент виділення:
/О
<7 ЬІАІН.
сн — сн— с ----------сн — сн— сн2— он
н
Глава 23
388
Реакції окиснення. Альдегіди та кетони по-різному реагують на дію окисників. Альдегіди дуже легко окиснюються; навіть при дії таких слабких окисників, якими є іони А§+ і Си2+, вони перетворюються в карбонові кислоти.
Реакцію окиснення альдегідів амоніачним розчином аргентум оксиду (реактив Толленса) називають реакції рідного дзеркала». Іон Аргентуму в цій реакції відновлюється до вільного срібла, яке виділяється у вигляді дзеркала на стінках пробірки:
К—Сх + 2[А§(МН3)2]ОН —► 2А§| + К—С'_ + + ЗМН3 + Н2О
Н хойн4
Аліфатичні альдегіди також відновлюють реактив Фелінга (суміш розчину купрум(ІІ) сульфату з лужним розчином калій-натрієвої солі виннокам’яної кислоти):
Си8О4 + 2№ОН —► Си(ОН)2| + Ма28О4
соок
не—он
2 І
не—ОН
І
СОО№ сегнетова сіль
|Си(ОН)2
-КОН; -ИаОН
СОО\ МаООС не—он\ но—сн
І >Си=:. І не—он \но—сн соок юос мідно-виннокислий комплекс
При нагріванні альдегідів з фелінговою рідиною утворюється цегляно-червоний осад купрум(І) оксиду:
соо
№ООС
не—ОН\ НО—СН 2 І >Си=:. |
не—он \но—сн
К—С\ н
ЗИаОН; 2КОН
соок
оос
СООК
к—с'
ХОИа
+ 2СиОН + 2Н2О
не—он
не—он
СОО№
2СиОН
Си2ОІ + Н2О
цегляно-червоний
Реакції окиснення альдегідів амоніачним розчином аргентум оксиду і реактивом Фелінга використовуються в аналітичній практиці для виявлення альдегідної групи. Кетони за даних умов не окиснюються, тому цими реакціями розрізняють альдегіди і кетони.
Окиснення кетонів відбувається лише в присутності сильних окисників (КМпО4, К2Сг2О7 тощо). При цьому відбувається розрив зв’язків С—С між ато-
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
мами Карбону карбонільної групи та вуглеводневого радикала. У результаті реакції утворюється суміш карбонових кислот:
снЛс-І-сн,—сн3 н—сх + сн,—с, + сн,—сн,—с^
З । ц ( л з з^х^
он
он
он
бутанон
мурашина кислота
оцтова кислота
пропіонова кислота
За продуктами реакції окиснення кетонів визначають їх будову.
23.1.5 . ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Мурашиний альдегід (формальдегід, метаналь) СН2О. Безбарвний газ із різким запахом, розчинний у воді. Добувають термічним дегідруванням метанолу (600 °С) над срібним каталізатором:
сн3— ОН
н-с + н2 н
37—40%-вий водний розчин формальдегіду, що містить як інгібітор полімеризації 6-15% метанолу, називають формаліном. Формалін використовують як дезінфікуючий та дубильний засіб і консервант для анатомічних препаратів. У промисловості формальдегід використовується у виробництві фенолоформальдегід-них, сечовиноформальдегідних та інших смол для потреб електропромисловості і машинобудування. У медицині використовують похідну формальдегіду — гекса-метилентетрамін (уротропін):
6СН2О + 4ХН3
Ґ0 + 6Н2О
уротропін
Оцтовий альдегід (ацетальдегід, етаналь) СН3СНО. Безбарвна рідина з різким запахом (т. кип. 20°С), змішується з водою, етанолом, діетиловим етером у будь-яких співвідношеннях. Може бути отриманий дегідруванням або окисненням етанолу над срібним каталізатором, гідратацією ацетилену (реакція Кучерова).
Використовується для виробництва оцтової кислоти.
Ацетон (диметилкетон, пропанон) СН3СОСН3. Безбарвна рідина (т. кип. 56,2°С), змішується з водою та органічними розчинниками. Добувають ацетон шляхом сухої перегонки деревини, піролізом кальцій ацетату, дегідруванням 2-пропанолу, кумольним способом тощо.
Ацетон використовують як розчинник органічних речовин (лаки, нітроцелюлоза) і як вихідну речовину в синтезі деяких лікарських препаратів (йодоформу і т. ін.):
СН —с—сн3
ЗІ2; ОН
СНІ31 + сн3—сх
Глава 23
390
Цією реакцією часто користуються для відкриття ацетону, проте в заданих умовах йодоформ утворюється також з інших речовин. Ацетон дає інтенсивне винно-червоне забарвлення з натрій нітропрусидом. Обидві реакції використовуються для виявлення ацетону в сечі при цукровому діабеті.
23.2. НЕНАСИЧЕНІ АЛЬДЕГІДИ
Бернгард Хрістіан Готфрід ТОЛЛЕНС (1841-1918)
Німецький хімік. Працював (1864—1873) у лабораторії Ш. А. Вюрца у Вищій медичній школі в Парижеві, професор Геттінгенського університету (з 1873) і директор Хіміко-агрономічного інституту цього університету.
Основні наукові дослідження присвячені органічній хімії і біохімії. Займався вивченням вуглеводного обміну в рослинному організмі. Створив методику визначення вуглеводів. Розробив метод одержання фурфуролу дегідратацією пентоз. Уперше здійснив синтез толуену на основі метил- і фе-нілгалогенідів.
У молекулі ненасичених альдегідів карбонільна група зв’язана з вуглеводневим радикалом, що містить кратний зв’язок. Залежно від положення подвійного зв’язку в вуглеводневому радикалі розрізняють а,0-, 0,у- і так далі ненасичені альдегіди:
О
Р а сн — сн2— сн=сн—с
а,0-ненасичений альдегід
н
у 0
сн3— сн=сн—сн — с
н
р,у-ненасичений альдегід
Найбільший інтерес становлять а,0-ненасичені альдегіди, в яких подвійний вуглець-вуглецевий зв’язок кон’югований з карбонільною групою. Найпростішими представниками цієї групи сполук є акролеїн та кротоновий альдегід:
л
н2с=сн—с
н
акролеїн
сн— сн=сн— с
н
кротоновий альдегід
Акролеїн добувають внутріїпньомолекулярною дегідратацією гліцерину (див. с. 338) при нагріванні з калій гідросульфатом КН8О4, а кротоновий альдегід — у результаті кротонової конденсації ацетальдегіду (див. с. 384).
Для ненасичених альдегідів характерні реакції карбонільних сполук і ненасичених вуглеводнів. а,|3-Ненасичені альдегіди, що містять у своїй структурі кон’юговану систему, мають низку особливостей, які відрізняють їх від інших альдегідів. Зокрема, приєднання до них галогеноводнів відбувається всупереч правилу Марковникова. Спочатку проходить приєднання ННаї по кінцях кон’югованої системи з утворенням нестійкого енолу, який відразу ж ізомеризується в альдегід (правило Ельтекова — Ерленмейєра):
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
391
НВг
—►
>о-н3+ сн2—СН=СЧ н
Вг
сн2—сн—с
Вг
акролеїн
енол
3-бромопропаналь;
р-бромопропіоновий альдегід
Аналогічно перебігає гідратація в кислому середовищі:
н7с=сн — с' + н7о сн7—сн7—с.
н он н
3-гідроксипропаналь;
р-гідроксипропіоновий альдегід
Як карбонільні сполуки ненасичені альдегіди взаємодіють з ціанідною кислотою з утворенням ціангідринів:
,О _ /0Н
н2с=сн— с^ + нск н2с=сн—с—н
хн СИ
Наявність кон’югованої системи в молекулі кротонового альдегіду приводить до підвищеної рухливості атомів Гідрогену метальної групи, завдяки чому він здатний вступати в реакції кротонової конденсації:
Х> X’ X3
сн,—с + сн,—сн=сн—с - ► сн,—сн=сн—сн=сн—с.
н н н
сорбіновий альдегід ацетальдегід
Утворений сорбіновий альдегід здатний вступати в реакцію з новою молекулою ацетальдегіду, тому в процесі реакції утворюється суміш ненасичених альдегідів.
Акролеїн і кротоновий альдегід використовують в синтезі низки сполук, у тому числі і лікарських препаратів.
23.3. ДІАЛЬДЕГІДИ. ДИКЕТОНИ
Сполуки, які містять дві альдегідні групи, належать до діальдегідів, а дві кетогрупи — до дикетонів. Найпростішим представником діальдегідів є гліоксаль або етандіаль, а дикетонів — діацетил або бутандіон:
% X3
с—с н Н
гліоксаль
сн7—с—с—сн
діацетил
Глава 23
3^2
Гліоксаль — кристалічна речовина, ді-ацетил — рідина. Обидві речовини забарвлені в жовтий колір.
І гліоксаль, і діацетил можна отримати при обережному окисненні відповідних двохатомних спиртів — етиленгліколю і 2,3-бу-тандіолу. Вони мають характерні для карбонільних сполук властивості. Реакції можуть проходити за участі як однієї, так і двох функціональних груп.
При окисненні гліоксалю утворюється щавлева кислота:
Герман Хрістіан ФЕЛІНГ (1812-1885)
Німецький хімік-органік і технолог. Учень Ю. Лібіха. Працював фармацевтом у Любеку і Бремені. Професор (1839—1882) Вищої технічної школи в Штутгарті.
Основний напрямок наукових досліджень — аналіз і ідентифікація органічних сполук. Вивчав багатооснбвні органічні кислоти. Уперше одержав паральдегід (1838), бензонітрил і сук-цинімід (1844). Синтезував (1844) бензойну кислоту в результаті гідролізу бензонітрилу. Запропонував (1850) реактив для визначення моносахаридів (реактив Фелінга). Вивчав мінеральні води, дубильні речовини, процес хлібопечення.
%
/С—с' н н
[О] *
с—с
НО он
щавлева кислота
В умовах реакції Канніццаро гліоксаль перетворюється в гліколеву кислоту, тобто відбувається внутрішньомолекулярна реакція окиснення — відновлення:
кон
НО—СН —С\
ок
калієва сіль гліколевої кислоти
Залежно від співвідношення реагентів гліоксаль і діацетил при взаємодії з гідро-ксиламіном утворюють моно- або діоксими:
нрм—он
-н2о
НО—N
Ч нх
Н2М — ОН
—Н2О
НО—N
Ч
гліоксаль діоксим; гліоксим
гліоксаль монооксим
о О НО —N о НО—N ЬІ —ОН
\-</ \-с/
/ \ ~ Н9О / \ —НоО / \
н3с сн3 н3с сн3 н3с сн3
діацетил монооксим
діацетил діоксим; диметилгліоксим
Здатність диметилгліоксиму утворювати внутрішньокомлексні сполуки з рядом катіонів використовують в аналітичній практиці. Із солями Ніколу(ІІ) диметилгліоксим утворює червоно-фіолетовий осад хелатного комплексу.
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
393
Н3С СН3 С — С // \
,.0-НЧ^ уМ—О\
Н Мі Н
\ X \
о—N N->0'
//
/С— с\ Н3С сн3
хелатний комплекс
Гліоксаль і діацетил використовують у синтезі різних гетероциклів. Діацетил міститься у вершковому маслі і зумовлює його запах. Тому він використовується в харчовій промисловості як ароматизатор для масла, маргарину, сиру.
23.4. АРОМАТИЧНІ АЛЬДЕГІДИ І КЕТОНИ
23.4.1. КЛАСИФІКАЦІЯ. НОМЕНКЛАТУРА
У ряду ароматичних альдегідів виділяють альдегіди, які містять альдегідну групу в бензеновому ядрі (аренкарбальдегіди), і такі, що містять альдегідну групу в боковому ланцюзі. Найпростішим представником першої групи є бензальдегід, або бензойний альдегід, який дістав назву від кислоти, в яку він перетворюється при окисненні.
2-гілроксибенз альдегід; саліциловий альдегід
бензальдегід;
бензойний альдегід
сн3
4- меті ід бензальдегід; л-толуїловий альдегід
Альдегіди, що містять функціональну групу в боковому ланцюзі, називають, як і похідні альдегідів жирного ряду. Положення фенільного радикала зазвичай позначають літерами грецького алфавіту:
феніл оцтовий альдегід
р-фенілпропіоновий альдегід; гідрокоричний альдегід
У ряду ароматичних кетонів виділяють чисто ароматичні і жирноароматичні кетони. У молекулі чисто ароматичних кетонів карбонільна група зв’язана з двома ароматичними радикалами. Якщо один з радикалів аліфатичний, то такі кетони належать до жирноароматичних. Для назв ароматичних кетонів частіше використовують радикало-функціональну номенклатуру (див. с. 373). Широко застосовують також і тривіальні назви:
Глава 23
394
дифенілкетон; бензофенон
метилфенілкетон; ацетофенон
бензилфенілкетон
23.4.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Методи синтезу ароматичних і аліфатичних альдегідів та кетонів багато в чому подібні. Для добування ароматичних карбонілвмісних сполук використовують: окиснення первинних і вторинних ароматичних спиртів, омилення гемінальних дигалогенопохідних вуглеводнів, піроліз кальцієвих солей карбонових кислот та інші способи. Існує низка специфічних методів для синтезу ароматичних альдегідів та кетонів.
Окиснення ароматичних вуглеводнів. Пряме окиснення толуену або інших похідних, що містять метальну групу, зв’язану з бензеновим кільцем (метиларенів), приводить до відповідного альдегіду. Як окисники можуть бути використані хром(УІ) оксид, ванадій(У) оксид, манган(ІУ) оксид тощо. Окиснення хром(УІ) оксидом проводять у середовищі оцтового ангідриду. Утворений у процесі окиснення ацилаль (естер гідратної форми альдегіду) не піддається наступному окисненню, а в результаті його подальшого гідролізу з високим виходом одержують альдегід:
СгО3; (СН,СО),О
Н,О; Н1
- 2СН,СООН
ацилаль; геи-діацетат
Окиснення ароматичних вуглеводнів з метою добування альдегідів використовують не тільки в хімічній лабораторії, але й у промисловості.
Реакція Гаттермана — Коха. Метод ґрунтується на прямому введенні альдегідної групи в бензенове ядро. Цю реакцію також називають реакцією формілювання. Формілювання ароматичних вуглеводнів проводять сумішшю карбон(П) оксиду і хлороводню в присутності алюміній хлорид і купрум(І) хлориду:
СО + НСІ
А1С13; СиСІ
толуен
Реакція здійснюється тільки з порівняно активними аренами, використовується для добування алкіл- і галогенозаміщених ароматичних альдегідів. Бензальдегід в умовах цієї реакції утворюється з незначним практичним виходом.
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
395
Реакція Фріделя — Крафтса. Основним методом добування ароматичних кетонів є ацилювання ароматичних вуглеводнів за Фріделем — Крафтсом. Як ацилюючі реагенти найчастіше використовують галогенангідриди або ангідриди карбонових кислот:
А1С1. ------ -неї
4 \~С —СН
о
+ неї
ацетофенон
Реакція проходить за механізмом 5Е (див. с. 203).
23.4.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Ароматичні альдегіди та кетони — це рідини або тверді речовини (табл. 23.4), нерозчинні у воді. Ароматичні альдегіди мають запах гіркого мигдалю, з видаленням альдегідної групи від бензенового ядра запах стає різкішим. Кетонам властиві досить приємні запахи.
Фізичні характеристики ароматичних альдегідів та кетонів
Таблиця 23.4
Сполука Назва Температура, °С Густина,
плавлення кипіння
9 О Бензальдегід -26,0 179,2 1,0447 (^°)
/=\ х0 \н СН3 о-Толуїловий альдегід - 195,5 1,0386 (4}9)
у^с\н сн3 л/-Толуїловий альдегід - 199,0 1,0189 (</421)
о я V О л-Толуїловий альдегід - 205,0 1,0194 (4{7)
с—сн3 II 3 0 Ацетофенон 19,7 202,3 1,0281 (лід0)
0 Бензофенон 48,1 306,0 1,0976 (б/450)
Глава 23
396
23.4.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Людвіг ГАТТЕРМАН (1860—1920)
Німецький хімік-органік. Основні наукові праці присвячені синтетичній органічній хімії. Відкрив (1890) реакцію обміну діазогрупи в ароматичних солях діазонію на атом галогену або ці-аногрупу в присутності металічної міді (реакція Гаттермана). Спільно зі своїм співпрацівником Й. А. Кохом розробив (1897) метод одержання ароматичних альдегідів, який ґрунтується на формі-люванні ароматичних вуглеводнів під дією карбон(ІІ) оксиду і хлороводню в присутності кислот Льюїса.
Відкрив (1898) формілювання фенолів та їх етерів. Автор підручника «Практичні роботи з органічної хімії» (1894).
Хімічні властивості ароматичних альдегідів та кетонів багато в чому подібні до властивостей альдегідів та кетонів жирного ряду. Ароматичні альдегіди дають реакцію «срібного дзеркала», утворюють ацеталі, ціангідрини, гідросульфітні сполуки, альдоксими, гідразо-ни, азометани. Однак ароматичні альдегіди не вступають у реакцію альдольної конденсації, дуже важко полімеризуються, в інших співвідношеннях взаємодіють з амоніаком.
Ароматичні кетони порівняно з кетонами жирного ряду мають меншу реакційну здатність. Тому вони не утворюють гідро-сульфітних сполук, бензофенон не реагує з ціанідною кислотою.
Ароматичні альдегіди і кетони виявляють низку специфічних властивостей.
Взаємодія з амоніаком. Ароматичні альдегіди вступають у взаємодію з амоніаком у співвідношенні 3 : 2 з утворенням гідробензаміду.
Н^Н
+ +
Н^Н
-----►
- зн2о
сн=кх
НС сн=мх
гідробензамід
Утворений у процесі реакції імін бензальдегіду не здатний полімеризуватися, дві його молекули вступають у реакцію з третьою молекулою бензальдегіду.
Реакція Канніццаро. Відкрита 1853 року італійським ученим Станіслао Канніц-царо. У присутності сильної основи або концентрованого лугу ароматичні альдегіди вступають у реакцію диспропорціювання. При цьому одна з двох молекул альдегіду окиснюється до відповідної кислоти, а інша — відновлюється до спирту:
кон
калієва сіль бензойної кислоти
СН—ОН
бензиловий спирт
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
397
Механізм реакції:
он
<—
О~ с<-н он
Станіслао КАННІЦЦАРО (1826-1910)
Реакція перебігає з переносом гідридного іона (Н-).
У реакцію Канніццаро вступають також деякі альдегіди жирного ряду, зокрема формальдегід, і альдегіди, які не містять атомів Гідрогену при а-атомі Карбону:
/х° 2н-<
н
н—с + сн—он ок
Італійський хімік. Отримав медичну освіту. Один із засновників атомно-молекулярної теорії. Вивчаючи дію калій гідроксиду на бензальдегід, відкрив (1953) бензиловий спирт, а також окисно-відновне диспропорціювання ароматичних альдегідів (реакція Канніццаро). Синтезував хлористий бен-зоїл, з нього — фенілоцтову кислоту. Запропонував систему основних хімічних понять. Уніс ясність у питання про відмінності в значеннях атомних, молекулярних і еквівалентних мас. Запропонував раціональну систему атомних мас. Установив і обґрунтував правильні атомні маси елементів.
снз
І у*
2 СН,—“С—
І н
кон
----►
сн3 с—
СН3
хок
сн —с—сн—он
сн3
Альдегіди, які містять атоми Гідрогену при а-атомі Карбону, в умовах реакції Канніццаро осмолюються.
Реакції конденсації. Ароматичні альдегіди в присутності основ здатні вступати в реакції конденсації з альдегідами, кетонами, ангідридами карбонових кислот, що містять рухливі атоми Гідрогену при а-атомі Карбону. Бензальдегід вступає в реакцію альдольної конденсації з ацетальдегідом. Альдольна конденсація двох різних карбонільних сполук називається перехресною альдольною конденсацією:
0
+ сн—с н н
кон
Т5 сн—сн2—сч н
ОН
З-гідрокси-3-фенілпропаналь
Глава 23
398
Альдоль, який утворюється, легко втрачає воду, перетворюючись в коричний альдегід:
сн—сн2—сч н
ОН
сн=сн— с хн
З-фенілпропеналь; коричний альдегід
Реакція ароматичних альдегідів з ангідридами аліфатичних карбонових кислот у присутності основ відома як реакція Перкіна (1868 р.). Продуктами такої конденсації є а,0-ненасичені карбонові кислоти. Так, при взаємодії бензальдегіду з оцтовим ангідридом у присутності натрій або калій ацетату утворюється корична кислота:
(СН3СО)2О
СН3СООНа; і
сн=сн—соон + сн3соон
корична кислота
Механізм реакції:
СН— С'
/О СН-С
О - /> сн—с хо сн3-с( о
сн— с'
хо + СН3СООН сн3-с(
о
О"
с—сн2—с—о—с—сн
І II II
сн3соон
-СН3СОО“
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
399
Бензоїнова конденсація. Специфічною реакцією альдегідів ароматичного ряду є бензоїнова конденсація. Суть цієї реакції полягає в конденсації двох молекул альдегіду в присутності солей ціанідної кислоти з утворенням ароматичних а-гідроксикетонів (бензоїнів, ацилоїнів)'.
о он
бензоїн
Механізм бензоїнової конденсації:
Ох
С(,Н5—С—Н
СN
уо—н С()н5-с
СN
&
с6н-с(
н
о-
С6Н -С-С-С6Н5 н
+ СІМ-
о он
бензоїн
Альдегіди жирного ряду в умовах реакції
Вільям Генрі ПЕРКІН (старший) (1838—1907)
Англійський хімік-органік і промисловець. Працював переважно у своїй домашній лабораторії. У 18-літ-ньому віці виділив і запатентував один з перших синтетичних барвників — мове’їн.
Запропонував спосіб одержання аніліну з нітробензену, алізарину з продуктів кам’яновугільного дьогтю. Відкрив (1868) реакцію одержання а-заміщених коричних кислот конденсацією ароматичних альдегідів з ангідридами аліфатичних карбонових кислот у присутності основ (реакція Перкіна). Синтезував (1877) кумарин і коричну кислоту.
Американська секція Товариства хімічної промисловості заснувала медаль Перкіна, яка присуджується щорічно за кращі досягнення в хімічній промисловості США.
бензоїнової конденсації утворюють альдолі.
Галогенування. При дії хлору на бензальдегід утворюється хлорангідрид бензойної кислоти:
бензальдегід
+ НС1
хлорангідрид бензойної кислоти
У випадку аліфатичних альдегідів реакція перебігає за вуглеводневим радикалом (див. с. 385).
Реакції електрофільного заміщення в бензеновому вдрі. Для ароматичних альдегідів, поряд з реакціями, що перебігають по альдегідній групі, характерні реакції
Глава 23
електрофільного заміщення за участі бензенового ядра (сульфування, нітрування і т. ін.). Альдегідна група направляє замісник у л/-положення:
К.1МО3; Н28О4 (конц.); 0 °С
-Н2О
ти-нітробензальдегід
У реакції 8е ароматичні альдегіди вступають важче, ніж ароматичні вуглеводні, що пов’язано з електроноакцепторною дією альдегідної групи на бензенове ядро.
23.4.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Бензальдегід (бензойний альдегід) С6Н5—СНО. Безбарвна рідина з запахом гіркого мигдалю (т. кип. 179,2°С), утворюється при гідролізі глікозиду амігдалину, який міститься в мигдалі, кісточках персиків, абрикосів. Бензальдегід розчинний у спирті, практично нерозчинний у воді. Його можна одержати каталітичним окисненням толуену, омиленням бензиліденхлориду або з бензену реакцією Гат-термана — Коха.
На повітрі бензальдегід легко окиснюється до бензойної кислоти.
Бензойний альдегід використовується як ароматична речовина в парфумерії і харчовій промисловості, як сировина для виробництва арилметанових барвників.
Ванілін (4-гідрокси-З-метоксибензальдегід). Кристалічна речовина (т. пл. 81—83°С), добре розчиняється в спирті, етері, малорозчинна у воді.
Ванілін як пахучу речовину використовують у харчовій і парфумерній промисловості.
Він є вихідною речовиною в синтезі протитуберкульозного препарату «Фтивазид».
сГ°
н
осн3
он
Ацетофенон (метилфенілкетон). Кристалічна речовина (т. пл. 19,6°С, т. кип. 202,3°С), розчиняється в спирті, етері, бензені, нерозчинна у воді. Ацетофенон використовують як пахучу речовину в парфумерії, а також у синтезі деяких лікарських препаратів.
с—сн3
О
с
о
Бензофенон (дифенілкетон). Кристалічна речовина, розчинна в етері, у спирті, бензені, нерозчинна у воді. Одержують бензофенон взаємодією бензену з тетрахлорометаном з подальшим гідролізом проміжного продукту — дифенілди-хлорометану:
СС14 (А1С13)
-2НС1
Н2О
—2НС1 *
Бензофенон знайшов своє застосування у виробництві ароматизаторів, синтезі барвників тощо.
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
401
Хінони. Це циклічні а,Р“НЄнасичені дикетони. Найпростішими представниками цього класу сполук є о-хінон і «-хінон:
О
о-хінон;
1,2-бензохінон;
3,5-циклогексадієн-1,2-діон
л-хінон;
1,4-бензохінон;
2,5-циклогексадієн-1,4-ДЇ°Н
п-Хінон уперше був виділений 1838 року російським хіміком Олександром Абрамовичем Воскресенським при окисненні хінної кислоти.
Хінони — забарвлені кристалічні речовини: о-хінон — яскраво-червоний, л-хінон — жовтий.
Добувають хінони окисненням двохатомних фенолів або амінофенолів. Для одержання л-хінону як окисник використовують калій дихромат або манган(ІУ) оксид у сульфатній кислоті:
ОН
л-амінофенол
о-Хінон найчастіше добувають окисненням пірокатехіну аргентум оксидом; реакцію проводять у середовищі етеру або бензену без доступу вологи в присутності натрій сульфату:
пірокатехін о-хінон
Хімічні властивості хінонів обумовлені наявністю в їх структурі кратних зв’язків і карбонільних груп.
Хінони легко відновлюються до двохатомних фенолів:
л-хінон
гідрохінон
о-хінон
пірокатехін
Глава 23
402
и-Хінон реагує з галогенами:
тетрахлоробензохінон; хлораніл
Приєднання галогеноводневих кислот, амінів, спиртів (у присутності кислот) проходить за типом 1,4-приєднання з подальшою ароматизацією продукту приєднання:
бромогідрохінон
феніламіногідрохінон
метоксигідрохінон
При взаємодії л-хінону з гідроксиламіном залежно від співвідношення реагентів утворюються моно- або діоксим:
О О И—ОН
л-хінон хіноксим и-хінондіоксим
У розчинах зазвичай спостерігається часткове перетворення л-хіноксиму в л-нітрозофенол, а л-хінондіоксиму — у л-нітрозо-М-гідроксианілін:
N—04 N=0
хіноксим л-нітрозофенол
N—04
N=0
N—ОН
И-ХІНОНДІОКСИМ
N4— ОН л-нітрозо-N -гідроксианілін
АЛЬДЕГІДИ. КЕТОНИ
403
З фенолами хінони утворюють міцні комплекси з переносом заряду. Унаслідок взаємодії и-хінону з гідрохіноном утворюється стійка сполука хінгідрон.
ОН -- О
он -о
хінгідрон
Окисні властивості хінонів виявляються в низці біохімічних процесів.
Важливими похідними 1,4-бензохінонів є убіхінони (від лат. иЬідиііоиз — присутній усюди). Убіхінони містяться в кожній живій клітині і беруть участь у найскладніших біохімічних процесах. За класифікацією ферментів вони належать до групи коферментів р.
О
СНзО^А^СНз
СНзО^уДСНг—СН=С—СН2^гН 0 СН3
убіхінони
(п = 6-ИО)
1,4-Нафтохіноновий фрагмент міститься в деяких сполуках групи вітаміну К, які стимулюють процес згортання крові.
о
вітамін К
Хінони використовують для виробництва барвників, проявників для фотографії; л-бензохінон застосовують як дубильну речовину.
Глава 24
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ.
МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Карбоновими кислотами називають похідні вуглеводнів, що містять у своєму складі одну або кілька карбоксильних груп —СООН.
Залежно від природи вуглеводневого радикала, зв’язаного з карбоксильною групою, розрізняють аліфатичні (насичені і ненасичені), аліциклічні та ароматичні карбонові кислоти. За кількістю карбоксильних груп кислоти поділяють на моно-карбонові, дикарбонові, трикарбонові і полікарбонові.
24.1. НАСИЧЕНІ МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Насиченими монокарбоновими кислотами називають похідні насичених вуглеводнів, що містять у своєму складі одну карбоксильну групу —СООН.
Загальна формула С„Н2„+1СООН.
24.1.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
У назвах карбонових кислот широко використовують тривіальну номенклатуру: Н—СООН — мурашина кислота, СН3—СООН — оцтова, СН3—СН2—СООН — пропіонова і т. д. Положення замісників відносно карбоксильної групи в тривіальних назвах позначають грецькими літерами а, 0, у і т. д.:
ура Р а
СН—сн—сн—соон сн—сн—соон
СН, Вг
а-меї 11.1 масляна кислота р-бр<>мопропіонова кислота
За замісниковою номенклатурою /С/МС назви карбонових кислот утворюють від назв вуглеводнів, включаючи і атом Карбону карбоксильної групи, до яких додають суфікс -ова кислота. Нумерацію головного вуглецевого ланцюга починають з атома Карбону карбоксильної групи:
З 2 1
н—соон сн3—сн2—соон сн3—сн—соон
сн3
метанова кислота пропанова кислота 2-мс і илпропанова кислота
Іноді назви карбонових кислот утворюють від назви вуглеводню, що містить як замісник карбоксильну групу, і словосполучення -карбонова кислота:
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
405
СН—СООН сн— сн2— СН2— СООН
метанкарбонова кислота
1-пропанкарбонова кислота
сн3—сн—СООН сн3
2-пропанкарбонова кислота
Цей спосіб частіше застосовують у випадках, коли карбоксильна група зв’язана з циклічною структурою.
СООН
^/х^СООН
циклогексан ка рбо н о ва кислота
1-нафталенкарбонова кислота
За раціональною номенклатурою насичені монокарбонові кислоти розглядають як похідні оцтової кислоти:
сн3— СН — СООН
метилоцтова кислота
СНЗ/СН —СООН с2н/
етил метил оцтова кислота
Назви деяких монокарбонових кислот наведені в табл. 24.1.
Таблиця 24.1
Назви насичених монокарбонових кислот
Формула Назва кислоти за номенклатурою
тривіальною замісниковою раціональною
нсоон Мурашина (форміатна) Метанова —
СН3СООН Оцтова (ацетатна) Етанова Оцтова
СН3СН2СООН Пропіонова Пропанова Метилоцтова
СН3СН2СН2СООН Масляна (бутиратна) Бутанова Етилоцтова
(СН3)2СНСООН Ізомасляна (ізобути-ратна) 2-Метилпропа-нова Диметилоцтова
СН3СН2СН2СН2СОО н Валеріанова Пентанова Пропілоцтова
(СН3)2СНСН2СООН Ізовалеріанова З-Метилбутанова Ізопропілоцтова
СН3СН2СН(СН3)СООН а-Метилмасляна 2-Метилбутанова Етилметилоцтова
СН3(СН2)4СООН Капронова Гексанова Бутилоцтова
СН3(СН2)І0СООН Лауринова Додеканова —
СН3(СН2)12СООН Міристинова Тетрадеканова —
СН3(СН2)14СООН Пальмітинова Гексадеканова —
СН3(СН2)16СООН Стеаринова Октадеканова —
СН3(СН2)18СООН Арахінова Ейкозанова —
Глава 24
406
Залишок карбонової кислоти, що утворюється внаслідок відщеплення атома
Гідрогену від карбоксильної групи, називають ацилоксигрупою К—С , а за-ХО“
лишок, що утворюється після відщеплення гідроксильної групи, називають ациль-/’
ною групою К—С^ .
Назви ацилоксигруп зазвичай утворюють із тривіальних латинських назв кислот і суфікса -ат:
О
,0
н—С сн—с^
о Ю
/° /°
СН—СН2—С\ сн—сн—сн—С\
форміат
ацетат
пропіонат
бутират
Назви ацильних груп утворюють із тривіальних латинських назв кислот і суфікса -ил (-іл). За замісниковою номенклатурою 111 РАС назви ацильних груп утворюють від назви кислоти, замінюючи -ова кислота на суфікс -оїл".
/7°
н—с
сн —с:
сн—сн—с
сн3—сн—сн—с
форміл; метаноїл
ацетил; етаноїл
пропіоніл; пропаноїл
сн— сн—с
бутирил;
бутаноїл
сн — сн—сн—сн — с
СН3 ізобутирил; 2-метилпропаноїл
валерил; пентаноїл
Ізомерія насичених монокарбонових кислот зумовлена різною структурою вуглеводневого радикала, сполученого з карбоксильною групою. Перші три представники гомологічного ряду не мають ізомерів. Четвертий гомолог існує у вигляді двох структурних ізомерів:
СН3— СН—СН — СООН
масляна кислота
сн—СН—СООН
СН3
ізомасляна кислота
Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі карбонової кислоти кількість структурних ізомерів різко зростає.
24.1.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Існує чимало способів добування карбонових кислот.
Окиснення первинних спиртів та альдегідів (див. с. 328). Первинні спирти окис-нюються до карбонових кислот через стадію утворення альдегіду. Як окисники використовують К2Сг2О7, КМпО4, Н1Ч03 тощо:
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
407
к—сн—он 101
-н2о
ХО к—С\ -И н
ХО к—с\ хон
первинний спирт альдегід
Гідроліз гемінальних тригалогенопохідних вуглеводнів. Реакція перебігає в кислому або лужному середовищі. Як проміжна сполука утворюється ортокислота, яка відщеплює молекулу води і перетворюється в карбонову кислоту:
.СІ + .ОН
/ НОН (ОН- або Н+) /
к—с—сі -------------------► к—с—ОН --------------
\ \ -н.о
СІ
ОН
К-с^° хон
геи-трихлоралкан ортокислота
Гідроліз нітрилів. При нагріванні нітрилів з водними розчинами кислот або лугів вони піддаються гідролізу з утворенням карбонових кислот. Як проміжні продукти реакції утворюються аміди кислот: ,0
# НОН (Н+або ОН ) к—с' хмн2
НОН (Н+ або ОН-)
к—с=м ------------
-тмн3
к-У’
хон
нітрил
амід карбонової кислоти
с2н5— М§С1
СО2
НС1
С2Н5— С\ хон пропіонова кислота
карбонова кислота
Карбоксилювання магнійорганічних сполук. При дії на магнійорганічні сполуки (реактиви Гриньяра) карбон(ІУ) оксидом утворюються солі карбонових кислот, з яких у кислому середовищі виділяють відповідні кислоти: о
С,Н,— С
25 \ -М8С12
0М§С1 етилмагній хлорид хлормагній пропіонат
Окиснення алканів. Метод застосовується в промисловості для виробництва
багатьох карбонових кислот. При окисненні алканів киснем повітря в присутності каталізатора утворюється суміш карбонових кислот, які потім розділяють. Реакція супроводжується розривом вуглець-вуглецевих зв’язків (див. с. 137).
Гідрокарбонілювання алкенів. Алкени з карбон(П) оксидом і водою в присутності кислотного каталізатора при нагріванні і тиску утворюють карбонові кислоти:
Н2С=СН2 +
етилен
Механізм реакції:
СО + нон н+;р;<» сн3—сн2—соон
пропіонова кислота
Н' н2с=сн2 —
+ с=о
* сн3— сн2-----
_ нон
СН,— СН,— С = О —пт-д х — Н
о
з
2
он
Метод застосовують у промисловості для добування багатьох кислот.
Глава 24
24.1.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Нижчі карбонові кислоти складу С(—С3 за звичайних умов — це легкорухливі рідини з гострим запахом. Кислоти складу С4—С9 — маслянисті рідини з неприємним запахом, що нагадує запах поту. Карбонові кислоти з кількістю атомів Карбону 10 і більше є твердими речовинами. Мурашина, оцтова і пропіонова кислоти змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях. Зі збільшенням молекулярної маси кислот їх розчинність у воді сильно знижується. Вищі карбонові кислоти не розчиняються у воді. Температури кипіння кислот значно вищі за температури кипіння спиртів з тією ж самою кількістю атомів Карбону (табл. 24.2). Це свідчить про те, що кислоти більш асоційовані, ніж спирти. На відміну від спиртів, для яких характерні тільки лінійні асоціати, карбонові кислоти внаслідок утворення міжмолекулярних водневих зв’язків утворюють як лінійні, так і циклічні асоціати (димери):
^О:-Н-° к—с ,с—к
\ #
о—Н—:о
Таблиця 24.2
Фізичні характеристики насичених монокарбонових кислот
Сполука Назва кислоти Температура, °С
плавлення кипіння
нсоон Мурашина 8,4 100,7
СН3СООН Оцтова 16,7 118,1
СН3СН2СООН Пропіонова -22,4 141,1
СН3СН2СН2СООН Масляна -7,9 163,5
(СН3)2СНСООН Ізомасляна -47,0 154,4
СН3СН2СН2СН2СООН Валеріанова -34,5 187,0
(СН3)2СНСН2СООН Ізовалеріанова -37,6 176,7
СН3(СН2)4СООН Капронова “1,5 205,3
СН3(СН2)14СООН Пальмітинова 64,0 271,5 (100 мм)
СН3(СН2)16СООН Стеаринова 70,0 291 (110 мм)
24.1.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність карбонових кислот визначається в основному наявністю в їх структурі карбоксильної групи. Карбоксильна група є кон’югованою системою, в якій неподілена пара електронів атома Оксигену гідроксильної групи взаємодіє з л-електронами карбонільної групи (/?,л-кон’югація). У результаті +А/-ефекту з боку групи —ОН електронна густина в кон’югованій системі зміщена вбік атома Оксигену карбонільної групи С = О, неподілені пари електронів якого не бе
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
409
руть участь у кон’югації. Завдяки зміщенню електронної густини зв’язок О—Н стає сильно полярним, що приводить до появи в карбоксильній групі ОН-кислотного центру. Але в той же час за рахунок +Л/-ефекту з боку групи —ОН у молекулах карбонових кислот дещо зменшується частковий позитивний заряд на атомі Карбону карбонільної групи порівняно з альдегідами та кетонами. Крім того, унаслідок —/-ефекту карбоксильної групи в молекулі карбонової кислоти відбувається зміщення електронної густини з вуглеводневого залишку, що приводить до появи С—Н-кислотного центру а-атому Карбону:
Виходячи з наведеної будови карбонових кислот, основні їх реакції можна умовно розділити на чотири групи реакцій:
г за участі зв’язку О—Н (кислотні властивості);
>- нуклеофільного заміщення за участі атома Карбону карбоксильної групи;
г заміщення атомів Гідрогену при а-атомі Карбону;
г окиснення та відновлення.
КИСЛОТНІ ВЛАСТИВОСТІ
Кислотні властивості карбонових кислот зумовлені їх здатністю відщеплювати атом Гідрогену карбоксильної групи у вигляді протона.
У водних розчинах карбонові кислоти дисоціюють:
к—с + Н,() к—с + н.о хо—н V
карбонова кислота карбоксилат- гідроксоній-
іон іон
У процесі дисоціації утворюється карбоксилат-іон, в якому обидва атоми Оксигену рівноцінні, а негативний заряд рівномірно делокалізований між ними. Делокалізацію заряду в карбоксилат-іоні можна зобразити у вигляді двох граничних структур або структури з рівними зарядами на атомах Оксигену:
Со Сб~ СГІ/2
К —с'/г <—► К — або К —С\
о~ хс) \г|/2
Унаслідок делокалізації негативного заряду карбоксилат-іон має високу стійкість. А оскільки, як відомо, сила кислоти визначається стійкістю аніона, що утворюється, то карбонові кислоти перевершують за кислотними властивостями спирти і феноли, де можливість делокалізації заряду в аніоні менша.
На силу карбонових кислот також впливають структура вуглеводневого радикала, зв’язаного з карбоксильною групою, і замісники в ньому. Електронодонор-ні замісники збільшують електронну густину в кислотному центрі і тим самим
Глава 24
4;0 -----------------------------------------------------------------------------
дестабілізують карбоксилат-іон, що зрештою призводить до послаблення кислотних властивостей. Електроноакцепторні замісники, навпаки, зміщуючи електронну густину на себе, підвищують стійкість карбоксилат-іона, що приводить до посилення кислотності. У табл. 24.3 наведені константи дисоціації деяких карбонових КИСЛОТ (в ОДИНИЦЯХ рА^).
Таблиця 24.3 Константи дисоціації деяких карбонових кислот у воді (25 °С)
Сполука Назва кислоти РС,
нсоон Мурашина 3,75
СН3СООН Оцтова 4,76
СН3СН2СООН Пропіонова 4,87
СН3(СН2)2СООН Масляна 4,82
СН3(СН2)3СООН Валеріанова 4,86
РСН2СООН Флуороцтова 2,57
С1СН2СООН Хлороцтова 2,85
ВгСН2СООН Бромоцтова 2,90
ІСН2СООН Йодоцтова 3,16
С12СНСООН Дихлороцтова 1,25
С13ССООН Трихлороцтова 0,66
Р3ССООН Трифлуороцтова 0,23
Вплив замісника на кислотні властивості карбонових кислот знижується по мірі віддалення від карбоксильної групи:
« Р т
СН3—СН,—СН—СООН сн,—сн—сн,—СООН СН,—СН,—СН,—СООН
О X । О । X । X
( І СІ СІ
а-\’юромасляна кислота; юромасляна кислота; у-морс>масляна кислота;
Р^=2.М р^а=4.(К> ’ р£„= 4.^2
Утворення солей. Карбонові кислоти при взаємодії з активними металами, основними оксидами, гідроксидами та карбонатами лужних металів утворюють солі:
2СН3—СООН + 2п — *► (СН3— СОО)27п цинк ацетат + Н2І
2СН3—СООН + М§0 — ► (СН3— СОО)2М§ магній ацетат + Н2О
СН3—СООН + N30 Н ► СН3— СООИа натрій ацетат + Н2О
СН3—СООН + №НСО3 — ► СН3—СООИа + СО2І + Н2О
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
411
У назвах солей карбонових кислот найчастіше використовують тривіальні латинські назви кислот. Солі1 мурашиної кислоти називають форміати, оцтової — ацетати, пропіонової — пропіонати, масляної — бутирати, ізомасляної — ізобу-тирати і т. д. За ми, назва аніона утворюється заміною
-ова кислота на суфікс -оат:
СН — СН — СН — СОО№ СН — СН — СН — СН — сн2— ССКЖа натрій бутираг; натрій бутаноат натрій гексаноат
РЕАКЦІЇ НУКЛЕОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ (^)
У результаті електроноакцепторних властивостей атома Оксигену карбонільної групи атом Карбону карбоксильної групи набуває часткового позитивного заряду і стає електрофільним центром, який може бути атакований нуклеофільним ре
агентом:
І N11!
електрофільний центр
У процесі атаки відбувається заміщення гідроксильної групи на нуклеофільну частинку.
Взаємодія зі спиртами (реакція естерифікації). Карбонові кислоти при нагріванні в присутності кислотного каталізатора реагують зі спиртами, утворюючи естери. Ця реакція отримала назву «реакція естерифікації»'.
<0 уО
сн—с^ + н—ОС2Н5 ^5°4 <конц)’' * СН—С^ + Н2О
хон хос2н5
оцтова кислота етанол етилацетат
Реакція естерифікації оборотна. Естер, що утворився, у кислому середовищі піддається гідролізу до вихідних кислоти та спирту. Для зміщення рівноваги вбік утворення естеру або використовують надлишок одного з реагентів (як правило, спирту), або видаляють з реакційного середовища воду. Найлегше естери утворюються з первинних спиртів і нижчих карбонових кислот. Вторинні спирти і вищі кислоти реагують повільніше. Третинні спирти через просторові перешкоди вступають у реакцію естерифікації дуже важко. Крім того, під дією мінеральних кислот третинні спирти легко піддаються внутрішньомолекулярній дегідратації з утворенням алкенів (див. с. 326). Каталітична дія сульфатної кислоти полягає в активуванні молекули карбонової кислоти. Механізм естерифікації можна зобразити такою схемою:
н-г сн—с' » хон /Ь—Н г о—н сн,—с/ ◄—сн3— он \>и ▲ :£ о' 1 О— X
карбокатіон
1 Естери карбонових кислот мають однойменні назви (див. Взаємодія зі спиртами).
Глава 24
412
О—И (>уН
СН,—с —б—С,Н5 <=► СН,—с —о—С?Н,<— >
II <-| -Н2О;-Н+
:ОН Н5+
сн—с'
о— с2н5
Спочатку карбонова кислота протонується по атому Оксигену карбонільної групи, перетворюючись на карбокатіон, який приєднує молекулу спирту. Далі проміжний продукт відщеплює молекулу води і протон (повернення каталізатора), перетворюючись при цьому в естер.
Взаємодія з галогенуючими реагентами (РСІ3, РС15, РВг3, РВг5, 8ОС12). При дії на карбонові кислоти фосфор(ІІІ), фосфор(У) галогенідів, тіонілхлориду або інших галогенуючих реагентів утворюються галогенангідриди карбонових кислот:
/>
сн—с
хон
Ю
РСІ, #
—► сн— с' + Н3РО3
СІ
о
СН— С\ + Р0С13 + неї хсі
/О
80С1, #
----сн—с' + 8О2і + НСИ хсі
ацетилхлорид; хлорангідрид оцтової кислоти
Для добування хлорангідридів частіше використовують тіонілхлорид, тому що в цьому випадку утворюються газоподібні побічні продукти.
Галогенангідриди карбонових кислот — досить реакційноздатні речовини, які дуже поширені в органічному синтезі.
Утворення ангідридів кислот. Карбонові кислоти при нагріванні в присутності водовіднімаючих засобів фосфор(У) оксиду Р2О5 або трифлуороцтового ангідриду (СР3СО)2О піддаються міжмолекулярній дегідратації з утворенням ангідридів:
СН— С' хон ОН сн3-с(
р,о5
-Н3РО4 *
СН—С
СН—С
оцтовий ангідрид
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
413
Взаємодія з амоніаком і амінами. При обробці карбонових кислот амоніаком, первинними або вторинними амінами утворюються амонієві солі, які при нагріванні в сухому вигляді (піроліз) відщеплюють воду і перетворюються в аміди:
снз— С\ + N4 хон
сн—с
ойн4
амоній ацетат
200 С
- н2о
СН—С'
хмн
ацетамід
Через жорсткі умови перебігу реакції цей метод утворення амідів рідко використовують з препаративною метою.
ЗАМІЩЕННЯ АТОМІВ ГІДРОГЕНУ ПРИ а-АТОМІ КАРБОНУ
Завдяки електроноакцепторним властивостям карбоксильної групи (-/-ефект) атоми Гідрогену при а-атомі Карбону набувають рухливості. Так, при обробці карбонових кислот хлором або бромом у присутності каталізатора РС13 або РВг3 атоми Гідрогену при а-атомі Карбону заміщуються на атом галогену:
а РВг, а
СН3—СН—СООН + Вг, --------------СН3—СН—СООН + НВг
3 І 2 3 І
Н Вг
пропіонова кислота а-бромопропіонова кислота
Ця реакція відома як реакція Гелля—Фольгарда—ведійського. При наявності в а-положенні двох атомів Гідрогену заміщенню може піддаватися один або обидва атоми Гідрогену. Реакція проходить через стадію утворення галогенангідридів кислот, які галогенуються значно легше, ніж самі кислоти:
,0
сн—сн—с хон пропіонова кислота
РВг3
сн—сн—с
Вг2
—НВг
пропіонілбромід
сн—сн—с
Вг
НОН
бромангідрид а-бромопропіонової кислоти
сн3— сн—с І \>н
Вг
а-бромопропіонова кислота
ОКИСНЕННЯ ТА ВІДНОВЛЕННЯ
Монокарбонові кислоти, за винятком мурашиної, досить стійкі до дії окисників. Мурашина кислота легко окиснюється КМпО4 та іншими окисниками з утворенням карбонатної (вугільної) кислоти, яка розкладається на карбон(ІУ) оксид і воду:
НСООН СО2і + Н2О
Монокарбонові кислоти залежно від умов відновлюються до альдегідів або первинних спиртів.
Глава 24
414
24.1.5 . ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Мурашина (метанова) кислота НСООН. Безбарвна рідина з різким запахом (т. пл. 8,4°С, т. кип. 100,8°С); розчинна у воді, етанолі, етері. У вільному стані міститься у виділеннях залоз мурах, у кропиві.
Промисловий спосіб добування ґрунтується на взаємодії карбон(ІІ) оксиду з натронним вапном:
СО + МаОН НСОСЖа НСООН
натрій форміат
У зв’язку з особливістю будови (наявність альдегідної групи) мурашина кислота дає позитивну реакцію «срібного дзеркала»’.
альдегідна група
А
Н— С :
4 ОН
МН4ОН
но—с
хон
+ 2А§ І
со? + НОН
При нагріванні з концентрованою сульфатною кислотою мурашина кислота розкладається з утворенням карбон(ІІ) оксиду і води:
нсоон —°4 (К0І"1);' » СО + Н2О
Реакції з амоніачним розчином аргентум оксиду і концентрованою сульфатною кислотою є якісними на мурашину кислоту.
Мурашина кислота широко використовується в органічному синтезі як протрава при фарбуванні текстилю, у бджільництві проти вароатозу, у виробництві пестицидів і т. ін. У медицині мурашину кислоту застосовують у вигляді 1 %-вого спиртового розчину (мурашиний спирт) для розтирання при невралгіях, міозитах тощо.
Оцтова (етанова) кислота СН3СООН. Безбарвна рідина з різким запахом, змішується з водою, етанолом, етером. Безводна («льодяна») оцтова кислота має т. пл. 16°С, т. кип. 118°С.
Оцтова кислота широко застосовується як реагент і розчинник в органічному синтезі, 3—6 %-ві розчини вживають як смакові приправи і консерванти. У великих кількостях оцтову кислоту використовують у виробництві штучних волокон на основі целюлози, а також у синтезі лікарських препаратів (ацетилсаліцилової кислоти (с. 477), фенацетину (с. 366), парацетамолу (с. 365) тощо).
Пропіонова (пропанова) кислота СН3СН2СООН. Безбарвна рідина (т. кип. 141,1 °С), змішується з водою та органічними розчинниками.
Добувають окисненням пропіонового альдегіду. Використовується у виробництві вітамінів, ароматичних речовин, гербіцидів тощо.
Масляна (бутанова) кислота СН3СН2СН2СООН. Безбарвна в’язка рідина з неприємним запахом (т. кип. 163,5°С), розчинна у воді і спирті. У вільному стані міститься у тваринних жирах, згірклому маслі, у поті.
Добувають окисненням 1-бутанолу або масляного альдегіду.
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ ------------------------------------------------------------- 415
Використовується в синтезі пахучих речовин, лікарських засобів, емульгаторів тощо. У вигляді естеру з гліцерином входить до складу коров’ячого масла.
Валеріанова (пентанова) кислота СН3СН2СН2СН2СООН. Рідина (т. кип. 185,4°С), розчинна у воді. Міститься в корені валеріани.
Добувають окисненням амілового спирту. Використовують для одержання ароматизуючих речовин, у виробництві лікарських засобів. 2-Пропілпентанова, або вальпроєва, кислота є протисудомним засобом (знижує збудливість моторних центрів мозку).
Валеріановій кислоті є ізомерною ізовалеріанова кислота (СН3)2СНСН2СООН, що міститься у вільному стані та у вигляді естеру в коренях валеріани. Є вихідною речовиною в промисловому синтезі незамінної а-амінокислоти £-валіну. Використовують для виробництва групи лікарських препаратів {бромізовалу, валідолу, корвалолу, валокордину тощо).
24.2. НЕНАСИЧЕНІ МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Ненасиченими монокарбоновими кислотами називають монокарбонові кислоти, що містять у вуглеводневому радикалі кратний зв ’язок.
ТА.1Л. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
У номенклатурі ненасичених кислот широко застосовуються тривіальні назви. За ні пісниковою номенклатурою ШРАС назви ненасичених кислот утворюють аналогічно насиченим, використовуючи суфікс -єн (-єн) для позначення подвійного і суфікс -ин (-ін) для позначення потрійного зв’язку, із указівкою положення кратного зв’язку у вуглецевому ланцюзі. Назви деяких ненасичених монокарбонових кислот наведені в табл. 24.4.
Залежно від положення кратного зв’язку відносно карбоксильної групи розрізняють аД-; р,у-; у,8- та інші ненасичені кислоти:
н2с=сн—соон н2с=сн—сн2— соон
а,р-ненасичена кислота р,у-ненасичена кислота
Для ненасичених монокарбонових кислот характерна структурна томсрт, зумовлена різною структурою вуглеводневого радикала та положенням кратного зв’язку, а також геометрична іюмерт, пов’язана з різним розташуванням замісників відносно площини подвійного зв’язку.
24.2.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Для добування ненасичених монокарбонових кислот, використовуючи як вихідні речовини ненасичені сполуки, можна застосувати багато методів синтезу насичених карбонових кислот: окиснення за м’яких умов ненасичених первинних спиртів та альдегідів, гідроліз нітрилів тощо. Крім того, існують специфічні
ті.
Гідрокарбонілювання алкінів (реакція Реппе). У присутності карбонілів металів алкіни взаємодіють з карбон(ІІ) оксидом у водному середовищі з утворенням а, р-ненасичених монокарбонових кислот:
Глава 24
416
Таблиця 24.4
Назви ненасичених монокарбонових кислот
Сполука Назва кислоти за номенклатурою
тривіальною замісниковою
Н2С=СН —СООН Акрилова Пропенова
н,с=с—СООН 2 1 сн3 Метакрилова 2-Метилпропенова
н2с= сн—СН2— СООН Вінілоцтова З-Бутенова
СН,\ /Н с = с IIх чсоон Кротонова /7//;с///с-2-Бутенова
Ік /Н /С=с; сн/ хсоон Ізокротонова щ/с-2-Бутенова
нс=с —СООН Пропіолова Пропінова
сн3— с=с-СООН Тетролова 2-Бутинова
Н\ /(СН2)7СН3 с II с НХ Х(СН2)7СООН Олеїнова ф/с-9-Октадеценова
СН3(СН2)4Х /II с II с нч /СН2 хн с II /с\ нх Х(СН2)7СООН Лінолева цис-9- цис-12-Октадека-дієнова
Нх /СН2СН3 с II с ІГ ХСН2Ч /Н с II с Н\ /СН2 хн с с НХ Х(СН2)7СООН Ліноленова цис-9-цис-12- цис-15 -Окта-декатриєнова
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
417
НС=СН + СО + нон —-СО)4 ► н2с=сн — СООН
ацетилен акрилова кислота
Елімінування 0-галогено- і Р-гідроксикарбонових кислот. [З-Галогенокарбонові кислоти при нагріванні з водою відщеплюють галогеноводень і перетворюються в а, Р-ненасичені кислоти:
З “ ,
СН,—СН—СООН ——► Н,С=СН —СООН
| 2 2 —неї 2
СІ
(З-хлоропропіонова кислота акрилова кислота
Р-Гідроксикарбонові кислоти при нагріванні відщеплюють молекулу води і перетворюються в а,р-ненасичені кислоти:
0 а
СН,—сн,—СООН ——► н,с=сн — СООН
| 2 2 -н,о 2
ОН
р-гідроксипропіонова кислота акрилова кислота
24.2.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За звичайних умов ненасичені монокарбонові кислоти — це безбарвні рідини або кристалічні речовини. Нижчі представники добре розчинні у воді, мають різкий подразливий запах. Зі збільшенням молекулярної маси кислоти її розчинність у воді зменшується. Вищі ненасичені кислоти нерозчинні у воді і добре розчиняються в органічних розчинниках.
24.2.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність ненасичених монокарбонових кислот зумовлена наявністю в їх структурі карбоксильної групи і кратного зв’язку.
За рахунок карбоксильної групи ненасичені кислоти вступають у реакції, характерні для насичених кислот, зокрема вони утворюють солі, галогенангідриди, ангідриди, естери, аміди (див. с. 408—413). По кратному зв’язку у вуглеводневому радикалі ненасичені кислоти виявляють властивості алкенів (алкінів). Так, для них характерні реакції приєднання, окиснення і полімеризації (див. розд. 10.5 і 12.4).
Проте приєднання галогеноводнів до а,|3-ненасичених кислот відбувається всупереч правилу Марковникова, що пояснюється електроноакцепторним впливом карбоксильної групи (-/-і —М-ефекти):
. гч
н2с=сн—с
'•.8+ 8-
Н—Вг
ОН
акрилова кислота
енол
н,с—сн,—с І
Вг
хон
р-бромопропіонова кислота
Глава 24
Л8 ----------------------------------------------------------------------
а„Р-Ненасичені кислоти, особливо з потрійним зв’язком, сильніші кислоти порівняно з відповідними насиченими. Це пояснюється підвищенням стійкості аніона, що утворюється, за рахунок делокалізації заряду по кон’югованій системі. Нижче для порівняння наведені значення рЛ^ у воді (при 25 °С) деяких ненасичених карбонових кислот і пропіонової кислоти:
Н2С = СН —СООН СН— С=С — СООН
акрилова кислота тетролова кислота
рКа = І РК„ = З.М)
не=с—соон сн — сн—соон
пропіолова кислота пропіонова кислота
рХ„=І.Х-І рХ„ = 4.Х7
24.2.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Акрилова (пропенова) кислота Н2С=СН—СООН. Безбарвна рідина з різким запахом (т. пл. 13°С, т. кип. 141 °С), добре розчиняється у воді. Акрилова кислота легко полімеризується з утворенням поліакрилової кислоти. Важливе практичне значення мають полімери на основі естерів акрилової кислоти (поліакрилатиу.
п н2с = сн —с хов.
—н,с—сн---
1^0 с^ ок
поліакрилат
У медицині поліакрилати використовують у виготовленні зубних протезів.
Метакрилова (2-метилпропенова) кислота. Безбарвна рі-ц С=С_____СООН Дина (т- кип- 160,5°С). Легко полімеризується. Важливе зна-
2 | чення має метиловий естер метакрилової кислоти, поліме-
СН3 ризацією якого добувають поліметилметакрилат — органічне
скло (плексиглас):
сн3
п Н2С = С — СООСН3 —► сн3
метилметакрилат
—н,с—с-----------
и°
^осн^
поліметилметакрилат
Н2С=СН— (СН2)Я— соон 2 ' 2' О
10-Ундеценова (ундециленова) кислота. Протигрибковий засіб. Кислота та її цинкова сіль входять до складу антимікотичних препаратів (мікосептин, ундецин тощо).
гн \ ги-гн/гц \ тон Олеїнова (цис-9-октадеценова) кислота. сн3^п2)7сн Безбарвна масляниста рідина без смаку і за-
паху. У вигляді естерів гліцерину входить до складу рослинних олій, особливо маслинової, мигдальної і соняшникової. Олеїнова кислота є ^ис-ізомером. При дії нітритної кислоти або УФ-опромінюванні олеїнова кислота ізомерується в елаїци-нову кислоту, яка є /пдаяс-ізомером:
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
419
не-(СН2)7-сн3
НС—(СН2)7—СООН
олеїнова кислота
нхо. СН-(СН2)-СН --'—* II
НС—(СН2)7—СООН
ела'шинова кислота
Суміш етилових естерів олеїнової (-15%), лінолевої (-15%) і ліноленової (-57%) кислот уходить до складу лікарського препарату «Лінетол», який слугує в медицині для профілактики і лікування гіпертонії та атеросклерозу, а також при опіках і променевій хворобі.
24.3. АРОМАТИЧНІ МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Ароматичними карбоновими (аренкарбоновими) кислотами називають органічні кислоти, в яких карбоксильна група безпосередньо сполучена з ароматичним ядром.
Найпростішим представником аренкарбонових кислот є бензойна кислота. За номенклатурними правилами ШРАС гомологи цього ряду розглядаються як похідні бензойної кислоти:
СООН
бензойна кислота
3-етилбензойна кислота
Метилбензойні кислоти мають тривіальну назву «толуїлові кислоти»-.
о-толуїлова кислота л/-толуїлова кислота
сн3
ф
СООН
и-толуїлова кислота
Назви карбонових кислот нафталенового, антраценового, фенантренового та інших рядів утворюються від назви відповідного вуглеводню і суфікса -карбонова кислота.
СООН
СООН
з
2-нафталенкарбонова кислота
З-метил-1-нафталенкарбонова кислота
Карбонові кислоти, в яких карбоксильна група розміщена в боковому вуглецевому ланцюзі ароматичного вуглеводню, розглядають як похідні кислот аліфатичного ряду:
Глава 24
420
СН—СООН
ш/?<7//оЗ-фенілпропенова кислота; £-3-фенілпропенова кислота;
корична кислота
фенілоцтова кислота; фенілетанова кислота
24.3.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Ароматичні карбонові кислоти можна добувати тими ж способами, що й аліфатичні.
Окиснення алкіларенів. Цей метод — один з найбільш часто вживаних для добування аренкарбонових кислот. Окисненню піддають переважно метиларени. Як окисники зазвичай використовують КМпО4, СгО3 або кисень у присутності солей Кобальту і Мангану:
[О]
сйн$—сн, _нп » СЙН5— СООН о □ і о З
толуен бензойна кислота
Гідроліз тригалогенопохідних ароматичних вуглеводнів. Ароматичні тригало-геновуглеводні, що містять атоми галогену при одному атомі Карбону, при нагріванні з водним розчином лугу піддаються гідролізу, утворюючи аренкарбонові кислоти:
СС13
+ ЗМаОН
СООН
+ ЗМаСІ + Н2О
трихлорометилбензен
бензойна кислота
Гідроліз нітрилів. У водних розчинах кислот та лугів нітрили гідролізуються з утворенням карбонових кислот:
С6Н-СООН
бензонітрил бензойна кислота
24.3.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Ароматичні монокарбонові кислоти — безбарвні кристалічні речовини, деякі з них мають слабкий приємний запах. Нижчі гомологи малорозчинні у воді і переганяються з водяною парою. Аренкарбонові кислоти добре розчиняються в етанолі та етері.
24.3.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність аренмонокарбонових кислот зумовлена наявністю в їх структурі карбоксильної групи та ароматичного ядра.
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
421
По карбоксильній групі для них характерні реакції, властиві насиченим моно-карбоновим кислотам (див. с. 408—413): утворення солей, галогенангідридів, ангідридів, естерів тощо.
ОД-С
О№
натрій бензоат
с6н-с
ОС2Н5
етилбензоат
с6н-с
СІ
бензоїлхлорид
с,н— о О з К
о
с6н- С о ангідрид бензойної кислоти
За кислотністю ароматичні монокарбонові кислоти перевищують насичені і ненасичені монокарбонові кислоти аліфатичного ряду, що пов’язано з підвищенням стійкості аніона за рахунок делокалізації заряду по кон’югованій системі бензеного кільця. Нижче наведені значення рКа деяких кислот у воді (при 25 °С):
бензойна и-метилбензойна кислота кислота
р£а = 4,І8 р^й = 4,37
а-нафталенкарбонова
кислота Р^ = <70
0-нафталенкарбонова кислота р^ = 4,І6
корична кислота рХ^ = 4.44
У міру віддалення ароматичного ядра від карбоксильної групи кислотність зменшується.
При нагріванні аренкарбонових кислот у присутності мідного порошку або солей Купруму понад 200 °С відбувається декарбоксилювання:
СООН
+ СО2і
За рахунок ароматичного кільця аренмонокарбонові кислоти вступають у реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування, галогенування), властиві
Глава 24
?22
ароматичним вуглеводням (див. розд. 14.5.1). Карбоксильна група, виявляючи -І- та —Л/-ефекти, дезактивує ароматичне кільце стосовно електрофільних реагентів, тому реакції електрофільного заміщення проходять значно важче, ніж для незаміщених аренів. Будучи замісником II роду, карбоксильна група спрямовує заміщення в л/е/иа-положення:
НТЧО3 (конц.); Н28О4 (конц.)
—Н2О
СООН
Н28О4 (конц.)
—н2о
бензойна кислота
Вг2; ЕеВг
—НВг
СООН
л<-нітробензойна кислота
СООН
8О3Н л<-сульфобензойна кислота
СООН
лг-бромобензойна кислота
24.3.4. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
С н___СООН Бензойна кислота. Біла кристалічна речовина (т. пл. 122°С),
6 5 легко сублімується, погано розчиняється у воді, добре — у етанолі
і бензені. У вигляді естерів міститься в деяких природних оліях, наприклад у гвоздиковій; у вигляді бензилового естеру входить до складу перуанського бальзаму.
Бензойну кислоту використовують як вихідну речовину у виробництві барвників, ароматичних речовин, лікарських засобів; у медицині — як антисептичний і протигрибковий засіб. Натрієва сіль бензойної кислоти (натрій бензоат) застосовується як відхаркувальний засіб при бронхітах.
Є ____сн____СООН Фенілоцтова кислота. Біла кристалічна речовина (т. пл.
6 5 2 77°С). Завдяки наявності активованої метиленової групи
легко вступає в реакції конденсації з альдегідами, кетонами, ангідридами кислот тощо.
Використовують в органічному синтезі для добування пахучих речовин і лікарських засобів.
(2 Н__СН=СН______СООН Корична (/и^анс-3-фенілпропенова) кислота. Біла
6 5 кристалічна речовина (т. пл. 133°С). Міститься у ви-
гляді естерів в ефірних оліях, смолах, бальзамах.
Використовують у синтезі пахучих речовин та лікарських засобів.
КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. МОНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
423
24.4. ІДЕЙ" ' н МОНОКАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Ідентифікація карбонових кислот за допомогою хімічних методів ґрунтується на особливостях хімічної поведінки карбоксильної групи, зокрема на здатності утворювати важкорозчинні солі з важкими металами (Ре, А§, Си тощо), а також похідні (аміди, естери), що досить легко ідентифікуються.
При дії карбонових кислот на гідрокарбонати лужних металів виділяється карбон(ІУ) оксид, що утворює з баритовою водою білий осад ВаСО3.
Для ідентифікації ненасичених карбонових кислот використовують також реакційну здатність кратного зв’язку (знебарвлення розчину калій перманганату, а також бромної води або розчину брому в тетрахлорометані).
Ароматичні карбонові кислоти можна виявити за утворенням забарвлених продуктів заміщення, утворених за участі бензенового ядра.
УФ-спектри для аліфатичних монокарбонових кислот малопоказові, тому що останні поглинають в ділянці нижче 220 нм. Для ароматичних кислот характерне зміщення смуги «бензенового поглинання» (близько 260 нм) убік більш довгих хвиль (за рахунок подовження ланцюга кон’югації).
У ІЧ-спекграх карбонових кислот для карбоксильної групи характерні дві смуги поглинання: в ділянці 3300—2500 см-1 (уон для асоційованих молекул) і 1720—1700 см-1 (ус=0). Ділянка валентних коливань ОН-групи перекривається з валентними коливаннями СН-груп (близько 3000 см-1). Для ароматичних кислот характерним є поглинання ароматичного ядра.
Ідентифікацію карбонових кислот за допомогою мас-спектрометрії використовують рідко. Для цього їх переводять у леткі естери, які дають досить виразний пік молекулярного іона:
К—С' К—С'----------К—С=О
°К' ОК ------[СООК]+
ПМР-Спекгри карбонових кислот характеризуються сигналом протона карбоксильної групи, розташованого у слабкому полі (5 = 10... 13 млн-1).
Глава 25
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Дикарбоновими кислотами називають похідні вуглеводнів, які містять у своєму складі дві карбоксильні групи.
25.1. НАСИЧЕНІ ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Насиченими дикарбоновими кислотами називають похідні насичених вуглеводнів, які містять у своєму складі дві карбоксильні групи.
25.1.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
У номенклатурі дикарбонових кислот широко застосовують тривіальні назви. За замісниковою номенклатурою ШРАС назви дикарбонових кислот утворюють від назв родоначального вуглеводню з додаванням суфікса -діова кислота.
У табл. 25.1 наведені назви найважливіших представників дикарбонових кислот.
Таблиця 25.1
Назви дикарбонових кислот
Сполука Назва кислоти за номенклатурою
тривіальною замісниковою
НООС—СООН Щавлева (оксалатна) Етандіова
НООС—СН2—СООН Малонова Пропандіова
НООССН(СН3)СООН Метилмалонова Метилпропандіова
1ЮОС(СН2)2СООН Бурштинова Бутандіова
НООС(СН2)3СООН Глутарова Пентандіова
НООС(СН2)4СООН Адипінова Гександіова
НООС(СН2)5СООН Пімелінова Гептандіова
НООС(СН2)6СООН Коркова (суберова) Октандіова
Ізомерія дикарбонових кислот зумовлена різною структурою вуглецевого скелета молекули.
25.1.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Дикарбонові кислоти можна добувати тими ж методами, що і монокарбонові. Як вихідні речовини використовують відповідні біфункціональні сполуки.
Окиснення двопервинних гліколів, діальдегідів і гідроксикислот:
сн,—сн,—сн, ,нп>
। | 2гі2С>
ОН он
НООС —СН—СООН
1,3-пропандіол
малонова кислота
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
425
С—С
[О]
гліоксаль
СН—СН—СООН
он
[О]
-н2о *
р-гідроксипропіонова кислота
ноос—соон
щавлева кислота
ноос—сн—соон
малонова кислота
Гідроліз динітрилів:
N=0—СН,—СН,—С=И Н°Н; н"
2 2 -мн.он
НООС —СН—СН2—СООН
бурштинова кислота
сукцинодинітрил
25.1.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Дикарбонові кислоти — білі кристалічні речовини, добре розчинні у воді. Температури плавлення кислот з парною кількістю атомів Карбону вищі за температури плавлення найближчих гомологічних кислот з непарною кількістю атомів Карбону.
25.1.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Дикарбонові кислоти завдяки наявності двох карбоксильних груп дисоціюють ступінчасто, утворюючи аніон (рКаі) і діаніон (рА^,):
Р^,і _ _ рХ,,,
ноос—СООН < ноос—соо < » оос—соо
—н1 . -н
аніон діаніон
На першій стадії дикарбонові кислоти мають сильніші кислотні властивості, ніж монокарбонові кислоти з аналогічною кількістю атомів Карбону. Це зумовлено взаємним впливом карбоксильних груп (-/-ефект). Друга карбоксильна група, завдяки електроноакцепторним властивостям, сприяє делокалізації заряду аніона і тим самим підвищує його стійкість. У міру віддалення карбоксильних груп одна від одної їх взаємний вплив зменшується, унаслідок чого кислотність на першій стадії знижується.
Відрив протона від другої карбоксильної групи відбувається значно важче через низьку стабільність діаніона. Тому на другій стадії кислотність дикарбонових кислот значно нижча, ніж на першій, особливо для щавлевої та малонової. Нижче наведено значення рКа (у Н20) для деяких дикарбонових кислот:
соон /СООН сн2— соон
1 н,с' 1
соон 4 соон сн2— соон
щавлева малонова бурштинова
кислота кислота кислота
РХ»1 = 1,27 РАН = 2,87 рХ„,= ' 'І
Р*;,2 = 4.27 рХ„2 = 5.70 РХ<(2 = '• 1
/СН,—СООН СН,—СН,—СООН
н,с^ 2 І 2 2
чсн2—соон сн—сн2—соон
глутарова адипінова
кислота кислота
РХОІ=4.34 рх„ =
рХ.,2 = 5.27 РХ„2 =
За хімічними властивостями дикарбонові кислоти подібні до монокарбонових. Вони утворюють однакові функціональні похідні, з тією лише різницею, що ре-
Глава 25 426 -------------------------------------------------------------
акції можуть проходити за участі як однієї, так і обох карбоксильних груп. Вони утворюють:
нейтральні та кислі солі [МООС—(СН2)Й—СООМ, НООС—(СН2)Й—СООМ]; повні та неповні естери [ГЮОС—(СН2)Й—СООН, НООС—(СН2)Й—СООК]; повні та неповні галогенангідриди [НаЮС—(СН2)Й—СОНаІ,
НООС—(СН2)Й—СО Наї];
повні та неповні аміди [ Н, N ОС—(СН2)„—СО N Н 2, НООС—(СН2)Й—СО N Н 2].
Дикарбонові кислоти виявляють і низку специфічних властивостей, зокрема по-різному реагують на нагрівання, деякі — здатні утворювати циклічні іміди.
Нагрівання дикарбонових кислот. Щавлева і малонова кислоти при нагріванні вище від температур плавлення піддаються декарбоксилюванню (відщеплюють СО2) по одній карбоксильній групі і перетворюються в монокарбонові кислоти — мурашину та оцтову відповідно:
НООС —СООН 200 °С » Н—СООН + СО2І
щавлева кислота мурашина кислота
НООС —сн — СООН — с» снз—СООН + со2г
малонова кислота оцтова кислота
Аналогічно поводяться при нагріванні моно- і діалкілзаміщені малонові кислоти:
К' н—оос—с—СООН к
/СН—СООН + со2і к
Наступні два представники гомологічного ряду дикарбонових кислот при нагріванні утворюють циклічні ангідриди:
н2с^0_н
тт Н
ч
бурштинова кислота
300 °С
------►
Н2С
Н2С
+ Н2О
бурштиновий ангідрид
/СН2-С^
не О-Н
2\ ,о —н хсн2—с^
о
глутарова кислота
/7° /СН2-с( н2с о хсн2—с< о
+ Н2О
глутаровий ангідрид
Адипінова кислота при нагріванні до 300 °С перетворюється в циклічний кетон — циклопентанон:
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
427
сн,—сн,—
І хо-н
І /О —н
сн,—сн,—с^ \) адипінова кислота
н,с
І н2с
— СН,
/с=0 ^сн2
циклопе нтанон
+ н2о + сол
Утворення імідів. При нагріванні бурштинової і глутарової кислот або їх ангідридів з амоніаком утворюються циклічні іміди:
Н2^ ""'ОН
тт Г /0Н
ч о
бурштинова кислота
+ ИН3
бурштиновий ангідрид
Н2С"с\
| КН + 2Н2О н2с^/
ч
сукцинімід
о
N4+ Н2О
О
25.1.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Щавлева (оксалатна) кислота НООС—СООН. Біла кристалічна речовина (т. пл. 189°С), легко розчиняється у воді і спиртах. Міститься у вигляді солей у багатьох рослинах (щавель, ревінь тощо). Солі та естери щавлевої кислоти називають оксалатами. Кристали кальцій оксалату важкорозчинні у воді і можуть відкладатися при патологічних станах у нирках у вигляді каменів (нирковокам’яна хвороба).
У промисловості щавлеву кислоту одержують з натрій форміату:
2НСООМа 400 °С СООИа СООМа 2нсі » СООН -ЖаС1 СООН
-н2 *
натрій форміат натрій оксалат щавлева кислота
Специфічними реакціями щавлевої кислоти є розкладання концентрованою сульфатною кислотою й окиснення.
При нагріванні з концентрованою сульфатною кислотою щавлева кислота розкладається з утворенням карбон(ІІ) оксиду, карбон(ІУ) оксиду і води.
ноос—соон н2$0* (конц->; \ со! + С02| + н2о
При окисненні щавлева кислота утворює карбон(ІУ) оксид і воду:
НООС —СООН - [0] » 2СОЛ + Н2О
Глава 25
428
Цією реакцією користуються в аналітичній практиці (кількісному аналізі) для встановлення титру КМпО4:
5НООС—СООН + 2КМпО4 + ЗН28О4 = 10СО2 + К28О4 + 2Мп8О4 + 8Н2О
Якісною реакцією для виявлення щавлевої кислоти та її розчинних солей є утворення нерозчинної солі кальцій оксалату:
Оч ОИа
V
І + СаС12
/С\
СГ Х0Ка
О
+ 2№С1
В аналітичній практиці цією реакцію користуються також для виявлення іонів Са2+.
Щавлеву кислоту використовують для очищення металів від іржі та накипу, як протраву — у шкіряному виробництві, а також у синтезі брильянтового зеленого (див. с. 233).
Малонова кислота НООС—СН2—СООН. Біла кристалічна речовина (т. пл. 135 °С), розчинна у воді, етанолі, етері. Міститься в соку цукрового буряка. Уперше була одержана при окисному декарбоксилюванні яблучної кислоти:
ноос—сн—сн—соон 101 » НООС—СН—СООН + СО21 + Н2О
он
яблучна кислота малонова кислота
Нині малонову кислоту добувають гідролізом ціаноцтової кислоти:
2 N = С — СН2— СООН 2^н4)НД°4 » 2 НООС — СН—СООН
ціаноцтова кислота
Солі та естери малонової кислоти називають малонатами.
Н8+
н—ох І хо—н
Н5+
Унаслідок електроноакцепторного впливу карбоксильних груп у молекулі малонової кислоти атоми Гідрогену метиленової групи набувають рухливості {СМ-кислотність). Тому в присутності основ малонова кислота здатна утворювати не тільки діаніон за участі обох карбоксильних груп, але і частково — трианіон завдяки іонізації активної метиленової групи. За участі метиленової групи мало-нова кислота в присутності основ вступає в реакцію конденсації з альдегідами та кетонами, які не містять атома Гідрогену при атомі Карбону в а-положенні {конденсація Кневенагеля). Унаслідок реакції утворюються ненасичені монокарбонові кислоти:
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
429
Н\ /СООН лС нх хсоон
он~
-11,0
сн=с
СООН
СООН
бензальдегід малонова кислота бензиліденмалонова кислота
СН=СН—СООН
корична кислота
Важливою похідною малонової кислоти є її діетиловий естер, що отримав назву «шалоновий естер».
^С-<-СН2->С\ С2Н5ОХ ХОС2Н5
У молекулі малонового естеру, як і в молекулі відповідної кислоти, є активна метиленова група, завдяки якій він вступає в різні реакції заміщення. Малиновий естер використовують в органічному синтезі для добування моно- і дикарбонових кислот. Так, при дії на малиновий естер натрій алкоголяту атом Гідрогену метиленової групи заміщується і утворюється натріймалоновий естер, в якому аніон дуже стійкий унаслідок делокалізації заряду за рахунок карбоксильних груп:
С^с — ОС2Н5
Н^сСн
ОС2Н5
С2Н5О№+^
-с2н5он *
^С- ОС2Н СН
<>С-ОС2Н
№+
діетилмалонат
натріймалоновий естер
Натріймалоновий естер легко алкілюється, ацилюється та реагує з іншими електрофільними реагентами. При алкілюванні утворюється алкілмалоновий естер, який в процесі гідролізу перетворюється на алкілмалонову кислоту. Алкілма-лонові кислоти легко декарбоксилюються з утворенням карбонових кислот:
СООС2Н5
тСН
СООС2Н5
N3'
соос2щ
сн,і /
сн-сн
СООС2Н5
Н20; н+
-гс2н5он *
натріймалоновий естер
метилмалоновий естер
^сойн сн —сн
СООН
----►
-со2
метилмалонова кислота
СН — СН—СООН
пропіонова кислота
За аналогічною схемою і другий атом Гідрогену метиленової групи в малоно-вому естері можна послідовно замінити алкільною групою:
Глава 25
430
хсоос2н5 “СН
СООС2Н5
Иа+
СН3І
-N31
ХСООС2Н5 сн— сн
СООС2Н5
С2Н5ОКа+
-с2н5он
натріймалоновий естер
метилмалоновий естер
ХСООС2Н5 СН—с СООС2Н5 №+ СН;І СН3\ х Сх сн; ,СООС2Н5 Н2О; Н+
-ИаІ чсоос2н5 —2С2Н5ОН
натрійметилмалоновий естер
диметилмалоновий естер
СНЗХ ^соон С ......
сн/ 4 соон
диметилмалонова кислота
С* сн3—сн—соон І сн3 ізомасляна кислота
При дії на натріймалоновий естер естерів а-галогенокарбонових кислот утворюються дикарбонові кислоти:
/СООС2Н5 “СН
СООС2Н5
№+
натріймалоновий естер
+ СН,— СН— СООС,Н,
З । — з
СІ
етиловий естер а-хлоропропіонової кислоти
ХСООС2Н5
—► С2Н5ООС —СН —сн
І соос,н,
ІЛі, х □
Н2О; Н ---—-----► -зс2н5он
^СОО—Н
—► ноос—сн —сн ' >
І \ С02
' соон
ноос—сн — сн2— соон
сн3
метилбурштинова кислота
Малоновий естер широко використовують у синтезі гетероциклічних сполук і лікарських препаратів (див. піримідин, с. 595).
Бурштинова кислота НООС—СН2—СН2—СООН. Біла кристалічна речовина (т. пл. 185 °С), розчинна у воді та етанолі. Уперше виділена з продуктів перегонки бурштину, звідки й отримала свою назву.
У промисловості бурштинову кислоту одержують каталітичним гідруванням малеїнової кислоти:
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
431
НС—-0_н нс^/О-н ч малеїнова кислота
Н2; N1
бурштинова кислота
Солі і естери бурштинової кислоти називають сукцинатами.
Бурштинову кислота, її естери та імід широко використовують в органічному синтезі.
Адипінова кислота НООС(СН2)4СООН. Біла кристалічна речовина (т. пл. 152°С), малорозчинна у воді. Солі та естери адипінової кислоти називають адипінатами. Використовується переважно у виробництві синтетичного волокна — найлону. Входить до складу протиглисного засобу — піперазину адипінату (див. с. 601). Використовують її також у харчовій промисловості та органічному синтезі.
25.2. НЕНАСИЧЕНІ ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Ненасиченими дикарбоновими кислотами називають сполуки, які містять у своєму складі дві карбоксильні групи і кратний вуглець-вуглецевий зв ’язок.
Найпростіші представники ненасичених дикарбонових кислот — малеїнова і фумарова кислоти, які являють собою геометричні ізомери бутендіової кислоти НООС—СН=СН—СООН. Малеїнова кислота — це цис-, а фумарова — транс-ізомер:
Н Н
/С=С\ НООС СООН
малеїнова кислота;
-бутендіова кислота
ноос н
/с=с\ II соон
фумарова кислота;
трат -бутендіова кислота
25.2.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Малеїнову кислоту добувають шляхом дегідратації яблучної кислоти при температурі 250 °С. Спочатку в цих умовах утворюється малеїновий ангідрид, який у результаті подальшої гідратації перетворюється в малеїнову кислоту:
но-сн-сС°н сн2-сС°н
—2Н2О
нс^ II нс^
яблучна кислота
малеїновий ангідрид
но НС—СООН
НС—соон
малеїнова кислота
У промисловості малеїнову кислоту виробляють гідратацією малеїнового ангідриду — продукту каталітичного окиснення бензену або 2-бутену киснем повітря:
Глава 25
О2 повітря; У2О5; 400—450 С
-2СО2; -2Н2О
сн3— сн=сн—сн3
О2 повітря; У?()^; 400 °С
-зн2о
II 5 не./
Н2О
НС—СООН
НС—СООН
малеїновий ангідрид
Фумарова кислота, на відміну від малеїнової, зустрічається в багатьох рослинах. Синтетично її можна добути конденсацією гліоксилової та малонової кислот за Кневенагелем:
О Нх /СООН
НООС — + С
Н НХ 4СООН
он -----►
- н,о
/СОО—н
НООС—сн=с
4 СООН
-со2*
гліоксилова кислота
малонова кислота
НООС Н
/с=с\
Н 4СООН
фумарова кислота
У промисловості фумарову кислоту одержують термічною ізомеризацією малеїнової кислоти:
Н Н
/С=С\ ноос х СООН
малеїнова кислота
НООС „ Н
150 °С \ /
---► /С=С\
нх 4СООН
фумарова кислота
25.2.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Малеїнова кислота — біла кристалічна речовина (т. пл. 131 °С), легко розчиняється у воді і спиртах. Фумарова кислота — біла кристалічна речовина, зазвичай сублімується без плавлення в запаяному капілярі (т. пл. 287°С). Фумарова кислота на відміну від малеїнової важко розчиняється у воді.
25.2.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Ненасичені дикарбонові кислоти виявляють більш виражені кислотні властивості порівняно з насиченими, оскільки взаємний вплив двох карбоксильних груп передається по кон’югованій системі л-зв’язків ефективніше. Малеїнова кислота значно сильніша від фумарової: значення рКа у воді для малеїнової кислоти дорівнюють рХа1 = 1,92; рКа2 = 6,23, для фумарової — відповідно рКа1 = 3,02; рКа2 = 4,32. Підвищена кислотність малеїнової кислоти на першій стадії і низька кислотність на другій — зумовлені внутрішньомолекулярною взаємодією іонізованої і неіонізованої карбоксильних груп (утворення внутрішньомолекулярного водневого зв’язку).
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
433
О
Завдяки утворенню водневого зв’язку, з одного боку, підвищується стійкість аніона, а з іншого — ускладнюється відщеплення протона від другої карбоксильної групи.
Реакційна здатність ненасичених дикарбонових кислот зумовлена наявністю в їхній структурі двох карбоксильних груп і кратного зв’язку. За участі кратного зв’язку можливі реакції приєднання. Так, при гідруванні малеїнової і фумарової кислот утворюється бурштинова кислота, при галогенуванні — дигалогенобурш-тинова кислота, приєднання галогеноводнів приводить до утворення моногало-генобурштинових кислот, приєднання води в присутності мінеральних кислот дає гідроксибурштинову (яблучну) кислоту. При окисненні калій перманганатом утворюється виноградна (мезовинна) кислота:
СООН
сн
II сн
соон
бутендіова кислота
-----—► ноос—сн2—сн2—соон
бурштинова кислота
Вг2
-------► ноос — сн — сн—соон
Вг Вг
2,3-дибромобурштинова кислота
НС1
--------► ноос—сн—сн,—соон
І
СІ
хлоробурштинова кислота
Н2О; Н+
--------► ноос—сн—сн2— соон
І он яблучна кислота [О]; КМпО4 --------► ноос — сн — сн—соон
он он
виноградна кислота
Ненасичені дикарбонові кислоти по карбоксильних групах утворюють кислі та середні солі, неповні та повні естери, неповні та повні аміди.
Малеїнова кислота при нагріванні легко піддається внутрішньомолекулярній дегідратації і утворює циклічний ангідрид:
Глава 25
434
с7/ нс-с^0_н нс_/О-н ч
малеїнова кислота
не
НС
малеїновий ангідрид
Фумарова кислота через віддаленість карбоксильних груп у просторі ангідриду не утворює.
Малеїнова кислота, будучи і<ис-ізомером, більш лабільна, ніж фумарова. Під дією брому, йоду, галогеноводнів, нітритної кислоти вона легко ізомерується в більш стійку форму — фумарову кислоту. При УФ-опромінюванні розчинів фумарової і малеїнової кислот утворюється рівноважна суміш, що складається з 75 % малеїнової і 25 % фумарової кислот.
25.3. АРОМАТИЧНІ ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Ароматичними дикарбоновими (арендикарбоновими) кислотами називають похідні ароматичних вуглеводнів, які містять дві карбоксильні групи, безпосередньо зв ’язані з ароматичним ядром.
Найважливішими представниками арендикарбонових кислот є фталева, ізо-фталева і терефталева кислоти:
фталева кислота;
1,2-бензендикарбонова кислота
соон
ізофталева кислота;
1,3-бензендикарбонова кислота
соон ф соон
терефталева кислота;
1,4-бензендикарбонова кислота
25.3.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Основний спосіб добування арендикарбонових кислот — каталітичне окиснення ксиленів киснем повітря. При окисненні л-ксилену утворюється терефталева кислота:
О2; кат.; і
-Н2О
соон ф соон
терефталева кислота
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ 435
При окисненні о-ксилену спочатку утворюється фталевий ангідрид, який у присутності води перетворюється у фталеву кислоту:
О2; кат.; і
о-ксилен
Н2О
^Х^/СООН ^^соон
фталева кислота
У промисловості фталеву кислоту добувають окисненням нафталену киснем повітря в присутності каталізатора. Фталевий ангідрид, який утворюється в процесі окиснення, гідролізують:
О2 повітря; У2О5; і
нафтален
Н2О
ХЧ.СООН
Н
фталева кислота
25.3.2. ФІЗИЧНІ І ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Фталеві кислоти — це білі кристалічні речовини з високими температурами плавлення. Фталева і терефталева кислоти у воді малорозчинні, а ізофталева кислота — легкорозчинна.
Фталеві кислоти порівняно з бензойною кислотою виявляють більш кислотний характер.
бензойна кислота
Р^і =4.17
Р^2 -
/^.СООН
^ЗЗООН
фталева кислота Р^І = 2.45 р^2 = 5.4І
ізофталева кислота
= 3.46
рКо2 = 4.46
соон
соон
терефталева кислота
Р^ = 3.5І
рЛГ„2 = 4.Х2
^х^/СООН
За хімічними властивостями арендикарбонові кислоти в цілому не відрізняються від ароматичних монокарбонових кислот. За участі однієї або двох карбоксильних груп вони утворюють солі, естери та аміди. Галогенангідриди утворюються лише по двох карбоксильних групах. У момент утворення моногалогенангідри-дів фталевих кислот відбувається взаємодія між галогенангідридною і карбоксильною групами, що приводить до кінцевих продуктів — ангідридів або полімерних речовин.
Глава 25
436
Фталева кислота відрізняється від інших ізомерів здатністю легко перетворюватися при нагріванні в ангідрид:
фталева кислота
О— II
О —Н
-Н2О
фталевий ангідрид
Фталевий ангідрид у великих кількостях використовують для виробництва естерів — диметил- і діетилфталату, які застосовують як пластифікатори; дибу-тилфталату, який використовують як репелент (засіб, який відлякує комах). При нагріванні фталевого ангідриду з амоніаком утворюється фталімід, який широко застосовується в органічному синтезі:
При конденсації фталевого ангідриду з фенолом утворюється фенолфталеїн. Реакція проходить при нагріванні в присутності водовіднімаючих засобів (Н28О4, 2пС12):
Фенолфталеїн використовують в аналітичній практиці як кислотно-основний індикатор (див. с. 235).
25.4. ІДЕНТИФІКАЦІЯ ДИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ
При ідентифікації дикарбонових кислот зважають на їх фізико-хімічні властивості. Здебільшого це тверді кристалічні речовини з певними температурами
ДИКАРБОНОВІ КИСЛОТИ 437 плавлення, розчинні у воді. Як і монокарбонові кислоти, вони утворюють солі, естери, аміди. Разом з тим деякі з них утворюють циклічні ангідриди та іміди, а також здатні декарбоксилюватися.
Для визначення деяких дикарбонових кислот існує низка специфічних методів. Так, сплав щавлевої кислоти і дифеніламіну забарвлює краплю спирту в синій колір за рахунок утворення барвника — анілінового синього.
УФ-Спектри дикарбонових кислот, як і монокарбонових, малопоказові.
Деякі дикарбонові кислоти в ІЧ-спектрі мають дві смуги поглинання, що відповідають валентним коливанням карбонільної групи: щавлева кислота — при 1710 і 1650 см-1, малонова — при 1740 і 1710 см-1, бурштинова — при 1780 і 1700 см-1. Для вищих членів гомологічного ряду характерна лише одна смуга поглинання карбонільної групи близько 1700 см-1.
ЯМР-Спектри дикарбонових і монокарбонових кислот аналогічні.
Глава 26
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
До найважливіших функціональних похідних карбонових кислот належать галогенангідриди, ангідриди, естери, аміди, гідразиди, гідроксамові кислоти, нітрили тощо:
галогенангідриди
к-с К' ь/
аміди
к—с
к—с
ангідриди
естери
к-с /к'
МН—
гідразиди
//
чмн—он
гідроксамові
кислоти
к— с=м
нітрили
к— с
4 Наі
26.1. ГАЛОГЕНАНГІДРИДИ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ (АЦИЛГАЛОГЕНІДИ)
Галогенангідридами карбонових кислот називають похідні карбонових кислот, в яких гідроксильна група, що входить до складу карбоксильної групи, заміщена на атом галогену (Хлор, Бром, рідше — Флуор і Йод).
26.1.1. НОМЕНКЛАТУРА
Назви галогенангідридів утворюють від назв відповідних кислот або ацильних груп і назви галогену:
хлорангідрид бензойної кислоти; бензоїлхлорид
бромангідрид циклогексанкарбонової кислоти; циклогексанкарбонілбромід
сн3—с хсі
хлорангідрид оцтової кислоти;
ацетилхлорид
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ 439
26.1.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Хлорангідриди і бромангідриди добувають взаємодією карбонових кислот з галогенідами фосфору (РС13, РС15, РВг3, РВг5) або тіонілхлоридом 8ОС12 (див. с. 412):
РС1,
в—с
хон
РС1.
8ОС12
к—с'
4 СІ
я—с
4 СІ
к с
4 СІ
Н3РО3
РОС13 + неї
+
+
8О2і + НСИ
26.1.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Галогенангідриди карбонових кислот — безбарвні рідини або кристалічні речовини з різким запахом, легколеткі, подразнюють слизові оболонки і шкіру.
26.1.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Галогенангідриди є досить активними електрофільними реагентами. їх елек-трофільні властивості зумовлені наявністю часткового позитивного заряду на атомі Карбону карбонільної групи. У результаті електроноакцепторних властивостей атома галогену (-/-ефект) на атомі Карбону карбонільної групи електронна густина значно знижується, тому галогенангідриди сильніші електрофільні реагенти, ніж карбонові кислоти.
електрофільний центр
Ацилгалогеніди легко вступають у різні реакції нуклеофільного заміщення. Так, під дією води вони гідролізуються до карбонових кислот; зі спиртами, алкоголятами і фенолятами утворюють естери; з амоніаком, первинними і вторинними амінами — аміди; з гідразином, алкіл- і арилгідразинами — гідразиди кислот; з гід-роксиламіном — гідроксамові кислоти; із солями карбонових кислот — ангідриди кислот:
Глава 26
440
р г'° к с
^МН2
амід кислоти
НОН
-неї
в,—с'
4 он
карбонова кислота
К~С\
хин—ОН
гідроксамова кислота
Н2К —ОН
-неї
к—с
К'ОН
-неї
„ г'°
к—с
хок
ацилгалогенід
естер
к—с
хнн—нн
гідразид кислоти
2Н2М —МН;
-Н2М—1МН2 • НС1
к—с'
О№
-№С1
4 о
о
ангідрид кислоти
Оскільки в процесі реакцій нуклеофільного заміщення в молекулу нуклеофільного реагенту вводиться ацильна група, галогенангідриди є ацилюючими реагентами, а реакції називають реакціями ацилювання.
Зі слабкими нуклеофільними реагентами, такими, як арени, галогенангідриди, реагують у присутності кислот Льюїса (А1С13, РеВг3, 8пС12 тощо). Кислоти Льюїса активують молекулу ацилгалогеніду за рахунок утворення донорно-акцепторного комплексу (л-комплексу) або іона ацилію:
к->с + АІС13
СІ
ч СІ:->А1СІ3
донорно-акцепторний комплекс (5'+ > 5+)
Оч
С + [А1С14| к
ацилій-катіон
Ацилювання ароматичних вуглеводнів за Фріделем—Крафтсом описано на с. 203.
Ацилгалогеніди, що містять атоми Гідрогену при а-атомі Карбону, у присутності сильних основ (третинних амінів) відщеплюють молекулу галогеноводню, утворюючи кетени:
СН3
І СНЗЧ
сн-с-с^ у=с=о
-НС1 СН/
ізобутирилхлорид диметилкетен
26.1.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Ацетилхлорид СН3СОС1. Безбарвна рідина з гострим запахом (т. кип. 51,8°С), швидко гідролізується водою, розчиняється в більшості органічних розчинників.
Ацетилхлорид використовують як ацилюючий реагент у виробництві барвників і лікарських засобів.
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
441
Бензоїлхлорцц С6Н5СОС1. Безбарвна рідина з гострим запахом (т. кип. 197,2°С), подразнює слизові оболонки дихальних шляхів і очей. Бензоїлхлорцц добре розчинний в етері, бензені, сірковуглеці, гідролізується водою.
Використовують для введення бензоїльної групи в синтезі індигоїдних барвників і лікарських засобів.
26.2. АНГІДРИДИ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Ангідридами називають похідні карбонових кислот, в яких атом Карбону карбоксильної групи заміщений на ацильну групу.
26.2.1. КЛАСИФІКАЦІЯ. НОМЕНКЛАТУРА
Ангідриди — продукти дегідратації карбонових кислот.
Розрізняють лінійні і циклічні ангідриди карбонових кислот'.
О
к—С
/О к-с;
о
о
циклічний ангідрид
Лінійні ангідриди, у молекулу яких входять залишки різних кислот, у тому числі і мінеральних, називаються змішаними ангідридами.
Назви ангідридів утворюють від тривіальних назв відповідних кислот:
л
сн—с
/О
сн-с
о
ангідрид оцтової кислоти;
оцтовий ангідрид
лінійний ангідрид
сн—с
\)
о
сн—с
О— N0,
ацетил нітрат
мурашніюоцтовий ангідрид
ангідрид малеїнової кислоти; малеїновий ангідрид
X о
О
О
о
26.2.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Дегідратація карбонових кислот. Монокарбонові кислоти при нагріванні в присутності сильних водовіднімаючих засобів (фосфор(У) оксид, трифлуороцтовий ангідрид тощо) піддаються дегідратації з утворенням ангідридів:
//°
сн3—С^ хо—н /О —н сн-с. о оцтова кислота
СН-С' о сн-с( о
_РА_
—2НРО3
оцтовий ангідрид
Глава 26
Деякі дикарбонові кислоти утворюють циклічні ангідриди при нагріванні:
ХО-Н н2с_/°-н Ч бурштинова кислота
/
— Н2О
н2с^Ч
І о н2с^г/
бурштиновий ангідрид
Взаємодія галогенангідридів кислот з безводними солями карбонових кислот. При обробці ацилгалогенідів натрієвими або калієвими солями карбонових кислот утворюються ангідриди. Метод дозволяє одержувати як прості, так і змішані ангідриди:
О О
°Ч 11 11
СН,— сС _ + с —СН, —► СН,—с —О —С—СН, + ИаСІ
3 ХО№+ С1Х 3 3
натрій ацетат ацетилхлорид
оцтовий ангідрид
Взаємодія карбонових кислот з кетенами. При взаємодії карбонових кислот з кетенами утворюються ангідриди:
8+^8-сн,—С^ . + н,с=с=о — о-н * СН—С^ СН—С^ * X) /° -* /° Н2С=С>| сн —с^ К . ОН 0
кетен
продукт приєднання
оцтовий ангідрид
Цей метод використовують у промисловості для добування оцтового ангідриду.
26.2.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Ангідриди карбонових кислот — безбарвні рідини або кристалічні речовини. Нижчі представники гомологічного ряду мають подразнюючий запах. Ангідриди карбонових кислот малорозчинні у воді і повільно з нею реагують.
26.2.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Ангідриди карбонових кислот, подібно до галогенангідридів, є досить активними електрофільними реагентами. Однак частковий позитивний заряд на атомах Карбону карбонільних груп у молекулі ангідриду менший порівняно з галогенангідридами. Саме тому ангідриди карбонових кислот мають менш виражений електрофільний характер, ніж галогенангідриди, але виявляють більшу електро-фільність порівняно з карбоновими кислотами, оскільки в них атом Оксигену, що виявляє + М-ефект, припадає на дві ацильні групи:
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
443
електрофільні центри
Ангідриди карбонових кислот легко реагують з різними нуклеофільними реагентами і використовуються для введення в їх структуру ацильних груп.
Так, при взаємодії з водою ангідриди повільно гідролізуються з утворенням відповідних кислот. Реакція прискорюється при нагріванні:
(СН3СО)2О + Н2О —► 2СН3СООН
При обробці лінійних ангідридів спиртами утворюються естери:
О
СНз"< ,
+ С2Н5ОН сн—с + сн3—с
сн— ОС2Н5 4 он
О етилацетат
Циклічні ангідриди реагують зі спиртами з утворенням неповних естерів дикарбонових кислот:
Н2С^с\
О + с,н,он
Н2с_/ 2 5
%
бурштиновий ангідрид
н2<? Ч)с2н5
н А .он
П 2 У-' '
ч
моноетиловий естер бурштинової кислоти
При взаємодії лінійних ангідридів з амоніаком, первинними або вторинними амінами утворюються аміди карбонових кислот:
сн3-с о о
о + н2и—с2н5 —► сн—с + сн— с'
сн3—С^ КН — С2н, хон
етиламін етиламід оцтової кислоти
Циклічні ангідриди реагують з амоніаком і первинними амінами з утворенням неповних амідів дикарбонових кислот, які при нагріванні циклізуються в іміди:
—н2о
Глава 26
Як у карбонових кислотах, так і в молекулах їх ангідридів атоми Гідрогену при а-атомах Карбону рухливі. За участі зв’язку С—Н в а-положенні ангідриди карбонових кислот у присутності основ (солі карбонових кислот, третинні аміни) вступають у реакцію конденсації з ароматичними альдегідами, утворюючи ненасичені аренкарбонові кислоти (див. реакцію Перкіна, с. 398):
бензальдегід
+ (СН3СО)2О
СНЦСООМа; і
оцтовий ангідрид
сн=сн—соон + сн3соон
корична кислота
26.2.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Оцтовий ангідрид (СН3СО)2О. Безбарвна рідина з різким запахом (т. кип. 140°С), подразнює слизові оболонки очей і дихальних шляхів, викликає опіки шкіри. З водою повільно реагує, утворюючи оцтову кислоту, розчиняється в етанолі, етері, бензені, оцтовій кислоті.
Використовують як ацетилюючий реагент у виробництві ацетилцелюлози, вінілацетату, диметилацетаміду, лікарських засобів (ацетилсаліцилової кислоти
тощо).
Фталевий ангідрид. Біла кристалічна речовина (т. пл. 130,8 °С), легко сублімується, розчинна в етанолі.
Використовують у синтезі лікарських препаратів (фталазол, фтазин тощо), у виробництві алкідних смол, пластифікаторів, барвників.
26.3. ЕСТЕРИ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Естерами називають функціональні похідні карбонових кислот, в яких гідроксильна група, що входить до складу карбоксильної групи, заміщена на залишок спирту або фенолу —ОК..
26.3.1. НОМЕНКЛАТУРА
Зазвичай естери називають за вихідними кислотою і спиртом або фенолом. За замісниковою номенклатурою ІСРАС їх назви утворюють від назви вуглеводневого радикала спирту або фенолу і систематичної назви карбонової кислоти, в яких суфікс -ова кислота заміняється суфіксом -оат\
Н— с
хосн3
метиловий естер мурашиної кислоти; метилформіат;
метилметаноат
с6н-с ос2н5
етиловий естер бензойної кислоти; етилбензоат
С2Н5ОХ
с—сн —с
хос2н5
діетиловий естер малонової кислоти; діетилмалонат
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
445
оч о
ч #
Є — СН— СН2— С\ нох хосн3
монометиловий естер бурштинової кислоти;
м о н ом ети л сукцинат
с— сн2—сн—с' сн3ох хосн,
диметиловий естер бурштинової кислоти;
диметилсукцинат
26.3.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Взаємодія карбонових кислот зі спиртами (див. с. 411):
Н,8О4 (конц ); ї /Р
к-с^ + кон < 4 > К-С\ + н20
Чон ОК'
Феноли через низьку нуклеофільність, яка пов’язана із взаємодією неподіленої пари електронів атома Оксигену з л-електронною системою ароматичного ядра (р,л-кон’югація), у реакцію естерифікації з карбоновими кислотами не вступають (див. с. 346).
Взаємодія спиртів і фенолів з галогенангідридами та ангідридами карбонових кислот. Галогенангідриди та ангідриди карбонових кислот, будучи більш активними електрофільними реагентами, ніж карбонові кислоти, легко реагують зі спиртами, фенолами або феноксидами лужних металів з утворенням естерів:
Реакція з феноксидами лужних металів перебігає значно легше, ніж з фенолами, оскільки феноксид-іон, за рахунок негативного заряду на атомі Оксигену, має більшу нуклеофільність, ніж неіонізований фенол:
слабкий нуклеофіл
сильний нуклеофіл
Глава 26
Алкілювання солей карбонових кислот галогеналканами. При обробці солей карбонових кислот галогеналканами утворюються естери:
сн,—с. + с7н,—СІ
•З X _ 2 2)
ОМа
натрій ацетат
СН3—С + Масі
хо—с2н5
етилацетат
26.3.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Естери карбонових кислот є безбарвними леткими рідинами, рідше — кристалічними речовинами з приємним запахом. Вони здебільшого малорозчинні у воді, добре розчиняються в більшості органічних розчинників. Температура кипіння естерів зазвичай нижча за температуру кипіння карбонових кислот, які входять до їх складу, що пов’язано зі зменшенням міжмолекулярної взаємодії за рахунок відсутності міжмолекулярних водневих зв’язків.
26.3.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Подібно до галогенангідридів та ангідридів карбонових кислот, естери є елек-трофільними реагентами. Електрофільним центром слугує атом Карбону карбонільної групи. Проте через +М-ефект атома Оксигену, зв’язаного з вуглеводневим радикалом, естери виявляють менш виражений електрофільний характер порівняно з галогенангідридами та ангідридами карбонових кислот.
К-С^ Гб-
К'
електрофільний центр
На електрофільні властивості естерів впливає також природа вуглеводневого залишку при атомі Оксигену. Електрофільність естерів збільшується, якщо вуглеводневий радикал утворює з атомом Оксигену кон’юговану систему, як, наприклад, в арилових або вінілових естерах карбонових кислот.
к-с^ ~
о—сн=сн2
вініловий естер
Ці естери отримали назву «активовані естери».
Як електрофільні реагенти естери вступають у реакції нуклеофільного заміщення. Зокрема, вони реагують з водою (гідроліз), спиртами (алкоголіз), гідразинами (гідразиноліз) тощо.
Гідроліз естерів. Естери піддаються гідролізу в кислому і лужному середовищах.
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ ------------------------------------------------------- 447
Кислотний гідроліз — це послідовність оборотних перетворень, протилежних реакції естерифікації:
# н+ #
К—+ НОН < » В — С + В —ОН
о—к он
естер карбонова кислота спирт
Механізм кислотного гідролізу включає проточування атома Оксигену карбонільної групи з подальшим утворенням карбокатіона, який потім реагує з молекулою води:
В— с + н
о—к
Фруктові аромати
Естери — найчисленніша група пахучих речовин. Естерам нижчих жирних карбонових кислот і насичених жирних спиртів притаманні фруктові аромати. Вони є компонентами фруктових есенцій, що використовуються як ароматизатори.
н—С
ОСН2СН(СН3)2
СН — сх
ХОСН2СН2СН(СН3)2
сн — с
О(СН2)7СН3
ізобутилформіат ( 'Лінах малини)
ізоамілацетат (запах груші)
октилацетат
(запах апельсина)
СН3СН2СН2—с хосн3
метилбутират (запах яблука)
сн3сн2сн—с
О(СН2)4СН3
пентилбутират
(запах абрикоса)
сн3сн2сн2—с
Х8—СН3
метилтіобутират (запах полуниці)
сн3сн2сн2— С'
ХОСН2СН2СН(СН3)2
ізоамілбутират (запах сливи)
Природний запах фруктів обумовлений сукупністю різних пахучих речовин. Запах штучного ароматизатора рідко збігається з повною гамою природного запаху.
Глава 26
У присутності водних розчинів лугів естери гідролізуються з утворенням солі карбонової кислоти та спирту або фенолу:
В— С
О— К'
№ОН
н2о
В —Сх + в—он
О№+
Людвіг КЛЯЙЗЕН (КЛАЙЗЕН) (1851-1930)
Німецький хімік-органік. Основні наукові праці присвячені розвитку загальних методів органічного синтезу, ацилюванню карбонільних сполук, ізомерії і таутомерії.
Відкрив (1887) реакцію диспропор-ціювання альдегідів з утворенням естерів під дією слабких основ (реакція Кляйзена). Відкрив (1887) реакцію одержання Р-оксопохідних естерів у присутності основних каталізаторів (естерова конденсація Кляйзена). Розробив (1890) метод одержання естерів коричних кислот. Вивчив (1900—1905) таутомерію ацетооцтового естеру. Запропонував (1893) особливу колбу для вакуум-перегонки (колба Кляйзена).
На відміну від кислотного гідролізу лужний гідроліз естерів — необоротний процес. Його механізм полягає в нуклеофільній атаці гідроксид-іоном атома Карбону карбонільної групи з утворенням проміжного аніона, який, відщеплюючи алкоксид-іон, перетворюється в молекулу карбонової кислоти. На заключній стадії реакції алкоксид-іон, маючи сильні основні властивості, відриває протон від молекули кислоти, що утворилася, і перетворюється в молекулу спирту:
+ ОН
К—С—ОН
О— К'
—► К— С' + К— О“ хон
К— с' + К.'— 0“
о— н *
+ К'— он
При лужному гідролізі луг виступає не як каталізатор, а як реагент. Лужний гідроліз естерів часто називають омиленням. Ця назва пов’язана з тим, що при лужному гідролізі жирів, якими є естери гліцерину і високомолекулярних карбонових кислот, утворюються мила.
Взаємодія з амоніаком, первинними та вторинними амінами. При дії на естери амоніаку, первинних та вторинних амінів утворюються відповідно незаміщені, N-заміщені і Г4,М-дизаміщені аміди карбонових кислот:
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
449
й+'у °8 У°
СН—С^ + Н,К— СН3 —► СН— С\ +с2н5—ОН
О—С,Н, ‘ Х1ЧН—сн3
етилацетат ІЧ-метил ацетамід
За механізмом реакції такого типу принципово нічим не відрізняються від ви-щенаведеного механізму лужного гідролізу:
О“ (р^-н
І +/Н ч
к— С — МІ — сн, —► к— с — мн— СН, —►
І чн Я
о—с2н, *о—с,н,
—► к— с' + с2н—он
хмн — сн3
Оскільки більшість естерів легкодоступні і порівняно легко синтезуються, ця реакція широко використовується в синтезі амідів карбонових кислот.
Взаємодія з гідразинами та гідроксиламіном. При дії на естери гідразинів і гід-роксиламіну утворюються відповідно гідразиди і гідроксамові кислоти (гідрокси-аміди):
сн3—с
хмн—мн2
СНз-с( 'У о„
О—С2Н5 ^О
етилацетат СН3 С.
мн — он
гідразид оцтової кислоти
гідроксиамід оцтової кислоти
Взаємодія зі спиртами (реакція переестерифікації). При взаємодії зі спиртами в молекулі естеру відбувається заміна одного спиртового залишку на інший. Ця реакція отримала назву «реакції переестерифікації». Переестерифікація каталізується мінеральними кислотами або лугами і є оборотною реакцією. Для зміщення рівноваги вправо видаляють більш леткий спирт. Тому практичне значення переестерифікація має в тому випадку, коли до складу вихідного естеру входить залишок низькокиплячого спирту (часто — метилового). Тоді внаслідок переестерифікації утворюється метиловий спирт, який можна видалити з реакційного середовища. При цьому рівновага зміщується вбік кінцевих продуктів:
сн — с' + с2н5он осн3
н+ або он-
сн—с + сн3он хос2н5
метилацетат
етилацетат
Глава 26
з. МІ ---------------------------------------------------------------------------------
Естерова конденсація {конденсація Кляйзена). Естери карбонових кислот, що містять атоми Гідрогену в а-положенні, у присутності сильних основ, таких як алкоксиди, вступають у реакцію конденсації з утворенням естерів 0-оксокислот ф-кетоестерів). Ця реакція називається «конденсацією Кляігзена»'.
С2Н5О№
2СН— С <
Х°С2Н5
етилацетат
сн3—с—сн2—с + С2Н5ОН хос2н5
ацетооцтовий естер
Механізм реакції включає три стадії.
На першій стадії алкоголят-іон відщеплює від а-атома Карбону молекули естеру протон, утворюючи мезомерно стабілізований карбаніон (І). На другій стадії карбаніон, виступаючи як нуклеофіл, атакує атом Карбону карбонільної групи другої молекули естеру з утворенням продукту приєднання (II), який на третій стадії відщеплює алкоксид-іон, перетворюючись на кінцевий продукт реакції (III):
Стадія І
СН— С + С2Н5О
ОС2Н5
сн,—с. + с,н,он
ос2н,
Стадія II
СН—+ сн— с'
С>—С,Н5 ОС2Н5
О"
І
СН — С — СН— с
ХОС2Н5
Стадія III
СН,—С —СН,—С. ' СІс.н,
сн— с — сн,—сч + с,нтг
'ослі,.
III.
Естерова конденсація застосовується для промислового виробництва ацетооцтового естеру. Якщо конденсації піддаються два різних естери, кожний з яких містить а-атом Гідрогену, у процесі реакції утворюється суміш чотирьох можливих продуктів.
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ , *
-------------------------------------------------------------- 451
26.3.5 . ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Етилформіат НСООС2Н5. Безбарвна рідина (т. кип. 54,3°С), розчинна в етанолі, етері, малорозчинна у воді.
Використовують етилформіат у виробництві вітаміну Вр а також як віддушку для мила і компонентів фруктових есенцій.
Етилацетат СН3СООС2Н5. Безбарвна рідина з приємним запахом (т. кип. 77,1 °С), малорозчинна у воді, розчиняється в органічних розчинниках.
Застосовується як розчинник естерів целюлози, хлорокаучуку, вінілових полімерів, жирів, восків. Використовується для добування ацетооцтового естеру, як віддушка для мила в парфумерії, входить до складу харчових есенцій.
Бензилбензоат С6Н5СООСН2С6Н5. Рідина ясно-жовтого кольору (т. кип. 323—324°С), нерозчинна у воді, розчиняється в етанолі.
Міститься в багатьох ефірних оліях, перуанському бальзамі. Справляє токсичну дію на коростяних кліщів і застосовується для лікування корости.
26.4. АМІДИ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Амідами називають похідні карбонових кислот, в яких гідроксильна група, що входить до складу карбоксильної групи, заміщена на аміногрупу.
їх можна також розглядати як ацильні похідні амоніаку, первинних та вторинних амінів.
26.4.1. НОМЕНКЛАТУРА
Назви амідів найчастіше утворюють від назв відповідних карбонових кислот і амінів. У багатьох випадках використовують тривіальні назви кислотних залишків — ацилів, замінюючи в них суфікс -ил (-іл) на -амід. За замісниковою номенклатурою ШРАСназви амідів складають з назв кислот, замінюючи суфікс -ова кислота на суфікс -амід. У назвах заміщених амідів положення замісників, які знаходяться при атомі Нітрогену амідної групи, позначають символом 14:
СН — с'
х?ш2
амід оцтової кислоти; ацетамід;
етанам ід
сн—с
ин—сн3
мсгидамід оцтової кислоти;
М-мсгилацетамід;
N-40 1 плетанамід
н —с сн.
н\ сн3
М,М-диметиламід мурашиної кислоти; ГЧ.М-димегил формам ід
26.4.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Взаємодія галогенангідридів, ангідридів або естерів карбонових кислот з амоніаком, первинними або вторинними амінами (див. с. 439, 443, 448):
Глава 26
452
сн3—с
СІ
ацетилхлорид
N43
-неї
сн3— с
сн—с
N43
-СН3СООН
сн— с'
ин2
ацетамід
оцтовий ангідрид
сн3— с'
хосн3
метилацетат
N43
-СН3ОН
Нагрівання амонійних солей карбонових кислот:
СН—С + ---► СН3—С + Н2о
хоічн4 хтчн2
амоній ацетат ацетамід
Гідроліз нітрилів. При гідролізі нітрилів утворюються або аміди (частковий гідроліз), або карбонові кислоти (повний гідроліз). Для одержання амідів гідроліз здійснюють дією 96%-вої сульфатної кислоти або лужних розчинів гідроген пероксиду:
8+ 8-
сн3— +НОН
Н28О4
4/5—н сн-с х
(\ч—н
ацетонітрил
сн,—с
ЧГ4Н2
ацетамід
26.4.3. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Аміди карбонових кислот — це кристалічні речовини або рідини, розчинні у воді та органічних розчинниках. Сполуки, що містять у молекулі зв’язки N—Н, утворюють міцні міжмолекулярні водневі зв’язки і мають вищі порівняно з карбоновими кислотами температури плавлення і кипіння.
26.4.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність амідів зумовлена наявністю в їх структурі амідного угрупо-вання —.За електронною будовою амідна група подібна до карбоксильної.
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
453
Неподілена пара електронів атома Нітрогену взаємодіє з л-електронами карбонільної групи (р,л-кон’югація). Унаслідок кон’югаціїзв’язок С—N стає коротшим, а зв’язок С=О — дещо довшим порівняно з некон’югованими сполуками. За рахунок сильного зміщення неподіленої пари електронів атома Нітрогену (+М-ефект) до групи С=О частковий позитивний заряд на атомі Карбону карбонільної групи в амідах менший, ніж у галогенангідридів, ангідридів і естерів:
Єо5-8+У
К-С >1
СІ
Єо5"-8"+ У К — С^К!
о—с2н5
5+ > 5'+ > 8"+ > 5'"+
Завдяки такій електронній будові аміди карбонових кислот практично не вступають у реакції з нуклеофільними реагентами і, на відміну від амінів, є дуже слабкими основами. Аміди, які мають у своїй структурі зв’язок N—Н, — слабкі МН-кислоти.
Кислотно-основні властивості. Аміди як слабкі основи утворюють солі лише із сильними мінеральними кислотами, причому протонуванню піддається атом Оксигену карбонільної групи, бо катіон, що утворюється при цьому, стабілізується завдяки кон’югації:
У° в—с + н хлн2
Протонована форма амідів є сильною ОН-кислотою (рА^ ацетаміду 0,1). У результаті взаємодії неподіленої пари електронів атома Нітрогену з л-електро-нами карбонільної групи (р,л-кон’югації) в молекулах незаміщених і N-заміщених амідів атом Гідрогену зв’язку N—Н набуває рухливості. Такі аміди виявляють властивості слабких ІЧН-кислот і при взаємодії з металічним натрієм або натрій амідом №ЬШ2 утворюють солі:
В—С + №МН2
КН2
в—сч + ЬїН3
ЬШИа
Гідроліз амідів. Аміди гідролізуються набагато важче, ніж інші функціональні похідні карбонових кислот. У нейтральному середовищі гідроліз проходить дуже повільно. У присутності мінеральних кислот або лугів аміди гідролізуються досить легко. У лужному середовищі аміди перетворюються на сіль карбонової кислоти та амоніак або аміни:
О№
_ню ї
к— С + \'аОН + » к—с—О —Н —► В—Сх + \Н,
МН2 <ІТ„ О№
МН2
Глава 26
454
У процесі гідролізу в кислому середовищі аміди утворюють карбонові кислоти та амонієві солі. Під дією мінеральної кислоти спочатку утворюється протонована форма аміду, яка потім вступає в реакцію з водою:
,8-
к-с »
ХГ4Н2
амід
протонована форма аміду
он
н
+ НОН к— с — о'
тчн2 1 -н
]ЧН2
о-*-н
------► к—сх
-Н+ \он
Дегідратація незаміщених амідів. Незаміщені аміди піддаються дегідратації з утворенням нітрилів при нагріванні із сильними водовіднімаючими засобами — фосфор(У) оксидом Р2О5 або фосфор трихлороксидом РОС13:
сн3— с'
Х1\н2
ацетамід
Рго,;'
—н2о
сн3—С=К
ацетонітрил
з
Гіпогалогенітна реакція Гофмана. Реакція амідів з лужними розчинами галогенів (йоду, брому або хлору) відома як реакція Гофмана, або перегрупування Гофмана (1881 р.). Реакція проходить з амідами як жирних, так і ароматичних кислот. Дозволяє одержати первинні аміни, які містять на один атом Карбону менше, ніж у вихідному аміді.
№ОВг (Вг2 + ИаОН)
сн3—сн2—сн2—с
кн2
амід масляної кислоти
—► СН3—СН2—СН2—МН2 + СО2 + №Вг
1-пропанамін
Відновлення. Під дією літій алюмогідриду ЬіА1Н4 аміди карбонових кислот відновлюються до амінів:
сн3— с'
кн2
[Н] ЬІАІН,
—н,о
СН3— СН2— Т4Н2
етанам ін
М-Заміщені аміди відновлюються до вторинних або третинних амінів.
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
455
26.4.5. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Формамід НСОМН2. Безбарвна рідина (т. кип. 210,5°С), розчиняється у воді і спиртах.
Використовують як розчинник і реагент в органічному синтезі.
М,М-Диметилформамід (ДМФА) НСОМ(СН3)2. Безбарвна рідина зі слабким запахом (т. кип. 153°С), змішується з водою і спиртами.
М,М-Диметилформамід широко застосовують як апротонний розчинник у виробництві синтетичних волокон, лакофарбових матеріалів, штучної шкіри тощо. Використовують як реакційне середовище з каталітичними властивостями при галогенуванні і гідрогалогенуванні ненасичених сполук; як реагент для введення формільної групи; у фармацевтичній промисловості для очищення лікарських препаратів.
26.5. ГІДРАЗИДИ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Гідразидами називають функціональні похідні карбонових кислот, в яких гідроксильна група, що входить до складу карбоксильної групи, заміщена на залишок молекули гідразину, алкіл- або арилгідразинів.
Загальна формула гідразидів карбонових кислот
26.5.1. НОМЕНКЛАТУРА
Назви гідразидів частіше утворюють від назв відповідних карбонових кислот і гідразинів. За замісниковою номенклатурою ШРАС назви гідразидів складають шляхом заміни суфікса -ова кислота на суфікс -гідразид'.
сн3— с'
мн—МН2
гідразид оцтової кислоти; етаногідразид
сн—с
хмн—мн— с6н5
ііл гідразид
оцтової кислоти
/сн^ х' МН—М^ хсн, N',N'-,111 мої ил гідразид ’
бензойної кислоти
26.5.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Гідразиди карбонових кислот добувають взаємодією гідразину, алкіл- або арилгідразинів з галогенангідридами, ангідридами або естерами карбонових кислот. Як побічні продукти при цьому можуть утворюватися М,М'-діацилгідразини:
Глава 26
456
/> сн3— с'
СІ
ацетилхлорид
снз— С\ о
сн3—
<0
оцтовий ангідрид
сн3— с'
хосн3
метилацетат
Н;\~N4,
-неї
Н21М — N42
-СН3СООН
н^—\н2 -сн3он
сн3— с
мн—мн2
гідразид оцтової кислоти
26.5.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За хімічними властивостями гідразиди карбонових кислот багато чим нагадують аміди. Разом з цим у молекулі гідразидів неподілена пара електронів Р-атома Нітрогену не бере участі в кон’югації з карбонільною групою:
Со8‘
8+ У
К.— С X) а Р
хйн—Кн2
За рахунок цього гідразиди виявляють основні і нуклеофільні властивості. Вони утворюють солі з мінеральними кислотами, вступають у реакцію ацилювання з га-логенангідридами та ангідридами карбонових кислот, реагують з карбонільними сполуками, взаємодіють з нітритною кислотою:
СН3— С'
хмн—КН2
етаногідразид
НС1
►
сн — с С|»
-неї
(СН3СО)2О
-сн3соон *
сн — с Н >
-н2о
НNО2
—2Н2О
сн3—с
мн—йн3сг
N -ацетилгідразиній хлорид
%
СН— С\ ХС-СН3
кн—нм
-діацетилгідразин
сн3— с' мн—м=сн—сн3 етиліденгідразид оцтової кислоти
сн3—с
азид оцтової кислоти
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ -------------------------------------------------------------- 457
Гідразиди карбонових кислот широко застосовуються в органічному синтезі, у тому числі синтезі лікарських препаратів.
26.6 "ТРИЛИ (ЦІАНІДИ)
Нітрилами називають органічні сполуки, що містять одну або кілька ціаногруп — С=\ сполучених з вуглеводневим радикалом.
Від інших функціональних похідних карбонових кислот нітрили відрізняються відсутністю карбонільної групи.
Загальна формула нітрилів К.— С=1Ч.
26.6Л. НОМЕНКЛАТУРА
Назви нітрилів утворюють від тривіальних назв ацильних залишків карбонових кислот або систематичних назв карбонових кислот з аналогічною кількістю атомів Карбону, ураховуючи атом Карбону групи — С = М, до яких додається суфікс -нітрил'.
сн3—с6н5—
ацетонітрил; бензонітрил
етано нітрил
ель—сн,— о 5 2
фенілацетоннрп.і; фенілетаноні і ріп
26.6.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Дегідратація амідів (див. с. 454):
СН3— С\
хїчн2
ацетамід
^2^5’ г
- Н2О
сн3—
ацетонітрил
Взаємодія галогеналканів з ціанідами лужних металів (див. с. 252):
СН —СН2—Вг+ КСИ —► СН3— СН2— С = И + КВг
брометан пропанонітрил
Через те що ціанід-іон є амбідентним іоном, як побічний продукт реакції утворюються ізонітрили (ізоціаніди), які видаляють з реакційного середовища шляхом додавання розведеної хлоридної кислоти.
Дегідратація альдоксимів. При взаємодії альдегідів з гідроксиламіном утворюються альдоксими, які в присутності мінеральних кислот піддаються дегідратації, утворюючи нітрили:
К—С
н2м-он
-н2о
М-°Н к— с'
н
В —С=N гт2О
альдегід
альдоксим
нітрил
Глава 26
458
26.6.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність нітрилів зумовлена наявністю в їх структурі ціаногрупи — С=ЬІ. Ціаногрупа має лінійну будову, атоми Карбону і Нітрогену перебувають в лр-гібридизації та утворюють між собою полярний потрійний зв’язок, електронна густина якого зміщена до атома Нітрогену. Виявляючи негативний індуктивний ефект, ціаногрупа зміщує на себе електронну густину з вуглеводневого радикала і тим самим збільшує рухливість атомів Гідрогену при а-атомі Карбону (СН-кислотпість). За місцем розриву потрійного зв’язку нітрили вступають у реакції нуклеофільного приєднання, за рахунок а-атомів Карбону для них характерні реакції конденсації:
Гідроліз нітрилів. При нагріванні з водними розчинами кислот або лугів нітрили піддаються гідролізу з утворенням карбонових кислот. Гідроліз відбувається у дві стадії. Спочатку за місцем розриву кратного зв’язку приєднується одна молекула води, унаслідок чого утворюються аміди, які можуть бути виділені в індивідуальному стані. Подальший гідроліз амідів приводить до утворення карбонових кислот:
-Со—Н
Г. ' У,8- НОН; II' „
к— с=м ——► в—<=►
нітрил 0^^ Н
*-< *-<
кн2 ’ он
амЇД карбонова кислота
Відновлення. При відновленні нітрилів літій алюмогідридом ЬіА1Н4 або воднем у присутності каталізатора утворюються первинні аміни:
В— С = И —к;п » к—СН2— N11-,
Конденсація нітрилів (реакція Торпа). У присутності основ, таких як алкокси-ди або аміди металів (С2Н5О№, МаМН2 тощо), нітрили піддаються конденсації з утворенням р-імінонітрилів. Реакція аналогічна альдольній конденсації (див. с. 383), тобто відбувається приєднання а-атома Карбону однієї молекули нітрилу до атома Карбону групи —С=М іншої молекули:
а 8+А-О 8- . ' “ _ .. С,Н,ОКа _ __ Р “
К—СН,—С = N + в— СН — С = \ ---► К— СН,— с—сн—с = и
2 > І 2 II І
н8+ ин к
р-імінонітрил
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПОХІДНІ КАРБОНОВИХ кислот
459
26.6.4. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Ацетонітрил СН3—С = М. Безбарвна рідина (т. кип. 81,6°С), добре змішується з водою та багатьма органічними розчинниками.
Ацетонітрил використовується як розчинник для виділення жирних кислот з рослинних і тваринних жирів, використовується у виробництві вітаміну Вг
Акрилонітрил Н2С=СН—С=К Безбарвна рідина (т. кип. 77,3°С), розчиняється у воді та багатьох органічних розчинниках.
Використовують у виробництві синтетичного волокна (нітрон), бутадієнні-трильного каучуку тощо. Широко застосовується в органічному синтезі.
Малонодинітрил Х=С—СН2— С=ТЧ. Біла кристалічна речовина (т. пл. 32°С), малорозчинна у воді, розчиняється в органічних розчинниках. Малонодинітрил вступає в різні реакції конденсації за участі як ціаногруп, так і активної метиленової групи.
Широко застосовується в органічному синтезі для добування гетероциклічних сполук. Використовують у виробництві вітамінів В1 і В6, пестицидів, барвників.
26.7. ІДЕНТИФІКАЦІЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ПОХІДНИХ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Галогенангідриди та ангідриди. Хімічні методи ідентифікації цих сполук ґрунтуються на реакціях гідролізу, а також утворення амідів і гідразидів — кристалічних речовин з чітко визначеними температурами плавлення. У галогенангідридах атом галогену переводять в іонний стан і визначають відомими методами:
КСОНаї + С2Н5(Жа —► КСООС2Н5 + №На1
Галогенангідриди та ангідриди поглинають в УФ-ділянці менше 220 нм, тому їх УФ-спектри малопоказові.
У ІЧ-спектрах ангідридів спостерігаються дві смути поглинання, пов’язані з валентними коливаннями карбонільних груп при 1820 (асиметричні) і 1760 см-1 (симетричні). Валентні коливання карбонільної групи хлорангідридів виявляються при більш високих частотах у ділянці 1815—1790 см-1, що пов’язано із сильним -/-ефектом атома Хлору і збільшенням часткового позитивного заряду на карбонільному атомі Карбону.
Галогенангідриди та ангідриди не містять протонів, безпосередньо зв’язаних з карбонільною групою, і тому функціональні групи цих сполук не можуть бути визначені за допомогою ПМР-спектрів, проте ці групи викликають зсув сигналу протонів, що знаходяться в а-положенні відносно карбонільної групи.
Естери. Для ідентифікації естерів використовують реакції гідролізу або утворення амідів або гідразидів — кристалічних речовин з чіткими температурами плавлення.
УФ-Спектри естерів неінформативні, тому що слабке поглинання, пов’язане з я—тс*-переходом, спостерігається близько 210 нм.
У ІЧ-спектрах виявляються валентні коливання карбонільної групи в ділянці 1750—1735 см-1 і дві інтенсивні смуги поглинання при 1275—1185 см-1 і 1160— 1050 см"1, що відповідають ус_о.
Аміди. Ідентифікацію амідів частіше здійснюють за продуктами гідролізу — карбоновими кислотами та амоніаком або амінами.
Глава 26
460
Аміди поглинають в УФ-ділянці спектра1 при 210—220 нм (л—л*-перехід).
У ІЧ-спектрі амідів виявляється інтенсивна смуга поглинання в ділянці 1700—1680 см“ , що відповідає ус=0 Крім того, для первинних і вторинних амідів спостерігається смуга валентних коливань N—Н в ділянці 3500—3000 см-1.
Амідна група первинних і вторинних амідів містить протон, сигнал якого виявляється при 5—6,5 і 6—9,4 млн~’ відповідно.
Нітрили. Характерною реакцією нітрилів є їх гідроліз у присутності лугу до карбонових кислот з виділенням амоніаку. Використовується також реакція нітрилів з гідроксил аміном. Амідоксими, що утворюються, дають стійкі солі з кислотами:
„ н^-он # . / 2
К—С = И -----------► К — С' К — С\
кн—он ОН
амідоксим
В УФ-діапазоні аліфатичні нітрили поглинають у вакуумній ділянці.
В ІЧ-спектрі виявляється смуга середньої інтенсивності в ділянці 2275— 2215 см-1, пов’язана з
1 Не спостерігається в спектрах третинних амідів у зв’язку з накладанням смуг інших погли-
нань.
Глава 27
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
До гетерофункціональних карбонових кислот належать похідні карбонових кислот, у вуглеводневому радикалі яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені на інші атоми або групи атомів — галоген, гідроксигрупу, аміногрупу, карбонільну групу тощо.
Найважливішими гетерофункціональними карбоновими кислотами є галоге-нокарбонові кислоти (галогенокис.іоти), гідроксикарбонові кислоти (гід/>оксіікііспіти), оксокарбонові кислоти (альдегіди- і кетокислоти) та амінокарбонові кислоти (амінокислоти).
27.1. ГАЛОГЕНОКАРБОНОВІ КИСЛОТИ
Галогенокарбоновими кислотами називають похідні карбонових кислот, у вуглеводневому радикалі яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені атомами галогенів.
За природою вуглеводневого радикала розрізняють аліфатичні, аліциклічні та ароматичні галогенокарбонові кислоти. Залежно від взаємного розташування атома галогену і карбоксильної групи виділяють а-, 0-, у- та інші аліфатичні га-логенокислоти:
к—сн—СООН в—СН—СН,—СООН 1 1 2 Ура к—сн— сн2- сн-соон
Наї Наї Наї
а-і алої снокарбонова р-і алої сіюкарбонова кислота кислота у-іа юісіюкарбонова кислота
27.1.1. НОМЕНКЛАТУРА
Номенклатура галогенокарбонових кислот аналогічна номенклатурі карбонових кислот (див. с. 404). У тривіальних назвах галогенокислот положення атома галогену відносно карбоксильної групи позначають грецькими літерами а, 0, у і т. д. У систематичних назвах положення атома галогену вказують за допомогою цифрових локантів, причому нумерацію починають з атома Карбону карбоксильної групи:
СН—СООН
СІ
хлороцтова кислота;
хлоретанова кислота
СН,—СН—СООН І Вг
а-бром лпропіонова кислота;
2-С) р (> м о пропанова кислота
СН,—СН—СООН
І І
Вг Вг
а,0- 11 о по \і о пропіонова кисло 1.1.
2,3- ііоримипропанова кислої «і
Глава 27
46
27.1.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Галогенування карбонових кислот (реакція Гелля—Фольгарда—Зелінського). При дії на карбонові кислоти хлору або брому в присутності каталітичних кількостей червоного фосфору або фосфор(ІП) галогенідів утворюються а-хлоро- або а-бромокарбонові кислоти. Реакція проходить через стадію утворення галогенан-гідриду кислоти, який унаслідок -/-ефекту атома галогену галогенується значно легше, ніж сама кислота:
О ,он
# Р + СІ, (РС1,) # . / сі,
к-сн-с _Нз-Р0з » к-сн-с( к—сн=с
ОН СІ СІ
—► к— СН — С\
нго
-неї
К—СН—С^
Приєднання галогеноводнів до а,|3-ненасичених кислот. При взаємодії а,Р-ненасичених карбонових кислот з галогеноводнями утворюються р-галогено-карбонові кислоти. Приєднання галогеноводнів відбувається всупереч правилу Марковникова (див. с. 417):
6+ 50 8+6-
н,с—сн—с + неї —► н,с—сн,—с
он он
акрилова кислота (3-хлоропропіонова кислота
Галогенування аренкарбонових кислот. Бензойна кислота галогенується в умовах електрофільного заміщення з утворенням переважно м-галогенобензойних кислот:
СООН
+ С12
соон
А1С13 г
+ неї
л/-хлоробензойна кислота
27.1.3. ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За фізичними властивостями галогенокарбонові кислоти є безбарвними рідинами або кристалічними речовинами, розчинними у воді.
У хімічному відношенні для них характерні реакції за участі карбоксильної групи та реакції за участі атома галогену.
Реакції по карбоксильній групі. Введення атома галогену в вуглеводневий радикал карбонової кислоти приводить до підвищення кислотних властивостей. Це зумовлено електроноакцепторним впливом атома галогену, який, виявляючи негативний індуктивний ефект, зміщує електронну густину з атома Карбону карбоксильної групи і тим самим підвищує стійкість аніона. Наприклад, константа
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
463
кислотності рАа оцтової кислоти у водному розчині становить 4,76, а хлороцтової — 2,86. У міру віддалення атома галогену від карбоксильної групи індуктивний ефект згасає, і тому кислотність зменшується, тобто сила кислот знижується в ряду а > Р > у і т. д.:
СН3— СН— СН — СООН > сн3— £н—СН— СООН
СІ СІ
а-хлоромасляна кислота 0-хлоромасляна кислота
рКа=2.Я5 рК„= 4,іг
> сн2—сн2—СН—СООН
СІ
у-хлоромасляна кислота
рЛ^ = 4.60
Кислотність
При переході від моно- до ди- і полігалогенокарбонових кислот кислотність збільшується. Найсильнішою карбоновою кислотою є трифлуороцтова Р3С—СООН (рА, = 0,23).
Галогенокислоти утворюють наведені в главі 26 функціональні похідні — солі, галогенангідриди, естери, аміди тощо:
№ОН
-Н2О
СН—С
СІ
натрій хлорацетат
сн-с
СІ
хон
хлороцтова кислота
8ОС12
-8О2; -НС1
сн—с
СІ
хлорангідрид хлороцтової кислоти
С2Н5ОН; Н+
<- :
—Н2О
сн2— с
І ОС2Н5
етиловий естер хлороцтової кислоти
Реакції за участі атома галогену. Аліфатичні галогенокарбонові кислоти за участі атома галогену вступають у різні реакції нуклеофільного заміщення, властиві галогенопохідним вуглеводнів. а-Галогенокарбонові кислоти значно більш реак-ційноздатні, ніж галогеналкани. Це зв’язано з електроноакцепторним впливом карбоксильної групи, яка, виявляючи -/-ефект, збільшує рухливість атома галогену. Заміщення здійснюється, як правило, за механізмом 5^2. Так, при взаємодії галогенокарбонових кислот з амоніаком, первинними або вторинними амінами утворюються амінокислоти, при дії калій або натрій ціаніду — ціанокарбонові кислоти:
Глава 27
464
2ГЧ4Н3 СН — СН— СООМН4
-НВг *
СН — СН— СООН Вг а-бромопропіонова кислота КСМ МН, амонійна сіль а-амінопропіонової кислоти СН3—СН—СООН 3 1
- КВг
СN
а-ціанопропіонова кислота
Відношення аліфатичних галогенокислот до водних розчинів лугів залежить від взаємного розміщення атома галогену і карбоксильної групи.
спокирбоїиті кислоти при дії водних розчинів лугів утворюють а-гідроксикислоти: №ОН (Н9О) СН.— сн— СООН —сн.— СН— СООН । —ІчаСІ з ।
СІ он
а-хлоропропіонова кислота молочна кислота
|)-/алогенокарооиові кислоти в присутності водних лугів утворюють р-гідроксикислоти, що при нагріванні відщеплюють воду і перетворюються на а, Р-ненасичені кислоти: N<104 (Н,0) /
СН,—СН,—СООН -----------» СН,—СН—СООН нпн» СН,= СН—СООН
। 2 2 — Гча(_1 " *| 2 । —гІОгі 2
СІ ;0Н Ні
р-хлоропропіонова кислота
р-гідроксипропіонова кислота
акрилова кислота
та । > - / < / /< >, < і а жис. юти за цих умов спочатку утворюють у- або 8-гідроксикислоти, які при нагріванні відщеплюють воду, утворюючи у- або відповідно Ь-лактони — внутрішньомолекулярні (циклічні) естери:
СН —СН —СН —С
СІ
\>Н
N<104 (Н2О)»
-№С1 ’
УРа сн— сн— сн,—с о-Чн.........
хон
І г нон*
у-бутиролактон
у-хлоропропіонова кислота
У ряду ароматичних галогенокарбонових кислот нуклеофільне заміщення атома галогену відбувається за жорсткіших умов. Більш реакційноздатними є атоми галогенів, розміщені в орто- або лара-положенні відносно карбоксильної групи (активовані атоми галогенів розглянуто на с. 262). Так, о-хлоробензойна кислота при нагріванні з аніліном у присутності Си і К2СО3 утворює ЬІ-фенілантранілову кислоту:
СиО; К2СО,; І
-КС1; -С02; -Н20
И-фенілантранілова кислота
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
465
27.1.4. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Хлороцтові кислоти. Хлороцтова кислота С1СН2—СООН — кристалічна речовина (т. пл. 62°С). Використовується у виробництві карбоксиметилцелюлози, гербіцидів, комплексонів.
Дихлороцтова кислота С12СН—СООН — низькоплавка речовина (т. пл. 13°С, т. кип. 194°С). Використовується в органічному синтезі.
Трихлороцтова кислота С13С—СООН — гігроскопічна речовина (т. пл. 58°С). Застосовується в органічному синтезі; її натрієва сіль використовується як гербіцид.
а-Бромізовалеріанова кислота (СН2)3СНСНВг—СООН (2-бром-З-метил-бутанова кислота) — кристалічна речовина (т. пл. 44°С).
Уреїд а-бромізовалеріанової кислоти (бромізовал) використовують у медичній практиці як снодійний засіб, а її етиловий естер входить до складу ряду лікарських препаратів (корвалол, валокардин).
27.2. ГІДРОКСИКИСЛОТИ
Пдроксикислотами називають похідні карбонових кислот, що містять у вуглеводневому радикалі одну або кілька гідроксильних груп.
Залежно від природи вуглеводневого радикала розрізняють аліфатичні гідро-ксикислоти (спиртокислоти) та ароматичні гідроксикислоти (фенолокислоти). Аліфатичні гідроксикислоти за взаємним розташуванням карбоксильної і гідроксильної груп поділяють на а-, 0-, у- та інші гідроксикислоти.
Кількість карбоксильних груп у молекулі гідроксикислоти визначає основність, а кількість гідроксильних груп, включаючи і гідроксили, які входять до складу карбоксильних груп, характеризує атомність. Так, гліколева кислота НО—СН —СООН є одноосновною двохатомною кислотою, а яблучна кислота НООС—СН— СН2—СООН — двохосновною трьохатомною кислотою.
ОН
27.2.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
У ряду гідроксикислот широко використовують емпіричні назви (гліколева, молочна, яблучна, винна, лимонна, саліцилова, галова тощо). Назви гідроксикислот утворюють від тривіальних або систематичних назв відповідних карбонових кислот, додаючи префікс гідрокси-.
У тривіальних назвах положення гідроксильної групи відносно карбоксильної групи позначають за допомогою літер грецького алфавіту а, 0, у і т. д. У систематичних їх назвах використовують цифрові локанти, причому нумерацію починають з атома Карбону карбоксильної групи.
сн—СООН
он
гліколева кислота;
11 іроксноцтова кислота;
11 ірокспетанова кислота
сн—сн—соон
< >н
молочна (лактатна) кислота; а-і і іроі < пропіонова кислота; 2-і і ір< пропанова кислота
ноос—сн— сн2—соон
он
яблучна (малатна) кислота; а- । । же 11 бурштинова кислот; 2-н іроксибутавдіова кислоіа
Глава 27
ОН
ноос—сн— сн—соон ноос—сн2—с—сн2— соон
он он соон
винна (тартратна) кислота; а,а'-дні ілроксибурштинова кислоіа; 2,3- іипдроксибутандіова кислої а лимонна (цитратна) кислота; 2-і ілрокс11-1,2,3-пропантрикарбонова кислота
хч^С00Н
галова кислота;
3,4,5- грій ілрокспбензойна кислота
саліцилова кислота; 2-і ілрокснбензойна кислота
^^сн=сн— соон ^^он
о-і ідроксикорична кислота; 2-і ідроксифенілпропенова кислота
Для гідроксикислот характерна структурна ізомерія, зумовлена різною структурою вуглеводневого радикала, з яким зв’язана карбоксильна група, і різним положенням гідроксигрупи у вуглецевому ланцюзі:
СТРУКТУРНІ ІЗОМЕРИ
сн3 1 3
сн,— сн, — сн—соон сн3—с—соон 3 1 сн3— сн—сн2— соон
ін он с'н
2-гідроксибутанова кислота 2-гідрокси-2-метил-пропанова кислота 3-гідроксибутанова кислота
У ряду гідроксикислот часто зустрічається оптична ізомерія (див. с. 75—77). Молочна кислота містить у своїй структурі асиметричний атом Карбону та існує у вигляді двох оптичних ізомерів (енантіомерів):
СООН
н------ОН
сн3 ї)-(-)-молочна кислота
соон
но—н
сн3
£-(+)-молочна кислота
27.2.2. АЛІФАТИЧНІ ГІДРОКСИКИСЛОТИ
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Гідроліз а-галогенокарбонових кислот. Під дією водних розчинів лугів а-галогенокарбонові кислоти гідролізуються з утворенням а-гідроксикислот:
сн3—сн—соон нонк;ЛаОН» СН3—СН—СООН
з | - ИаВг 3 |
Вг ОН
а-бромопропіонова кислота молочна кислота
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
467
Окиснення гліколів і гідроксиальдегідів (альдолів). Гліколі, що містять хоча б одну первинну гідроксильну групу, і альдолі при окисненні різними окисниками за певних умов можуть бути перетворені в гідроксикислоти:
сн-сн2
| | —Н2°
ОН он
етиленгліколь
сн—соон
он
гліколева кислота
3-гідроксибутаналь
сн— сн—сн — с
[О]
сн,—сн—сн,—с.
он он
3-гідроксибутанова кислота
Гідроліз гідроксинітрилів (ціангідринів). Метод застосовують для добування а-гідроксикислот. При дії на альдегіди або кетони ціановодню утворюються а-гідроксинітрили, які в кислому середовищі гідролізуються з утворенням а-гідроксикислот:
5+ 5—
Н(^
ацетальдегід
он
сн— сн—с=\
2-гідроксипропанонітрил
2НОН; Н
-------►
-МЬЦ
он
сн3—сн—соон
молочна кислота
Гідратація а,0-иенасичених карбонових кислот, а, 0-Ненасичені карбонові кислоти в присутності мінеральних кислот приєднують воду. Реакція перебігає всупереч правилу Марковникова і приводить до утворення 0-гідрокси кислот:
Ґо8-
8+ У 8+ 8- н+
Н2С=СН—Сч + н —он —► н2с—сн2—соон
акрилова кислота
р-гідроксипропіонова кислота
Взаємодія естерів а-галогенокарбонових кислот з карбонільними сполуками {реакція Реформатського). При взаємодії естерів а-галогенокарбонових кислот з карбонільними сполуками в присутності цинку утворюються 0-гідроксикислоти. Реакція проходить через стадію утворення цинкорганічної сполуки:
СН—СООС2Н5 + 7п —►
Вг
етиловий естер бромоцтової кислоти
СН—СООС2Н5
7пВг
цинкорганічна сполука
/А 8-і 7пВг
8+С0 і
сн — + сн—соос2н5
н
ОХпВг
— сн-сн-сн-соосл^^»
-С2Н5ОН
ацетальдегід
Глава 27
468
)Н
—► <_!• СН — сн2— соон
р-гідроксимасляна кислота
Метод розроблений російським хіміком-органіком Сергієм Миколайовичем Реформатським 1887 року.
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За фізичними властивостями гідроксикислоти — безбарвні рідини або кристалічні речовини, розчинні у воді. Багато представників гідроксикислот оптично активні.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність гідроксикислот зумовлена наявністю в їх структурі двох функціональних груп — карбоксильної і гідроксильної.
По карбоксильній групі гідроксикислоти дають усі реакції, властиві карбоновим кислотам. Зокрема, вони утворюють солі, естери, галогенангідриди, аміди. У деякі з цих реакцій одночасно може вступати і ОН-група. Так, при дії на гідроксикислоти галогенуючих реагентів (РС15, 8ОС12 тощо) утворюються галогенангідриди галогенокарбонових кислот:
сн,—сн,—с; ---------------—► сн,—сн,—с^
І 2 2 \ -2РОСІ,; -2НС1 І 2 2 \
1 ОН 1 СІ
ОН СІ
р-гідроксипропіонова кислота хлорангідрид
р-хлоропропіонової кислоти
Гідроксикислоти при взаємодії зі спиртами в присутності концентрованої сульфатної кислоти спочатку перетворюються в естери, а потім можуть утворитися і етери по гідроксильній групі:
сн2—СН—СООН
р-гідроксипропіонова кислота
СН3ОН;Н+ ^тт ^тт СН3ОН;Н+
— ------► сн,—сн,—соосн, -----------------►
-н,о І 2 2 3 -н2°
ОН
метиловий естер р-гідроксипропіонової кислоти
—► сн2—сн2—соосн3
осн3
метиловий естер р-метоксипропіонової кислоти
Порівняно з відповідними незаміщеними кислотами гідроксикислоти виявляють більш виражені кислотні властивості. Це зумовлено електроноакцепторним впливом ОН-групи, яка, виявляючи негативний індуктивний ефект, додатково стабілізує карбоксилат-іон, що утворюється в процесі іонізації. Так, якщо константа іонізації рКа пропіонової кислоти СН3СН2СООН у водному розчині становить 4,87, то для молочної кислоти СН3СН(ОН)СООН вона дорівнює 3,06.
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
469
Сила гідроксикислот зменшується у міру віддалення гідроксильної і карбоксильної груп одна відносно одної (а > 0 > у і т. д.).
За участі гідроксильної групи аліфатичні гідроксикислоти вступають у реакції, характерні для спиртів. Так, вони утворюють етери та естери. Для добування естерів як ацилюючий реагент використовують галогенангідриди або ангідриди кислот. При взаємодії з галогеноводнями (НСІ, НВг) відбувається нуклеофільне заміщення ОН-групи на атом галогену. При окисненні гідроксикислоти перетворюються в альдегідо- або кетокислоти:
сн3—СН—СООН он
* СН —СН—СООН
ососн3
2-ацетоксипропанова кислота
* СН,—СН—СООН
І
СІ
2-хлоропропанова кислота
* СН3—С —СООН
II о піровиноградна кислота
Разом з тим для аліфатичних гідроксикислот характерна низка специфічних властивостей, зумовлених взаємним впливом карбоксильної і гідроксильної груп.
Нагрівання гідроксикислот. а- Гідроксикислоти при нагріванні зазнають міжмолекулярної дегідратації та утворюють циклічні естери — лактиди'.
ОН Н— О. /К. аСН + І
о—н
+ 2Н2О
а-гідроксикислота лактид
Гідроксикислоти при нагріванні піддаються внутрішньомолекулярній дегідратації з утворенням а $-ненасичених кислот'.
к—сн—сн—СООН к— сн=сн—СООН + Н9О
І І
он н
р-гідроксикислота а,р-ненасичена кислота
у- і 5-Гідроксикислоти вже при кімнатній температурі або незначному нагріванні зазнають внутрішньомолекулярної дегідратації з утворенням циклічних естерів — лактонів'.
Глава 27
у Р , Р/---------С
К— СН — СН,— СН,—С ----------------► у/ \ + Н,0
о-н чон к-АЛо
у-гідроксикислота у-лактон
Розщеплення а-гідроксикислот. При нагріванні в присутності концентрованої сульфатної кислоти а-гідроксикислоти піддаються розщепленню по зв’язку С-1—С-2, утворюючи мурашину кислоту і карбонільну сполуку (альдегід або кетон). У свою чергу мурашина кислота при нагріванні з концентрованою сульфатною кислотою розпадається на карбон(ІІ) оксид і воду (див. с. 414):
н ° О О
К-С-с( н28О4(коНІ1.);Ч к_с^ + н_с^ хон к у \^он
К = Н, Аік, Аг СО! Н,0
Ця реакція може бути використана для ідентифікації а-гідроксикислот.
ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Молочна (лактатна, а-гідроксипропіонова) кислота СН3СН(ОН)СООН. Уперше виділена з кислого молока. Молочна кислота утворюється в результаті молочнокислого бродіння вуглеводів.
молом нокислс бродін ня
СЙН,,ОЙ ------------------► 2 сн,— сн— СООН
О і о з |
он
Міститься в кислому молоці, кефірі, мочених яблуках, квашеній капусті, різних соліннях тощо.
Молочна кислота має у своїй структурі один асиметричний атом Карбону і тому існує у вигляді двох оптично активних енантіомерів і оптично неактивної рацемічної форми.
соон соон
н—он но-Н О + Ь = г
сн3 сн3
!)-(—)-молочна кислота £-(+)-молочна кислота (±)-молочна кислота
£-(+)-Молочна кислота утворюється в живих організмах у процесі розщеплення вуглеводів. При інтенсивній фізичній роботі вона накопичується в м’язах, викликаючи характерний біль. Солі та естери молочної кислоти називають лактатами. Кальцій і ферум(ІІ) лактати застосовуються в медицині як лікарські препарати. Кальцій лактат [СН3СН(ОН)СОО]2Са • 5Н2О використовують при захворюваннях, пов’язаних з нестачею кальцію в організмі. Ферум(ІІ) лактат [СН3СН(ОН)СОО]2Ре застосовується при хронічних анеміях.
у-Гідроксимасляна (4-гідроксибутанова) кислота НОСН2СН2СН2СООН. У вільному стані нестійка, легко утворює лактон.
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ к\РБОНОВІ КИСЛОТИ
471
Натрієву сіль у-гідроксимасляної кислоти (натрій оксибутират) використовують в медицині як лікарський засіб для неінгаляційного наркозу.
* Яблучна (малатна, гідроксибурштинова) кислота.
НООССН(ОН)СН2СООН Безбарвна кристалічна речовина, кисла на смак, добре розчинна у воді. Яблучна кислота містить один асиметричний атом Карбону, тому існує у вигляді двох оптично активних енантіомерів і оптично неактивної рацемічної форми:
СООН
ОН
СООН
НО
Б + Ь = г
СН2СООН
сн2соон
7)-(+)-яблучна кислота
Ь-(—)-яблучна кислота
(±)-яблучна кислота
У природі зустрічається Л-(-)-яблучна кислота. Вона міститься в недостиглих яблуках, ягодах горобини, журавлини, малини, барбарису і т. ін.
Яблучна кислота утворюється в живих організмах у процесі обміну вуглеводів, бере участь у циклі трикарбонових кислот (цикл Кребса).
У промисловості широко використовують £-(-)-яблучну кислоту у виробництві вина, фруктових вод і кондитерських виробів, а також у синтезі лікарських засобів.
Створення біоразкладних полімерів
Сучасне суспільство зіштовхнулося з черговою екологічною проблемою — накопиченням величезної кількості побутових відходів, зокрема матеріалів із пластику. Утилізація використаної пластикової тари (пляшок, пакетів, мішків тощо) — найскладніше питання. Ці матеріали не піддаються розкладанню в природних умовах: не гниють у ґрунті, стійкі до атмосферних впливів. Уявіть собі, археологи XXIV століття під час розкопок знайдуть один з пам’ятників нашому суспільству!
Пильну увагу фахівців у сфері «зеленої» хімії, які займаються розробкою безвідхідних і безпечних для навколишнього середовища технологій, привертає молочна кислота СН3СН(ОН)СООН.
Молочна кислота піддається поліконденсації з утворенням аліфатичного поліестеру — полімолочної кислоти (ПМК):
ПМК — біорозкладний полімер, придатний для виготовлення тари (у тому числі і для харчових продуктів), килимових покрить тощо. На його основі створений і успішно застосовується в медицині біосумісний шовний матеріал.
Однак ПМК — дорогий продукт для промислового виробництва. Виготовлення полімерів на основі молочної кислоти вимагає значних і дешевих сировинних джерел. З цією метою передбачається використання картопляних відходів, сироватки тощо. Обидва ці продукти можуть бути легко перетворені в глюкозу, потім — у молочну кислоту, а далі — у ПМК.
Глава 27
4^2
Винна (тартратна, а,а'-дигідроксибурштинова) кислота. Молекула її містить два асиметричних
НООССН(ОН)СН(ОН)СООН
атоми Карбону з однаковим набором замісників. Тому для неї відомі три стереоізомери (див. с. 73) — два оптично активних (2)-(+)-винна і /.-(-)-винна кислоти)
та один оптично неактивний (мезовинна кислота):
( :оон с ЗОО Н с зоон
н— — он но— — Н н— —он
но— —н н— — он н— — он
:оон ( зоон < зоон
7)-(+)-винна кислота Л-(-)-винна кислота мезовинна кислота
Рацемічна форма В- і /.-винних кислот називається виноградною кислотою.
У природі зустрічається тільки 2)-(+)-винна кислота, яку часто називають виннокам’яною кислотою. Особливо високий вміст її у винограді, який є вихідною сировиною для її добування. Винна кислота утворює кислі і середні солі. Кислі солі називають гідротартратами, середні — тартратами. Калій-натрієва сіль винної кислоти називається сегнетовою сіллю — КООССН(ОН)СН(ОН)СОО№'4Н2О.
При взаємодії з купрум(ІІ) гідроксидом у лужному середовищі сегнетова сіль утворює комплекс яскраво-синього кольору, що отримав назву «реактив Фелінга», який використовують для якісного виявлення альдегідної групи (див. с. 388).
При нагріванні в присутності калій гідросульфату винна кислота відщеплює карбон(ГУ) оксид і воду, перетворюючись у піровиноградну кислоту:
НО—СН —СООН
К.Н8О4; і
/СООН с
но—СН—СООН
винна кислота
-Н,0
с
н^ хоон
гідроксималеїнова кислота
О=с— СООН
СН2— СООН
щавлевооцтова кислота
сн,—с —СООН
3 II о
піровиноградна кислота
Лимонна (цитратна, 2-гідрокси-1,2,3-пропантрикарбонова) кислота. Безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 153 °С). У великих кількостях міститься в цитрусових (лимони, апельсини), а також у смородині, малині тощо.
СН2— СООН
но—С—СООН
СН2— СООН
лимонна кислота
Як і яблучна, лимонна кислота — один з найважливіших продуктів обміну речовин, що беруть участь у циклі трикарбонових кислот. Під дією концентрованої сульфатної кислоти лимонна кислота, будучи а-гідроксикислотою, розщеплюється
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ --------------------------------------------------------- 473
з утворенням ацетондикарбонової і мурашиної кислот. Подальше розкладання приводить до утворення ацетону, води, карбон(ІІ) і карбон(ІУ) оксидів:
СН2—СООН СН2—СООН
І Н,8ОЛ (конц.); і І
но—с—соон ——--------► о=с + нсоон
сн2—соон сн2—соон Xх \
сої н2о
сн,—с — СН, 2СОЛ
3 II 3
о
Солі та естери лимонної кислоти називають цитратами.
ОН
ЙабОС—СН,—С—СН,—СО(Жа+
СООИа
натрій цитрат
Тринатрієву сіль лимонної кислоти (натрій цитрат) використовують у медицині для консервування донорської крові.
27.2.3. ФЕНОЛОКИСЛОТИ
Фенолокислотами називають похідні аренкарбонових кислот, в яких один або кілька атомів Гідрогену в ароматичному кільці заміщені на гідроксильні групи.
Найбільш важливі представники фенолокислот:
саліцилова кислота; 2-гілроксибензойна кислота
4- гідроксибензойна кислота
о-гідрокс икорична кислота; 2-гідроксифенілпропенова кислота
галова кислота;
3,4,5-тригідроксибензенова кислота
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Багато фенолокислот містяться у вільному стані або у вигляді естерів у рослинах, з яких їх можна виділити індивідуально. Галову кислоту одержують у результаті гідролізу дубильних речовин.
Синтетичні методи добування фенолокислот ґрунтуються на введенні в структуру фенолів карбоксильної групи (карбоксилювання фенолів) або введенні в молекулу аренкарбонової кислоти фенольного гідроксилу (гідроксилювання ароматичних кислот).
Карбоксилювання фенолів карбон(І¥) оксидом (реакція Кольбе—Шмітта). При дії карбон(ІУ) оксиду на натрій феноксид при температурі 120—140 °С і тиску 5 атм утворюється натрій саліцилат, який потім переводять у саліцилову кислоту:
Глава 27
Г4
0№+
натрій феноксид
неї
-№С1 *
натрій саліцилат
саліцилова кислота
Реакція перебігає за механізмом 8Е. Оскільки карбон(ІУ) оксид виявляє слабкі електрофільні властивості, у реакції використовують не сам фенол, а натрій феноксид, в якому за рахунок +М-ефекту з боку негативно зарядженого атома Оксигену бензенове кільце в реакціях 8Е більш активне, ніж у фенолу.
о-комплекс
натрій саліцилат
неї
-КаСІ *
саліцилова кислота
При більш високих температурах, і особливо якщо використовувати калій феноксид як основний продукт реакції, утворюється 4-гідроксибензойна кислота.
Гідроксилювання аренкарбонових кислот. При нагріванні основних мідних солей ароматичних карбонових кислот відбувається гідроксилювання ароматичного ядра в рр/ио-положенні:
Си(ОН),
-ІЧаОН *
саліцилова кислота
Сплавлення сульфобензойних кислот з лугами. При сплавленні сульфобензойних кислот з лугами сульфогрупа заміщується на гідроксильну групу:
соон
соок
соон
ти-сульфобензойна кислота
КОН (сплавлення)
лі-гідроксибензойна кислота
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
475
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність гідроксикислот зумовлена наявністю в їх структурі карбоксильної групи, фенольного гідроксилу та ароматичного ядра.
За участі карбоксильної групи гідроксикислоти утворюють різні функціональні похідні — солі, галогенангідриди, естери тощо. Так, аналогічно аренкарбоновим кислотам при дії на гідроксикислоти лугів, гідрокарбонатів або карбонатів лужних металів утворюються солі. При цьому з гідрокарбонатами або карбонатами лужних металів у реакцію вступає тільки карбоксильна група. Фенольний гідроксил, маючи слабші кислотні властивості, ніж карбонатна кислота, не здатний витісняти її із солей:
СООН
он
+ N34003
С00№
+ С021 + Н20 он
саліцилова кислота
натрій саліцилат
При дії на фенолокислоти лугів утворюються солі як по карбоксильній групі, так і по фенольному гідроксилу (феноляти):
СООН
ОН
+ 2№0Н —►
саліцилова кислота
аСООИа
+ 2Н2О
0№
динатрієва сіль саліцилової кислоти
При взаємодії фенолокислот зі спиртами утворюються естери, з галогенуючими реагентами (РС15, Р0С13, 8ОС12) — галогенангідриди:
метилсаліцилат
хлорангідрид саліцилової кислоти
Завдяки фенольному гідроксилу фенолокислоти здатні утворювати етери та естери. При ацетилюванні саліцилової кислоти оцтовим ангідридом утворюється ацетилсаліцилова кислота (аспірин):
СООН
+ (СН3СО)2О —► он
СООН
9 + сн.соон
о—с—сн3
ацетилсаліцилова кислота
Подібно до фенолів фенолокислоти утворюють із ферум(ІП) хлоридом фіолетове забарвлення.
Глава 27
АЛЬ ------------------------------------------------------------------------
Фенолокислоти подібно до аренів вступають у реакції електрофільного заміщення по ароматичному ядру. При нітруванні саліцилової кислоти нітруючою сумішшю за м’яких умов утворюється 2-гідрокси-5-нітробензойна кислота:
^.СООН
НТЧО3 (конц.); Н?8О4 (конц.)
- Н2О
2-гідрокси-5-нітробензойна кислота
При нагріванні фенолокислоти досить легко піддаються декарбоксилюванню:
саліцилова кислота
+ со2ї
+ со2і
ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Саліцилова (о-гідроксибензойна) кислота. Біла кристалічна речовина (т. пл. 159°С), легко сублімується, при сильному швидкому нагріванні декарбоксилю-ється, розчинна в гарячій воді.
^^.СООН
Саліцилова кислота виявляє вищу кислотність (рКа = 2,98), ніж бензойна кислота (рКа = 4,17), а також мета- або иара-гідроксибензойні кислоти. Підвищена кислотність саліцилової кислоти зумовлена додатковою стабілізацією аніона завдяки утворенню внутрішньомолекулярного водневого зв’язку:
Саліцилова кислота використовується в медицині у вигляді спиртових розчинів та мазей як антисептичний лікарський засіб. Вона також слугує сировиною для синтезу інших лікарських засобів, таких як натрій саліцилат, метилсалі-цилат, фенілсаліцилат (салол), саліциламід, оксафенамід, ацетилсаліцилова кислота (аспірин).
Хімічні перетворення, пов’язані із синтезом цих лікарських препаратів, зображено на схемі:
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
477
натрій саліцилат
РОС13; С6Н5О№
—МаСІ; -№РО3
фенілсаліцилат; салол
(СН3СО)2О
-СН3СООН*
метилсаліцилат
МН3
-сн3он *
а соон о II о—с—сн3
ацетилсаліцилова кислота; аспірин
натрій саліцилат, метилсаліцилат і саліциламід
НО
Ацетилсаліцилова кислота, застосовуються в медицині як анальгетичні, протизапальні і жарознижуючі засоби. Фенілсаліцилат використовують як антисептичний засіб при захворюваннях кишечнику. Оксафенамід виявляє жовчогінну дію.
Галова (3,4,5-тригідроксибензойна) кислота. Біла крис-м талічна речовина (т. пл. 220°С), добре розчиняється у воді,
гппн ПРИ нагРЇванн* піддається декарбоксилюванню з утворен-С-ООН ням пірогалолу; легко окиснюється на повітрі і темніє.
Уперше ця кислота була виділена з французького вина, а оскільки Франція в давні часи називалася Галлією, звідси і походить назва «галова кислота». Галова кислота входить до складу дубильних речовин, що містяться в чорнильних горішках (наростах на листках деяких видів дуба, які утворюються внаслідок уколу комах — горіхотворок), дубовій корі, листках чаю і деяких інших рослин. Головною складовою частиною дубильних речовин є таніни, що являють собою глікозиди галової кислоти.
Водні розчини таніну мають здатність зсідати та осаджувати білки. На цій властивості ґрунтується дубильна дія таніну, а також його застосування в медицині як кровоспинного засобу і при лікуванні опіків.
Галова кислота використовується в синтезі барвників, а також для добування пірогалолу і як аналітичний реагент.
о-Гідроксикорична кислота. Як і інші ненасичені карбонові кислоти з подвійним зв’язком, о-гідроксикорична кислота може існувати у вигляді двох геометричних ізомерів, цис- Ізомер називаєть-СН=СН — СООН ся кумариновою кислотою, а транс-ізомер — орто-кумаровою'.
ОН
Глава 27
4~Х
кумаринова кислота
орто-кумарова кислота
Кумаринова кислота у вільному стані не відома; вона існує лише у вигляді похідних (солей). При спробі виділення у вільному стані кумаринова кислота відщеплює молекулу води і перетворюється в лактон, названий кумарином:
\/()и
Т КаО. ^О
с=с. н н
неї -----►
-№СІ
. .О—П
н но.
.с=с.
н н
—н,о
кумарин
натрієва сіль кумаринової кислоти
кумаринова кислота
Кумарин — кристалічна речовина, що має приємний запах. Похідні кумарину дуже поширені в рослинному світі. Деякі з них використовують у медицині для профілактики і лікування тромбофлебітів (неодикумарин, фепромарон, див. с. 592). транс-Ізомер — орто-кумарова кислота — відносно стійкий у вільному стані.
27.3. ОКСОКИСЛОТИ
Оксикислотами називають органічні сполуки, які містять у своєму складі карбоксильну та карбонільну (альдегідну, кетонну) групи.
Для них використовують також назви «оксокарбонові кислоти», «альдегідо-і кетокислоти». Залежно від взаємного розташування функціональних груп розрізняють а-, 0-, у- та інші оксокарбонові кислоти.
27.3.1. НОМЕНКЛАТУРА
Як і в ряду гідроксикислот, для багатьох оксокислот широко використовують емпіричні назви (гліоксалева, піровиноградна і т. ін.). За замісниковою номенклатурою ШРАС назви оксокислот утворюють із систематичних назв карбонових кислот і префікса оксо-. Положення оксогрупи позначають за допомогою цифрових локантів.
У тривіальних назвах альдегідокислот використовують префікс форміл-, кетокислот — кето-. У разі потреби положення кетогрупи позначають літерами грецького алфавіту а, 0, у і т. д.
%
С—СООН н
з 2 1
с—СН —СООН нх
гліоксалева кислота;
оксоетанова кислота;
формілмурашина кислота
малональдсі ідна кислота;
3-оксопропанова кислота;
форм і.іоцтова кислота
СН,—С —СООН II о
піровиноградна кислота; 2-оксопропанова кислота; а-кстопропіонова кислота
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
479
сн,—с—сн7— СООН II о
ацетооцтова кислота;
3-оксобутанова кислота;
0-кстомасляна кислота
ноос—с—соон
мезоксалева кислота;
< пропандіова кислота;
^сюмалонова кислота
ноос—с—сн,—соон II о
щавлевооцтова кислої сі;
оксобутантіова кислої^; ксіобурштинова кислота
27.3.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Окиснення гідроксикислот. Гідроксикислоти, які містять первинну гідроксильну групу, при окисненні за м’яких умов утворюють альдегідокислоти, гідроксикислоти з вторинною гідроксигрупою — кетокислоти:
сн—соон
он
гліколева кислота
- Н2О
С—СООН
гліоксалева кислота
сн—сн—соон
[О]
—н2о
сн3—с—соон
ОН
молочна кислота
о
піровиноградна кислота
Гідроліз гемінальних дигалогенокарбонових кислот. Гемінальні дигалогенокарбо-нові кислоти залежно від положення атомів галогенів (в кінці вуглецевого ланцюга або в середині) при гідролізі утворюють альдегідо- або кетокислоти:
°Ч
С—СООН н
СІ
/СН —соон
СІ
Н2О -2НС1
дихлороцтова кислота
гліоксалева кислота
сн—с—соон сґ ХС1
Н2О
-2НС1
сн—с—соон
2,2-дихлоропропанова кислота
о
піровиноградна кислота
27.3.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Альдегідо- і кетокислоти є сильніші кислоти порівняно з відповідними карбоновими кислотами, що пов’язано з елекгроноакцепторним впливом карбонільної групи (-/-ефект).
Реакційна здатність оксокислот зумовлена наявністю в їх структурі карбоксильної та альдегідної або кетонної груп.
По карбоксильній групі вони утворюють функціональні похідні — солі, естери, аміди тощо; по карбонільній — вступають у реакції нуклеофільного приєднання, властиві альдегідам і кетонам, зокрема утворюють гідразони, оксими, ціангідрини
Глава 27
480
і т. д. Альдегідокислоти легко окиснюються, утворюючи дикарбонові кислоти. Оксокислоти мають і низку специфічних властивостей-, а- і [3-оксокислоти порівняно легко піддаються декарбоксилюванню.
а- Оксокислоти в присутності концентрованої сульфатної кислоти відщеплюють карбон(ІУ) оксид і перетворюються в альдегід:
/°
сн3—с—соон Нг5°4(конц-) » сн3—+ со,і
& Чн
піровиноградна кислота ацетальдегід
Дуже легко піддаються декарбоксилюванню ^-оксокислоти. Так, ацетооцтова кислота вже при кімнатній температурі або незначному нагріванні відщеплює карбон(ІУ) оксид, утворюючи ацетон. Припускають, що процесу декарбоксилю-вання сприяє утворення внутрішньомолекулярного водневого зв’язку:
о н3с^ /СН?\
II хс 2с
СН,—С—СН,—СООН II І -------------
32 О. О -со^
ацетооцтова кислота * * Н
—► сн,—сЛн, —<=► сн,—с— сн,
>1 2 3 II 3
к:ОН О
ацетон
На відміну від кислот естери 0-оксокислот — досить стійкі сполуки. Важливе значення в органічному синтезі має етиловий естер ацетооцтової кислоти, який зазвичай називають ацетооцтовим естером'.
СНз-С\
СН— С\
ХОС2Н5
ацетооцтовий естер
За фізичними властивостями ацетооцтовий естер безбарвна рідина з приємним фруктовим запахом (т. кип. 181 °С). Його добувають естеровою конденсацією етилацетату (див. конденсація Кляйзена, с. 450).
2 СН— С\ хос2н5
етилацетат
С2Н5О№+
-с2н5он
/> снз-< .О сн— с'
'ос2н5
ацетооцтовий естер
Ацетооцтовий естер — таутомерна сполука. Для нього характерна кето-енольна таутомерія, зумовлена наявністю в структурі молекули СН-кислотного центру (рухливі атоми Гідрогену метиленової групи) і основного центру — атома Оксигену кетонної групи. Рухливість атомів Гідрогену метиленової групи пов’язана з елект-роноакцепторним впливом карбонільної та естерної груп за рахунок -/-ефекту:
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
481
основний центр
СН-кислої ніш пси і
хос2н5
о
У результаті міграції протона Н+ від метиленової групи до атома Оксигену кетонної групи утворюється енольна форма:
СН3—С^-С->С Со8- й5+ ОС2Н
>
сн — с=сн— с
он
ХОС2Н5
кетонна форма
енольна форма
Енольна форма енергетично менш вигідна, ніж кетонна. У спиртовому розчині ацетооцтовий естер існує в рівноважній суміші, яка складається на 92,5% з кетонної і на 7,5 % — з енольної форми. Такий порівняно високий вміст енольної форми пов’язаний з утворенням кон’югованої системи і внутрішньомолекулярного водневого зв’язку, які додатково стабілізують цю форму:
нз<4 Ссн^ -рс2н5
6+ ,о£ н-’
У хімічних перетвореннях ацетооцтовий естер залежно від природи реагенту поводиться як кетон або енол.
За участі кетонної форми ацетооцтовий естер піддається відновленню воднем у момент виділення, утворює ціангідрин при взаємодії з НСГ4, гідросульфітну похідну — з N311803, а також вступає в інші реакції, характерні для кетонів:
СН3— С— СН2— СООС2Н5
О
———► сн — сн — сн2— СООС2Н5
он
етиловий естер р-гідроксимасляної кислоти
СN
нс\ ।
-------► сн3—с—сн2—СООС2Н5
он
ціангідрин ацетооцтового естеру
8О3Ма
МаНЗО, І
-------► сн3—с—СН2—СООС2Н5
он
гідросульфітна прохідна ацетооцтового естеру
Глава 27
482
Наявність енольної форми зумовлює здатність ацетооцтового естеру знебарвлювати бромну воду. Приєднання брому за місцем розриву подвійного зв’язку проходить своєрідно:
Вг
СН,—С = СН —СООС9Н5 + Вг. —► СН,—С—СН—СООС,Н5 + НВг
з । х з — з ц X з
он о
ацетооцтовий естер а-бромацетооцтовий естер
Механізм реакції'.
СН3— с—сн— СООС2Н5 + Вг2
8+ 8-
Вг->Вг
| 8-
СН3— С = СН—СООС,Н з І \
ОН
7Г-КОМПЛЄКС
Вг Вг
+ І І
—► СН3—С—СН—СООС,Н, --------------сн,— с— сн—СООС,Н3
З | 2 5 —н з Ц 2 5
^:О—Н О
карбокатіон
В енольній формі ацетооцтовий естер дає фіолетове забарвлення з ферум(ІП) хлоридом.
За участі енольної форми ацетооцтовий естер вступає в реакцію ацилювання. Так, при взаємодії з ацетилхлоридом у середовищі піридину утворюється О-ацетильна похідна.
О
СН3—С = СН —СООС2Н5 + СН—С^ —► СН—С=СН—СООС2Н5 + НСІ
І СІ '
он ососн3
ацетооцтовий естер ацетилхлорид етиловий естер
р-ацетокси кротонової кислоти
Реакція ацетооцтового естеру з металічним натрієм або натрій гідроксидом проходить по енольній формі і приводить до утворення натрійацетооцтового естеру:
2 СН,— С=СН—СООС,Н3 + 2№ —► 2 СН3—С = СН—СООС,Н, + Н,
З । х. З 3 । -4 3 2-
ОН (Жа+
ацетооцтовий естер натрійацетооцтовий естер
Натрійацетооцтовий естер широко використовується в органічному синтезі. Він містить у своєму складі амбідентний аніон (аніон із двоїстою реакційною здатністю). З погляду теорії резонансу будову аніона можна зобразити у вигляді двох граничних структур:
СН3—С = СН—СООС2Н5 <—► СН3—С —СН—СООС2Н5
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
483
Натрійацетооцтовий естер легко реагує з галогеналканами. Алкілювання відбувається не по атому Оксигену, як можна було очікувати, а по атому Карбону (С -алкілювання):
С2Н5
СН,—С=СН—СООСДЬ Ма++ С7НД —► СН,— С — СН—СООС,Н, + N31
□ | Л З Л З 3 ц £ з
сг о
натрійацетооцтовий естер
етилацетооцтовий естер
Характерна властивість ацетооцтового естеру — здатність до кетонного і кислотного розщеплення.
Кетонне розщеплення ацетооцтового естеру відбувається при нагріванні в присутності розведених розчинів кислот або лугів. У цих умовах ацетооцтовий естер гідролізується по естерній групі з утворенням етилового спирту та ацетооцтової кислоти, яка легко декарбоксилюється, утворюючи ацетон (кетон): сн3-с—сн-соос2н5 н+аб:Хн20) > сн-с-сн-соон
о о
ацетооцтовий естер ацетооцтова кислота
сн,—с—сн II о
ацетон
Під дією концентрованих розчинів лугів гідролітичному розщепленню піддається естерова група і вуглець-вуглецевий зв’язок С-2—С-3. Унаслідок реакції утворюється молекула етилового спирту і дві молекули солі оцтової кислоти. Ця реакція називається кислотним розщепленням ацетооцтового естеру:
СН,— С— СН,— СООС,Н, №ОН(кон")>> 2СН—СОО№ + С,Н,ОН
з ц £ Л З З Л з
о
Механізм реакції:
ОН
сн—с—сн2—соос2н5 <°н > СН— С-^СН2— СООС2Н5 —►
С сі-
—► сн3—с—о—н + сн,—соос,н, -------------►
3 II 2 2 5 -сн3соо
о
нон- он
—► СН—СООС2Н5 ----------► СН—СОО“ + с2н5он
Ацетооцтовий естер використовується в органічному синтезі для добування різних кетонів і карбонових кислот. Розглянемо, наприклад, як з ацетооцтового естеру можна одержати бутанон або пропіонову кислоту. Для цього під дією натрій етоксиду ацетооцтовий естер спочатку перетворюють у натрійацетооцтовий естер, який потім алкілюють і піддають кетонному або кислотному розщепленню:
Глава 27
484
сн,— с— СН,—СООС,Н, II О
сн3— с=сн—СООС2Н5 о-
Сімома» | + сн3і
-С2Н5ОН І -ИаІ
сн3— с— сн—соос,н,
II о
натрійацетооцтовий естер
сн,—с—сн—соос,н
II 2
о
метилацетооцтовий естер
Н+або ОН (Н.О) ----------------►
кетонне розщеплення
Г\'а()Н (кони )
КИС.1О1 НС ро ПИСІ І. ІЄНІ ІЯ
сн,—С—СН,—СН, + С,Н,ОН + СО,І
з ц X З X X
о
бутанон
СН3— С00№+ СН,—СН,—СОО№ + С2Н5ОН
натрій ацетат натрій пропіонат
Ацетооцтовий естер широко використовується в синтезі різних гетероциклічних сполук (див. с. 555), лікарських речовин і барвників. Вживається як ароматизатор харчових продуктів.
27.3.4. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
СН___с___СООН Піровиноградна (2-оксопропанова) кислота. Безбарвна рі-
3 ц дина (т. кип. 165°С), розчинна у воді, спирті, етері. Уперше
О була виділена піролізом виноградної кислоти, звідки й отри-
мана назва. Нині одержують перегонкою винної кислоти в присутності калію гідросульфату (див. с. 472).
Піровиноградна кислота — проміжний продукт обміну вуглеводів і білків у живих організмах, один з основних метаболітів у циклі трикарбонових кислот. Утворюється також при кислотному і спиртовому бродінні вуглеводів.
Піровиноградну кислоту використовують у виробництві лікарських речовин, наприклад атофану (цинхофену).
Щавлевооцтова (2-оксобутандіова) кислота. Ця НООС—С—СН2—СООН кислота є одночасно а- і 0-кетокислотою. У жи- II
вих організмах щавлевооцтова кислота бере участь О
у циклі трикарбонових кислот, де утворюється при окисненні яблучної кислоти, а надалі перетворюється в лимонну кислоту.
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
485
а-Кетоглутарова (2-оксопентандіова) кис-
НООС____(з__сн_____СН —СООН лота- Біла кристалічна речовина (т. пл. 115—
Ц 2 2 116°С), розчиняється у воді і етанолі. Має
О важливе біохімічне значення, бере участь
у циклі трикарбонових кислот.
27.4. АМІНОКИСЛОТИ
Амінокислотами називають похідні карбонових кислот, у вуглеводневому радикалі яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені на аміногрупу.
Залежно від природи вуглеводневого радикала, з яким зв’язана карбоксильна група, амінокислоти поділяють на аліфатичні та ароматичні. Аліфатичні амінокислоти за взаємним розташуванням аміногрупи і карбоксильної групи підрозділяють на а-, 0-, у- та інші амінокислоти. Найбільш розповсюджені в природі а-амінокислоти, що входять до складу білків.
27.4.1. НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ
Назви амінокислот утворюють від тривіальних або систематичних назв відповідних карбонових кислот і префікса аміно-. У випадку тривіаіьщ^ ..: .. для позначення положення аміногрупи відносно карбоксильної групи використовують літери грецького алфавіту а, 0, у і так далі; у систематичних їх .іиюч\ — цифрові локанти, причому починають нумерацію з атома Карбону карбоксильної групи. Для амінокислот, що входять до складу білків, найчастіше застосовують тривіальні назви (гліцин, валін тощо). Ароматичні амінокислоти бензенового ряду розглядають як похідні бензойної кислоти.
СН—СООН
мн2
гліцин;
амінооцтова кислота;
аміноетанова кислота
СН,—СН—СН,—СООН
3 І 2
N Н2
р-аланін;
р-аміномасляна кислота;
3-амінобутанова кислота
СООН
сн — сн2— СН2—СООН
ТЧН2
сн3—СН—СООН
МН2 а-аланін; а-амінопропіонова кислота; 2-амшопропанова кислота
антранілова кислота;
у-аміномасляна кислота; о-а\пнобензойна кислота;
4-амінобутанова кислота 2-амиіобензойна кислота
л-амінобензойна кислота;
4-а\пнобензойна кислота
Ізомерія амінокислот аналогічна ізомерії гідроксикислот. Вона може зумовлюватись різною структурою вуглеводневого радикала, з яким зв’язана карбоксильна група, і різним положенням аміногрупи у вуглецевому ланцюзі {структурна ізомерія); для амінокислот, які містять асиметричний атом Карбону, ізомерія пов’язана з різним розміщенням замісників у просторі {оптична ізомерія).
Глава 27
486
27.4.2. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Існують численні способи добування амінокислот.
Амоноліз галогенокарбонових кислот. При взаємодії галогенокарбонових кислот з амоніаком атом галогену заміщується на аміногрупу. Через доступність а-галогенокарбонових кислот цей метод переважно застосовують для добування а-амінокислот:
СН —СН—СООН + 2МН3 —► СН —СН—СООН + ГШ4С1
СІ Г4Н2
а-хлоропропіонова кислота а-амінопропіонова кислота
Дія амоніаку і ціанідної кислоти на альдегіди (синтез Штреккера). Спосіб застосовують для синтезу а-амінокислот. При взаємодії альдегідів з амоніаком спочатку утворюється альдімін, який у присутності ціанідної кислоти перетворюється на а-амінонітрил. Продукт легко гідролізується до кислоти:
сн—с н
сн—с н
НСМ
----►
ацетальдегід альдімін
сн — сн—
мн2
2-амінопропанонітрил
2Н,О; Н+
-МН,
СН —СН—СООН
гчн2
а-амінопропіонова кислота
Приєднання амоніаку до а.|3-ненасичених кислот. При дії амоніаку на а, Р-ненасичені кислоти утворюються Р-амінокислоти. Приєднання амоніаку відбувається всупереч правилу Марковникова:
8+
Н2С —СН—СООН + Г4Н3
акрилова кислота
Н2С—СН—СООН
г<н2
р-амінопропіонова кислота
Відновлення нітробензойних кислот. При відновленні нітробензойних кислот в умовах реакції Зініна утворюються відповідні амінобензойні кислоти:
СООН
[Н]
—2Н2О *
N02
СООН
л-нітробензойна кислота
л-амінобензойна кислота
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
487
27.4.3. ФІЗИЧНІ І ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
__СН____СОО- Амінокислоти — це білі кристалічні речовини з високими |______температурами плавлення, добре розчинні у воді. Унаслідок на-
ТЧН3 явності в структурі кислотного центру (група —СООН) і основ-
ного центру (група —Г4Н2) а-, 0-, у-, 5-, є- і со-амінокислоти цвітер юн кристалізуються з нейтральних водних розчинів у вигляді внутрішніх солей (цвітер-іонів).
Для аміноаренкарбонових кислот це є менш імовірним через нижчу основність аміногрупи.
У хімічному відношенні амінокислоти виявляють властивості первинних амінів і карбонових кислот. По карбоксильної групі вони утворюють функціональні похідні карбонових кислот — солі, естери, аміди, галогенангідриди.
За участі аміногрупи амінокислоти утворюють солі з мінеральними кислотами, вступають у реакції алкілювання, ацилювання, реагують з нітритною кислотою, а також вступають в інші реакції, властиві первинним амінам. Амінокислоти мають амфотерний характер, оскільки утворюють солі як з мінеральними кислотами, так і з основами.
Деякі хімічні перетворення амінокислот зображені на схемі:
Реакції по аміногрупі р Стт ГАЙЦ < 1 Реакції по карбоксильній групі ^аОН п
К О її ЄООП +| МН3СІ хлороводнева сіль К'І — к—сн—соон — ТЧН2 -н2о ' । мн2 натрієва сіль КОН
к Сгі соогі мнк 1Ч-алкілпохідна К'СОСІ р л-*тт С'ҐЛОКГ -н2о К । СООК мн2 естер К'МН, ~ р С'І-Г ГО\І ИР' *
К Сп СООН < । неї ГШСОК М-ацилпохідна нмо2 -нон* К уН СО^НК МН2 амід РС1 5 р ГІІ *
К Сп СООгІ * 1 -N2; он -Н2° гідроксикислота -росі/ К 9Н С0С1 -НСІ мн2 хлорангідрид
Амінокислоти мають специфічні властивості, обумовлені взаємним впливом карбоксильної групи та аміногрупи.
Нагрівання амінокислот. При нагріванні а-, 0-, у- і 5-амінокислот утворюються різні продукти.
Реакції проводять після попереднього захисту аміногрупи.
Глава 27
488
\мишкис.іоти при нагріванні зазнають міжмолекулярної дегідратації, утворюючи при цьому циклічний діамід — дикетопіперазин:
н н
0^ /ОН Н—N. /СН, аСН 3 , 1 + 1 “СН с. Н3С^ ^-N—11 НО^ 3 1 0^. /^ /СН, ^с сн 3 | І + 2Н2О НС Н3С^ ^0 3 1
н н
а-амінопропіонова кислота 3,6-диметил-2,5-дикетопіперазин
Амінокислоти при нагріванні відщеплюють молекулу амоніаку, утворюючи а$-ненасичені кислоти: Р а СН—СН—СН—СООН сн—сн=сн—СООН + ТЧН3І
ічн2 н
р-аміномасляна кислота кротонова кислота
у- і д-Лмінокислоти при нагріванні зазнають внутрішньомолекулярної дегідратації, утворюючи циклічні аміди — лактами:
1 Р а /Р СН —СН —сн —С\ І хон
+ Н.О о
м—н
н
Н
у-аміномасляна кислота
у-бутиролактам
Взаємодія а-амінокислот з нінгідрином. При дії нінгідрину на а-амінокислоти утворюється барвник синьо-фіолетового кольору. Реакція проходить у дві стадії. На першій стадії під дією нінгідрину відбувається окисне дезамінування амінокислоти та її декарбоксилювання. На другій стадії реакції амоніак, що виділився, реагує з еквімолярними кількостями вихідного та відновленого нінгідрину, утворюючи барвник синьо-фіолетового кольору (синій Руемана):
а-амінопропіонова кислота нінгідрин
відновлений нінгідрин
відновлений нінгідрин
барвник
Нінгідринова реакція використовується для якісного визначення а-амінокислот.
ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ
489
27.4.4. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Амінооцтова (аміноетанова) кислота (глікокол, гліцин). Біла Н2МСН2СООН кристалічна речовина (т. пл. 232—236°С з розкладанням), добре розчиняється у воді, не розчиняється в більшості органічних розчинників. У складі білків зустрічається частіше, ніж інші а-амінокислоти.
Амінооцтова кислота (гліцин, гліцисед) застосовується в медицині як метаболічний засіб при погіршенні пам’яті, розумовій відсталості в дітей, старечому слабоумстві, алкоголізмі тощо).
у-Аміномасляна (4-амінобутанова) кислота (ГАМК). Н2МСН2СН2СН2СООН Біда кристалічна речовина (т. пл. 202°С), добре розчиняється у воді. ГАМК утворюється в живих організмах при декарбоксилюванні глутамінової кислоти. Є нейромедіатором, який бере участь в обмінних процесах головного мозку.
у-Аміномасляна кислота (аміналон) використовується в медицині для лікування нервово-психічних захворювань, при ослабленні пам’яті, порушеннях мозкового кровообігу і т. ін. ГАМК широко використовують у синтезі лікарських препаратів (пірацетам, фенібут і т. ін.).
„„„„ є-Амінокапронова (6-аміногексанова) кис-Н2^СН2СН2СН2СН2СН2СООН лота Біда кристалічна речовина (т. пл. 372°С), легко розчиняється у воді. Використовується в медицині як кровоспинний засіб (інгібітор фібринолізу).
г-'Гкгчл Антранілова (о-амінобензойна) кислота. Біла кристалічна речо-СООН вина (т. пл. 145°С), практично не розчиняється у воді.
Антранілову кислоту використовують у виробництві барвників МН2 і лікарських засобів. На основі антранілової кислоти створений один з найефективніших нестероїдних протизапальних препаратів — мефенамова кислота.
н2и
мефенамова кислота;
2-[(2,3-Диметилфеніл)аміно]бензойна кислота
л-Амінобензойна кислота (ПАБК). Біла кристалічна гппи речовина (т. пл. 186°С), малорозчинна у воді. Входить СООН до склаДу фолієвої кислоти, що відіграє роль ростового фактора для деяких мікроорганізмів.
Естери л-амінобензойної кислоти широко використовуються в медицині як місцевоанестезуючі засоби: анестезин (етиловий естер л-амінобензойної кислоти), новокаїн (Р-діетиламіноетилового естеру л-амінобензойної кислоти гідрохлорид) і т. ін.:
Н2М
анестезин; бензокаїн
С00С2Н5
н2м
СООСН2СН^(С2Н5)2 • неї
новокаїн
Глава 27
490
27.5. ІДЕНТИФії іЯ ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНИХ КАг іОВИХКИСЛОТ
Хімічні методи. Хімічні методи ідентифікації заміщених карбонових кислот зводяться до доведення наявності відповідних функціональних груп. Так, присутність карбоксильної групи можна довести за утворенням солей, естерів, амідів.
Атом галогену в галогенокарбонових кислотах визначають реакцією з аргентум нітратом А£>Ю3 після сплавлення речовини з натрієм.
Для визначення спиртової групи в гідроксикислотах використовується реакція естерифікації або дегідратації при нагріванні, а-Гідроксикислоти при нагріванні утворюють важкорозчинні у воді лактиди. Р-Гідроксикислоти при кип’ятінні з 10%-вим розчином натрій гідроксиду утворюють ненасичені кислоти, в яких наявність подвійного зв’язку визначають відомими методами. у-Гідроксикислоти легко утворюють лактони, які відновлюють літій алюмогідридом ЬіА1Н4 до двохатомних спиртів, що легко піддаються ідентифікації.
Подібно до фенолів фенолокислоти дають з ферум(ІІІ) хлоридом фіолетове забарвлення.
Карбонільну групу в оксокислотах визначають за її здатністю утворювати нерозчинні кристалічні осади з гідроксиламіном, гідразинами, семікарбазидом і тіосемікарбазидом.
Для ідентифікації а-амінокислот використовують нінгідринову реакцію.
Фізичні методи. Уведення галогену в а-положення карбонової кислоти зміщує смугу валентних коливань карбонільної групи в ІЧ-спектрі вбік більш високих частот на 10—20 см-1.
Через утворення внутрішньомолекулярного водневого зв’язку поглинання карбонільної групи в а-гідроксикислотах зміщено вбік низьких частот.
Оскільки а-амінокислоти існують у вигляді внутрішніх солей, для них у ІЧ-спектрах характерна широка сильна смуга у“н+ в ділянці 3100—2600 см~', а також слабка смуга при 1550—1485 см-1. Карбоксилат-аніон має сильну смугу поглинання в ділянці 1590 см-1 і слабку — при 1400 см-1. Ці смуги пов’язані з асиметричними і симетричними валентними коливаннями зв’язку С—О.
Глава 28
ПОХІДНІ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ
Карбонатна (вугільна) кислота — нестійка сполука, яка легко НО С—ОН розкладається на карбон(ІУ) оксид і воду. Формально карбонат-
ні ; ну кислоту можна розглядати як двохосновну карбонову кислоту. Карбонатна кислота як двохосновна утворює два ряди функціональних похідних — неповні і повні га.іо.'снангідриди, естери, аміди, а також змішані функціональні похідні — естери хлорокарбонатної кислоти, естери карбамінової кислоти (уретани) тощо.
сі—с—он сі—С—СІ но— с—ос,н
II II II
0 0 0
монохлорангідрид дихлорангідрид моноетиловий естер
карбонатної кислоти; карбонатної кислоти; карбонатної кислоти;
хлорокарбонатна кислота фосген моноетилкарбонат
С7Н$О—С—ОС,Н$ II О діетиловий естер карбонатної кислоти; діетил карбонат
н^—с—он
моноамід карбонатної кислоти; карбамінова кислота
Н.м — с — N4
О
діамід карбонатної кислоти; карбамід;
сечовина
сі —с—ос,н, II о
етиловий естер хлорокарбонатної кислоти
н,м —с—ос,н II о
етиловий естер карбамінової кислоти; уретан
28.1. ХЛОРАНГІДРИДИ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ
Теоретично для карбонатної, як двохосновної кислоти, можна припустити існування двох типів хлорангідридів — неповного (монохлорангідриду) і повного (дихлорангідриду). Монохлорангідрид отримав назву «хлорокарбонатна (хлорову-гільна, хлоромурашина) кислота», а дихлорангідрид — «фосген»'.
СІ —С—ОН СІ —С—СІ
II II
О о
хлорокарбонатна кислота фосген
Хлорокарбонатна кислота у вільному стані не існує. У момент утворення вона розпадається на карбон(ІУ) оксид і хлороводень. Однак естери хлорокарбонатної кислоти — досить стійкі сполуки.
Глава 28
492
Дихлорангідрид карбонатної кислоти (фосген) за звичайних умов є газоподібною речовиною з запахом прілого сіна. Важчий за повітря в 3—4 рази, малорозчинний у воді. Фосген дуже отруйний. При вдиханні викликає набряк легень. У Першу світову війну використовувався як бойова отруйна речовина.
Добувають фосген взаємодією карбон(ІІ) оксиду з хлором на світлі:
СО + СІ, сі—с —СІ
о
фосген
У хімічному відношенні фосген виявляє властивості галогенангідридів карбонових кислот. Так, у присутності води фосген повільно гідролізується з утворенням карбон(ІУ) оксиду і хлороводню:
СІ—С—СІ + Н,0 —► СО, + 2НС1
II
О
З еквімолярними кількостями спиртів фосген утворює естери хлорокарбонатної кислоти:
СІ—С—СІ + СН3ОН —► СІ—С —ОСН3 + НС1
II II
о о
метиловий естер хлорокарбонатної кислоти
Естери хлорокарбонатної кислоти — це рідини з удушливим запахом, викликають сльозотечу. Вони містять у своїй структурі рухливий атом Хлору, що дозволяє широко використовувати їх в органічному синтезі. У хімічному відношенні вони виявляють властивості галогенангідридів і естерів.
У присутності надлишку спирту або алкоголяту фосген утворює повний естер карбонатної кислоти:
СІ—С—СІ + 2СН3ОН —► СН3О —С —ОСН3 + 2НС1
II II
о о
диметиловий естер карбонатної кислоти
При дії на фосген амоніаку атоми Хлору заміщаються на аміногрупи і утворюється діамід карбонатної кислоти — карбамід {сечовина)'.
СІ—С—СІ + 2ТЧН3 —► Н,1Ч — С — ИН, + 2НС1
II II
О О
сечовина
У промисловості фосген використовується в синтезі лікарських засобів, а також для виробництва барвників, пластмас тощо.
28.2. АМІДИ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ
Карбонатній кислоті відповідають два аміди — неповний (моноамід) і повний (діамід). Неповний амід називається карбаміновою кислотою, а повний — сечовиною, або карбамідом.
ПОХІДНІ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ
493
НА —С —ОН II О
карбамінова кислота
НА — с—N4, II О
сечовина; карбамід
Карбамінова кислота у вільному стані не відома, однак її солі та естери — досить стійкі сполуки.
Естери карбамінової кислоти називають уретанами.
Уретани добувають дією амоніаку на естери хлорокарбонатної кислоти або ді-естери карбонатної кислоти:
СІ—С —ОСН3 + ИН3 —►
н2м—с—осн3 + неї
метиловий естер хлорокарбонатної кислоти
метиловий естер карбамінової кислоти
с2н5о—с—ОС2Н5 + ?4Н3 —► н2гч — с—ОС2Н5 + с2н5он
о о
діетиловий естер етиловий естер
карбонатної кислоти карбамінової кислоти
Уретани — безбарвні кристалічні речовини, що виявляють властивості амідів і естерів. У пошуках центральних міорелаксантів був синтезований мепротан (ме-пробамат), який прийнято вважати родоначальником малих транквілізаторів. Має снотворну і транквілізуючу дії.
О СН3 О
II І II
н2м—с—о—сн2—с—сн2—о—с—мн2
сн2—сн—сн3
мепротан;
мепробамат;
2-метил-2-пропіл-1,3-пропандіол дикарбамат
Значний інтерес становить діамід карбонатної кислоти — сечовина. Це кінцевий продукт розпаду білків, міститься в сечі людини (близько 2%), звідки і була вперше виділена.
Синтетично добута 1828 року німецьким хіміком Фрідріхом Велером при випарюванні водного розчину амоній ціанату, який за цих умов піддається ізомеризації:
НАО — С = И НА —С~N11,
II
О
У промисловості сечовину добувають у великих кількостях взаємодією амоніаку з карбон(ГУ) оксидом:
2ИН, + СО2 НА —С —+ Н,0
II
О
Глава 28
494
Сечовина — біла кристалічна речовина (т. пл. 133 °С), добре розчиняється у воді. У хімічному відношенні виявляє властивості амідів. Проте на відміну від амідів аліфатичних і ароматичних карбонових кислот у сечовини більш виражені нуклеофільні та основні властивості. Це пов’язано з тим, що в її молекулі при карбонільній групі розташовані дві аміногрупи:
8+^"}.
Н,ІЧ —С—1ЧН-,
4-
Унаслідок кон’югації неподілених пар електронів атомів Нітрогену аміногруп з я-електронами кратного зв’язку (+М-ефект) основним центром у молекулі сечовини є атом Оксигену.
Із сильними кислотами сечовина утворює солі. Так, при дії на сечовину нітратної кислоти утворюється малорозчинний у воді сечовини нітрат:
Н7М —С—№1, + Н?Ю3 —►
II о
н2м—с—тш2 он
N03
сечовини нітрат
У водних розчинах кислот або лугів при нагріванні сечовина легко гідролізується з утворенням карбон(ГУ) оксиду та амоніаку:
Н2К — С—МІ2 + Н20 н+абоОН > СО2І + 2МН3І
О
Виявляючи нуклеофільні властивості, сечовина вступає в реакції з електро-фільними реагентами — галогеналканами і галогенангідридами карбонових кислот, утворюючи відповідно алкілсечовини та ацилсечовини:
Н2К —С—№і2 + С2Н— І —► Н2М —С—ИН—С2Н5
+ НІ
О
О
етилсечовина
о
н2м—с—МН2 + СН— І СІ
Н,И — С—ИН— С — СН3
II " О
+ НС1
О
ацетилсечовина
И-Ацильні похідні сечовини називають уреїдами.
Уреїди деяких карбонових кислот використовують у медицині, а-бромізовалеріанової кислоти (бромізовал) застосовується як снодійний засіб:
СНзХ О
;сн—сн— с' н
СН/ І хин —с—ьгн2
Так, уреїд
Вг
бромізовал
ПОХІДНІ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ 495
Дикарбонові кислоти можуть утворювати із сечовиною циклічні уреїци. Важливе значення має циклічний уреїд малонової кислоти — барбітурова кислота, структура якої взята за основу ряду лікарських препаратів — барбітуратів (див. с. 598):
І І н барбітурова кислота
Під дією нітритної кислоти сечовина розкладається з виділенням азоту, карбон(ГУ) оксиду і води. Ця реакція була відкрита 1875 року російським композитором і хіміком-органіком Олександром Порфирійовичем Бородіним і може використовуватися для кількісного визначення сечовини вимірюванням об’єму азоту, який виділився:
Н2ЬІ — С—МН2 2ЬЖ°2 » 2М2і + СО2І + ЗН2О
О
Аналогічно перебігає реакція сечовини з водними розчинами гіпобромітів: 3№0Вг
Н2М — С—>Ш2 ---------► 2Н2І + СО2І + 2Н2О + ЗИаВг
О
Ця реакція, як і попередня, може також використовуватись для кількісного визначення сечовини.
При повільному нагріванні кристалічної сечовини до 150—160 °С утворюється біурепг.
Н
Н,м — С—1ЧН, + Н—К —С—N4, Н,К — С—ІЧН— С—ИН, + N4,1
II II II II
О О 0 0
біурет
Як побічний продукт реакції утворюється ізоціанова кислота, яка піддається полімеризації, утворюючи ціанурову кислоту:
Н
Н—М — С—МН, ' ► Н—N=0=^0’ <=► №С—ОН —►
Ц 2 Г
0 ізоціанова кислота ціанова кислота
циклотримеризація
он
ціанурова кислота
Глава 28
496
Біурет утворює з іонами Купруму(ІІ) у лужному середовищі комплекс червоно-фіолетового кольору {біуретовч ти):
Н2МХ Н2ЬГ /КН2
,с=о \с—°\ х:о=с'
2 НМ' + ІСи(ОН)2 —► м' Си + 2Н2О
/С=О /С=О:^ ХО—С^
н2м н2м' хмн2
біурет
забарвлений комплекс
Реакція використовується для якісного виявлення сечовини і білків, що, як і біурет, містять у своєму складі групу —СО—МН—.
Структура М-гідроксисечовини Н2М — С—МН—ОН покладена в основу ряду
О
препаратів протипухлинної дії (гідроксикарбамід, гідреа, гідроксиуреа тощо).
Важливою похідною сечовини є іміносечовина, яка отримала назву «гуанідин»:
Н,М —С—МН
гуанідин
Гуанідин — біла кристалічна речовина, що розпливається на повітрі (т. пл. 50 °С).
Гуанідин є сильною однокислотною основою, зрівняною за силою (рА^* = 13,5) з натрій гідроксидом. Центром основності молекули є атом Нітрогену іміногрупи. Висока основність гуанідину пов’язана з утворенням при протонуванні стійкого катіона гуанідинію, в якому позитивний заряд делокалізований між трьома атомами Нітрогену:
н,м—с—МН2 + н+ г11 *мн Я- ••
Н^^-С-'-МНз
ин2
гуан ідиній - катіон
З кислотами гуанідин утворює солі, стійкі до гідролізу.
Н2М —С—МН2 + НСІ
Н2М —С—МН2
мн2
СІ
гуанідиній хлорид
Як і сечовина, гуанідин легко вступає в реакції алкілювання з галогеналканами та ацилювання з естерами карбонових кислот.
При конденсації з біфункціональними сполуками (діестерами, дикетонами) гуанідин утворює гетероциклічні сполуки:
ПОХІДНІ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ
497
ХТ^Н2
Н2Г4-С +
N14
с2н5о—с
/СН2
с2н5о-с
Н28О4; РОС13; Н2
2-амінопіримідин
гуанідин діетилмалонат
Залишок гуанідину є структурним фрагментом нуклеїнової основи гуаніну, міститься в структурі амінокислоти аргініну, антибіотика стрептоміцину тощо:
ОН
пава 29
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
Органічні сполуки, що містять у молекулі зв’язок С—8, називають сульфурор-ганічними сполуками.
Залежно від природи функціональної групи сульфурорганічні сполуки поділяють на такі класи (табл. 29.1).
Таблиця 29.1
Класи деяких сульфурорганічних сполук
Назва класу Загальна формула Функціональна група
Тіоли Я —8Н — 8Н
Сульфіди Я — 8—Я — 8—
Дисульфіди Я —8—8—Я' — 8—8—
Сульфінові кислоти 0 II К —8 —ОН 0 II — 8 —ОН
Сульфоксиди 0 II Я —8 —Я' 0 II — 8 —
Сульфенові кислоти К —8—ОН — 8—ОН
Сульфонові кислоти (сульфокислоти) 0 II Я — 8 — ОН II 0 0 II — 8 —ОН II 0
Сульфони 0 II я — 8 — Я II 0 0 II — 8 — II 0
Тіоальдегіди (тіалі) к-с хн —с н
Тіокетони (тіони) Я —С—Я II 8 —с— II 8
Тіокислоти: 8-кислота 0-кислота я—с 8Н Х8Н
їх С хон —С хон
Дитіокарбонові кислоти я—с Х8Н —с 8Н
У цій главі розглядаються тіоли, сульфіди, сульфокислоти.
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
499
29» 1. ТІОЛИ
Тіолами називають похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені меркаптогрупою —8Н.
Меркаптогрупу ще називають тіольною, або сульфгідрильною групою. Тіоли можна також розглядати як тіоаналоги гідроксильних похідних вуглеводнів, у молекулах яких атом Оксигену групи —ОН замінений на атом Сульфуру. Для сполук цього класу використовують ще назву «меркаптани».
Тіоли, в яких меркаптогрупа зв ’язана з аліфатичним радикалом, називають тіо-спиртами, а з ароматичним радикалом — тіофенолами:
С2н5—8Н
тіофенол
тіоспирт
Номенклатура тіолів аналогічна номенклатурі гідроксильних похідних з тією лише різницею, що замість суфікса -ол використовується суфікс -тіол або замість префікса гідрокси- застосовується префікс меркапто-:
СН3— 8Н
метантіол; метил меркаптан
СН3— СН— 8Г4а
натрій етантіолят; натрій етилмеркаптид
Н8—СН—СН —8Н
1,2-етандитіол
тіофенол; меркаптобензен
1,2-димеркаптобензен
Тіоли, за винятком метантіолу,— рідкі або тверді речовини. Як правило, їхні температури плавлення і кипіння нижчі від гідроксианалогів, що пов’язано з меншою електронегативністю атома Сульфуру порівняно з атомом Оксигену і відповідно до цього меншою схильністю до утворення водневих зв’язків. Через це тіоли порівняно зі спиртами та фенолами гірше розчиняються у воді. Здебільшого меркаптани отруйні і мають надзвичайно неприємний запах.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Взаємодія галогеналканів з гідросульфідами лужних металів. При дії на первинні і вторинні галогеналкани калій або натрій гідросульфіду утворюються тіоспирти. Реакція перебігає за механізмом (див. с. 252):
С2Н5—СІ + МаЗН —► С2Н5—8Н + ИаСІ
хлоретан етантіол
Реакція неможлива з третинними галогеналканами, тому що в цьому разі переважає процес елімінування.
Взаємодія спиртів із гідросульфідом. При обробці спиртів гідросульфідом (сірководнем) у присутності каталізатора А12О3 при температурі 350—400 °С утворюються тіоспирти:
Глава 29
5Ж)
А12О3; і
С2н5—ОН + Н,8 ---------------► С2Н5—8Н + НОН
етанол етантіол
У реакцію вступають лише первинні спирти.
Відновлення аренсульфокислот і аренсульфонілхлоридів. При відновленні арен-сульфокислот і аренсульфонілхлоридів утворюються тіофеноли. Як відновник використовують цинк у розчині сульфатної кислоти або літій алюмогідрид ЬіА1Н4:
[Н]; кат.
-Н2О >
8Н
бензенсульфокислота тіофенол
[Н]; кат.
-Н2О; -НСІ
8Н
тіофенол
бензенсульфохлорид
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За хімічними властивостями тіоли багато в чому подібні до гідроксильних похідних вуглеводнів. Особливості їхньої хімічної поведінки зумовлені зменшенням міцності зв’язку 8—Н порівняно зі зв’язком О—Н у спиртах і фенолах. Саме тому тіоли мають більш виражені кислотні властивості, ніж відповідні їм гідро-ксианалоги (див. с. 92). Реакції тіолів переважно зумовлені іонізацією зв'язку 8—Н і нуклеофільними властивостями атома Сульфуру.
Утворення тіолятів (меркаптидів). Тіоли, як більш сильні кислоти, ніж аналогічні ОН-кислоти, легко утворюють солі — тіоляти (меркаптидй) не тільки з лужними металами, але також і з іонами важких металів:
С2Н5—8Н + ИаОН —► С2Н5—8Иа 4- Н2О
етантіол натрій етантіолят
2 С2Н5— 8Н + Н§2+ —► (С2Н5—8)2Н§ + 2Н+
меркурій(ІІ) етантіолят
На цій властивості тіолів ґрунтується їхнє застосування в медицині як анти-доти при отруєнні важкими металами.
Взаємодія тіолів з алкенами. У присутності пероксидів або під дією УФ-випромінювання тіоли приєднуються до алкенів за місцем розриву подвійного зв’язку з орієнтацією всупереч правилу Марковникова. Реакція перебігає за механізмом Ак:
сн— Сх
сн,—8—н + н,с=сн— СН, --------------------СН,—8 —сн,—сн,—сн,
метантіол пропен метилпропілсульфід
Ацилювання тіолів. Реакція тіолів з карбоновими кислотами каталізується сильними кислотами і приводить до утворення тіоестерів карбонових кислот:
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
501
•% н+ •%
СН,—С. + Н8— С,Н, -----------------► СН,—Сч + Н,0
он с2н5
оцтова кислота етантіол етиловий естер
тіооцтової кислоти
Ця реакція аналогічна реакції естерифікації карбонових кислот і спиртів (див. с. 411).
Окиснення тіолів. На відміну від спиртів, тіоли окиснюються не по атому Карбону, а по атому Сульфуру. Утворення продуктів реакції залежить від умов окиснення.
При окисненні тіолів у м’яких умовах (Н2О2, СиС12 тощо) утворюються діал-кілдисульфіди:
К —8—Н + О + Н—8—В ----------------► В — 8— 8—В + Н2О
діалкілдисульфід
При окисненні тіолів сильними окисниками (КМпО4, НМО3 або НОІ) утворюються сульфокислоти:
О
[О] II
К—8—Н » В—8 — ОН
О
тіол сульфонова кислота;
сульфокислота
ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Метантіол (метилмеркаптан) СН3—8Н. Безбарвний газ з неприємним запахом, розчинний у воді, спирті, етері (т. кип. 5,95°С). Добувають взаємодією метанолу із гідросульфідом у паровій фазі в присутності каталізатора.
Використовують у виробництві лікарського препарату метіоніну, як одорант для палива, у тому числі побутового газу (поріг запаху 2,1 • 10~8 мг/л).
Тіофенол (фенілмеркаптан) С6Н5—8Н. Безбарвна рідина з неприємним запахом, нерозчинна у воді, легкорозчинна в органічних розчинниках (т. кип. 169°С). Здобувають при відновленні бензолсульфохлориду цинком у сульфатній кислоті.
Використовують у виробництві інсектицидів; як компонент віддушок у харчовій промисловості і парфумерії.
Ряд сполук, що містять у своєму складі меркаптогрупу, застосовують у медичній практиці: мерказоліл (див. с. 560), меркаптопурин (с. 608) і т. ін.
29.2. СУЛЬФІДИ
Сульфіди (тіоетери) можна розглядати як похідні гідросульфіду Н28, у молекулі якого два атоми Гідрогену заміщені вуглеводневими радикалами.
Сульфіди є аналогами етерів.
Загальна формула сульфідів В—8—В'.
Глава 29
502
Назви сульфідів за радики ^іцонсмьііоіо номенк.шпіурою зазвичай утворюють від назв вуглеводневих радикалів К і В/ (за алфавітним порядком) і слова с > і ьфід.
За шмісниковою иоменклатур> .-< . ЧС сульфіди розглядають як похідні вуглеводнів, в яких один з атомів Гідрогену заміщений К-тіогрупою. За родоначальну структуру обирають складніший за будовою радикал.
СН3— СН2— 8 — СН — СН3 4 8—С2Н5
діетилсульфід; етилтіоетан
етилфенілсул ьфід; етилтіобензен
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Алкілювання тіолятів. Цей метод аналогічний синтезу етерів за Вільямсоном: С2Н5—Вг + №8—СН3 —► С2Н5—8 —СН3+ КаВг етил м етил сул ьфід
Симетричні сульфіди одержують дією натрій сульфіду на галогеналкани: 2С2Н5—Вг + Г\а28 —► С2Н5—8 —С2Н5 + 2№Вг діетилсульфід
Взаємодія сульфур галогенідів з аренами. Для добування діарилсульфідів використовують реакцію електрофільного заміщення в аренах. Як електрофільний реагент використовують сульфур галогеніди в присутності кислот Льюїса:
А1С1
+ 82С12
+ 2НС1 + 8
дифенілсульфід
Сульфіди — це безбарвні речовини з неприємним запахом. Вони практично не розчиняються у воді.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Сульфіди за своїми хімічними властивостями дуже нагадують етери. Проте для них характерні особливості, пов’язані з більшою поляризованістю атома Сульфуру порівняно з атомом Оксигену.
Утворення солей сульфонію. Сульфіди, як і етери, є слабкими основами. Вони здатні протонуватися в кислому середовищі. При взаємодії сульфідів з концентрованою сульфатною кислотою утворюються солі сульфонію:
К —8—К'
Н,8О4
Н8О4
сульфід
сіль сульфонію
Алкілювання сульфідів. Сульфіди порівняно легко реагують з галогеналканами з утворенням достатньо стабільних триалкілсульфоній галогенідів:
СН— 8—СН3
СН— 8 — СН3
диметилсульфід
І сн3 .і
триметилсульфоній йодид
г
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
503
Окиснення сульфідів. Продукти окиснення сульфідів залежно від природи окисників і умов реакції можуть бути різними. Так, при окисненні сульфідів йодидною кислотою при 0 °С утворюються сульфоксиди:
В — 8—К' 101 > В —8 —В'
II
О
сульфоксид
Подальше окиснення сульфоксидів приводить до утворення сульфонів'.
о
В—8 — В' 101 » В—8 — В'
О О
сульфон
Взаємодія сульфідів із солями важких металів відбувається легко і приводить до утворення комплексів:
К28 + ЩС12 —► В28 • ЩС12 діалкіл- сулема комплексна
сульфід сполука
Ця особливість дозволяє використовувати деякі сульфіди як антидоти при отруєнні солями важких металів. Реакція також застосовується в аналізі для ідентифікації сульфідів.
ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
Диметилсульфід СН3—8—СН3. Безбарвна летка рідина з неприємним запахом (т. кип. 38 °С). Синтезують з метанолу і сірководню в присутності каталізатора.
Використовують для виробництва диметилсульфоксиду.
Іприт (Р,Р'-дихлородіетилсульфід) С1СН2СН2—8—СН2СН2С1. Безбарвна кристалічна речовина (т. кип. 157°С), важкорозчинна у воді, добре — в органічних розчинниках. Технічний іприт — бурувата рідина з запахом гірчиці. Надзвичайно отруйний.
Іприт — бойова отруйна речовина (БОР) шкірно-наривної та загальноток-сичної дії, протоплазматична отрута. Як БОР був уперше використаний Німеччиною 1917 року біля бельгійського міста Іпр (звідси і назва «іприт») проти англо-французьких військ. Смертельна концентрація іприту при потраплянні на шкіру 70 мг/кг. Для захисту використовують протигаз і спецодяг, а для дегазації — хлоруючі та окиснюючі агенти.
/=\ /=\ Діафенілсульфон (4,4'-діамінодифенілсуль-
Н^——8О2—4 д— МН2 фон). Використовується в медицині як лікар-
'—' '—' ський препарат для лікування лепри (про-
кази).
Димексид (диметилсульфоксид, ДМСО) (СН3)28+—О-. Безбарвна рідина (т. кип. 189°С). Органічний розчинник, який широко застосовують в органічному синтезі, промисловості. Використовується як лікарський препарат з протизапальними, знеболюючими і антимікробними властивостями, переважно для зовнішнього вживання (примочки, мазі, розчини тощо).
Глава 29
504
Н2М—СН2—СН2—8—8—СН2—СН2—1ЧН2 • 2НС1 . .. Ц”стамш дшідрохлорид
222 і 2. і [о/с-(р-аміноетил)дисуль-
фід дигідрохлорид]. Використовується як лікарський препарат для профілактики променевої хвороби.
29.3. СУЛЬФОНОВІ КИСЛОТИ (СУЛЬФОКИСЛОТИ)
Сульфоновими кислотами (сульфокислотами) називають похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені сульфогрупою —803Н.
О II
Загальна формула сульфокислот К—8—ОН
О
КЛАСИФІКАЦІЯ І НОМЕНКЛАТУРА
Сульфонові кислоти класифікують залежно від природи вуглеводневого радикала на аліфатичні, ал'щикличні, ароматичні тощо.
За шмісниковою номенклатурою 11] РАС назви сульфокислот утворюють від назв відповідного вуглеводню, до якого додають суфікс -сульфонова кислота або - сульфокислота,
8О3Н
снз— 803Н [^)
метансульфонова кислота; циклогексансульфонова кислота;
метансул ьфо к и сл ота циклогексансул ьфо к и слота
л-толуенсульфонова кислота; л-толуен сул ьфо к и с л ота; л-толілсульфокислота
бензенсульфонова кислота; бензенсульфокислота
1,3-бензендисульфонова кислота;
1,3-бензендисульфокислота; ти-бензендисульфокислота
соон
3-сульфобензойна кислота; л/-сульфобензойна кислота
Якщо в складі гетерофункціональної сполуки сульфогрупа не є старшою, то її відображають у назві за допомогою префікса сульфо-.
Сульфокислоти — кристалічні речовини, розчинні у воді. Гігроскопічні.
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
505
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Сульфоокиснення. Цей метод дозволяє в промисловому масштабі здійснювати синтез алкан- і циклоалкансульфонових кислот з відповідних вуглеводнів.
2К-Н + 28О2 + О2 2 В —8О3Н
Реакція перебігає за вільнорадикальним механізмом.
Гідроліз алкансульфонілхлоридів. Алкансульфонові кислоти можна добути внаслідок гідролізу відповідних алкансульфонілхлоридів.
К—8О2С1 Н°“» К—8О2—ОН
Окиснення тіолів (див. с. 501).
Взаємодія алкілгалогенідів з гідросульфітами та сульфітами лужних металів (амонію). У лабораторних умовах алкансульфокислоти одержують при взаємодії галогеналканів з натрій гідросульфітом або амоній сульфітом.
С2Н5—Вг + \аН8О3 —► С2Н5—8О3\а + НВг
натрій етансульфонат
С2Н5—Вг + (ЬІН4)28О3 -*-► С2Н5— 8О3ГШ4 + МН4Вг
амоній етансульфонат
Подальше підкислення розчинів приводить до виділення сульфокислот.
Взаємодія альдегідів і кетонів з гідросульфітами лужних металів. Унаслідок нуклеофільного приєднання гідросульфіт-іона до альдегідів і метилкетонів з високим виходом утворюються а-гідроксисульфонові кислоти.
а он
І н+
СН3—СН2—С + N34803 —► СН—СН2—СН—8О3Иа _^+»
пропаналь натрій
1 -гідроксипропансульфонат
он
—► СН—СН2—СН—8О3Н
1-гідро ксипропансульфонова кислота
он
І н+
СН,—СН,—С —СН3 + №Н8О; —► СН,—СН,—С —8О,№ ----
3 2 Ц 3 3 3 2 । 3 -Ьіа+
0 сн3
бутанон натрій 1-гідрокси-
1 -метилпропансульфонат
он
—► СН,—СН,—С —8О,Н
З X । з
сн3
1 -гідрокси-1 -метилпропан-сульфонова кислота
Глава 29
506
Сульфування ароматичних вуглеводнів (див. с. 200, 219, 224) — найкращий спосіб добування аренсульфокислот.
БУДОВА СУЛЬФОГРУПИ
Сульфогрупа —8О3Н має тетраедричну будову. В аніонах сульфонових кислот негативний заряд делокалізований між трьома атомами Оксигену.
0,182 нм С6Н5
0,139^^44109° 28'
-''3оМ4о-,/3 0-1^109° 28'
За октетною теорією атом Сульфуру в сульфогрупі утворює два ковалентні і два семіполярні зв’язки (структура І). Однак використовується і структура II, тому що в атома Сульфуру є вільні А7-орбіталі, на яких можуть розташовуватися додаткові електрони інших атомів, у тому числі й атома Оксигену. Як наслідок 8+ 8-цього утворюються зв’язки 8=0.
о о
І II
к —8 —ОН <—► В —8 —ОН
| II
о о
І. II.
Справжня будова сульфогрупи відповідає проміжному стану між граничними структурами І і II.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Сульфогрупа чинить на вуглеводневий радикал сильну електроакцепторну дію (—1-, —М-ефекти). Унаслідок значної електронегативності атома Сульфуру зв’язок С—8 сильно полярний.
Для сульфокислот характерні такі групи реакцій'.
> реакції за участі сульфогрупи (утворення солей, галогенангідридів, амідів, естерів);
> нуклеофільне заміщення сульфогрупи (5у);
> електрофільне заміщення (5£) по ароматичному ядру.
Реакції за участі сульфогрупи. Кислотні властивості. Сульфонові кислоти виявляють кислотні властивості, які за силою можна порівнювати з властивостями мінеральних кислот. Значення рКа сульфонових кислот змінюються в тому ж інтервалі, що і значення рКа сильних мінеральних кислот (-5,0...-8,0).
Сульфокислоти утворюють солі (сульфонати) з лужними, лужноземельними металами, їх оксидами та гідроксидами.
В— 8О3Н + ИаОН —► В —8О3№ + Н2О
натрій сульфонат
При взаємодії сульфокислот з галогенуючими реагентами (РС13, РС15, 8ОС12 тощо) утворюються сульфонілхлориди'.
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
507
О о
II
В—8 —ОН + РСЦ —► К—8 —СІ + РОСІ, + неї
II II
О о
сульфоніл хлорид Для добування аренсульфонілхлоридів також використовують хлоросульфонову кислоту.
бензен- бензенсульфокислота сульфонілхлорид
Ароматичні сульфонілхлориди порівняно з аліфатичними менш активні. Сульфонілхлориди широко використовують в органічному синтезі амідів, естерів тощо.
Сульфонаміди та їх похідні одержують при взаємодії сульфонілхлоридів з амоніаком або амінами.
В — 8О2С1 + 2МН3 —► К—8О^Н2 + МН4С1
сульфонамід
Ароматичні сульфонаміди виявляють слабкі кислотні властивості і розчинні в лугах.
Сульфонамід-аніон, що утворюється, виявляє нуклеофільні властивості.
При хлоруванні натрій бензенсульфонаміду одержують бензенсульфондихлор-амід (дихлорамін Б), який є сильним окисником і використовується для дезінфекції і дегазації отруйних речовин.
0 О
/=\ II /=\ II /С|
/ \ 11 - + 2Н0СІ / \ 11 /
<\ />—8—ИНМа -- ц » <\ /)—8 —N
V___7 Ц -N304; -Н2О ____// ц \
О О
дихлорамін Б
Дезінфікуючі властивості виявляють також і інші хлораміни.
хлорамін Б
хлорамін Т
пантоцид
Глава 29
508
Серед аренсульфонамідів виділяють численну групу лікарських препаратів антибактеріальної дії — сульфаніламіди. Структурним фрагментом сульфаніламідів є сульфанілова кислота (див. с. 296).
Наявність у молекулі сульфанілової кислоти кислотного (група —8О3Н) і основного (група —^Н2) центрів зумовлює її існування у вигляді внутрішньої солі (біполярного іона)
Сульфанілова кислота — досить сильна кислота (рКа = 3,22), реагуючи з основами, легко утворює солі:
н3й—с V- зо; + шон —►
Н2К-С )-8О3Ма + НОН
натрій л-амінобензенсульфонат
Через біполярну структуру сульфанілова кислота не утворює солей з мінеральними кислотами, тобто, незважаючи на наявність аміногрупи, вона не має основних властивостей.
Родоначальником сульфаніламідних препаратів є амід сульфанілової кислоти, застосовуваний у медичній практиці за назвою «Сульфаніламід» або «Стрептоцид»'.
/=\ II Н7М—(\ />—8 —ИН, - Ц
О
сульфаніламід; стрептоцид; амід сульфанілової кислоти
Схема синтезу стрептоциду:
Ацилювання
анілін
+ (СН3СО)2О —►
мнсосн3
|ґ^] + сн3соон
ацетанілід
инсосн3
Сульфохлорування
+ НО8О2С1
мнсосн3
-к
\ + Н2°
8О2С1
хлоросульфонова кислота
л-ацетамідобензен-сульфохлорид
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
509
Амідування
хнсосн3
[ґ^] + МН3
8О,С1
Гідроліз
инсосн3
ф + нон
8О2МН2
мнсосн3
ф + нсі
8О2ИН2
л-ацетамідобензен -сульфамід
мн2
[ф] + сн3соон
8О2Г4Н2
л-амінобензен-сульфамід
Для захисту аміногрупи від побічних реакцій, що відбуваються при сульфо-хлоруванні, попередньо анілін ацилюють. Як ацилюючий реагент найчастіше використовують оцтовий ангідрид. Ацетанілід, який утворюється, потім піддають сульфохлоруванню.
Сульфохлоруванням називають процес введення в молекулу органічної сполуки хлоросульфонільної групи —80,СІ.
Сульфохлорування здійснюють дією хлоросульфонової кислоти НО8О2С1. При взаємодії ацетаніліду з хлоросульфоновою кислотою утворюється л-ацетамідобензенсульфохлорид (хлорангідрид л-ацетамідобензенсульфокис-лоти), який обробляють амоніаком. Унаслідок реакції з амоніаком атом галогену в хлоросульфонільній групі заміщується на аміногрупу і утворюється л-ацетамідобензенсульфамід, який потім піддають гідролізу в кислому середовищі з метою зняття ацетильного захисту. У процесі гідролізу утворюється л-амінобензенсульфамід (стрептоцид).
На відміну від сульфанілової кислоти її амід амфотерна сполука, здатна утворювати солі як з мінеральними кислотами, так і з лугами:
неї
С1Н3Й—/ X- 8О2МН2
8О2МН2
ЖОН ------►
-н2о
л-сульфаміланіліній хлорид
8О3МН1Ча
натрій л-амінобензенсульфонамід
За допомогою заміщенням атомів Гідрогену в сульфамідній групі молекули стрептоциду різними радикалами, які частіше мають гетероциклічну природу, одержано чималу групу лікарських препаратів, що мають антимікробну активність:
Глава 29
О
норсульфазол; сульфатіазол
сульфаметоксазол
етазол;
сульфаетидол
сульфадимідин
сульфален
При взаємодії сульфонілхлоридів зі спиртами або алкоголятами добувають естери (сульфонати)'.
К—8 —СІ + ЙаО—С?Н
II
О
к —8 —о—С\Н- + №іС1
II
О
етилсульфонат
Зазвичай естери л-бромобензенсульфонової кислоти загальної формули д-ВгС6Н48О2ОК називають брозилатами, л-толуенсульфонової кислоти — този-латами (л-СН3С6Н48О2ОК.), трифлуорометансульфонової кислоти — трифлатами (СР38О2ОК). Наведені сульфонати виявляють найсильніші алкілюючі властивості, тому що в реакціях утворюють стабільні групи, які швидко зникають (аніони відповідних сульфонових кислот).
Нуклеофільне заміщення сульфогрупи Сульфогрупа має тетраедричну будову і практично не вступає в кон’югацію з я-електронами ароматичної системи. Слід також ураховувати, що сульфування є оборотним процесом. Тому при дії сильних нуклеофільнихреагентів можливе заміщення сульфогрупи іншими функціональними групами. Перебігу реакцій нуклеофільного заміщення сульфогрупи сприяють також дефіцит електронної густини на атомі Карбону ароматичного кільця.
Ми
Пдроліз аренсульфонових кислот (десульфування). Реакцію використовують для видалення з ароматичного кільця сульфогрупи.
СУЛЬФУРОРГАНІЧНІ СПОДУ КІЇ
511
О о
<^—^—8 —ОН + НОН 120-150°С;неї » <Л~\> + но_|_он
О о
Реакція лужного плавлення. Сульфогрупа може бути видалена з ароматичного кільця при дії різних нуклеофілів. Лужне плавлення солей сульфонових кислот проводять із твердими лугами при температурі 300—350 °С. За допомогою реакції лужного плавлення добувають не тільки феноли (див. с. 348, 360), але й інші класи органічних сполук:
Аг—8О3Н
•З ГІ2'-'
Аг—8О3Ма
Аг—ОН фенол
Аг—8Н
тіофенол
Аг—NN2
амін
Аг—СN нітрил
Основною вадою способу є жорсткі умови реакції і виділення значної кількості відходів (екологічний аспект).
Електрофільне заміщення (5£) по ароматичному ядру. Сульфогрупа —8О3Н, будучи сильним електроноакцептором, дезактивує ароматичне ядро в реакціях 8Е і орієнтує заміщення в л/-положення.
ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ. ВИКОРИСТАННЯ
2-Аміноетансульфонова кислота Н2К—СН2—СН2—8О3Н. Безбарвна кристалічна речовина, розчинна у воді, нерозчинна в спирті.
Використовується в медичній практиці під назвою «Тауфон». Застосовують для лікування захворювань сітківки, рогівки'очей, катаракти.
Бензенсульфонова кислота С6Н5—8О3Н. Безбарвна кристалічна речовина, яка розпливається на повітрі (т. пл. 171—172°С (безводн.) і 45—46°С (моногідрату)). Добре розчиняється у воді, етанолі.
Натрієву сіль бензенсульфокислоти використовують у синтезі фенолу.
л-Толуенсульфонова кислота л-СН3С6Н48О3Н. Безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 104°С (моногідрат)). Добре розчиняється у воді, в етанолі, етері, у багатьох органічних розчинниках.
Використовується як кислотний каталізатор.
Вищі сульфонати (С]4—С18) К—8О3Ма. Використовують як ПАР, мийні речовини, емульгатори і флотаційні реагенти.
Глава 29
512
Айрй РЕМСЕН (1846-1927)
Американський хімік. Відомий як блискучий педагог, новатор системи хімічної освіти в США. Його книга «Основи теоретичної хімії» (1876) витримала 28 видань і 15 перекладів. Працював в галузі органічної хімії. Спільно зі своїм співробітником К. Фальбергом уперше синтезував сахарин (1879) і запатентував спосіб його виробництва.
Бензенсульфонілхлорид С6Н5—8О2С1. Рідина, яка димить на повітрі (т. кип. 251,5°С). Нерозчинний у воді, добре розчиняється в етанолі, етері, у хлороформі. Пари мають сильну подразливу дію на слизові оболонки органів зору і дихання. ГДК 0,3 мг/м3.
Використовують у синтезі бензенсульф-аміду, алкілових естерів бензенсульфокислоти.
Вищі сульфаміди (С14—С18) К—$О2ЬІН2 є вихідними продуктами в синтезі відбілюва-чів, емульгаторів і т. д.
л-Амінобензенсульфамід (сульфаніламід, стрептоцид). Безбарвна кристалічна речовина, важкорозчинна у воді і спирті, легко — у гарячій воді, лугах (т. пл. 164—167°С). Є родоначальною структурою групи хіміотерапевтичних препаратів антибактеріальної дії — сульфаніламідів.
ф
8О2КН2
5-(Аміносульфоніл)-4-хлор-2-[(фурилметил)аміно]бензойна кислота. Безбарвна кристалічна речовина, нерозчинна у воді. Виявляє дуже сильний діуретичний ефект. У медичній практиці використовується під назвою «Фуросемід».
8О2Г4Н2
Імід о-сульфобензойної кислоти (сахарин). Безбарвна кристалічна речовина, важкорозчинна у воді (1:250), спирті (1:40) (т. пл. 224—226°С). Дигідрат натрієвої солі сахарину називають кристалозою. Солодший за цукор у 500—600 разів. Виводиться із сечею в незміненому вигляді.
Г |Г МН
Використовується як підсолоджувач дієтичних харчових продуктів.
Глава ЗО
ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
Гетероциклічними сполуками називають групу органічних речовин, цикли яких містять у своєму складі разом з атомами Карбону один або кілька атомів інших елементів — гетероатомів <0, N. 8, Р, 8і тощо).
Найбільш вивчені і розповсюджені нітрогено-, оксигено- і сульфуровмісні гетероцикли. Близько 2/3 відомих природних і синтетичних речовин є сполуками гетероциклічної природи. Гетероцикли входять до складу вітамінів, алкалоїдів, антибіотиків, природних пігментів, нуклеїнових кислот, ферментів тощо. Багато гетероциклічних сполук мають високу біологічну активність, тому невипадково більше половини всіх лікарських речовин містять у своїй структурі гетероциклічні фрагменти.
У попередніх главах було розглянуто деякі гетероциклічні сполуки (етиленоксид, лактони (см. с. 469), лактами (с. 488), ангідриди двохосновних карбонових кислот (с. 426) тощо). їхні хімічні властивості практично не відрізняються від властивостей аналогів ациклічної будови (етерів, амінів тощо).
30.1. КЛАСИФІКАЦІЯ
В основу класифікації гетероциклів покладено такі ознаки', розмір циклу (три і більше атомів):
азиридин; етиле німін
азетидин; триметиленімін
природа гетероатома (О, 8, N5 Р, 8і, Ві, Те тощо):
фуран; оксол
тіофен; тіол
г- кількість гетероатомів (один, два, три тощо):
піридин; азин
піримідин;
1,3-діазин
1,3,5-триазин
> міра насиченості циклу (насичені, ненасичені, ароматичні гетероцикли):
н н н
піролідин 3-піролін пірол
Я4
Глава ЗО
В особливу групу виділені конденсовані системи'.
пурин
хінолін
акридин
30.2. НОМЕНКЛАТУРА
Для гетероциклічних сполук застосовують тривіальні та систематичні назви. Тривіальні назви прийняті номенклатурою ШРАС і в більшості випадків кращі.
При побудові систематичних назв гетероциклів за номенклатурними правилами враховується природа і кількість гетероатомів, а також розмір циклу і міра його насиченості. При цьому природа гетероатома відображається в префіксі, розмір циклу — у корені, а міра насиченості — у суфіксі назви. Для позначення гетероатомів використовують префікси окса- (О), тіа- (8), аза- (ТЧ) тощо. Розмір циклу позначається коренями -ир- (три-), -ет- (чотири-), -ол- (п’яти-), -ин-(шести-), -єн- (семичленний), а міра насиченості — суфіксами -идин (-ідин) (насичений цикл з атомом Нітрогену), -ан (насичений цикл без атома Нітрогену), -ин (-ін) (ненасичений цикл). У назві гетероциклів з максимально можливою кількістю подвійних зв’язків у циклі суфікс не вказується. Для частково гідрованих сполук використовують префікси дигідро-, тетрагідро- із указівкою номерів атомів, до яких приєднаний Гідроген. Якщо атом Гідрогену приєднаний тільки до одного атома циклу, то в назві вказується номер гідрованого атома і символ Н. У шести-і семичленних нітрогеновмісних гетероциклах повна насиченість циклу позначається префіксом пергідро-. Кількість гетероатомів одного виду вказують у назві множними префіксами ди- (ді-), три-, тетра- і т. д. Якщо гетероцикл містить кілька різних гетероатомів, то називають їх у певній послідовності: окса-, тіа-, аза- тощо.
При складанні назви в цілому допускаються спрощення. Приклади систематичних і тривіальних назв деяких гетероциклів:
ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
515
Тричленні гетероциклічні сполуки1:
О
оксиран; етиленоксид
мн
азиридин; етиленімін *
Чотиричленні гетероциклічні сполуки:
8
тііран; етиленсульфід *
оксетан
азетидин
тієтан
П’ятичленні гетероциклічні сполуки з одним гетероатомом:
О 0 мн 4 8 № мн ( 3 мн
фуран *; пірол *; тіофен *; 3-піролін *; піролідин *;
оксол азол тіол 2,5-дигідропірол; азолін тетрагідропірол; азолідин
П’ятичленні гетероциклічні сполуки з двома гетероатомами:
г.—N
мн мн 8 0
піразол *; 1,2-діазол імідазол *; 1,3-діазол тіазол *; 1,3-тіазол оксазол *; 1,3-оксазол
Шестичленні гетероциклічні сполуки з одним гетероатомом:
піридин *; азин
піперидин *; пергідроазин
О
тетрагідропіран
Шестичленні гетероциклічні сполуки з двома гетероатомами:
піридазин *;
1,2-діазин
піримідин *;
1,3-діазин
піразин *;
1,4-діазин
морфолін *; тетрагідро-1,4-оксазин;
1,4-оксазин
оксазин *;
4Н-1,4-оксазин
тіазин *; 4Н-1,4-тіазин
піперазин *;
пергідро-1,4-діазин
1 Знаком (*) відмічено тривіальні назви. Першими наведено найбільш поширені назви.
Глава ЗО
516
Семичленні гетероциклічні сполуки з одним гетероатомом:
азепін оксепін тієпін
Нумерацію атомів у гетероциклі зазвичай починають з гетероатома і проводять у тому напрямі, щоб замісники одержали якомога менші номери.
З- мс і илпіридин
У п’яти- і шестичленних гетероциклах з одним гетероатомом атоми Карбону іноді позначають грецькими буквами а, 0, у.
а-\к її іфуран
р-МСІ п іпіридин
у-лмшопіридин
У гетероциклах з кількома рівноцінними гетероатомами нумерацію проводять таким чином, щоб гетероатоми одержали найменші з можливих номерів:
1,2-діазин
1,3-ДІазин
Якщо в гетероциклі є кілька різних гетероатомів, то нумерацію починають з того, який у ряду О, 8, N14, N розміщений лівіше; проводять у такому напрямі, щоб інші гетероатоми одержали якомога менші номери:
в в в
О 8 N14
1,3-оксазол 1,3-тіазол 1,3-ДІазол
Для деяких гетероциклів існує особливий порядок нумерації.
Велику групу складають гетероциклічні сполуки з двома і більше конденсованими циклами. Системи можуть складатися з одного гетероциклічного та одного або кількох бензенових кілець, а також з кількох гетероциклічних ядер. Зазвичай для таких гетероциклів використовують тривіальні назви:
ІНДОЛ
хінолін
акридин
пурин
ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
517
Систематичні назви конденсованих гетероциклічних систем утворюють, використовуючи як родоначальні структури тривіальні назви гетероциклів.
При побудові назв конденсованих систем, що складаються з одного гетероциклічного та одного або двох бензенових ядер, до назви гетероциклу приєднують префікс бенз- (бензо-) або дибенз- (дибензо-) із указівкою латинськими літерами а, Ь, с, (1 і так далі зв’язку гетероциклу, уздовж якого відбувається конденсація. Позначення зв’язків починають від гетероатома:
бензо[А]піридин
дибензо[/у ]піридин
Якщо конденсована система складається з двох гетероциклів, за основу назви беруть назву циклу, більшого за розміром; при однаковому розмірі — циклу з більшою кількістю гетероатомів, і, нарешті, якщо за першими двома критеріями цикли рівнозначні, то нітрогеновмісний цикл має перевагу перед оксигеновміс-ним, а останній — перед сульфуровмісним. За допомогою літер указують зв’язок основного циклу, що є спільним для обох циклів, а за допомогою цифр — спільний зв’язок другого циклу з основним:
піроло[2,3 -/^піридин
піридо[2, >-</]піримідин
лава 31
ТРИ-1 ЧОТИРИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ З ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ
Три- і чотиричленні гетероциклічні сполуки з одним гетероатомом можна розглядати як похідні циклопропану та циклобутану, в яких угруповання —СН2— заміщене на гетероатом.
оксиран
оксетан
азиридин
азетидин
Ці гетероциклічні сполуки мають низку спільних методів добування і мають подібну реакційну здатність, зумовлену наявністю в структурі напружених три-і чотиричленного кілець. Цим пояснюється їх схильність до реакцій приєднання, які проходять з розривом зв’язку гетероатом—Карбон. Тричленні гетероцикли порівняно з чотиричленними менш стійкі і більш реакційноздатні.
31.1. ОКСИРАН ТА ОКСЕТАН
н7с—сн7 \ / о
оксиран; етиленоксид; епоксиетан
Н2С —сн2
Н2С —о
оксетан;
триметиленоксид
31.1.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Спільним способом одержання оксирану та оксетану є циклізація галогено-спиртів.
Оксиран і його похідні добувають циклізацією ^-галогеноспиртів.
Реакція перебігає при дії концентрованих розчинів лугів:
Н7С—СН2 + ИаОН —► Н7С—СН7 + ИаС1 + Н7О
II \ / 2
СІ НО о
р-хлоретиловий спирт оксиран
Для добування оксетану використовують у-галогеноспирти.
У р “
СН7—СН7—СН7 + N304 —► Н7С —СН7 + КаСІ + Н20
। 2 2 । । । X
сі но н2с—о
у-хлоропропіловий спирт
оксетан
ТРИ- І ЧОТИРИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
519
У промисловості оксиран добувають переважно окисненням етилену киснем повітря при температурі 300—400 °С над срібним каталізатором.
Н2С=СН2
02; Ав; І
Н,С—СН, \ / о
31.1.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Оксиран — безбарвний газ з ефірним запахом (т. кип. 10,7°С), добре розчиняється у воді та органічних розчинниках.
Оксетан — рідина (т. кип. 47,8°С), добре розчиняється у воді, в етиловому спирті і діетиловом етері.
31.1.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
У хімічному відношенні оксиран та оксетан дуже реакційноздатні сполуки. Це пов’язано з кутовим і торсійним напруженням циклів (подібно до циклопропану і циклобутану), а також наявністю полярних зв’язків С—О. При дії електрофільних і нуклеофільних реагентів відбувається розрив С—О-зв’язку і приєднання молекули реагенту за місцем розриву циклу. Особливо легко ці реакції проходять за умов кислотного каталізу.
Так, у присутності сульфатної або фосфатної кислот оксиран легко приєднує воду та спирти:
Н,С —СН, + Н2О ——► \ /
О
н,с—сн, + с2н5он н+ » \ /
о
Н2С—сн2 он он етиленгліколь
н,с—сн,
І І
ОН ОС2Н5 2-етоксиетанол; етилцелозольв
Механізм наведених реакцій включає утворення оксонієвої сполуки (продукту взаємодії оксирану з кислотою), яка набагато легше піддається атаці нуклеофіль-ним реагентом, ніж сам оксиран (8'+ > §+):
Н, „Н 8+ 8+ ? с — є н^ ^н о8-
н
оксонієва сполука
етиленгліколь
Глава 31
520
Аналогічним чином оксиран приєднує галогеноводні:
Н,С —СН, + НС1 —► Н,С —СН,
\ / II
0 ОН СІ
2-хлоретанол; етиленхлорогідрин
Оксиран досить легко реагує із сильними нуклеофілами — амоніаком, амінами та метал органічними сполуками.
При взаємодії оксирану з амоніаком залежно від співвідношення реагентів утворюються моно-, ді- і триетаноламіни:
мн,
—но—сн2—сн2—мн2
Н2С-СН2 \ / О
н,с—СН, \ / о
етаноламін;
2-аміноетанол
НО—СН,—СН,\
'ИН но—сн2—сн/
діетаноламін
но—сн2—сн^ НО—СН2—СН2—N но—сн2—сн;
триетаноламін
Механізм реакції:
,Н
+ ЬІ^-Н Н
Н,С—СН2
І + І /Н о к/н хн
н2с-сн2
ОН МН2
При дії на оксиран аліфатичних амінів утворюються М-алкіламіноетаноли:
Н2С—СН2 + Н,1Ч—К —► НО— СН,— СН,— N4—К.
\ / 2 22 О І^-алкіламіноетанол
Продукти приєднання магнійорганічних сполук до оксирану легко піддаються гідролізу з утворенням відповідних спиртів:
- 3- 8+
н2с—сн2 Вг> н2с—сн2 НОН; н » сн3—сн2—сн—он
2 / 2 2 І І 2 -М8(ОН)Вг 3 2 2
8-0 СН3 ОМ§Вг
пропоксимагнійбромід 1-пропанол
У присутності сильних основ оксиран полімеризується з утворенням поліети-леноксиду (поліетиленгліколю):
п Н2С—СН2 осн-ова -» НО -£ СН2— СН — О 5-Н
О поліетиленоксид
Поліетиленгліколь залежно від молекулярної маси має різний агрегатний стан. Полімер з молекулярною масою 400 є рідиною, добре розчинний у багатьох органічних розчинниках. Використовується у фармації як розчинник лікарських
ТРИ- І ЧОТИРИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
521
речовин, основа для мазей і супозиторіїв, а також як зв’язуюча речовина у виробництві таблеток.
Оксетан за хімічними властивостями подібний до оксирану і вступає в характерні реакції приєднання з розкриттям циклу. Проте менший ступінь напруження в чотиричленному циклі сприяє тому, що ці реакції перебігають набагато повільніше.
Багато реакцій оксетану приводять до утворення 1,3-дизаміщених пропану:
N4, ’ ь- ц хт е'ід сії глід
н2с—сн2 ^^2 ^^2 у-'л 3-аміно-1 -пропанол неї Г'Ч Г^ІД Ґ^ІД С1-Г ГЛІД
ч^.Н.2 ^^2 З-хлор-1 -пропанол СН3ОН; Н+ -5 ь- СЧД ГЛ С’ТЛ Ґ^ІД Г“"ІД ГЛІД ™
Н2С—0 оксетан
З-метокси-1 -пропанол СН3МйВг 5 СІД Ґ^ІД Ґ^ЇД Г'-’ІД ГЛХЛсгР»-
ч-х гі ^1^2 ^**2 ^^2 4-/1у1^оГ бутоксимагнійбромід
|нОН; Н+
СН— сн — сн2— сн— ОН + М«(ОН)Вг
1-бутанол
31.1.4. НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ОКСИРАНУ ТА ОКСЕТАНУ
Епіхлорогідрин (3-хлор-1,2-епоксипропан). Безбарвна
Н2С — СН— СН2— СІ рідина з запахом хлороформу (т. кип. 116,1 °С), добре роз-^0^ чинна в органічних розчинниках. Використовують епіхло-
рогідрин у виробництві епоксидних смол, для одержання гліцерину і як розчинник естерів целюлози.
[З-Пропіолактон (лактон Р-гідроксипропіонової кислоти). Без-
барвна рідина з різким запахом (т. кип. 155°С), розчиняється в орга- ^2С СН2 нічних розчинниках, швидко гідролізується до Р -гідроксипропіонової 0 0
кислоти.
Р-Пропіолактон легко взаємодіє зі спиртами та амінами з роз- ®
криттям циклу:
/0 сн2— СН— С\ он 0СІ‘ н2с—сн2 о—с V сн,— сн,—сч О । 2 2 \ р-пропіолакгон 0 N Н С Н
метиловий естер р-гідроксипропіонової кислоти
метиламід
Р-гідроксипропіонової кислоти
Р-Пропіолактон використовують у медицині для стерилізації крові, вакцин та інших біологічних препаратів.
Глава 31
522
31.2. А. іДИН ТА АЗЕТИДИН
Н,С—СН, \ /
МН
азиридин; етиленімін
Н2С—сн2
Н2С—МН
азетидин; триметиленімін
31.2.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Спільним способом добування азиридину та азетидину є циклізація галоген-амінів у присутності лугу.
Азиридин одержують циклізацією Р-галогенетиламінів:
Р а
Н,С—СН, + МаОН —► Н,С—СН, + МаСІ + Н,0
II 2 \ / 2 2
СІ мн2 МН
р-хлоретиламін азиридин
Для добування азетидину використовують у-галогенопропіламіни. гра СН,—СН,—СН, + МаОН —► Н,С—СН, + МаВг + Н,0
। 2 2 । 2 | | 2
Вг МН2 Н2С—МН
у-бромопропіламін азетидин
У промисловості азиридин виробляють взаємодією 1,2-дихлоретану з амоніаком у присутності кальцій оксиду СаО.
Н,С—СН, + МН, Са° » Н,С—СН, + СаСІ, + Н,0
X । । 3 д \ І. І. І
Сі СІ МН
31.2.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Азиридин — безбарвна рідина (т. кип. 55°С), добре розчиняється у воді та органічних розчинниках.
Азетидин — безбарвна рідина з амоніачним запахом (т. кип. 63°С), добре розчиняється у воді та спиртах.
31.2.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За хімічними властивостями азиридин та азетидин багато в чому нагадують раніше розглянуті оксигеновмісні гетероцикли оксиран та оксетан.
Подібно до оксирану та оксетану, для них характерні реакції приєднання, які перебігають з розкриттям циклу. Так, азиридиновий цикл розкривається під дією амоніаку, амінів, галогеноводнів, води.
ТРИ- І ЧОТИРИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
523
N
Н
2
Н2С—СН
МН3
— ККН2
НОН
неї
н2к—сн — сн2—кн2
1,2-етандіамін
кмн—сн —сн2—ІЧН2
діамін
но—сн — сн2—мн2
2-аміноетанол
сі—сн — сн2—мн2
2-хлоретанамін
Азиридин та азетидин, на відміну від оксигеновмісних гетероциклів, виявляють низку специфічних властивостей, характерних для вторинних амінів.
Основні властивості азиридину (рЛГвн* = 7,48) та азетидину (рАГвн+ = 11,29) зумовлені наявністю неподіленої пари електронів на атомі Нітрогену.
Подібно до вторинних амінів, азиридин та азетидин вступають у реакції алкілювання, ацилювання і нітрозування'.
-неї
СН,—І
-НІ
о сн-с(
ІЧ-метилазиридин
N-ацетил азиридин
О=ІМ—СІ нітрозилхлорид ---------------►
З
ІЧ-нітрозоазиридин
N=0
Ці реакції зазвичай проводять у присутності основ (часто використовується надлишок триетиламіну) для зв’язування галогеноводню, що виділяється, або інших продуктів кислотної природи, здатних розкривати цикл.
31.2.4. НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ АЗИРИДИНУ ТА АЗЕТИДИНУ
Серед похідних азиридину виявлені речовини, що мають виражену протипухлинну активність, на основі яких створено групу протипухлинних лікарських препаратів (тіофосфамід, бензотеф, флуоробензотеф тощо). Усі вони містять переважно залишки фосфатної та тіофосфатної кислот.
тіофосфамід
бензотеф
Глава 31
524
Н2С — СН2 3 похідних азетидину важливе значення має внутрішньомолеку-
I І лярний амід р-амінопропіонової кислоти — 2-азетидинон (Р-лактам). N—С Синтезують шляхом термічної циклізації Р-амінопропіонової кис-
Н О лоти. При дії водних розчинів кислот і лугів, амоніаку та амінів
Р-лактамне кільце розкривається.
сн2—СН—с ьгн2
амід Р-амінопропіонової кислоти
сн2— сн,—о
І хон
мн2
р-амінопропіонова кислота
2-Азетидинон входить до складу антибіотиків групи пеніциліну (див. с. 564).
Глава 32
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ З ОДНИМ І ДВОМА ГЕТЕРОАТОМАМИ
З великої кількості п’яти- та шестичленних гетероциклічних сполук з одним і двома гетероатомами в цій главі розглядаються гетероцикли з гетероатомами О, N і 8, що мають ароматичні властивості. Такі речовини за своєю стійкістю і хімічними властивостями багато в чому нагадують бензен і тому отримали назву «гетероциклічні ароматичні», або «гетероароматичні сполуки».
Найважливіші представники цієї групи сполук:
> п ’ятичленні гетероцикли
н н н
фуран пірол тіофен піразол імідазол тіазол
шестичленні гетероцикли
піридин піридазин піримідин піразин
г конденсовані гетероциклічні системи
ІНДОЛ
хінолін
акридин
32.1. АРОМАТИЧНІСТЬ ГЕТЕРОЦИКЛІВ
Як відомо, ознакою ароматичності сполуки є наявність плоскої циклічної системи, що має замкнений ланцюг кон’югації, який містить (4л + 2) л-електронів.
Ароматичність п’ятичленних гетероциклів із двома л-зв’язками зумовлена тим, що в кон’югацію з л-електронами подвійних зв’язків вступає неподілена пара електронів гетероатома Й, О або 8.
Н
пірол
фуран
тіофен
Глава 32
Унаслідок утворюється замкнена кон’югована система, в якій число успільнених електронів відповідає правилу Гюккеля (4л + 2).
У молекулі піролу (рис. 32.1) атоми Карбону та атом Нітрогену знаходяться в стані 5р2-гібридизації. За рахунок 5р2-гібридних орбіталей кожен атом,
Рис. 32.1. Електронна будова молекули піролу ЩО ВХОДИТЬ ДО СКЛИДУ ЦИКЛУ, утворює три п-зв’язки, розташовані в площині кільця. При цьому в атомів Карбону та атома Нітрогену залишається по одній негібридизованій р-орбіталі, які розміщені паралельно одна одній у площині, перпендикулярній площині кільця. Кожна з р-АО атомів Карбону має один електрон, а на р-орбіталі атома Нітрогену знаходиться неподілена пара електронів. При перекриванні р-орбіталей утворюється єдина шестиелектронна хмара, що охоплює всі атоми циклу.
Атом Нітрогену в ^-гібридизації, що має електронну конфігурацію, в якій неподілена пара електронів займає негібридизовану р-атомну орбіталь, називається пірольним.
Аналогічно утворюється кон’югована система і в інших п’ятичленних гете-роциклах із двома л-зв’язками, зокрема, у молекулах фурану і тіофену. Як і атом Нітрогену в піролі, гетероатоми (—О— і —8—) вносять в ароматичний секстет неподілену пару р-електронів. За аналогією з піролом:
гетероатом, який вносить у л-електронну систему два електрони, що займають р-атомну орбіталь, і утворює з іншими атомами тільки о-зв’язки, прийнято називати гетероатомом пірольного типу.
О У ряду шестичленних гетероциклів ароматичні властивості характерні для структур, які є гетероциклічними аналогами бензену. Так, у молекулі ,, піридину (рис. 32.2) всі атоми Карбону та атом Нітрогену знаходяться в ста-піридин ні ^-гібридизації. Замкнена шести-л-електронна система утворюється п’ятьма р-орбіталями атомів Карбону (по одній від кожного) і р-орбіталлю атома Нітрогену. Тобто в молекулі піридину, як і в молекулі бензену, кожен атом циклу вносить в ароматичний секстет по одному р-електрону.
Неподілена пара електронів атома Нітрогену в молекулі піридину, на відміну від молекули піролу, займає лр2-гібридну орбіталь і не бере участі в утворенні ароматичного секстету.
Рис. 32.2. Електронна будова молекули піридину
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
527
Атом Нітрогену в $р2-гібридизації, що має електронну конфігурацію, в якій неподі-лена пара електронів займає «//-гібридизовану орбіталь і не бере участі в утворенні ароматичного секстету, називається піридиновим. Гетероатом наведеної електронної конфігурації, у цьому разі атом Нітрогену, ще умовно називають гетероатомом піридинового типу.
Гетероатом піридинового типу, маючи більшу електронегативність порівняно з атомом Карбону, знижує електронну густину на атомах Карбону ароматичного кільця.
Молекули гетероциклів із двома і більше гетероатомами, а також конденсовані гетероциклічні системи можуть включати гетероатоми як пірольного, так і піридинового типу.
Розподіл гетероатомів на атоми пірольного і піридинового типів дозволив А. Альбертові 1958 року ввести поняття «к-надлишковості» і «я-дефіцитності» гетероароматичних сполук.
Гетероцикли, у молекулах яких гетероатом є донором неподіленої пари електронів і, отже, збільшує електронну густину на атомах Карбону ароматичного циклу, називають п-надлишковими.
До них належать п’ятичленні гетероароматичні сполуки, які містять гетероатоми пірольного типу (фуран, пірол, тіофен тощо).
Гетероцикли, у молекулах яких гетероатом знижує електронну густину на атомах Карбону ароматичного кільця, називають п-дефіцитними.
До я-дефіцитних гетероциклічних систем належать гетероцикли, які містять гетероатоми піридинового типу (піридин, піримідин, піразин тощо).
32.2. КИСЛОТНО-ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ ГЄРОЦИКЛИ
Кислотні та основні властивості гетероциклічних сполук зумовлені електронною будовою гетероатомів.
У молекулі піролу неподілена пара електронів гетероатома, розміщена на не-гібридизованій р-орбіталі, бере участь в утворенні я-електронної ароматичної системи. Тому пірольний атом Нітрогену не здатний приєднувати протон, тобто
Глава 32
528
не може бути центром основності. З цієї ж причини фуран і тіофен також не виявляють основних властивостей.
Однак участь пірольного атома Нітрогену в кон’югації сприяє поляризації зв’язку N—Н і тим самим збільшує рухливість атома Гідрогену, що приводить до виявлення в піролу властивостей слабкої МН-кислоти. При дії лужних металів і сильних основ (]МаОН, Ка>Ш2) відбувається заміщення атома Гідрогену при пірольному атомі Нітрогену на метал.
Юрій Костянтинович ЮР’ЄВ (1896-1965)
Радянський хімік-органік. Закінчив (1925) Московський університет. Основні наукові дослідження проведені в галузі хімії гетероциклічних сполук. Здійснив (1929—1937) каталітичні реакції гідро- і дегідрогенізації ІЧ-заміщених піролу, піролідину і де-кагідрохіноліну. Відкрив (1936) і вивчив реакції взаємного каталітичного перетворення піролу, тіофену і селено-фену. Розробив методи синтезу 1,4-ді-оксану, дитіану і тіоксану з етиленоксиду (1945—1950), б/с-функціональних похідних фурану.
Лауреат Державної премії СРСР (1946).
+ №Г4Н2
пірол натрій амід
—► + ^н3
Ла
натрій піролід
При атомі Нітрогену піридинового типу неподілена пара електронів перебуває на 5р2-гібридній орбіталі і не бере участь в утворенні ароматичного секстету. За рахунок цієї електронної пари атом Нітрогену піридинового типу здатний приєднувати протон, тобто виявляти основні властивості.
піридин
піридиній гідросульфат
Таким чином, кислотні властивості нітрогеновмісних ароматичних гетероциклів зумовлені наявністю в їх структурі атома Нітрогену пірольного типу, а основні — атома Нітрогену піридинового типу.
Гетероциклічні сполуки, які містять у своєму складі атоми Нітрогену пірольного і піридинового типів, виявляють амфотерні властивості (піразол, імідазол, пурин тощо).
піразолій хлорид
№
натрій піразолід
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
529
32.3. П’ЯТИЧЛЄННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ З ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ
П’ятичленні гетероароматичні сполуки з одним гетероатомом можна розглядати як похідні бензену, в якому угруповання —СН=СН— заміщене на гетероатом.
Найважливішими представниками цієї групи гетероциклів є пірол, фуран і тіофен:
Н
пірол; фуран; тіофен;
азол оксол тіол
Назви одновалентних залишків наведених гетероциклів утворюють за допомогою суфікса -ил (-іл), указуючи цифрою або літерою грецького алфавіту положення вільної валентності.
(/-пірил; |)-пірил;
2-пірил 3-пірил
«/-фурил; 2-фурил
р -фурил; З-фурил
«/-тієніл; 2-тієніл
-тієніл;
3-тієніл
32.3.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
ЗАГАЛЬНІ СПОСОБИ ДОБУВАННЯ ПІРОЛУ, ФУРАНУ І ТІОФЕНУ
Циклізація 1,4-дикарбонільних сполук (синтез Паале—Кнорра). Для добування фурану та його похідних на 1,4-дикарбонільні сполуки діють водовіднімаючими реагентами (концентрована Н28О4, Р2О5), для синтезу піролу та його гомологів — амоніаком, для одержання тіофену та його похідних застосовують фосфор пентасульфід Р285.
Взаємні перетворення фурану, піролу та тіофену (цикл реакцій Юр’ева). Реакції взаємних перетворень фурану, піролу та тіофену були відкриті 1936 року російським хіміком-органіком Юрієм Костянтиновичем Юр’євим. При каталітичній дії алюміній оксиду і нагріванні (-450 °С) фуран у присутності амоніаку перетворюється в пірол, а в присутності гідросульфіду — у тіофен. Під дією води за цих же
Глава 32
530
умов пірол і тіофен утворюють фуран. Аналогічно тіофен у присутності амоніаку перетворюється в пірол, а пірол у присутності гідросульфіду — у тіофен.
Слід зазначити, що з наведених реакцій з високим виходом проходять тільки перетворення фурану в пірол і тіофен.
СПЕЦИФІЧНІ СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Добування піролу. У незначних кількостях пірол міститься в кам’яновугільній смолі. Синтетично його одержують нагріванням діамонійної солі слизової кислоти:
НО. \ / ,ОН
с—с
Н4ЙООСХ Хон но7 ХСООЙН4
пірол
діамонійна сіль слизової кислоти
Використовують також метод перегонки сукциніміду з цинковим пилом:
Н.С—СН, 7 \
О^ \н х°
сукцинімід
22п
- 22п0
пірол
Добування фурану. У лабораторних умовах фуран добувають сухою перегонкою слизової кислоти. Реакція проходить через стадії утворення дегідрослизової (а,а'-фурандикарбонової) і пірослизової (а-фуранкарбонової) кислот.
НО. \ / ,0Н
С---с
н. / \ ,н
/с с\
НООС Хон но7 СООН
[ТА
НООС СООН
і --------->
-С02
слизова кислота
дигідрослизова кислота
СООН
/ ---------►
—со2
фуран
пірослизова кислота
Н Н
Н Н
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
531
У промисловості фуран одержують з альдопентоз. При нагріванні з водовід-німаючими засобами альдопентози циклізуються, утворюючи фурфурол, який окисненням переводять у пірослизову кислоту, і далі, термічним декарбоксилю-ванням,— у фуран:
Н Н
НО.\ /,ОН с—
Н+; і
-зн2о
фурфурол
[О^
пірослизова кислота
фуран
Добування тіофену. Тіофен був відкритий випадково 1882 року професором Берлінського університету Віктором Мейєром як домішка в бензені, добутому з кам’яновугільної смоли. У промисловості тіофен одержують у результаті парофаз-ної циклізації бутану із сіркою, а також за реакцією Чичибабіна при пропусканні суміші ацетилену із гідросульфідом над каталізатором А12О3.
НС
НС СН
сн
32.3.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Пірол — безбарвна рідина з запахом, що нагадує запах хлороформу (т. кип. 130°С). Малорозчинний у воді, добре розчиняється в етанолі та бензені. На повітрі темніє і осмолюється.
Фуран — безбарвна рідина зі своєрідним запахом, що нагадує запах хлороформу (т. кип. 32°С). Нерозчинний у воді, добре розчиняється в етанолі і діетиловому етері.
Тіофен — безбарвна рідина зі слабким запахом сірчистих сполук (т. кип. 84°С). Нерозчинний у воді, добре розчиняється в етанолі, етері та бензені. Стійкий до дії високої температури. На світлі окиснюється.
32.3.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Реакційна здатність піролу, фурану та тіофену визначається наявністю в їх структурі циклу з п-електрононадлишковою ароматичною системою (шість р-електронів припадає на п ’ять атомів циклу). Проте ступінь ароматичності зазначених гетероциклів нижчий, ніж у бензену, і залежить від природи гетероатома.
Глава 32
Оскільки електронегативність атома Сульфуру менша за електронегативність атомів Нітрогену та Оксигену, частка участі неподіленої пари електронів атома Сульфуру в утворенні ароматичного секстету молекули тіофену більша, ніж атома Нітрогену в піролі та атома Оксигену у фурані. Так, якщо для бензену енергія резонансу становить ~150 кДж/моль, то в ряду пірол, фуран, тіофен вона зменшується у міру збільшення електронегативності гетероатома', тіофен (—130 кДж/моль), пірол (-110 кДж/моль), фуран (~90 кДж/моль). Тому з наведених гетероциклів тіофен за своєю хімічною поведінкою найбільше нагадує бензен, а фуран має найменше виражений ароматичний характер. У деяких реакціях фуран поводиться, як нена-сичена (дієнова) сполука.
Унаслідок електронегативності гетероатома в молекулах піролу, фурану та тіофену, на відміну від бензену, електронна густина розподілена нерівномірно, зокрема, на атомах Карбону в (/.-положенні густина вища, ніж у ^-положенні, що визначає направленість перебігу реакцій електрофільного заміщення.
ЗАГАЛЬНІ ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПІРОЛУ, ФУРАНУ ТА ТІОФЕНУ
Взаємодія з мінеральними кислотами. У присутності сильних мінеральних кислот пірол і фуран осмоляються, утворюючи полімерні продукти темного кольору. Ця властивість отримала назву «ацидофобність», що означає «кислотобоязнь» (від лат. асідит — кислота і грец. фобос — страх). Ацидофобність зумовлена приєднанням протона, переважно до а-атома Карбону циклу, що приводить до порушення ароматичності кільця. Потім відбувається або розрив циклу з утворенням полімеру (найбільш імовірний процес для фурану), або полімеризація утвореної дієнової структури, яка проходить зі збереженням циклу.
полімеризація
X = О; N14
Введення у фуранове та пірольне ядро електроноакцепторних замісників (—N02, —СООН, —СН=О) приводить до зменшення ацидофобності цих сполук. Тіофен, на відміну від фурану і піролу, не виявляє ацидофобності, оскільки має стійку ароматичну структуру, яка не руйнується при дії сильних мінеральних кислот.
Реакції електрофільного заміщення (5£). Будучи л-надлипіковими ароматичними системами, пірол, фуран і тіофен легко вступають у характерні для ароматичних сполук реакції електрофільного заміщення. Ці реакції перебігають значно легше, ніж у бензену. Зазначені гетероцикли за активністю в реакціях з електрофільними реагентами розташовуються в ряд:
о < о < о
О N
Н
тіофен фуран пірол
Активність гетероциклів у 8Е-реакціях
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
533
У першу чергу заміщується атом Гідрогену при а-атомі Карбону і тільки в разі, якщо це положення зайняте, заміщення відбувається в 0-положенні. Така напрям-леність заміщення зумовлена тим, що за участі а-атомів Карбону утворюється стійкіший о-комплекс, завдяки більшій можливості для делокалізації позитивного заряду.
Нітрування. Нітрування фурану та піролу, з огляду на їх ацидофобність, проводять не самою нітратною кислотою, а продуктом взаємодії нітратної кислоти з оцтовим ангідридом — ацетилнітратом СН3СООКЮ2 (див. с. 441). Тіофен не-ацидофобний, тому його можна пронітрувати нітратною кислотою в м’яких умовах, однак частіше в реакції нітрування тіофену також застосовують ацетилнітрат. Унаслідок нітрування утворюються а-нітросполуки.
О + СН3-С\
О —N0,
X = О; Т4Н; 8 ацетилнітрат
2-нітрофуран (X = О);
2-нітропірол (X = 1ЧН);
2-нітротіофен (X = 8)
Сульфування. Для сульфування фурану і піролу (ацидофобні гетероцикли) як електрофільний реагент замість сульфатної кислоти використовують комплекс піридину із сульфур(УІ) оксидом — піридинсульфотриоксид С5Н5К • 8О3. Цей суль-фуючий реагент був запропонований російським хіміком Олександром Петровичем Терентьєвим 1947 року. Сульфування проходить по а-положенню з утворенням сульфокислот.
X = О; 1ЧН
піридин
сульфотриоксид
2-фурансульфокислота (X = О);
2-піролсульфокислота (X = ІЧН)
Тіофен легко сульфується концентрованою сульфатною кислотою. Реакція проходить на холоді, майже з кількісним виходом. У цій реакції тіофен значно більш реакційноздатний, ніж бензен, який із сульфатною кислотою в зазначених умовах не реагує. Цю реакцію використовують при очищенні технічного бензену від домішки тіофену.
тіофен
Н28О4 (конц.)
чо н + н2°
2-тіофенсульфокислота
Глава 32
^34
Ацилювання. Для ацилювання фурану і піролу як електрофільні реагенти використовують ангідриди кислот у присутності кислот Льюїса, частіше 8пС14 або ХпС12. Тіофен аци-люється не тільки ангідридами, але і хлорангідридами карбонових кислот у присутності алюміній хлориду. Заміщення здійснюється по а-положенню.
X = О; N11; 8
сн3— с
/°
сн3-с
о
8пС1„
Олександр Петрович ТЕРЕНТЬЄВ (1891-1970)
Радянський хімік-органік. Закінчив Московський університет (1913). У 1914—1919 роках викладав хімію в середніх школах. Професор Московського університету (з 1936).
Основні наукові дослідження присвячені синтезу і функціональному аналізу гетероциклічних сполук. Запропонував (1947) селективно діючий сульфуючий реагент — піридинсуль-фотриоксид для сульфування ацидофобних гетероциклів. Розробив методи синтезу похідних фурану, піролу, тіофену, індолу.
Лауреат Державної премії СРСР (1948).
2-ацетилфуран (X = О);
2-ацетилпірол (X = N4);
2-ацетилтіофен (X = 8)
сн3—с
пн
Галогенування. Галогенування фурану перебігає досить складно. Залежно від умов проведення реакції поряд із заміщенням атомів Гідрогену на атоми галогену утворюються також продукти 2,5-приєднання. Пірол з галогенами реагує досить легко, утворюючи тетрагалогенопіроли. Для одержання моно-галогенозаміщених похідних піролу потрібні спеціальні умови. Так, при дії на пірол суль-
фурилхлориду 8О2С12 відбувається поступове заміщення атомів Гідрогену на атоми
галогену.
пірол 2-хлоропірол 2,5-дихлоропірол тетрахлоропірол
Галогенування тіофену проводять безпосередньою дією галогену (хлору або брому). Реакція відбувається на холоді з утворенням моно-, ди-, три- і тетразамі-щених похідних тіофену.
тіофен 2-хлоротіофен 2,5-дихлоротіофен тетрахлоротіофен
Реакція з йодом проходить повільно в присутності каталізатора Н§0.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
535
Реакції відновлення. Фуран приєднує водень при високій температурі (140 °С) і тиску (100—150 атм) у присутності каталізатора (нікель Ренея, паладій) з утворенням насиченого гетероциклу — тетрагідрофурану (оксолану):
У — о фуран тетрагідрофуран
За хімічною будовою тетрагідрофуран — циклічний етер. Це малореакційно-здатна сполука широка використовується в органічному синтезі як розчинник.
Приєднання атома Гідрогену до тіофену в присутності паладієвого каталізатора відбувається значно легше, ніж до фурану (при кімнатній температурі і тиску 2—4 атм). У процесі відновлення утворюється тетрагідротіофен:
СЗ + зн2 -ли о о тіофен тетрагідротіофен
Пірол, на відміну від фурану і тіофену, гідрується воднем у момент виділення (дією цинку в оцтовій кислоті). При цьому відбувається часткове відновлення кільця з утворенням ненасиченого гетероциклу — 2,5-дигідропіролу (3-піроліну). Повне відновлення пірольного циклу відбувається при гідруванні над платиновим або паладієвим каталізатором і приводить до утворення тетрагідропіролу (піролідину):
3-піролін
піролідин
Піролин і піролідин є циклічними амінами і суттєво відрізняються за хімічними властивостями від піролу.
У молекулі піроліну неподілена пара електронів атома Нітрогену не кон’югована з л-електронами подвійного зв’язку, тому він виявляє властивості амінів і ненасичених сполук. Піролідин — типовий представник вторинних циклічних амінів і належить до насичених сполук. Піролідиновий цикл входить до складу багатьох природних сполук (алкалоїди нікотин, кокаїн, атропін тощо, гл. 33).
Реакції окиснення. Фуран і пірол дуже чутливі до дії окисників і окиснюються вже киснем повітря. При окисненні відбувається розрив гетероциклічного ядра, і утворюються полімерні сполуки. Проте пропускання суміші фурану з повітрям над каталізатором У2О5 при температурі 320 °С приводить до утворення ангідриду малеїнової кислоти.
фуран
[О]; У2О5
малеїновий ангідрид
При окисненні піролу хромовою кислотою утворюється імід малеїнової кислоти.
Глава 32
536
пірол
[О]; Н2Сг2О4
малеїнімід
Тіофен окиснюється дуже важко.
Взаємні перетворення фурану, піролу та тіофену. Реакція перебігає при температурі 450°С у присутності каталізатора А12О3 (див. с. 530).
СПЕЦИФІЧНІ ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПІРОЛУ І ФУРАНУ
Пірол та його похідні. Пірол, будучи слабкою ІЧН-кислотою (рКа ~ 17,5), взаємодіє з металічним калієм, безводним калій гідроксидом, металічним натрієм і літієм у рідкому амоніаку, з калій і натрій амідами, а також магнійорганічними сполуками, утворюючи солі.
К калій піролід
О -ч
N "і
+
к
№"Н2 г //_\\ - НН3
Йа
натрій піролід
СН3М^ г О
-сн4
Й18І
пірилмагній йодид
Піролід-аніон, який входить до складу солей,— достатньо стійка частинка внаслідок делокалізації негативного заряду по пірольному ядру.
Солі піролу — реакційноздатні сполуки, широко використовуються в органічному синтезі для введення в молекулу піролу алкільних та ацильних замісників. Напрям реакцій алкілювання та ацилювання залежить від температури. При температурі нижчій 0°С утворюються 14-алкіл- і 14-ацилпіроли, а при нагріванні — відповідно а-алкіл- і а-ацилпіроли:
М-ацетилпірол
а-ацетилпірол;
2-ацетилпірол
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
537
У реакціях ацилювання поряд із хлорангідридами карбонових кислот можна використовувати естери. Так, при дії етилформіату на пірилмагніййодид на холоді утворюється М-формілпірол, при нагріванні — а-формілпірол.
ІЧ-формілпірол
2-формілпірол
У деяких реакціях електрофільного заміщення пірол нагадує фенол, а його М-металічні похідні — феноксиди лужних металів. Зокрема, пірол, як і фенол, вступає в реакцію азосполучення:
0 + [с6н-Й^]сг О-м=н-сЛ + неї
пірол бензендіазоній хлорид 2-бензеназопірол
Пірол при взаємодії з хлороформом у лужному середовищі піддається не тільки формілюванню (див. реакція Реймера—Тімана, с. 355), але і зазнає розширення циклу:
СНСІ3; ОН
а-піролкарбальдегід р-хлоропіридин
Натрій піролід карбоксилюється карбон(ГУ) оксидом (див. реакція Кольбе— Шмітта, с. 355) з утворенням 2-піролкарбонової кислоти:
СО2;
сооиа
НС1 -------► - МаСІ
соон
натрій піролід
натрієва сіль 2-піролкарбонової кислоти
2-піролкарбонова кислота
Фуран та його похідні. Займаючи проміжне положення між ароматичними сполуками та 1,3-дієнами, фуран вступає в характерну для кон’югованих дієнів реакцію Дільса—Альдера. Так, з малеїновим ангідридом він легко утворює відповідний продукт приєднання.
фуран
малеїновий 1,2,3,6-тетрагідро-
ангідрид 3,6-епоксифталевий ангідрид
Глава 32
48 ---------------------------------------------------------------------
32.3.4. ІДЕНТИФІКАЦІЯ ПІРОЛУ, ФУРАНУ І ТІОФЕНУ
Можливість виявлення гетероциклічних сполук за допомогою хімічних методів обмежена.
Для ідентифікації піролу та фурану застосовують простий і доступний метод — забарвлення соснової скіпки. Пари піролу забарвлюють соснову скіпку, змочену хлоридною кислотою, у червоний колір, а фурану — в інтенсивно-зелений.
Якісною реакцією на тіофен слугує індофенінова реакція', суміш ізатину з концентрованою сульфатною кислотою навіть від слідів тіофену забарвлюється в синій колір.
Пірол, фуран і тіофен також можна ідентифікувати за фізичними константами (температурою кипіння, показником заломлення тощо) та спектральними характеристиками. Оскільки ці гетероцикли є кон’югованами системами, вони поглинають в ультрафіолетовій ділянці спектра. В УФ-спектрах спостерігається високоінтенсивне поглинання в ділянці 180—210 нм (А.тах, нм: для тіофену — 190, фурану — 200, піролу — 209) і низькоінтенсивне поглинання (за винятком фурану) в ділянці 230—270 нм.
У ПМР-спектрах піролу, фурану і тіофену сигнали протонів зв’язку С—Н спостерігаються в інтервалі 6,2—7,3 млн-1.
32.3.5. НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ПІРОЛУ, ФУРАНУ ТА ТІОФЕНУ
ПОХІДНІ ПІРОЛУ
2-Піролідон — лактам у-аміномасляної кислоти. У промисловості його добувають взаємодією бутиролактону з амоніаком.
Н,С —СН, 7 \ н,с с^ о
мн3 -----►
—Н2О
бутиролактон
н,с—сн, 7 \
н,с с^
^N4 О
2-піролідон
При конденсації 2-піролідону з ацетиленом утворюється М-вініл-2-піролідон, який легко полімеризується, утворюючи полівінілпіролідон (ПВП).
полівінілпіролідон
лНС=СН
2-піролідон
П
сн=сн2
N -вініл-2-піролідон
Низькомолекулярний ПВП (молекулярна маса 12 000—13 000) утворює колоїдні розчини у воді і використовується для приготування кровозамінника «Гемодез», середньомолекулярний ПВП (молекулярна маса 35 000—40 000) — у фармацевтичній промисловості як зв’язуючий засіб у виробництві таблеток.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
539
При кополімеризації вінілпіролідону, акриламіду і етилакрилату добувають біороз-чинний полімер для очних лікарських плівок, який забезпечує тривалу дію лікарських речовин (пролонгуючий ефект).
Пролін (2-піролідинкарбонова кислота) і оксипролін (4-гідрокси-2-піролідинкарбонова кислота) — це а-амінокислоти гетероциклічного ряду, в яких спільний а-амінокислотний фрагмент—N11—СН(СООН)— включений у піролідиновий цикл.
СООН
пролін
оксипролін
Пролін має один асиметричний атом Карбону і тому існує у вигляді двох оптично активних ізомерів і одного рацемата. Оксипролін містить два хіральних центри, а отже, може існувати у вигляді двох пар енантіомерів і двох рацематів. А-Пролін і А-оксипролін входять до складу білків. Особливо багатий
Ганс Зйген ФІШЕР (1881—1945)
Німецький хімік-органік і біохімік. Основні дослідження присвячені хімії піролу та його похідних. Вивчав пі-рольні пігменти, які входять до складу крові, жовчі і які містяться в зелених рослинах. Здійснив синтез порфірину (1927) і білірубіну (1931), установив будову хлорофілів а (1939) і 0 (1940). Синтезував (1929) гемін і довів, що в його складі — білок глобін і ферумо-вмісний комплекс гемін.
Лауреат Нобелівської премії (1930).
ними колаген.
Порфін — кристалічна речовина темно-червоного кольору. За хімічною структурою є макроциклічною кон’югованою системою, яка складається з піроль-
ного (НІ), піролінового (І) і двох ізопірольних (II, IV) ядер, зв’язаних між собою метановими групами =СН—.
Порфін — ароматична сполука. Він має плоску будову молекули, містить замкнену кон’юговану систему з кількістю тг-електро-нів, рівною 26 (11 л-зв’язків і дві пари неподілених електронів при атомах Нітрогену), що відповідає правилу Гюккеля (4л + 2, п = 6). Похідні порфіну отримали загальну назву «порфірини». У вигляді комплексів з металами порфірини входять до складу таких важливих природних сполук, як гемоглобін і хлорофіл.
Гемоглобін — барвна речовина крові, що міститься в еритроцитах. Це складний
білок — хромопротеїд, який складається з білка глобіну та забарвленої в червоний колір небілкової частини — гему. За хімічною структурою гем є комплексом порфіну з Ре(ІІ). При кислотному гідролізі гемоглобіну вільний гем легко окисню-ється на повітрі з утворенням геміну, що має ту ж структуру, що і гем, але містить Ре(ПІ).
У 1929 році німецький вчений Ганс Ейген Фішер установив будову геміну і здійснив його синтез.
Глава 32
540
гем
сн2
сн н к
,с с с
н3с—с с с
с—сн—сн3
Н2С=СН сн3
Н—С /С—н
н,с \?=ьґ с
VII \-сн
н х V V
^Н2 Н-С?-
сн2
с=о
с=о
о
о
сн3
сн2
сн
гемін
с-сн3 сн2 сн2 сн2
НС—сн3
сн2
сн2
сн2
хлорофіл а (К = СН3); хлорофіл р (К. = СНО)
оксигемоглобін
НС—сн3
сн2 сн2
сн2 сн
сн3 сн3
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
541
Гем, координаційно сполучений з глобіном (за рахунок координаційного зв’язку між Ре2+ та імідазольним фрагментом гістидину білкової молекули), утворює гемоглобін.
Гемоглобін в організмі виконує роль переносника кисню з легень у тканини. Молекула кисню оборотно реагує з гемоглобіном з утворенням оксигемоглобіну.
Деякі речовини, зокрема карбон(ІІ) оксид і солі ціанідної кислоти, утворюють з гемоглобіном більш стабільні комплекси, ніж кисень, і тим самим блокують дію гемоглобіну. Такі сполуки належать до дихальних отрут.
Частково гідрований порфіновий цикл, координаційно сполучений з Магнієм, входить до складу зеленого пігменту рослин — хлорофілу. З рослин виділений хлорофіл а і хлорофіл 0.
Хлорофіли містять три асиметричних атоми Карбону і тому виявляють оптичну активність.
Синтез хлорофілів був уперше здійснений 1960 року Робертом Бернсом Вуд-вордом. Хлорофіли відіграють важливу роль у процесі фотосинтезу, перетворюючи світлову енергію сонячних променів в енергію хімічних зв’язків.
Вітамін В12 (ціанокобаламін). Вітамін В12 був уперше виділений з печінки теплокровних тварин американським хіміком Карлом Августом Фолкерсом 1948 року. Проте лише 1956 року англійський хімік Дороті Кроуфут-Ходжкін установила за допомогою рентгеноструктурного аналізу його будову.
вітамін В12
Глава 32
-42
В основі структури вітаміну В|2 лежить макроцикл, який складається з чотирьох частково гідрованих пірольних ядер, в якому атоми Нітрогену утворюють координаційний комплекс з атомом Кобальту і ціанід-іоном.
Унаслідок наявності ціаногрупи, зв’язаної з Кобальтом, вітамін В12 називають також ціанокобаламіном.
Нині вітамін В12 виробляють у промисловому масштабі мікробіологічно. Він використовується в медичній практиці для лікування анемій, захворювань нервової системи і печінки.
ПОХІДНІ ФУРАНУ
,—. _ Найважливішим похідним фурану є фурфурол (2-фуранкарб-
{! 'Х альдегід, фурфураль) — безбарвна або ледь жовтувата масляниста
ХО С рідина (т. кип. 162°С), що має приємний запах свіжоспеченого жит-Н нього хліба. Уперше був виділений з висівок. Свою назву отримав від лат. /ифіг — висівки.
У промисловості фурфурол у великих кількостях добувають кислотним гідролізом полісахаридів пентозанів, які містяться в сільськогосподарських відходах (соломі, луззі соняшнику, кукурудзяних качанах, бавовняних коробочках тощо).
Н Н
но.\ /он
Нх с—с . / VН+;, О X X С X ► <
нх ' \ / -зн,о \уХ ОН НО с\ н н альдопентоза 11 фурфурол
За хімічними властивостями фурфурол багато в чому подібний до ароматичних альдегідів, зокрема до бензальдегіду. Як гетероароматичний альдегід фурфурол вступає в реакцію Канніццаро і зазнає конденсації типу бензоїнової:
ИаОН
сн2он
натрієва сіль пірослизової кислоти
фурфурол
КСИ
-----►
фурфуриловий спирт
он о
фуроїн
Фурфурол реагує з амоніаком з утворенням гідрофурфураміду (аналог гідро-бензаміду, див. с. 396):
фурфурол гідрофурфурамід
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
543
Фурфурол як альдегід окиснюється амоніачним розчином аргентум оксиду, утворюючи пірослизову кислоту, відновлюється у фурфуриловий спирт, приєднує натрій гідросульфіт, з гідроксиламіном утворює оксим, з фенілгідразином — фе-нілгідразон і т. д.
ІА£(МН3)2]ОН
пірослизова кислота
+ Аа І
\у^СН2ОН фурфуриловий спирт |н,
н?м—мн—сн,
2 о?
—Н20
О.
Чсг СН=N — N Н — С6 Н 5
фурфурол фенілгідразон
гідросульфітна похідна фурфуролу
н2м—он
—Н2О
/О
\0/^СН=К—он
фурфурол оксим
Для фурфуролу, крім реакцій по альдегідній групі, характерні реакції по фу-рановому ядру. Фурфурол легко вступає в реакції 8Е, при цьому найбільш реак-ційноздатне положення 5. Унаслідок електроноакцепторного впливу альдегідної групи, що приводить до зниження електронної густини на атомах Карбону фура-нового циклу, фурфурол менш ацидофобний, ніж фуран.
Нітрування фурфуролу проводять концентрованою нітратною кислотою в середовищі оцтового ангідриду. У процесі реакції одержують ацилаль — 5-нітро-фурфуролдіацетат, який при гідролізі в присутності розведеної сульфатної кислоти утворює 5-нітрофурфурол:
фурфурол
НМ03 (конц.); --- о—С_СН ---
(СН.СО),О // \\ | НОН; Н // \\
СН О —2сн,соон * О2М^О^С
І II ц
о—с—сн3
5 - нітрофурфуролдіацетат 5-нітрофурфурол
5-Нітрофурфурол — вихідна речовина для синтезу групи лікарських препаратів. Так, при взаємодії 5-нітрофурфуролу із семікарбазидом утворюється семікарбазон 5-нітрофурфуролу, який використовують у медицині під назвою «Фурацилін».
5-нітрофурфурол
Н2М —МН —С —МН2
-Н2О
5-нітрофурфурол семікарбазон; фурацилін; нітрофурал
Глава 32
544
Представниками групи лікарських препаратів нітрофуранового ряду є також фурадонін і фуразолідон.
О
О
Роберт Берне ВУДВОРД (1917—1979)
Американський хімік-органік. Найбільший фахівець у галузі синтетичної і структурної органічної хімії. Разом зі співробітниками й учнями здійснив синтези: хініну (1944), семперверину (1949), холестеролу і кортизону (1951), стрихніну і ланостерину (1954), резерпіну (1956), хлорофілів а і Р (1960), вітаміну В12 (1971).
Значний його внесок у встановлення структур складних органічних сполук (пеніцилін, патулін, тераміцин, біоміцин, стрептоміцин). Установив (1952) сендвічеву структуру дицикло-пентадієнілферуму і назвав його фе-роценом.
Лауреат Нобелівської премії (1965).
1 -^-(5-нітрофурфуриліден)аміно]-гідантоїн гідрат; фурадонін; нітрофурантоїн
1 - ^-(5-нітрофурфуриліден)аміно] -
2-оксазолідон;
фуразолідон
Препарати нітрофуранового ряду виявляють високу антибактеріальну активність. Вони широко використовуються в медицині для лікування гнійних і запальних процесів. Особливо цінна властивість цих препаратів у здатності в ряді випадків бути ефективними проти форм збудників, стійких до сульфаніламідів і антибіотиків.
ПОХІДНІ ТІОФЕНУ
Біотин (вітамін Н). Гетероциклічна частина молекули біотину складається з гідрованих тіофенового та імідазольного кілець,
а боковий ланцюг презентований залишком валеріанової кислоти. Біотин уперше виділений 1935 року з яєчного жовтка, при цьому для одержання 1 мг речовини
треба взяти 225 кг сухого яєчного жовтка.
Особливо багаті на біотин нирки, печінка, горох, боби, картопля. Біотин входить до складу активного центру ферментів, які беруть участь у синтезі вищих жирних кислот, білків, нуклеїнових кислот тощо. При нестачі біотину в організмі розвиваються запальні захворювання шкіри (дерматити), які супроводжуються д'/ (СН2)4СООН випаданням волосся і ураженням нігтів.
О
НN М4
32.4. ІНДОЛ
Молекула індолу (бензо[й]піролу) — конденсована гетероциклічна система, що складається з пірольного і бензенового кілець. Нумера-|їл^>« цію атомів в індолі починають з гетероатома, атоми Карбону в пі-рольному циклі позначають також літерами а і р.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
545
32.4.1. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Індол міститься в невеликих кількостях (3—5%) у кам’яновугільній смолі, звідки може бути виділеним у чистому вигляді.
Індол та його гомологи можна здобути різними синтетичними методами.
Циклізація М-форміл-о-толуїдину. Реакція перебігає в присутності сильної основи (калій /ире/л-бутаноляту або натрій аміду) і належить до реакцій конденсації кротонового типу.
сн, о
,сн мн
№ІЧН2 - Н2О
індол
М-форміл-о-толуїдин
Перегрупування фенілгідразонів альдегідів або кетонів у присутності кислотного каталізатора (метод Фішера). Цей спосіб застосовують для синтезу гомологів індолу з алкільними замісниками в пірольному ядрі. Реакція перебігає при нагріванні фенілгідразонів альдегідів (за винятком формальдегіду та ацетальдегіду) або кетонів у присутності сульфатної кислоти чи цинк хлориду:
Н2804
—-—2—►
-N43
ацетон фенілгідразон 2-метиліндол
Механізм реакції'.
32.4.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Індол — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 52°С), що має своєрідний неприємний запах. Добре розчинний у етанолі, етері та толуені, практично не розчинний у воді. У малих концентраціях індол має приємний квітковий запах.
32.4.3. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Індол — гетероароматична сполука. За хімічними властивостями він нагадує пірол. Під дією мінеральних кислот індол осмоляється, що вказує на його ацидо-фобність. Подібно до піролу, у реакціях із сильними основами (лужними мета-
Глава 32
лами, лугами, алкоксидами металів, магнійорганічними сполуками) індол виявляє властивості слабкої МН-кислоти (рКа = 16,97).
індолкалій
індол
м§1
індол магній йодид
Металічні похідні індолу широко використовують в різних синтезах.
У реакціях електрофільного заміщення в молекулі індолу більш реакцій-ноздатним є гетероциклічне кільце, але на відміну від піролу замісник направляється в ^-положення. Це можна пояснити тим, що утворення о-комплексу за Р-положенням для індолу більш вигідний процес (порівняно з а-положенням), оскільки в цьому випадку позитивний заряд може бути делокалізований без порушення ароматичної системи бензенового ядра.
Унаслідок електрофільної атаки а-положення утворюється о-комплекс, в якому делокалізація позитивного заряду може бути здійснена лише з порушенням ароматичної системи бензенового кільця, що енергетично для молекули не вигідно.
Якщо Р-положення зайняте, то електрофільне заміщення відбувається в а-положенні. Так, при нітруванні індолу бензоїлнітратом, сульфуванні піри-динсульфотриоксидом, галогенуванні сульфурилхлоридом та азосполученні утворюються відповідні Р-заміщені продукти:
С5Н5М-8О,
-С5Н5К
802СІ,
З -індолсульфокислота
При відновленні індолу воднем у присутності платинового каталізатора утворюється 2,3-дигідроіндол:
Н2 (Р1)
N14
N11
2,3-дигідроіндол
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
547
32.4.4. НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ІНДОЛУ
Індоксил (3-гідроксиіндол, 3-оксоіндолін). Жовта кристалічна речовина із сильним фенольним запахом (т. пл. 85°С), розчиняється у воді, спиртах, ацетоні, етері і бензені. У розчинах індоксил існує у двох таутомерних формах — кетон-ній і енольній (кето-енольна таутомерія), у кристалічному стані — у кетоформі (3-оксоіндолін).
енольна форма
кетоформа
У промисловості індоксил добувають взаємодією аніліну з натрієвою сіллю хлороцтової кислоти. Натрієва сіль М-феніламінооцтової кислоти, яка утворюється в процесі реакції, при нагріванні (180—200°С) з натрій амідом перетворюється в індоксил.
Ка1МН2; 1X0—200
натрієва сіль ІЧ-феніламінооцтової кислоти
індоксил
Індоксил легко вступає в реакції, характерні для карбонільних сполук і фенолів. У лужному середовищі індоксил легко окиснюється киснем повітря, утворюючи синій барвник — індиго.
Мелатонін
Мелатонін — нейрогормон, продукований клітинами епіфіза. Він регулює цикл «сон — неспання», температуру тіла, вироблення гормонів. Рівень мелатоніну збільшується в темний час доби і знижується з наближенням ранку. Люди з високим рівнем
мелатоніну сплять довше і міцніше. Концентрація цього гормону в крові змінюється з віком: у шестирічних дітей його в п’ять разів більше, ніж у вісімдесятирічних старих. Саме тому молоді люди мають менше проблем зі сном порівняно з літніми.
Мелатонін спричиняє концентрування пігменту меланіну. Пігментація шкіри, колір волосся і райдужної оболонки ока людини залежать від кількості і розподілу меланіну в клітинах. Виникнення засмаги і поява ластовиння — результат посиленого утворення і відкладення меланіну в шкірі. Припинення біосинтезу меланіну викликає посивіння волосся.
Глава 32
548
О Н
індиго
н о
0...д Індиго. Темно-синя з мідним відливом кристалічна ре-
х\ човина (т. пл. 390—392°С з розкладанням), розчиняється у |[ \ / "ї| в хлороформі, нітробензені, аніліні, «льодяній» оцтовій кислоті, не розчиняється у воді, спиртах, етері.
' II Індиго — один з найдавніших органічних барвни-
н"и ків, який відрізняється яскравим забарвленням і високою
світлостійкістю. Він був відомий ще стародавнім єгиптянам і народам Індії, які добували його з тропічних рослин роду ІпсІі§о/ега. Синтетичним шляхом індиго вперше було одержано 1896 року. Зараз найбільш поширений спосіб, побудований на взаємодії аніліну з натрієвою сіллю хлороцтової кислоти з подальшим окисненням індоксилу, що утворюється, киснем повітря (див. схему добування індоксилу, с. 547).
Молекула індиго має щранс-будову та утворює між групами С=О і N11 внут-рішньомолекулярні водневі зв’язки.
У присутності відновників (глюкоза, натрій дитіонат Ма282О4) синє індиго легко відновлюється з утворенням безбарвної лейкооснови — білого індиго, який, на відміну від синього, добре розчиняється у воді. На повітрі дуже легко проходить і зворотний процес — біле індиго окиснюється до синього.
о—н онн
II \ / \
N3,8,0. х<Х_-Х\ N^/4^
[ Г XІ ] <................ [ іГ У<\ 7 ]
н—о нно
індиго синє
індиго біле
Цю властивість індиго використовують при фарбуванні тканин. Оскільки синє індиго не розчиняється у воді, його спочатку відновлюють №2$2О4 у біле індиго (розчинну форму) і отриманим розчином обробляють тканину. Потім на повітрі відбувається окиснення білого індиго в синє, і тканина при цьому забарвлюється в синій колір.
Метод фарбування, при якому барвник утворюється на тканині з безбарвної сполуки, називають кубовим фарбуванням, а саме індиго належить до кубових барвників.
При сульфуванні індиго концентрованою сульфатною кислотою утворюється індиго-5,5'-дисульфокислота, динатрієва сіль якої відома під назвою «індигокармін».
О Н
Індигокармін використовують у харчовій промисловості як барвник, а також як індикатор в аналітичній практиці (перехід забарвлення при рН = 11,6... 14,0).
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
При окисненні індиго нітратною або хромовою кислотою утворюється ізатин.
О Н
ІНДИГО
[О]^
Ізатин. Яскраво-червона кристалічна речовина (т. пл. 203°С), розчиняється в гарячій воді, ацетоні, бензені та метанолі. За структурою ізатин є внутрішньомоле-кулярним циклічним амідом (лактамом) о-амінофенілгліоксилової 9 кислоти (ізатинової кислоти). У присутності лугу він гідролізується з утворенням солі ізатинової кислоти. При підкисленні розчину Ь ІЦ солі виділяється ізатинова кислота, яка, будучи малостійкою ре-човиною, легко циклізується в ізатин.
№ОН
С—с—О№
\Н,
ізатин натрієва сіль
ізатинової кислоти
Для ізатину характерна лактам-лактимна таутомерія з перевагою в рівноважній суміші лакгамної форми.
О О
лактамна форма лактимна форма
Ізатин виявляє властивості карбонільних сполук, причому в реакціях бере участь $-карбонільна група. Активність карбонільної групи в а-положенні значно знижена +Л/-ефектом групи N4. Так, ізатин вступає в реакцію з гідроксиламіном і фенілгідразином, утворюючи відповідно оксим і гідразон.
ЬІ—ОН
ізатин фенілгідразон
Глава 32
550
Атом Гідрогену групи N11 у молекулі ізатину, як і в індолі, має значну рухливість і може заміщуватися на лужний метал. Ізатин широко використовують в органічному синтезі, а також як аналітичний реагент для фотометричного визначення домішки тіофену в бензені.
______* _ Триптофан [2-аміно-3-(0-індоліл)пропіонова СН2 СН СООН кислота] Кристалічна речовина (т. пл. 289°С), роз-
ТЧН чинна в гарячій воді і спирті, нерозчинна в хлоро-
К 2 формі. Триптофан містить один асиметричний атом
^Н Карбону та існує у вигляді двох оптично активних
енантіомерів і одного рацемата. ^-Триптофан — незамінна а-амінокислота, що входить до складу білків.
Серотонін [5-гідрокси-3-(0-аміноетил)індол]. СН2—СН2—NН2
Кристалічна речовина (т. пл. 207—212°С), роз-чинна у воді, нерозчинна в органічних розчин- Т [Г / никах. Серотонін є біогенним аміном, що віді- ^'•'^''^Н
грає важливу роль у процесах життєдіяльності організму. Він бере участь у передачі нервових імпульсів, викликає скорочення гладенької мускулатури внутрішніх органів і звуження кровоносних судин, підвищує стійкість капілярів і кількість тромбоцитів у крові. В організмі утворюється з триптофану. З порушенням обміну серотоніну пов’язують появу симптомів шизофренії.
Серотонін використовують у медицині у вигляді солі з адипіновою кислотою як антигеморагічний засіб.
Сн____СООН 0-Івдолілоцтова кислота (гетероауксин). Кристалічна
а/р 2 речовина (т. пл. 168—169°С), розчинна у воді та етиловому
спирті. Гетероауксин — продукт окисного дезамінування Р4Н триптофану. Він стимулює ріст рослин (гормон росту)
і широко використовується в сільському господарстві.
На основі р-індолілоцтової кислоти створений лікарський препарат — індоме-тацин, шо має сильну протизапальну дію.
індометацин;
2-МЄТИЛ-5-МЄТОКСИ-1 -(л-хлоробензоїл)-
3-індолілоцтова кислота
32.5. П’ЯТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ З ДВОМА ГЕТЕРОАТОМАМИ
Найважливішими представниками численного класу п’ятичленних гетероциклів із двома гетероатомами є піразол, імідазол, тіазол, оксазол та ізоксазол.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
551
піразол імідазол
тіазол
оксазол ізоксазол
Оскільки в цих сполуках принаймні один із двох гетероатомів є Нітрогеном, вони отримали загальну назву «азоли».
Азолами називають п ’ятичленні гетероароматичні сполуки, які містять у циклі не менше двох гетероатомів, один із яких — піридиновий атом Нітрогену, а також бі- і поліциклічні системи на основі азольного циклу.
Наведеним гетероциклам властива ароматичність. Неподілена пара електронів атома Нітрогену піридинового типу не бере участі в утворенні ароматичного секстету та надає гетероциклам основних властивостей. Крім того, атом Нітрогену піридинового типу, маючи більшу електронегативність, ніж атом Карбону, зменшує п-електронну густину на атомах Карбону циклу і тим самим знижує порівняно з фу-раном, піролом і тіофеном реакційну здатність зазначених гетероциклів у реакціях електрофільного заміщення.
32.5.1. ПІРАЗОЛ
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
//4 3\\ У природі піразол (1,2-діазол) та його похідні не зустрічаються. Відома важливих синтетичних способів добування піразолу.
Приєднання діазоалканів до ацетиленових вуглеводнів. Піразол за умов цієї реакції добувають приєднанням діазометану до ацетилену.
ацетилен діазометан піразол
Реакцію також застосовують для добування похідних піразолу.
Взаємодія гідразину, алкіл- або арилгідразинів з 1,3-дикарбонільними сполуками.
Цей спосіб застосовують для добування гомологів піразолу. Так, при взаємодії гідразину з ацетилацетоном утворюється 3,5-диметилпіразол:
СН,
/ 3
Н2С — с%
0 + н2к— мн2 —►
сн, / 3
НС—с
/ * + 2Н2О
И/-
н
ацетил ацетон;
2,4-пентандіон
3,5-диметилпіразол
Глава 32
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Піразол — безбарвна кристалічна речовина зі слабким запахом піридину (т. пл. 70°С, т. кип. 187°С), добре розчиняється у воді, в етанолі, етері.
У неполярних розчинниках існує у формі димерів і тримерів за рахунок утворення міжмолекулярних водневих зв’язків.
димер піразолу
тример піразолу
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Кислотність і основність. Кислотно-основні властивості піразолу зумовлені наявністю в його структурі атомів Нітрогену пірольного і піридинового типів.
За рахунок атома Нітрогену піридинового типу піразол виявляє основні властивості (рАвн» = 2,53), за рахунок атома Нітрогену пірольного типу — слабкі кислотні властивості (рА^—14). Отже, піразол — амфотерна сполука і здатний вступати в реакції як з мінеральними кислотами, так і з лугами, утворюючи при цьому солі:
піразолій хлорид
Н
піразол
калій піразолід
Солі піразолу — досить стійкі сполуки. їх стабільність зумовлена делокаліза-цією позитивного заряду в катіоні піразолію або негативного заряду в піразолід-аніоні між всіма атомами циклу.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
553
піразолід-аніон
піразол
піразолій-катіон
н
Наявність у молекулі піразолу рухливого атома Гідрогену МН-групи та основного центру — атома Нітрогену піридинового типу є причиною виявлення про-тотропної, або так званої азольної, таутомерії. Прототропна таутомерія піразолу та його гомологів зумовлена міграцією протона від МН-групи до атома Нітрогену піридинового типу.
Н
Унаслідок таутомерних перетворень положення 3 і 5 у молекулі піразолу рівноцінні. Так, 3-метилпіразол і 5-метилпіразол є таутомерними формами однієї і тієї ж сполуки:
При цьому міграція протона Н+ відбувається настільки швидко, що виділити індивідуальні таутомери неможливо. Тому в назвах таких сполук поряд з цифрою, яка вказує положення замісника, у дужках наводиться цифра, що позначає можливість відліку від іншого, хімічно ідентичного атома Нітрогену. Так, зазначену вище сполуку називають 3(5)-метилпіразолом.
Реакції з електрофільними реагентами. Через електроноакцепторний вплив атома Нітрогену піридинового типу реакційна здатність піразолу з електрофільними реагентами знижена. Напрям реакцій 8Е залежить від природи атакуючого реагенту та умов їх проведення.
Алкілювання та ацилювання піразолу відбувається зазвичай з утворенням продуктів М-заміщення. Так, при взаємодії піразолу з йодометаном у нейтральному або лужному середовищі утворюється М-метилпіразол:
8+ 8-
< + СН,—І
N 3
І Н піразол
н
Ьї-метилпіразолій йодид
-НІ
1Ч-метилпіразол
Спочатку електрофільний реагент СН3І атакує атом Нітрогену піридинового типу молекули піразолу з утворенням солі — М-метилпіразолій йодиду, яка
Глава 32
відщеплює НІ, утворюючи кінцевий продукт реакції. Ця реакція перебігає з переносом реакційного центру. Аналогічно відбувається ацилювання піразолу.
Реакції піразолу із сильними електрофільними реагентами (нітрування, сульфування, галогенування) відбуваються з утворенням продуктів заміщення по атому Карбону в положенні 4 (найбільш віддаленому від атомів Нітрогену). Оскільки піразол не виявляє ацидофобних властивостей, нітрування і сульфування його проводять концентрованими нітратною і сульфатною кислотами відповідно. Обидві реакції перебігають через стадію утворення неактивного катіона піразолію.
НМО3 (конц.); і
-н2о
піразол піразолій-катіон
Н28О4 (олеум); і
-н2о
н
4-нітропіразол
4-піразолсульфокислота
Галогенування піразолу проходить порівняно легко.
4-хлоропіразол
Реакції відновлення. При відновленні піразолу воднем у момент виділення
(С2Н5ОН + Ка) утворюється частково гідрований продукт — 2-піразолін. Гідрування в присутності каталізатора приводить до утворення повністю відновленої
похідної — піразолідину.
2Н (Ма + С2Н5ОН)
Н
піразол
2Н2 (Рї)
Н
2-піразолін;
3,4-Дигідропіразол
н
піразол ідин; тетрагідропіразол
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
555
Піразолін і піразолідин — набагато сильніші основи, ніж піразол. Вони виявляють властивості вторинних аліфатичних амінів.
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ПІРАЗОЛУ
,—. 5-Піразолон (2-піразолін-5-он). Безбарвна кристалічна речовина
(т. пл- 165 °С), добре розчиняється у воді, в етиловому спирті, по-0 N14 гано — в етері, толуені. 5-Піразолон — таутомерна сполука і може
існувати в СН2-, ОН- та ИН-формах:
(СН 2-форма) 5-піразолон
(не—сн
V4 .ссе 5 г нб ИН (ОН-форма) 5 -гідроксипіразол
нс=сн /4 5\
С3
2
О NN н
Н -форма) 3-піразолон
У зазначеній рівновазі істотно переважає СН2-форма, тому в назві сполуки віддають перевагу 5-піразолону.
Ядро 5-піразолону входить у структуру ряду лікарських препаратів {антипірину, амідопірину, анальгіну). Як вихідну речовину для виготовлення лікарських препаратів піразолонового ряду використовують 3-метил-1-феніл-5-піразолон. Уперше сполука була синтезована 1883 року німецьким хіміком-органіком Людвігом Кнор-ром з ацетооцтового естеру і фенілгідразину:
СН, СН,
/ 3 / 3
н,с—сч н,с-----с
2/ V с6н5—мн—мн^ 2/ „ С ° —н2о X N
" и О \ /
ОС2Н5 ОС2Н, НЬк
С,н,
ацетооцтовий естер
фенілгідразон ацетооцтового естеру
сн, / 3
н,с—с
юо °с у
—с2н5он С N
І
с6н5
З-метил-1-феніл -
5-піразолон
З-Метил-1-феніл-5-піразолон, подібно до незаміщеного 5-піразолону, може існувати в трьох таутомерних формах:
СН2-форма
ОН-форма
с6н5
ИН-форма
Установлено, що в неполярних розчинниках переважає СН2-форма, а у водних розчинах — МН-форма. При взаємодії 3-метил-1-феніл-5-піразолону (у N4-формі) з метилйодидом утворюється 2,3-диметил-1-феніл-5-піразолон (антипірин, феназон).
Глава 32
556
сн,—і
—-----►
-НІ
с6н5
Людвіг КНОРР (1859-1921)
Німецький хімік-органік. Основні наукові праці присвячені вивченню кето-енольної таутомерії і синтезам на основі ацетооцтового естеру. Відкрив і вивчив (1883) клас піразолів. Розробив метод їх одержання на основі циклоконденсації 0-дикарбонільних сполук з гідразинами. Здійснив синтез антипірину (1883), морфоліну (1889). Розробив (1884) метод одержання піролів. Вивчав (з 1889) будову алкалоїдів — кодеїну, морфіну, тебаїну тощо.
Президент Німецького хімічного товариства (1915—1916).
3-метил-1 -феніл-5-піразолон 2,3-диметил-1 -феніл-5-піразолон; антипірин;
феназон
Антипірин (феназон) — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 114°С), гіркувата на смак, добре розчиняється у воді. Використовується в медицині як жарознижуючий і болезаспокійливий засіб.
У молекулі антипірину атом Гідрогену при атомі Карбону в четвертому положенні піразолінового циклу має значну рухливість. При дії нітритної кислоти він легко заміщується на нітрозогрупу. Подальше відновлення 4-нітрозоантипірину, що утворився, дає 4-аміноантипірин — вихідний продукт у синтезі амідопірину та анальгіну.
ИаМО, + неї
-Н2О; -КаСІ
антипірин
4-нітрозоантипірин
4-аміноантипірин
Амідопірин одержують метилюванням 4-аміноантипірину:
2СН3—1 -2НІ
с6н5
с6н5
4-аміноантипірин
амідопірин;
2,3-диметил - 4-диметиламіне -1-феніл-5-піразолон
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
557
Анальгін синтезують за схемою:
Н,^ уСН3 С6Н—СН=И
с6н5—сн = о
СН3
0 N
—н,о
0 N
,сн3
(СН,)280.
сн3
сбн5
4-аміноантипірин
с6н5
4-бензиліденаміноантипірин
СН
н
,СН3
Н,С = О+ №Н8О,
сн3
№0,8—СН
З 2
0 N
сн3
— Н20
СН3
N
СН3
с6н5
4-метиламіноантипірин
с6н5
анальгін; метамізолнатрій;
натрій 2,3-диметил-4-метиламіно-
1 -феніл-5-піразолон-5К-метансул ьфонат
Амідопірин і анальгін (метамізолнатрій) використовують у медицині як жарознижуючий і болезаспокійливий засоби, причому в амідопірину сильніше виражена жарознижуюча дія, в анальгіну — болезаспокійлива.
32.5.2. ІМІДАЗОЛ
N
Н
Імідазол (1,3-діазол) — це ізомер піразолу і являє собою гетероарома-тичну систему, в якій атоми Нітрогену (пірольного та піридинового типів) перебувають у положенні 1 і 3.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Імідазол та його похідні найчастіше добувають взаємодією 1,2-дикарбонільних сполук, амоніаку та альдегідів.
Імідазол синтезують із гліоксалю, амоніаку та формальдегіду:
С^ /Н
І + 2ин, + о=с;
Н
С. н О
НС—N
//
НС сн + зн,о чіг
з
гліоксаль
формальдегід
Н
імідазол
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Імідазол — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 90°С, т. кип. 256°С), добре розчинна у воді, в етанолі, етері. У неполярних розчинниках імідазол утворює міжмолекулярні водневі зв’язки, причому, на відміну від піразолу, асоціати мають лінійну структуру:
Глава 32
5=8 ------------------------------------------------------------------------
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За реакційною здатністю імідазол має багато спільного з піразолом. Подібно до піразолу, є амфотерною сполукою, виявляючи за рахунок атома Нітрогену пірольного типу слабкі кислотні властивості, а атома Нітрогену піридинового типу — основні.
Н імідазолід-аніон імідазол
імідазолій-катіон
н
Однак імідазол порівняно з піразолом — сильніша основа (р.АГвн» = 7,03).
Аналогічно піразолу, для імідазолу та його гомологів характерна прототропна (азольна) таутомерія, унаслідок чого положення 4 і 5 імідазольного циклу рівноцінні:
Н
4( 5) - метил імідазол
Слід зазначити, що електроноакцепторні замісники (—ЬЮ2, —8О3Н, —СІ тощо) зміщують таутомерну рівновагу вбік 4-заміщеного ізомеру.
Подібно до піразолу імідазол вступає в реакції з електрофільними реагентами.
Так, реакції алкілювання та ацилювання імідазолу перебігають з переносом реакційного центру.
Г—№
// \\ 8+ 5“
< т> + СН3-Вг
N
Н
імідазол
М-метилімідазолій бромід
К-метилімідазол
Нітрування і сульфування відбувається переважно в положеннях 4 і 5 імідазольного циклу. Ці реакції проходять дуже важко внаслідок утворення в кислому середовищі малоактивного катіона імідазолію.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
559
Н
імідазол
N
Н
4-імідазолсульфокислота
Імідазол легко утворює 2,4,5-тригалогенозаміщені продукти при взаємодії з бромом у воді, хлороформі або етері та йодом у водному розчині лугу:
г—N
+ ЗВг2
N
Н
імідазол
2,4,5-трибромімідазол
+ ЗНВг
Імідазольний цикл досить стійкий до дії окисників (кисню, калій перманганату тощо) і відновників. Проте під дією пероксидів відбувається руйнування циклу з утворенням оксаміду.
ЬІН2
діамід щавлевої кислоти; оксамід
+ СО2І + Н2О
Н
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ІМІДАЗОЛУ
Важливе значення серед похідних імідазолу мають такі природні сполуки, як алкалоїд пілокарпін, а-амінокислота гістидин і біогенний амін — гістамін.
Гістидин [а-аміно-Р-(4-імідазоліл)-пропіонова кислота]. До складу багатьох білків входить у /.-конфігурації.
СН2—СН—СООН
^н2
Хлороводневу сіль гістидину використовують у медицині для лікування гепатитів, виразкової хвороби шлунка і дванадцятипалої кишки.
Глава 32
560
Гістидин перетворюється в гістамін при ферментативному декарбоксилюванні.
СН2— СН—СООН СН2— СН — МН2
N / І фермент N /
О МН2
мн мн
гістидин
гістамін
,СН2— СН— ЇШ2
Гістамін [4-(2'-аміноетил)імідазол]. Є біогенним аміном, що бере участь у регуляції життєво важливих функцій організму. Зазвичай гістамін перебуває в організмі у вигляді неактивних лабільних комплексів з білками. При деяких патологічних станах (опіки, відмороження, потраплянні в організм хімічних речовин, у тому числі і лікарських препаратів, алергійні захворювання і т. ін.) гістамін виділяється у вільному вигляді. Вільний гістамін має високу активність: викликає спазм гладенької мускулатури, розширює капіляри і збільшує їхню проникність, підсилює секрецію шлункового соку.
Відомий ряд лікарських препаратів на основі імідазолу:
мікоспор (протигрибковий засіб)
клотримазол (антимікотичний, антитрихомонадний засіб)
(протигрибковий, антибактеріальний засіб)
СН3МН—
метронідазол (антибактеріальний, антипротозойний засіб)
сн3
мерказоліл; тіамазол (тиреостатичний засіб)
сн.тчн—с 11 , 0 с2н,
етимізол
(дихальний аналептик)
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
561
32.5.3. БЕНЗІМІДАЗОЛ
Бензімідазол — це конденсована гетероциклічна система, що складається з бензенового та імідазольного кілець.
Бензімідазол — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 170°С), добре розчиняється у воді, в етанолі та інших полярних розчинниках.
Бензімідазол і його похідні добувають при нагріванні о-фенілендіаміну (1,2-ді-амінобензену) з карбоновими кислотами. У синтезі бензімідазолу використовують
мурашину кислоту.
+ 2Н2О
За хімічними властивостями бензімідазол багато в чому нагадує імідазол. Зокрема, для нього характерні амфотерні властивості, прототропна таутомерія, реакції алкілювання за участі атомів Нітрогену. Проте в реакційній здатності бензімідазолу та імідазолу є і відмінності. Конденсоване бензенове кільце приводить до зниження основності бензімідазолу (р^Гвн+ = 5,53) і підвищення його кислотності (рКа = 13,2) порівняно з імідазолом. Реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування) для бензімідазолу проходять дуже важко і переважно в положеннях 5 або 6 бензенового кільця.
Бензімідазольний цикл входить до складу деяких природних речовин (вітамін В12), а також синтетичних лікарських препаратів (дибазол).
Дибазол (бендазол) виявляє судинорозширювальну, спазмолітичну і гіпотензивну дію. Його широко використовують у медичній практиці при спазмах кровоносних судин і гладенької мускулатури внутрішніх органів.
•НС1
дибазол;
бендазол;
2-бензилбензимідазол гідрохлорид
32.5.4. ТІАЗОЛ
За хімічною будовою тіазол (1,3-тіазол) можна розглядати як аналог тіофену, в якому група =СН— у положенні 3 заміщена на атом Нітрогену.
Глава 32
562
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
У природі тіазол у вільному стані не знайдений, але його ядро входить до складу багатьох природних сполук (вітамін В1( пеніциліни тощо).
Один з найважливіших методів синтезу тіазолу та його похідних — взаємодія а-галогенозаміщених карбонільних сполук з амідами тіокислот (синтез Ганча). Тіазол добувають із хлороцтового альдегіду та тіоформаміду, причому альдегід вступає в реакцію в енольній, а тіоформамід — у тіольній таутомерних формах:
К
2 ^СІ
8
ОН
Ні—N
с—н ---------------
/ -НОН; -НСІ
СІ
Н хлороцтовий альдегід
Ні— 8
тіоформамід
НС —N
// \
НС' ,сн
8
тіазол
н
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Тіазол — безбарвна рідина з неприємним запахом (т. кип. 117°С), добре розчиняється у воді та органічних розчинниках.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Тіазол — слабка основа (рЛ5вн+ = 2,53). З мінеральними кислотами утворює солі тіазолію, при дії галогеналканів проходить алкілювання по атому Нітрогену з утворенням четвертинних К-алкілтіазолієвих солей.
тіазол
СН3
г
тіазолій хлорид М-метилтіазолій йодид
Наявність у молекулі тіазолу атома Нітрогену піридинового типу приводить до зниження електронної густини в тіазольному кільці, що, з одного боку, утруднює перебіг реакцій електрофільного заміщення (нітрування, сульфування), а з іншого — створює умови для нуклеофільного заміщення. Електрофільне заміщення відбувається у положенні 5, а нуклеофільне — у положенні 2 тіазольного ядра. Так, при нагріванні 4-метилтіазолу з натрій амідом утворюється 2-аміно-4-метилтіазол.
Н3С
Н3С
ЖМІ2; і
-№Н
мн2
2-аміно-4-метилтіазол
4-метилтіазол
Тіазол досить стійкий до дії відновників, проте в присутності пероксикислот тіазоли окиснюються з утворенням М-оксидів (^-окиснення):
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
563
2,5 -диметилтіазол
+ сн—с
хо—о—н
пероксиоцтова кислота
2, з-диметилтіазол-14 -оксид
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ТІАЗОЛУ
___N 2-Амінотіазол — безбарв-// \\ на кристалічна речовина
(т. пл. 90°С), добре розчиняється у воді, в етанолі, етері та хлороформі. 2-Амінотіазол має властивості ароматичних амінів. За участі аміногрупи він вступає в реакції ацилювання, діазотування, з альдегідами — утворює продукти конденсації. Однак, на відміну від ароматичних амінів, реакція алкілювання 2-амінотіазолу проходить по атому Нітрогену тіазольного кільця'.
2-аміно-З-метилтіазолій йодид
2-іміно-З-метилтіазолін
Артур Рудольф ГАНЧ (ХАНЧ) (1857-1935)
Німецький хімік-органік. Основні наукові праці присвячені синтезу і стереохімії органічних сполук. Відкрив (1882) реакцію одержання похідних піридину циклоконденсацією естерів Р-кетокислот з альдегідами або кетонами і амоніаком (синтез Ганча). Синтезував тіазол (1887), імідазол, оксазол, селенозол. Висунув (1890) теорію стереоізомерії молекул, які містять подвійний зв’язок N=0. Показав (1894), шо діазосполуки можуть існувати у вигляді син- і ая/гш-форм. Досліджував таутомерію нітросполук і виділив (1896) дві таутомерні форми фенілнітрометану.
Вивчав взаємозв’язок кольору і структури органічних сполук. Висунув (1923) теорію псевдокислот і псевдооснов.
2-Амінотіазол широко використовують у виробництві лікарських засобів.
Н2К
сульфатіазол; норсульфазол
8О2Г4Н
СООН
СОИН
фталілсульфатіазол; фталазол
г.—N
§/^4НСОСН3
нітазол
Ряд похідних 2-амінотіазолу — це сульфаніламідні препарати (норсульфазол, фталазол тощо), що мають антибактеріальну дію (див. с. 510).
Глава 32
564
Пеніциліни — група антибіотиків, продукованих різними видами плісеневих грибів Репісіїїіит, та їх аналоги напівсинтетичного виробництва.
В основі структури пеніцилінів лежить конденсована гетероциклічна система, яка складається з тіазолідинового та 0-лактамного кілець.
Загальна формула пеніцилінів
тіазолідинове кільце
р-лактамне кільце
У медичній практиці знайшли широке застосування такі природні пеніциліни, як бензилпеніцилін (В. = —СН2С6Н5), феноксиметилпеніцилін (В. = —СН2ОС6Н5) тощо, а також напівсинтетичні пеніциліни — ампіцилін [В = —СН(МН2)С6Н5],
Препарати групи пеніциліну — важливі антимікробні засоби.
32.5.5. ОКСАЗОЛ
,—N Оксазол (1,3-оксазол) — безбарвна рідина (т. кип. 69°С), добре змішу-
ДҐДА ється з етанолом і етером.
ХО Оксазоли — гетероароматичні сполуки. Однак унаслідок електроно-акцепторного впливу атома Нітрогену вони важко вступають у реакції електрофільного заміщення. Ці реакції можуть відбуватися в положеннях 4 і 5, якщо оксазольний цикл активований електронодонорними замісниками (аміно-або гідроксигрупа). Завдяки вільній парі електронів атома Нітрогену піридинового типу оксазоли виявляють слабкі основні властивості. Для синтезу оксазолів широко використовують метод циклодегідратації а-ациламінокетонів у присутності мінеральних кислот.
Н,С--ЬГН
7 \
н3с чоох сн3
Н28О4 —-—=-►
—н2о
НС—N
СН3
2,5 -диметилоксазол
а -ацетил амінопропанон
Серед похідних оксазолу відомі речовини, які виявляють жарознижуючу, анальгетичну, антибактеріальну та снотворну дії.
32.5.6. ІЗОКСАЗОЛ
//4 з\\ Ізоксазол (1,2-оксазол) — безбарвна рідина (т. кип. 95°С), обмежено розчинна у воді, добре розчиняється в органічних розчинниках.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
565
Ізоксазол має ароматичні властивості. Реакції електрофільного заміщення (галогенування, нітрування, сульфування) відбуваються переважно в положенні 4, яке найменше піддається впливу гетероатомів. Як і оксазол, ізоксазол — слабка основа (р^вн+ = 13)-
Загальним методом добування ізоксазолу та його похідних є реакція 1,3-дикар-бонільних сполук з гідроксиламіном:
ацетилацетон
сн, І
н2ц—он
-Н2О
О НО
ацетилацетон оксим
-Н2О
/СН3
не—с // \\
,С N
Н3С
3,5-диметилізоксазол
с
N
Ряд лікарських препаратів створений на основі ізоксазолів — антибіотики оксацилін та диклоксацилін (див. с. 564), протитуберкульозний засіб — циклосерин. До складу численної групи сульфаніламідних препаратів (бісептол, ко-тримоксазол, бактрим тощо) входить сульфаметоксазол (див. с. 510).
циклосерин
32.6. ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ З ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ
Найважливішими представниками цієї групи сполук є нітрогеновмісні гетероцикли — піридин, хінолін, ізохінолін, акридин, а також оксигеновмісні гетероцикли — а-піран і у-піран-.
піридин хінолін ізохінолін
акридин
а-піран у-піран
32.6.1. ПІРИДИН
Р'/^р За хімічною будовою піридин (азин)' можна розглядати як аналог Не 1] бензену, у молекулі якого група —СН= заміщена атомом Нітрогену.
" ° Для назви похідних піридину здійснюють нумерацію атомів циклу
або використовують позначення грецькими літерами. Положення 2,6 називають а,а'; положення 3,5 — Р,Р'; положення 4-у.
1 Азинами називають шестичленні гетероароматичні нітрогеновмісні сполуки, які містять у циклі хоча б один піридиновий атом Нітрогену, а також бі- і поліцикличні системи на основі азинового циклу.
Глава 32
566
2-стилпіридин; а-етилпіридин
3-є і н.іпіридин; 0-е і и іпіридин
4-етилпіридин; у-стилпіридин
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Піридин та його монометильні похідні — а-, 0- і у-піколіни — містяться в невеликих кількостях у кам’яновугільній смолі (продукт сухої перегонки кам’яного вугілля), з якої їх виділяють в індивідуальному вигляді. Відомо кілька синтетичних методів одержання піридину та його гомологів, найбільш важливі з них ґрунтуються на реакції конденсації альдегідів з амоніаком.
Так, з ацетальдегіду та амоніаку при 400 °С у присутності каталізатора А12О3 утворюється суміш, яка складається головним чином з 2- і 4-метилпіридинів:
О
6СН—+ 2?^Н3 Н
ацетальдегід
При нагріванні акролеїну з амоніаком переважно утворюється 0-піколін:
2 Н2С=СН—С + N43
Н
0-піколін
акролеїн
Конденсацією ацетальдегіду і формальдегіду з амоніаком одержують незамі-щений піридин:
ХО УО
2 СН— С + Н—С + КН3
Н Н
+ ЗН2О + н2
Використовуючи інші альдегіди та їх суміші, можна добувати різні алкілпіри-дини.
Синтез піридину також здійснюють при взаємодії ацетилену з ціанідною кислотою:
2НС=СН + Н— С=И
450 °С --------►
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Піридин — безбарвна рідина з характерним неприємним запахом (т. кип. 115°С), що змішується з водою, етанолом і більшістю органічних розчинників.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
567
БУДОВА ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Піридин — гетероароматична сполука, яка містить циклічну шести-л-електронну кон’юговану систему (див. с. 526). Неподілена пара електронів атома Нітрогену не бере участі в утворенні ароматичного секстету та зумовлює основні властивості піридину. На відміну від бензену, у молекулі піридину електронна густина розподілена нерівномірно, що підтверджує порівняно великий дипольний момент (2,26 БЬ). Унаслідок електроноакцепторного впливу атома Нітрогену в піридиновому циклі на всіх атомах Карбону електронна густина знижена, причому більшою мірою — у положеннях 2, 4 і 6 (а- і у-положення), меншою — у положеннях 3 і 5 (Р-положення).
Піридин — я-дефіцитна гетероароматична система.
Вплив атома Нітрогену на електронну густину піридинового ядра порівняно з впливом нітрогрупи на бензенове кільце в молекулі нітробензену:
піридин
нітробензен
Характерні для піридину реакції можна умовно розділити на три групи:
> реакції за участі гетероатома;
л- реакції заміщення атомів Гідрогену піридинового циклу;
> реакції відновлення та окиснення.
Реакції, які відбуваються за участі гетероатома. Взаємодія з кислотами. Піридин є слабкою основою. Основність піридину (рАГвн* = 5,25) близька до основності аніліну (рАГвн* = 4,6). Водні розчини піридину забарвлюють червоний лакмусовий папір у синій колір. При взаємодії із сильними мінеральними та органічними кислотами (хлоридна, бромідна, сульфатна, пікринова тощо) піридин утворює піридинієві солі, які добре кристалізуються:
+ НВг
піридиній бромід
Утворення солі з пікриновою кислотою використовують для ідентифікації піридину.
Взаємодія із сульфур(УІ) оксидом. За участі неподіленої пари електронів атома Нітрогену піридин порівняно легко реагує із сульфур(УІ) оксидом, утворюючи донорно-акцепторний комплекс — піридинсульфотриоксид:
+ 8О3
8О3
піридинсульфотриоксид
Глава 32
568
Піридинсульфотриоксид використовують в органічному синтезі як м’який суль-фуючий реагент при сульфуванні ацидофобних гетероциклів (див. с. 533).
Взаємодія з алкіл- та ацилгалогенідами. При взаємодії з алкіл- та ацилгалоге-нідами піридин утворює четвертинні солі К-алкіл- і ^ацилпіридинію відповідно. У цих реакціях атом Нітрогену молекули піридину виявляє нуклеофільні властивості. надаючи пару електронів для утворення зв’язку з електрофільним атомом Карбону молекули галогеналкану або галогенангідриду карбонової кислоти:
М-метилпіридиній йодид
М-ацетилпіридиній хлорид
Солі ІЧ-ацилпіридинію характеризуються високою реакційною здатністю ацильного фрагмента відносно нуклеофілів і тому є ефективними ацилюючими реагентами.
Реакції заміщення атомів Гідрогену піридинового циклу. Для піридину характерні реакції електрофільного та нуклеофільного заміщення (5£, 8^).
Реакції електрофільного заміщення в піридиновому циклі проходять лише за жорстких умов. Так, нітрування здійснюється з низьким виходом при нагріванні піридину з калій нітратом у димучій сульфатній кислоті при 300 °С, сульфуванні — при нагріванні з олеумом (220—270 °С) у присутності каталізатора — меркурій(ІІ) сульфату, бромуванні — можливе при дії брому в олеумі. Електрофільний реагент направляється в р-положення циклу:
N11
3-піридинсульфокислота
Реакції алкілювання та ацилювання за Фріделем—Крафтсом для піридину не характерні. Низька реакційна здатність піридинового циклу в реакціях електрофільного заміщення та орієнтація заміщення в ^-положення зумовлені електроно-акцепторними властивостями гетероатома (-І-, —А/-ефекти), який, знижуючи електронну густину на всіх атомах Карбону циклу, меншою мірою впливає на Р-положення, що і визначає місце атаки електрофільним реагентом. Крім того,
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
569
у реакціях із протонними реагентами (нітрування, сульфування) піридин утворює по гетероатому солі піридинію, а з галогенами — донорно-акцепторні комплекси, в яких на атомі Нітрогену з’являється позитивний заряд, а це, у свою чергу, приводить до ше більшої дезактивації піридинового циклу.
піридиній гідросульфат
М-бромопіридиній бромід
Реакції нуклеофільного заміщення внаслідок зниження електронної густини на атомах Карбону піридинового циклу полегшуються. На відміну від бензену, піридин досить легко реагує з нуклеофільними реагентами, утворюючи продукти заміщення в положеннях 2,4 або 6 (а- і у-положення). З реакцій нуклеофільного заміщення найбільше відомі амінування за Чичибабіним, яке ґрунтуються на взаємодії піридину з натрій амідом МаТ4Н2 у середовищі рідкого амоніаку при нагріванні. Унаслідок реакції утворюється 2-амінопіридин.
- КаМІ
КаМІІ
-№Н
2-амінопіридин
Олексій Євгенович ЧИЧИБАБІН (1871-1945)
Російський хімік-органік. Закінчив Московський університет (1892).
Основні наукові дослідження присвячені хімії нітрогеновмісних гетероциклічних сполук (піридину та його похідних). Відкрив (1906) реакцію ци-клоконденсапії альдегідів з амоніаком з утворенням гомологів піридину (реакція Чичибабіна). Розробив (1914) спосіб амінування піридину. Синтезував піридин (1924) взаємодією оцтового, мурашиного альдегідів з амоніаком.
Увів поняття про аміно-імінну таутомерію. Досліджував таутомерію аміно- і гідроксипіридинів. Відкрив (1919) явище фототропії в ряді похідних піридину. Установив будову алкалоїдів (пілокарпін, бергенін, антонін). Автор підручника «Основні засади органічної хімії» (1925) (7 видань).
Подальше амінування приводить до утворення 2,6-діамінопіридину. Заміщення на аміногрупу атома Гідрогену в у-положенні відбувається тільки в тому разі, якщо а-положення вже зайняті.
Уперше цю реакцію здійснив російський хімік-органік Олексій Євгенович Чи-чибабін 1914 року, тому вона отримала назву «реакція Чичибабіна». а надалі була поширена і на інші гетероциклічні сполуки.
Механізм реакції'.
+ \Н2
о-комплекс
Глава 32
570
Реакція перебігає за механізмом 8Н2. На першій стадії нуклеофільна частинка (ЬїНр атакує піридинове кільце з утворенням о-комплексу. На другій стадії о-комплекс стабілізується шляхом відщеплення гідрид-іона Н-.
Аналогічно амінуванню проходить гідроксилювання піридинового циклу. При пропусканні парів піридину над сухим калій гідроксидом при 300—320°С утворюється 2-гідроксипіридин:
КОН; і ------►
-н2
н.о
-кон *
калій 2-піридинолят 2-гідроксипіридин;
2-піридинол
Реакції відновлення та окиснення. Відновлення. Піридиновий цикл порівняно з бензеновим відновлюється легше. Залежно від природи відновників та умов гідрування утворюються різні продукти. При відновленні піридину воднем у момент виділення (металічний натрій у етанолі) або воднем над платиновим, паладієвим або родієвим каталізатором утворюється піперидин. За досить жорстких умов, наприклад, при високотемпературному каталітичному гідруванні, відбувається відновне розщеплення піридинового кільця по зв’язку С—N з утворенням 1-пен-танаміну.
6Н (№ + С2Н5ОН)
ЗН2 (И; Рб або КЬ)
піперидин
4Н, (ІМі; 180 °С)
сн3— сн—сн —сн—сн — Г4Н2
1-пентанамін
Окиснення. Піридинове кільце стійке до дії окисників. Алкілпіридини, подібно до алкілбензенів, окиснюються досить легко, утворюючи відповідні піридинкарбонові кислоти.
р-піколін
нікотинова кислота
Під дією пероксикислот піридиновий цикл окиснюється по атому Нітрогену з утворенням N-оксидів (^-окиснення)'.
+ сн-с
хо-о-н
У5
+ сн—с
о—н
пероксиоцтова кислота
піридині-оксид
Піридин-М-оксид і його похідні досить легко відновлюються до вихідних піридинів. Як відновні агенти частіше використовують галогеніди фосфору(ПІ).
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
571
+ РС13
+ РОС13
РІ Піридин-М-оксид, на відміну від піридину, більш активний у реак-
Г|ГЛ діях електрофільного заміщення. Це зумовлено деяким електронодонор-ним ефектом атома Оксигену. На атомах Карбону в а- і у-положеннях молекули піридин-М-оксиду, унаслідок зміщення електронної густини (^0- від атома Оксигену в кільце, електронна густина підвищена порівняно з піридином.
Так, піридин-М-оксид вступає в реакцію нітрування набагато легше, ніж піридин. При нітруванні нітратною кислотою або калій нітратом у сульфатній кислоті з високим виходом утворюється 4-нітропіридин-М-оксид.
НО—МО2
—Н2О
4-нітропіридин-М-оксид
Оскільки заміщений М-оксид може бути відновлений до відповідного піридину, цю реакцію використовують для добування у-заміщених піридину.
4-нітропіридин
4-амінопіридин
СІ
4-хлоропіридин-М-оксид
4-хлоропіридин
Алкілювання та ацилювання М-оксидів перебігає по атому Оксигену з утворенням солей М-алкокси- і М-ацилоксипіридинію відповідно.
Глава 32
572
М-метоксипіридиній йодид
М-ацетоксипіридиній хлорид
Реакції М-оксидів з нуклеофільними реагентами проходять аналогічно піридину, тобто переважно в положенні 2.
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ПІРИДИНУ
Піколіни. Піколінами називають монометильні похідні піридину. Розрізняють а-піколін (2-метилпіридин), Р-піколін (3-метилпіридин) і у-піколін (4-метилпі-ридин).
а-піколін
Піколіни — безбарвні рідини з неприємним піридиноподібним запахом, добре розчиняються у воді та органічних розчинниках. Температура кипіння а-піколіну — 129,5°С, Р-піколіну — 144°С, у-піколіну — 145,4°С.
Хімічні властивості піколінів і піридину подібні. Як і піридин, метилпіриди-ни утворюють солі із сильними кислотами та алкіл галогенідами, окиснюються пероксикислотами до М-оксидів, відновлюються воднем у присутності Рі або Реї з утворенням похідних піперидину. Під дією окисників — КМпО4, НМО3 або киснем повітря в присутності У2О5 а-, Р- і у-піколіни окиснюються відповідно до піридинкарбонових кислот — піколінової, нікотинової та ізонікотинової кислот (див. с. 570).
СН3
ПІКОЛІНИ
[О]
-н,о
СООН
піридинкарбонові кислоти
Унаслідок електроноакцепторного впливу гетероатома в молекулах а- і у-піколінів атоми Гідрогену метальних груп мають підвищену рухливість. Саме тому в процесі депротонування аніони, які утворюються, стабілізуються шляхом делокалізації негативного заряду по кон’югованій системі, яка включає гетероатом:
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
573
Тому а- і у-піколіни, на відміну від 0-піколіну, вступають у реакцію конденсації з альдегідами та кетонами, при дії натрій аміду №ТЧН2 або феніллітію С6Н5Ьі утворюють металорганічні сполуки, взаємодією яких з алкілгалогенідами одержують гомологи піридину.
С6Щ— С ; 7пС12; 180 °С
________ Н______________
-н2о
1-(а-піридил)-2-фенілетен; а-стирилпіридин
\а?Ш2
-N43
СН. —І
-N31
піридил-2-метилнатрій
2-етил піридин
Піколіни використовують в органічному синтезі. а-Піколіни застосовують у виробництві пестицидів, 0- і у-піколіни — для одержання нікотинової та ізо-нікотинової кислот відповідно (див. с. 576).
Гідроксиїгіридини (оксипіридини, піридиноли). Залежно від положення гід-роксигрупи в піридиновому циклі розрізняють а-гідроксипіридин (2-гідрокси-піридин, 2-піридинол), 0-гідроксипіридин (3-гідроксипіридин, 3-піридинол), у-гідроксипіридин (4-гідроксипіридин, 4-піридинол).
а-гідроксипіридин р-гідроксипіридин у-гідроксипіридин
Гідроксипіридини — безбарвні кристалічні речовини (т. пл. 2-гідроксипіриди-ну — 107°С, 3-гідроксипіридину — 130°С, 4-гідроксипіридину — 151 °С), легко розчиняються в етанолі, ацетоні, помірно — у воді, обмежено — у діетиловому етері та бензені.
а- і у-Гідроксипіридини — таутомерні сполуки. Вони існують у двох таутомерних формах — гідрокси- та оксоформі. У водному розчині ці сполуки перебувають переважно в оксо-, або так званій піридоновій, формі, у неполярних розчинниках та в газовій фазі переважає гідроксиформа.
2-гідроксипіридин (гідроксиформа)
2-піридон (оксоформа)
4-гідроксипіридин 4-піридон
(гідроксиформа) (оксоформа)
0-Гідроксипіридин у водному розчині існує в нейтральній і біполярній формах, які знаходяться в співвідношенні 1:1.
Глава 32
нейтральна форма
біполярна форма
Гідроксипіридини — біфункціональні сполуки. По гетероатому вони виявляють властивості піридину, по гідроксигрупі — властивості фенолу. Фенольний характер найбільш виражений у 3-гідроксипіридину, гідроксильна група якого не кон’югована з гетероатомом. Так, усі гідроксипіридини утворюють з водним розчином ферум(ІП) хлориду типове для фенолів пурпурне забарвлення (у 2-і 4-гідроксипіридинів колір менш інтенсивний, ніж у 3-гідроксипіридину). Реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування, бромування) у 2- і 4-гідро-ксипіридинів проходять у положеннях З і 5, що є 0-положеннями піридинового циклу, та орто-, лора-положеннями відносно гідроксигрупи. З-Гідроксипіридин вступає в аналогічні реакції 8Е в положенні 2.
2- і 4-Гідроксипіридини з алкілгалогенідами утворюють ^-алкілпіридони, а 3-гідроксипіридин — солі ^-алкілпіридиніку.
2-піридинол
СН —І
-НІ
3-піридинол
N-метил- 3-гідрокси-піридиній йодид
Багато похідних гідроксипіридинів використовуються в медицині. Представник цієї групи сполук — піридоксин [3-гідрокси-4,5-ди(гідроксиметил)-2-метилпіридин] (вітамін В6).
Вітамін В6 міститься в неочищених зернах злаків, в овочах, м’ясі, рибі, молоці, яєчному жовтку тощо. Він відіграє важливу роль в обміні речовин. В організмі піридоксин перетворюється в піридоксаль-5-фосфат, який з деякими білками утворює піридоксалеві ферменти, що здійснюють декарбоксилювання та переамі-нування амінокислот. Використовується піридоксин у вигляді солі з хлоридною СН ОН кислотою при В6-гіповітамінозі, токсикозах, анеміях, лей-млн г 1 2 он копеніях і захворюваннях нервової системи.
НОН2СХ>\^ОН Амінопіридини. Залежно від положення аміногрупи в пі-Ь П рициновому циклі розрізняють а-амінопіридин (2-амінопі-N СН3 ридин, 2-піридинамін), Р-амінопіридин (3-амінопіридин, пірвдоксин; 3-піридинамін) і у-амінопіридин (4-амінопіридин, 4-піри-
вітамін В6 динамін).
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
575
Амінопіридини — безбарвні кристалічні речовини (т. пл. а-амінопіридину — 58 °С, Р-амінопіридину — 64°С, у-амінопіридину — 159°С), легко розчиняються у воді, етанолі, діетиловому етері та інших органічних розчинниках.
а-амінопіридин
р-амінопіридин
у-амінопіридин
Амінопіридини — сильніші основи, ніж піридин і анілін. Вони містять у своєму складі два основних центри — атом Нітрогену піридинового циклу та атом Нітрогену аміногрупи. Разом з тим а- і у-амінопіридини, на відміну від Р-амінопіридину, утворюють солі тільки з одним еквівалентом мінеральної кислоти (по гетероатому). Це зумовлено тим, що в молекулах а- і у-амінопіридинів аміногрупа перебуває в кон’югації з гетероатомом і значною мірою втрачає основні властивості, беручи участь у делокалізації позитивного заряду катіона піридинію, який утворюється.
+ НС1
4-амінопіридин
4-амінопіридиній хлорид
У молекулі Р-амінопіридину аміногрупа не кон’югована з гетероатомом, тому солеутворення проходить по двох основних центрах.
+ 2НС1
3-амінопіридин
3-амінопіридин дигідрохлорид;
3-амоніопіридиній дихлорид
а- і у-Амінопіридини — таутомерні речовини. Вони існують у двох таутомерних формах — змінній та імінній. Більш стійкою є аміноформа.
Н а-амінопіридин (амінна форма) (імінна форма)
Реакційна здатність амінопіридинів залежить від положення аміногрупи в піридиновому кільці, З-Амінопіридин виявляє властивості, характерні для ароматичних амінів. За участі аміногрупи він вступає в реакції алкілювання, ацилювання, діазо-
Глава 32
576
тування. 2- і 4-Амінопіридини в звичайних умовах солей діазонію не утворюють, з галогеналканами реагують по атому Нітрогену піридинового кільця.
СН3
2-аміно-1-метил-піридиній йодид
Для амінопіридинів характерні реакції електрофільного заміщення по піридиновому кільцю (сульфування, галогенування, нітрування). а-Амінопіридин у реакціях 8е утворює продукти заміщення переважно в положенні 5, Р-амінопіридин — у положенні 2, у-амінопіридин — у положенні 3.
Таким чином, електрофільне заміщення проходить в орто- або иара-положеннях відносно аміногрупи.
Амінопіридини використовують в синтезі лікарських засобів.
Піридинкарбонові кислоти. Залежно від положення карбоксильної групи в піридиновому циклі розрізняють а-, Р- і у-піридинкарбонові кислоти. а-Піридинкарбонову кислоту (2-піридинкарбонову кислоту) частіше називають піколіновою кислотою, Р-піридинкарбонову (3-піридинкарбонову) — нікотиновою, у-піридинкарбонову (4-піридинкарбонову) — ізонікотиновою.
СООН
піколінова кислота
нікотинова кислота
ізонікотинова кислота
Піридинкарбонові кислоти — безбарвні кристалічні речовини (т. пл. пі-колінової кислоти — 136—137 °С, нікотинової — 236—237 °С, ізонікотино-вої - 323-325 °С).
Піридинкарбонові кислоти є біфункціональними сполуками. По карбоксильній групі вони утворюють солі, галогенангідриди, естери, аміди, гідразиди та інші функціональні похідні. По піридиновому кільцю проходять реакції, властиві піридину. Унаслідок наявності в структурі молекул кислотного та основного центрів піридинкарбонові кислоти — амфотерні сполуки.
натрій нікотинат
Н
3-карбоксипіридиній хлорид
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
У кристалічному стані і частково в розчинах вони існують у вигляді внутрішньої солі (цвітер-іонів), СОО~
н
цвітер-іон нікотинової кислоти
При нагріванні піридинкарбонові кислоти декарбоксилюються. а-Кислоти відщеплюють карбон(ІУ) оксид досить легко, 0- і у-кислоти декарбоксилюються при нагріванні з лугом,
О О + СО21
N N
ізонікотинова кислота
Унаслідок електроноакцепторного впливу гетероатома піридинкарбонові кислоти є сильнішими кислотами, ніж бензойна кислота:
Кислота: Піколінова Нікотинова Ізонікотинова Бензойна
рА(/ у воді: 1.50 2,07 1,50
У молекулах піколінової та ізонікотинової кислот карбоксильна група перебуває в кон’югації з гетероатомом, тому ці кислоти виявляють сильніші кислотні властивості, ніж нікотинова кислота.
Піридинкарбонові кислоти широко використовуються в синтезі лікарських засобів. Так, нікотинова кислота та її амід (нікотинамід) відомі в медичній практиці як дві форми вітаміну РР (кислота є провітаміном, а амід — вітаміном РР). При нестачі вітаміну РР в організмі розвивається захворювання шкіри — пелагра. Добова потреба людини в нікотиновій кислоті становить 20—30 мг і задовольняється в основному за рахунок харчових продуктів — молока, риби, овочів, фруктів, гречаної крупи тощо.
М,ЬІ-Діетиламід нікотинової кислоти у вигляді 25%-вого водного розчину під назвою «Кордіамін» використовують як засіб, що стимулює центральну нервову систему, збуджує дихальний і судиноруховий центри головного мозку.
Амід нікотинової кислоти і ЬІ,?4-діетиламід нікотинової кислоти синтезують
з нікотинової кислоти:
нікотинова кислота
8ОС12
-8О2; -НС1
хлорангідрид нікотинової кислоти
NN3
-НС!
(С2Н5)2МН
-НС!
М,М-діетиламід нікотинової кислоти
Глава 32
^78 --------------------------------------------------------------------------
На основі похідних ізонікотинової кислоти створені лікарські препарати (ізоніазид, фтивазид), що застосовують при лікуванні туберкульозу.
Схема синтезу ізоніазиду і фтивазиду:
ізонікотинова хлорангідрид
кислота ізонікотинової
кислоти
етиловий естер ізонікотинової кислоти
гідразид ізонікотинової кислоти;
ізоніазид
4-гідрокси-З-метокси-бензиліденгідразид ізонікотинової кислоти; фтивазид
ізоніазид ванілін
Піперидин (гексагідропіридин) — безбарвна рідина з різким амоніач-Оним запахом (т. кип. 106°С), змішується з водою та більшістю органічних розчинників.
Піперидин виявляє хімічні властивості вторинних амінів — утворює Н солі з кислотами, з нітритною кислотою — М-нітрозопохідні, вступає в реакції алкілювання та ацилювання по атому Нітрогену тощо. Як вторинний амін піперидин значно сильніша основа, ніж піридин (рА^н* піперидину у воді становить 11,22; рАГвн+ піридину — 5,25).
Піперидиновий цикл — структурний фрагмент алкалоїдів лобеліну, анабазину (див. с. 615), уходить до складу деяких лікарських препаратів.
промедол (болезаспокійливий засіб)
галоперидол (нейролептичний засіб)
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
579
32.6.2. ХІНОЛІН
Хінолін (бензо[/>]піридин) — це конденсована гетероциклічна
система, яка складається з піридинового і бензенового кілець. Нумерацію атомів у молекулі хіноліну починають з гетероатома, атоми Карбону в піридиновому циклі позначають літерами а, (3 і у.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Хінолін уперше виділений німецьким хіміком-органіком Фрідлібом Фер-динандом Рунге 1834 року з продуктів перегонки кам’яновугільної смоли. Кам’яновугільну смолу і нині використовують для добування хіноліну та деяких його метилпохідних.
Найважливіші способи синтезу хіноліну та його похідних — це синтез Скраупа і синтез Дебнера—Міллера.
Синтез Скраупа. Реакція ґрунтуються на взаємодії аніліну та його заміщених у ядрі похідних, що мають вільне ррто-положення, із гліцерином, концентрованою сульфатною кислотою та окисником при нагріванні. Як окисник частіше використовують нітросполуку, що відповідає вихідному аміну. Для добування хіноліну за методом Скраупа нагрівають анілін з гліцерином і концентрованою сульфатною кислотою в присутності окисника — нітробензену:
анілін
сн—он
сн—он
сн—он
гліцерин
С6Н5МО2; і
Н28О4 М
хінолін
Механізм реакції включає три послідовні стадії. На першій стадії гліцерин під дією концентрованої сульфатної кислоти піддається внутрішньомолекулярній дегідратації з утворенням акролеїну.
Н,8О4; і #
сн2—сн—сн2 —=, 4 > н2с=сн—с
І 2 І І 2 —2Н2О 2 \
111 н
он он он
акролеїн
На другій стадії акролеїн, що утворився, вступає в реакцію з аніліном:
Глава 32
Спочатку відбувається нуклеофільне приєднання молекули аніліну за місцем розриву активованого подвійного вуглець-вуглецевого зв’язку молекули акролеїну. Потім 3-ані-лінопропаналь, який утворюється, у кислому середовиші піддається циклізації, перетворюючись при цьому в 1,2-дигідрохінолін. Замикання циклу зумовлюється електро-фільною атакою карбонільною групою орто-положення бензенового кільця.
На третій стадії реакції 1,2-дигідрохіно-лін окиснюється нітробензеном до хіноліну.
Зденко Хане СКРАУП (1850-1910)
Австрійський хімік-органік. Основні наукові праці зв’язані зі з’ясуванням будови і проведенням синтезу алкалоїдів групи хініну. Відкрив (1880) синтез хіноліну та його похідних (реакція Скраупа). Установив (1883) будову алкалоїду цинхоніну. Досліджував вуглеводи та білки.
с6н5мо2
—С6Н5МН2; —2Н20
хінолін
У процесі окиснення нітробензен кількісно відновлюється до аніліну, який знову вступає в реакцію за описаним механізмом.
При використанні в синтезі Скраупа заміщених аніліну з вільним о/гао-положенням утворюються похідні хіноліну з замісниками
в бензеновому ядрі. Реакція відкрита 1880 року австрійським хіміком-органіком Зденко Хансом Скраупом.
Синтез Дебнера — Міллера. Цей спосіб є модифікацією синтезу Скраупа і використовується для добування похідних хіноліну з алкільними замісниками в пі-
ридиновому циклі.
Синтез Дебнера—Міллера полягає в нагріванні первинного ароматичного аміну з альдегідом (здатним до кротонової конденсації) у присутності цинк хлориду, хлоридної або інших кислот. Механізм реакції подібний до механізму реакції Скраупа. На першій стадії проходить кротонова конденсація двох молекул альдегіду з утворенням а,Р-ненасиченого альдегіду, який, як і в синтезі Скраупа, взаємодіє потім з ароматичним аміном. Роль окисника виконують азометани С6Н5—N=СН—к, які утворюються в процесі реакції.
,0
2 СН—С
Н
сн—сн=сн—с хн
кротоновий альдегід
З-аніл інобутаналь
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
581
Н
2-метил-1,2-дигідрохінолін
2-метилхінолін
Реакція відкрита 1881 року О. Дебнером і В. Міллером.
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Хінолін — безбарвна рідина з дуже неприємним запахом (т. кип. 237°С), добре змішується з водою, етанолом, діетиловим етером та іншими органічними розчинниками, переганяється з водяною парою.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Хінолін — гетероароматична сполука. Молекула має плоску будову і містить замкнену кон’юговану тг-електронну систему з 10 тг-електронів, яка відповідає правилу Гюккеля.
За хімічними властивостями хінолін нагадує піридин. Для нього характерні реакції за участі гетероатома, реакції електрофільного та нуклеофільного заміщення атомів Гідрогену хінолінового ядра, а також реакції окиснення та відновлення.
Реакції за участі гетероатома. Наявність у молекулі хіноліну атома Нітрогену піридинового типу надає сполуці основних властивостей. Як основа хінолін дещо слабший від піридину (рХвн* хіноліну — 4,94; рХвн* піридину в Н2О — 5,25).
За участі гетероатома хінолін, аналогічно піридину, утворює солі із сильними кислотами, алкіл- та ацилгалогенідами:
ЬІ-метилхіноліній йодид
Реакції електрофільного та нуклеофільного заміщення (5^, 5у). Електронна густина в молекулі хіноліну порівняно з бензоаналогом нафталеном менша і нерівномірно розподілена через електроноакцепторний вплив гетероатома: у піридиновому кільці вона нижча, ніж у бензеновому. Тому при дії електрофільними реагентами заміщення, як правило, відбувається по бензеновому кільцю, а нуклеофільними — по піридиновому.
Реакції електрофільного заміщення в молекулі хіноліну проходять переважно в положеннях 5 і 8. Так, при нітруванні нітруючою сумішшю утворюється суміш 5-і 8-нітрохінолінів; сульфування концентрованою сульфатною кислотою при 220 °С приводить до утворення 8-хінолінсульфокислоти, а при 300 °С — термодинамічно
Глава 32
^82
вигіднішої 6-хінолінсульфокислоти (у цих умовах 5- і 8-ізомери перегруповуються в 6-ізомер).
6-хінолінсульфокислота
У реакції нуклеофільного заміщення хінолін вступає легше, ніж піридин. При цьому, як і в кільці піридину, нуклеофільній атаці піддається переважно положення 2. Так, при дії на хінолін натрій амідом у середовищі рідкого амоніаку утворюється 2-амінохінолін, калій гідроксидом при 280—300 °С — 2-гідроксихінолін:
2-амінохінолін 2-гідроксихінолін
Реакції відновлення та окиснення. Відновлення хіноліну проходить в першу чергу в піридиновому ядрі. При дії більшістю відновників з високим виходом утворюється 1,2-дигідрохінолін, у присутності нікелю Ренея хінолін відновлюється воднем до 1,2,3,4-тетрагідрохіноліну. Каталітичного гідрування за жорстких умов зазнає також бензенове кільце:
1,2,3,4-тетрагідрохінолін
/праис-декагідрохінолін
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
583
Окиснення хіноліну та його гомологів із замісниками в бензеновому ядрі дією калій перманганату в лужному середовищі супроводжується розщепленням бензенового кільця і приводить до утворення 2,3-піридиндикарбонової кислоти (хінолінова кислота).
КМпО4; ОН
-2СО2; —Н2О
НООС
ноос
хінолінова кислота;
2,3-піридиндикарбонова кислота
Хінолін, аналогічно піридину, у присутності пероксикислот окиснюється по гетероатому з утворенням N-оксиду (№-окиснення).
СН3СОООН; 65 °С
-сн,соон
хінолін-?^-оксид
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ХІНОЛІНУ
Хінолінове ядро є структурним фрагментом деяких алкалоїдів | |] | (див. с. 615) і лікарських засобів.
8-Гідроксихінолін. Безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 75—76°С), І малорозчинна у воді, розчиняється в хлороформі, у діетиловому етері
та бензені.
8-Гідроксихінолін добувають нагріванням о-амінофенолу з гліцерином і сульфатною кислотою в присутності о-нітрофенолу (синтез Скраупа) або сплавленням 8-хінолінсульфокислоти з лугами:
ЗМаОН (сплавл.)
-Ка28О3; -2Н2О
неї
-№С1
О№
ОН
З іонами металів (М§2+, А13+, 2п2+, Мп2+, Со2+, ЬП2+, Си2+, Ре2+, Ре3+ тощо) 8-гідроксихінолін утворює малорозчинні у воді комплекси (хелати).
На цій властивості ґрунтується застосування 8-гідроксихіноліну як аналітичного реагенту.
хелатний комплекс
Ряд похідних 8-гідроксихіноліну використовують у медичній практиці як протимікробні засоби (хінозол, нітроксолін (5-НОК) тощо).
Глава 32
584
хінозол;
8-гідроксихіноліній сульфат
Припускають, що їх бактерицидна дія базується на зв’язуванні іонів Со2+, необхідних для життєдіяльності мікроорганізмів.
32.6.3. ІЗОХІНОЛІН
Ізохінолін (бензо[с]піридин) — це ізомер хіноліну. Молекула ізо-I’ 8 х* і<3\і хіноліну, як і хіноліну, складається з конденсованих піридинового і бензенового циклів, але, на відміну від хіноліну, цикли з’єднані вздовж зв’язку С-3—С-4 піридинового кільця. Нумерацію атомів ізохінолінового ядра проводять за правилами ШРАС зазначеним способом.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Ізохінолін міститься в хіноліновій фракції кам’яновугільної смоли (близько 1 %), з якої його здобувають у вигляді солі (гідросульфату). Одним з розповсюджених способів синтезу ізохіноліну та його похідних є синтез Бішлера—Напиральського (1893 р.), який ґрунтується на циклізації ЬІ-ацильних похідних 0-феніл етил амінів у 3,4-дигідроізохіноліни і подальшому перетворенні останніх у ізохіноліни шляхом каталітичного дегідрування. Циклізацію М-ацильних похідних здійснюють у присутності Р2О5 або РОС13 у ксилені.
р-феніл етиламін
к—с
СІ
-неї
М-ацил-р- феніл етиламін
Р2О5
-Н2О
К
1-К-заміщений 3,4-дигідроізохінол ін
С; ра
1-Е.- заміщений ізохінолін
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Ізохінолін — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 24,6°С), розчиняється у воді, в етанолі, у діетиловому етері, хлороформі та бензені.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
585
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За хімічними властивостями ізохінолін мало відрізняється від хіноліну.
За рахунок гетероатома ізохінолін виявляє основні та нуклеофільні властивості і легко утворює солі з кислотами, алкіл- та ацилгалогенідами. Як основа ізохінолін дещо сильніший за хінолін (р^вн+ ізохіноліну в Н2О — 5,14; р^вн+ хіноліну — 4,94).
Реакції електрофільного заміщення в ізохіноліновому циклі подібні до хінолінового і проходять переважно в положеннях 5 і 8.
8-нітроізохінолін (~ 10 %)
5 - нітроізохін ол і н (~ 90 %)
5-ізохінолінсульфокислота
Нуклеофільне заміщення в молекулі ізохіноліну перебуває переважно в положенні 1.
При відновленні ізохіноліну, як і в молекулі хіноліну, у першу чергу гідрується піридинове ядро. Так, при дії натрієм в етанолі або воднем над нікелевим каталізатором ізохінолін відновлюється до 1,2,3,4-тетрагідроізохіноліну:
1,2,3,4-тетрагідроізохінолін
За більш жорстких умов гідруванню піддається і бензенове кільце.
При окисненні ізохіноліну лужним розчином КМпО4 утворюється суміш фталевої і 3,4-піридиндикарбонової кислот.
Глава 32
5Я6
КМпО4; ОН'
-СО2; —Н2О
а СООН
соон фталева кислота
ноос
+
ноос
3,4-піридиндикарбонова кислота
Під дією органічних пероксикислот ізохінолін окиснюється по гетероатому, утворюючи N-оксид.
снзсооон
-снзсоон
ізохінолін^-оксид
Ядро ізохіноліну є структурним фрагментом молекул алкалоїдів ізохінолінового ряду — папаверину, морфіну, кодеїну і т. ін. (див. с. 616—618).
32.6.4. АКРИДИН
Акридин (дибензо[6,е]піридин) — конденсована система, яка складається з двох бензенових і одного піридинового кілець. Атоми акридинового 7 8 |Г^9<| 'її ядра нумерують, як показано на структурній формулі. Акридин 4^x4вперше добуто з кам’яновугільної смоли 1870 року німецькими хіміками-органіками Карлом Гребе і Генріхом Каро.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Відомо кілька синтетичних способів добування акридину та його похідних.
Конденсація дифеніламіну з карбоновими кислотами (Бернтсен, 1884 р.). При нагріванні дифеніламіну з мурашиною кислотою в присутності цинк хлориду утворюється акридин, конденсація з іншими карбоновими кислотами дозволяє
одержати 9-К-заміщені акридини.
2пС12; і
дифеніламін
мурашина кислота
акридин
+ 2Н2О
Циклізація М-фенілантранілової кислоти. У 1933 році був запропонований спосіб одержання акридина і його похідних, побудований на циклізації ЬІ-фенілантранілової кислоти за допомогою фосфор трихлороксиду РОС13 (А. М. Григоровський і О. Ю. Магідсон). Реакція проходить через стадію утворення хлорангідриду ?4-фенілантранілової кислоти і 9-гідроксиакридину. Кінцевим продуктом є 9-хлоракридин.
о
Н
М- феніл антранілова кислота
М-фенілантранілової кислоти
-неї *
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
587
9-гідроксиакридин;
9-акридол
9-хлоракридин
У молекулі 9-хлоракридину атом Хлору має значну рухливість і може бути легко заміщений на атом Гідрогену, гідрокси-, алкокси- або аміногрупу.
Для добування різних похідних акридину з замісниками в бензенових кільцях циклізації піддають відповідні заміщені ЬІ-фенілантранілові кислоти.
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Акридин — світло-жовта кристалічна речовина з характерним запахом (т. пл. 111 °С), легко сублімується, викликає подразнення шкіри і дихальних шляхів, звідки і походить його назва (лат. асгіз — їдкий). Він добре розчиняється в етанолі, у діетиловому етері, бензені, малорозчинний у воді. Розведені розчини акридину мають синю флуоресценцію.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Акридин — гетероароматична сполука. За участі неподіленої пари електронів атома Нітрогену він виявляє слабкі основні і нуклеофільні властивості та утворює солі із сильними кислотами та алкілгалогенідами:
Глава 32
5X8
Н
акридиній хлорид
У реакції електрофільного заміщення акридин вступає дуже важко і неоднозначно. Так, при нітруванні утворюється суміш ізомерних нітроакридинів із вмістом переважно 2-нітроакридину. Реакції нуклеофільного заміщення для акридину проходять достатньо легко в положенні 9. Наприклад, при дії на акридин натрій амідом утворюється 9-аміноакридин.
Акридинове ядро дуже стійке до окиснення. Під дією калій дихромату в оцтовокислому середовищі акридин окиснюється в 9-акридон, який є таутомерною речовиною та існує в двох формах — гідрокси- і оксоформі.
К,Сг,О
9-гідроксиакридин
У присутності органічних пероксикислот акридин окиснюється по гетероатому з утворенням N-оксиду.
сн3сооон
-снзсоон
акр идин-К-оксид
При окисненні в жорстких умовах відбувається часткове руйнування акри-динового ядра, а продуктом окиснення є 2,3-хіноліндикарбонова (акридинова) кислота:
КМпО4; ОН
-2СО2; -Н20
СООН
СООН
2,3-хіноліндикарбонова кислота; акридинова кислота
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
589
Відновлення акридину перебігає аналогічно антрацену, тобто за положеннями 9 і 10. Так, під дією натрію в спиртовому розчині або при каталітичному гідруванні акридин перетворюється в 9,10-дигідроакридин (акридан).
н2 (N1)
Н
9,10-дигідроакридин; акридан
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ АКРИДИНУ
ТЧН2 9-Аміноакридин — жовта кристалічна речовина (т. пл. 236—
Т 237°С), розчиняється в етанолі та ацетоні.
9-Аміноакридин — сильніша основа, ніж акридин. Він міс-тить своєму складі два основних центри — атом Нітроге-ну піридинового типу та атом Нітрогену аміногрупи. Однак унаслідок кон’югації аміногрупи з гетероатомом 9-аміноакридин, аналогічно у-амінопіридину, утворює сіль лише по кільцевому Нітрогену.
9-аміноакридиній хлорид
Деякі похідні 9-аміноакридину застосовуються як лікарські препарати (акрихін, етакридин лактат (риванол) тощо). Акрихін виявляє протималярійну, а етакриди-ну лактат — антисептичну дію.
Н,С—СН—(СН,),—1Ч(С,Н,),
д । х 2' з ' 2 з' 2
Ан
етакридин лактат;
риванол;
6,9-діаміно-2-етоксиакридин лактат
соон І НС —он
сн3
акрихін;
9-(4' -діетиламіне- Г -метилбутиламіно)-
2-метокси-6-хлоракридин дигідрохлорид
32.7. ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛИ З АТОМОМ ОКСИГЕНУ
32.7.1. а-ПІРАН І у-ПІРАН
а-Піран (2Н-піран) і у-піран (4Н-піран) — шестичленні гетероциклічні сполуки, що містять як гетероатом один атом Оксигену.
ОО
Глава 32
а-піран; у-піран;
2Н-піран 4Н-піран
о о
а-пірон; 2Н-пірон-2-он
Ці гетероцикли — структурні ізомери і відрізняються один від одного розміщенням метиленової групи відносно гетероатома. У молекулі а-пірану метиленова група знаходиться в а-положенні, у у-пірану — відповідно в у-положенні.
В а- і у-піранів відсутня замкнена кон ’югована система, через що ці речовини не мають ароматичності і характеризуються низькою стабільністю. а-Піран у вільному стані не здобуто. у-Піран виділено у вигляді індивідуальної речовини, але він, як дуже нестійка сполука, легко розкладається на повітрі. Проте оксопохідні піранів — а-пірон (2Н-пірон) і у-пірон (4Н-пірон) — достатньо стійкі речовини.
а-Пірон — безбарвна рідина з запахом свіжого сіна (т. кип. 206—209°С), у-пірон — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 33°С).
а- і у-Пірони мають у своєму складі шестичленний гетероцикл, що містить атом Оксигену і 5 атомів Карбону, які перебувають в 5р2-гібридизації. Неподілена пара електронів гетероатома взаємодіє з л-електронами двох подвійних зв’язків циклу і карбонільною групою.
Делокалізацію електронної густини можна показати у вигляді двох граничних резонансних структур, одна з яких — кон’югований дієн, а інша — ароматична система, подібна до піридину.
О
у-пірон;
4Н-пірон-4-он
Тому а- і у-пірони здатні вступати як у реакції, характерні для кон’югованих дієнів, так і в реакції, властиві аренам. а-Пірон вступає переважно в реакції пер-
шого типу, тобто цей гетероцикл слід розглядати скоріше як ненасичений лактон.
По лакгонному угрупованню (\ /
) а-пірон вступає в реакції нуклео
фільного приєднання, що супроводжуються розкриттям циклу. Так, у присутнос-
ті лугів а-пірон легко гідролізується, під дією амоніаку розкриття циклу супроводжується рециклізацією з утворенням 2-піридону.
ОН
н
2-піридон
Н
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
591
Ненасичений характер а-піронового циклу підтверджується його здатністю до каталітичного гідрування і взаємодії з малеїновим ангідридом в умовах реакції Дільса — Альдера як 1,3-дієна.
у-Пірон у результаті кон’югації неподіленої пари електронів гетероатома з карбонільною групою не утворює характерних для кетонів похідних по карбонільній групі (оксимів, гідразонів, основ Шиффа) і важко вступає в реакції приєднання за місцем розриву подвійних вуглець-вуглецевих зв’язків. у-Пірон при взаємодії з мінеральними кислотами (НС1, НС1О4) або алкілгалогенідами утворює солі пірилію.
О
СІ
4-метоксипірилій йодид
4-гідроксипірилій хлорид
Пірилієвий катіон у солях пірилію містить замкнену шести-л-електронну систему і, подібно до бензену або піридину, має ароматичний характер.
Реакції у-пірону з нуклеофільними реагентами, аналогічно а-пірону, переважно супроводжуються розкриттям циклу за місцем розриву зв’язку О—С. У присутності амоніаку у-пірон перетворюється в у-піридон.
Деякі похідні у-пірону є природними речовинами. До них належать хелідонова і меконова кислоти. Хелідонова кислота міститься в траві чистотілу {СИеІШопіит таіиз), меконова кислота виділена з маку снотворного (Рараоег зотпі/егит).
хелідонова кислота;
у-пірон-2,6-дикарбонова кислота
меконова кислота;
З - гідрокси -у-пірон - 2,6-дикарбонова кислота
32.7.2. КУМАРИН
Кумарин (бензо[й]піран-2-он, 2-хроменон) — конденсована ге-ґір |ї/ тероциклічна система, що складається з бензенового і а-піронового
циклів. За будовою кумарин — це лактон цис-о-гідроксикоричної кислоти (кумаринова кислота). Він зустрічається в багатьох рослинах. Маючи запах свіжоскошеного сіна, кумарин надає аромату буркунові, маренці та іншим рослинам.
Синтетично кумарин добувають за реакцією Перкіна (див. с. 398) конденсацією саліцилового альдегіду з оцтовим ангідридом у присутності натрій ацетату.
+ (СН3СО)2О
саліциловий альдегід
СН3СОО№; 180 °С
кумарин
Глава 32
Хімічні властивості кумарину зумовлені наявністю в його структурі лактонного і бензенового кілець. Реакції з нуклеофільними реагентами проходять по лактон-ному кільцю і зазвичай супроводжуються розкриттям циклу. Так, при нагріванні кумарину з водним розчином лугу утворюється сіль о-гідроксикоричної кислоти. Після підкислення розчину відбувається швидка рециклізація в кумарин.
кумарин
2МаОН >
2НСІ
динатрієва сіль кумаринової кислоти
По бензеновому кільцю кумарин вступає в реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування). Елекгрофільній атаці в першу чергу піддається положення 6.
6-нітрокумарин
6-кумаринсульфокислота
Похідні кумарину містяться в багатьох рослинах і мають фармакологічну активність. Деякі речовини з групи 4-гідроксикумаринів виявляють виражену антикоагулянтну дію, тобто знижують згортання крові. На їх основі створені анти-коагулянтні лікарські препарати (неодикумарин, фепромарон, синку мар тощо), які використовуються для профілактики і лікування тромбозів.
неодикумарин;
етиловий естер ди-(4-гідрокси-кумариніл-3)оцтової кислоти
фепромарон;
4-гідрокси-3-(3' -оксо- Г -феніл-пентил)кумарин
32.7.3. ХРОМОН
О Хромон (бензо[/>]піран-4-он, 4-хроменон) — конденсована гете-II роциклічна система, що складається з бензенового і у-піронового [б 5 |Р 43|1 циклів.
За хімічними властивостями хромон нагадує у-пірон. Подібно до у-пірону, при обробці сухим хлороводнем в етері хромон утворює сіль бензопірилію, під дією водних розчинів лугів відбувається розкриття у-піронового кільця по зв’язку О—С-2. Хромон і його похідні широко розповсюджені в рос-
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
593
линному світі і містяться в багатьох вторинних метаболітах рослин. Найважливіші похідні хромону — флавон (2-фенілхромон) та ізофлавон (3-фенілхромон):
ізофлавон
Похідні флавону та ізофлавону належать до великої групи природних сполук — флавоноїдів. У рослинах дуже поширені гідроксипохідні флавону — флавоноли. Природні флавоноли завжди містять гідроксигрупи в положеннях 5 і 7, іноді — у положенні 3 і, як правило, у положеннях 3' і 4'. Вони забарвлені в жовтий колір і є барвними пігментами жовтих квітів. Представники флавонів — лутеолін і кверцетин.
У рослинах вони знаходяться у вигляді глікозидів. Глікозид кверцетину з дисахаридом, побудованим з £>-глюкози і /.-рамнози, називають рутином. У медичній практиці рутин застосовують як засіб, що має Р-вітамінну активність.
Структуру хромону покладено в основу лікарського препарату «Інтал», який використовується для лікування бронхіальної астми.
о о—сн,—сн—сн,—о о Л6 ,І,Н 6А.
інтал; кромолін-натрій
32.8. ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛИ З ДВОМА ГЕТЕРОАТОМАМИ
32.8.1. ДІАЗИНИ
Діазинами називають шестичленні гетероароматичні сполуки, які містять як гетероатоми два атоми Нітрогену піридинового типу, а також бі- і поліциклічш сполуки, що включають діазиновии цикл.
Існує три ізомерних діазини — піридазин (1,2-діазин), піримідин (1,3-діазин) і піразин (1,4-діазин).
Глава 32
піридазин
піримідин
піразин
За будовою і властивостями ці сполуки багато чим нагадують піридин. Подібно до піридину, молекули піридазину, піримідину і піразину мають у своєму складі замкнену кон’юговану систему із шести л-електронів і виявляють ароматичний характер. Неподілені пари електронів атомів Нітрогену не беруть участі в кон’югації і надають діазинам основних властивостей. Через взаємний дезактивуючий вплив атомів Нітрогену один на одного піридазин, піримідин і піразин — слабші основи, ніж піридин (рАбН+ піридазину у воді — 2,33; піримідину — 1,3; піразину — 0,6; піридину — 5,25). Тому діазини, незважаючи на наявність двох основних центрів, утворюють солі тільки з одним еквівалентом мінеральної кислоти.
піримідин піримідиній гідросульфат
Наявність у структурі молекул піридазину, піримідину та піразину двох атомів Нітрогену піридинового типу приводить до значного зниження електронної густини на атомах Карбону діазинового циклу. Тому діазини характеризуються дуже низькою реакційною здатністю в реакціях 5Е і, навпаки, високою активністю в реакціях 8ц. Реакції електрофільного заміщення можливі тільки тоді, коли діазиновий цикл активований електронодонорними групами (—МН2, —ОН тощо).
ПІРИДАЗИН (1,2-ДІАЗИН)
Піридазин — безбарвна рідина зі слабким запахом (т. кип. 207 °С), [б РІ] розчинна у воді, в етанолі, у бензені, діетиловому етері, не розчиняється в петролейному ефірі.
Піридазин і його похідні добувають конденсацією гідразину з насиченими або ненасиченими 1,4-дикарбонільними сполуками.
Н21М—мн2
-2Н20
малеїндіальдегід піридазин
Н2М—МН2
—2Н20
[О] ------►
-н2о
Перевага синтезів з ненасиченими 1,4-дикарбонільними сполуками полягає в тому, що продукт, який утворюється, не потребує подальшого окиснення.
Піридазин — слабка основа. З кислотами (хлоридною, пікриновою) та алкіл-галогенідами піридазин утворює солі лише за участі одного атома Нітрогену.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
595
К-метилпіридазиній йодид
У реакції електрофільного заміщення піридазин вступає дуже важко. Здійснити реакції нітрування, сульфування, галогенування практично не вдається.
Під дією пероксикислот піридазин окиснюється, утворюючи М-оксид:
Г^]| СН3СОООН у ІІ+
к ЬІ; -СН3СООН * к„тхЬк
N N х0-
піридазин-М-оксид
При відновленні піридазину натрієм у спиртовому розчині або каталітичному гідруванні розкривається цикл, і утворюється тетраметилендіамін.
[НІ
н2к— сн2— сн—сн — сн2— тш2
тетраметилендіамін
Похідні піридазину використовують як лікарські препарати та гербіциди. Так, піридазиновий цикл міститься в структурах лікарського препарату антибактеріальної дії — сульфапіридазину, і гербіциду — феназону, який використовують для знищення бур’янів на полях цукрових буряків.
сульфапіридазин;
З-(л-амінобензенсульфамідо)-6-метоксипіридазин
осн3
с6н5
феназон;
5-аміно-2-феніл-4-хлор-3-піридазинон
ПІРИМЩИН (1,3-ДІАЗИН)
Способи добування. Піримідин і його похідні найчастіше одержують [1! 2І| конденсацією сечовини або тіосечовини з 1,3-дикарбонільними сполуками. хЬг Так, при взаємодії малонового естеру із сечовиною в присутності натрій етоксиду утворюється похідна піримідину — барбітурова кислота, що існує в оксо-та гідроксиформі.
С—ОС2Н5 Н2Ьк
Н2С^ + /С=О
/-ос2н, н2и
С2Н5ОНа
-2С2Н5ОН *
малоновий естер
сечовина
Глава 32
НО
но7
оксоформа
гідроксиформа
барбітурова кислота
Для добування піримідину барбітурову кислоту дією фосфор трихлороксиду або пентаоксиду перетворюють на 2,4,6-трихлоропіримідин (у реакцію вступає гідроксиформа), який потім відновлюють.
Н
барбітурова кислота 2,4,6-трихлоропіримідин піримідин
Фізичні властивості. Піримідин — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 22,5°С), легкорозчинна у воді, в етанолі, у діетиловому етері.
Хімічні властивості. За хімічними властивостями піримідин подібний до піридину, але, як і інші діазини, характеризується більш низькою реакційною здатністю. Незважаючи на наявність у молекулі піримідину двох основних центрів, у реакціях з мінеральними кислотами він утворює солі за участі лише одного атома Нітрогену:
неї
44
піримідиній хлорид
Через елекгроноакцепторний вплив двох атомів Нітрогену піримідин практично не вступає в реакції електрофільного заміщення. Але якщо піримідиновий цикл активований одним або кількома електронодонорними замісниками (—МН2, —ОН, —8Н тощо), можливі реакції електрофільного заміщення (нітрування, галогенування, сульфування, нітрозування) переважно в положенні 5:
ОН
Н1\Ю3 (конц.); Н28О4 (конц.)
-н2о
он
2-аміно-4-гідрокси-5-нітропіримідин
2-аміно-4-гідроксипіримідин
Вг2
-НВг
2-амінопіримідин
2-аміно-5-бромопіримідин
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
597
Нуклеофільні реагенти атакують у молекулах піримідину та його похідних елекгронодефіцитні положення 2, 4 та 6. Так, при взаємодії 4-метилпіримідину з натрій амідом у середовищі рідкого амоніаку утворюються моно- і діамінопохідні піримідину:
МаМН2; МН
2-аміно-4-метилпіримідин
2,4-діаміно-6-метилпіримідин
Нуклеофільне заміщення в ряду піримідинів часто супроводжується розкриттям циклу.
Найважливіші похідні піримідину. Серед похідних піримідину важливу біологічну роль виконують гідрокси- і амінопіримідини. Вони входять до складу нуклеїнових кислот, вітамінів, антибіотиків, лікарських препаратів і т. ін.
Барбітурова кислота (2,4,6-тригідроксипіримідин) — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 245 °С), малорозчинна у воді та етанолі, добре розчиняється в діетиловому етері.
ОН
Барбітурову кислоту добувають конденсацією сечовини з малоновим естером (див. с. 495). Тому її можна розглядати як циклічний уреід малонової кислоти (див. с. 595). Барбітурова кислота — таутомерна сполука, в якій одночасно виявляють два види таутомерії — кето-енольну і лактам-лактимну. Кето-енольна таутомерія зумовлена міграцією протона Н+ метиленової групи, а лактам-лактимна — груп ІЧН.
Кето-енольна таутомерія
Лактам-лактимна таутомерія
кетонна форма
енольна форма
лактамна форма лактимна форма
Унаслідок спільного виявлення кето-енольної і лактам-лактимної таутомерії барбітурова кислота існує в двох таутомерних формах — триоксоформі і тригідро-ксиформі. За допомогою рентгеноструктурного аналізу встановлено, що переважним таутомером є триоксоформа.
Глава 32
598
триоксоформа
ОН
тригідроксиформа
Барбітурова кислота є сильнішою кислотою, ніж оцтова. Її кислотні властивості зумовлені рухливістю атома Гідрогену, особливо — у гідроксилі енольного фрагмента молекули.
Ч /н
В. /С“>\
V с=о
к' Хс— т/
// \
о н
загальна формула барбітуратів
Деякі 5,5-дизаміщені похідні барбітурової кислоти використовують у медицині як лікарські препарати, що виявляють снотворну і протисудомну дію. Ці препарати відомі під загальною назвою «барбітурати»', барбітал (В,В' = С2Н5), фенобарбітал (В. = С2Н5, В' = С6Н5), барбаміл (В = С2Н5, В' = /зо-С5Ни) тощо.
Для барбітуратів характерна лише лактам-лактимна таутомерія, тому що атоми Гідрогену метиленової групи заміщені вуглеводневими радикалами. Проте барбітурати виявляють слабкі кислотні властивості та легко утворюють водорозчинні солі з одним еквівалентом натрій гідроксиду.
0№
N3011 ------►
-н2о
Піримідинові основи. До піримідинових основ, що входять до складу нуклеїнових кислот, належать: урацил (2,4-дигідроксипіримідин), тимін (2,4-дигідрокси-5-метилпіримідин) і цитозин (4-аміно-2-гідроксипіримідин). Ці сполуки — тауто-мерні речовини та існують у лактамній і лактимній формах.
он
урацил
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
599
Н
хтн
Як правило, у рівновазі переважає лактамна форма. Урацил, тимін і цитозин — високоплавкі (т. пл. > 300°С) безбарвні кристалічні речовини; малорозчинні у воді, нерозчинні в етанолі і діетиловому етері. У клітинах організму піримідинові основи знаходяться у вигляді М-глікозидів рибози або дезоксирибози (див. розд. 36.1).
Вітамін В\ (тіамін). Містить у своїй структурі два гетероциклічних кільця — пі-римідинове і тіазольне, зв’язані через метиленову групу.
\8-^СН-СН-ОН
тіамін хлорид
Добутий із природних джерел або синтетично, вітамін В| — це заміщена амонієва сіль. Вітамін В] міститься в дріжджах, пшеничному хлібі, квасолі, горосі, сої, менше — у картоплі, моркві, капусті. При нестачі вітаміну В, в організмі розвивається захворювання бері-бері, яке набуло поширення в країнах Азії і Індокитаю, де основний продукт харчування — очищений рис.
Вітамін В] — безбарвна кристалічна речовина, добре розчиняється у воді. Водні розчини тіаміну в кислому середовищі витримують нагрівання до високих температур без зниження біологічної активності. У нейтральному і лужному середовищах вітамін В] при нагріванні швидко руйнується.
У тканинах тварин вільний вітамін В, міститься в невеликих кількостях. Фізіологічно активною формою вітаміну В( у живих організмах є кофермент кокар-боксилаза (тіаміндифосфат), що входить до складу ферментів, які беруть участь у процесах вуглеводного обміну.
кокарбоксилаза; тіаміндифосфат
он он
Оротова (6-урацилкарбонова) кислота — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 345—347 °С), розчинна у воді і водних розчинах лугів.
Оротова кислота міститься у тваринних тканинах і рос-
О линах. Особливо багаті нею дріжджі, печінка і молоко. Оро-
н това кислота є попередником у біосинтезі піримідинових основ — урацилу, цитозину і тиміну. У вигляді калієвої солі (калій оротату) оротова кислота використовується в медицині НООС N О як стимулятор обмінних процесів при захворюваннях серця, ТІ печінки, жовчних шляхів тощо.
Глава 32
ПІРАЗИН (1,4-ДІАЗИН)
„ Піразин — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 57°С), зі слабким 4 п запахом, розчинна у воді, в етанолі, у діетиловому етері. Піразин і його похідні добувають конденсацією 1,2-діамінів з 1,2-дикарбонільними сполуками:
Н2С\
N42
кн2
етилендіамін
/Н
от н
гліоксаль
------->
—2Н2О
[О] ------►
-н2о
піразин
2,3-дигідропіразин
Аналогічно, як піридазин та піримідин, піразин — слабка основа й утворює солі за участі лише одного атома Нітрогену, у реакції електрофільного заміщення вступає дуже важко, реакції нуклеофільного заміщення проходять порівняно легко. При дії на піразин натрій амідом у середовищі рідкого амоніаку утворюється 2-амінопіразин.
ИаМІ,; МН
2-амінопіразин
Під дією пероксикислот піразин окиснюється з утворенням моно- і ДИ-М-ОК-сидів.
сн3сооон
-сн3соон
піразин-ЬІ-оксид
При відновленні піразину натрієм в етанолі або каталітичним гідруванням утворюється гексагідропіразин або піперазин:
[Н]
піперазин
Піперазин, на відміну від піразину, сильна основа. Для нього характерні властивості вторинних аліфатичних амінів. Піразиновий і піперазиновий цикли входять у структуру групи лікарських засобів (піразинамід, піперазин адипінат, цинаризин, етаперазин (див. с. 602), трифтазин (с. 602) тощо).
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
601
піразинамід (протитуберкульозний засіб)
/—\ сн,—сн2—соон
Н—N ЇМ—Н • |
\' сн—сн2—соон
піперазин адипінат (антигельмінтний засіб)
цинаризин
(засіб, який покращує мозковий кровообіг)
32.8.2. ФЕНОТІАЗИН
Фенотіазин (дибензо-1,4-тіазин) — конденсована гетероциклічна система, що складається з 4Н-1,4-тіазинового і двох бензенових циклів. Нумерацію атомів проводять, як показано на структурній формулі.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Фенотіазин одержують нагріванням дифеніламіну із сіркою в присутності каталізатора алюміній хлориду.
дифеніламін
А1С13
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Фенотіазин — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 182°С), нерозчинна у воді, діетиловому етері, добре розчиняється в гарячому етанолі.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
За хімічними властивостями фенотіазин багато чим нагадує вторинні ариламіни. Фенотіазин легко вступає в реакції алкілювання й ацилювання по атому Нітрогену.
10-метилфенотіазин
10-ацетилфенотіази н
Глава 32
602
Реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування, галогенування) у фенотіазину перебігають переважно в положеннях 3 і 7, часто супроводжуючись окисненням атома Сульфуру.
Під дією гідроген пероксиду або калій перманганату фенотіазин окиснюється по атому Сульфуру з утворенням фенотіазин-5,5-діоксиду.
фенотіазин-5,5-діоксид
Фенотіазин застосовувався в медичній практиці як антигельмінтний препарат. Нині групу похідних фенотіазину використовують як лікарські засоби, що виявляють нейролептичну (хлоропромазин, етаперазин, трифлюперазин тощо), анти-аритмічну (етацизин), протиалергічну (прометазин) та інші види дії.
(СН2)3К(СН3)2
(СН2)3ЬІ К(СН2)2ОН СІ • 2НС1
(СН2)3Ь( м—сн3
СР3
• 2НС1
трифлюперазин; трифтазин
хлоропромазин; етаперазин
аміназин
рСН2СН2М(С2Н5)2 х^./^ЛНСООСЛ сххх
етацизин
СН2СН(СН3)М(СН3)2
прометазин; дипразин
До похідних фенотіазину належить барвник метиленовий синій, який використовується для забарвлення препаратів у мікробіологічній практиці, а також як антисептичний лікарський засіб у вигляді 1—3 %-вих спиртових розчинів.
метиленовий синій
32.9. КОНДЕНСОВАНІ СИСТЕМИ ГЕТЕРОЦИКЛІВ
Важливе значення з цієї групи гетероциклів мають широко розповсюджені в природі сполуки пуринового і птеридинового рядів.
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
603
32.9Л. ПУРИН
б 5 Пурин (імідазо[4,5 -<7|піримідин) — конденсована гетероциклічна
* 8 система> яка складається з піримідинового та імідазольного кілець.
і4''МН ІСТ°РИЧНО сформована нумерація атомів пуринового ядра не від-
N 4 9 повідає загальним правилам нумерації конденсованих систем, але є загальноприйнятою.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Пурин і його похідні одержують конденсацією 4,5-діамінопіримідинів з карбоновими кислотами {метод Траубе).
4,5 -діамінопіримідин
+ 2Н2О
8-К-пурин
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Пурин — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 217°С), добре розчиняється у воді, погано — в ацетоні, у діетиловом етері, хлороформі.
БУДОВА ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Пурин — гетероароматична сполука. Його молекула має плоску будову і містить замкнену кон’юговану систему, яка складається з 10 л-електронів, включаючи неподілену пару електронів атома Нітрогену в положенні 9, що відповідає правилу Гюккеля (4п + 2, п = 2). Наявність у структурі пурину імідазольного циклу надає йому низку властивостей, характерних для імідазолу. Так, для пурину характерна азольна таутомерія:
У кристалічному стані більш імовірне перебування атома Гідрогену в положенні 7.
Аналогічно імідазолу, пурин є амфотерною сполукою та утворює солі із сильними кислотами і основами:
пуриній хлорид
натрієва сіль пурину
Глава 32
604
Атоми Нітрогену піримідинового циклу, унаслідок електроноакцепторного впливу один на одного та участі в делокалізації позитивного заряду пуриній-катіона, не протонуються сильними кислотами.
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ПУРИНУ
Найважливіші похідні пурину — оксо- та амінопурини.
Оксопурини. Представниками оксопуринів є сечова кислота, ксантин і гіпоксантин.
сечова кислота
ксантин
гіпоксантин
Ці сполуки утворюються в організмі в процесі перетворення нуклеїнових кислот. Сечова кислота, ксантин і гіпоксантин — таутомерні речовини. У результаті лактам-лактимної таутомерії вони існують у двох таутомерних формах — оксо-формі (лактамна форма) і гідроксиформі (лактимна форма). Тому в навчальній і науковій хімічній літературі оксопурини часто називають гідроксипуринами.
триоксоформа
тригідроксиформа
сечова кислота;
ксантин;
2,6-дигідроксипурин
н—о
гідроксиформа
оксоформа
гіпоксантин;
6-гідроксипурин
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
605
У кристалічному стані сечова кислота, ксантин і гіпоксантин перебувають в оксоформі. У розчинах вони існують у вигляді рівноважної суміші таутомерних оксо- та гідроксиформ, в якій переважає оксоформа.
Поряд з лактам-лактимною таутомерією в оксопуринів можлива азольна таутомерія, пов’язана з міграцією протона Н+ між атомами Нітрогену в імідазольном циклі:
азольна таутомерія гіпоксантину
Сечова кислота. Безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 400°С), погано розчиняється у воді, в етанолі, у діетиловому етері, розчиняється в розведених розчинах лугів і гліцерині. Сечова кислота — кінцевий продукт обміну пуринових сполук в організмі, виділяється із сечею людини до 0,5—1 г на добу.
Сечова кислота — двохосновна кислота (рАаІ = 5,75; рАа2 = 10,3). З водними розчинами лугів утворює кислі й середні солі.
мононатрієва сіль сечової кислоти
динатрієва сіль сечової кислоти
Солі сечової кислоти називають уратами. Кислі урати, за винятком солей Літію, є малорозчинними у воді сполуками. При деяких захворюваннях, зокрема подагрі, вони відкладаються в суглобах, при нирковокам’яній хворобі — накопичуються в нирках у вигляді ниркових каменів. Основною складовою частиною ниркових каменів є мононатрієва сіль сечової кислоти.
У гідроксиформі сечова кислота вступає в реакції нуклеофільного заміщення, зокрема з РОС13 утворює 2,6,8-трихлоропурин:
НО
ОН
РОСІ3; (
СІ
2,6,8-трихлоропурин
Унаслідок високої рухливості атомів Хлору 2,6,8-трихлоропурин широко використовується в синтезі похідних пурину — аденіну, гуаніну, гіпоксантину, ксантину тощо. Активність атомів Хлору в різних положеннях пуринового ядра в реакціях Уд, неоднакова і зменшується в ряду 6 > 2 > 8.
Глава 32
606
[Н]
ксантин
При нагріванні сечової кислоти з нітратною кислотою з наступним додаванням до реакційної суміші амоніаку з’являється пурпурно-фіолетове забарвлення, пов’язане з утворенням амонійної солі пурпурної кислоти, названої мурексидом. Реакція проходить у кілька стадій. Під дією нітратної кислоти сечова кислота окиснюється з утворенням суміші алоксану та діалурової кислоти, які, реагуючи між собою, дають алоксантин, що перетворюється в надлишку амоніаку в мурексид.
Ця реакція, що отримала назву «мурексидна реакція», використовується для якісного виявлення сечової кислоти та інших сполук, що містять пуринове ядро.
пурпурова кислота (кетоформа)
алоксантин
пурпурова кислота (енольна форма)
о о
йн4
мурексид;
амоній пурпурат
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
607
Гіпоксантин (6-гідроксипурин) і ксантин (2,6-дигідроксипурин) за хімічними властивостями аналогічні сечовій кислоті. Вони існують у двох таутомерних формах — лактамній і лактимній. Подібно до сечової кислоти, ці сполуки утворюють солі з лугами. Гіпоксантин і ксантин мають також слабко виражені основні властивості та утворюють солі із сильними мінеральними кислотами, тобто вони амфотерні.
хлороводнева сіль гіпоксантину
натрієва сіль гіпоксантину
Гіпоксантин і ксантин широко розповсюджені в рослинному та тваринному світі. Важливе значення у фармації мають И-метальні похідні ксантину — теофілін (1,3-диметил ксантин), теобромін (3,7-диметилксантин) і кофеїн (1,3,7-триметил-ксантин).
теофілін
теобромін
кофеїн
Ці природні речовини є алкалоїдами. Теофілін міститься в листках чаю, теобромін — у бобах какао, кофеїн — у листках чаю та зернах кави.
Теофілін, теобромін і кофеїн добувають із природної сировини або синтетично — шляхом метилювання ксантину. За фізичними властивостями вони — безбарвні кристалічні речовини, легкорозчинні в гарячій воді, погано — у холодній. Теофілін і теобромін є амфотерними сполуками. їх кислотні властивості зумовлені рухливістю атома Гідрогену в МН-фрагменті молекул, основні — наявністю піридинового атома Нітрогену N-9. Кофеїн виявляє тільки слабкі основні властивості, зумовлені наявністю атома Нітрогену в положенні 9. Теофілін і теобромін мають сечогінну дію, кофеїн впливає на центральну нервову систему.
Амінопурини. Найважливіші амінопохідні пурину — аденін (6-амінопурин) і гуанін (2-аміно-6-гідроксипурин), що входять до складу нуклеїнових кислот як пуринові основи. Гуанін існує в двох таутомерних формах — лактамній і лактимній. Більш стійка лактамна форма, у вигляді якої гуаніновий фрагмент входить до складу нуклеїнових кислот.
аденін
ОН
гуанін
Глава 32
608
Аденін і гуанін — безбарвні кристалічні речовини, важкорозчинні у воді, добре розчиняються в лугах. Вони утворюються внаслідок гідролізу нуклеїнових кислот. В організмі аденін і гуанін піддаються дезамінуванню з утворенням гіпоксантину і ксантину, які згодом окиснюються в сечову кислоту.
У медичній практиці широко використовують лікарські препарати — похідні пурину.
кофеїн (стимулятор ЦНС)
ксантинол нікотинат;
компламін
(засіб, який впливає на тонус кровоносних судин)
Ряд ефективних противірусних і протипухлинних препаратів утворений на основі нуклеозидів пурину (див. с. 687).
32.9.2. ПТЕРИДИН
5 4 Молекула птеридину (піразино[2,3-б7|піримідин) — конденсо-
6\ вана гетероциклічна система, яка складається з піримідинового
71^. Де ДІ2 і піразинового циклів. Нумерацію атомів здійснюють, як показано N на структурній формулі.
СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Похідні птеридину досить широко розповсюджені в природі. Уперше птериди-ни виділені 1895 року з пилку крил метеликів, що знайшло відображення в назві (грец. птеро — крило).
Синтетично птеридини частіше добувають конденсацією 4,5-діамінопіримідинів з 1,2-дикарбонільними сполуками.
4,5 -діамінопіримідин
гліоксаль
птеридин
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
609
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Птеридин — кристалічна речовина (т. пл. 137— 138 °С) світло-жовтого кольору, добре розчиняється у воді, в етанолі, малорозчинна в діетиловому етері та бен-зені.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Птеридин — гетероароматична сполука. Ядро птеридину стійке до дії окисників, виявляє основні властивості. Унаслідок електроноакцепторного впливу чотирьох атомів Нітрогену піридинового типу електронна густина на атомах Карбону значно зменшується і знижується ароматичний характер птеридинової системи.
Так, птеридин нестійкий до дії кислот і лугів, які залежно від умов викликають розкриття піримідинового або піразинового циклів, але легше розщеплюється піримідинове кільце. Він не вступає в реакції електрофільного заміщення. Уведення електронодонорних замісників (—МН2, —ОН тощо) у молекулу птеридину збільшує електронну густину в ядрі і підвищує його стабільність. Як слабка основа (рАвН+ = 4,12) птеридин протонується по атому Нітрогену в положенні 1.
Для птеридинової системи характерні реакції алкілювання по атомах Нітрогену.
НАЙВАЖЛИВІШІ ПОХІДНІ ПТЕРИДИНУ
Фолієва кислота (вітамін Вс). Молекула фолієвої кислоти включає три структурні фрагменти — птеридинове ядро, залишки п-амінобензойної і А-глутамінової кислот.
фрагмент фрагмсіп фрагмсіп
птеридину //-амінобен юйної /,-глутаміновоі
кислоти
О: СООН
с—N14—СН
сн2
сн2—соон
кислоти
фолієва кислота
Фолієва кислота вперше виділена 1938 року з екстракту печінки. У великій кількості міститься в листках шпинату, моркви та інших овочів. Назва кислоти пов’язана з виділенням її з листків шпинату (від лгл./оііит — лист). У людському організмі фолієва кислота не синтезується. Потреба організму в цьому вітаміні задовольняється за рахунок надходження з продуктами харчування і синтезу мікроорганізмами кишечнику. Біологічна роль фолієвої кислоти пов’язана не з вільною
Глава 32
610
формою, а з частково відновленою птеридиновою похідною — 5,6,7,8-тетрагідро-фолієвою кислотою.
Фолієва кислота стимулює кровотворення, біосинтез нуклеїнових кислот, білковий і вуглеводний обмін. Використовується в медичній практиці для лікування деяких форм анемії.
Фолієва кислота — це стимулятор росту мікроорганізмів. Бактеріостатична дія сульфаніламідних препаратів ґрунтується на порушенні біосинтезу фолієвої кислоти. Маючи структурну подібність до л-амінобензойної кислоти, сульфаніламіди зв’язуються з птеридиновим фрагментом замість и-амінобензойної кислоти. У результаті блокується наступна конденсація з глутаміновою кислотою і тим самим припиняється біосинтез фолієвої кислоти, що веде до загибелі мікроорганізмів.
л-амінобензойна кислота
сульфаніламід
32.9.3. АЛОКСАЗИН ТА ІЗОАЛОКСАЗИН (ФЛАВІН)
Ллоксазин — конденсована гетероциклічна система, що складається з трьох циклів — бензенового, піразинового і гідрованого піримідинового, в якому два атоми Карбону знаходяться в складі карбонільних груп.
Ізоалоксазин — таутомерна форма алоксазину, що утворюється внаслідок азоль-ної таутомерії:
Ізоалоксазин має жовте забарвлення і тому називається флавіном (від лат. фіаоиз — жовтий). Важлива властивість флавіну — його здатність до відновлення з утворенням безбарвної сполуки (лейкосполуки), яка при окисненні перетворюється знову у вихідний флавін. У процесі відновлення Гідроген приєднується до кон’югованої системи, яка включає атоми Нітрогену в положеннях 1 і 10.
флавін
Ядро флавіну входить у структуру рибофлавіну (вітамін В2).
П’ЯТИ- ТА ШЕСТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
611
Назва «рибофлавін» відбиває наявність у молекулі залишків п’ятиатомного спирту рибіту і флавіну. Рибофлавін широко розповсюджений у природі, особливо багаті ним дріжджі, бобові, м’ясо, яєчний жовток і т. ін. Вітамін В2 входить у структуру окисних ферментів — флавопротеїдів.
О
сн,—сн— сн— сн— сн. І І І І ‘ он он он он
рибофлавін
Дія цих ферментів як переносників Гідрогену при окисно-відновних процесах у живих організмах зумовлена здатністю флавіну перетворюватися в лейкосполу-ку і навпаки. Відсутність або нестача вітаміну В2 в їжі викликає затримку росту, запалення слизових оболонок ротової порожнини та очей, порушення процесів нервової діяльності тощо.
32.10. СЕМИЧЛЕННІ НІТРОГЕНОВМІСНІ ГЕТЕРОЦИКЛИ
Семичленні гетероциклічні сполуки з одним атомом Нітрогену, які містять максимальну кількість подвійних зв'язків у циклі, називають азепінами, аналогічні гетероцикли з двома атомами Нітрогену — діазепінами.
4Н-азепін
н
іН-1,2-діазепін
н
І Н-1,4-діазепін
Жоден із наведених гетероциклів дотепер не відкрито у вільному стані, але відомі численні їх похідні.
Азепіни і діазепіни мають неплоску будову, виявляють властивості полієнів. Унаслідок деформації валентних кутів семичленні цикли порівняно із шестичленними менш стійкі. Стабільність їх зменшується в ряду:
ЗН-азепін > ІН-азепін > 4Н-азепін > 2Н-азепін
Семичленні азагетероцикли рідко зустрічаються в природі. Значна увага до синтезу цих гетероциклічних систем викликана виявленням у деяких з них транкві-
Глава 32
612
лізуючої (зняття перезбудження ЦНС, страху, занепокоєння, напруження), антидепресивної, аналептичної (підвищуючої тонус ЦНС) і протисудомної дій. У медичній практиці широко застосовуються для лікування захворювань центральної нервової системи похідні бензодіазепіну (конденсована система 1,4-діазепіну з бензеном). Найефективніші лікарські засоби бензодіазепінового ряду — еленіум, нітразепам, діазепам тощо.
еленіум нітразепам; діазепам;
радедорм
седуксен
Глава 33
АЛКАЛОЇДИ
Алкалоїдами називають групу нітрогеновмісних органічних сполук, переважно рослинного походження, які виявляють основні властивості і високу біологічну активність.
Назва «алкалоїди» походить від араб, алкалі — «луг».
За хімічною будовою більшість алкалоїдів належить до гетероциклічних сполук.
Алкалоїди широко розповсюджені в рослинному світі. Особливо багаті алкалоїдами рослини родини макових (Рараоегасеае), жовтцевий (Капипсиїасеае), бобових (РаЬасеае) тощо. Завичай в рослинах міститься суміш кількох алкалоїдів, що мають подібну структуру. Так, з опію виділено 22 алкалоїди, з кори хінного дерева — 24, з листків тютюну — 10. Багато алкалоїдів виявляють сильну біологічну дію; у великих дозах вони часто отруйні, а в малих — використовуються як лікарські засоби. У рослинах алкалоїди знаходяться переважно у вигляді солей органічних кислот — щавлевої, яблучної, винної, лимонної тощо.
Алкалоїди — в основному безбарвні кристалічні речовини гіркого смаку, практично нерозчинні у воді, але добре розчиняються в органічних розчинниках — хлороформі, діетиловому етері, бензені тощо. Солі алкалоїдів, навпаки, добре розчиняються у воді і нерозчинні в органічних розчинниках.
Нині виділено понад 5000 алкалоїдів. Вагомий внесок в їх вивчення зробили відомі хіміки Олександр Павлович Орєхов, Володимир Михайлович Родіонов, Микола Олексійович Преображенський, Олександр Абрамович Вознесенський та ін.
33.1. МЕТОДИ ВИДІЛЕННЯ АЛКАЛОЇДІВ З РОСЛИН
Виділення алкалоїдів з рослин ґрунтується на здатності їх солей добре розчинятися у воді, а алкало’ідів-основ — в органічних розчинниках (хлороформі, діетиловому етері, бензені).
Існує два основних методи виділення алкалоїдів: екстракція у вигляді солей і екстракція у вигляді основ. При екстракції у вигляді солей рослинну сировину, яка містить алкалоїди, обробляють водою або етиловим спиртом, підкисленими частіше винною кислотою. Усі алкалоїди при цьому переходять у розчин у вигляді солей винної кислоти. Для очищення від супутніх речовин витяжку підлуговують і основи алкалоїдів, що утворилися, екстрагують органічними розчинниками. Операцію очищення (обробка кислотою, а потім лугом) повторюють кілька разів. Після цього розчинник видаляють, а залишок, що містить суму алкалоїдів, розділяють на індивідуальні речовини.
При екстракції у вигляді основ рослинний матеріал обробляють розчином лугу. Частіше для цього використовують розчин амоніаку, натрій гідрокарбонату або
Глава 33 : 4 ------------------------------------------------------------------------------
карбонату. Основи алкалоїдів, які утворюються, екстрагують органічними розчинниками. Далі проводять очищення переведенням алкалоїдів у солі, а потім у основи, повторюючи процес багаторазово.
33.2. МЕТОД; ...ЯВЛЕННЯ АЛКАЛОЇДІВ
Для виявлення алкалоїдів у тому чи іншому об’єкті застосовують загальні, так звані групові реакції, властиві групі алкалоїдів, і специфічні реакції, характерні для індивідуальних алкалоїдів.
Групові (загальні) реакції ґрунтуються на здатності алкалоїдів як основ утворювати з деякими реагентами важкорозчинні у воді осади простих або комплексних солей. Найчастіше для осадження алкалоїдів використовують розчин йоду в калій йодиді (реактив Вагнера), розчин меркурій(ІІ) йодиду в калій йодиді (реактив Мейєра), розчин бісмут йодиду в калій йодиді (реактив Драгендорфа), розчини таніну, пікринової кислоти тощо.
Специфічні реакції. Крім реакцій осадження, для виявлення алкалоїдів часто використовують реакції забарвлювання. Так, під дією концентрованих сульфатної, нітратної кислот, а також суміші сульфатної і нітратної кислот (реактив Ердмана), суміші сульфатної кислоти і формальдегіду (реактив Маркї) та інших, багато алкалоїдів утворюють забарвлені розчини. Реакції забарвлювання базуються на перебігу процесів дегідратації, окиснення, конденсації тощо. В основу цих реакцій покладені особливості хімічної структури алкалоїдів, тому вони можуть використовуватись як специфічні для визначених груп алкалоїдів. Ідентифікацію конкретних алкалоїдів здійснюють за допомогою специфічних реакцій на окремі функціональні групи, які входять до складу молекули алкалоїду, а також застосуванням фізико-хімічних методів (ІЧ-, УФ- і ПМР-спектроскопій, мас-спектрометрії і хроматографії).
33.3. КЛАСИФІКАЦІЯ АЛКАЛОЇДІВ
Алкалоїди для зручності вивчення поділяють на групи. Спочатку, коли хімічна структура багатьох алкалоїдів не була встановлена, їх класифікували за ботанічною ознакою, відповідно до якої в одну групу поєднувалися алкалоїди, виділені з рослин певного роду, наприклад алкалоїди макових, маренових, пасльонових і т. д.
Нині загальноприйнята хімічна класифікація, в основу якої покладена природа гетероциклу, що входить у структуру алкалоїду. За цією класифікацію алкалоїди поділяють на такі основні групи — похідні піридину та піперидину, хіноліну, ізохіноліну, індолу, тропану, пурину тощо.
33.4. АЛКАЛОЇДИ ГРУПИ ПІРИДИНУ І ПІПЕРИДИНУ
33.4.1. НІКОТИН
Алкалоїд нікотин {3-[2'-(1Ч-метилпіролідил)]піридин} міститься в листках тютюну (Місоііапа іаЬасит) у вигляді солей лимонної та яблучної кислот. Його молекула складається з піридинового і N-метил піролідинового циклів, зв’язаних між собою простим зв’язком.
АЛКАЛОЇДИ
615
/у 4'\ Нікотин — безбарвна масляниста рідина, що змішується г з водою. На повітрі швидко буріє внаслідок утворення продуктів
। окиснення. Нікотин має у своєму складі асиметричний атом Кар-
сн бону С2', тому має оптичну активність. Водні розчини нікотину 3 обертають площину поляризації вліво.
Нікотин дуже токсичний, смертельна доза для людини становить близько 40 мг. У невеликих кількостях виявляє збудливу дію на вегетативну нервову систему, звужує кровоносні судини. Організм поступово звикає до цієї отрути. Нікотин використовують як інсектицид для боротьби зі шкідниками сільського господарства.
33.4.2. АНАБАЗИН
Алкалоїд анабазин (Р-(а'-піперидил)піридин] міститься в їж-нику безлистому (АпаЬазіз арку На), який росте в Середній Азії. У Молекула анабазину складається зі зв’язаних простим зв’язком ІІ^^І піридинового і піперидинового циклів.
Ч ц Подібно до нікотину, анабазин дуже отруйний, виявляє висо-ку інсектицидну дію. У вигляді хлороводневої солі його використовують у медицині як засіб проти куріння. Вважають, що ефект ґрунтується на конкурентній взаємодії з нікотином у ділянці специфічних рецепторів.
33.4.3. ЛОБЕЛІН
Алкалоїд лобелін [£-(-)2-бензоїлметил-6-(2'-гідрокси-2'-фенілетил)-1-ме-тилпіперидин] виявлений у рослині лобелії (ЬоЬеІіа іп/іаіа), яка росте в Північній Америці. За хімічною структурою він є похідною піперидину. Уперше синтез лобеліну здійснений 1929 року. Природний лобелін оптично активний (обертає площину поляризації вліво). Синтетичний лобелін — рацемат і тому оптичної активності не виявляє.
У вигляді хлороводневої солі лобелін використовують у медицині як стимулятор дихання при пригніченні дихального центру. Синтетичний лобелін удвічі менш активний, ніж природний лівообертаючий ізомер.
33.5. АЛКАЛОЇДИ ГРУПИ ХІНОЛІНУ
До алкалоїдів хінолінового ряду належить група алкалоїдів, виділених з кори хінного дерева. Найважливіїдий серед них хінін.
33.5.1. ХІНІН
В основі структури молекули хініну лежить ядро хіноліну, зв’язане через вторинну спиртову групу з хінуклідиновим ядром.
Глава 33
(16
Хінін — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 177 °С), гірка на смак, малорозчинна у воді, оптично активна (обертає площину поляризації вліво).
Будучи двотретинною двокислотною основою, хінін утворює з мінеральними кислотами два ряди солей. Хінін з одним еквівалентом мінеральної кислоти утворює сіль по атому Нітрогену хінуклідинового ядра, із двома еквівалентами — по обох атомах Нітрогену.
Хінін — специфічний засіб для лікування малярії. В акушерській практиці його використовують для посилення пологової діяльності. Фармакопейними препаратами є хінін гідрохлорид, хінін дигідрохлорид і хінін сульфат.
33.6. АЛКАЛОЇДИ ГРУПИ ІЗОХІНОЛІНУ І ФЕНАНТРЕНІЗОХІНОЛІНУ
Важливе значення з цієї групи сполук мають алкалоїди папаверин, морфін і кодеїн, які широко використовують як лікарські засоби. Основне джерело добування зазначених алкалоїдів — опій, який має вигляд загустілого молочного соку незрілих головок маку (Рараоег зотпі/егит).
33.6.1. ПАПАВЕРИН
Алкалоїд папаверин [6,7-диметокси-1-(3',4'-диметокси-бензил)ізохінолін] уперше був виділений 1884 року з опію, а в 1910-му — одержаний синтетично.
Папаверин — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 147°С), нерозчинна у воді, розчиняється в гарячому етанолі і хлороформі.
У вигляді хлороводневої солі папаверин використовується в медицині як спазмолітичний і судинорозширювальний засіб.
33.6.2. МОРФІН
Алкалоїд морфін уперше виділений з опію 1804 року французьким фармацевтом Сегеном. Серед алкалоїдів він був відкритий першим. Молекула морфіну має складну будову. Над установленням структури морфіну працювали багато хіміків протягом більше ста років. Тільки 1925 року англійським хіміком-органіком Ро-бертом Робінсоном будову його молекули було встановлено.
АЛКАЛОЇДИ
617
{40 За хімічною структурою морфін є похідною фенан-
|і || тренізохіноліну. Частково гідровані ядра фенантрену
10 та ізохіноліну сполучені в молекулі морфіну таким чи-
О, ном’ що °ДИН шестичленний карбоцикл (III) спільний як
__он Д-™ Фенантренового, так і для ізохінолінового циклів.
Н 3 Морфін — безбарвна кристалічна речовина (т. пл.
НО' Г''7 254°С), малорозчинна у воді, в етанолі, у діетиловому
Н етері, хлороформі, бензені; оптично активна (обертає
площину поляризації вліво).
Молекула морфіну містить дві гідроксильні групи, які виявляють різні властивості. Гідроксильна група в положенні 3 є фенольною, тому що знаходиться в бензеновому ядрі, а гідроксильна група в положенні 6 зв’язана з частково гідрованим кільцем і тому є вторинною спиртовою. При атомі Нітрогену міститься метальна
група.
На відміну від більшості алкалоїдів, морфін виявляє не тільки основні, але
і слабкі кислотні властивості. З мінеральними кислотами він утворює солі по атому
Нітрогену, за участі фенольного гідроксилу — розчиняється в лугах. Аналогічно фенолу морфін із ферум(ІІІ) хлоридом утворює хелатний комплекс синього кольору.
У вигляді хлороводневої солі морфін використовують як знеболювальний засіб. При тривалому застосуванні швидко розвивається хвороблива пристрасть до нього — наркоманія. Ця властивість морфіну здебільшого обмежує його використання.
Діацетильна похідна морфіну — героїн — найбільш розповсюджений наркотик.
33.6.3. КОДЕЇН
За хімічною будовою кодеїн — це метиловий естер морфіну, утворений за участі фенольного гідроксилу.
Вміст кодеїну в опії невеликий (0,5—1 %), тому значну частину його виробництва здійснюють напівсинтетично — шляхом метилювання морфіну.
Кодеїн — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 154—157°С), гірка на смак, погано розчиняється у воді, добре — в етанолі, у діетиловому етері, оптично активна (обертає площину поляризації вліво).
На відміну від морфіну, кодеїн нерозчинний у лугах і не дає забарвлення з ферум(ІП) хлоридом. Незначна зміна структури молекули кодеїну порівняно з морфіном приво-
3 хг<:::Гх[і дить до зміни фармакологічної активності. Боле-
к. заспокійлива дія кодеїну в 6—7 разів слабша, ніж
д/ морфіну. Кодеїн, на відміну від морфіну, зменшує
І__збудливість кашльового центру, що дозволяє ви-
нИ N1 3 користовувати його в основному як протикаш-НО 'Ь^ льовий засіб. При тривалому вживанні кодеїн
Н викликає звикання.
Глава 33
618
33.7. АЛКАЛОЇДИ ГРУПИ ТРОПАНУ
Основу хімічної будови алкалоїдів цієї групи становить біциклічна система тропану, яка складається з піролідинового і піперидинового кілець, що мають спільний атом Нітрогену.
Алкалоїди групи тропану — це похідні аміноспиртів — тропіну і скопіну, а також гідроксикислоти — екгоніну.
тропін
скопін
СООН
>он
екгонін
Головні представники тропанових алкалоїдів — атропін, скополамін і кокаїн.
33.7.1. АТРОПІН
Алкалоїд атропін [тропіновий естер (±)-тропової кислоти] міститься в беладоні (Аігора Ьеііасіоппа), дурмані звичайному фаіига зігатопіит) тощо.
За хімічною структурою атропін — естер, утворений спиртом тропіном і троповою (0-гідрокси-а-феніл-пропіоновою) кислотою.
Тропова кислота містить асиметричний атом Карбону, тому існує у вигляді двох оптично активних ізомерів і Ь-) та оптично неактивної рацемічної форми. Атропін оптично неактивний, тому що в його молекулі спирт тропін естерифікований рацемічною троповою кислотою.
У рослинах містяться лише сліди атропіну. Основною ж формою, в якій знаходиться алкалоїд у рослинах, є гіосціамін — естер тропіну і лівообертаючого ізомеру тропової кислоти. При добуванні з рослин гіосціамін піддають рацемізації нагріванням до 114—116°С. У цих умовах лівообертаючий гіосціамін перетворюється в рацемат, тобто атропін. Атропін — одна з найсильніших отрут. У дуже малих дозах у вигляді сірчанокислої солі він використовується в медицині як * холінолітичний і спазмолітичний засоби. Крім того,
НО СН2— СН СООН атропін виявляє мідріатичний ефект, тобто здатність розширювати зіниці, що широко використовується | |І в практиці лікарів-окулістів для обстеження дна ока.
Атропін також уживається як протиотрута при отруєн-
нях ацетилхоліном і фосфорорганічними сполуками.
тропова кислота
33.7.2. СКОПОЛАМІН
Алкалоїд скополамін [скопіновьій естер (-)-тропової кислоти] міститься разом з атропіном і гіосціаміном у рослинах (беладоні, блекоті, дурмані). За хімічною
АЛКАЛОЇДИ
структурою він подібний до атропіну. Молекула являє собою естер, утворений аміноспиртом скопіном і троповою кислотою.
Скополамін нагадує атропін і за фармакологічною дією. Він теж належить до холінолітичних засобів, так само, як і атропін, здатний розширювати зіниці, але мідріатичний ефект скополаміну нетривалий. У медицині скополамін застосовується у вигляді бромоводневої солі.
33.7.3. КОКАЇН
Алкалоїд кокаїн (метиловий естер бензоїлекгоніну) міститься в листі чагарнику кока (ЕгуїИгохуІоп соса), який росте в Південній Америці. За хімічною структурою кокаїн — естер, утворений гідроксикислотою екго-ніном, метиловим спиртом та бензойною кислотою.
Кокаїн виявляє сильну місцевоанестезуючу дію. Однак через високу токсичність і здатність викликати кокаїнізм (наркоманію) його застосування обмежене. У вигляді хлороводневої солі кокаїн використовують
переважно як місцевоанестезуючий засіб в очній практиці, а також для місцевого знеболювання слизових оболонок порожнини рота, носа, горла, анестезії пульпи зуба.
33.8. АЛКАЛОЇДИ ГРУПИ ІНДОЛУ
Конденсована система індолу входить до складу багатьох алкалоїдів. Більшість алкалоїдів групи індолу містить два атоми Нітрогену, один із яких входить в ін-дольне ядро, а другий — знаходиться на відстані двох вуглець-вуглецевих зв’язків від а-положення індольного циклу. Найбільшу практичну цінність з цієї групи мають алкалоїди резерпін і стрихнін.
33.8.1. РЕЗЕРПІН
Алкалоїд резерпін міститься в коренях раувольфії зміїної (Каїтоі/іа зегрепіїпа), яка росте в Індії.
Резерпін — жовтуватий дрібнокристалічний порошок, малорозчинний у воді, етанолі і діетиловому етері, легкорозчинний у хлороформі та оцтовій кислоті. Резерпін має гіпотензивну дію і виявляє заспокійливу дію на центральну нервову систему. Використовується в медицині переважно для лікування гіпертонічної хвороби і психічних розладів.
Глава 33
620
33.8.2. СТРИХНІН
Алкалоїд стрихнін міститься в насінні тропічної рослини блювотного горіха (ЗігусИпоз пих сотіса). Він є складною конденсованою багатоядерною сполукою, що складається із семи кілець. З двох атомів Нітрогену в молекулі стрихніну основні властивості має тільки атом Нітрогену в положенні 19. За участю цього атома Нітрогену стрихнін утворює солі з кислотами. Атом Нітрогену в положенні 9 входить до складу лактамного кільця, яке під дією розчинів
лугів розмикається. 21 22/
Через наявність у структурі стрихніну подвійного зв’язку /С= С\ він здатний гідруватися, знебарвлювати бромну воду і калій перманганат. Стрихнін — дуже
отруйна речовина. У малих дозах він діє збудливо на центральну нервову систему, тонізує скелетну мускулатуру, м’яз серця, у великих дозах викликає судоми. У вигляді солі з нітратною кислотою використовується як тонізувальний засіб.
Глава 34
ВУГЛЕВОДИ
Термін «вуглеводи» запропонував 1844 року російський хімік Карл Генріхович Шмідт на підставі даних елементного складу перших представників цього класу сполук, тому що було встановлено, що їх молекули складаються з атомів Карбону, Гідрогену та Оксигену, причому співвідношення атомів Гідрогену та Оксигену таке ж, як і в молекулі води [Сх(Н2О)у].
Подальше вивчення будови цих сполук і відкриття речовин зі складом, який не відповідає зазначеній емпіричній формулі (метилпентоза, дезоксицукри), показали, що їх приналежність до «гідратів вуглецю» лише формальне, але умовна назва «вуглеводи» збереглася.
Вуглеводи (цукри, карбогідрати) — велика група природних і синтетичних сполук, що є за хімічною будовою полігідроксильними речовинами, які містять альдегідну чи кетонну групу або утворюють їх унаслідок гідролізу.
Вуглеводи (цукри) складають основну масу органічних речовин нашої планети. У рослинному та тваринному світі вони поширені переважно у вигляді різних похідних і значно рідше — у вільному стані. Вуглеводи, виконуючи різні життєво важливі функції, є вихідним матеріалом для біосинтезу багатьох органічних сполук живих організмів.
У природі вуглеводи утворюються в результаті фотосинтезу, здійснюваного рослинами за участі карбон(ІУ) оксиду, води і пігментів (хлорофіл тощо), які поглинають сонячні промені.
Для рослин одні види вуглеводів — це будівельний матеріал, який виконує опорну функцію (целюлоза), інші — джерело резервної енергії (крохмаль, інулін). Для людини і тварин вуглеводи є продуктами харчування з високою енергетичною цінністю. В організмі крохмаль, дисахариди, а в деяких випадках і целюлоза під впливом ферментів розкладаються з утворенням переважно глюкози, яка окиснюється в тканинах до карбон(ІУ) оксиду і води з виділенням енергії. Надлишок глюкози перетворюється в глікоген, який запасається в печінці і м’язах. Глікоген забезпечує організм глюкозою при виконанні фізичних навантажень, а також при нестачі або відсутності їжі. Вуглеводи входять до складу гліколіпідів, глікопроте-їців, нуклеотидів, нуклеозидів і нуклеїнових кислот, що становлять, як відомо, основу живої матерії.
Вуглеводи необхідні як сировинна база для текстильної, целюлозно-паперової, харчової, деревообробної та інших галузей промисловості.
Вуглеводи поділяють на прості і складні залежно від кількості моносахаридних одиниць, зв’язаних у молекулу.
Прості вуглеводи, або моносахариди (монози), не здатні гідролізуватися. Складні вуглеводи при гідролізі утворюють моносахариди. Складні вуглеводи, у свою чергу, хоча й умовно, поділяють на олігосахариди, що утворюють при гідролізі від двох до
Глава 34
622
десяти молекул моносахаридів, і полісахариди (поліози), які гідролізуються з утворенням більше десяти молекул моносахаридів.
Карл Генріхович (Карл Брнст Генріх) ШМІДТ (1822—1894)
34.1. МОНОСАХАРИДИ
Моносахариди (монози) — полігідроксильні сполуки, які містять альдегідну або кетонну групи.
Моносахариди, за винятком глюкози і фруктози, рідко зустрічаються в природі у вільному стані. В основному вони входять до складу оліго- і полісахаридів, глікозидів, гліколіпідів, нуклеозидів та інших високомо-лекулярних сполук.
Російський хімік. Освіту отримав у Берлінському, Гісенському і Гет-тінгенському університетах. Доктор філософії (1844). Основні наукові дослідження проводив у галузі аналітичної, органічної хімії і фізіології. Запропонував (1844) термін «вуглеводи». Відкрив у шлунковому соку «вільну» хлоридну кислоту, у крові — сечовину і виноградний цукор.
34.1.1. КЛАСИФІКАЦІЯ. НОМЕНКЛАТУРА
Моносахариди класифікують, зважаючи на дві ознаки — характер оксогрупи (альдегідна або кетонна) і довжини вуглецевого ланцюга.
Залежно від наявності в структурі моносахаридів альдегідної або кетонної групи їх
поділяють на альдози і кетози. За кількістю атомів Карбону в молекулі моносахариди класифікують на триози (С3), тетрози (С4), пентози (С5), гексози (С6) і т. д. Моносахариди, до складу яких входить більше шести атомів Карбону, називають вищими цукрами. Більшість природних моносахаридів є пентозами і гексозами. Зазвичай при класифікації зважають одночасно на обидві класифікаційні ознаки
(альдопентоза, альдогексоза, кетопентоза, кетогексоза).
н> >с н\ ‘С 1СН9ОН 1 2
2СНОН 2СНОН 2С=О
Зснон Зснон Зснон
4СНОН 4СНОН 4СНОН
5сн2он 5СНОН 5СНОН
6СН2ОН 6СН2ОН
альдопентоза
альдогексоза
кетогексоза
У назвах моносахаридів, як правило, використують тривіальну номенклатуру. Усі тривіальні назви мають суфікс -оза — глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза тощо. Номенклатуру ІГРАС у назві вуглеводів практично не застосовують.
ВУГЛЕВОДИ
623
34.1.2. СТЕРЕОІЗОМЕРІЯ
Молекули моносахаридів містять кілька асиметричних атомів Карбону і тому існують у вигляді різних просторових ізомерів. Альдопентоза має три асиметричних атоми Карбону, а отже, одній і тій ж структурній формулі відповідає вісім стереоізомерів (23), альдогексоза містить чотири асиметричних атоми Карбону і може існувати у вигляді 16 стереоізомерів (24) (її = 2п, де п — кількість асиметричних атомів Карбону).
Для зображення стереоізомерів на площині використовують проекційні формули Фішера (див. с. 71).
Ізомери моносахаридів підрозділяють на £>- і ^-стереохімічні ряди, приналежність до яких визначається за конфігурацією асиметричного атома Карбону, максимально віддаленого від карбонільної групи (для пентоз — С-4, для гексоз — С-5). Якщо конфігурація цього хірального атома Карбону співпадає з конфігурацією Р-гліцеринового альдегіду, то моносахарид відносять до Р-ряду, якщо ж з конфігурацією //-гліцеринового альдегіду — то до £-ряду:
Еміль Герман ФІШЕР (1852-1919)
Німецький хімік-органік. Наукові прані присвячені хімії вуглеводів, білків, пуринових сполук. Відкрив реакцію утворення озазонів (1884). Запропонував (1890) класифікацію і номенклатуру вуглеводів. Синтезував (1890) манозу, глюкозу і фруктозу. Уперше синтезував (1893) а- і р-глюкозиди, а також застосував ферменти в органічному синтезі. Поклав початок (1902) синтезам поліпептидів і одержав перший чистий дипептид.
Лауреат Нобелівської премії (1902). Німецьке хімічне товариство заснувало (1912) медаль Еміля Фішера за видатні досягнення в галузі органічної хімії.
Н—|—ОН СН2ОН Р-гліцериновий альдегід
но—н
СН2ОН
£-гліцериновий альдегід
н-2 —он
но— —н
н— —он
—он
СН2ОН
£>-глюкоза
*сн2он 2с=о
но 4-н
н- ——он
н- -—он
сн2он
Л-фруктоза
н——он но——н но——н
5
сн2он
но н но
’сн,он 4=0
н он н
СН2ОН
£-арабіноза
£-сорбоза
Так, з 16 стереоізомерів альдогексози вісім належать до Р-ряду, а вісім — до £-ряду. Представники Р-ряду є оптичними антиподами £-ряду, тобто альдогексоза існує у вигляді восьми пар енантіомерів. Р-Глюкоза і £-глюкоза — енантіомери
Глава 34
624
н— —он
но— —н
н— —он
н— —он
СН2ОН
2)-глюкоза
но— —н
н— —он
но— —н
но— —н
СН2ОН
2,-глюкоза
Більшість природних моносахаридів належать до Л-ряду.
Найважливіші представники природних моносахаридів'.
н ( Ш уД \ -х V ПЦ 14 г V 5 О с с д 1 / он
Н ц ип н 014 140 <711 11 тт 140 он тт
Н 14 ОН НО 014 14 11 1 Ю ош шо н 14
н ( цл П ( л-1 /° тт ЗН2ОН жбоза н ( тт ( Л-к /° :н2он :силоза н ( ( £-ар /° он Н :н2он іабіноза ( ( :н2он 2=0 тт
по ТІЛ 11 11 ц шо ии її тт 140 Огі X.
НО тт 11 11О ОН 14 н і їй он но 11 1ІО тт ш н он
Н н ОН Н он н Огі НО он 14 Н Н ОН Н ОН он
П ( 2)-к Огі П :н2он с іаноза й-г] ОП П :н2он с іюкоза 2)-га ОГІ ГІ :н2он с лактоза 2) ОН :н2он -фруктоза
Просторові ізомери моносахаридів, які відрізняються конфігурацією одного або кількох атомів Карбону і не с дзеркальними ізомерами (енантіомерами), називаються діастереомерами. Так, Л-глюкоза і Л-галактоза, Л-маноза і Л-глюкоза, Л-маноза і Л-галактоза складають пари діастереомерів.
Діастереомери, іцо розрізняються конфігурацією тільки одного асиметричного атома Карбону, називаються епімерами. Наприклад, Л-глюкоза і Л-галактоза, а також Л-глюкоза і Л-маноза складають пари епімерів. Таким чином, епімерія є окремим випадком діастереомери’.
Найважливішою властивістю речовин, молекули яких мають асиметричний атом Карбону або асиметричні в цілому, є їх здатність обертати площину поляризованого променя світла. Моносахариди виявляють оптичну активність. Обертання площини поляризованого світла вправо позначають знаком (+), а вліво — знаком (-). Однак слід пам ’ятати, що напрям обертання визначається експериментально і зовсім не пов’язаний з конфігурацією, тобто належністю до Л- або Т-ряду. Так, форма Л-глюкози, яка зустрічається в природі, правообертаюча, а природна форма Л-фруктози — лівообертаюча.
ВУГЛЕВОДИ
625
34.1.3. БУДОВА МОНОСАХАРИДІВ
Тривалий час у науці панувала думка, що моносахариди — це сполуки з відкритим вуглецевим ланцюгом і містять у своєму складі альдегідну або кетонну групу та кілька спиртових гідроксилів. Однак при більш глибокому вивченні їх будови було встановлено, що деякі властивості моносахаридів не узгоджуються з цими твердженнями. Так, виявилося, що моносахариди, будучи альдегідами, не дають деяких характерних реакцій на альдегідну групу. Зокрема, вони не утворюють за звичайних умов гідросульфітні похідні, не дають забарвлення з фуксинсульфіт-ною кислотою. При нагріванні моносахаридів зі спиртами в присутності сухого хлороводню в реакцію вступає лише одна гідроксильна група вуглеводу, хоча, виходячи з лінійної структури, за цих умов має утворитися сполука типу етеру по всіх гідроксильних групах. Не мало пояснення характерне для моносахаридів явище мутаротації (аїі\ лат. таю — змінюю, гоіаііо — обертання) — зміна величини оптичного обертання свіжоприготованих розчинів. На пояснення цих фактів російський хімік Олександр Андрійович Коллі (1870), а пізніше — німецький хімік Бернгард Христіан Толленс (1883) висловили припущення про циклічну будову моносахаридів.
Як відомо, альдегіди реагують зі спиртами з утворенням напівацеталей (див. с. 380).
К—С + кон хн
к—с—ок
н
напівацеталь
О Моносахариди, будучи полігідроксиальдегідами або полігідроксикето-нами, утворюють циклічні напівацеталі внаслідок внутрішньомолекуляр-и ної взаємодії карбонільної і просторово зближеної з нею спиртової груп, г-піран Причому, за теорією напруження циклів, найбільш сприятлива взаємодія, якщо приводить до утворення п’яти- або шестичленних циклів. При взаємодії оксогрупи з гідроксильною групою при С-5 альдогексоз або при С-6 кетогексоз утворюється піранозний шестичленний цикл (від назви шестичленного гетероциклу піран + суфікс -оза).
р -/Хглюкопіраноза
Р-глюкоза
а -Р-глюкопіраноза
Глава 34
626
р-О-фруктопіраноза Д-фруктоза а-2)-фруктопіраноза
При взаємодії оксогрупи з гідроксильною групою при С-4 альдогексоз або С-5 кетогексоз утворюється фуранозний п’ятичленний цикл (від назви п’ятичленного гетероциклу фуран + суфікс -оза).
СН2ОН
СН2ОН СН2ОН
Р -2)-глюкофураноза
Р-глюкоза
а -Р-глюкофураноза
Р -Р-фрукгофураноза
Р-фрукгоза
а -Р-фрукгофураноза
Внутрішньомолекулярне утворення напівацеталю приводить до того, що атом Карбону карбонільної групи перетворюється на асиметричний. Цей новий хіраль-ний центр називають аномерним, а відповідні йому два нові стереоізомери — а-і ^-аномерами. Гідроксильну групу, утворену в процесі циклізації моносахариду при аномерному центрі, називають напівацетальною, або глікозидною.
ВУГЛЕВОДИ
627
Аномери — діастереомери, які відрізняються конфігурацією аномерного атома Карбону.
Олександр Андрійович КОЛЛІ (1840-1916)
Російський хімік-органік. Закін-
В а-аномері розташування напівацеталь-ного гідроксилу таке ж саме, як і гідроксилу «кінцевого» хірального центру (асиметричного атома Карбону, що визначає належність до Б- або Ь-ряду). Тому в проекційних фор-
чив Московський університет. Уперше встановив (1869—1870) будову глюкози і здійснив синтез дисахаридів з моносахаридів. Вивчав процеси бродіння сахаридів.
мулах моносахаридів Р-ряду глікозидний гідроксил у а-аномеру розташований справа від вертикальної лінії вуглецевого ланцюга, а в Р-аномері — зліва.
Наведені вище зображення циклічних форм моносахаридів називаються формулами Коалі— Толленса. Проте вони громіздкі і незручні. Циклічну будову моносахаридів зручніше зображувати за допомогою перспективних формул Хеуорса (1929 р.). Було запропоновано зображувати циклічні форми моносахаридів у вигляді плоских багатокутників, розташованих перпендикулярно до площини рисунка. Хімічні
зв’язки циклу, що знаходяться над площиною, зображують жирними лініями, а зв’язки, розташовані за площиною,— звичайними лініями. Атом Оксигену в циклі розташовується за площиною рисунка, причому в піранозному циклі — у правому верхньому куті, у фуранозному — угорі. Символи атомів Карбону в циклі
зазвичай опускаються.
піранозний цикл
фуранозний цикл
Для переходу від проекцій Фішера, а також формул Коллі—Толленса до перспективних формул Хеуорса враховують таке:
1. Замісники, розміщені ліворуч від вуглецевого ланцюга, зображуються у формулі Хеуорса над площиною циклу, а замісники, розташовані праворуч,— під площиною. У а-аномері моносахаридів /)-ряду напівацетальний гідроксил перебуває під площиною циклу (у транс-положенні відносно групи —СН2ОН), а в р-аномері — над площиною.
2. В альдогексоз 2)-ряду в піранозній формі група —СН2ОН, а у фуранозній — фрагмент —СН(ОН)СН2ОН розташовуються над площиною циклу.
а -Р-глюкопіраноза
р -Р-глюкопіраноза
Глава 34
628
Слід звернути увагу на той факт, що в наведених перспективних формулах атом Гідрогену при п’ятому атомі Карбону піранозного циклу розташований під площиною, хоча в проекційній формулі Фішера знаходиться ліворуч від вуглецевого скелета. Це пояснюється тим, що для утворення кисневого містка необхідний поворот фрагмента молекули навколо валентної осі зв’язку С-4—С-5. Унаслідок такого повороту гідроксильна група при С-5 наближається до групи —СНО, і відбувається замикання циклу.
2ОН
Н.О. он
ОН
Р -1)-глюкофураноза
н
Н
Аналогічно зображуються за допомогою формул Хеуорса піранозні і фуранозні форми кетогексоз.
глікозидний гідроксил
а-£>-фруктопіраноза
р -2)-фруктофураноза
ВУГЛЕВОДИ
629
При зображенні рацемічної форми а-і р-аномерів у формулі Хеуорса символ атома Гідрогену при аномерному атомі Карбону опускають, а розташування гідроксильної групи позначають хвилястою лінією.
сн.он
н он
Уолтер Норман ХЕУОРС (ГЕВОРТ, ХЕВОРТ) (1883-1950)
Англійський хімік-органік. Основні
Л-глюкопіраноза
Таутомерія. Моносахариди — таутомерні речовини. У кристалічному стані вони мають циклічну будову. Так, Р-глюкоза, здобута дроб-ною кристалізацією з етилового спирту або
води, перебуває у формі а-Л-глюкопіранози. У водному розчині циклічна форма під дією розчинника перетворюється через відкриту оксоформу на інші циклічні форми — пі-ранозні та фуранозні з а- і р-конфігурацією аномерного центру. Таким чином, у водному розчині моносахариди існують у вигляді п’яти таутомерних форм — відкритої, а-та Р-піранозних і а- та р-фуранозних.
дослідження присвячені хімії вуглеводів. Запропонував (1915) новий спосіб одержання метилових етерів цукрів. Довів переважне існування піранозних форм моносахаридів. Удосконалював номенклатуру цукрів. Запропонував перспективні формули вуглеводів (формули Хеуорса). Вивчав будову вітаміну С і здійснив його перший хімічний синтез (1933).
Н ОН а -Л-глюкофураноза
СН2ОН
р -Л-глюкофураноза
Н——он
но——н н——он н——он
”сн2он
Л-глюкоза
н он а - Л-глюкопіраноза
Лауреат Нобелівської премії (1937).
сн.он
н он
р - Л-глюкопіраноза
Такий вид таутомерії називається кільчасто-ланцюговою, або цикло-оксо-таутомерією.
Перехід однієї форми в іншу відбувається безперервно. Через певний час у розчині встановлюється рухома (динамічна) рівновага, за якої кількість усіх форм залишається сталою. У рівноважній суміші таутомерів альдогексоз переважають
Глава 34
630
піранозні форми. Рівноважна система £>-глюкози складається з р-2)-глюкопіранози (~ 64%) і а-7)-глюкопіранози (~ 36%). Відкрита форма присутня в малих кількостях (~ 0,024%), однак цього достатньо для перебігу хімічних реакцій за участі карбонільної групи.
Аналогічні таутомерні перетворення відбуваються у водних розчинах кетоз.
Схема цикло-оксо-таутомерії 1>-фруктози:
а -Р-фруктофураноза
р -Р-фруктофураноза
’СН2ОН 2с=о но——н н——он н——он
СН2ОН
Р-фруктоза
р -Р-фруктопіраноза
У рівноважній системі таутомерів 1>-фруктози переважають фуранозні форми.
Здатність моносахаридів до циоо-оксо-таутомерії пояснює виявлене задовго до встановлення їх будови явище мутаротації.
Мутаротація — спонтанна зміна величини оптичного обертання свіжопригото-ваних розчинів оптично активних сполук.
У свіжоприготованому водному розчині глюкози спостерігається зменшення кута оптичного обертання з +112,2° до встановлення сталого значення +52,5°. Хімічною основою цього процесу є чиоо-оксо-таутомерія. Як відомо, кристалічна глюкоза — це а-І>-глюкопіраноза, що має питоме обертання [а]р° = +112,2°. При розчиненні у воді ця форма через альдегідну перетворюється в інші таутомерні форми, між якими досягається стан рівноваги. У рівноважній системі перебувають усі п’ять таутомерних форм, але переважає Р-И-глюкопіраноза, що має [а]д = +18,7°. Зовнішнім виявленням цього процесу є поступове зменшення кута обертання до встановлення сталої величини +52,5°, характерної для рівноважної суміші таутомерів.
Конформації моносахаридів. Фуранозні форми моносахаридів мають практично плоску просторову будову, а отже, замісники в п’ятичленному циклі змушені знаходитися в нестабільній заслоненій конформації.
Для піранозних циклів найвигіднішою формою, що відповідає мінімуму енергії, є форма «крісло», в якій замісники знаходяться в конформації, близькій до загальмованої. Тому фуранозні форми моносахаридів термодинамічно менш вигідні, ніж піранозні.
Слід зазначити, що з двох можливих типів конформації «крісло» піранозних форм С4 і 4С]* 1 більш стійкою є та, в якої максимальна кількість об’ємних за-
1 Цифри в верхніх і нижніх індексах указують на номера атомів Карбону, які знаходяться в верхніх
і нижніх положеннях конформації «крісло».
ВУГЛЕВОДИ
631
місників (група —ОН і особливо —СН2ОН) перебуває в екваторіальних положеннях.
Для більшості альдогексоз 2)-ряду більш вигідне «крісло» 4С
0 -2)-галактопіраноза а -17-манопіраноза
Для переходу від формули Хеуорса піранозного циклу до конформації «крісло» 4С, зображують фігуру крісла з атомом Оксигену, в якій атом С-4 перебуває у верхньому, а атом С-1 — у нижньому положеннях. Глікозидний гідроксил в а-аномері розташовують аксіально і в Р-аномері — екваторіально. Решту замісників переносять з урахуванням їх цис- або /иранс-положення у формулі Хеуорса відносно глікозидного гідроксилу:
0 - Л-манопіраноза (формула Хеуорса)
0 -Л-манопіраноза (конформація «крісло» 4Сі)
Глава 34
632
34.1.4. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Вуглеводи дуже поширені в природі. Вони утворюються в зелених частинах рослин з карбон(ІУ) оксиду і води в процесі фотосинтезу.
«СО, + иН2О > С„Н. О, + «О,
2 2 хлорофіл п 1п п 2
Найважливішим способом добування моносахаридів є кислотний гідроліз природних ди- і полісахаридів. Р-Глюкозу добувають гідролізом крохмалю, суміш Р-глюкози з Р-фруктозою — гідролізом сахарози і т. д.
Синтетичні методи застосовують переважно для добування малодоступних моносахаридів. У більшості випадків ці методи Грунтуються на перетворенні моносахаридів, які легко виділяються з природних джерел (Р-глюкоза, Р-галактоза, Р-маноза тощо) в інші моносахариди шляхом скорочення або подовження вугле
цевого ланцюга.
Деградація (розщеплення) за Руффом. Це один із класичних методів скорочення вуглецевого ланцюга, побудований на окисненні моносахаридів:
И\ ( Н(\ с Н(\ С н. /р
н— — ОН н- —он ( :=о (
но— _н Вг2 (Н2О) _ но- — Н НА но- — —н . но- —н
н— — ОН н- —он н- —он -со2 * н- —он
н— —он н- —он н- —он н- —он
( ЗН2ОН ( 2Н,ОН ( ЗН2ОН ( :н2он
2)-глюкоза 2)-глюконова кислота 2-кето-1)-глюконова кислота 1)-арабіноза
Спочатку моносахарид окиснюють у м’яких умовах до альдонової кислоти. Далі продукт окиснюють гідроген пероксидом у присутності солей Феруму(ІІІ) до 2-кетоальдонової кислоти, яка внаслідок декарбоксилювання перетворюється на моносахарид, що містить на один атом Карбону менше, ніж вихідний.
Ціангідриновий синтез. Суть методу полягає в приєднанні ціановодню по подвійному зв’язку карбонільної групи альдози з подальшим гідролізом гідроксині-трилу, що утворився, до гідроксикислоти. Через стадію лактонізації і відновлення гідроксикислота перетворюється в альдозу, що містить на один атом Карбону
більше, ніж вихідна. НА Ч-г с=и сн—он %г/он Ч-г сн—он % н. V0 1 сн—он
сн—он
сн—он сн—он сн—он СН—ОН( ) сн—он
сн—он НС1% сн—он 1 сн—он сн—он нонг СН-ОН _ -мщ СН—ОН" сн—он ,1'о> сн _Ш1 сн—он ► 1 сн—он
сн—он сн—он сн—ОН сн—он сн—он 1
сн—он сн—он сн—он сн—он сн—он
альдогексоза гідроксинітрил гідроксикислота лактон альдогептоза
ВУГЛЕВОДИ -------------------------------------------------------------- оЗл
Ціангідриновий синтез дозволяє нарощувати вуглецевий ланцюг і застосовується для добування вищих альдоз із нижчих.
34.1.5. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Моносахариди — тверді гігроскопічні речовини, легкорозчинні у воді, важкорозчинні в етанолі і практично нерозчинні в діетиловому етері, у бензені, діоксані. Значна частина моносахаридів — це кристалічні речовини. Водні розчини моносахаридів переважно солодкі на смак і мають нейтральну реакцію. У розчинах молекули моносахаридів сильно сольватовані, що приводить до утворення в’язких «сиропів», з яких процес кристалізації значною мірою уповільнюється.
Це пояснюється, з одного боку, повільним утворенням центрів кристалізації через утруднення орієнтації молекул моносахаридів у в’язких розчинах, а з іншого боку, установленням таутомерної рівноваги з низькою концентрацією таутомера, найбільш схильного до кристалізації.
Кристали багатьох моносахаридів складаються з молекул у піранозній формі. Розчини моносахаридів оптично активні.
34.1.6. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Будучи полігідроксикарбонільними сполуками, моносахариди виявляють хімічні властивості карбонільних сполук, багатоатомних спиртів, а також циклічних напівацеталів.
Хімічні перетворення в ряду моносахаридів можна умовно поділити на дві групи: реакції за участі відкритих форм моносахаридів і реакції за участі циклічних форм.
РЕАКЦІЇ ЗА УЧАСТІ ВІДКРИТИХ ФОРМ
Відновлення. При відновленні моносахаридів воднем у присутності каталізатора (Мі, Реї), натрій борогідридом або натрій амальгамою в розведеній сульфатній кислоті утворюються багатоатомні спирти. З Р-ксилози добувають спирт Р-ксиліт, з Р-глюкози — Р-сорбіт, з Р-манози — Р-маніт і т. д.
Н\
И\ ( сн2он с ( н— :н2он —он
н— —он
н— —он н—он но— — Н [Н] но— —н
но— —н но н н— —он н— —он
н— —он н он н— —он н— —он
СН2ОН сн2он ( ЗН2ОН ( :н2он
Л-ксилоза Л-ксиліт 17-глюкоза 2)-сорбіт
Р-Ксиліт і Р-сорбіт — кристалічні речовини, солодкі на смак, використовуються при цукровому діабеті як замінники цукру. Р-Сорбіт — проміжний продукт у промисловому синтезі аскорбінової кислоти з Р-глюкози. При відновленні Р-фруктози утворюється еквімолекулярна суміш Р-сорбіту та Р-маніту, що пов’язано з перетворенням карбонільної групи при С-2 в асиметричний центр.
Глава 34
634
( ( ІДО :н2он ( :=о н- І_Г Г НІ МО :н2он с —он но— тт тто :н2он —н ТІ
пи ід її іпі МО ОТІ ТІ 11 1111 ОТІ ТІ м ОТІ
м ТІ ип м ОТІ м Огі 11 ПЦ ТІ ОМ ОТІ
м ( Л-І ОМ М :н2он с фруктоза Б Огі 11 :н2он ( ►-сорбіт 1 ОМ :н2он 2-маніт
Окиснення. Моносахариди легко окиснюються, але залежно від природи окисника та умов окиснення утворюються різні продукти. У кислому та нейтральному середовищах окиснення проходить без руйнування вуглецевого ланцюга молекули, у лужному середовищі переважно супроводжується розщепленням вуглецевого скелета.
Окиснення в кислому та нейтральному середовищах. При використанні слабких окисників (бромної води або розведеної нітратної кислоти) альдози окиснюються з утворенням одноосновних поліоксикислот, які отримали загальну назву «альдо-нові кислоти». Р-Глюкоза за цих умов дає Р-глюконову кислоту, Р-галактоза — Р-галакгонову кислоту і т. д.
н— —он
но— —н
н— —он
н— —он
СН2ОН
Л- глюкоза
Вг2(Н2О)
но. о
н— —он
но— —н
н— —он
н— —он
( :н2он
2)-глюконова кислота
Кальцієва сіль Р-глюконової кислоти — кальцій глюконат — використовується в медицині при алергійних захворюваннях, шлункових, кишкових, легеневих, маткових і носових кровотечах, різних захворюваннях шкіри, токсичних ураженнях печінки тощо.
( :оо Са2+
н— —он
но— —н
• Н0О
н— —он 2
н— —он
( :н2он о
2
кальцій глюконат
Кетози бромною водою не окиснюються.
Сильні окисники (концентрована НЬЮ3) окиснюють у молекулі альдоз альдегідну і первинну спиртову групи з утворенням дикарбонових оксикислот, які отримали загальну назву «альдарові», або «цукрові кислоти». Так, Р-глюкоза окис-
ВУГЛЕВОДИ
635
нюється до 2)-глюкарової кислоти, 2)-маноза — до І)-манарової, Ц-галактоза — до 1>-галактарової (слизової) кислоти:
н\ /£>
/ ( 2ООН
н— —он н— — ОН
но— — н НЬЮ3 (конц.) но — — Н
н— —он н— — ОН
н— —он н— —он
( :н2он < :оон
1)-глюкоза Л-глюкарова кислота;
2)-цукрова кислота
При окисненні кетоз за аналогічних умов відбувається розрив вуглецевого ланцюга за місцем карбонільної групи з утворенням дикарбонової кислоти.
:н,он
( :=о
но— —н
н— —он
н— —он
( :н2он
1)-фруктоза
НКО3 (конц.)
-СО2; —Н2О
соон
но— —н
н— —он
н— —он
с :оон
2)-арабінарова кислота
При селективному окисненні в молекулі альдози первинної спиртової групи без участі дуже схильної до окиснення альдегідної групи утворюються уронові кислоти. Окисненню в таких випадках піддають моносахариди з захищеною альдегідною групою, наприклад глікозиди:
Л-глюкуронова кислота
Глава 34
636
Уронові кислоти дуже поширені в природі. Вони входять до складу багатьох полісахаридів. Поряд з ©-глюкуроновою кислотою широко представлені ©-галактуронова, ©-мануронова і ©-ідуронова кислоти.
СООН
Н ОН 2)-галактуронова кислота
.©-Галактуронова кислота — компонент пектину фруктів, ©-мануронова кислота міститься в різних морських водоростях, ©-глюкуронова і ©-ідуронова кислоти входять до складу гепарину та інших полісахаридів.
Уронові кислоти беруть участь у процесі виведення з організму токсичних речовин.
Окиснення в лужному середовищі. Подібно до альдегідів, моносахариди окиснюються амоніачним розчином аргентум оксиду (реактив Толленса) і купрум(ІІ) гідроксидом у лужному розчині або з реактивом Фелінга (див. с. 388). У реакції вступають як альдози, так і кетози, тому що в лужному середовищі кетози ізоме-руються в альдози (див. епімеризація). З реактивом Толленса здійснюється реакція «срібного дзеркала». З купрум(П) гідроксидом у лужному розчині і реактивом Фелінга утворюються осад купрум(І) оксид цегляно-червоного кольору. Моносахариди при окисненні в лужному середовищі розщеплюються до утворення суміші продуктів окиснення. Ці реакції є якісними на альдози і кетози.
/7°
К-С + [А&(МН3)2|ОН — А8І + "’“Хнн«
н
альдоза реактив Толленса
.о
п гУ , 2+ . , ___, продукти
К-С + Си (комплекс) —► Си2ОІ + окиснення Н реактив Фелінга
Перетворення моносахаридів під дією лугів (епімеризація). У розведених розчинах лугів при кімнатній температурі моносахариди піддаються ізомеризації з утворенням рівноважної суміші моноз, які розрізняються конфігурацією атомів Карбону С-1 і С-2. Так, ©-глюкоза, витримана в розчині натрій гідроксиду (8 • 10-3) при 35°С упродовж 4 діб, перетворюється в суміш, яка складається з ©-фруктози (~ 28%), ©-манози (~ 3%) і ©-глюкози (~ 69%). Аналогічна ізомеризація спостерігається в кетоз (фруктози).
Ізомерні перетворення моносахаридів під дією лугів називають епімеризацією і приводять до утворення епімерів.
Як відзначалося раніше (див. с. 624), епімерами називають діастереоізомери, що відрізняються конфігурацією тільки одного з декількох хіральних центрів (наприклад, ©-глюкоза і ©-маноза, ©-ксилоза і ©-рибоза тощо).
Взаємоперетворення в слабколужному середовищі проходить через ендіольну форму, яка утворюється в результаті міграції протона від а-атома Карбону до карбонільної групи.
ВУГЛЕВОДИ
637
11 - £
н— —он
но— —н
н— —он
н— —он
СН2ОН
Л-глюкоза
н. .£о—н8+
► с но
н н
-о—н5+ н он он
И\ Ю
(
но— —н
но— —н
н— —он
н— —он
( 2Н,ОН
Л-маноза
СН2ОН
ендіольна форма
СН2ОН с=о но—н н—он н—он сн2он 2)-фруктоза
а
При зворотному перетворенні ендіольної форми в карбонільну утворюється суміш трьох моносахаридів.
Утворення озазонів. При нагріванні моносахаридів з фенілгідразином у молярному співвідношенні 1:3 утворюються 5/с-фенілгідразони, які отримали назву
«озазони».
Н\ ( У’ НС=М—N1-1 — С6Н5
н— —он С=ТЧ—N4—С6Н5
но— — н 3 Н2М—1ЧН—С6Н5; / но—Н
н— — ОН -Н2ІЧ-С6Н5; -ЦН3; -2Н20* н ОН
н— — ОН Н ОН
СН2ОН 17-глюкоза сн2он озазон
Механізм реакції. Утворення озазонів проходить у кілька стадій. Спочатку молекула моносахариду реагує з однією молекулою фенілгідразину, утворюючи фенілгідразон, який унаслідок внутрішньомолекулярної окисно-відновної реакції піддається перегрупуванню в моноімін 1,2-дикарбонільної сполуки. Потім моно-імін при взаємодії з двома молекулами фенілгідразину перетворюється в озазон.
нчг° н—он НО Н н2м—ічн—с6н5 г Н ОН ~н2о Н—|—ОН н\ с6н5 нс5 ^Н-С6Н5 Н—|— ОН с^о>н но Н ► но Н Н ОН — н он Н ОН н ОН н/ '
СН2ОН
Л-глюкоза
сн2он сн2он
фенілгідразон 2)-глюкози енгідразин
Глава 34
638
НС=МН
С=О
но— — н 2 Н2М—МН—С6Н5
АЦ Н\ *
ті -Н?О; -Н-^М НХ
п тт ОН пп
ГІ ОН
нс=м—мн— с.н,
। О 2)
С=ТЧ—ЬІН—он, о з
но— —н
н— —он
н— —он
СН2ОН
озазон
СН2ОН
моноімін 2-кетоальдегіду
Озазони — кристалічні речовини жовтого кольору, нерозчинні у воді. /)-Глюкоза, Д-маноза і Р-фруктоза дають один і той ж озазон. Під дією хлоридної кислоти або при нагріванні з бензальдегідом озазони легко відщеплюють дві молекули фе-нілгідразину, утворюючи відповідні озони (кетоальдегіди). При відновленні озонів натрій амальгамою в слабкокислих розчинах утворюються кетози.
НС=М—МН— С,Н, । V и
с=и—МН—с6н5
нс=о 1 :н2он :=о
с=о
но- —н ж НО —н
н- —он * н— —он
н- —он н— —он
СН2ОН СН2ОН
озон Л-фруктоза
но— —н 2 С6Н5—СН=О
н— —он -2 С6Н5—СН=М—МН—С6Н5
н— —он
СН2ОН
озазон глюкози
Таким чином, реакція моносахаридів з фенілгідразином дозволяє здійснити перехід від альдоз через озазони та озони до кетоз.
Взаємодія з гідроксиламіном. Альдози легко вступають у реакцію з гідроксил-аміном, утворюючи оксими. У присутності водовіднімаючих засобів оксими можуть бути перетворені у відповідні оксинітрили, що під дією іонів Аргентуму відщеплюють НСМ і утворюють оксиальдегіди, які містять на один атом Карбону менше, ніж у вихідній альдозі. За допомогою цих реакцій можна здійснити перехід від вищих альдоз до нижчих.
Н\ ( тт /° глтт н ( тт /н-°н пті тт ( з=м СН-1 нх
Н тт/л Оп ТТ н N—ОН н ТІҐЛ он тт Н ТТҐЛ- он Ті АеОН 14 п- ті
но Н Н2^ ОКГ —Н2О НО Н НО Н пц —А§СМ; НО П
тт ті “ ЩО тт ті- ОН
н тт ОН 2 ГАТТ Н тт ОН 2 ЛЛТІ н ТІ- -Н2О ПМ ГІ тт_ КУ п 014
н ОН Н ОН н ОН п
СН2ОН СН2ОН СН2ОН СН2ОН
Б- глюкоза ОКСИМ оксинітрил Л-арабіноза
Внутрішньомолекулярна дегідратація. Пентози при нагріванні з мінеральними кислотами (НСІ, Н28О4) піддаються внутрішньомолекулярній дегідратації з утворенням фурфуролу, а гексози — 5-гідроксиметилфурфуролу:
ВУГЛЕВОДИ
639
НО. ,ОН
сн—не
Н. / \ /Н
/С с' .р
н ОН НО с\
альдопентоза Н
НС1; і
-------►
-зн,о
фурфурол
НО^
/ОН сн—не
Н. / \ /Н
С\ о нон2с хон но7 < альдогексоза Н
НС1; І -------►
-зн2о
5-гідроксиметилфурфурол
Реакція дозволяє відрізнити гексози від пентоз. Фурфурол дає червоне забарвлення з аніліном у присутності хлоридної кислоти {якісна реакція на пентози).
5-Гідроксиметилфурфурол утворює червоне забарвлення з резорцином {реакція Селіванова на фруктозу).
РЕАКЦІЇ ЗА УЧАСТІ ЦИКЛІЧНИХ ФОРМ
Утворення глікозидів. Моносахариди, будучи циклічними напівацеталями, реагують у присутності кислотного каталізатора зі спиртами та фенолами. Реакція перебігає за участі напівацетальної гідроксильної групи і приводить до утворення циклічних ацеталів, які отримали назву «глікозиди». Незалежно від вихідної форми моносахариду в процесі реакції утворюється суміш а- і р-глікозидів.
а -И-глюкопіраноза
2С,Н5ОН;
НС1 (газ)^
-2Н2О
етил-а -И-глюкопіранозид
етил-р -2)-глюкопіранозид
Назви глікозидів утворюють від назв моносахаридів, замінюючи суфікс -оза на -озид (фруктозид, галактозид, рибозид, глюкозид тощо). Залежно від розміру циклу (піранозний, фуранозний) глікозиди поділяють на піранозиди та фуранозиди. а- і р-Аномерам моносахаридів відповідають а- та ^-глікозиди.
Невуглеводну частину молекули глікозиду називають агліконом.
Хімічний зв’язок між аномерним у глікозиді називається глікозидним.
атомом Карбону моносахариду та агліконом
У зв’язку з тим що в молекулах глікозидів відсутній вільний напівацетальний гідроксил, вони, на відміну від моносахаридів, не здатні до таутомерії у водних розчинах, не мутаротують і не виявляють відновних властивостей.
Глікозиди як ацеталі легко гідролізуються в кислому середовищі, але виявляють
стійкість до гідролізу в слабколужному середовищі. У процесі гідролізу утворюється суміш а- і Р-аномерів відповідного моносахариду.
Глава 34
640
Н ОН
метил-а -Р-гл юкопіранозид
сн.он
н он
2)-глюкопіраноза (суміш а- та р-аномерів)
Глікозиди дуже поширені в природі. У переважній більшості вони є 0-глікозидами. Як аглікони у природних глікозидах часто виступають гідроксиловмісні сполуки — феноли, стероїди (див. гл. 22, 37) і самі моносахариди. Зв’язок аглікону з аномерним атомом Карбону в цих сполуках здійснюється через атом Оксигену,
тому такі глікозиди називають О-глікозидами. Приклад О-глікозидів — глікозид
арбутин, який міститься в листках мучниці.
Крім О-глікозидів відомі, N-глікозиди та 8-глікозиди.
У N-глікозидах аглікони — це залишки аліфатичних, ароматичних, гетероциклічних амінів та інші КН-вмісні органічні сполуки. Зв’язок аглікону з моносахаридом у М-глікозидах здійснюється через атом Нітрогену. До М-глікозидів належать продукти розщеплення нуклеїнових кислот і нуклеопроте’ідів (нуклеотиди, нуклео-зиди), які відіграють важливу роль в обміні речовин, АТФ (див. гл. 36), а також деякі антибіотики тощо.
Приклад 8-глікозидів — глікозид синігрин, що міститься в насінні сарептської гірчиці.
У 8-глікозидах аглікони — це тіоли, а зв’язок аглікону з моносахаридом здійснюється через атом Сульфуру.
Алкілювання. При взаємодії моносахаридів з галогеналканами або диметилсульфатом (СН3)28О4 у реакцію вступають усі гідроксильні
групи, включаючи напівацетальний гідроксил. У результаті реакції утворюються
глікозиди, алкільовані по всіх гідроксильних групах. Такі сполуки в кислому середовищі гідролізуються тільки по глікозидному зв’язку. Етери, що утворилися по
решті гідроксильних груп, гідролізу не піддаються.
н ОН Н ОСН3 н ОСН3
а-Л-глюкопіраноза метил-2,3,4,6-тетра-О-метил- 2,3,4,6-тетра-О-метил-
Л-глюкопіранозид 2)-глюкопіраноза
ВУГЛЕВОДИ
641
Ацилювання. При взаємодії моносахаридів з ангідридами карбонових кислот легко утворюються естери за участі всіх гідроксильних груп. При дії на глюкозу оцтовим ангідридом утворюється пентаацетилглюкоза.
а - Л-глюкопіраноза
пентаацетилглюкопіраноза;
пента-0 -ацетил - Л-гл юкопіраноза
+ 5 Ас ОН
де Ас = —С—СН3
У кислому і лужному середовищах естери моносахаридів гідролізуються.
Серед естерів моносахаридів важливе значення мають естери фосфатної кислоти. Вони містяться в усіх рослинних і тваринних організмах і відіграють велику роль в обміні речовин. Фосфати рибози і дезоксирибози входять до складу нуклеїнових кислот (див. гл. 36), фосфати Р-глюкози і Р-фруктози беруть участь в обміні вуглеводів, фосфатні естери моносахаридів — у синтезі пуринових і піримидинових нуклеотидів. Фотосинтез, бродіння та інші біологічні процеси також здійснюються за участі фосфатів моносахаридів. Нижче наведені деякі фосфати моносахаридів, які відіграють важливу роль в обміні речовин.
глюкозо-6-фосфат
О
Р-он
о II
О—СН2 0 сн2—о—р—он н^_н^н он он н
фруктозо-1,6-дифосфат
34.1.7. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ МОНОСАХАРИДІВ. ВИКОРИСТАННЯ
н
н— —он
но— —н
н— —он
СН2ОН
Л-ксилоза
н он
а - Л-ксилопіраноза; деревний цукор
Р-Ксилоза. Є структурним фрагментом полісахариду ксилану, що міститься в деревині, соломі, соняшниковій луззі. До складу ксилану входить у вигляді а -Р-ксил опіранози; використовується для синтезу ксиліту.
Глава 34
642
Н---ОН
Н---ОН
Н---ОН
£>-Рибоза. У Р-фуранозній формі £>-ри-боза входить до складу РНК, деяких кофер-ментів, глікозидів і антибіотиків.
СН2ОН
/)-рибоза
он он
| > -Л-рибофураноза
£-Арабіноза. Міститься у вільному стані в деревині хвойних порід дерев. Входить до складу рослинних глікозидів, полісахаридів рослин — арабінанів.
н\ /Р
X
(
н— —он
но— —н
н— —он
н— —он
СН2ОН
Р-глюкоза
| і -Л-глюкопіраноза
£-арабіноза Л-арабінопіраноза
£)-Глюкоза (виноградний цукор, декстроза). Широко розповсюджена в природі: у вільному стані міститься в рослинах, меді, крові; входить до складу багатьох дисахаридів (лактоза, сахароза тощо); полісахаридів (крохмаль, клітковина, глікоген і т. ін.). а-Аномер кристалізується з води (т. пл. 146°С); р-аномер — з піридину (т. пл. 148—150°С).
Глюкоза — головне джерело енергії для більшості організмів. Добувають гідролізом крохмалю або целюлози в присутності мінеральних кислот.
Глюкозу використовують як сировину для виробництва вітаміну С і лікарського препарату «Кальцій глюконат»', у медицині застосовують у вигляді розчинів для внутрішньовенного введення при гіпоглікемії, інфекційних захворюваннях, захворюваннях печінки і так далі; компонент різних кровозамінників і протишокових рідин. Під дією ферментів глюкоза піддається бродінню. Відомо багато видів бродіння — спиртове, молочнокисле, маслянокисле, лимоннокисле тощо. Найважливіше з них спиртове бродіння, яке відбувається під дією ферменту дріжджів — зимази.
С6Н12О6 дріждж'-<зимаза)» 2С2Н5ОН + 2СО2
Цей вид бродіння використовують а також у виноробстві та пивоварінні.
у промисловості для добування етанолу,
"//°
н но но
н
р -Л-галакгопіраноза
£)-Галактоза. Уходить до складу дисахариду лактози, що міститься в молоці, а також деяких глікозидів і полісахаридів. Добувають гідролізом лактози.
ОН н н он
СН2ОН
О-галактоза
ВУГЛЕВОДИ
643
н\
с
но— —н
но— —н
н— —он
н— —он
с :н2он
Р-маноза
н н
р -Л-манопіраноза
©-Маноза. Це структурний фрагмент полісахариду манану, який міститься в оболонці насіння кам’яного горіха; у вільному стані знаходиться в шкірці апельсинів. Добувають гідролізом ма-
нану.
сн2он с=о но н4 н -о\ но. он СН2ОН
н . н
но— н— —н —он
но— —н он н
СН2ОН
£-сорбоза
а -Р-сорбопіраноза
£-Сорбоза. Добувають при мікробіологічному окисненні ©-сорбіту. Цей процес — важлива проміжна стадія в синтезі вітаміну С.
СН2ОН
с=о НОН2С ^0^ он
но-н- —н — он ІГ ЛІ НО/ Х^ОН
н- —он он н
СН2ОН
Р-фруктоза р -Р-фруктофураноза
В-Фруктоза (плодовий або фруктовий цукор, левулоза). У вільному стані міститься у фруктах, меду; входить до складу ряду олігосахаридів (сахароза, рафіноза) і полісахаридів (інулін).
Фосфати .©-фруктози — проміжні продукти енергетичного обміну вуглеводів у живих організмах. Фруктоза солодша від глюкози і сахарози. Кристалічна фруктоза — це фруктопіраноза (т. пл. р-аномеру 104°С). До складу оліго- та полісахаридів зазвичай входить у фуранозній формі.
Добувають фруктозу гідролізом інуліну, що міститься в бульбах жоржини, коренях цикорію.
34.1.8. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ ДЕЗОКСИ- І АМІНОЦУКРІВ. ВИКОРИСТАННЯ
Дезоксицукрами називають моносахариди, в молекулах яких одна або кілька гідроксильних груп заміщені на атом Гідрогену.
2-Дезокси-©-рибоза. Структурний фрагмент дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК). Добувають гідролізом ДНК або синтетично з ©-глюкози.
н— —н
н— —он
н— —он
СН2ОН
ОН Н
2-дезокси-В- рибоза 2-дезокси-Р-рибофураноза
Аміноцукри — моносахариди, у молекулах яких одна або кілька гідроксильні1' заміщені аміногрупою.
Глава 34
644
Л-Галактозамін (2-аміно-2-дез-окси-Л-галактоза, хондрозамін). Структурний фрагмент хондроїтин-сульфатів і полісахаридів деяких бактерій.
Н— —мн
но— —н
но— —н
н— —он
СН2ОН
Л-галактозамін
нхс/>
н— — 1ЧН2
но— —н
н— —он
н— —он
сн2он
Л-Глюкозамін (2-аміно-2-дезокси-Л-глюкоза, хітозамін). Структурний компонент глікопротеїдів і полісахаридів. Його М-метилпохідна — структурна частина антибіотика стрептоміцину (див. с. 497), а М-ацетилпохідна — хітину. Добувають Л-глюкозамін гідролізом хітину.
34.1.9. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ МЕТИЛПЕНТОЗ. ВИКОРИСТАННЯ
У молекулах природних серцевих глікозидів, багато з яких використовуються в медицині для лікування серцевої недостатності, містяться залишки пентоз, в яких атом Гідрогену при С-5 заміщений метальною групою. Такі моносахариди називають метилпентозами. До них належать Ь-рамноза (6-дезокси-Л-маноза), О-дигітоксоза (2,6-дидезокси-Л-альтроза) тощо.
Н\
С
Н
н но но
ОН он н н
сн.
34.1.10. ОКРЕМІ ПРЕДСТАВНИКИ ПОХІДНИХ МОНОСАХАРИДІВ. ВИКОРИСТАННЯ
НО ОН Аскорбінова кислота (вітамін С, у-лактон 2,3-дегідро-ОН ОН \ — / £-гулонової кислоти). Водорозчинний вітамін, який міс-I І / \ титься в багатьох овочах і фруктах. Нестача вітаміну С в їжі
СН2 СН о О викликає захворювання на цингу, а також знижує опірність організму до інфекційних захворювань.
Аскорбінова кислота — сильний відновлюючий агент; при окисненні перетворюється в дегідроаскорбінову кислоту, яка, у свою чергу, здатна досить легко відновлюватися до аскорбінової кислоти.
ВУГЛЕВОДИ
645
НО ОН ОН ОН \=/ СН2—СН^о^О аскорбінова кислота
—2Н
<==
+2Н
оч р он он 'Ч— СН—СН-^о^О
дегідроаскорбінова кислота
Роль вітаміну С в організмі пов’язана з його участю в окисно-відновних процесах, вуглеводному обміні, у регенерації тканин, синтезі стероїдів тощо.
Аскорбінова кислота має сильні кислотні властивості ($Ка = 4,2), що пов’язано з дисоціацією однієї з гідроксильних груп ендіольного фрагмента:
аскорбат-іон
У промисловості аскорбінову кислоту добувають з Р-глюкози:
нх
н
но
н
н
н но
н н
он
он -121
ОН
снрн
/)-глюкоза
снрн он н он он
снрн
/)-сорбіт
—н2о
н но
н
снрн он н он с=о
но н
но
снрн
с=о н он н
снрн
СООН
%
снрн
[О]
’ Ч н: он н снрн
2-кето - £-гулонова кислота
но
* н но
-нон
оч рн
н н н2м но
н н
с=о н он н н он он
н о (СНОН)2 снрн Н Н
н
Н2М
он
ОН Н
снрн
с-он І
II о
С-ОН І
СН
НО-С-Н
снрн
Л-сорбоза
аскорбінова кислота
Потреба у вітаміні С для людини 50—70 мг на добу.
Нейрамінова кислота (3,5-дідезокси-5-амінононулонова кислота). Похідна моносахариду кетононози — нону-СООН лози. У природі нейрамінова кислота найчастіше зустрічається у вигляді 14- і О-ацильованих похідних, об’єднаних загальною назвою «сіалові кислоти» (ацильним фрагментом зазвичай є залишки оцтової або гліколевої кислот).
Глава 34
Сіалові кислоти — структурні компоненти глікопротеїдів (див. с. 704), специфічних речовин крові і тканин, гангліозидів мозку.
34 : ДИСАХАРИДИ
Дисахаридами називають вуглеводи, молекули яких складаються з двох залишків моносахаридів однакової або різної природи, сполучених між собою глікозидним зв ’язком.
Будучи О-глікозидами, дисахариди легко гідролізуються в кислому середовищі з утворенням двох молекул моносахаридів. Залежно від способу утворення глікозидного зв’язку, дисахариди розділяють на дві групи — відновні і невідновні.
34.2.1. ВІДНОВНІ ДИСАХАРИДИ
У відновних дисахаридах глікозидний зв ’язок утворюється за рахунок напіваце-тальної (глікозидної) гідроксильної групи одного і будь-якої спиртової гідроксильної групи (частіше в С-4) іншого моносахариду. При цьому в молекулі залишається одна вільна напівацетальна гідроксильна група, унаслідок чого дисахарид зберігає здатність до цмоо-оксо-таутомерії і, отже, має відновні властивості. У свіжоприго-тованих розчинах таких дисахаридів спостерігається явище мутаротації. До представників відновних дисахаридів належать: мальтоза, целобіоза, лактоза.
Мальтоза (солодовий цукор). Молекула мальтози складається з двох залишків £>-глюкопіранози, сполучених 1,4-глікозидним зв’язком. При цьому залишок глюкози, аномерний атом Карбону якого бере участь в утворенні глікозидного зв’язку, знаходиться в а-формі, а залишок глюкози з вільною напівацетальною гідроксильною групою може мати а-конфігурацію (а-мальтоза) або Р-конфігурацію (Р-мальтоза).
Р-глюкопіраноза
а -Л-глюкопіраноза
мальтоза;
4- О- (а - И- глюкопіранозил) - Л-гл юкопіраноза
Таким чином, а-мальтозу можна назвати як 4-О-(а-2)-глюкопіранозил)-а-/)-глюкопіраноза, а р-мальтозу — 4-О-(а-/>-глюкопіранозил)-р-Д-глюкопіраноза.
У розчині мальтоза існує в альдегідній, а- та Р-циклічних таутомерних формах.
а-форма альдегідна форма
ВУГЛЕВОДИ
647
Н ОН Н ОН
р-форма
Розчини мальтози здатні до мутаротації.
Мальтоза є відновним дисахаридом і дає позитивні реакції з реактивами Толленса і Фелінга.
За участі альдегідної форми мальтоза вступає в характерні для моносахаридів реакції.
Н ОН Н ОН оксинітрил мальтози
оксим мальтози
ЗН^-МН-С6Н5;
-С6Н51ЧН2;
-1ЧН3; -2Н2О
Н ОН Н к-Г4Н-С6Н5
5
озазон мальтози
При окисненні в м’яких умовах (під дією бромної води) мальтоза перетворюється в мальтобіонову кислоту:
Н ОН Н ОН
мальтобіонова кислота
За участі циклічних форм мальтоза, подібно до моносахаридів, піддається ал-кілюванню та ацилюванню.
При взаємодії мальтози з такими слабкими алкілюючими реагентами, як спирти (у присутності НС1), утворюються глікозиди. Реакція проходить за рахунок напівацетального гідроксилу.
Глава 34
648
Н ОН Н ОН
Н ОН Н ОН
ОСН3
мальтоза
О-метилмальтозид
При взаємодії мальтози з надлишком сильних алкілюючих реагентів (алкіл-галогенідів, діалкілсульфатів (КО)28О2 тощо) здійснюється алкілювання по всіх гідроксильних групах.
мальтоза
1,2,3,6,2' ,3' ,4' ,6' -окта-О-метил-Л-мальтозид
Мальтоза піддається ацилюванню також за участі всіх гідроксильних груп.
мальтоза
1,2,3,6,2', 3' ,4' ,6' -окта-О-ацетил- Л-мальтоза
Мальтоза міститься в невеликих кількостях у деяких рослинах, утворюється при ферментативному гідролізі крохмалю. Вона легко розчиняється у воді, водні розчини мають солодкий смак. В організмі людини мальтоза розщеплюється ферментом мальтазою до Л-глюкози.
Целобіоза. Молекула целобіози, як і мальтози, складається з двох залишків £>-глюкопіранози, зв’язаних 1,4-глікозидним зв’язком. Але, на відміну від мальтози, у молекулі целобіози залишок глюкози, напівацетальний гідроксил якого бере участь в утворенні глікозидного зв’язку, має ^-конфігурацію. Залишок же глюкози з вільною напівацетальною групою, аналогічно мальтозі, може мати а-конфігурацію (а-целобіоза) або Р-конфігурацію (Р-целобіоза).
Р -Л-глюкопіраноза
Л-глюкопіраноза
целобіоза;
4-О-(р-Л-глюкопіранозил)-Л-глюкопіраноза
ВУГЛЕВОДИ
649
Виходячи з хімічної структури, а-целобіозу можна назвати як 4-О-(Р-/>-глюкопіранозил)-а-£>-глюкопіраноза, а р-целобіозу — 4-О-(Р-£>-глюкопіранозил)-Р -1>-глюкопіраноза.
У розчині целобіоза існує в альдегідній, а- і р-циклічних таутомерних формах,
сн.он сн.он сн.он
сн.он он
Н'СЧ н
Н
НО
н
он
н он
а-форма
н он
н он
СН2ОН
н
альдегідна форма
СН2ОН °\ОН
он
Н
НО
Н
н он н он
Р-форма
Розчини целобіози здатні до мутаротації.
Целобіоза є відновним дисахаридом і дає позитивні реакції з реактивами Толленса і Фелінга.
За участі альдегідної форми целобіоза вступає в характерні для моносахаридів реакції.
нсм
Н ОН Н ОН оксинітрил целобіози
Н ОН Н ОН
альдегідна форма
н2м—он
-н2о 1
н он н он
оксим целобіози
сн2он
ЗН2М—МН—С6Н5; Н
СН2ОН /І—он
-С6Н5МН2;
-МН3; -2Н2О
НО
,сн=м—мн-с6н
н он н кн-с6н5
озазон целобіози
При окисненні целобіози в м’яких умовах утворюється целобіонова кислота.
За участі циклічних форм целобіоза піддається алкілюванню та ацилюванню (див. мальтоза, с. 648).
Глава 34
650
Целобіоза і мальтоза мають різну просторову будову. У молекулі мальтози а-глікозидний зв’язок розташований аксіально, а в молекулі целобіози 0-глікозидний зв’язок — екваторіально.
Така просторова структура мальтози є причиною клубкоподібної будови амілози (складова частина крохмалю), а просторова структура целобіози — причиною лінійної будови целюлози.
Целобіоза — безбарвна кристалічна речовина, легко розчиняється у воді. Вона не розщеплюється в організмі людини і тому не може бути використана як продукт харчування.
Лактоза (молочний цукор). Молекула лактози складається з залишків Р-галакгопіранози і Р-глюкопіранози, сполучених 1,4-глікозидним зв’язком. В утворенні глікозидного зв’язку бере участь напівацетальний гідроксил Р-галактопіранози, що має 0-конфігурацію. Залишок Р-глюкопіранози може мати а- і 0-конфігурацію, у зв’язку з чим розрізняють а- та 0-лакгозу.
он
н ОН н он
н он н он
р -Л-галактопіраноза
Л-глюкопіраноза
Л-лактоза;
4-О-(р-Л-галактопіранозил)-Л-глюкопіраноза
а-Лактоза може бути названа як 4-О-(0-Р-галактопіранозил)-а-Р-глюкопіраноза, а 0-лактоза — як 4-О-(0-Р-галактопіранозил)-0-Р-глюкопіраноза.
Просторова будова лактози подібна до будови целобіози, тобто 0-глікозидний зв’язок розташований екваторіально.
ВУГЛЕВОДИ
651
Р-лактоза
Лактоза — відновний дисахарид. У розчині вона існує в кількох таутомерних формах — альдегідній, а- та 0-циклічних. Тому розчини лактози мутаротують і дають позитивну реакцію з реактивами Толленса і Фелінга. При окисненні лактози в м’яких умовах утворюється лактобіонова кислота. Для лактози характерна низка інших реакцій, властивих відновним дисахаридам (див. мальтоза, с. 646—648).
Лактоза міститься в молоці. Вона не піддається спиртовому бродінню, порівняно із сахарозою має меншу солодкість (у 4—5 разів). При кислотному або ферментативному гідролізі лактози утворюються 1>-глюкоза і 1>-галактоза. Лактоза має низьку гігроскопічність, використовується у фармації при виготовленні порошків і таблеток.
34.2.2. НЕВІДНОВНІ ДИСАХАРИДИ
У молекулах невідновних дисахаридів глікозидний зв'язок утворюється за рахунок напівацетальних гідроксильних груп обох моносахаридів. Такі дисахариди не мають у своєму складі вільного напівацетального гідроксилу, тому в розчинах вони існують тільки в циклічній формі, їх розчини не мутаротують і не мають відновних властивостей. Невідновні дисахариди не дають реакцій по альдегідній групі і глікозидному гідроксилу. Вони здатні лише до утворення етерів і естерів. Представником невідновних дисахаридів є сахароза.
Сахароза і карієс зубів
Науково доведено, що однією з причин руйнування зубів є зубний наліт і молочна кислота. У 1 мл слини містяться більше 100 млн різних бактерій! Відомо, що тільки бактерії штаму Зігеріососсиз тиіапз здатні викликати карієс зубів. Як виявилося, причиною цього є фермент глюкозилтрансфераза, який утворюються на поверхні цих бактеріальних клітин. Фермент розщеплює сахарозу до глюкози і фруктози. Потім відбувається синтез полісахариду декстрану, мономерною ланкою якого є 0-/)-глюкопіраноза. Зубний наліт, що утворюється, на 10% складається з декстрану. Полісахарид міцно зв’язує емаль зуба і бактерії.
Інший продукт розщеплення сахарози — фруктоза, утилізується бактеріями в результаті гліколізу і молочнокислого бродіння. Молочна кислота, що утворилася, підвищує рН середовища в порожнині рота і починає розчиняти кальцій, що входить до складу зубної емалі. Чому кислота не видаляється з поверхні зуба, хоча ми щодня виробляємо близько 1 л слини? Проблема — у зубному нальоті, що непроникний для слини й утримує бактерії та молочну кислоту на поверхні емалі. Таким чином, уживання навіть малих кількостей солодощів між основними прийманнями їжі призводить до карієсу зубів.
Глава 34
652
ОН Н сахароза
Сахароза (тростинний або буряковий цукор). Молекула сахарози складається з залишків Д-глюкози і Д-фруктози. При цьому Д-глюкоза входить до складу сахарози у формі а-Д-глюкопіранози, а Д-фруктоза у формі 0-Д-фруктофуранози. Глікозидний зв’язок між а-Д-глюкопіранозою і Р-Д-фруктофуранозою утворюється за рахунок напівацетальних гідроксилів обох молекул. Виходячи з хімічної
структури, сахарозу можна назвати як 2-О-(а-Д-глюкопіранозил)-р-Д-фрук-тофуранозид.
Сахароза — безбарвна кристалічна речовина, добре розчиняється у воді, має солодкий смак. Розчини сахарози оптично активні [Од0 =+66,5°], не мутаротують і не виявляють відновних властивостей.
Під дією мінеральних кислот або при нагріванні ферментів сахароза гідролізується з утворенням суміші Д-глюкози і Д-фруктози. При цьому відбувається зміна знака питомого обертання, тобто характерне для сахарози обертання площини поляризації вправо [ад° = +66,5°] змінюється на ліве обертання [цд° = -39,5°]. У зв ’язку зі зміною в процесі гідролізу сахарози знака питомого обертання гідроліз сахарози отримав назву «інверсії». Звідси, утворювана в процесі гідролізу суміш рівних кількостей О-глюкози і В-фруктози називається інвертним цукром. Інвертний цукор — основна складова частина бджолиного меду. Причиною інверсії сахарози є відносно велике питоме обертання Д-фруктози вліво [Цд° = -92°], ніж Д-глюкози вправо [ад° = 52,5°], тому суміш, що утворюється при гідролізі, виявляє ліве обер
тання.
Сахароза міститься в цукровій тростині та цукрових буряків (17—20%), з яких неї одержують у промисловості. У фармації сахарозу використовують для приготування порошків, сиропів, мікстур тощо.
34.3. ПОЛІСАХАРИДИ
До полісахаридів належать сполуки, молекули яких містять більше десяти моно-сахаридних ланок, сполучених О-глікозидним зв’язком.
Найчастіше полісахариди складаються з кількох сотень і навіть тисяч моно-сахаридних залишків, які утворюють лінійні (а) або розгалужені (б) полімерні ланцюги (рис. 34.1).
Глікозидні зв’язки в полісахаридах, як правило, утворюються за рахунок глікозидного гідроксилу одного та спиртового гідроксилу іншого моносахаридних залишків. Здебільшого ці зв’язки виникають між С-1 і С-2, С-1 і С-3 або С-1 і С-6.
На кінці полісахаридного ланцюга знаходиться відновний залишок моносаха-риду, але оскільки його частка в молекулі незначна, то полісахариди з більшою молекулярною масою практично не мають відновної здатності.
ВУГЛЕВОДИ
653
Рис. 34.1. Полімерні ланцюги полісахаридів: а — лінійні; б — полімерні
Якщо до складу полісахаридів входять залишки тільки одного моносахариду, то їх називають гомополісахаридами. Полісахариди, що складаються з різних моносаха-ридних одиниць, називають гетерополісахаридами.
34.3.1. ГОМОПОЛІСАХАРИДИ
Гомополісахариди, побудовані з залишків пентоз, називаються пентозанами, а із залишків гексоз — гексозанами.
Загальна формула пентозанів — (С5Н8О4)Л, а гексозанів — (С6Н10О5)л. Переважна більшість природних полісахаридів — гексозани (крохмаль, целюлоза, глікоген, декстрани тощо).
Крохмаль. Крохмаль — основне джерело резервної енергії в рослинах; міститься переважно у насінні, бульбах, коренях.
Крохмаль містить приблизно 20 % розчинної у воді фракції, називаною амілозою, і близько 80 % нерозчинної фракції, названої амілопектином. При поступовому кислотному і ферментативному гідролізі амілоза та амілопектин розщеплюються до декстринів (суміш полісахаридів з меншою молекулярною масою), подальший гідроліз яких приводить до утворення мальтози, а потім до Л-глюкози:
(С6Н10О5)„ — (С6Н10О5)х — С12Н22ОП — С6Н12О6
крохмаль декстрини мальтоза Р-глюкоза
(а- < п)
Відмінності в будові амілози та амілопектину зумовлені характером глікозидних зв’язків.
Амілоза — лінійний полімер, який містить більше тисячі мономерних ланок, в якому Л-глюкопіранозні залишки сполучені а-1,4-глікозидним зв’язком:
фрагмент молекули амілози
Глава 34
Молекулярна маса амілози становить приблизно 150 000—600 000. Її молекули гнучкі і можуть набувати різних просторових форм. У присутності комплексоутво-рювачів, наприклад йоду, вона може існувати у вигляді спіралі, у кожному витку якої міститься шість залишків глюкози. Розмір внутрішньої порожнини спіралі дозволяє розміститися в ній молекулі йоду, що приводить до утворення забарвленого в синій колір комплексу. На цій властивості ґрунтується використання крохмалю у фармацевтичному аналізі як індикатора.
«Солодкі» органічні молекули
Для більшості людей слово «цукор» асоціюється з цукерками, тортами, тістечками, десертами та іншими солодощами. У ході вивчення механізмів смаку був запропонований ряд моделей. Одна з них базується на тому, що «солодкі» молекули містять електронодонорні й елекгроноакцепторні групи, здатні утворювати водневі зв’язки. Аналогічні групи має містити і рецептор солодкого смаку. Найбільш точною моделлю такого рецептора є восьмиточкова модель, яка припускає наявність восьми взаємодій типу водневих зв’язків і вандерваальсових сил між «солодкою» молекулою і рецептором. Не кожна «солодка» молекула забезпечує максимальне число взаємодій з рецептором солодкого смаку. Саме цей фактор і визначає інтенсивність солодкого смаку.
Солодкий смак властивий значній частині простих вуглеводів. Якщо інтенсивність солодкого смаку сахарози умовно прийняти за 1,0, то для лактози вона складає 0,16, глюкози — 0,75, а фруктози — 1,75!
Надлишкове вживання вуглеводів призводить до ожиріння, серцево-судинних захворювань, цукрового діабету, карієсу тощо. Значно знизити калорійність раціону людини дозволяють синтетичні замінники цукру (у дужках наведена інтенсивність солодкого смаку порівняно із сахарозою).
о
н=с^°'8<°о
о нн3сч ,сн3
ноос—сн — сн—с—тч— сн—с—N
ин2
сн3
Н3С сн3
алітам (2000)
О н
ноос—сн — сн—с—м—сн—с—осн
ІІ МН
сахарин (350)
кн2
о
калій ацесульфам (200)
аспартам (180)
сн2
О Н
О
з
Проте відомо, що синтетичні підсолоджувані порівняно з природними більш токсичні. Одним з перспективних рослинних підсолоджувачів, відкритих порівняно недавно, є гер-нандулцин.
гернандулцин (1000)
ВУГЛЕВОДИ
655
амілоза
амілопектин
Амілопектин — полімер розгалуженої структури, що може мати приблизно 600—5000 залишків Л-глкжози в молекулі. Молекулярна маса амілопектину досягає 1—6 млн. Усі ланцюги полісахариду — основний і бічні — побудовані однотипно: залишки глюкози в них сполучені а-1,4-глікозидним зв’язком. Бічні відгалуження сполучені з основним ланцюгом а-1,6-глікозидним зв’язком. Між двома сусідніми точками розгалуження основний ланцюг містить 20—25 моно-сахаридних залишків:
н ОН н он н он н он
фрагмент молекули амілопектину
У зв’язку з наявністю великої кількості відгалужень молекула амілопектину не здатна набувати конформації спіралі та зв’язує йод лише в незначній кількості з утворенням червоного забарвлення.
Крохмаль слугує основним джерелом вуглеводів у харчовому раціоні людини Фермент амілаза, що міститься в слині, розщеплює а-глікозидні зв’язки крохма
Глава 34
6 5 6 --------------------------------------------------------------------
лю до декстринів і частково — до мальтози, подальший розпад яких до глюкози відбувається в кишечнику. У фармації крохмаль використовується у виробництві таблеток, а також для виготовлення присипок і паст.
Глікоген (тваринний крохмаль). Якщо в більшості рослин резервним полісахаридом є крохмаль, то у тваринних організмах цю функцію виконує глікоген. Цей полісахарид забезпечує організм глюкозою при підвищених фізичних навантаженнях і в перервах між прийманням їжі.
Глікоген побудований аналогічно амілопектину, але є ще більш розгалуженою структурою. Зв’язок глюкопіранозних залишків в основному і бічних ланцюгах а-1,4, а в місцях розгалужен-глікоген ня — а-1,6. Між точками розгалуження міститься
10—12, рідше — 2—4 моносахаридних залишки. Молекулярна маса глікогену може досягати 100 млн і вище. На відміну від більшості інших резервних полісахаридів глікоген добре розчинний у воді.
Сильна розгалуженість ланцюгів глікогену сприяє атаці його ферментами з різних боків одночасно. Ця обставина приводить до надзвичайно високої швидкості розщеплення полісахариду і, відповідно, можливості майже миттєвої мобілізації його енергетичних запасів.
Найбагатші на глікоген печінка та м’язи.
Целюлоза. Широко розповсюджений у природі полісахарид як складова частина оболонок рослинних кліток. До складу деревини входить від 50 до 70%, а до складу бавовни — до 98% целюлози. Молекула целюлози — це лінійний ланцюг, який складається з залишків Р-глюкопіранози, сполучених між собою 0-1,4-глікозидним зв’язком:
фрагмент молекули целюлози
Молекулярна маса целюлози коливається від 250 000 до 1 000 000 при вмісті не менше 1500 залишків глюкози.
Целюлоза не розчиняється у воді і звичайних органічних розчинниках, але розчиняється в аміачному розчині купрум(ІІ) гідроксиду (реактив Швейцера) і концентрованому розчині цинк хлориду.
Гідроліз целюлози здійснюється при нагріванні в присутності сульфатної кислоти:
(С6Н]0О5)„ —► (С6н10о5)л —> с12н22оп —► с6н12о6
целюлоза амілоїд целобіоза Р-глюкоза
(л < л)
ВУГЛЕВОДИ
657
Людина і вищі тварини не мають ферменту, який гідролізував би Р-глікозидні зв’язки целюлози, проте вона необхідний баластний компонент їжі, що поліпшує травлення.
Молекула целюлози має строго упорядковану конформацію «твердий стрижень», у якій глюкопіранозні залишки розташовані лінійно.
конформація целюлози
Таке розміщення залишків у просторі зумовлене тим, що глікозидний атом Оксигену та атом Оксигену при С-4 зв’язані з піранозним циклом екваторіально. Лінійна конформація молекули закріплюється внутрішньомолекулярними водневими зв’язками.
Паралельно укладені ланцюги полісахариду утримуються за рахунок утворення міжмолекулярних водневих зв’язків. Завдяки такій будові целюлоза хімічно порівняно інертна (нерозчинна у воді, важко гідролізується) і має високу механічну міцність.
Важливе практичне значення мають похідні целюлози. Наявність трьох вільних спиртових груп у кожному глюкозидному залишку целюлози дає можливість одержувати її естери. Так, при обробці целюлози сумішшю нітратної і сульфатної кислот утворюються нітрати целюлози:
[С6Н7О2(ОН)3]„ + »НМО3
[С6Н7О2(ОН)3]„ + 2лН?Ю3
[С6Н7О2(ОН)3]„ + ЗлНЬЮ3
[С6Н7О2(ОН)2ОЬЮ2]Л + лН2О [С6Н7О2(ОН)(ОМО2)2]„ + 2лН2О [С6Н7О2(ОМО2)3]„ + ЗиН2О
целюлози тринітрат
Властивості та можливості використання цих продуктів залежать від ступеня нітрування. Суміш моно- і динітратів називають колодійною ватою, або колоксиліном. Її використовують для виготовлення колодію, який застосовується в медицині для фіксації пов’язок. Продукт повного нітрування целюлози (целюлози тринітрат, тринітроклітковина, піроксилін) є вибуховою речовиною, яка використовується у виробництві бездимного пороху. Велике промислове значення має целюлози діацетат, необхідний у виробництві ацетатного шовку, а також целюлози ксантогенат — для одержання віскозного волокна та целофану. Натрієва сіль карбоксиме-тилцелюлози використовується у виробництві лікарських препаратів.
Декстрани. Декстрани — полісахариди бактеріального походження, побудовані з залишків а-Л-глюкопіранози, одержують із сахарози за участі бактерій Ьеисопозіос тезепіегоідез. Основний тип зв’язку в декстранах — це а-1,6-глікозидний зв’язок, а в точках розгалуження — а-1,4- та а-1,3-глікозидні зв’язки:
Глава 34
фрагмент молекули декстрану
Молекулярна маса декстранів становить кілька мільйонів. Частково гідролізо-вані декстрани (м. м. 40 000—800 000) використовують у фармації у виробництві плазмозамінників (поліглюкін, реополіглюкін).
Інулін. Інулін — резервний полісахарид, що міститься в бульбах складноцвітих та інших рослин. Молекула інуліну має лінійну будову і складається з залишків Р-Д-фруктофуранози, сполучених 2,1-глікозидними зв’язками, і закінчується а-Д-глюкопіранозним залишком (як у сахарозі). Молекулярна маса зазвичай не більша 6000.
Інулін добувають з бульб жоржини екстракцією з гарячою водою. Використовується для одержання Д-фруктози.
Пектинові речовини. До пектинових речовин (пектинів) належать полісахариди, в основі будови яких лежить полігалактуронова (пектова) кислота, побудована з залишків а-Д-галактуронової кислоти, сполучених між собою 1,4-глікозидними зв’язками. Частина карбоксильних груп полігалактуронової кислоти естерифіко-вана і знаходиться у вигляді метилового естеру.
СООН соон соон соон
н он н он н он н он
фрагмент полігалактуронової кислоти
Водні розчини пектинів здатні утворювати міцні гелі.
Пектини містяться практично у всіх наземних рослинах і деяких водоростях. Вони широко застосовуються в харчовій промисловості для виготовлення желе,
ВУГЛЕВОДИ
659
мармеладу, тому що із сахарозою в присутності органічних кислот утворюють драглі.
Деякі пектинові речовини мають противиразкову дію і є основою групи лікарських препаратів.
34.3.2. ГЕТЕРОПОЛІСАХАРИДИ
Полісахариди, побудовані з залишків різних моносахаридів, називають гетеропо-лісахаридами.
До гетерополісахаридів належать полісахариди сполучної тканини — хондрої-тинсульфати, гіалуронова кислота, гепарин. Усі вони мають лінійний вуглеводний ланцюг, ланкою якого є дисахаридний фрагмент, що регулярно повторюється по всій довжині ланцюга (повторювана ланка).
Гіалуронова кислота. Один з найбільш розповсюджених полісахаридів сполучної тканини. Міститься в хрящах, пуповині, суглобній (синовіальній) рідині, склоподібному тілі. Повторюваною ланкою гіалуронової кислоти є £>-глюкуронова кислота та N-ацетил-/)-глюкозамін, сполучені 0-1,3-глікозидним зв’язком. Зв’язок між дисахаридними фрагментами — 0-1,4:
( повторювана ланка
фрагмент гіалуронової кислоти
Молекулярна маса гіалуронової кислоти коливається від 1600 до 6400. Цей полісахарид має високу в’язкість, що забезпечує непроникність сполучної тканини для бактерій.
У тканинах гіалуронова кислота сполучена в комплексі з білком за рахунок ковалентних зв’язків.
Хондроїтинсульфати — один з головних компонентів хряща. Вони містяться також у шкірі, сухожиллях, склері, кістках. Повторюваною ланкою хондро-їтинсульфатів є П-глюкуронова кислота і М-ацетил-/)-галактозамін, що містить сульфатну групу. Усередині дисахаридного фрагмента зв’язок 0-1,3, а між фрагментами — 0-1,4. Сульфатна група утворює естеровий зв’язок з гідроксильною групою М-ацетил-И-галактозаміну або в положенні 4 (хондроїтин-4-сульфат), або в положенні 6 (хондроїтин-6-сульфат).
Вуглеводні ланцюги хондроїтинсульфатів містять до 150 дисахаридних залишків, приєднаних в організмі О-глікозидними зв’язками до гідроксильних груп залишків амінокислот, які входять у білкову частину молекули, ще недостатньо вивчену.
Глава 34
660
] повк рювана лан.
фрагмент молекули хондроїтин-4-сульфату
н ОН
£-ідуронова кислота
Н----Гепарин. Виробляється в організмі людини і тварині----О< ни, міститься у великих кількостях у печінці, легенях;
СООН У менших — У скелетних м’язах, селезінці, серцево-
ОН Нму м’язі. Повторювана ланка в структурі гепарину складається з £)-глюкозаміну та уронової кислоти, сполучених між собою а-1,4-глікозидними зв’язками. Як уронові кислоти виступають £-ідуронова і, рідше, /)-глюкуронова кислоти.
Залишки глюкозаміну і Г-ідуронової кислоти в гепарині частково сульфовані. Молекулярна маса гепарину дорівнює 16 000—20 000. Як і в гіалуронової кислоти і хондроїтинсульфатах, вуглеводні ланцюги гепарину сполучені в тканинах з білковою частиною молекули.
гепарин (фрагмент полісахаридного ланцюга)
Гепарин перешкоджає згортанню крові, бере участь в обміні ліпідів, жирів і холестеролу. Використовується в медицині як антикоагулянтний засіб.
Рослинні камеді. Розгалужені гетерополісахариди, які містять залишки нейтральних моносахаридів (Д-галактози, /)-глюкози, Г-рамнози, £-арабінози тощо) і уронових кислот у вигляді солей. Камеді виділяються при ушкодженнях рослин у вигляді в’язких рідин.
Аравійська камедь (гуміарабік) включає залишки вуглеводів Г-арабінози, /)-галактози, метилпентози і /)-глюкуронової кислоти; використовується в медицині як емульгатори при виготовленні емульсій.
Глава 35
БІЛКИ
Білки — високомолекулярні природні полімери, побудовані з залишків а-амінокислот, сполучених пептидним (амідним) зв’язком.
Білки є компонентами всіх клітин і тканин живих організмів. До білкових речовин належать ферменти, деякі гормони тощо. Поряд з нуклеїновими кислотами білки — це найбільш складні зі створених природою біополімерів. Молекулярна маса білків складає від 5000 до декількох мільйонів. Білки з низькою молекулярною масою називаються пептидами. Мономерними одиницями білків і пептидів є а-амінокислоти.
35.1. а-АМІНОКИСЛОТИ ЯК МОНОМЕРИ БІЛКІВ
До складу більшості білків входить близько 25 різних а-амінокислот загальної формули КСН(КН2)СООН, з яких приблизно 20 присутні в кожній білковій молекулі. Основні а-амінокислоти, що входять до складу білків, наведені в табл. 35.1.
У номенклатурі а-амінокислот частіше застосовують тривіальні нами'. гліцин, аланін, валін, лейцин тощо. У біохімії використовують також трибуквені скорочення тривіальних назв: гліцин — Глі, аланін — Ала, валін — Вал і т. д. Систематичні назви для природних а-амінокислот практично не застосовують.
За хімічною природою залишку, пов’язаного з а-амінокислотним фрагментом —СН(КН2)СООН, а-амінокислоти поділяються на аліфатичні, ароматичні та гетероциклічні. У гетероциклічних а-амінокислотах проліні та оксипроліні а-амінокислотний фрагмент входить до складу гетероциклу:
а-амінокислотний фрагмент
/ но^\
Гк /V
^^СООН хм^СООН
Залежно від кількості аміно- і карбоксильних груп у молекулі розрізняють а-амінокислоти: моноаміномонокарбонові (гліцин, аланін, валін тощо), моноаміно-дикарбонові (аспарагінова, глутамінова кислоти та їх аміди) і діаміномонокарбонові (орнітин, лізин, аргінін, гістидин).
За кислотно-основними властивостями а-амінокислоти поділяють на нейтральні (містять рівну кількість аміно- і карбоксильних груп), кислі (з додатковою карбоксильною групою) та основні (з додатковою аміногрупою).
Більшість а-амінокислот утворюється в організмі {замінні амінокислоти), але деякі а-амінокислоти організм людини не здатний синтезувати: вони надходять у складі білків, що вводяться в організм із їжею {незамінні амінокислоти, табл. 35.1).
Глава 35
662
Таблиця 35.1
а-Амінокислоти, що входять до складу білків
Формула Назва Скорочене позначення
. іліфатичні амінокислоти
СН,—СООН 1 КІН2 Гліцин, глікокол, амінооцтова кислота Глі
СН,—СН—СООН 1 МН2 Аланін, а-амінопропіонова кислота Ала
(СН3)2СН—СН—СООН ин2 Валін*, а-аміноізовалеріанова кислота Вал
(СН3),СНСН — СН— СООН МН, Лейцин*, а-аміноізокапронова кислота Лей
С Н 3С Н ,с н—СН— СООН 3 2| 1 сн3 мн2 Ізолейцин*, а-аміно-р-метилвалеріанова кислота Іле
носи,—СН—СООН 1 ьш2 Серін, а-аміно-р-гідроксипропіонова кислота Сер
сн,сн—СН—СООН 1 1 он мн2 Треонін*, а-аміно-р-гідроксимасляна кислота Тре
нооссн—сн—СООН ьін2 Аспарагінова кислота, амінобурштинова кислота Асп
н оосс н ,сн,—СН—СООН 1 мн2 Глутамінова кислота, а-аміноглутарова кислота Глу
Н2М(СН2)3_СН—СООН МН2 Орнітин, а,о-діаміновалеріанова кислота Орн
Н2М(СН2)—СН—СООН мн2 Лізин*, а,є-діамінокапронова кислота Ліз
Н,МСМН(СН,)3— СН— СООН II 1 мн МН2 Аргінін, а-аміно- 5-гуанідиновалеріанова кислота Арг
н,мссн,—сн— СООН II 1 0 мн2 Аспарагін, р-амід аспарагінової кислоти Асн
БІЛКИ
------------- 663
Закінчення табл. 35.1
Формула Назва Скорочене позначення
н,мссн,сн,—сн—соон II 1 0 ин2 Глутамін, у-амід глутамінової кислоти Глн
Н8СН-,—сн— СООН ин2 Цистеїн, а-аміно-р-меркаптопропіонова кислота Цис
8СН,—СН—СООН 1 ин2 8СН,—СН—СООН 1 ин2 Цистин, р,р'-дитіо- 6/с-а-амінопропіонова кислота Цис-8-8-Цис
СН38СН2СН — сн— соон мн2 Метіонін*, а-аміно-у-метилтіомасляна кислота Мет
Ароматичні амінокислоти
СН,— сн— соон мн2 Фенілаланін*, а-аміно-р-фенілпропіонова кислота Фен
но сн,—сн-соон ин2 Тирозин, а-аміно- р-(и-гідроксифеніл)-пропіонова кислота Тир
Гєтероциклічні амінокислоти
сн2—сн—соон Ґ^ІГу МН2 ^>^НН Триптофан*, а-аміно-р-індолілпропіонова кислота Три
сн,—сн—СООН N-7 І // \\ 1ЧН2 N 1 н Гістидин, а-аміно-р-імідазолілпропіонова кислота Гіс
О^СООН н Пролін, а-піролідинкарбонова кислота Про
Я о о о я Оксипролін, р'-гідрокси-а-піролідинкарбонова кислота Про-ОН
* Незамінні амінокислоти.
Глава 35
664
35.1.1. СТЕРЕОІЗОМЕРІЯ
Усі а-амінокислоти, крім гліцину, містять хіральний а-атом Карбону та існують у вигляді пари енантіомерів. Для позначення конфігурацій при хіральному центрі застосовують £>,/.-систему.
СООН СООН
н—|—гчн2 н2іч—|— н
к в
2)-а-амінокислота 1-а-амінокислота
а-Амінокислоти, які входять до складу білків тварини і людини, мають £-конфігурацію. Амінокислоти Д-ряду зустрічаються лише в небілкових компонентах рослин і грибів, а також синтезуються мікроорганізмами.
Деякі амінокислоти, що зустрічаються в білках, містять по два хіральних центри і можуть існувати у вигляді двох пар енантіомерів.
СООН
Н21Ч— — Н
н3с— — Н
СН2СН3
1-ізолейцин
соон
н2ім— —н
н— —он
сн3
1-треонін
Використання а-амінокислот £-ряду для біосинтезу білків має найважливіше значення у формуванні їхньої просторової структури та виявленні біологічної активності.
35.1.2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
а-Амінокислоти — це кристалічні речовини, що не мають чітких температур плавлення і розкладаються при температурі вище 200°С. Вони нерозчинні в неполярних органічних розчинниках, але помітно розчинні у воді. У кристалічному стані і водних розчинах амінокислоти знаходяться у вигляді біполярних іонів (цвітер-іонів, внутрішніх солей). Можливість утворення останніх пов’язана з амфотерністю амінокислот, зумовленою наявністю в їх молекулі кислотної —СООН і основної —ЙН2 груп.
У водному розчині а-амінокислоти існують у вигляді рівноважної суміші, що складається з цвітер-іонів, катіонної та аніонної форм:
Н^—СН—СОО- «тгт» І
В.
аніонна форма
н3іч—сн—соо-
в
біполярний іон; цвітер-іон
Н + +
щм—сн—соон І в
катіонна форма
Положення такої рівноваги суттєво залежить від рН середовища: у сильно-кислому середовищі (рН = 1...2) переважає катіонна форма, у сильнолужному (рН = 13... 14) — аніонна. Якщо розчин амінокислоти помістити в електричне поле, то в кислому середовищі молекули переміщаються до катода (катіонна форма), а в лужному — до анода (аніонна форма). Проте для кожної амінокислоти
БІЛКИ
665
існує характерне значення рН, при якому молекули не переміщаються в електричному полі. При цьому значенні рН, яке називається ізоелектричною точкою (р7), амінокислота перебуває у вигляді цвітер-іонів і в цілому електронейтральна. Ізоелектрична точка залежить від співвідношення кількостей кислих та основних груп у молекулі: р/кислих амінокислот має значення менше 7, тому шо в кислому середовищі пригнічується іонізація другої карбоксильної групи і відповідно рі основних амінокислот знаходиться в ділянці більше 7, тому що в лужному середовищі стримується протонування другої аміногрупи.
35.1.3. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
Раніше (див. с. 486) були розглянуто загальні методи добування амінокислот, у тому числі а-амінокислот. У процесі синтезу утворюється рацемічна суміш (±)-а -амінокислот, розділення якої на оптичні антиподи проводять за допомогою хімічних і ферментативних методів (див. с. 81).
Найбільш використовуваний хімічний метод розщеплення рацематів а-амінокислот ґрунтується на утворенні діастереомерних солей М-ацильних похідних (±)-а-амінокислот з оптично активними основами бруцином або стрихніном. Унаслідок різної розчинності один з діастереомерів утворює осад, а інший, більш розчинний,— залишається в розчині. Розділені діастереомерні солі потім розкладають до а-амінокислот.
Ферментативний метод розщеплення побудований на гідролізі М-ацил-а-амінокислот ацилазами або естерів а-амінокислот — естеразами.
Гідроліз білків. а-Амінокислоти добувають лужним, кислотним або ферментативним гідролізом білків. При кислотному гідролізі відбуваються також побічні реакції, наприклад: глутамін та аспарагін гідролізуються до глутамінової та аспарагінової кислот, а триптофан руйнується. Лужний же гідроліз приводить до рацемізації а-амінокислот. Тому найбільше використовується ферментативний метод гідролізу. Розділення а-амінокислот у білкових гідролізатах проводять за допомогою іонообмінної хроматографії.
Мікробіологічний синтез. Деякі мікроорганізми в процесі своєї життєдіяльності продукують певні а-амінокислоти. Ці мікроорганізми вирощують на багатих вуглеводами середовищах — крохмалі, меласі, патоці і под. Таким способом добувають аспарагінову та глутамінову кислоти, триптофан, лізин тощо.
35.1.4. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ а-АМІНОКИСЛОТ
Раніше (див. с. 487, 488) були розглянуті хімічні властивості амінокислот. Розглянемо реакції, що використовуються в аналізі а-амінокислот, синтезі пептидів або покладені в основу перетворень а-амінокислот в організмі.
РЕАКЦІЇ, ЯКІ ПРОХОДЯТЬ ЗА УЧАСТІ АМІНОГРУПИ
Утворення М-ацильних похідних амінокислот. При взаємодії а-амінокислот з ангідридами або хлорангідридами карбонових кислот утворюються М-ацильні похідні, які відносно легко руйнуються до вихідних а-амінокислот. Саме тому реакція ацилювання використовується для блокування (захисту) аміногрупи при синтезі пептидів. Як ацилюючі агенти використовують бензоксикарбонілхлорид (а) або тре/и-бутоксикарбоксазид (б):
Глава 35
666
Н2И—СН—СООН
а-амінокислота
<_6ІІ — СН2О—С — МН— СН— СООН (СН3)3СО —С — МН— СН— СООН
В
а-амінокислота із захищеною аміногрупою
Захисну карбобензоксигрупу видаляють каталітичним гідрогенолізом або дією розчину бромоводню в оцтовій кислоті на холоді:
н2 (Ра)
----------------►
-с()нчсн,; -со.
н2м—СН—СООН
с6н —сн2о—с—МН—СН—СООН
а-амінокислота
НВг (СН3СООН)
-----------------►
—С(іН$СН2Вг; -СО2
Н2И—СН—СООН
Т/гею-бутоксикарбонільну групу руйнують дією трифлуороцтової кислоти:
І II рр СООН /
Н3С—С—О—С —МН—СН—СООН в—сн— соон+н2с=с'
сн.
мн2
сн3
Дезамінування. а-Амінокислоти під дією нітритної кислоти перетворюються у відповідні а-гідроксикислоти:
В—СН—СООН + нмо2
в—сн—СООН + М2І + Н2О
мн2
а-амінокислота
он
а -гідроксикислота
Ця реакція застосовується в аналітичній практиці (метод Ван-Слайка). За об’ємом азоту, який виділився, визначають кількісний склад а-амінокислоти.
В організмі а-амінокислоти піддаються окисному дезамінуванню. Реакція відбувається під дією ферментів оксидаз і окисного агента — коферменту НАД+:
в—сн—соон » В—С—СООН ”2°-> в—С—СООН
І -2Н II -КНз II
мн2
мн
а-амінокислота
а-імінокислота
а-кетокислота
Трансамінування (переамінування). Процес проходить тільки в живих організмах. Реакція відбувається за участі ферментів трансаміназ і коферменту піридок-сальфосфату між а-аміно- і а-кетокислотами і зводиться до взаємообміну аміно-і карбонільною групами:
БІЛКИ ------------------------------------------------------------ 667
соон соон соон соон
н,іч—с—н 2 1 + с=о с=о н^—с— н
1 1 + 1
сн2 сн2 1 2 сн2 сн, 1 2
соон сн, 1 2 соон сн, 1 2
соон соон
аспарагінова а-кетоглутарова щавлевооцтова глутамінова
кислота кислота кислота кислота
Взаємодія з карбонільними сполуками. Формальдегід реагує з а-амінокислотами у водному розчині з утворенням N-гідроксиметильних похідних.
Реакція лежить в основі кількісного визначення а-амінокислот методом формального титрування за Серенсеном.
в.—сн—соон + н2с=о —► к—сн— соон
І І
кн2 гш—сн— он
а-амінокислота формальдегід а-гідроксиметильна похідна
Інші альдегіди і кетони реагують з а-амінокислотами з утворенням основ Шиффа:
К—СН—СООН + О = СН—К —► К—СН— СООН + Н2О
ИН2 М=СН — Я
а-амінокислота основа Шиффа
Взаємодія з фенілізотіоціанатом (реакція Едмана). При взаємодії а-амінокислот з фенілізотіоціанатом утворюються похідні З-феніл-2-тіогідантоїну. Спочатку в присутності лугу відбувається приєднання фенілізотіоціанату по аміногрупі а-амінокислоти, а потім при нагріванні отриманого продукту приєднання в присутності мінеральної кислоти відбувається циклізація з утворенням похідної фе-нілтіогідантоїну (ФТГ-похідна):
к—сн— соон
Т4Н2 + он-г
і г4
8ІС=И—СН,
8+ 65
в—сн—с;
І < \>н
Н
8=С—
с6н,
Н+; і
-Н2О
ФТГ-похідна
фенілізотіоціанат
Реакція використовується для встановлення будови пептидів (деградація за Едманом).
Взаємодія з 2,4-данітрофлуоробензеном (реактив Сенгера). Використовується для встановлення будови пептидів. При взаємодії а-амінокислот з 2,4-Динітрофлуо-робензеном (ДНФБ) утворюється М-динітрофенільна похідна (ДНФ-похідна):
Глава 35
668
___/К02 СООН
°2М \ /—ЬЇН—СН + НЕ к
ДНФ-похідна
Реакція перебігає за механізмом (див. с. 262).
РЕАКЦІЇ, ЯКІ ПЕРЕБІГАЮТЬ ЗА УЧАСТІ КАРБОКСИЛЬНОЇ ГРУПИ
Утворення хелатних сполук. Характерною особливістю а-амінокислот є здатність утворювати міцні хелати — комплексні солі з іонами важких металів:
2 І
^С\
о он
Си2+
-2Н+>
мідна сіль а-амінокислоти
а-амінокислота
Незначна розчинність і інтенсивне забарвлення хелатів Купруму(ІІ) дозволяє використовувати їх в аналітичній практиці для виявлення а-амінокислот.
Утворення естерів. а-Амінокислоти при взаємодії зі спиртами утворюють естери:
СООН СООК' СООК'
НС—К + К'ОН НС—К НС—к
мн2 +МН3СГ мн2
а-амінокислота спирт естер
Естери а-амінокислот розчинні в органічних розчинниках, леткі та добре переганяються. Ці їх властивості використовуються при розділенні суміші а-амінокислот у білкових гідролізатах. Для цього а-амінокислоти спочатку естери-фікують, а потім отримані естери піддають перегонці. Нині для розділення суміші естерів а-амінокислот застосовують метод газорідинної хроматографії (ГРХ). Ця реакція слугує також зручним методом захисту карбоксильної групи при синтезі пептидів.
Утворення галогенангідридів і ангідридів. Аналогічно карбоновим кислотам а-амінокислоти утворюють галогенангідриди та ангідриди (см. с. 412). Перед проведенням реакції здійснюють попередній захист аміногрупи (утворення ТЧ-ацильних похідних).
Декарбоксилювання. а-Амінокислоти відносно легко декарбоксилюються:
Ва(ОН),; і
к—сн—соон — ' » к—сн,—мн,
| -со2
мн2 амін
БІЛКИ
669
35.1.5. ІДЕНТИФІКАЦІЯ а-АМІНОКИСЛОТ
Нінгідринова реакція. Для виявлення а-амінокислот використовується реакція з нінгідрином (див. с. 488), унаслідок якої утворюється продукт, забарвлений у синьо-фіолетовий колір з максимумом поглинання в ділянці 570 нм:
к
І н^—сн—соон
-С02; -КСНО; -ЗН2О
нінгідрин
барвник
Нінгідриновий реактив застосовується в хроматографічному аналізі для проявлення хроматограм на папері та у тонкому шарі сорбенту, а також для кількісного колориметричного визначення а-амінокислот.
Ксантопротеїнова реакція. Для виявлення а-амінокислот, що містять у структурі ароматичні цикли, використовують реакцію з концентрованою нітратною кислотою. У результаті нітрування ароматичного циклу а-амінокислот утворюється нітропохідна, забарвлена в жовтий колір.
35.2. БУДОВА ПЕПТИДІВ І БІЛКІВ
а-Амінокислоти внаслідок взаємодії аміно- і карбоксильних груп здатні до поліконденсації. Поліаміди, які утворюються, називають пептидами'.
Н?\—СН—СООН + ІІ;МІ—СН—СООН + ... + Н^Н—СН—СООН —►
К К К"
—► н^—СН—СО—\Н—СН—СО— ... — N4—СН— СООН
' І І І
К К' К"
пептид
Групу—С(О)—МН— між двома а-амінокислотними фрагментами називають пептидною групою. Зв’язок С—N. за допомогою якого залишки а-амінокислот сполучені в пептидах і білках, називають пептидним зв’язком. Атом Карбону пептидної групи (рис. 35.1) знаходиться в ^-гібридизованому стані. Неподілена пара електронів атома Нітрогену взаємодіє з л-електронами карбонільної групи (р,л-кон’югація), унаслідок чого подвійний зв’язок С=О трохи подовжується (124 нм замість 121 нм звичайного зв’язку), а зв’язок С—N дещо вкорочується (0,132 нм замість 0,146 нм) і, відповідно, набуває значною мірою характеру подвійного зв’язку, обертання навколо якого утруднене. Отже, електронна будова зумовлює жорстку площинну структуру пептидної групи.
Наявність пептидної групи в молекулах пептидів і білків підтверджується бі-уретовою реакцією: при взаємодії з лужним розчином купрум(П) сульфату утворюється фіолетове забарвлення (див. с. 496).
Залежно від кількості амінокислотних залишків пептиди поділяють на ди-, три-, тетрапептиди і т. д. Пептиди з молекулярною масою менше 10 000 умовно
Глава 35
670
Рис. 35.1. Будова пептидної групи
відносять до поліпептидів, а більше 10 000 — до білків. Тому між білками і пептидами важко провести чітку межу, проте білки мають складнішу структуру.
При величезному різноманітті в природі білків і пептидів будова їх поліпеп-тидного (поліамідного) ланцюга ідентична. Вона складається з пептидних (СОІЧН) і метанових (СН) груп, які чергуються. На одному кінці ланцюга знаходиться амінокислота з вільною аміногрупою (^-кінцева амінокислота), а на іншому — з вільною карбоксильною групою (С-кінцева амінокислота). Пептидні і білкові ланцюги прийнято записувати так, щоб М-кінцева амінокислота знаходилася зліва, а С-кінцева амінокислота — справа:
Пептидні групи
.............х................
—СН-г-СО—N Н -І-СН-І-СО—N Н -^-СН—СООН
І * ! І І
N-кінцева амінокислота С-кінцева амінокислота
трипептид
Назви пептидів утворюються шляхом послідовного перерахування всіх амінокислот, починаючи з М-кінцевої амінокислоти, причому назви амінокислот, крім останньої, набувають суфікса -ил (-іл). За цією послідовністю пишуть і скорочені позначення:
Н2М—СН—СО—Г'Ш—СН—СО—МН—СН2—СООН
СН3 (СН2)2— соон
Аланілглутамілгліцин; Ала-Глу-Глі
БІЛКИ
Рис. 35.2. Схема а-спіральної конформації поліпептидного ланцюга
Певну послідовність а-амінокислот, які входять у цей поліпептидний ланцюг, називають первинною структурою пептиду або білка.
Зміна амінокислотної послідовності приведе до порушення або зникнення біологічної активності білка. Білки відрізняються від пептидів більш складним рівнем структури. У структурній організації білків, крім первинної, вирізняють вторинну, третинну і четвертинну структури.
Вторинною структурою білка називають просторове розташування (просторове укладання) атомів основного поліпептидного ланцюга.
Розрізняють два типи вторинної структури білків — а-спіраль і складчасту ^-структуру.
а-Спіраль має просторову форму, подібну до правозакручених гвинтових сходів (рис. 35.2). Оскільки вона побудована з ділянок (—МН—СН—С(О)—), які । 0 5 нм । ।
повторюються, то розміри її досить сталі. На один виток спіралі припадає приблизно 3,6 амінокислотного залишку, що відповідає лінійній відстані вздовж осі спіралі 0,54 нм. Діаметр спіралі дорівнює 0,5 нм. Крок спіралі (відстань між однаковими атомами) становить 0,15 нм.
У формуванні спіральної структури головну роль виконують водневі зв’язки, що утворюються між групами С=О і МН, розділеними трьома амінокислотними залишками. Водневі зв’язки майже паралельні осі спіралі, а оскільки кожна група С=О і МН а-спіралі бере участь в утворенні водневого зв’язку, то це робить конформацію досить стійкою.
Найчастіше поліпептидні ланцюги в білках спіралізуються не повністю. Наприклад, залишки проліну та оксипроліну не містять атомів Гідрогену в пептидній групі і відповідно не бе
руть участі в утворенні водневих зв’язків: поліпептидний ланцюг на цих ділянках просто зігнутий. Ізопропільна група валіну також створює стеричні перешкоди для спіралізації.
Іншим типом вторинної структури є так звана складчаста Р-структура, в якій окремі поліпептидні ланцюги в зиґзаґоподібній конформації покладені паралельно один до одного і сполучені між собою численними водневими зв’язками. Якщо поліпептидні ланцюги мають однаковий напрям від М- до С-кінця, то утворюється паралельна складчаста Р-структура, а якщо протилежний — антипаралельна (рис. 35.3). У Р-струкгурі бокові групи амінокислотних залишків знаходяться вище і нижче умовної площини, проведеної через структуру.
Поліпептидний ланцюг, який має той чи інший тип вторинної структури, здатний певним чином скручуватися в просторі, що і визначає третинну структуру білка, тобто загальну форму поліпептидного ланцюга.
Третинна структура, крім водневих зв’язків, стабілізується іонними (між додатковими карбоксильними і аміногрупами) та ковалентними (дисульфідні
Глава 35
672
-кінець
-кінець
-кінець
С-кінець
Т "С\’
К<£----------------
н*"’ /С=О., Н*' /С=О і С н х н Єт---------Є~ 1 / >к / >к
о=с О=<,
ЙУС/______Кксх
н*"' /С=О Н4"" 0
-Гїґ уН ’’Н-И^ /Н -----Єт----------с
о-
н*"’ /С=О.. Н*' хс=о к Г X Н X Н
-----€<------- о=сх р .о=с р
_____Р<сх
Н""" ^с=о._ хс=о
X I
о=с
/ 1 ••О=С^с>к/
>2=0 н-м "*н\ \ V *н Н"» =С
-----^єС-—-^о-----
0=0
/ Кчс/ 0= хС>к/
\ Н«'“ >2=0—Н мх ’М -\н- іС Н* ^с=с
----єС-----------
‘0=0.
(-‘--О------------
\н*" /С=0—
\н .
Н----тЄс
0=0
---
С-кінець
-кінець
0=
>2=0- ЯҐ ЧН
(‘-кінець -кінець
N
Рис. 35.3. Ділянки складчастої р-структури: а — паралельна; б — антипаралельна
містки в цистині) зв’язками, а також гідрофобною взаємодією (вандерваальсові сили притягання між неполярними боковими групами амінокислотних залишків) (рис. 35.4).
Третинна структура білка формується також під впливом водного середовища клітини, шо пов’язано зі здатністю води гідратувати деякі гідрофільні бокові групи амінокислотних залишків і зміщути всередину білкової молекули гідрофобні групи.
Четвертинна структура білка належить до макромолекул, до складу яких уходять кілька поліпептидних ланцюгів (субодиниць), сполучених між собою некова-лентними зв ’язками.
Для виявлення пептидом специфічних функцій в організмі необхідно відтворити лише його первинну структуру, а у випадку білка — відтворити всі його конформаційні особливості (див. рис. 35.5).
Особливе місце в розвитку хімії білків посідає визначення поліпептидної структури гормонів — вазопресину, окситоцину та інсуліну. У 1953 році американський біохімік Вінсент Дю Віньо розшифрував будову гормонів гіпофіза окситоцину і вазопресину. Він установив, що спільним структурним елементом цих
БІЛКИ
673
Рис. 35.4. Взаємодії, які визначають структуру білка
гормонів є пептид з дев’яти амінокислотних залишків з дисульфідним зв’язком —8—8— (між четвертим і дев’ятим). Зазначені гормони відрізняються лише двома амінокислотними фрагментами: замість лейцину та ізолейцину в окситоци-ні (а) вазопресин (б) містить аргінін і фенілаланін:
1234 56 789
а) Н2К—Глі —Лей—Про—Цис—Асн—Глн— Іле —Тир — Цис — СООН
8-------------------8
1234 567 89
б) Н2К—Глі —Арг — Про—Цис—Асн—Глн—Фен—Тир — Цис—СООН
8-------------------8
При цьому окситоцин викликає скорочення гладенької мускулатури, зокрема матки, а вазопресин підтримує баланс рідини в організмі.
Десять років (1943—1953) знадобилося англійському біохіміку Фредеріку Сен-геру для розшифровки структури гормону підшлункової залози — інсуліну. Він установив, що молекула складається з двох поліпептидних ланцюгів, зв’язаних між собою дисульфідними містками: А-ланцюг містить 21 амінокислотний залишок
Глава 35
Рис. 35.5. Рівні структури білка гемоглобіну а — первинна; б — вторинна; в — третинна; г — четвертинна
і додатковий дисульфідний зв’язок, завдяки якому інсулін у просторі утворює петлю, а Б-ланцюг — ЗО залишків (рис. 35.6).
Глі-Іле-Вал-Глу-Глн ц'/ І
Цис Вал
*Ала___Сер*
Лей
Гіс
ГІ
Глу
Асн
І
Вал-Фен
Сер
Сер-Лей-Тир-Глн-Лей-Глу-Асн-Тир-Цис-Асн
Цис
Лей-Вал
Лей—Ти р—Лей—Вал—Цис—Гл і
Ала/ І
І
Глу
Арг
__________________________ Глі
Ала—Ліз—Про—Тре—Тир-Фен—Фен
А
Б
Рис. 35.6. Будова бичого інсуліну
Граміцидин С
У 1963—1964 році було синтезовано обидва поліпептидні ланцюги інсуліну. Інсулін різних видів тварин і людини відрізняється за будовою. Ці структурні відмінності припадають на ділянку 8—10 ланцюга А. Інсулін регулює вміст глюкози в крові, нестача його в організмі спричиняє цукровий діабет.
До поліпептидів належать деякі широко вживані антибіотики. Граміцидин С — циклічний декапептид, що використовується для лікування захворювань, спричинених стрептококами, пневмококами тощо, містить, крім амінокислотних залишків £-ряду, два залишки Л-фенілаланіну.
БІЛКИ
675
35.3. СИНТЕЗ ПЕПТИДІВ
В основі синтезу пептидів лежить процес утворення пептидного (амідного) зв’язку між карбоксильною групою однієї а-амінокислоти та аміногрупою — іншої.
Н2ЬГ—СН—СООН + ІІ\Н—СН—СООН—►
К. В'
—► Н2М—сн—со—\н—сн—СООН + НОН
К В'
дипептид
Однак через диполярну природу а-амінокислот (цвітер-іонна структура) проведення реакції вимагає високого температурного режиму, який сприяє різним небажаним побічним процесам (наприклад, циклізації з утворенням дикетопіпе-разинів, див. с. 488). У процесі синтезу виникають складності, пов’язані з необхідністю сполучати залишки а-амінокислот у певній послідовності. Наприклад, при взаємодії гліцину та аланіну можливе утворення чотирьох дипептидів:
г—► Н2МСН2СОМНСН(СН3)СООН
Глі-Алл
МН2
N4
сн2 + Нзс—сн
Н,МСН(СН3)СОМНСН2СООН
Ала-Глі
СООН гліцин
соон
аланін
Н2?^СН2СО?4НСН2СООН
Глі-Глі
1—► Н2МСН(СН3)СОМНСН(СН,)СООН
Аиа-Ала
Тому для проведення цілеспрямованого синтезу слід створити такі умови, за яких одна з амінокислот реагувала би зі своєю карбоксильною групою, а інша — з аміногрупою. З цією метою здійснюють захист функціональних груп (—МН2 та —СООН), які не беруть участі в утворенні пептидного зв’язку. Захисні групи обирають так, щоб потім кожну з них незалежно одна від одної можна було легко видалити, не руйнуючи при цьому пептидного зв’язку.
Для захисту аміногруп використовують реакцію ацилювання, найчастіше бенз-оксикарбонілхлоридом або /пре/и-бутоксикарбоксазидом. Важливою властивістю карбобензокси- і /мре/и-бутоксикарбонільних груп є те, що вони надійно захищають хіральний центр амінокислот від рацемізації. Карбобензоксигрупу видаляють каталітичним гідрогенолізом, а трет-бутоксикарбонільну — за допомогою три-флуороцтової кислоти. Для захисту карбоксильної групи використовують реакцію естерифікації.
Для підвищення ефективності процесу амідування здійснюють активацію карбоксильної групи N-заміщеної амінокислоти шляхом перетворення її в хлорангідрид або в змішаний ангідрид (частіше взаємодією з етилхлороформіатом).
Глава 35
676
Схема синтезу дипептиду аланілгліцину.
1. Захист аміногрупи аланіну
СЛЬ—СН,—О—С + СН,—СН—СООН '-------------------►
СІ 1
ин2 0
бензоксикарбонілхлорид аланін
—► ель— сн,—о— с—мн—сн— СООН + неї
0 0 2 ।
сн3
ЬІ-захищений аланін
2. Активація карбоксильної групи N-захищеного аланіну
ель—сн,—о—с—МН—СН—СООН +
О о 2 і
СН3 ТЧ-захищений аланін О
сі—с—ос,н II о етилхлороформіат
ель— сн,—о—с—мн—сн—с—о—С—ос,н5 + неї
0 О 2 І II II * З
сн3 о о
М-захищений аланін з активованою карбоксильною групою
3. Захист карбоксильної групи гліцину
Н^—СН—СООН + С2Н5ОН Н2М—СН,— С — ОС2Н5 + НОН
О
ГЛІЦИН гліцин
з захищеною карбоксильною групою
4. Утворення пептидного зв’язку і зняття захисту
ель— сн,—О—С—N н—сн—с—о—є—ос,н
6 5 2 II І II II 2
о сн3 о о
н,м—снс— ос,н5
- II о
-С2Н5ОН; -СО2
—► ель—сн,—о—с—мн—єн
О О 2 II І
с—N Н -нСН,— С — ОС2Н5
сн3
-С6Н5—сн3; -со2 нура -с2н5он Н2О (ОН")
Н2М—снн-со—мнн-сн2—с — ОН
сн3
Ала-Глі
О
О
о
О
о
Синтез пептидів за наведеною схемою досить складний і трудомісткий.
БІЛКИ
677
У 1962 році Роберт Брюс Мерріфілд запропонував більш досконалий метод добування пептидів, так званий твердофазний синтез. Суть останнього полягає в тому, що поліпептидний ланцюг нарощується на твердому носії без виділення проміжних продуктів синтезу. Пептид, фіксований на носії, після кожної стадії ретельно промивають від надлишку реагентів і побічних продуктів. Відщеплюють кінцевий продукт від носія за допомогою суміші бромідної і трифлуороцтової кислот.
Як твердий носій використовують зерна полімерної смоли, яка містить хлоро-метильні (—СН2С1) групи, названі якірними групами, з якими реагує карбоксильна група М-захищеної а-амінокислоти. Унаслідок взаємодії відбувається фіксація С-кінця майбутнього поліпептиду на поверхні носія. Аміногрупу, як правило, захищають /мреді-бутоксикарбонільною групою (БОК), яка легко видаляється дією трифлуороцтової кислоти. Пептидний зв’язок утворюється в присутності активатора карбоксильної групи — М,ЬІ'-дициклогексилкарбодііміду (ДЦГК) С6Нц—1Ч=С=М—С6Нн. Широке використання цієї речовини пов’язано з легкістю добування, простотою застосування, а також швидкістю та ефективністю перебігу реакції конденсації в його присутності:
пептид —СН— N14,+ НООС—СН—ИН— БОК + СбНп— И=С = К— С6Н(| —►
к к
ТЧ-кінець пептидного ланцюга ТЧ-захищена а-амінокислота ДЦГК
—► пептид —СН— N Н—с—СН— МН— БОК + С,Н,N11 — С — N Н — С6Н,,
І II І 6 11 II 6 И
КОК о
N ,ЬГ -дициклогексилсечовина
Нині твердофазний синтез пептидів проводять у спеціальних синтезаторах, де всі етапи здійснюються автоматично з запрограмованою подачею відповідних а-амінокислот.
35.4. СКЛАДНІ БІЛКИ (ПРОТЕЇДИ)
Залежно від структури білки поділяють на прості (протеїни) і складні (протеїди). Останні, крім білка, містять у своїй структурі хімічно зв’язану з ним простетичну групу — небілкову частину молекули. За природою простетичної групи протеїди поділяють на ліпопротеїди, нуклеопротеїди, глюкопротеїди, хромопротеїди, фосфо-протеїди та металопротеїди.
Ліпопротеїди як простатичні групи містять ліпіди, нуклеопротеїди — нуклеїнові кислоти, глікопроте'їди — вуглеводи, хромопротеїди — пігменти, фосфопротеїди — фосфатну кислоту, металопротеїди — метали.
Існують також складні білкові комплекси, до складу яких одночасно входять білки, ліпіди і вуглеводи, названі гліколіпопротеїдами. Вони містяться в сполучній тканині, клітинних стінках бактерій тощо.
Залежно від просторової форми молекул білки поділяють на глобулярні та фібри-лярні. Глобулярні білки мають сферичну або еліпсоїдну форму, фібрилярні — складаються з витягнутих ниткоподібних макромолекул, які називають протеноїдами.
Глобулярні білки (альбумін, глобулін) малостійкі до дії температури, кислот і лугів, а фібрилярні (білки волосся, нігтів, епідермісу; білки сполучної, кісткової, хрящової тканини тощо) дуже стійкі.
Глава 35
678
Під впливом багатьох чинників (підвищеної температури, зміни рН середовища, УФ- і у-випромінювання тощо) відбувається руйнування просторової форми білків при збереженні первинної структури. Цей процес називається денатурацією білка (рис. 35.7).
Рис. 35.7. Денатурація білка: а — а-спіраль; б — денатурований білок
Денатурація є здебільшого необоротним процесом і призводить до втрати біологічних функцій білків. Приклад теплової денатурації — «зсідання» яєчних білків при варінні яєць. При денатурації відбувається розрив водневих зв’язків, які стабілізують просторову форму білка. Денатурований білок утрачає розчинність, унаслідок чого первісна просторова форма його не може бути відновлена. Денатурація може спричинятися утворенням нерозчинних солей білків. Це відбувається при отруєнні солями важких металів (Н§, РЬ тощо). Як протиотруту в таких випадках використовують білки з підвищеним вмістом кислотних груп, наприклад яєчний альбумін. Виконуючи роль конкурента, ці білки зв’язують метали з утворенням нерозчинних солей, які виводяться з організму.
Глава 36
НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ
Нуклеїновими кислотами (полінуклеотидами) називають біополімери, які здійснюють збереження та передачу генетичної інформації в усіх живих організмах, що безпосередньо беруть участь у біосинтезі білка.
Нуклеїнові кислоти (від лат. писіеиз — ядро) уперше виявив 1868 року швейцарський хімік Йоганн Фрідріх Мішер у ядрах клітин. Пізніше аналогічні речовини було знайдено в протоплазмі клітин.
Вони входять до складу складних білків — нуклеопротеїдів, які містяться в усіх клітинах організму людини, тварин, рослин, бактерій і вірусів. Кількість нуклеїнових кислот у різних нуклеопротеїдах, крім вірусних, коливається в межах від 40 до 65%.
36.1. БУДОВА НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ
Нуклеїнові кислоти, подібно до білків, є високомолекулярними органічними сполуками, але на відміну від білків, які утворюють при гідролізі а-амінокислоти, мономерними одиницями нуклеїнових кислот є нуклеотиди. Тому нуклеїнові кислоти називають ще полінуклеотидами.
Мономери нуклеїнових кислот — нуклеотиди — мають також досить складну будову. При гідролізі нуклеотидів утворюються вуглевод, фосфатна кислота та гетероциклічні основи.
Хімічна структура, що складається з вуглеводу і гетероциклічної основи, називається нуклеозидом.
У цілому гідроліз нуклеїнових кислот можна зобразити схематично:
Залежно від природи вуглеводу, який уходить до складу нуклеотидів, нуклеїнові кислоти поділяють на два види — дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК), що містять вуглевод 2-дезокси-Д-рибозу, і рибонуклеїнові кислоти (РНК), які включають вуглевод /)-рибозу.
2-Дезокси-Д-рибоза та 7)-рибоза входять до складу нуклеїнових кислот У 0-фуранозній формі:
Глава 36
ХО -------------------------------------------------------------------------------
2 - де зо кс и - /)-рибоза; 2-дезокси-р -Р-рибофураноза
Л-рибоза; р -Л-рибофураноза
Гетероциклічні основи, які входять до складу нуклеїнових кислот, є похідними пурину та піримідину. До основ групи пурину належить аденін (А)1 і гуанін (О):
о
аденін (А);
6-амінопурин
гуанін (6);
2-аміно-6-оксопурин
Основами групи піримідину є урацил (V), тимін (Т), цитозин (С):
урацил (С); тимін (Т);
2,4-діоксопіримідин 5-метил-2,4-діоксопіримідин
цитозин (С);
4-аміно-2-оксопіримідин
До складу ДНК входять аденін, гуанін, цитозин і тимін, до складу РНК — аденін, гуанін, цитозин, урацил. Для гуаніну, урацилу, тиміну і цитозину характерна лактам-лактимна таутомерія:
лактамна форма
лактимна форма
гуанін лактамна форма
н—о
лактимна форма
До складу нуклеїнових кислот можуть уходити гіпоксантин, метальні похідні урацилу і гуаніну, гідровані похідні урацилу тощо.
дигідроурацил (УН2)
1 -М-метилгуанін (м‘Г)
О Нх
(СН3)2И
2-1Ч,К -диметилгуанін (м2Г)
1 Для зручності нуклеїнові основи прийнято позначати однолітерними символами.
НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ
681
У нуклеїнових кислотах органічні основи сполучені М-глікозидним зв’язком із залишком 2)-рибози чи 2-дезокси-2)-рибози. Глікозидний зв’язок здійснюється за рахунок напівацетального гідроксилу моносахариду (С-Г)1 і атома Гідрогену при N-1 у піримідинових або N-9 у пуринових основах.
V-////. и які складають । • </ ’яткії- гетершіик ячних ,<<//•
2-<)екіксі- П-рибози. паипкпоіні, іі\і~ ієн икіами.
Залежно від природи вуглеводного залишку розрізняють рибонуклеозиди і дез-оксирибонуклеозиди.
О
дезоксирибоза дезоксирибонуклеозид
Назви нуклеозидів утворюють аналогічно назвам глікозидів. Так, нуклеозид, який складається з рибози та урацилу, називають Р-урацилрибофуранозидом, нуклеозид з дезоксирибози та аденіну — Р-аденіндезоксирибофуранозидом і т. д. Проте частіше застосовують назви, які для рибонуклеозидів утворюють із ////^ а.іьних наш відповідних гетероциклічних основ із закінченням -идин (-ідин) у піримідинових і -озин у пуринових нуклеозидів:
ОН ОН ОН ОН ОН ОН ОН ОІ
уридин цитидин аденозин гуанозин
1 Для розрізняння атомів Карбону рибози і дезоксирибози від атомов Карбону, які входять до складу пуринових і піримідинових основ, перший прийнято позначати символом «штрих», наприклад С-3'.
Глава 36
682
У назвах дезоксирибонуклеозидів додатково вводиться префікс дезокси-: дез-оксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин. Виняток: назва нуклеозиду, що складається з дезоксирибози та тиміну,— тимідин (замість дезокситимідину).
тимідин дезоксицитидин
дезоксиаденозин дезоксигуанозин
Будучи ?4-глікозидами, нуклеозиди в кислому середовищі піддаються гідролізу. Пуринові нуклеозиди гідролізуються дуже легко, піримідинові — важче.
У нуклеїнових кислотах гідроксильна група біля С-5' або С-3' пентозного залишку нуклеозиду естерифікована фосфатною кислотою.
Структурна одиниця нуклеїнових кислот, що складається з залишків нуклеозиду і фосфатної кислоти, називається нуклеотидом.
Залежно від природи пентози розрізняють рибонуклеотиди та дезоксирибону-клеотиди.
О
ОН н дезоксирибонуклеотид
У номенклатурі нуклеотидів застосовують два підходи. З одного боку, їх розглядають як естери — монофосфати, а з іншого — як кислоти (табл. 36.1).
Таблиця 36.1
Номенклатура нуклеотидів
Назви нуклеотидів як монофосфатів Назви нуклеотидів як кислот
Аденозин-5'-монофосфат (АМФ) 5'-Аденілова кислота
Гуанозин-5'-монофосфат (ГМФ) 5'-Гуанілова кислота
Цитидин-5'-монофосфат (ЦМФ) 5'-Цитидилова кислота
Уридин-5'-монофосфат (УМФ) 5'-Уридилова кислота
Дезоксиаденозин-5'-монофосфат (ДАМФ) Дезоксиаденілова кислота
Дезоксигуанозин-5'-монофосфат (ДГМФ) Дезоксигуанілова кислота
Дезоксицитидин- 5 '-монофосфат (ДЦМФ) Дезоксицитидилова кислота
Тимідин-5'-монофосфат (ТМФ) Тимідилова кислота
НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ
683
О=Р —он
он
При гідролізі нуклеїнових кислот поряд з нуклеозид-5'-фосфатами утворюються також нуклеозид-З'-фосфати.
Положення залишку фосфатної кислоти визначається місцем розриву фосфодіестерового зв’язку між сусідніми нуклеотидами.
Нуклеїнові кислоти є продуктами полімеризації мононуклеотидів. Нуклеотиди зв’язуються в довгі ланцюги за допомогою фосфодіестерових зв’язків, які утворюються за участі гідроксилу при С-3' попередньої нуклеотидної ланки і гідроксилу при С-5' наступної нуклеотидної ланки:
аденозин-3' -монофосфат;
З'-аденілова кислота
Мононуклеотиди, динуклеотиди та їх похідні присутні в клітинах також у вільному вигляді і відіграють важливу роль в обміні речовин. У всіх тканинах організму, поряд з нуклеозидмонофосфатами, містяться ди- і трифосфати нуклеозидів.
Особливо широко відомі аденозин-5'-фосфат (АМФ), аденозин-5'-дифосфат (АДФ) і аденозин-5'-трифосфат (АТФ). Ці нуклеотиди здатні взаємоперетворюва-тися шляхом фосфорилювання (приєднання одного або двох залишків фосфатної кислоти до АМФ) або дефосфорилювання (відщеплення одного або двох залишків фосфатної кислоти від АТФ). При дефосфорилюванні виділяється значна кількість енергії, яка використовується в організмі для перебігу тих чи інших біологічних процесів, наприклад у біосинтезі білка.
Глава 36
-84
аденозинмонофосфат (АМФ)
।аденозиндифосфат (АДФ)।
аденозинтрифосфат (АТФ)
Зв’язок О~Р між залишками фосфатної кислоти в молекулах нуклеозидполі-фосфатів є макроергічним зв ’язколг, при розриві якої виділяється значна кількість енергії. Тому АТФ у багатьох біохімічних процесах виконує роль постачальника енергії.
36.2. РИБОНУКЛЕЇНОВІ (РНК) І ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕЇНОВІ (ДНК) КИСЛОТИ
Нуклеїнові кислоти — це високомолекулярні гетерополімери, які складаються з залишків фосфатної кислоти і рибози або дезоксирибози, що чергуються, сполучених з гетероциклічними основами, які виступають у полімерному ланцюзі як «бокові групи» (рис. 36.1).
1 Макроергічними прийнято вважати ті зв’язки, при розриві яких виділяється не менше 20 кДж/моль енергії.
НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ
685
( Р ) — залишок 4 ' фосфатної кислоти
8 ))—цукрова частина їх&г (залишок рибози в РНК
або дезоксирибози в ДНК)
І ОН
залишок гуаніну
залишок ти мі ну
залишок аденіну
Рис. 36.1. Схема ділянки полінуклеотидного ланцюга молекули нуклеїнової кислоти
Певна послідовність нуклеотидних ланок у полінуклеотидного ланцюга називається первинною структурою нуклеїнових кислот.
Просторова орієнтація полінуклеотидних ланцюгів у молекулі називається вторинною структурою нуклеїнових кислот.
Уперше вторинну структуру ДНК у вигляді моделі з подвійною спіраллю (рис. 36.2) описали американський біохімік Джеймс Уотсон і англійський біохімік Френсіс Крік (1953).
Узагальнивши роботи Лайнуса Полінга, Олександра Толда, Ервіна Чаргаффа, Моріса Уілкінса та інших, вони дійшли висновку, що молекула ДНК має вигляд двох паралельних правозакручених спіралей (подвійна спіраль), фіксованих між собою вандерваальсовими силами притягання, що діють уздовж спіралі між ядрами гетероциклічних основ (міжплощинна вертикальна взаємодія). Крім того, вторинна структура стабілізується водневими зв’язками між залишками гетероциклічних основ двопаралельних спіралей.
У моделі Уотсона і Кріка діаметр спірали 1,8—2,0 нм. Кожен виток спіралі містить 10 пар основ. Крок спіралі дорівнює 3,4 нм.
Відстань між площинами основ по вертикалі становить 0,34 нм. Полінуклео-тидні ланцюги подвійної спіралі розташовані в протилежному напрямі. На одній нитці подвійної спіралі фосфодіестерові зв’язки утворені за типом 5'—3', а на другій — навпаки, за типом 3'—5'.
Між піримідиновими та пуриновими основами паралельних ниток подвійної спіралі ДНК утворюються водневі зв’язки: аденін утворює зв’язок з тиміном, а гуанін — із цитозином. Тому їх називають комплементарними парами (АТ і ОС):
АТ
Глава 36
686
У комплементарній парі ОС є три водневі зв’язки, а в комплементарній парі АТ — тільки два.
РНК є одинарною спіраллю. Вторинна структура РНК має відносно невелику масу.
Рис. 36.2. Схема подвійної спіралі ДНК
Відомі три типи РНК: матрична, або інформаційна, РНК (мРНК), рибосомаль-на РНК (рРНК) і транспортна РНК (тРНК).
НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ
687
На основі нуклеозидів піримідину і пурину створено ряд відомих фармацевтичних препаратів противірусної (ідоксуридин, відарабін, ацикловір), протипухлинної (цитарабін) та інших видів дії.
ідоксуридин; офтан ідурин
мн.
он н відарабін
ацикловір; герпевір; зовіракс
он н цитарабін;
цитозар
Інозин (рибоксин) — попередник АТФ. Відіграє важливу роль в обмінних процесах. Стимулює синтез нуклеотидів.
інозин; рибоксин
Глава 37
ЛІПІДИ
Ліпіди, або жироподібні речовини,— велика група природних органічних сполук, переважно похідних вищих аліфатичних кислот і спиртів.
Ліпіди (від грец. ліпос — жир) містяться в усіх клітинах живих організмів і беруть участь у різноманітних фізіологічних та біохімічних процесах. Вміст жиру в нервовій тканині особливо високий. Знання хімії ліпідів потрібні для розуміння багатьох проблем сучасної медицини (атеросклероз, ожиріння і т. ін.). Проте всі ліпіди мають загальну особливість — розчинність у неполярних розчинниках (ете-рі, хлороформі, вуглеводнях тощо).
37.1. КЛАСИФІКАЦІЯ
Ліпіди поділяють на вмилювані та неомилювані залежно від продуктів їх гідролізу:
Омилювані ліпіди поділяють на прості ліпіди, гідроліз яких приводить до утворення суміші тільки спиртів і карбонових кислот {жири та воски), і складні ліпіди, що утворюють при гідролізі, крім спиртів і карбонових кислот, також фосфатну кислоту, моно- або олісахариди {фосфоліпіди та гліколіпіди). До неомилюва-них ліпідів належать не здатні до гідролізу ізопреноїди та простагландини.
ЛІПІДИ
689
37.2. ОМИЛЮВАНІ Л = г /І
37.2.1. ПРОСТІ ЛІПІДИ
ЖИРИ
Жири є естерами гліцерину і вищих аліфатичних кислот, тобто триацилгліцери-нами, або тригліцеридами.
сн,—о—с—к о II сн—о—с—К' о
СН— О—С— К"
Загальна формула жирів
Пріоритет у встановленні будови жирів належить французьким хімікам Мішелю Ежену Шеврелю, який 1817 року з’ясував склад і структуру деяких тригліцеридів, і П’єру Ежену Марселену Бертло, котрий довів у 1854-му будову жирів шляхом естерифікації гліцерину вищими жирними кислотами.
Триацилгліцерини бувають простими і змішаними-, прості включають залишки однакових кислот, змішані — різних. Природні жири — це переважно змішані триацилгліцерини.
За консистенцію жири можуть бути твердими і рідкими. Тверді жири містять переважно залишки насичених вищих
жирних кислот. До складу рідких жирів, що зазвичай називають маслами або оліями, входять здебільшого залишки ненасичених кислот. Жири тваринного походження, як правило,— тверді речовини, рослинні жири — рідкі. Виняток становить риб’ячий жир, що є рідиною, і масло какао — тверда речовина (за звичайних умов). У молекулах як рослинних, так і тваринних жирів (за винятком свинячого) найчастіше залишки ненасичених кислот займають положення 2.
До складу жирів людського організму найчастіше входять залишки насичених (стеаринова, пальмітинова) і ненасичених (арахідонова, олеїнова, лінолева і ліноленова) вищих жирних кислот. Насичені жирні кислоти надходять в організм з їжею, а також утворюються шляхом біосинтезу. Олеїнова, лінолева, ліноленова та арахідонова кислоти не утворюються в організмі людини; вони надходять лише з їжею, тому їх називають незамінними.
Тривіальні назви, структурні формули та деякі фізичні константи біологічно важливих жирних кислот, виділених із жирів у процесі гідролізу, наведені в табл. 37.1.
Номенклатура та ізомерія жирів. За систематичною номенклатурою ШРАС родоначальною структурою в молекулі жиру є гліцерин. Ацильні залишки жирних кислот перелічують на початку назви за алфавітним порядком, якщо необхідно, уживають множні префікси ди- (ді-) і три-. Тривіальні назви жирів утворюють із префіксів, побудованих з назв відповідних жирних кислот шляхом вилучення час-
тини назви кислоти -инова (-їнова) кислота та додавання суфікса -ин (-їн):
СН,— 0—СО— с.,н„ | / 1 / 33 СН,—О—СО—С17Н„ । - 1 / 33 сн,—о—со—СІ7Н„ | 2 1 / 43
сн — 0—СО— С’ІС-। 1 / 33 СН —0—СО—с.,н„ | 1 / 3 3 сн —о—со—с15н3|
сн—о—со—с17н35 сн,—о—со—с17н35 сн,— о—со—с|7н35
тристеароїл і .і і перин; тристеарин 2-олеоїл-1,3 -дистеароїл гл і не р и н; 2-олеодистеарин 1 - л ау роїл - 2- п ал м ітоїл - 3 - с те а р < > і гліцерин;
1-лауро-2-палмітостеарин
Глава 37
Мішель Ежен ШЕВРЕЛЬ (1786—1889)
Французький хімік. Основні наукові дослідження присвячені хімії жирів. Разом з А. Браконно установив (1817), що більшість жирів складається зі стеарину та олеїну. Виділив стеаринову, олеїнову, пальмітинову кислоти, холестерол (1815). Отримав (1825) разом з Ж. Л. Гей-Люссаком патент на виробництво стеаринових свічок, що стало початком нової ери в історії освітлення. Повторно відкрив (1813) і назвав гліцерином «солодкий початок жирів». Виділив цукор із сечі хворих на діабет і довів його ідентичність виноградному цукру.
Ізомерія жирів пов’язана в основному з різним взаємним розташуванням ациль-них залишків у структурі триацилгліцерину (структурна ізомерія).
Молекули змішаних тригліцеридів, що містять асиметричний атом Карбону, існують у вигляді двох оптичних ізомерів. Для жирів, молекули яких містять залишки ненасичених кислот, характерна геометрична ізомерія.
Добування жирів. Для синтезу триацил-гліцеринів придатна більшість реакцій О-ацилювання спиртів (естерифікація, взаємодія натрій гліцератів із хлорангідридами кислот і т. ін.), проте синтетичні способи здобування жирів із гліцерину не мають промислового значення через доступність різноманітної природної сировини. До основних методів виділення жирів та олій з попередньо здрібнених тканин рослин і тварин належать: витоплювання, пресування та екстракція органічними розчинниками (бензин, трихлоретилен тощо).
Фізичні властивості жирів. Фізичні властивості жирів визначаються будовою жирних кислот, які утворюють їх молекули. Так, температури плавлення жирів, що містять залишки ненасичених кислот, значно нижчі, ніж у насичених жирів з тою ж кількістю атомів Карбону. Зі збільшенням довжини
Таблиця 37.1
Властивості вищих жирних кислот
Формула Назва кислоти Температура, °С
тривіальна систематична плавлення кипіння*
Насичені кислоти
СН3(СН2)4СООН Капронова Гексанова -3,4 205-207
СН3(СН2)6СООН Каприлова Октанова 16-16,7 237-239,7
СН3(СН2)8СООН Капринова Деканова 31-31,6 266,4-270
СН3(СН2)9СООН Ундецилова Ундеканова 28-30,5 284
СН3(СН2)10СООН Лауринова Додеканова 43,6-44,5 298,9
СН3(СН2)12СООН Міристинова Тетрадеканова 53,5-54,4 196,5 (15)
СН3(СН2)14СООН Пальмітинова Гексадеканова 62,5—64,0 215 (15)
СН3(СН2)15СООН Маргаринова Гептадеканова 60,0 277 (100)
СН3(СН2)16СООН Стеаринова Октадеканова 69,2-69,9 232 (15)
СН3(СН2)18СООН Арахінова Ейкозанова 75,3 з розкл. 328
ЛІПІДИ
------------- 691
Закінчення табл. 37.1
Формула Назва кислоти Температура, °С
тривіальна систематична плавлення кипіння*
Ненасичені кислоти
Н^с/(СН2)7СН3 II С ЬГ ^(СН2)7СООН Олеїнова** ///7с-9-Окта-деценова 13,4-16,3 (поліморфізм) 232 (15)
СН3(СН2)7^с/Н II Ну Х(СН2)7СООН Елаїдинова транс-9-Окта.-деценова 43,7-46,5 234 (15)
СН3(СН2)4^с/Н II с Н. /СН< н II С Нг ^(СН2)7СООН Лінолева** цис-9-цис-12-Октадекаді-єнова від -5 до -5,2 230-233 (15)
X X х\ 7 /=Сі\ 2 х я х Ш кҐ4 ю о р=2 о / \ о X X X Ліноленова** цис-9-цис-12-ф/с-15-Окта-декатриєнова від -11 до-12,8 230-232 (17)
X X я X о \ / л У я о=о р—9 / \ / \ о п о о Я 2 х я х ” \ 7 < Г)=П 0=0 8 / \ / О X X Я X X Арахідонова** цис-5-цис-8-цис-11-цис-14-Ейкозатетра-єнова -49,5 —
* Температура кипіння окремих представників ВЖК наведена при вказаному (у дужках) тиску, МПа.
** Незамінні ВЖК.
Глава 37
692
вуглецевих ланцюгів жирних кислот температури плавлення жирів підвищуються. Оскільки природні жири є сумішами триацилгліцеринів, вони не мають чітких температур плавлення. Більшість жирів плавиться при температурі 22—55 °С.
Жири легкорозчинні у вуглеводнях та їх хлоропохідних, етерах, кетонах, малорозчинні в етиловому спирті (виняток становить рицинова олія, розчинна в етанолі), нерозчинні у воді, однак у присутності поверхнево-активних речовин (ПАВ), названих емульгаторами, жири утворюють високодисперсні гетерогенні системи типу емульсій. Зокрема, емульгуюча дія білків надає стабільності емульсії молочного жиру у воді — молоку.
Хімічні властивості жирів. Як і всі естери, жири здатні піддаватися гідролізу. При наявності в молекулі тригліцериду залишків ненасичених кислот він виявляє і властивості алкенів.
Гідроліз жирів. Мила. Детергенти. Унаслідок взаємодії жирів з водними розчинами гідроксидів лужних металів утворюється суміш гліцерину і натрієвих (калієвих) солей вищих жирних кислот.
Солі вищих жирних кислот називають милами, а реакцію лужного гідролізу жирів, при якій утворюються мила,— омиленням1'.
О
II
сн—о—с—к. сн—он
9 3№ОН
І! (Н,0)
СН—О—С—К' —СІІ — ОН + К—СООМа + К — СОО№ + К"—СООИа
І ?
сн—о—с—К" сн—он
Лужний гідроліз жирів прискорюється при заміні водного середовища на водно-спиртове. Луг діє як реагент, так і емульгатор жирів, збільшуючи поверхню зіткнення жирової фази з гідролізуючим середовищем; спирт знижує в’язкість реакційного середовища. При температурі 200—225 °С і тиску 2—2,5 МПа гідроліз жирів проходить і без додавання лугу. У промисловості гідроліз жирів проводять шляхом їх нагрівання при звичайному тиску з водою в присутності сульфокислот як емульгаторів і каталізаторів (каталізатор Твітчела та контакт Петрова).
Реакцію гідролізу жирів використовують в аналітичній практиці при встановленні якості жиру. З цією метою визначають так зване число омилення, яке характеризує загальний вміст вільних і зв ’язаних у тригліцериди жирних кислот.
Число омилення — кількість міліграмів КОН, яка витрачається при гідролізі 1 г жиру. Величина числа омилення залежить від відносної молекулярної маси жирних кислот, залишки яких входять до складу жиру.
Слід зазначити, що жири містять як домішку деяку кількість вільних карбонових кислот. Про кількісний вміст цих кислот дозволяє судити кислотне число (число нейтралізації), що визначається як кількість міліграмів КОН, необхідна для нейтралізації ! г жиру.
Різниця між числом омилення і кислотним числом складає естерове число, що характеризує вміст залишків жирних кислот, естернозв 'язаних із залишками гліцерину.
1 Термін «омилення» часто застосовують і до реакції гідролізу інших функціональних похідних кислот: естерів, амідів, нітрилів тощо і навіть до реакції гідролізу галогенопохідних вуглеводнів.
ЛІПІДИ
693
Суміш твердих високомолекулярних жирних кислот, здебільшого стеаринової і пальмітинової, здобуту при гідролізі жирів у кислому та нейтральному середовищах, називають стеарином. Стеарин використовують разом з парафіном для виготовлення свічок.
Для одержання твердого мила виділену суміш вищих жирних кислот нейтралізують содою.
Якщо нейтралізацію суміші вищих жирних кислот проводять за допомогою поташу (калій карбонату), то утворюється калієве («зелене») мило, що відрізняється від натрієвого рідкою консистенцією.
При нейтралізації жирнокислотної суміші оксидами лужноземельних і перехідних металів (СаО, М§0, 7пО, РЬО тощо) утворюються нерозчинні у воді так звані «металічні» мила, які використовуються як медичні пластирі (наприклад, простий свинцевий). Молекули мила містять у своїй структурі гідрофільний (той, що «тягнеться» до молекул води) карбоксилат-аніонний фрагмент і гідрофобний («уникаючий» контакту з водою) протяжний вуглецевий ланцюг. У результаті такої будови мила мають практично однакову здатність розчиняти як гідрофільні (вода, спирти і под.), так і ліпофільні (вуглеводні, естери тощо) речовини. Крім того, на відміну від молекул натрієвих і калієвих солей нижчих жирних кислот, молекули мила здатні до агрегації («злипання» одна з одною) з утворенням сферичних структур — міцел, У водному середовищі міцели мила мають будову, схематично зображену на рис. 37.1. У міцелі молекули мила зчеплені між собою вуглеводневими «хвостами», а до води по-
П’єр Ежен Марселен БЕРТЛО (БЕРТЕЛО) (1827-1907)
Французький хімік і державний діяч. Основні сфери наукових досліджень — органічна, аналітична, тер-мо-, біохімія, історія хімії, педагогіка, лінгвістика. Один з основоположників синтетичного напряму в органічній хімії. Уперше синтезував (1851) нафтален, бензен і фенол у результаті пірогенетичного розкладання кисневмісних речовин, а також (1854) аналоги стеарину, пальмітину, олеїну та інших жирів. На основі кислотної гідратації етилену здійснив синтез (1854) етилового спирту, який раніше одержували лише бродінням цукристих речовин. Запропонував (1867) метод відновлення органічних речовин з використанням йодистого водню. Увів поняття про ендотермічні й екзотермічні реакції. Досліджував кінетику утворення і розщеплення естерів. Один з перших творців теорії вибухових процесів.
вернуті полярними карбоксилатними групами. Через участь в утворенні множини міцел молекули мила не можуть рівномірно розподілятися серед молекул води, тобто мила не здатні до утворення справжніх водних розчинів.
На межі поділу водної і газової (повітряної) фаз молекули мила орієнтуються полярними кінцями «до води», а гідрофобними — «назовні» (рис. 37.2). При цьому вони зменшують поверхневий натяг води, тобто виявляють так звані поверхнево-активні властивості. Через наявність у молекулах карбоксилатних груп мила належать до аніонних поверхнево-активних речовин (аніонні ПАР).
Зазначені властивості мил зумовлюють їх мийну дію. Вода, що містить мило, завдяки зменшенню свого поверхневого натягу, набуває здатності проникати в найтонші пори на поверхні, яку відмивають. За наявності на цій поверхні частинок речовин, які не змочуються водою (жирів, восків, нафтопродуктів тощо),
Глава 37
604
Рис. 37.1. Будова міцели мила у воді
Рис. 37.2. Орієнтація молекул мила на межі розділу водного і повітряного середовищ
молекули мила зчеплюються з гідрофобними частинками забруднень своїми вуглеводневими «хвостами», утворюючи навколо таких частинок щільну ізолювальну плівку (рис. 37.3), уклинюються між забруднювальною частинкою і очищуваною поверхнею і нарешті відривають цю частинку, переводячи її в завислий стан у товщі водного середовища.
Аналогічний механізм має процес солюбіліза-ції нерозчинних у воді органічних (у тому числі лікарських) речовин.
Більш широке використання мил як мийних засобів обмежене тим, що в «твердій» воді (з підвищеним вмістом іонів Са2+ і М§2+) мила утворюють нерозчинні солі Кальцію і Магнію, які осаджуються у вигляді пластівців і забруднюють поверхні, що відмиваються. На утворення цих солей витрачається значна кількість мила. Як солі слабких кислот і сильних основ мила внаслідок гідролізу створюють лужне середовище у водних розчинах, яке зумовлює подразнюючу дію мил на слизові оболонки. Зазначені вади мил спричинили створення широкого асортименту більш дешевих і технологічних синтетичних замінників мил — детергентів.
Поверхня
Рис. 37.3. Схема мийної дії мила
ЛІПІДИ
695
Детергенти, або синтетичні мийні засоби, як і мила, належать до ПАР. їх молекули також включають неполярний (гідрофобний) вуглеводневий фрагмент і полярну (гідрофільну) частину, презентовану аніоноїдним або катіоноїдним функціональним угрупованням, зв’язаним з іонами Натрію або мінеральної кислоти відповідно. Полярний кінець молекули детергенту може бути також утворений нейтральним залишком багатоатомного спирту або поліестеру. Залежно від будови полярної частини молекули синтетичні мийні засоби поділяють на аніонні, катіонні та нейтральні.
СН-(СН2)
;СН-<\ />-8О3Ка сн— сн;
натрій «-(децил-З)бензенсульфонат
У молекулах аніонних детергентів як полярний фрагмент найчастіше міститься бензенсульфонатний залишок. Неполярна частина молекули таких детергентів утворена довголанцюговим алкілом, як правило, вторинним і нерозгалуженої будови.
Детергенти з розгалуженими вуглеводневими ланцюжками неприйнятні в екологічному плані, оскільки в процесі очищення стічних вод вони не розкладаються мікроорганізмами, що приводить до накопичення синтетичних мийних речовин у природних водоймах у згубних для їх мешканців концентраціях.
До катіонних детергентів належать насамперед четвертинні амонієві солі, наприклад 1Ч,?4-диметил-М,]^-діоктадециламоній хлорид.
СН3-(СН2)17Х + /СН3 N
СН—(СН2)17 хсн3
СГ
N -диметил-К,N-діоктадециламоній хлорид
Прикладами нейтральних (неіоногенних) детергентів можуть слугувати такі сполуки:
СН2ОН
нА °^О-(СН2),-СН>
ноЧ^цД
н он
но — (СН — СН — О) — (СН2),— сн3
Р -додецилглюкозид О-додецилоктаетиленгліколь
На відміну від мил, синтетичні мийні засоби не утворюють нерозчинних солей з катіонами Кальцію та Магнію, а їх водні розчини мають нейтральну реакцію, оскільки детергенти є або солями сильних кислот і сильних основ, або не містять груп, здатних гідролізуватися за звичайних умов. Важливою перевагою детергентів перед милами є і те, що їх виробництво не потребує використання як сировини жирів — цінних харчових продуктів.
Окиснення жирів. Причиною легкої окиснюваності жирів киснем повітря є наявність подвійних зв’язків у молекулах, що приводить до «гіркнення» жирів. При
Глава З
696
їх окисненні утворюються альдегіди з короткими вуглецевими ланцюгами, яь зумовлюють неприємний запах і смак «згірклих» жирів.
В—С—О—СН
СН7— О—С— (СН2)7— сн
2 Ц
СН3—(СН2)7—СН 02
0 олеїнат
СН—о—С—К'
в—с—О— СН
СН — О—С— (СН2)7— сн— о
СН-(СН2)7-СН-Онон
СН—о—с—К' /Н
СН — О—С— (СН2)7— с:
Н\
^С-(СН2)7— сн3 о
К— С—О— СН залишок азелаїнового напівальдегіду
пеларгоновий альдегід
сн—о—с—В'
Окиснення ненасичених жирів у м’яких умовах (водним розчином калі перманганату) приводить до утворення гліколів. Наслідком окиснення за більї жорстких умов є розрив вуглецевого скелета з утворенням залишків відповідни карбонових кислот з коротшими вуглецевими ланцюгами.
КМпО4; Н2О
СН— о—с— (СН2)7— сн— он о І
II СН3—(СН2)7—сн—он
с—О—СН 4--------------------------
0 9,10-дигідроксистеарат
СН7— О—С—(СН2)7— сн о II
II СН-(СН2)7-СН
в— с—О— СН 4-----V-----'
СН— О—С— В'
0 олеїнат
СН— О—с—К'
КМпО4;
Н,О+
<ч
СН —О—С—(СН2)7—с—ОН + )с —(СН2)7—сн но
в—с—о— сн
азелаїнат
пеларгонова кислота
О
о
о
О
о
О
о
о
о
СН— О—с—К'
ЛІПІДИ
При окисненні жирів, у складі яких переважають залишки насичених жирних кислот, характерне утворення кетонів.
Гідрогенізація жирів. Гідрогенізації піддаються рослинні олії і жири, які добувають з морських тварин (китовий жир тощо).
В основу процесу покладено реакцію приєднання водню за місцем розриву подвійних зв’язків у залишках лінолевої, ліноленової, олеїнової та інших ненасичених кислот у присутності нікелевого або платинового каталізаторів при температурі 190—220°С і тиску 0,2—2,0 МПа (каталітичне гідрування).
сн3
о сн,—сн=сн—сн,—сн о
II 2 2 II II
С Н — О—С—(СН2)7— СН= СН— СН — СН ()- с—(СН2)!— сн3
О СН-(СН2)-СН 12н;№; ; о
II II Г р І II
СН —О—С—(СН2)7—сн=сн—сн,—сн —СІІ-О—С—(СН2),^СН3 о І о
І II І II
С Н — о- с— (СН2)7— СН= СН— (СН2)7—СН3 С Н - О—С— (СН2)!— сн3
2-О-лінолеїл-З-О-ліноленоїл-О-олеоїлгліцерин тристеароїлгліцерин
(рідкий жир — олія) (твердий жир)
Завдяки насиченню вуглець-вуглецевих зв’язків воднем, а також унаслідок ізомеризації залишків олеїнової кислоти (цмс-ізомер, т. пл. 13,4 і 16,3°С) в елаїдинову (транс-їзомер, т. пл. 51,5 °С) під дією нікелевого каталізатора (елаїдування), рослинні олії перетворюються у тверді жири.
Промислові жири, здобуті гідрогенізацією рослинних олій, а також жирів, одержаних з морської фауни, називають саломасами. Харчові саломаси (т. пл. 31 — 33 °С) використовують у виробництві кондитерських, кулінарних жирів і маргарину. Маргарин — харчовий жир, який є сумішшю гідрогенізованих жирів рослинного і тваринного походження з додаванням вершків, смакових речовин і за-пашників (діацетилу СН3—СО—СО—СН3, ацетоїну СН3—СНОН—СО—СН3 тощо). Технічні саломаси (т. пл. 39—49°С) — сировина для виробництва мила, стеарину тощо.
Унаслідок гідрогенізації жирів змінюються не тільки їх фізичні властивості, але завдяки різкому зменшенню кількості подвійних зв’язків у їх молекулах вони набувають стійкості до дії окисників, зокрема кисню повітря, тобто до гіркнення. При цьому вони зберігають високу поживність, характерну для кращих сортів тваринних і рослинних жирів, але на відміну від тваринних жирів продукти гідрогенізації рослинних олій не містять домішки холестеролу, надлишок якого в організмі приводить до атеросклерозу. Кількість грамів водню, необхідна для гідрування /0 кг жиру, с аналітичною характеристикою (число гідрування), яка свідчив.ю
міру ненасиченості жиру.
Приєднання галогенів. Реакція приєднання галогенів за місцем розриву подвійних зв’язків у ряду жирів має велике аналітичне значення. Знебарвлення бромної води вказує на вміст залишків ненасичених кислот у молекулі досліджуваного тригліцериду. Кількість грамів йоду, що приєднується до /^л ' чсиру, названа ' числом, характеризує міру ненасиченості жирів.
Глава 37
698
О СН,(СН2)7— СН
II 3 II
СН—О—С--------(СН2) —сн
О СН,(СН2)—сн
II 3 II
СН —О—С-------(СН2)7— сн
О СН,(СН2)7— сн
II 3 II
СН — О—С------(СН2)7— сн
триолеїн
О СН,(СН2)7—СН—І II І
сн—О—С---------(СН2)7— сн—1
О СН,(СН2)7—сн—І II І
сн—О—С---------(СН2)7— сн—І
О СН,(СН2)7—СН—І II І
СН — О—С------(СН2)7— сн—І
три(9,10-дийодостеароїл)гліцерин
Йодне число варіює для рослинних олій у межах 100—200, для тваринних жирів — від 25 (у молочного) до 86 (у кінського), для жирів морських ссавців і риб — від 100 (китовий) до 193 (тюленячий).
ВОСКИ. ТВІНИ
Воски — естери вищих карбонових кислот і високомолекулярних спиртів, які містять парну кількість атомів Карбону в кислотних і спиртових залишках.
Здебільшого воски — насичені сполуки. Найчастіше до складу восків входять цетиловий С16Н33ОН та мірициловий С30Н6]ОН спирти.
Воски поділяють на тваринні (спермацет, бджолиний віск, ланолін тощо) і рослинні (карнаубський віск). Воском прийнято вважати також озокерит (гірський віск) — мінеральний викопний продукт (т. пл. 58—100°С), який є сумішшю переважно насичених вуглеводнів, здебільшого з розгалуженими ланцюгами. Використовують озокерит у медицині (озокеритолікування), у виготовленні мастил, кремів, гідрофобізації матеріалів і т. ін.
Воски бувають м 'які і тверді, тому що їх температура плавлення підвищується з подовженням вуглецевого ланцюга молекул. До м’яких восків належать ланолін і спермацет.
Ланолін добувають шляхом очищення шерстяного (вовняного) воску, який є сумішшю естерів ланолінового спирту С|2Н23ОН, діестерів а,0-алкандіолів (гліколів), вищих жирних кислот (С|8—С24), з високим вмістом вільних вищих спиртів і кислот (до 45%), вуглеводнів (до 18%) і стеринів (до 10%). Шерстяний віск продукується шкірними залозами овець і у великій кількості (5—16%) міститься на овечій вовні, з якої його змивають на шерстемийних фабриках органічними розчинниками. Ланолін (т. пл. 36—42°С) нерозчинний у воді, але, на відміну від інших восків, здатний утворювати стійкі емульсії навіть з подвійною за масою кількістю води. Остання властивість дозволяє використовувати ланолін як мазеву основу для введення до складу мазі водорозчинних лікарських речовин.
Спермацет, який на 98% складається з цетину С15Н3]СООС16Н33, виморожують зі спермацетового масла, добутого витоплюванням зі спермацетового мішка голови кашалота. Спермацет використовується у фармації як основа для мазей, кремів, а також при виробництві мила, свічок тощо. Гідруванням спермацетового масла одержують цетилпальмітат — віск, більш стійкий до окиснення, ніж спермацет.
Карнаубський віск є твердим воском (покриває листя бразильської воскової пальми). Він містить більше 80% естерів вищих жирних кислот і вищих спиртів. Основна складова частина — НОСН2(СН2)ИСООСН2(СН2)ТОСН3, де п = 16—28,
ЛІПІДИ
т = ЗО і 32. Карнаубський віск застосовують як компонент полірувальних паст, при виробленні шкіри, у виробництві копіювального паперу.
Бджолиний віск містить 72% естерів вищих жирних кислот і вищих спиртів (33% мірицилпальмітату С15Н31СООС30Н61), до 13,5% вільних кислот і 12—12,5% вуглеводнів. Температура плавлення бджолиного воску 62—70 °С. Добувають його з бджолиних стільників, використовують для виготовлення штучної ВОЩИНИ, як компонент для полірувальних паст і мазей, косметичних препаратів і т. ін.
Твіни — синтетичні продукти, близькі за будовою до гліцеридів. Вони є неповними етерами шестиатомного спирту сорбіту і поліетиленгліколю, в яких вільні гідроксильні групи в залишку сорбіту естерифіковані вищими жирними кислотами.
Альтернативне пальне
Виснаження нафтових запасів і ріст цін на енергоносії обумовили інтенсивний пошук альтернативних джерел енергії.
Одними з перспективних видів пального є біоетанол і біодизель.
Біоетанол можна виробляти з біомаси (рослинних і тваринних матеріалів). Він має високе октанове число. «Газоголь» (бензинова суміш, що містить 10% біоетанолу) вже набуває розповсюдження на американському континенті. Зокрема, у Бразилії використовується велика кількість етаноловмісного пального. Автомобіль не потребує спеціального переобладнання, хоча і відчувається деяке зниження потужності його двигуна. У багатьох країнах ЄС вміст етанолу в моторному пальному обмежується 5%.
Біодизель — пальне, отримане на основі жирів, частіше рослинного походження. Біодизель — не що інше, як естери карбонових кислот, що мають властивості пального матеріалу і одержані з жиру в результаті реакції переестерифікації.
Основна сировинна база пального — рослина ріпак (Вгаззіса париз Ь.). Яскраво-жовті квітки цієї невибагливої рослини можна зустріти повсюди на полях Європи. Виділену ріпакову олію піддають обробці метанолом у присутності основного каталізатора.
?
н2с—о—с—к н2с—он
І ї І ї
не—о—є—к + з сн3—он --------------► не—он + з к—с—осн,
І ? І
н2с—о—с—к н2с—он
тригліцерид гліцерин біодизель
Вміст метилових естерів після проходження реакції переестерифікації має бути вище 96%.
Біодизель «біологічно нешкідливий»: мікроорганізми за 28 днів утилізують до 99% біо-дизеля, що потрапив у ґрунт або воду. При згорянні дає меншу кількість викидів вуглекислого газу в атмосферу порівняно з іншими видами пального. Є відносно безпечним пальним (точка займання перевищує 100°С).
Ринок біодизеля розвивається швидкими темпами.
Глава 37
700
37.2.2. СКЛАДНІ ЛІПІДИ
До складних ліпідів належать фосфоліпіди і гліколіпіди (див. с. 688).
ФОСФОЛІПІДИ
Фосфоліпідами називають фосфорильовані ліпіди.
Унаслідок гідролізу фосфоліпідів утворюються вищі жирні кислоти (ВЖК), спирт — гліцерин або сфінгозин, фосфатна кислота Н3РО4, часто — нітрогено-вмісні основи (аміноспирти — коламін, холін, амінокислота — серин) тощо.
Фосфоліпіди залежно від природи спирту, що входить до складу молекули, поділяють на дві групи: гліцерофосфоліпіди та сфінгомієліни.
сн—он СНЛСНД,. /Н II с н сн—он
сн—он сн — і\ін0
сн—он 1 - сн—он
гліцерин сфінгозин
Гліцерофосфоліпіди — це похідні фосфатидної кислоти'.
О
II
СН—О—С—В, — залишок насиченої ВЖК;
О
II
С Н — О—С— К2 — залишок ненасиченої ВЖК;
І о
І II
С Н — О—Р—ОН — залишок фосфатної кислоти
ОН
фосфатидна кислота;
діацилгліцерилфосфат
Одна з гідроксильних груп фосфатидних кислот, як правило, естерифікована нітрогеновмісною сполукою: аміноспиртом (коламіном, холіном), амінокислотою (серином) або циклічним шестиатомним спиртом інозитолом тощо.
н2м— сн—сн — он
ІСООЦ
серин
н,м— сн—сн— он
коламін;
етаноламін
(продукт декарбоксилювання серину)
(СН3)3Н—сн — сн—он
холін
(триметильована похідна етаноламіну)
он н
н он
інозитол
ЛІПІДИ
701
сн— о—с—к, о II
Загальна формула гліцерофосфоліпідів СН — О—С—К2 ,
О
II
СН—О—р—ок,
І
О”
де К, К2 — залишки ВЖК; К3 — залишок нітрогеновмісної сполуки (коламіну, холіну, серину) або інозитолу.
У ряду гліцерофосфоліпідів виділяють фосфатидилетаноламіни (кефаліни), фосфатидилхоліни (лецитини), фосфатидилсерини, фосфатидилінозитоли тощо.
Фосфатидилетаноламіни (кефаліни) Фосфатидилхоліни (лецитини)
О
! 11
'сн — о—с—к(
о
2 11
2сн—о—с—к2
о
з II
СН—О—р—о—сн — СН—ИНз
О- фрагмент етаноламіну
3-фосфатидилетаноламін;
кефалін
о
. II сн,— о—с—к, о
2 II
сн—о—с—к2
,1 ° +/сн=
С Н — О— Р—о—сн,— СН,—N—сн, і- СНі-
фрагмент холіну З-фосфатидилхолін;
лецитин
Кефаліни та лецитини метаболічно зв’язані один з одним і є головними ліпідними компонентами клітин.
Дипальмітиллецитин знижує поверхневий натяг і тим самим перешкоджає злипанню внутрішніх поверхонь дихальних шляхів у легенях. Його відсутність у легенях недоношених немовлят призводить до розвитку синдрому дихальної недостатності.
Фосфатидилсерини. Слід зазначити, що були також виділені фосфоліпіди, які містять залишок треоніну (див. с. 662).
О
. И
*СН2—О—с—К.] о
2 II
2сн —о—с—к, о соо
З II І
СН,—о—р—О—сн,—СН—№ї3
2 । \>
О фрагмент серину
3-фосфатидилсерин
Глава 37
702
Фосфатидилінозитоли. Досить широко розповсюджені в природі. Виявлені у тварин, рослинах і мікроорганізмах. У тваринному організмі знайдені в мозку, печінці і легенях.
ОН н
он н
н он
фрагмент інозитолу
3-фосфатидилінозитол
Гліцерофосфоліпіди є основним компонентом клітинних мембран (~ 40 %).
Клітинна мембрана складається переважно з гліцерофосфоліпідів, побудованих у вигляді ліпідного бішару товщиною 5,0 нм (рис. 37.4).
О”
Рис. 37.4. Розташування гліцерофосфоліпідів у ліпідному бішарі клітинної мембрани
Гліцерофосфоліпіди, подібно до мил, мають довгий неполярний вуглеводневий ланцюг («хвіст») і полярну іонну фосфатидну групу («голову»). Неполярні групи орієнтовані до центра бішару, а полярні — на зовнішні сторони.
Солнцезахисні засоби
Небезпека виникнення раку шкіри пов’язана з впливом підвищених доз сонячного випромінювання. Промені, що досягли шкіри, викликають утворення реакційноздатних вільних радикалів, що незворотно ушкоджують мембрани клітин. Одним з інгредієнтів, що додаються в солнцезахисні засоби, є а-токоферилацетат. Унаслідок гідролізу естеру утворюється фенол, що діє як «пастка радикалів» (див. с. 357).
а-токоферилацетат
ЛІПІДИ
Бішар — ефективний бар’єр для пропускання води, іонів та інших компонентів усередину і з клітин.
Сфінгомієліни — друга група фосфоліпідів. Унаслідок гідролізу сфінгомієлінів утворюються двохатомний ненасичений аміноспирт сфінгозин, вища жирна кислота, фосфатна кислота та холін.
14-Ацильований вищими жирними кислотами сфінгозин називають церамідом'.
СН,—(СН ) . .Н
С
II с II сн—он
Загальна формула І О
сфінгомієлінів І II
СН —N11 С—К
І о'—'
|| фрагмент ВЖК
СІ І.-О -Р—О—СН — СН2—Й(СН)3
І _ ч_______>
О фрагмент холіну
Сфінгомієліни містяться в мембранах тваринних і рослинних клітин, нервової тканини, у тканині печінки, нирок та інших органів.
ГЛІКОЛІПЩИ
Гліколіпідами називають складні ліпіди, молекули яких складаються з ліпідного і вуглеводного фрагментів.
Гліколіпіди входять до складу клітинних мембран, деякі з них беруть участь у формуванні імунітету, у процесах міжклітинної адгезії і т. д. Гліколіпіди широко представлені в нервовій тканині, зокрема в тканині мозку. Вони локалізовані переважно на зовнішній поверхні плазматичної мембрани, де їх вуглеводні компоненти входять у число інших вуглеводів клітинної поверхні.
Залежно від природи вуглеводного залишку гліколіпіди поділяють на церебро-зиди і гангліозиди. До складу цереброзидів уходить вуглевод гексоза, гангліозиди містять складний олігосахарид.
Цереброзиди. Особливо високий вміст цереброзидів у мембранах нервових клітин (мієліновій оболонці). Продуктами гідролізу цереброзидів є аміноспирт сфінгозин, вища жирна кислота (частіше — лігноцеринова, нервонова, цереброно-ва) і гексоза (зазвичай 5-галактоза).
СН —(СН,),
Загальна формула І
цереброзидів
/Н
С
II
С
сн —он
І ?
СН —МН—С—В.
І у у'— 7
фрагмент ВЖК
С Н г- О— гексоза
1 Відкритий також у складі гліколіпідів.
Глава 37
704
Гангліозиди, на відміну від цереброзидів, містяться переважно в сірій речовині мозку і зосереджені в плазматичних мембранах нервових і гліальних клітин.
Продуктами гідролізу гангліозидів є аміноспирт сфінгозин, ВЖК, О-глюко-за та О-галактоза, а також похідні аміноцукрів (М-ацетилглюкозамін і М-аце-тилнейрамінова кислота).
Один з найпростіших гангліозидів — гематозид, виділений зі строми еритроцитів:
Р - /)- гал актопіраноза
а - /)-глюкопіраноза
М-ацетилнейрамінова кислота
гематозид
37.3. НЕОМИЛЮВАНІ ЛІПІДИ
37.3.1. ПРОСТАГЛАНДИНИ
Дослідження простагландинів набули широкого розвитку з 1933 року, коли було виявлено фізіологічно активну речовину біогенного походження, що стимулює гладеньку мускулатуру та знижує кров’яний тиск. Згодом ця речовина була названа простагландином (ПГ), тому що тоді припускали, що вона утворюється в передміхуровій залозі (§1апс1и1а ргозіаіа). Структуру цього простагландину було встановлено 1962 року, а в 1968-му вперше вдалося його синтезувати. Нині відомо кілька десятків простагландинів. Усі вони містять карбоксильну групу і 20 атомів Карбону в молекулі, тобто їх можна розглядати як похідні ейкозанової кислоти.
Проте, на відміну від останньої, простагландини мають у своєму складі ци-клопентанове кільце, а тому їх можна розглядати також як похідні простанової кислоти, що містять від одного до трьох подвійних вуглець-вуглецевих зв’язків, одну або дві гідроксильні, а іноді — карбонільні групи.
ЛІПІДИ
705
Залежно від наявності подвійних зв’язків і замісників у п’ятичленному циклі та бокових ланцюгах простагландини позначають буквами А, В, С, В, Е і Г.
За кількістю подвійних зв’язків у бокових ланцюгах кожна з указаних груп поділяється на серії, що позначаються індексами. Наприклад, простагландин ПГЕ, що містить подвійний зв’язок у /иранс-конфігурації (транс-С-13—С-14), позначається ПГЕр той, що має ще один подвійний зв’язок — (цис-С-5—С-6),— ПГЕ2:
ПГЕ2 (динопростон)
Простагландин ПГЕ3 містить ще один подвійний зв’язок (щ/с-С-17—С-18).
У назвах простагландинів В і Р орієнтацію гідроксильної групи в положенні 9 відносно вуглецевого ланцюга при С-8 позначають грецькими літерами а або р. Літера а вказує на цис-, а Р — на транс-конфігурацію.
Біосинтез простагландинів в організмі здійснюється на основі поліненасичених жирних кислот і, насамперед, арахідонової:
арахідонова кислота
СООН сн3
У надзвичайно малих концентраціях простагландини містяться в усіх клітинах організму людини і тварин, однак найбільша їх кількість знаходиться в спермі (~ 0,3 мг/г).
Простагландини мають цілу низку різноманітних фізіологічних і фармакологічних властивостей.
Учені припускають, що простагландини регулюють обмін речовин у клітинах організму, тобто є «клітинними гормонами». Відомо, що вони впливають на процеси згортання крові, знижують кров’яний тиск, пригнічують виділення шлункового соку і т. д. Найважливішою властивістю простагландинів є їх здатність стимулювати скорочення гладенької мускулатури. Найбільшу активність відмічено в простагландинів груп Е, Р і А.
Нині наведені ПГЕ2 і ПГР2а (динопростон, динопрост) використовуються в медичній практиці як засоби для збудження і стимуляції родової діяльності.
Глава 37
706
Є відомості про можливість застосування простагландинів і як бронхолітичних, противиразкових та інших засобів.
Механізм дії простагландинів донині не з’ясований, проте встановлено, що ряд протизапальних засобів гальмують біосинтез і ослаблюють фізіологічну дію простагландинів. З цим явищем пов’язують протизапальну дію ацетилсаліцилової кислоти, індометацину тощо.
37.3.2. ІЗОПРЕНОЇДИ
їзопреноїди — це група природних сполук, які розглядаються як продукти перетворення ізопрену СН2=С(СН3)—СН=СН2.
Структуру ізопреноїдів мають деякі лікарські засоби, вітаміни, гормони, ароматичні речовини тощо.
За хімічною класифікацією ізопреноїди належать до різних класів сполук, але виділені вони в одну групу за біогенетичною ознакою, оскільки спільною ланкою їх молекул виступає ізопреновий фрагмент. Проте біосинтез ізопреноїдів проходить не з вільного ізопрену, що є повністю здійсненним іп оііго, а відбувається за участі розчинних фосфорильованих похідних — ізопентенилпірофосфату та його ізомеру — 3,3-диметилалілпірофосфату:
СН, І ОН он
/С. /СН,. І І
н,с сн, О—Р— О—Р— он
ізопентенілпірофосфат
сн3 он он
сн3 х:нх хСН,. 1 1 2 о—Р— О— р— он II II
о о
3,3 -диметилал іл пірофосфат
До ізопреноїдів належать терпени, каротиноїди і стероїди.
При вивченні терпенів установлено, що їх молекули побудовані з фрагментів ізопрену, сполучених між собою за принципом «голова1 до хвоста» (ізопренове правило, Леопольд Ружичка, 1921 р.):
н,с=с—сн=сн, + н— сн—с—сн=сн, —► І > І
сн3 сн3
ізопрен _нс=с_ СН —сн—сн=с—сн=сн2
сн3 сн3
оцимен
1 «Головою» прийнято називати частину молекули ізопрену з метальною групою.
ЛІПІДИ
707
Хоча це правило і не строге, тобто відомі так звані нерегулярні ізопреноїди, утворені за типом «голова до голови» або «хвіст до хвоста», воно допомогло з’ясувати будову багатьох терпенів і споріднених з ними сполук.
ТЕРПЕНИ
Група терпенів включає терпенові вуглеводні та їх оксигеновмісні похідні (спирти, альдегіди та кетони), так звані терпеноїди.
Терпеновими вуглеводнями називають ненасичені вуглеводні складу (С5Н8)„, де п указує на кількість ізопренових фрагментів і звичайно коливається від 2 до 8.
Ізопрен (п = 1) не прийнято вважати терпеном.
Класифікують терпени залежно від кількості ізопренових фрагментів:
> монотерпени (2 ізопренових фрагменти, п = 2);
> сесквітерпени (3 ізопренових фрагменти, п = 3);
> дитерпени (4 ізопренових фрагменти, п = 4);
> тритерпени (6 ізопренових фрагментів, п = 6);
> тетратерпени (8 ізопренових фрагментів, п = 8);
> політерпени (більше 8 ізопренових фрагментів, п > 8).
Окрім цього, за наявності або відсутності циклу в молекулі терпени поділяють на аліфатичні (ациклічні) і циклічні, причому самі циклічні, залежно від кількості циклів, підрозділяють на моноциклічні, біциклічні та трициклічні.
У природі терпени зустрічаються в складі ефірних олій. На відміну від жирних олій, ефірні олії леткі і повністю випаровуються, не залишаючи жирних плям. Ефірні олії — джерела запахів різних рослин. Так, аромат суниці обумовлений вмістом в ефірній олії близько 50 різних терпенів, причому деяких — у дуже малих кількостях.
Ациклічні терпени1. В основі вуглецевого скелета ряду ациклічних монотерпенів лежать структури ізомерних димерів ізопрену — мірцену та раніше згадуваного оцимену:
мірцен;
7-мстил-3-мстилсн-1,6-октадієн
Мірцен міститься в ефірній олії лавра благородного і хмелю звичайного, а оци-
мен — в ефірній олії листя васильків справжніх.
СН2ОН
СН2ОН
гераніол; нерол;
цис-3,7-диметил- транс-3,7 -диметил-
2,6-октадієн-1-ол 2,6-октадієн-1-ол
До похідних цих монотерпенових вуглеводнів належать спирти гераніол і нерол. Вони є геометричними ізомерами, причому гераніолу відповідає і^ис-форма, а неролу — транс-форма.
Ці спирти знаходяться в геранієвій, трояндовій та інших ефірних оліях як у вільному стані, так і у вигляді естерів. Гераніол — безбарвна або
1 Як зазначалось раніше (див. с. 21), непозначеними замісниками у вуглецевому скелеті сполук терпенової природи є метильні (метиленові) групи.
Глава 37
-?08 --------------------------------------------------------------------------------------------------
світло-жовта рідина з запахом троянди. Нерол відрізняється від гераніолу більш тонким ароматом троянди.
Нерол у кислому середовищі легко циклізується в циклічний терпено-їд — а-терпінеол:
нерол
а-терпінеол
цитраль А; цитраль В;
////с-3,7-диметил- /н/м/с-3,7-диметил-
2,6-октадієналь 2,6-октадієналь
Гераніол і нерол використовуються як пахучі речовини в парфумерній промисловості. Альдегідами, що добувають при окисненні гераніолу та неролу, є цитраль А та цитраль В.
Природний цитраль — це суміш обох форм і знаходиться в багатьох ефірних оліях, особливо в лимонній. Жовта масляниста рідина (т. кип. 228—229 °С) з характерним лимонним запахом. Виявляє антисептичну, болезаспокійливу і проти
запальну дію, у медицині використовується переважно для лікування очей. Як ароматизатор застосовується в парфумерній і харчовій промисловості.
Гераніол і цитраль виділяють у навколишнє середовище робочі бджоли для приваблення інших особин до джерела їжі, тому ці речовини називають харчовими атрактантами (від лат. аіігако — притягаю). Цитраль же відлякує мурах деяких видів, тобто є для них репелентом (від лат. гереііо — відлякую). Природні атрак-танти і репеленти об’єднані в групу феромонів — летких сполук, здатних впливати на поведінку живих організмів. Таких засобів «хімічного спілкування» відомо безліч — феромони тривоги, харчові, статеві тощо. Використання пасток зі статевими феромонами, що приваблюють самців комах-шкідників сільськогосподарських культур, дозволяє скоротити витрати отрутохімікатів.
Серед різноманітних ациклічних терпенів слід зазначити сесквітерпеновий спирт фарнезол, який зумовлює аромат липи і конвалії, служить атрактантом для деяких комах, а у вигляді пірофосфату — напівпродукт у біосинтезі тритерпенового вуглеводню сквалену С30Н50:
фарнезол;
3,7,11-триметил-
2,6,10-додекатриєн-1 -ол
фарнезилпірофосфат
Сквален — безпосередній попередник стероїдів у процесі їх біосинтезу. Він може бути виділений із дріжджів, насіння злаків, маслинової олії. Особливо багатий ним жир печінки акули (до 40 % за масою).
ЛІПІДИ
709
Моноциклічні терпени. Найважливіші представники моноциклічних терпенів — це лимонен і ментан.
Молекула лимонену має один асиметричний атом Карбону та існує у вигляді двох дзеркальних ізомерів. (-)-Лимонен і його рацемічна форма — дипентен містяться в складі скипидару та ефірних олій хвойних порід дерев. (+)-Лимонен міститься в померанцевій олії (до 90%), є компонентом апельсинової, бергамотної, кминної та селерової олій. Він же зумовлює запах лимонної олії.
Оптично активні форми лимонену добувають з названих ефірних олій.
(±)-Лимонен (дипентен) можна добути димеризацією ізопрену при нагріванні в запаяній ампулі до 150°С (С. В. Лебедєв, 1908—1913 рр.). При 500—700°С відбувається зворотний процес — крекінг дипентену з утворенням ізопрену.
ізопрен (±)-лимонен;
дипентен;
1,8-ментадієн
Можливість як ланцюгової, так і циклічної димеризації ізопрену наочно ілюструє генетичний взаємозв’язок ациклічних і циклічних монотерпенів.
Каталітична гідрогенізація лимонену дозволяє добути насичений монотерпе-новий вуглеводень ментан, що є родоначальником групи моноциклічних терпено-їдів. Дегідрогенізація лимонену приводить до утворення ароматичного вуглеводню л-цимолу1.
и-цимол ментан
Гідратація лимонену в кислому середовищі проходить за правилом Марковникова і приводить до утворення двохатомного спирту терпіну.
іЮН
2Н2О; Н+»
терпін
Лимонен використовують як запашну речовину в парфумерній промисловості, а дипентен — ще і як розчинник для лаків, восків тощо.
Як уже згадувалося, в основі будови молекул більшості моноциклічних тер-пеноїдів лежить скелет ментану (4-ізопропіл-1-метилциклогексан). Як і лимонен,
1 Цимол міститься в евкаліптовій і кминній ефірних оліях, звідки його виділяють; можна також добути шляхом синтезу з лимонену і а-пінену.
Глава 37
10
ментан включає два фрагменти ізопрену, однак, на відміну від лимонену, у молекулі ментану відсутні подвійні зв’язки, і, крім того, останній знайдений лише в деяких ефірних оліях.
Ментан добувають гідруванням цимолу (л-ізопропілметилбензену). Утворюється переважно цис-ізомер.
Ментан — рідина, розчинна в етанолі, нерозчинна у воді.
До гідроксипохідних ментану належить терпеноїд ментол (3-ментанол) — основний компонент ефірної олії м’яти перцевої. Має три асиметричних центри і тому може існувати у вигляді восьми оптичних ізомерів.
Найбільше значення з них має (-)-ментол, в якого гідроксильна, метальна та ізопропільна групи розташовані екваторіально.
Лівообертаючий ментол добувають виморожуванням м’ятної олії або синтезують відновленням (-)-ментону, до 20% якого міститься в ефірних оліях м’яти.
ментон ментол
У промисловості (±)-ментол добувають алкілюванням л/-крезолу з подальшим гідруванням отриманого тимолу в присутності каталізатора.
л-крезол тимол ментол
Відомі також інші способи добування.
Ментол — летка кристалічна речовина (т. пл. 41—43 °С) із сильним м’ятним запахом, холодить ротову порожнину, викликає характерне почуття холоду та поколювання при втиранні в шкіру. Розчиняється в етанолі, обмежено — у воді, переганяється з водяною парою.
Виявляє хімічні властивості вторинних спиртів.
Використовується як слабкий антисептичний, заспокійливий і знеболюючий засіб у складі цілого ряду лікарських препаратів (бороментол, пектусин і багато
ЛІПІДИ
711
інших). ЗО %-вий розчин ментолу в його естері з ізовалеріановою кислотою — мен-тилізовалеріанат — використовують при стенокардії як судинорозширювальний препарат під назвою «Валідол». Завдяки приємному запаху і смаку ментол знайшов широке застосування в кондитерській і парфумерно-косметичній промисловості.
Дигідроксипохідна ментану — терпеноїд терпін (1,8-ментандіол). Це двотретин-ний двохатомний спирт, який існує у вигляді цис- і /пралс-ізомерів. У цис-ізомері обидві гідроксильні групи знаходяться по один бік циклу, у тралс-ізомері — по різні. Звичайний терпін є цмс-формою.
Терпін можна синтезувати гідратацією лимонену. У промисловості ж його добувають з пінену, що у великій кількості міститься в скипидарі. Унаслідок цих реакцій утворюється кристалогідрат терпіну, що містить одну молекулу води — терпінгідрат.
ОН
Терпінгідрат (1,8-ментандіол моногідрат) — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 115—117°С), майже без запаху, слабо-
гіркувата на смак, розчинна в етанолі, малорозчинна у воді. При • 2Н2О нагріванні до 100 °С сублімується.
ОН
Використовується в медицині при хронічному бронхіті як відхаркувальний засіб. Виявляє також антисептичну і слабку сечогінну дії.
При обробці терпіну розчинами кислот дуже легко відбувається відщеплення однієї молекули води та утворення ненасичених спиртів — терпінеолів:
ОН
ОН
-2НОН *
ОН
он
терпін
а-терпінеол; 1-ментен-8-ол
р-терпінеол; 8-ментен-1-ол
Найбільш розповсюджений у рослинах а-терпінеол містить один асиметричний атом Карбону, через що існує в двох енантіомерних формах, представлених у складі різних олій: геранієвої — (±)-форма, камфорної — (-)-форма, скипидару — (+)-форма.
Терпінеоли — низькоплавкі кристалічні речовини з запахом бузку, що зумовило їх застосування в парфумерії.
Біциклічні терпени. В основі будови молекул терпеноїдів цієї групи виступають чотири найважливіших представники циклічних терпенових вуглеводнів — пінан, камфан (борнан), каран і туйан (сабінан):
пінан;
2,6,6-триметил-біцикло[3.1.1]гептан
камфан; борнан;
1,7,7-триметил-біцикл о [2.2.1] гептан
каран;
3,7,7-триметил-біцикло[4.1.0]гептан
туйан; сабінан;
1 -ізопропіл-4-метил-біцикло[3.1.0]гексан
Частіше від інших похідних цієї групи терпенів у природі зустрічається а-пінен1.
1 Існує і р-пінен, який відрізняється від а-пінену положенням подвійного зв’язку.
Глава 37
712
а-Пінен міститься в різних ефірних оліях, але найбільша його кіль-* кість знаходиться в терпентинній олії — скипидарі (до 75%).
| хН Добувають скипидар перегонкою з водяною парою живиці, яка ви-діляється при надрізах кори («підсочування») хвойних дерев, переважно * сосни. Залишок, який не переганяється,— це суміш смоляних кислот складу С19Н29СООН, її називають каніфоллю.
Молекула а-пінену має оптичну активність і містить два асиметричних центри. Склад терпентинної олії різний і залежить від ботанічного виду рослини. Може переважати лівообертаючий а-пінен із сосни приморської (Ріпиз ріпазіег) і право-обертаючий — із сосни лісової (Ріпиз зуіоезігіз).
При нагріванні з розведеними мінеральними кислотами (нітратною, сульфатною) а-пінен перетворюється в а-терпінеол і терпін.
а-пінен
а-терпінеол терпін
При витримуванні на повітрі пінен і скипидар окиснюються киснем з утворенням пероксиду, який можна виявити за його окисними властивостями (по відношенню, наприклад, до НІ). Потім пероксид перетворюється в кетон групи пінану — вербенон, що міститься в деяких ефірних оліях.
Пінен і відповідно скипидар широко використовуються як роз-I чинники для лаків і фарб. Вони виконують роль прискорювачів твер-діння (висихання) фарб завдяки присутності домішки вищезгаданих ҐДх пероксидів, які стимулюють пероксидне окиснення ненасичених о ланцюгів вищих жирних кислот і утворення полімерних сполук
з жирів (оліфи).
Пінен використовують також як вихідну речовину для одержання синтетичної камфори. Скипидар часто застосовують для втирання в шкіру як подразнюючий, знеболюючий і антисептичний засоби.
Спиртом борнанового (камфанового) ряду є борнеол (борніловий спирт, або 2-камфанол).
4
ЛІПІДИ
713
Він має три асиметричних атоми Карбону в молекулі, і тому оптичні ізомери в нього представлені, крім енантіомерів, парою діастереомерів — борнеолом і ізо-борнеолом.
При кип’ятінні з металічним натрієм у ксилені борнеол і ізоборнеол перетво-
рюються один в одного.
* *
борнеол ізоборнеол
Енантіомерні або рацемічні форми борнеолів містяться в багатьох ефірних оліях як у вільному стані, так і у вигляді естерів. Своєю назвою борнеол зобов’язаний борнійському лавру (ОгуоЬаІапорз аготаіїса), у виділеннях та ефірній олії якого міститься його право-обертаючий ізомер. (-)-Борнеол добувають омиленням
борнілацетату, який у кількості 30—40 % входить до складу ялицевої олії (ефірна олія ялиці сибірської (АЬіез зіЬігіса)). Естери борнеолу можна синтезувати, хоча і з невисокими виходами, шляхом приєднання органічних кислот до а-пінену:
естер борнеолу
карбонова кислота
Борнеоли — це безбарвні кристалічні речовини зі специфічним «камфорно-хвойним» запахом, розчинні в спиртах і етері, практично нерозчинні у воді. Сублімуються нижче температури плавлення.
Борнеоли виявляють хімічні властивості вторинних спиртів. При окисненні хроматною кислотою Н2СгО4 утворюють кетон — камфору.
[О]
—н2о
борнеол
камфора
Під дією кислот борнеоли (особливо ізоборнеол) легко відщепляють воду і перетворюються в камфен. Реакція проходить через стадію перегрупування борніл-катіона, що утворюється, в ізоборніл-катіон.
борнеол борніл- ізоборніл- камфен
катіон катіон
Здобутий камфен здатний гідратуватися в кислому середовищі з утворенням ізоборнеолу.
камфен ізоборнеол
Глава 37
!4
Ця реакція зворотна до синтезу камфену з борнеолу і називається «перегрупування Вагнера—Меєрвейна», або «камфенове перегрупування І роду».
Борнеоли та їх естери використовують як пахучі речовини в парфумерній, миловарній і кондитерській промисловості. Знижують кров’яний тиск, малотоксичні. (-)-Борнеол і (-)-борнілацетат, які виділяють з ялицевої олії, є сировиною для виробництва (-)- камфори.
Камфора — біциклічний кетон на основі камфану (борнану).
У структурі її молекул міститься два асиметричних атоми Карбону, проте замість чотирьох очікуваних оптичних ізомерів камфора має лише пару антиподів. Відсутність діастереомерів у камфори викликане тим, що асиметричні атоми жорстко зв’язані між собою трьома вуглецевими ланцюгами, що виключає можливість іншої конфігурації тільки в одного з цих атомів зі збереженням попередньої конфігурації в іншого.
Було встановлено, що правообертаючий ізомер камфори стереохімічно відповідає конфігурації /)-глюкози.
(-)-камфора (+)-камфора
Правообертаючу камфору добувають з деревини камфорного дерева (Сіппатотит СатрИога), яке росте у В’єтнамі, Китаї, на Тайвані та в Японії. Його культивують у тропічних районах. Камфора також входить до складу ефірних олій сибірської ялиці, васильків, полину, камфорної шавлії тощо. Потреба в камфорі не задовольняється тільки природними її джерелами. Для цього розроблені різні синтетичні і напівсинтетичні методи добування, які часто відрізняються між собою лише вихідною сировиною.
У нашій країні промислове значення набув метод одержання (-)-камфори з ялицевої олії, розроблений М. В. Вершиніним. До складу ялицевої олії входять а-пінен, камфен, феландрен і 30—40% борнілацетату. Останній при фракційної розгонці одержують, збираючи фракцію, що кипить вище 180°С, піддають омиленню, а (-)- борнеол, який утворився, окиснюють хромовою сумішшю в (-)-кам-фору. Промисловий синтез рацемічної камфори з пінену здійснюють за способом В. Є. Тищенка. Синтез проходить в кілька стадій. На першій стадії пінен перетворюють (ізомеризують) у камфен за допомогою каталізаторів (борнофосфорної кислоти, титан(ІУ) оксиду, магній або нікол сульфатів):
ЛІПІДИ
715
а-пінен
камфен
борнілацетат
Н20 (ОН )
-СН СООН
борнеол
камфора
Камфора — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 178 °С) з різким характерним запахом, летка (сублімується), легко переганяється з водяною парою. Легко розчиняється в спирті, малорозчинна у воді. Флуоресціює в УФ-світлі.
За хімічними властивостями камфора — типовий кетон: вона утворює оксими, семікарбазони, фенілгідразони, дає інші реакції на кетонну групу (див. розд. 21.1.4). Метиленова група в а-положенні відносно карбонільної групи виявляє СН-кислотні властивості. Камфора взаємодіє з галогенами і утворює галогено-камфору:
камфора
бромокамфора
+ НВг
Окиснення камфори нітратною кислотою спочатку веде до утворення камфорної кислоти, а потім — до суміші камфанової та камфаронової кислот:
камфора
Є СООН
СООН
СООН камфанова кислота
камфорна кислота
\ __ СООН ноос
СООН
камфаронова кислота
У медицині набули широкого розповсюдження як оптично активні, так і рацемічні форми камфори. Розчини камфори використовують зовнішньо як антисептичний і місцевоподразнюючий засоб, підшкірно — стимулюють дихальний і су-динорухомий центри, обмінні процеси в серцевому м’язі, запобігають утворенню тромбів тощо. Камфора — вихідна речовина для синтезу бромокамфори.
Крім медичного застосування, камфору широко використовують у промисловості як пластифікатор у виробництві целулоїду, компонента бездимних порохів, є репелентом проти молі, комарів тощо.
Бромокамфора застосовується як заспокійливий засіб при захворюваннях центральної нервової системи, поліпшує серцеву діяльність.
КАРОТИНОЇДИ
Каротиноїдами називають групу природних пігментів, подібних за будовою до каротину (пігмент, уперше виділений з моркви).
Молекули каротиноїдів містять у своєму складі значну кількість кон’югованих подвійних зв’язків, чим і пояснюється їх забарвлення. Подвійні зв’язки мають
Глава 37
16
/ирднс-конфігурацію. Більшість каротиноїдів належать до тетратерпенів, тобто їх молекули містять 40 атомів Карбону. Каротиноїди розчинні в оліях та тваринних жирах, багато з них легко окиснюються киснем повітря.
Каротин — пігмент жовто-червоного кольору, що міститься у великій кількості в моркві, а також у молоці, вершковому маслі, листі рослин і багатьох плодах. Поява жовто-червоного забарвлення на листі дерев восени зумовлено наявністю каротину, що стає помітним унаслідок руйнування зеленого пігменту — хлорофілу.
При встановленні будови каротину з’ясувалося, що він — не індивідуальна речовина, а суміш трьох ізомерів: а-каротину, ^-каротину та у-каротину. Здебільшого в суміші переважає 0-каротин. У хімічному відношенні молекули а-, (З- та у-каротинів характеризуються наявністю одного або двох триметилцикло-гексенових кілець і полієнового вуглецевого ланцюга.
Усі ізомери каротину є попередниками вітамінів групи А, тобто провітамінами. Під впливом ферментів в організмі вони розщеплюються по зв’язку С-15—С-16 з утворенням вітаміну Аг — ретинолу. Найбільшу біологічну цінність має 0-каротин, з якого при розкладанні в організмі утворюються дві молекули вітаміну Аг
р-каротин
Молекули а- та у-каротинів несиметричні, тому при ферментативному їхньому
розщепленні утворюється лише ПО ОДНІЙ молекулі вітаміну Ар
СН СН Вітамін А1 (ретинол). Міститься тіль-
Н3С СН3 і 3 і 3 ки в продуктах тваринного походження.
Його багатими джерелами є вершкове І II масло, яєчний жовток, печінка тварин
^^^^СНз і морських риб, риб’ячий жир. У росли
ЛІПІДИ
717
нах вітамін А! не зустрічається, але багато з них містять його попередник (провітамін) — каротин, з якого в організмі людини і тварин утворюється вітамін А,.
За фізичними властивостями — кристалічна речовина жовтого кольору (т. пл. 63—64°С), легкорозчинна в жирах.
Вітамін А! вважається фактором росту. При нестачі його в їжі спостерігається затримка росту, схуднення, висихання рогівки (ксерофтальмія), знижується опірність організму до інфекційних захворювань. Ранньою ознакою А-вітамінної недостатності є ослаблення сутінкового зору (куряча сліпота).
СТЕРОЩИ
До стероїдів належать речовини тваринного та рослинного походження, в основі структури яких знаходиться система циклопентанопергідрофенантрену (сте-рану).
стеран
Наведена у формулі нумерація атомів Карбону не відповідає правилам систематичної номенклатури циклоалканів, але загальноприйнята в хімії стероїдів.
Циклогексанові кільця А, В і С, які входять у структуру стероїдів, перебувають в конформації «крісло». У природних стероїдах кільця А і В можуть мати цис- або транс-зчленування; кільця В і С завжди, а кільця С і Ц майже завжди мають щронс-зчленування.
////^///с-зчленування кілець А/В, В/С та С/В
/(//с-зчленування кілець А/В;
транс -зчленування кілець В/С та СД)
Циклічний скелет стероїдів — це конформаційно жорстка система, тому для нього не характерні конформаційні перетворення.
При написанні формул стероїдів систему циклопентанопергідрофенантрену умовно зображують плоскою.
Незаміщений циклопентанопергідрофенантрен має шість асиметричних атомів Карбону (вузлові атоми С-5, С-8, С-9, С-10, С-13, С-14) і може існувати у вигляді 64 стереоізомерів (26 = 64). При наявності замісників при невузлових атомах Карбону кількість можливих стереоізомерів значно зростає, проте у природі зустрічається лише невелика кількість з них.
Для позначення конфігурації замісників і атомів Гідрогену при асиметричних центрах циклічного скелета стероїдів застосовують а,0-систему. За цією системою конфігурацію замісників та атомів Гідрогену, розташованих під площиною циклічного скелета, прийнято позначати як а-конфігурацію, а розташованих над площиною — ^-конфігурацію. Зв’язки над площиною зображують суцільною ліні-
Глава 37
ц С К єю або клином, а під площиною — переривчастою лінією або штриховим клином. У більшості природних стероїдів Н3С 1 смГпПРИ атомах Карбону С-10 і С-13 знаходяться «ангулярні» метильні групи, а при С-17 — бічний вуглецевий ланцюг, 1^4 ЯВ Ч який має р-конфігурацію. Часто в положенні С-3 містить-
К ся гідроксильна або карбонільна група.
У ряду стероїдів розрізняють такі групи сполук:
> стерини;
> жовчні кислоти;
стероїдні гормони;
аглікони серцевих глікозидів;
аглікони стероїдних сапонінів тощо.
Стерини (стероли) — це стероїдні спирти, в основі структури яких знаходиться ядро вуглеводню холестану.
Полієни як природні барвники
Каротиноїди — група полієнів, які є природними барвниками, що надають жовтих, оранжевих і червоних відтінків великій кількості рослин і деяким тваринним тканинам.
Помідори забарвлені в червоний колір в основному через присутність лікопену (Чакс = 469 НМ).
Р-Каротин спричиняє появу оранжевого забарвлення в моркви і манго (Хмакс = 452 нм); зеаксантин присутній також у манго і надає жовтого кольору яєчним жовткам.
Рожеве забарвлення лосося й омарів пов’язане з присутністю астаксантину.
ЛІПІДИ
719
У номенклатурі похідних холестану прийнята нумерація атомів Карбону, як показано на формулі. Стерини є 3-гідроксипохідними холестану. Різні стерини відрізняються один від одного рівнем ненасиченості вуглецевого скелета (можуть містити один або кілька подвійних зв’язків), а також різною довжиною вуглецевого ланцюга радикала в С-17 (8—10 атомів Карбону). Розрізняють тваринні стерини (зоостерини), рослинні (фітостери-
ни) і стерини грибів (мікостерини). Зоостерини зустрічаються в організмах людини і тварин. їх вуглецевий скелет містить 27 атомів Карбону. Фітостерини містяться в рослинах, а мікостерини — у дріжджових грибках. На відміну від зоостеринів їх молекули містять 28 або 29 атомів Карбону. Важливим представником зоостеринів
є холестерол.
Холестерол (холестерин, 5-холестен-Зр-ол) — похідна холестану, в якому при С-3 знаходиться гідроксильна група в 0-конфігурації, а при С-5 — подвійний зв’язок. Таким чином, холестерол — ненасичений спирт. За рахунок гідроксильної групи він виявляє хімічні властивості спиртів, а за подвійним зв’язком — вступає в реакції, властиві алкенам. Холестерол уперше виділено 1775 року з жовч-
них каменів. Він уходить до складу клітинних мембран, у великих кількостях міститься в нервовій тканині (головному і спинному мозку), присутній у крові і жовчі. Нормальний вміст холестеролу в крові людини становить 180—260 мг%.
холестерол
При порушенні холестеролового обміну ВІН відкладається на стінках кровоносних судин і сприяє розвитку атеросклерозу. Холестерол — біогенетичний попередник стероїдних гормонів, жовчних кислот, вітаміну О3. В організмі холестерол міститься як у вільному стані, так і у вигляді естерів.
У жирі морських риб і тварин, а також у ліпідах шкіри людини міститься 7-де-гідрохолестерол, який при опромінюванні
УФ-світлом перетворюється у вітамін В3 (холекальциферол). У процесі ізомери -
холекальциферол
Тому 7-дегідрохолестерол — провітамін О3. Близький за будовою до вітаміну В3 вітамін О2 (див. нижче).
Вітаміни групи В регулюють обмін Кальцію і Фосфору в організмі. При нестачі вітаміну Б у раціоні в дітей розвивається захворювання на рахіт.
Глава 37
720
Ергостерол (ергостерин, 24-метил-5,7,22-холестантриєн-30-ол) належить до групи мі-костеринів. За хімічною будовою ергостерол, як і холестерол, є одноатомним ненасиченим спиртом. Але ергостерол, на відміну від хо-лестеролу, містить три подвійні зв’язки в положеннях 5, 7 і 22, а також метильну групу в положенні 24.
Під дією УФ-світла ергостерол ізомеризується у вітамін О2 (ергокальциферол). У процесі ізомеризації відбувається розрив зв’язку між С-9 і С-10.
Тому ергостерин є провітаміном В2. Він міститься у великій кількості в дріжджах. Вітамін О2, як і вітамін В3, регулює обмін Кальцію та Фосфору в організмі, а отже, має антирахітичну дію.
Жовчні кислоти. Знаходяться в жовчі людини і тварин. Вони виробляються печінкою з холестеролу. За хімічною будовою жовчні кислоти — це гідроксипохідні холанової кислоти.
холанова кислота
З жовчі людини виділено і дезоксихолева кислоти.
чотири кислоти, з яких найбільш поширені холева
холева кислота
дезоксихолева кислота
ЛІПІДИ
721
Холева кислота має три спиртових гідроксили в положеннях 3, 7 і 12, дезок-сихолева — два в положеннях 3 і 12 (відсутній у положенні 7). Усі гідроксильні групи мають «-конфігурацію, а цикли А і В — цис-зчленування. У жовчі жовчні кислоти знаходяться зазвичай не у вільному стані, а у вигляді амідів з амінокислотою гліцином Н2МСН2СООН або таурином Н2МСН2СН28О3Н. Так, холева кислота знаходиться у вигляді глікохолевої і таурохолевої кислот.
глікохолева кислота
таурохолева кислота
Натрієві та калієві солі цих кислот, завдяки поверхнево-активним властивостям, здатні емульгувати жири і тим самим полегшують їх перетравлювання
та всмоктування.
Стероїдні гормони. До стероїдних гормонів належать кортикостероїди (гормони кори надниркових залоз) і статеві гормони.
Кортикостероїди виробляються в корі наднирко-Нзс вих залоз. За хімічною природою вони є похідними
Н С вуглеводню прегнану. За характером впливу на про-
-3 1. С 1Д45/ цеси обміиу кортикостероїди поділяють на дві групи:
р д |ії» д «у глюкокортикоїди, які регулюють вуглеводний обмін,
і мінералокортикоїди, що впливають на сольовий обмін (обмін Иа+, К+ і води).
пРегнан Найважливіші представники глюкокортико'їдів —
гідрокортизон і кортизон.
Ці сполуки містять у положеннях С-3 кетонну, С-17 — гідроксильну і гідро-ксиацетильну групи, а в положенні С-4 — подвійний зв’язок. Гідрокортизон, крім того, має в С-11 гідроксильну групу, а кортизон, на відміну від нього, містить при С-11 карбонільну групу.
Глюкокортикоїди активно впливають на вуглеводний і білковий обмін. Вони підвищують вміст глюкози в крові, сприяють нагромадженню глікогену в печінці, викликають збільшення виділення азоту із сечею. Глюкокортикоїди виявляють протизапальну та антиалергічну дії.
Глава 37
~2?
Основні представники мінералокортикоїдів — альдостерон і дезоксикортико-стерон.
Ці сполуки містять у положеннях С-3 — кетонну, С-17 — гідроксиацетильну групи, а в положенні С-4 — подвійний зв’язок. Альдостерон, крім того, має в положенні С-11 гідроксильну групу, а в положенні С-13 — замість метильної групи альдегідну (звідси і походить його назва).
Мінералокортикоїди регулюють переважно обмін Натрію, Калію, Хлору та води. Вони сприяють утриманню іонів Натрію і Хлору в організмі і виведенню із сечею іонів Калію.
З природних кортикоідів як лікарські засоби застосовують гідрокортизон, кортизон і дезоксикортикостерон.
Нині у медицині широко використовуються синтетичні аналоги кортизону і гідрокортизону — преднізон, преднізолон, дексаметазон, триамцинолон тощо. Ці сполуки більш активні, ніж природні кортикостероїди, діють у менших дозах, справляють менший вплив на мінеральний обмін.
Характерна особливість хімічної будови дексаметазону і триамцинолону — наявність у їх молекулах атома Флуору в положенні С-9.
Статеві гормони. У чоловіків статеві гормони виробляються в сім’яниках (тес-тикулах), у жінок — у яєчниках. Чоловічі статеві гормони називають андрогенами (від грец. андрос — чоловік). Жіночі статеві гормони поділяють на естрогени, які утворюються у фолікулах яєчників, тому їх ще називають фолікулярними гормонами, і гестагени (гормони вагітності), що утворюються в жовтому тілі яєчників.
Статеві гормони починають вироблятися з періоду статевого дозрівання. Під їх впливом відбувається формування вторинних статевих ознак. Крім того, вони беруть участь у регуляції білкового обміну, сприяють поліпшенню адаптації, підвищують стійкість організму до зміни умов зовнішнього середовища, сповільнюють процеси старіння.
Андрогени. Найважливішими андрогенами є тестостерон та андростерон.
ЛІПІДИ
723
метилтестостерон
Обидва гормони мають дві ангулярні метильні групи. Тестостерон містить у положеннях С-3 — кетогрупу, С-17 — гідроксильну групу, а в положенні С-4 — подвійний зв’язок. Андростерон має в положенні С-3 — гідроксильну, а в положенні С-17 — карбонільну групи. Андрогени впливають на розвиток вторинних статевих ознак у чоловіків, сприяють формуванню чоловічої статури.
Нині отримано синтетичні стероїди, які мають андрогенну активність (метилтестостерон).
Естрогени. Найбільш важливі естрогени — естрон (фолікулін) і естрадіол.
На відміну від андрогенів, у молекулах естрону та естрадіолу кільце А ароматичне і відсутня ангулярна метильна група в С-10.
Нині відкрито ряд дуже активних синтетичних естрогенів нестероїдної структури (синестрол, діетилстильбестрол, диместрол тощо).
ОН
С2Н5
диетилстильбестрол
Перевага естрогенів нестероїдної будови полягає в тому, що вони більш стійкі
та їх можна застосовувати перорально.
Гестагени. Гормоном жовтого тіла є прогестерон. За хімічною структурою прогестерон подібний до чоловічого статевого гормону — тестостерону. Прогестерон на відміну від тестостерону в положенні С-17 містить ацетильну групу замість гідроксильної.
Прогестерон сприяє перебігу вагітності. Під його дією припиняється дозрівання фолікулів і овуляція. Для медичного використання він добувається син
Глава 37
724
тетично. Прогестерон і його аналоги застосовують при маткових кровотечах, безплідності, недоношуванні вагітності.
Аглікони серцевих глікозидів. Серцеві глікозиди містяться в деяких рослинах, таких як різні види наперстянки, горицвіт весняний, конвалія звичайна, строфант, олеандр тощо. У великих дозах ці сполуки — надзвичайно отруйні речовини, а в дуже малих — справляють кардіотонічну дію (стимулюють діяльність серцевого м’яза).
За хімічною структурою серцеві глікозиди є О-глікозидами, у молекулах яких аглікон має стероїдну структуру, а вуглеводний фрагмент представлений залишками моно-, ди-, три- або тетрасахариду.
Зв’язок між вуглеводом та агліконом ^-глікозидний і здійснюється за рахунок гідроксильної групи в С-3 циклопентанопергідрофенантренового ядра. Крім того, аглікони (геніни) містять у С-14 гідроксильну, у С-13 — метальну групи, а в С-17 — ненасичене лактонне кільце.
За характером лактонного кільця серцеві глікозиди поділяють на дві групи: карденоліди, що містять у С-17 п’ятичленне ненасичене лактонне кільце;
> буфадієноліди, що мають у С-17 шестичленне ненасичене лактонне кільце.
Наявність ненасичених лактонних кілець зумовлює нестійкість серцевих глікозидів у лужних розчинах, які легко гідролізують лактони.
До складу вуглеводного компонента глікозидів входять широко розповсюджені в рослинному світі Л-глюкоза, Л-фруктоза, Л-ксилоза, Л-рамноза, а також зустрічаються лише в серцевих глікозидах метилпентози — Л-дигітоксоза, Л-дигіталоза, Л-цимароза, Л-фукоза тощо.
Серцеві глікозиди групи карденолідів часто містять як аглікон дигітоксигенін і строфантидин.
ЛІПІДИ
725
строфантидин
Приклад серцевого глікозиду — пурпуреаглікозид А, виділений з листя наперстянки пурпурової.
У рослинах карденоліди знаходяться у вигляді так званих первинних (генуїнних) глікозидів, тобто у формі кінцевих продуктів біосинтезу. Після збору листя, і особливо в процесі їх сушіння, під дією ферментативних процесів, що перебігають, відбувається «скорочування» вуглеводного ланцюга. Унаслідок утворюються речовини, які отримали назву «вторинні глікозиди». Так, вторинним глікозидом пурпуреаглікозиду А є дигітоксин, що містить як цукровий компонент три залишки Р-2)-дигітоксози. Дигітоксин використовують в медицині при хронічній серцево-судинній недостатності.
Стероїдні аглікони сапонінів. Сапонінами ("від лат. заро — мило,) називають групу рослинних глікозидів, що мають високу поверхневу активність і викликають гемоліз еритроцитів.
Водні розчини сапонінів при струшуванні утворюють значну кількість піни.
За хімічною природою сапоніни є О-глікозидами, в яких аглікони (сапогеніни) можуть мати стероїдну або тритерпенову структуру. Стероїдні сапоніни містяться в рослинах родини лілейних, діоскорейних, ранникових тощо. Більшість агліконів стероїдних сапонінів містить у своєму складі спірокетальне угруповання, яке утворюється внаслідок окиснення бокового ланцюга з восьми атомів Карбону, розмі-
Глава 37
726 ------------------------------------------------------------------------------
щеного в положенні С-17 і гідроксильної групи — в С-16. До сапогенінів стероїдної природи належить діосгенін, що міститься в кореневищі діоскореї.
Стероїдні сапогеніни використовують як вихідну сировину для виробництва синтетичних стероїдних гормонів. Так, діосгенін застосовують для синтезу гормону вагітності — прогестерону.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Номенклатурнне правила ИЮПАК по химии: В 4 т. Пер. с англ./ Под ред. Л. А. Яновской.— М.: ВИНИТИ, 1979.-1985.
2. Артеменко А. И. Органическая химия: Учеб. для вузов.— 5-е изд., испр.— М.: Вьісш. шк., 2002.— 559 с.
3. Березин Б. Д., Березин Д. Б. Курс современной органической химии: Учеб. пособие для вузов.— М.: Вьісш. шк., 2001.— 768 с.
4. Бобровик Л. Д., Руденко В. М., Лезенко П. О. Органічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл.— К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2002.— 544 с.
5. Грандберг И. И. Органическая химия: Учеб. для студ. вузов.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Дрофа, 2001.— 672 с.
6. Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений: Пер. с англ.— М.: Мир, 1996.— 464 с.
7. Днепровский А. С., Темникова Т. И. Теоретические основи органической химии.— Л.: Химия, 1991.- 560 с.
8. Ким А. М. Органическая химия: Учеб. пособие.— 2-е изд., испр. и доп.— Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2001.— 814 с.
9. Ластухін Ю. О., Воронов С. А. Органічна хімія: Підруч. для вищ. навч. закл.— Львів: Центр Європи, 2001.— 864 с.
10. МарчДж. Органическая химия: В 4 т.— М.: Мир, 1987.— Т. 1.— 381 с.; Т. 2.— 504 с.; Т. 3.— 459 с.; Т. 4.— 486 с.
11. Нейланд О. Я. Органическая химия.— М.: Вьісш. шк., 1990.— 751 с.
12. Общая органическая химия: В 12 т. Пер. с англ. / Под ред. Д. Бартона, У. Д. Оллиса.— М.: Химия, 1985.
13. Органическая химия: Учеб. для вузов: В 2 кн. / В. Л. Белобородов, С. 3. Зарубян, А. П. Лузин, Н. А. Тюкавкина; Под. ред. Н. А. Тюкавкиной.— 2-е изд., стереотип.— М.: Дрофа, 2003.
14. Органическая химия: Учеб. для вузов: В 2 т. / В. Ф. Травень.— М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.— Т. 1.- 727 с.
15. Петров А. А., Бальян X. В., Трощенко А. Т. Органическая химия: Учеб. для вузов / Под ред. М. Д. Стадничук.— 5-е изд., перераб. и доп.— С.-Пб.: «Йван Федоров», 2002.— 624 с.
16. Потапов В. М. Стереохимия.— М.: Химия, 1988.— 463 с.
17. Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. Органическая химия. В 4 частях: Учеб. для студ. вузов.— 2-е изд.— М.: БИНОМ.— Лаборатория знаний, 2004.
18. Сайкс П. Механизмьі реакций в органической химии.— М.: Химия, 1991.— 447 с.
19. Терней А. Современная органическая химия: В 2 ч.— М.: Мир, 1981.— Т. 1.— 978 с.; Т. 2.— 651 с.
20. Химическая знциклопедия: В 5 т. / Редкол.: Зефиров Н. С. и др.— М.: Большая Российская зн-цикл., 1988-1999.- Т. 1-5.
21. Черньїх В. П. Лекции по органической химии: Учеб. пособие для студ. вьісш. учеб. заведений.— Харьков: Изд-во НфаУ; Золотьіе страницьі, 2003.— 456 с.
22. Шабаров Ю. С. Органическая химия: Учеб. для вузов.— 3-є изд.— М.: Химия, 2000.— 848 с.
23. Чокт Мс Мину. Ог§апіс Сііетізігу.— 6 ед.— Тіютізоп Ьоокз, 2004.— 1176 р.
24. Могтоп К. Т., Воусі К. N. Ог§апіс Сііетізігу.— 5 есі.— АПуп апсі Васоп, Іпс., 1987.— 1403 р.
25. Бсктісі У. Н. Ог§апіс Сііетізігу.— МозЬу, 1996.— 1208 р.
26. Боїотопз N. Ж У., Ргукіе С. В. Ог§апіс Сііетізігу.— 7 есі.— 1Ч.¥.: Іоііп УУіІеу апсі 8опз, 2000.— 1258 р.
ІМЕННИЙ ПОКАЗНИК
Альберт А. 527
Альдер К.1 162, 163, 1642, 181, 537, 591
Байер А. Й. Ф. В. 148, 156, 182, 183
Бахман В. 235
Бейльштейн Ф. Ф. (Ф. К.) 265, 267
Бекетов М. М 276
Бер М. 102
Бернтсен 586
Бертло П. Е. М. 17, 166, 689, 690
Берцеліус Й. Я. 15, 17, 18, 62
Бішлер А. 584
Бородін О. П. 133, 276, 384, 495
Бренстед Й. Н. 90, 91, 94, 95
Бріглеб Г. 65, 66
Бугер П. 102
Букмінстер Фуллер Р. 214
Бунзен Р. В. 184, 267
Бутлеров О. М. 17, 19, 20, 51, 62, 143, 148, 276,
342
Вагнер Є. Є. 151^ 333, 614, 714
Ван-дер-Ваальс И. Д. 66, 87, 182
Ван-Слайк Д. Д. 666
Вант-Гофф Я. X. 19, 62, 63, 64
Велер Ф. 17, 18, 20, 267, 493
Вершинін М. В. 714
Вільямсон А. В. 251, 252, 350, 368
Вітт О. Н. 314
Вознесенський О. А. 613
Воскресенський О. А. 215, 276, 401
Вроблевський Е. 191
Вудворд Р. Б. 541, 544
Вюрц Ш. А. 64, 131, 133, 143, 180, 197, 265, 267,
384, 390
Габріель 3. 282
Ганч А. 562, 563
Гаттерман Л. 394, 396
Гей-Люссак Ж. Л. 18, 20, 690
Гелль К. 413, 462
Гмелін X. Г. 15, 251
Гомберг М. 232, 235
Гофман А. В. 282, 283, 286, 454
Гребе К. 215, 586
Григоровський А. М. 586
Гриньяр Ф. О. В. 172, 255, 265, 266, 319, 320, 381,
407
Грисс Й. П. 304
Гунд Ф. 20, 38, 39
Гюккель Е. А. А. Й. 20, 193, 194, 197, 217, 223,
526
Дебай П. Й. В. 47, 197
Дебнер О. 579, 580, 581
Деві Е. 166
Дільс О. П. Г. 162, 163, 164, 181, 537, 591
Дірак П. 38
Драгендорф 614
Драйдінг А. С. 65
Дю Віньо В. 672
Дюма Ж. Б. 18, 19, 223, 295
Едман 667
Ельбс К. Й. К. 358
Ельтеков О. П. 170, 173, 341, 390
Ердман 614
Ерленмейєр Р. А. К. Е. 148, 341, 342, 390
Жерар Ш. Ф. 18
Зайцев О. М. 143, 151, 325
Зандмейєр Т. 260, 307, 308
Зелінский М. Д. 136, 197, 413, 462
Зінін М. М. 274, 276, 283, 290, 486
Інгольд К. 20, 75, 76, 78, 83, 247
Казанський Б. О. 197
Кан Р.С. 76, 83
Канніццаро С. 396, 397, 542
Каро Г. 586
Каро Н. 297
Каур О 283
Кекуле Ф. А. 19, 22, 184, 190, 191, 353
Керл Р. 214
Кляйзен Л. 448, 450
Кнорр Л. 529, 555, 556
Коллі О. А. 625, 627
Кольбе А. В. Г. 17, 143, 148, 353, 355, 473, 537
Коновалов М. І. 136, 270, 274
Корнфорт Дж. У 75
Коссель В. 32
Кох Ю. 394, 396
Крафтс Дж. М. 197, 202, 205, 223, 229, 230, 275,
353, 354, 395, 440, 568
1 Курсивом зазначені лауреати Нобелівської премії.
2 Посилання, де містяться короткі біографічні відомості про вчених.
ІМЕННИЙ ПОКАЗНИК
729
Крік Ф. 685
Крото X. В. 214
Кроуфт-Ходжкін Д. 541
Крюгер П. 355
Купер А. С. 19
Кучеров М. Г. 170, 171, 375, 389
Лавуазье А. 17
ЛаденбургА. 191
Ламберт Й. Г 102
Ле Бель Ж. А. 19, 62, 63, 64
Лебедєв С. В. 160, 164, 709
Леннард-Джонс Д. Е. 20
Лібіх Ю. 18, 20, 133, 251, 342, 392
Лоран О. 223
Лукас Г. 328
Льюїс Г. Н. 20, 32, 90, 95, 96, 157, 188, 201, 202,
203, 219, 327, 351, 354, 396, 417, 440
Магідсон О. Ю. 586
Маллікен Р. С. 20
Маркі 614
Марковников В. В. 19, 136, 148, 149, 170, 188,
258, 319, 390, 467, 486, 500
Меєрвейн Г. Л. 151, 714
Мейєр В. 531, 614
Менделєєв Д. І. 19, 248, 386
Меншуткін М. О. 324
Мерріфілд Б. 677
Міллер В. 579, 580, 581
Мішер Й. Ф. 679
Напиральський Б. 584
Натта Дж. 154, 164
Ніколь У. 67
Нобель А. Б. 33, 34
Ньюмен М. С. 66, 67, 85
Орєхов О. П. 613
Паале 529
Пастер Л. 81
Паули В. 39
Перкін В. Г. (старший) 398, 399, 591
Пірсон Р. 95
Пітцер К. С. 86, 182, 183
Планк М. 98
Плате А. Ф. 197
Полінг Л. К. 20, 47, 48, 60, 685
Попов О. Н. 151
Прелог В. 75, 76, 78, 83
Преображенський М. О. 613
Прилєжаєв М. О. 152
Реймер К.Л. 355, 356, 537
Ремсен А. 512
Реппе В. Ю. 415
Реформатський С. Н. 467, 468
Робінсон Р. 20, 616
Родіонов В. М. 613
Розанов М. О. 74
Руель І. 16
Руеман 488
Ружичка Л. 706
Рунге Ф. Ф. 347, 579
Руфф О. 632
Сеген 616
Семенов М. М. 134, 135
Сенгер Ф. 667, 673
Серенсен С. П. Л. 667
Скрауп 3. X. 579, 580
Слейтер Д. К. 20
Смолі Р. 214
Стюарт Г. 65, 66
Субейран Е. 20
Терентьєв О. П. 533, 534
Тищенко В. Є. 385, 386, 714
Тіман Й. К. Ф. 355, 356, 537
Тодд А. 685
Толленс Б. X. Г. 388, 390, 625, 627, 636, 647, 649,
651
Томпсон У. 69
Торп Д. Ф. 458
Траубе В. 603
Тропш Г. 130
Уілкінс М. X. Ф. 685
Ульман Ф. 227, 262
Уотсон Дж. Д. 685
Фаворський О. Є. 171, 174
Фалберг К. 512
Фарадей М. 190, 191
Фелінг Г. X. 388, 392, 636, 647, 649, 651
Фінкельштейн Г. 244, 253
Фіттіг Р. 197, 265
Фішер Г. Е. 539, 540, 545
Фішер Е. Г. 67, 71, 72, 74, 75, 130, 623, 627
Фолкерс К. А. 541
Фольгард Я. 413, 462
Фрідель Ш. 197, 202, 203, 205, 223, 229, 230, 275,
353, 354, 395, 440, 568
Фрис К. 354
Хеуорс Г. У. Н. 627, 628, 629, 631
Хіншелвуд С. Н. 135
Цейзель С. 370
Циглер К. В. 154, 164
Чаргафф Е. 685
Чичибабін А. Е. 531, 569
Швейцер 656
Шеврель М. Е. 689, 690
Шееле К. В. 16, 17
Шифф X. Й. 294, 295, 382, 591
Шмідт К. Г. (К. Е. Г.) 611, 612
Шмітт Р. 355, 473, 537
Шорлеммер К. 15, 16
Шредінгер Е. 37, 38
Штреккер А. 486
Юр’єв Ю. К. 528, 529
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
Аглікони 639,724
— сапонінів стероїдні 725, 726
— серцевих глікозидів 724, 725
Адамантан 179, 189
Аденін 607
Р-Аденіндезоксирибофуранозид, див. Дезоксиаденозин
Аденозин 640, 681
Аденозин-3'-монофосфат 683
Аденозин-5'-монофосфат 682, 683
Аденозиндифосфат 683, 684
Адреналін 362
АДФ, див. Аденозиндифосфат
Азепіни 611
Азетидин 522, 523
2-Азетидинон 524
Азид 456
Азин, див. Піридин
Азини 383, 565
Азиридин 344, 522, 523
Азобарвники 300, 313—315, 358
Азобензен 275, 311, 312
Азокомпонента 309
Азоксибензен 275, 312
Азоли 515, 551
Азолідин 519
Азометани 294, 382
Азосполуки 275, 309, 311—313, 354
Азотистий іприт 344
Азулен 237, 239, 240
Акридан 587
Акридин 586
Акридин-ЬІ-оксид 588
Акридиній хлорид 588
9-Акридол, див. 9-Гідроксиакридин
9-Акридон 587, 588
Акрилонітрил 164, 459
Акрихін 589
Активований комплекс, див. Перехідний стан
Аланілглутамілгліцин 670
а-Аланін 485, 486, 488
Алени 157, 158
Алілгалогеніди 242, 257, 259, 264
Алілхлорид 155
Алільне положення 155
Алітам 654
Аліфатичні сполуки, див. Ациклічнічні
Аліциклічні сполуки 23, 82
Алкадієни 125, 157—159
Алкалоїди 613, 614
Алкани 125, 126
Алкансульфонілхлориди 135, 136
Алкени 125, 140, 141
Алкіламіни 282, 283, 520
Алкіламіноетаноли 342, 343, 520
Алкілмагнійгалогеніди 168, 381
Алкілнітрити 305
Алкілсульфати 149, 324, 350, 370
Алкіни 125, 166, 256
Алкіни термінальні 172
Алкініди 172
Алмаз 41
Алоксазин 610
Алоксан 606
Алоксантин 604
Алотропні модифікації Карбону 41
Альбуцид, див. Сульфацил
Альдегід
— акриловий, див. Акролеїн
— бензойний, див. Бензальдегід
— валеріановий 373, 377
— гліколевий 336
— гліцериновий 75, 337, 623
— ізовалеріановий 373, 377
— ізомасляний 373, 377
— коричний 398
— кротоновий 384, 390
— малеїновий, див. Малеїндіальдегід
— масляний 373, 377
— мурашиний, див. Формальдегід
— оцтовий 170, 373
— пеларгоновий 696
— пропіоновий 328, 373, 376
— саліциловий 355, 393, 591
— сорбіновий 391
— л^-толуїловий 395
— о-толуїловий 395
— и-толуїловий 393, 395
— хлороцовий 562
— щавлевий, див. Гліоксаль
Альдегід амоніак 382
Альдегіди 372, 373
Альдіміни 381, 486
Альдогексози 622
Альдогептоза 632
Альдози 622
Альдоксими 382, 457
Альдолі 383
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
731
Альдопентози 542, 622
Альдостерон 722
Альтернування поляризації 56, 57
Амід
— масляної кислоти 454
— оцтової кислоти, див. Ацетамід
— пропіоновой кислоти 283
Аміди
— л-амінобензенсульфокислоти, див. Сульфаніламіди
— карбонових кислот 438, 451, 452
Амідоксим 460
Амідопірин 556
Амідотризоєвої кислоти дигідрат 268
а-Аміл єн, див. 1-Пентен
Р-Амілєн, див. 2-Пентен
Амілоза 653, 655
Амілоїд 656
Амілопектин 653, 655
Аміназин 602
Аміналон, див. Кислота у-аміномасляна
Аміни 280, 281
9-Аміноакридин 587
9-Аміноакридиній хлорид 589
4-Аміноантипірин 556
2-Аміно-5-бромопіримідин 596
2-Аміно-4-гідрокси-5-нітропіримідин 596
2-Аміно-4-гідроксипіримідин 596
2-Аміноетанол 342, 344
1-Аміноізохінолін 585
Амінокислоти 485, 486
а-Амінокислоти 485
— замінні 661
— С-кінцеві 670, 671
— М-кінцеві 670, 671
— з захищеною аміногрупою 666
— з захищеною карбоксильною групою 676
— незамінні 661
2-Аміно-1-метилпіридиній йодид 576
2-Аміно-4-метилпіримідин 597
2-Аміно-4-метилтіазол 562
2-Аміно-З-метилтіазолій йодид 563
а-Амінонітрил 486
2-Амінопіразин 600
З-Амінопіридин дигідрохлорид 575
Амінопіридини 574, 575
4-Амінопіридиній хлорид 575
2-Амінопіримідин 622
З-Аміно-1-пропанол 521
Аміноспирти 342, 343
2-Амінотіазол 563
Амінофеноли 363, 364
2-Амінохінолін 582
Аміноцукри 643
— похідні 659, 660
Ампіцилін 564
АМФ, див. Аденозин-$ -монофосфат
Амфотерні сполуки 322, 364, 487, 552, 558, 576,
603
Анабазин 615
Анальгін 557
Ангідрид 438
— бензойний 396, 399, 400
— бурштиновий 426, 427
— глутаровий 426
— малеїновий 434
— оцтовий 412, 441, 442
— 1,2,3,6-тетрагідро-3,6-епоксифталевий 537
— фталевий 220, 435, 443
Ангідриди
— змішані 441
— лінійні 441
— циклічні 441
Ангіографія, див. Амідотризоєвої кислоти дигідрат
Андрогени 723
Андростерон 723
Анестезин 489
Анізидини 281, 366
Анізол, див. Етер метилфеніловий
Аніліди 293
Анілін 274, 275, 290, 291, 301
З-Анілінобутаналь 580
З-Анілінопропаналь 579
Аномери 626
Аномерний центр 625, 626
Антидот 329
Антиоксиданти 357
Антипірин 556
Антиподи оптичні, див. Енантіомери
Антифебрин, див. Ацетанілід
Антрахінон 223
Антрацен 194, 223, 224
Антраценсульфокислоти 224
Антрол 345
Р-Арабіноза 632
£-Арабіноза 623, 642
£-Арабінопіраноза 642
Арбутин 640
Аргінін 497
Аренаміни, див. Ариламіни
Арендіол 345
Арени, див. Вуглеводні ароматичні
Аренол 345
Ареноли, див. Феноли
Арилалкілгалогеніди 241
Ариламіни 280, 281, 290, 291
Ароматичні системи 20, 23
— сполуки 23, 24, 101, 190, 191
Ароматичність 193
Аскорбат-іон 645
Аспарагин 662
Аспартам 654
Аспірин, див. Кислота ацетилсаліцилова
Атом Карбону
— асиметричний, див. Атом Карбону хіральний
— валентні стани (гібридизація) 41—43
— електрофільний (електронодефіцитний) 245,
250, 254, 325, 409, 439
— збуджений стан 40
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
— основний стан 40
— первинний, вторинний, третинний 29
— перегібридизація 247
— хіральний 70—76, 85
Атропін 618
Атропоізомерія 74, 228
АТФ, див. Аденозинтрифосфат
Ауксохроми 101
Ахіральні молекули 69, 73, 79
Ацеталі 380
Ацетальдегід, див. Альдегід оцтовий
Ацетамід 413, 452, 454
Ацетанілід 293
ГЧ-Ацетилазиридин 523
а-Ацетиламінопропанон 564
Ацетилацетон 551
— оксим 565
ГЧ-Ацетил-П-глюкозамін 659
Ацетилен 175
Ацетилнітрат 533
М-Ацетилпіридиній хлорид 568
Ацетилпіроли 536
2-Ацетилтіофен 534
10-Ацетилфенотіазин 601
2-Ацетилфуран 534
М-Ацетилхіноліній хлорид 581
Ацетилхлорид 203, 350, 452, 456
Ацетилхолін 345
Ацетоїн 697
ГЧ-Ацетоксипіридиній хлорид 572
Ацетон 374, 377, 389
Ацетонітрил 459
Ацетофенон 394
Ацидоліз 369
Ацидофобність 532
Ациклічні сполуки 23, 24, 125, 140, 157, 166
Ацикловір 687
Ацилази 665
Ацилаль 394, 543
Ацилоїни 399
Баки-бол, див. Фулерен
Бакеліти 356
Бакмінстерфулерен, див. Фулерен
Барбаміл, див. Барбітурати
Барбітал, див. Барбітурати
Барбітурати 598
Барвники 233, 313, 314
Барвники кубові 548
Білки 661
— глобулярні 678
— прості, див. Протеїни
— складні, див. Протеїди
— фібрилярні 678
Білок денатурований 678
Бендазол, див. Дибазол
Бензальдегід 395, 399
Бензен 190, 191, 213
З-Бензеназоіндол 546
2-Бензеназопірол 537 л/-Бензендисульфокислота 360 Бензендіазоній хлорид 304, 305 Бензенсульфокислота 200, 504, 507 Бензенсульфохлорид 307, 507 Бензидин 281 Бензилбензоат 451
4-Бензиліденаміноантипірин 557
Бензиліденхлорид 242, 260
Бензилпеніцилін 564
Бензилфенілкетон 394
Бензилхлорид 229, 260
Бензин 130
Бензімідазол 299
Бензо[а]антрацен 225
Бензогексоній 302
Бензогідрол 317
Бензоїлнітрат 546
Бензоїлхлорид 421, 438, 441
Бензоїн 399
Бензоксикарбонілхлорид 665, 666
Бензол, див. Бензен
Бензонітрил 307, 420
Бензо[д]пірен 225
Бензо[д]пірен дигідроксиепоксид 225
Бензотеф 524
Бензофенон 394, 400
Бензохінони 401, 402
Біотин 544
Бісептол 565
Бісульфітні сполуки, див. Гідросульфітні сполуки Біурет 495
Біфеніл 197, 227
БОК, див. трет-Бутоксикарбонільна група Борнан, див. Камфан
Борнеол 713
Борнілацетат 714
Борніл-катіон 713
Брильянтовий зелений 233
Бродіння молочнокисле 470
Бродіння спиртове 642
Брозилати 510
Брометан 245
Бромізовал 465, 494
Бромобене, див. Бромогексин гідрохлорид Бромобензен 307
Бромогексин гідрохлорид 268
Бромокамфора 715
Бромомагній алкоголят 320
Бромометан 245
З-Бром-1-пропанамін 522
З-Бромопіридин 568
М-Бромопіридиній бромід 569
у-Бромопропіламін, див. З-Бром-1-пропанамін М-Бромосукцинімід 155 Буряковий цукор, див. Сахароза 1,3-Бутадієн 159, 165 Бутан 126, 129, 131
Бутаналь (бутиральдегід), див. Альдегід масляний 1-Бутанол 321
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
733
2-Бутанол 318, 321
Буганон, див. Етилметилкетон
1-Бутен 140
2-Бутен 140, 142, 144
Бутиламіни 281
а-Бутилен, див. 1-Бутен
р-Бутилен, див. 2-Бутен
1-Бутин 166
2-Бутин 166
Бутиролактон 464, 470, 538
я/реяі-Бутоксикарбоксазид 665, 666
^е^-Бутоксикарбонільна група 666
Буфадіеноліди 724
Вазелін 130, 139
Вазопресин 673
Валідол 711
Валін 662
Ванілін 400, 578
Вербенон 712
Вибухові речовини 278
Виноградний цукор, див. Б-Глюкоза
Відарабін 687
Вікасол 222
Вінілацетат 341
Вінілацетилен 174
Вінілгалогеніди 257
М-Вініл-2-піролідон 538
Вінілхлорид 242
Вінілювання 171
Вітамін А15 див. Ретинол
Вітамін В15 див. Тіамін
Вітамін В2, див. Рибофлавін
Вітамін В6, див. Піридоксин
Вітамін В!2, див. Ціанокобаламін
Вітамін Вс, див. Кислота фолієва
Вітамін С, див. Кислота аскорбінова
Вітамін В2, див. Ергокальциферол
Вітамін В3, див. Холекальциферол
Вітамін Н, див. Біотин
Вітамін К 403
Вітамін Р, див. Флавоноли
Вітамін РР, див. Кислота нікотинова, амід Воски
— бджолиний 699
— гірський, див. Озокерит
— карнаубський 698, 699
— шерстяний 698
Вторинна структура
— білків 671
— нуклеїнових кислот 685
Вуглеводи 621, 622
Вуглеводні 24
— аліфатичні 24, 125, 140, 157, 166
— аліциклічні 177
— ароматичні 24, 190
— ацетиленові, див. Алкіни
— ациклічні 24
— етиленові, див. Алкени
— насичені, див. Алкани
Газ
— коксовий 197
— природний 130
— світильний 190
Л-Галактоза 624, 642
/)-Гал акто замін 644 а-2)-Галактопіраноза 631 р-Р-Галактопіраноза 631, 642
Галогеналкани 241, 244, 245
Галогеналкени 241, 257, 258
Галогеналкіни 241
Г алогенангідриди
— карбонових кислот 412, 438, 439
— сульфокислот 506—509
Галогенарени 259
Галоперидол 578
Гангліозиди 703, 704
Гас 130
Гексаметилендіамін 298
Гексаметилентетрамін 389
Гексан 126, 132
Гексахлоран 204
Гексиламін 284
Гексити 332
Гексоген 278
Гексозани 653
Гексози 622
Геліантин, див. Метиловий оранжевий
Гем 539, 540
Гемін 539, 540
Гемоглобін 540
Гемодез 538
Гепарин 659
Гептан 126, 132
Гераніол 707
Героїн 617
Герпевір, див. Ацикловір
Гестагени 723, 724
Гетероатоми
— піридинового типу 527
— пірольного типу 526, 527
Гетероауксин 550
Гетерополісахариди 653, 659
Гетерофункціональні органічні сполуки 24
Гетероциклічні сполуки 23, 513, 514
Гідразид
— оцтової кислоти, див. Етаногідразид
Гідразин 382
Гідразобензен 275, 312
Гідразони 382
Гідрати альдегідів 379, 380
Гідробензамід 396
Гідрокарбонілювання 407
Гідрокортизон 721 9-Гідроксиакридин 587 Гідроксикислоти 465 5-Гідроксиметилфурфурол 630
Гідроксинітрили 378 а-Гідроксинітрили, див. Ціангідрини Гідроксипіридини 573, 574
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
^34
4-Гідроксипірилій хлорид 591
Гідроксихіноліни 582, 583
Гідропероксиди 137
Гідросульфітні сполуки 379
Гідроформілювання, див. Оксосинтез
Гідрофурфурамід 542
Гідрохінон 359
Гіосціамін 618
Гіперкон’югація 57, 118, 145
Гіпоксантин 604, 607
— натрієва сіль 607
— хлороводнева сіль 607
«Гіркнення» жирів 695
Гірський віск, див. Озокерит
Гістамін 560
Гістидин 559, 560
Глікоген 656
Глікозиди 639
Глікозидний гідроксил 625, 626
Глікокол, див. Гліцин
Гліколі, див. Спирти двохатомні
Гліколіпіди 688, 703, 704
Гліколіпопротеїди 677
Глікопротеїди 677
Гліоксаль 391, 392
Гліоксим 392
Гліцерин 333, 334, 340
Гліцерилтриацетат 336
Гліцерин тринітрат 336
Гліцерол, див. Гліцерин
Гліцерофосфоліпіди 700
Гліцин, див. Кислота амінооцтова
Глобін 539
Глутамін 663
2)-Глюкоза 623
— оксим 638
^-Глюкоза 624
2)-Глюкозамін 644
Глюкозид 639
Глюкозо-1-фосфат 641
Глюкозо-6-фосфат 641
Глюкокортикоїди 721
а-/)-Глюкопіраноза 629
Р-І>-Глюкопіраноза 629
а-2)-Глюкофураноза 629
Р-/)-Глюкофураноза 629
ГМФ, див. Гуанозин-З -монофосфат
Головний вуглецевий ланцюг 28
Гомологічна різниця 125
Гомологічний ряд 26, 125
Гомополімери 152
Гомополісахариди 653
Гомотопні (еквівалентні) атоми або замісники 79
Гормони
— кори надниркової залози 721, 722
— статеві 722, 723
Граміцидин С 674
Граничні структури, див. Резонансні структури
Графіт 41
Гуанідин 496
Гуанін 497, 607
Гуанозин 681
Гуанозин-5'-монофосфат 682
Гуміарабік 660
Гутаперча 164
Ґума 164
ДАМФ, див. Дезоксиаденозин-5-монофосфат ДГМФ, див. Дезоксигуанозин-5-монофосфат Деградація за Едманом, див. Реакція Едмана Дезоксиаденозин 682
Дезоксиаденозин-5'-монофосфат 682
Дезоксигуанозин 682
Дезоксигуанозин-5'-монофосфат 682
Дезоксикортикостерон 722 2-Дезокси-1)-рибоза 680 Дезоксирибонуклеозиди 681 Дезоксирибонуклеотиди 682 2-Дезокси-І>-рибофураноза 643, 680
Дезоксицитидин 682
Дезоксицитидин-5'-монофосфат 682
Декагідрохінолін 582
Декалін 179, 220
Декан 126, 132
Дексаметазон 722
Декстрани 657, 658
Декстрини 653
Денатурація білка 678
Деревний цукор, див. Б-Ксилоза
Десульфування 510, 511
Детергенти, див. Синтетичні мийні засоби л-Дефщитні гетероцикли 527
Дибазол 561
Дибутилфталат 436
Дивініл, див. 1,3-Бутадієн
Дигалогенопохідні вуглеводнів 255, 256
— віцинальні 146, 167, 243, 255
— гемінальні 167, 243, 255
9,10-Дигідроакридин, див. Акридан
2,3-Дигідроіндол 546
2,3-Дигідропіразин 600
Дигідроурацил 680
1,2-Дигідрохінолін 582 7-Дигідрохолестерол 719
Р-І>-Дигіталоза 724
Дигітоксигенін 725
2)-Дигітоксоза 724
Дизельне пальне 130
Дикетони 391, 392
Дикетопіперазин 488
Диклоксацилін 564 р-/)-Димароза 724
Димексид, див. Диметилсульфоксид
Димеризація 153, 174, 181 3,3-Диметилалілпірофосфат 706
Диметиламін 284
М,М-Диметиланілін 292
Диметилгліоксим 392 2-М,М-Диметилгуанін 680
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
735
3,5-Диметилізоксазол 565
Диметилкетен 440
Диметилкетон, див. Ацетон
2,5- Диметилоксазол 564
3,5-Диметилпіразол 551
Диметилсукцинат 445
Диметилсульфат 557
Диметилсульфід 502
Диметилсульфоксид 503
2,5-Диметилтіазол 563
М,М-Диметилформамід (ДМФА) 451, 455
2,4-Динітрофлуоробензен 667
Динопрост 705
Динопростон 705
Динуклеотиди 683
Дипальмітиллецитин 701
Дипентен, див. Лимонен
Дипептиди 669
Дисахариди
— відновні 646
— невідновні 651
Дитерпени 707
2,6- Ди(дире^-бутил)-4-метилфенол, див. Іонол
Дифеніл, див. Біфеніл
Дифеніламін 281, 290, 291
Дифеніл кетон, див. Бензофенон
Дифенілметан 229, 230
Дифенілсульфід 502
Дихлорамін Б 507
Дихлоретан 245
Дихлорокарбен 289
Дихлорометан 244, 245
2,5-Дихлоропірол 534
2,5-Дихлоротіофен 534
М,М'-Дициклогексилкарбодіімід 677
М,М'-Дициклогексилсечовина 677
Діазепам 612
Діазепіни 611, 612
1,2- Діазин, див. Піридазин
1,3- Діазин, див. Піримідин
1,4- Діазин, див. Піразин
Діазоамінобензен 310
Діазогідроксиди (діазогідрати) 304, 305
1,2- Діазол, див. Піразол
1,3- Діазол, див. Імідазол
Діазометан 181
Діазосполуки 303, 304
Діазотати 303
Діальдегіди 391, 392
2,4-Діаміно-6-метилпіримідин 597
4,5-Діамінопіримідин 608
Діаміни 297, 298
Діастереомери 73, 84, 624
Діафенілсульфон 503
Діацетил 391, 392
Діацилгліцерилфосфат, див. Кислота фосфатидна
Діетаноламін 520
Діетиламін 284
М,М-Діетиланілін 291
Діетилкетон 377, 389
Діетилмалонат 429, 444, 595
Діетилстильбестрол 723
Діетилсульфід 253, 502
Дієнофіли 162
Діоксан 337, 367
Діосгенін 726
ДНК, див. Кислоти дезоксирибонуклеїнові
ДНФ-похідні 668
Додекан 126
ДТМФ, див. Тимідин-5'-монофосфат
ДЦГК, див. ^^'-Дициклогексилкарбодіімід
ДЦМФ, див. Дезоксицитидин-5і-монофосфат
Ейкозан 126, 132
Еквівалентні замісники, див. Гомотопні атоми або замісники
Елаїдування олій 697
Електронегативність атомів 47
Електронографія 98, 111
Елементи симетрії молекул 68, 69
Еленіум 612
Енантіомери 70
Енантіотопні атоми (групи) 80
Енгідразин 637
Енергетичний бар’єр обертання 86
Енергія
— активації 112, 113
— вільна 112, 113
— конформацій 186
— кон’югації, див. Енергія резонансу
— поглинання випромінювання 98—100
— резонансу 158, 192
Еноли 170, 340, 341, 391
Енолят-аніон 383
Епімери 624
Епімеризація 636
Епіхлорогідрин 521
Епоксиди 152
Епоксиетан, див. Оксиран
Ергокальциферол 720
Ергостерин 720
Еритрити 332, 333
Естерази 665
Естери 438, 444, 445
— активовані 446
— арилові 446
— ацетооцтовий 450, 480, 481
— вінілові 446
— вінілоцтовий, див. Вінілацетат
— карбамінової кислоти, див. Уретани
— малоновий 429
Естрадіол 723
Естрогени 723
Естрон 723
Етазол, див. Сульфаетидол
Етакридин лактат, див. Риванол
Етан 126, 132, 139
Етаналь, див. Альдегід оцтовий
Етандіаль, див. Гліоксаль
Етандіамін 523
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
736
Етаногідразид 455, 456
Етанол 253, 317, 321, 330 — абсолютний 331
Етанол амін, див. 2-Аміноетанол
Етантіол 253, 500
Етаперазин 602
Етацизин 602
Етен, див. Етилен
Етер 325, 366
— вінілетиловий 368
— диметиловий 368
— дифеніловий 368
— діетиловий 250, 324, 368, 371
— етиловий, див. Етер діетиловий
— етилфеніловий 250, 371
— краун- 338, 366
— метилфеніловий 368, 371
— циклічні 366
Етиламін 281, 284, 287, 443
Етилацетат 252, 287, 319, 324, 445, 450, 451
Етилбензоат 444
Етилен 519
Етиленгліколь 151, 519
Етил-а-2)-глюкопіранозид 639 ЕтиЛ“Р“2)-глюкопіранозид 639 Етилендіамін, див. Етандіамін Етиленімін, див. Азиридин Етиленоксид, див. Оксиран Етиленсульфід, див. Тііран Етиленхлорогідрин, див. 2-Хлоретанол Етилмагнійгалогеніди 131, 319, 320, 381, 407 Етилметилкетон 374
Етилпіридини 573
Етилформіат 451
Етилхлорид, див. Хлоретан Етилцелозольв 519 Етин, див. Ацетилен Ефект — гіперкон’югації 57, 58 — гіперхромний 101 — гіпохромний 101 — індуктивний 50—52, 55—57 — мезомерний (ефект кон’югації) 50, 52—55 — сольватаційний 93, 94, 119, 122
Ефір петролейний 130, 139
Жири 688, 689
Замісники 28
— електроноакцепторні 56
— електронодонорні 56
Зміщення
— батохромне 101
— гіпсохромне 101
Зовіракс, див. Ацикловір Зсув хімічний 106—108
Ідоксуридин 687
Ізатин 549
— оксим 549
— фенілгідразон 549
Ізоалоксазин 610
Ізоамілацетат 447
Ізоамілбутират 447
Ізоборнеол 713
Ізоборніл-катіон 713
Ізобутан 129
Ізобутилен 140
Ізобутирилформіат 447
Ізобутирилхлорид 440
Ізоелектрична точка (р7) 665
Ізоксазол 564, 565
Ізолейцин 662
Ізомерія 62
— вуглецевого ланцюга 62, 63
— геометрична (цис-транс-ізомерія) 62, 82—85
— конфігураційна 62
— конформаційна (поворотна) 62, 85—89
— оптична 62, 67, 68, 74
— положення 62, 63
— просторова (стереоізомерія) 62, 64, 72
— прототропна, див. Таутомерія
— структурна (ізомерія будови) 62
— функціональних груп 62, 63
Ізомери 62
— геометричні 65, 82—85
— конфігураційні 65, 88
— конформаційні (поворотні) 65, 88
— оптичні 65, 67, 70, 72—75, 85, 179
— просторові 72, 73, 82
— син-, анти- 84
— структурні 62, 64
— трео-, еритро- 76
— цис-., транс- 84, 85, 142
Ізоніазид 578
Ізонітрили 252, 288, 289, 294, 299
Ізопентан 129
Ізопентенілпірофосфат 706
Ізопрен 157, 165
Ізопренове правило 706
Ізопреноїди 706
Ізопропілнітрит 253
Ізофлавон 593
Ізохінолін 584
Ізохінолін-И-оксид 586
Ізохінолон 585
Ізоціаніди, див. Ізонітрили
Індигокармін 548
Індолкалій 546
Індометацин 550
Імід о-сульфобензойної кислоти, див. Сахарин
Імідазол 557
Імідазолід-аніон 558
Імідазолій-катіон 558
Іміни 294, 382
а-Імінокислоти 666
2-Іміно-З-метилтіазолін 563
Іміносечовина, див. Гуанідин
Інверсія 652
— триалкіламінів 284
— циклоалканів 186
Інвертний цукор 652
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
737
Індиго 547, 548
Індикатори 236, 314, 315
Індоксил 547
Індол 544, 545
Індол магній йодид 546
Ініціювання 134
Інозин 687
Інозитол 700
Інсулін 672—674
Інтал 593
Інтенсивність
— поглинання 100
— сигналів 108
Інтермедіати (проміжні продукти) 113, 114, 117
Інулін 658
Іоніти, див. Смоли іонообмінні
Іони
— алкоксид- 323
— амбідентні 251, 271, 272
— ацилієвий 204
— біполярні 487, 508
— галогенонію 147
— карбоксилат- 409
— карбонію, див. Карбокатіони
— нітрозонію 305
— нітронію 200
— трифенілметильні 231, 232
— феноксид- 349
— цвітер-, див. Іони біполярні
Іонол 357
Іприт 503
Йодетан 245
Йодобензен 227, 290
Йодометан 245
Йодоформ 242
Йопагност, див. Кислота йопаноєва
Кадаверин, див. Пентаметилендіамін
Калій
— ацесульфам 654
— піразолід 552
— піролід 536
— фталімід 282
Кальцій
— адипінат 180
— ацетат 376
— глюконат 634, 642
— карбід 168
— лактат 470
— оксалат 428
Камеді рослинні 660
Камфан 711
Камфен 713
Камфенове перегрупування І роду, див. Перегрупування Вагнера—Меєрвейна
Камфора 714, 715
Каніфоль 712
Каран 711
Карбамід, див. Сечовина
Карбаніони 117, 119—123
Карбе ни 180, 181
Карбінол, див. Метанол
Карбогідрати, див. Вуглеводи
Карбокатіони (іони карбонію) 117—119,
147-149, 250, 255, 325
Карбоксиметилцелюлоза 657
Карбоциклічні сполуки 23
Карденоліди 724
Каротин 715, 716
Каротиноїди 715
Каталізатор Твітчела і контакт Петрова 692
Каталізатор Циглера—Натта 154, 164
Каучук
— бутадієн-нітрильний 164
— бутадієновий 164
— бутадієн-стиреновий 164
— вулканізація 164
— ізопреновий 164
— натуральний 163
— синтетичний 163, 164
— хлоропреновий 164
Квантові числа 37
Кверцетин, див. Флавоноли
Кетали 381
Кетени 442
Кетогексози 622
Кетози 622
а-Кетокислоти 478, 479, 484, 485
Кетоксими 382
Кетони 372, 374
Кефалін 701
Кефаліни 701
Кислота 90
— З'-аденілова, див. Аденозин-3'-монофосфат
— 5'-аденілова, див. Аденозин-5'-монофосфат
— адипінова 424, 431
— акридинова, див. Кислота 2,3-хіноліндикар-бонова
— акрилова 416, 462
— амідотризоєва 268
— л-амінобензойна (ПАБК) 486, 610
— амінобурштинова, див. Кислота аспарагінова
— 2-аміноетансульфонова 511
— а-аміно-р-гідроксимасляна, див. Треонін
— а-аміно-р-гідроксипропіонова, див. Серин
— а-аміноглутарова, див. Кислота глутамінова
— а-аміно-6-гуанідиновалеріанова, див. Аргінін
— а-аміноізовалеріанова, див. Валін
— а-аміноізокапронова, див. Лейцин
— є-амінокапронова 489
— у-аміномасляна 485, 489
— а-аміно-р-меркаптопропіонова, див. Цистеїн
— а-аміно-р-метилвалеріанова, див. Ізолейцин
— а-аміно-у-метилтіомасляна, див. Метіонін
— амінооцтова 485, 662
— а-амінопропіонова, див. Аланін
— р-амінопропіонова 486
— а-аміно-р-фенілпропіонова, див. Фенілаланін
— антранілова 485, 489
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
738
— /)-арабінарова 635
— арахідонова 691, 705
— арахінова 405, 690
— аскорбінова 644, 645
— аспарагінова 622
---амід, див. Аспарагін
— ацетатна, див. Кислота оцтова
— ТЧ-ацетилнейрамінова 704
— ацетилсаліцилова 477
— ацетондикарбонова 473
— ацетооцтова 479
— барбітурова 495, 596
— бензенсульфонова, див. Бензенсульфокислота
— 1,3-бензенсульфонова, див. м-Бензен-дисульфокислота
— бензойна 348
— а-бромізовалеріанова 465
— бромоцтова 467
— бурштинова 424, 427, 431, 433
— бутандіова, див. Кислота бурштинова
— бутанова, див. Кислота масляна
— валеріанова 415
— винна 433, 466
— виннокам’яна 388, 472
— виноградна (мезовинна) 433
— вінілоцтова 416
— вугільна, див. Кислота карбонатна
— 2)-галактарова, див. Кислота слизова
— £>-галактонова 635
— 2)-галактуронова 636, 685
— галова 466, 473
— гексадеканова, див. Кислота пальмітинова
— гександіова, див. Кислота адипінова
— гексанова, див. Кислота капронова
— гептандіова, див. Кислота пімелінова
— гіалуронова 659
— у-гідроксимасляна 470, 471
— 4-гідрокси-2-піролідинкарбонова 539
— 3-гідроксипропанова 468
— гліколева 336, 465
— глікохолева 721
— гліоксалева (гліоксилова) 336, 478
— глутамінова 662
---у-амід, див. Глутамін
— глутарова 424
— 2)-глюкарова 634
— 7)-глюконова 632
---кальцієва сіль, див. Кальцій глюконат
— 2)-глюкуронова 635
— 5'-гуанілова, див. Гуанозин-51 -монофосфат
— дегідроаскорбінова 645
— дегідрослизова 530
— дезоксиаденілова, див. Дезоксиаденозин-5 -монофосфат
— дезоксигуанілова, див. Дезоксигуанозин-5-монофосфат
— дезоксихолева 720
— дезоксицитидилова, див. Дезоксицитидин-5-монофосфат
— дихлороцтова 465
— діалурова 606
— а,є-діамінокапронова, див. Лізин
— додеканова, див. Кислота лауринова
— ейкозанова 704
— елаїдинова 418, 419, 691
— етандіова, див. Кислота щавлева
— етанова, див. Кислота оцтова
— £-ідуронова 636
— ізатинова
натрієва сіль 549
— ізовалеріанова 405
— ізомасляна 405
— ізонікотинова 576
---гідразид, див. Ізоніазид
---етиловий естер 578
— ізофталева 434
— 5-ізохінолінсульфонова 585
— ізоціанова 495
— 4-імідазолсульфонова 559
— індиго-5,5'-дисульфонова, див. Індигокармін
— Р-індолілоцтова, див. Гетероауксин
— 3-індолсульфонова 546
— йодоцтова 410
— йопаноєва 268
— йоталамова 268
— камфанова 715
— камфаронова 715
— камфорна 715
— каприлова 619
— капринова 619
— капронова 405
— карбамінова 491
— карболова, див. Фенол
— карбонатна 491
— а-кетоглутарова 485
— 2-кето-2)-глюконова 632
— 2-кето-£-гулонова 645
— корична 398, 422, 429
— коркова 424
— кротонова 416
— кумаринова 478
---динатрієва сіль 592
---лактон, див. Лактони
— 6-кумаринсульфонова 592
— о-кумарова 478
— лактатна, див. Кислота молочна
— лауринова 690
— лимонна 466
— линолева 416, 691
— ліноленова 416, 691
— малатна, див. Кислота яблучна
— малеїнова 431, 432
— малонова 424
— малональдегідна 478
— мальтобіонова 647
— /)-манарова 635
— 2)-мануронова 636
— маргаринова 690
— масляна 405, 414
— мезоксалева 337, 479
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
739
— меконова 591
— метакрилова 416, 418
— метанова, див. Кислота мурашина
— метансульфонова, див. Метансульфокислота
— метилмалонова 424
— мефенамова 489
— міристинова 405
— молочна 464, 465
— мурашина 405
— нейрамінова 645
— нікотинова 570, 576
---амід 577
---гідрохлорид 576
---ТЧ,М-діетиламід 577
---цвітер-іон 577
— нітронова 271, 272
— оксалатна, див. Кислота щавлева
— октадеканова, див. Кислота стеаринова
— октандіова, див. Кислота коркова
— олеїнова 416, 418, 691
— оротова 599
— оцтова 405, 414
---«льодяна» 414
— пальмітинова 405
— пекгова, див. Кислота полігалактуронова
— пеларгонова 696
— пентандіова, див. Кислота глутарова
— пентанова, див. Кислота валеріанова
— пероксиоцтова 570
— піколінова 576
— пікринова 352, 353
— пімелінова 424
— 4-піразолсульфонова 554
— 2,3-піридиндикарбонова 583
— 3,4-піридиндикарбонова 586
— 3-піридинсульфонова 568
— піровиноградна 472, 478
— пірослизева 530
— піролідин-2-карбонова, див. Пролін
— 2-піролкарбонова 537
— полігалактуронова 658
— полімолочна 471
— пропандіова, див. Кислота малонова
— пропанова, див. Кислота пропіонова
— пропенова, див. Кислота акрилова
— пропіолова (пропінова) 414, 418
— пропіонова 328, 405, 414, 418
— простанова 704
— пурпурова 606
---амонійна сіль, див. Мурексид
— сакронова 654
— саліцилова 211, 466
— сечова 604
---солі, див. Урати
— слизова 530
діамонійна сіль 530
— стеаринова 405
— стифнінова 361
— суберова, див. Кислота коркова
— сульфанілова 296
— 3-сульфобензойна 504
— тартратна, див. Кислота винна
— таурохолева 721
— терефталева 339, 434, 435
— тетрадеканова, див. Кислота міристинова
— тетролова 416, 418
— тимідилова, див. Тимідин-У-монофосфат,
— 2-тіофенсульфонова 533
— л-толуенсульфонова, див.
п-Толуенсульфокислота
— трифлуоропероксиоцтова 297, 666
— трифлуороцтова 410
— трихлороцтова 410, 465
— тропова 618
— 10-ундеценова 418
— ундециленова, див. Кислота 10-ундеценова
— 6-урацилкарбонова, див. Кислота оротова
— 5'-уридилова, див. Уридин-У-монофосфат
— М-фенілантранілова 464, 586
— феніл оцтова 420, 422
— флуороцтова 410
— фолієва 609
— форміатна, див. Кислота мурашина
— фосфатидна 700
— фталева 205, 282, 434, 435
— фумарова 431, 432
— 2-фурансульфонова 533
— хелідонова 591
— 2,3-хіноліндикарбонова 588
— хінолінова 583
— 6-хінолінсульфонова 582
— 8-хінолінсульфонова 582
— хлорокарбонатна 491
— хлороцтова (монохлороцтова) 410, 461, 463, 465
— холанова 720
— холева 720
— целобіонова 649
— циклогексансульфонова, див. Циклогексан-сульфокислота
— 5'-цитидилова, див. Цитидин-У-монофосфат
— цитратна, див. Кислота лимонна
— ціанова 495
— ціаноцтова 428
— ціанурова 495
— /)-цукрова 635
— щавлева 206, 336, 424
--діамід, див. Оксамід
— щавлевооцтова 472, 479
— яблучна 428, 431, 433, 471
Кислотний центр 91
Кислоти 90
— алкілнітролові 272
— альдарові 634
— альдонові 634
— ароматичні 419
— вищі 405, 408, 416
— дезоксирибонуклеїнові 679
— галогенокарбонові 461, 462
— гідроксамові (гідроксиаміди) 438
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
740
— о-гідроксикоричні 477
— дикарбонові 424
— дитіокарбонові 498
— жовчні 720, 721
— жорсткі, м’які 95, 96
— Льюїса (апротонні) 95, 96, 118
— монокарбонові 404—406
— насичені 404
— нафталенкарбонові 419
— незамінні 661
— ненасичені 415, 431
— нітронові 271, 272
— нуклеїнові 679
— органічні, типи 91
— рибонуклеїнові 679
— сіалові 646
— смоляні 712
— спряжені 90, 93
— сульфенові 498
— сульфінові 498
— сульфонові 498
— толуїлові 419
— трикарбонові 472
— уронові 635
— хлоромасляні 463
— цукрові, див. Кислоти альдарові Класифікація органічних сполук 23—25 Клотримазол 560
Кодеїн 617
Кокаїн 619
Кокарбоксилаза 599
Колаген 639
Коламін, див. Аміноетанол
Коливання в молекулах 103, 104
Колодий 657
Колодійна вата, див. Колоксилін
Колоксилін 657
Комплекс
— активований, див. Перехідний стан
— п- 95
- я- 93, 95
-о- 113
я-Комплекси 93, 95, 146, 147, 171, 200, 201
о-Комплекси 113, 200, 201, 263, 277, 579
Комплементарні пари 685
Конденсація
— альдольна 383, 397, 398
— бензо'їнова 399
— естерова, див. Конденсація Кляйзена
— естерова альдегідів, див. Реакція Тищенко
— Кляйзена 450
— Кневенагеля 428, 432
— кротонова 384
— перехресна 397
— Перкіна 398
Константа
— кислотності 90, 91
— основности 91
— спін-спінової взаємодії 108
Константи дисоціації (рА^, рХвн+) 291, 410, 418, 421, 425, 435, 552, 558, 562, 567, 577, 581, 585, 594, 609
Контракція спирту 322
Конфігурація 64
— абсолютна 74, 75, 78
— відносна 74
— елементів електронна 38
— енантіомерів 70, 74—76
— лінійна 64, 65
— молекул 65, 74
— обертання 247
— площинна 64, 122
— системи позначення
---син-анти- 84
---цис-транс- 82—85
---74-76
---Е,2- 82, 83, 142
---К,8- 76-79
— тетраедрична 64, 123
— цис- і транс- 82
- Е- і Е- 142
Конформації
— дисахаридів 650, 651
— моносахаридів 631
— полінуклеотидного ланцюга ДНК 685
— поліпептидного ланцюга білків 671, 672
— полісахаридів 657
— стероїдів 717
Конформація 64
— «ванна» («човен») 185, 186
— загальмована 85—87
---анти, гош- 87—89
---анти-бутанова 127
— заслонена 85—87
— зиґзаґоподібна 126, 127
— клішнеподібна 126
— «конверт» 185
— «крісло» 185, 186
— молекул 36, 65, 67, 88
— нерегулярна 126
— скошена 86
— твіст- (перекручена «ванна») 186
— трансоїдна 158
Конформери, див. Ізомери конформаційні
Кон’югація 52—55
— р,я- 53
— я,я- 53
— о,я-, див. Гіперкон’югація
— о,р-, див. Гіперкон’югація
Кон’юговані системи 52, 53
Кополімери 152
Коринфар, див. Ніфедипін
Кортизон 721
Кортикостероїди 721
Кофеїн 607
Кофермент
- НАД+ 666
— піридоксальфосфат 666
[12]-Краун-4 367
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
741
[18]-Краун-6 339
л/-Крезол 710
Крезоли 263, 354
Крекінг 137
Кристалічний фіолетовий 235
Кристалоза 512
Крохмаль 653
Ксантин 604
Ксантинол никотинат 608
Ксилан 641
Ксилени 194—196, 213
Р-Ксиліт 633
Р-Ксилоза 624, 633, 641
а-Р-Ксилопіраноза 641
Кумарин 478, 591, 592
Кумен 194, 214, 348
Кумол, див. Кумен
Купрум(І) метилацетиленід 172
Купрум(ІІ)
— гліколят 334, 335
— гліцерат 335
Лавсан, див. Поліетилентерефталат
Лакриматори 386
Лактами 488
Лактиди 469
Лактоза 646, 650, 651
Лактони 464, 469, 470, 632
Ланолін 698
Левоміцетин, див. Хлорамфенікол
Левулеза, див. И-Фруктоза
Лейцин 662
Лецитин 701
Лецитини 701
Лимонен 708, 709
— крекінг 709
Лізин 302
Лінетол 419
Ліпіди 688
— неомилювані 688, 704—726
— омилювані 688, 689—704
Ліпопротеїди 677
Лобелін 615
Локанти ЗО, 31
Лутеолін, див. Флавоноли
Магнійорганічні сполуки 172, 255, 265, 319, 320
Мазут 130
Малахітовий зелений 235
Малеїндіальдегід 594
Малеїнімід 536
Малонодинітрил 459
Мальтаза 648
Мальтоза 646
Манан 643
І>-Маніт 633, 634
Р-Маноза 624
а-Р-Манопіраноза 631
р-І>-Манопіраноза 631
Маргарин 697
Масло вазелинове 139
Масло солярове 130
Мас-спектрометрія 97, 98, 109, 110
Мезитилоксид 385
Мезитилен 194, 196
Мезоформа 73
Мелатонін 547
Ментан 709
Ментилізовалеріанат 711
Ментол 317
Ментон 710
Мепробамат 493
Мепротан, див. Мепробамат
Мерказоліл 560
Меркаптани, див. Тіоспирти
Меркаптобензен, див. Тіофенол
Местранол 176
Металопротеїди 677
Металорганічні сполуки 172, 255, 265, 319, 320, 535
Металоцени 238
Метальдегід 387
Металювання 265
Метамізолнатрій, див. Анальгін
Метан 126, 132, 137, 139
Метаналь, див. Формальдегід
Метанол 317, 321, 323, 329, 330
Метансульфокислота 504
Метантіол 500
1Ч-Метилазиридин 523
Метиламін 283, 284
1Ч-Метилакридиній йодид 588
4-Метиламіноантипірин 557
?4-Метиланілін 290, 291 2-Метилбензоксазол 365
Метилбутират 447
К-Метил-З-гідроксипіридиній йодид 574 1-ЬІ-Метилгуанін 680 2-Метил-1,2-дигідрохінолін 581
Метиленовий синій 602
Метилімідазоли 558
1Ч-Метилімідазолій бромід 558
2-Метиліндол 545
О-Метилмальтозид 648
Метил меркаптан, див. Метантіол
Метилметакрилат 418
Метилнатрій 131
Метилнафталени 216
Метиловий оранжевий (метилоранж) 314, 315
Метиловий червоний 315
Метилпіразоли 553
М-Метил піразол ій йодид 553
Ьї-Метилпіридазиній йодид 595
Метилпіридини, див. Піколіни
Ьї-Метилпіридиній йодид 568
Ьї-Метил-2-піридон 574
4-Метилпіримідин 597
Метилпіроли 535
2-Метил-1 -пропанол 321
2-Метил-2-пропанол 317, 321, 323, 324, 326
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
742
Метилпропілкетон 377
Метил саліцилат 477
Метилтестостерон 723
Метил-2,3,4,6-тетраметил-Е>-глюкопіранозид 640
4-Метилтіазол 562
ТЧ-Метилтіазолій йодид 562
Метилтіобутират 447
З-14-Метил урацил 680
Метилфенілкетон, див. Ацетофенон
З-Метил-1-феніл-5-піразолон 555
10-Метилфенотіазин 601
Метилформіат 444
2-Метилхінолін 581
14-Метилхіноліній йодид 581
Метилциклобутан 182
Метилциклопентан 182, 188
Метилциклопропан 182, 188
Метіонін 663
Метод
— Ван-Слайка, див. Реакція дезамінування
— каталітичного дегідрування 328
— Лебедєва 160
— Траубе 603
— Фішера 545
— Фішера—Тропша 130, 131
— Цейзеля 370
Методи
— валентних зв’язків (ВЗ) 20, 38, 39
— деструктивні 108
— дипольних моментів 59
— дифракційні 98, 111
— ебуліоскопічний 97
— електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) 124
— кріоскопічний 97
— молекулярних орбіталей (МО) 20, 39, 100
— резонансних структур 60
— спектральні 98
9-Метоксиакридин 587
Метоксигідрохінон 402
М-Метоксипіридиній йодид 572
4-Метоксипірилій йодид 591
З- Метокси-1 -пропанол 521
Метронідазол 560
Механізм реакцій
— азосполучення 309, 310
— гідрокарбонілювання 407
— гідроксиметилювання 355, 356
— гідролізу амідів 453, 454
— дегідратації спиртів 324, 325
— діазотування 305
— електрофільного заміщення (5£) 198, 199
— електрофільного приєднання (Л£) 145, 146
— елімінування (Е)
---бімолекулярний (Е2) 254
---естерифікації 411
---мономолекулярний (£1) 254, 255
— Зандмейєра 307
— ізонітрильної 289
— Канніццаро 396, 397
— карбоксилювання 473, 474
— кислотного гідролізу естерів 447, 448
— конденсації
---альдольної 382, 383
---бензоїнової 399
---Кляйзена (естерова конденсація) 450
---Перкіна 398
— Коновалова 136
— лужного гідролізу естерів (омилення) 448
— нуклеофільного заміщення (5^
---ариновий (відщеплення — приєднання) 264
---бімолекулярний (5У2) 246, 247
---внутрішньомолекулярний (5дД) 327
---мономолекулярний (5дД) 249
— нуклеофільного приєднання (А^ 378, 379
— полімеризації 153—155
— приєднання — відщеплення 381
— радикального заміщення (5Л) 133
— Тищенко 385
Мила
— «зелене» 693
— «металічні» 693
Мідантан 189
Міконазол 560
Мікоспор 560
Мінералокортикоїди 721
Мірицилпальмітат 699
Мірцен 707
Міцелли 693
Моделі
— Драйдінга 65, 183
— кулестрижневі 65, 183
— молекулярні 65, 69, 70, 71, 77
— напівсферичні, див. Моделі Стюарта— Бріглеба
— Стюарта—Бріглеба 65, 66 Молочний цукор, див. Лактоза Молярний коефіцієнт поглинання 102, 103 Моноза, див. Моносахариди
Мономери 152
Монометилсукцинат 445
Мононуклеотиди 683
Моносахариди 621
Монотерпени 707
Монофункціональні органічні сполуки 24
Морфін 615
Мультиплетність 108, 109
Мурексид 606
л-Надлишкові гетероцикли 527 Надспряження, див. Гіперкон ’югація Найлон 431
Напівацеталі 380, 625
Напівацетальний гідроксил, див. Глікозидний гідроксил
Напруження
— Ван-дер-Ваальса 87
— торсійне (Пітцера) 86
Напруження циклів 182
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
743
— Ван-дер-Ваальса 182
— кутове (байєрівське) 183
— торсійне (пітцерівське) 182
Насичені сполуки 23, 24
Натрій
— л-амінобензенсульфонамід 509
— л-амінобензенсульфонат 508
— ацетат 410, 446
— ацетиленід 168
— бензоат 421
— бензендіазотат 304
— бутират 411
— дигліколят 334
— етантіолят (етилмеркаптид) 500
— етилат (етоксид) 323
— моногліколят 334
— нітропрусид 390
— оксалат 427, 428
— оксибутират 471
— пропіонат 130, 484
— саліцилат 355, 474, 477
— фенолят 350
— форміат 414, 427
— хлорацетат 463
— цитрат 473
Нафта 130, 142, 180, 189, 196
— ароматизація 196
— крекінг 347
— фракції 130, 159
Нафтален 193, 215, 216
Нафталенсульфокислоти 222, 348
Нафтоли 345, 359
Нафтохінони 220
Нейрин 345
Нейтронографія 98, 111
Ненасичені сполуки 23, 24
Неогексан 127
Неодикумарин 592
Неопентан 129
Нерол 708
Нікотин 614, 615
Нікотинамід, див. Кислота нікотинова, амід
Нінгідрин 488
Нітразепам 612
Нітрили 438, 457, 511
Нітроалкани 270—273
Нітроаніліни 277, 292, 296
Нітробензен 270, 273—275
Нітрогліцерин 278, 336, 340
Нітроетан 271, 280
ЬІ-Нітрозаміни 288
Нітрозилхлорид 523
М-Нітрозоазиридин 523
4-Нітрозоантипірин 556
Нітрозобензен 273, 275
Нітрозосполуки 275
Нітроізохіноліни 585
4-Нітроімідазол 559
З-Нітроіндол 546
Нітроксолін 584
6-Нітрокумарин 592
Нітрометан 283
Нітрон 459
Нітронафталени 218
4-Нітропіразол 554 4-Нітропіридин 571 Нітропіридини 568, 571 2-Нітропірол 533 Нітросполуки 269, 270 2-Нітротіофен 533 Нітротолуени 270, 274, 279
Нітрофеноли 207
2-Нітрофуран 533
Нітрофурал 279, 543 5-Нітрофурфурол 543 5-Нітрофурфуролдіацетат 543
Нітрохіноліни 582
Нітруюча суміш 200
Ніфедипін 279
Новокаїн 489
5-НОК, див. Нітроксолін
Номенклатура органічних сполук
— женевська 26
— замісникова 27—32
— міжнародна (ІЮПАК) 25, 26
— радикало-функціональна 31
— раціональна 25, 26
— тривіальна 25
Нонан 126
Норсульфазол, див. Сульфатіазол
Нуклеозиди 681
Нуклеозидполіфосфати 683, 684
Нуклеопротеїди 677
Нуклеотиди 682
Озазони 637, 638, 647, 649
Озокерит 139
Озони 638
Озоніди 151, 152, 205
Оксазол 564
1,2- Оксазол, див. Ізоксазол
1,3- Оксазол, див. Оксазол
Оксамід 559
Оксафенамід 477
Оксацилін 564
Оксетан 518, 519
Оксигемоглобін 541
Оксигідрохінон 359
Ьї-Оксид
— акридину 588
— 2,5-диметилтіазолу 563
— ізохіноліну 586
— 4-нітропіридину 571
— піразину 600
— піридазину 595
— піридину 570
— хіноліну 583
— 4-хлоропіридину 571
ІЧ-Оксиди амінів 289
Оксинітрили, див. Гідроксинітрили
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
744
Оксипролін 539
Оксиран 152, 367, 518
Окситоцин 672
Оксокислоти 478, 479
Оксол 513
Оксосинтез 376
Октан 196
Октилацетат 447
Октоген 278
Олії 689
— жирні 689
— ефірні 707
Оліфа 712
Олеум 201
Олефіни, див. Алкени
Олігосахариди 621
Омилення 448
Оптична активність 67, 68, 70, 73, 79
Оптична густина 102
Оптичні антиподи (оптичні ізомери), див. Ізомери оптичні
Орбіталі
— атомні (АО) 37
---гібридизація 40
---сі- 37
--р- 37
---5-37
---зр- 43
---зр2- 42
---зр3- 41
— вакантні 38, 40
— вироджені 38
— молекулярні (МО) 38, 192
антизв’язуючі 39
зв’язуючі 39
незв’язуючі 39
я- 44
с-43
Основи 90, 94
— жорсткі, м’які 95, 96
— Льюїса 94—96
— спряжені 90, 91
— типи органічні 93
- Шиффа 294, 382
Основний центр 93
Офтан ідурин, див. Ідоксуридин
Оцимен 707
ПАР, див. Поверхнево-активні речовини
Пантоцид 507
Папаверин 616
Паральдегід 387
Парафін 130, 139
Парафіни, див. Алкани
Параформ 387
Парацетамол 365
«Пастки радикалів» 357
ПГ, див. Простагландини
ПГЕ, див. Простагландини
Пектинові речовини 658
Пеніциліни 564
Пентаацетилглюкопіраноза 641
Пентадекан 126, 132
Пентаметилендіамін 302
Пентан 126, 132
1-Пентанамін 284, 570
2,4-Пентандіон, див. Ацетилацетон
2-Пентанон, див. Метилпропілкетон
З-Пентанон, див. Діетилкетон
1-Пентен 140
2-Пентен 140
Пентиламін 284, 570
Пентилбутират 447
Пентити 332
Пентозани 653
Пентози 622
Пептиди 669
Первинна структура
— нуклеїнових кислот 685
— пептидів і білків 671
Перегрупування
— Вагнера—Меєрвейна 714
— Гофмана (розщеплення амідів за Гофманом) 283, 454
— Фриса 354
Перехідний стан 112, 113, 246, 247, 370
Пероксиди 370
Пероксикислоти 152
Питоме обертання 68, 73
Піколіни 572
Пінан 179
а-Пінен 712
Піперазин 600
— адипінат 600, 621
Піперидин 570, 578
Піразин 594, 600
Піразинамід 600
Піразол 551—554
Піразолід-аніон 553
Піразолідин 554
Піразолій-катіон 553, 554
Піразолій хлорид 528, 552
2-Піразолін 554
5-Піразолон 555
Пірани 589, 590
Піридазин 594, 595
Піридазиній хлорид 595
Піридил-2-метилнатрій 573
Піридин 565, 566
Піридиній бромід 567
Піридиній гідросульфат 528
Піридиноли, див. Гідроксипіридини
Піридинсульфотриоксид 533, 567
Піридоксин 574
Піридони, див. Гідроксипіридини
Піримідин 595, 596
Піримідиній гідросульфат 594
Піримідиній хлорид 596
Піримідинові основи 598, 599
Пірогалол 359
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
745
Пірокатехін 359, 401
Пірокатехол, див. Пірокатехін Піроксилін, див. Тринітроклітчатка Піроліз 180
Пірони 590
Пірилмагній йодид 537
Пірол 531
Піролідин 535
2-Піролідон 538
Піролін 535
Піролнатрій, див. Натрій піролід 2-Піролсульфокислота 533 Пластирі медичні 693
Плексиглас, див. Поліметилметакрилат Плодовий цукор, див. Б-Фруктоза Площина поляризації 67, 68, 70, 74, 75 Поверхнево-активні речовини 693 Поліакрилат 418 Полівінілацетат (ПВА) 341 Полівінілпіролідон 538 Поліглюкін 658
Поліетилен 153
Поліетиленгліколь 338, 520 Поліетиленоксид 338, 520 Поліетилентерефталат 339 Полімери 152
— атактичні (нерегулярні) 155
— біорозкладні 154, 471
— ізотактичні (стереорегулярні) 155 Полімеризація 152, 163
— вільнорадикальна153
— катіонна 154
— координаційна 153—155 Поліметилметакрилат 418 Поліоли, див. Спирти багатоатомні Поліпропілен 153 Полісахариди 622, 652—660 Політерпени 707
Поліфункціональні органічні сполуки 24 Поліхлорвініл (полівінілхлорид) 259 Поліциклічні органічні сполуки 177, 178 Поляризоване світло 67, 70, 74 Порфін 539 Порфірини 539
Правило
— Гунда 38, 39
— Гюккеля 20, 194
— Ельтекова (Ельтекова—Ерленмейєра) 170, 171, 341
— Зайцева 143, 325
— Марковникова 148
— октетне 32
— орієнтації (у реакціях 5^ 207, 221 Прегнан 720
Прегнін 176
Преднізолон 722
Призма Ніколя 67
Принцип
- ЖМКО 96
— Паулі 38
Проба
— Байєра 156
— Бейльштейна 265
— йодоформна 329, 386
— Лукаса 328
Прогестерон 723
Пролін 539
Промедол 578
Проміжні активні частки 117, 119, 124
Промутагени 225
Пропан 126, 131, 132, 137
Пропаналь, див. Альдегід пропіоновий
Пропанол 317, 319, 321
Пропанон, див. Ацетон
Пропанонітрил 252, 457
Пропеленти 267
Пропен 156
Пропіламіни 281, 284
Пропілен, див. Пропен Пропіленхлорогідрин 150 р-Пропіолактон 521 Пропіонілбромід 413 Пропускання 104
Простагландини 688, 704—706
Простетична група 677
Протеїди 677
Протеїни 677
Протеноїди 677
Прохіральні молекули 81
Псевдонітроли 272
Птеридин 608, 609
Птомаїни 301
Пурген, див. Фенолфталеїн
Пурин 603, 604
— натрієва сіль 603
Пуриній хлорид 603
Пуринові основи 607
Пурпуреаглікозид А 725
Путресцин, див. Тетраметилендіамін
Радедорм, див. Нітразепам
Радикал 29
Радикали 29—31, 52
— алільні 155, 258, 259
— алкільні 128
— ароматичних вуглеводнів 195
— бензильного типу 124, 260
- вільні 29, 114, 117, 122-124
— піролу 529
— рекомбінація 135
— тіофену 529
— трифенілметильні 232, 233
— фурану 529
Ь-Рамноза 644
Розчинник
— апротонний 249
— протонний 249
Розщеплення
— ацетооцтового естеру
--кетонне 483
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
746
--кислотне 483
— глікольне 337, 339
— за Руффом 632
Рацемат 79
Рацемізація 250
Рацемізація а-амінокислот 665
Рацемічна суміш 70, 79
Рацемічна форма 79, 81, 82
— методи поділу 81, 82
Реагенти
— алкілюючі 202, 246, 290
— атакуючі 114, 115
— ахіральні 81
— ацилюючі 203, 350, 440, 508
— галогенуючі 134, 155, 201, 244
— електрофільні 115, 145, 198—203
— нітруючі 135, 200
— нуклеофільні 114, 115, 239, 246, 248, 249, 252, 255, 263
— нуклеофільність 248, 249
— хіральні 81
Реактив
— Вагнера 614
— Драгендорфа 614
— Ердмана 614
— Лукаса 328, 329
— Маркі 614
— Мейєра 614
— Толленса 388, 636
— Фелінга 388, 472, 636
— Чугаєва, див. Диметилгліоксим
Реактиви Гриньяра 172 255, 265, 319, 320
Реакції
— азосполучення 300, 309, 354
— алкілювання 168, 219, 223, 282, 286, 353, 354
— алкоголізу 443
— амідування 448, 451, 509
— амонолізу 297, 344, 436, 449, 486
— ацидолізу 369
— ацилювання 201, 203, 204, 219, 287, 293, 300, 354, 440
— бімолекулярні 117, 263, 325
— відновлення 131, 161, 223, 255, 274, 275, 535
— відщеплення, див. Реакції елімінування
— вінілювання 171, 368
— галогенування 133, 134, 146, 155, 168, 201, 206, 219
— гідразинолізу 449, 456
— гідратації 150, 170, 431
— гідрогалогенування 147, 162, 170
— гідрокарбонілювання 407, 415
— гідроксилювання 151, 333, 407, 449, 474
— гідроксиметилювання 355, 356
— гідролізу 318, 333, 420, 453, 454
— гідроформілювання 376
— гідрування, див. Реакції відновлення
— гіпогалогенування 150
— дегалогенування 144
— дегідратації 142, 159, 324, 325, 464, 469
— дегідрогалогенування 143, 167, 417
— дегідроциклізації 217
— дегідрування 144, 159, 227, 328
— декарбоксилювання ЗОЇ, 302, 348, 426, 428, 473, 479
— деполімеризації 387
— десульфування 510
— диспропорціювання (дисмутації) 385, 396, 542
— діазотування 293, 299, 304, 305, 314
— електрофільного заміщення (5£) 198, 199, 218, 222, 224, 259, 294, 295, 351, 532, 533
— електрофільного приєднання (Л£) 145, 146, 161, 390, 391, 433
— електроциклічні 181
— елімінування (Е) 116, 245, 253—255, 326
— естерифікації 335, 336, 411, 447
— заміщення 116, 172
— звуження циклів 188
— карбоксилювання 355, 407, 473, 474, 537
- конденсації 233, 235, 273, 299, 361, 382-385, 397, 398, 428, 429, 567
— кополімеризації 152
— металювання 265
— механізм 114
--гетеролітичний (іонний) 114
--гемолітичний (вільнорадикальний) 114
--перициклічний (молекулярний) 114, 115
— мономолекулярні 117, 249, 327
— нітрозування 353
- нітрування 136, 200, 218, 228, 229, 273, 274
— нуклеофільні 114, 115
— нуклеофільного заміщення (5у) 245, 246, 261—264, 276, 327, 411-413, 506, 569
— нуклеофільного приєднання (Л^) 378—381
— озонування 151, 152, 205, 376
- окиснення 137, 151, 173, 220, 289, 370, 535, 543, 570, 571
— перегрупування 116, 283, 310, 354, 454, 545
— переестерифікації 449
— піролізу 180, 375, 413
— поліконденсації 152, 338, 356
— полімеризації 152—154, 163, 259, 341, 387, 418
— приєднання 116, 219
— приєднання — відщеплення 220, 381, 382
— радикального заміщення (5£) 187, 270
— радикального приєднання 149
— регіоселективність 135
— розширення циклів 188, 537
— селективність (вибірковість) 113, 144
— стереоселекгивні 81
— сульфоокиснення 505
— сульфохлорування 135, 136, 508
— сульфування 200, 201, 219, 347
— типи 116, 117
— формілювання 355, 394, 537
— хлорометилювання 261
— циклоприєднання 163, 180, 181, 496
— швидкістьвизначальна (лімітуюча) стадія 113, 117
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
747
Реакція
— амінування, див. Реакція Чичибабіна
— біуретова 496
— Вагнера 151, 333
— Вільямсона 251, 252, 368
— Вюрца 131
— Вюрца—Фіттіга 197
— Габріеля, див. Синтез Габріеля
— галоформна, див. Проба йодоформна
— Гаттермана—Коха 394
— Гелля—Фольгарда—Зелінського 413
— Гофмана 282, 454
— дезамінування 666
— Дільса—Альдера 162, 181, 537
— Едмана 667
— Ельбса 358
— Зандмейєра 307
- Зініна 274, 275, 290
— з переносом реакційного центру 558
— ізонітрильна 288, 294, 299
— індофенінова 538
— Канніццаро 396, 397
— карбіламінна, див. Реакція ізонітрильна
- Кольбе—Шмітта 355, 473, 474, 537
— Коновалова 136, 270
— ксантопротеїнова 669
— Кучерова 170, 375
— лужного плавлення 348
— мурексидна 606
— нінгідринова 488, 669
— Перкіна 398, 444, 591
— Прилєжаєва 152
— Реймера—Тімана 355, 537
— Реппе 415
— Реформатського 467
— Селіванова 639
— «срібного дзеркала» 388, 414
— Тищенка 385
— Торпа 458
— Ульмана 227
— Фаворського 171
— Фінкельштейна 253
— Фріделя—Крафтса 197, 202, 203
— Чичибабіна 531, 569
Регіоселективність 135
Резерпін 619, 620
Резонанс 58—61
Резонансні (граничні) структури 39, 60, 61
Резорцин 359
Резорцинол, див. Резорцин
Ремантадин 189
Рентгенографія (рентгеноструктурний аналіз)
74, 98, 111
Реополіглюкін 658
Репеленти 436
Ретинол 716
Рибіт 611
Б- Рибоза 624
Рибозо-5-фосфат 641
Рибоксин, див. Інозин
Рибонуклеозиди 681
Рибонуклеотиди 682
Рибофлавін 611
р-І)-Рибофураноза 642
Риванол 589
РНК, див. Кислоти рибонуклеїнові Родоначальна структура сполуки 28, ЗО Рутин, див. Флавоноли
Сабінан, див. Туйан
Салазодиметоксин 312, 313
Салазопіридазин 312, 313
Саліциламід 477
Салол, див. Фенілсаліцилат
Саломаси 697
Сапоніни 726
Сахарин 512
Сахароза 652
Седуксен, див. Діазепам
Семікарбазид 382
Семікарбазони 383, 543
Сеньєтова (сегнетова) сіль 388, 472
Серин 662
Серотонін 550
Сесквітерпени 707
Сечовина 491, 492
Синестрол 723
Синігрин 640
Синтез
— Бішлера—Напиральського 584
— Габріеля 282
— Ганча 562
— Дебнера—Міллера 580
— дієновий, див. Реакція Дільса—Альдера
— Паале—Кнорра 529
— Скраупа 579
— Труабе 603
— Фішера— Тропша 130
— ціангідриновий 632
— Штреккера 486
Синтезатори 677
Синтетичні мийні засоби 695
Сквален 708
Скипидар 712
Складчаста 0-структура, див. Вторинна структура білків
Скопін 618
Скополамін 618, 619
Смоли
— іонообмінні 356
— кам’яновугільна 197
— сечовиноформальдегідні 389
— фенолоформальдегідні 356, 389
Смуги поглинання спектральні 99, 100
— характеристичні 104
Солі діазонію 303
Солі пірилію і бензопірилію 591, 592
Р-Сорбіт 623
£-Сорбоза 623
а-£-Сорбопіраноза 643
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
748
Спектроскопія
— електронна 99—103
— інфрачервона (ІЧ) 36, 98, 99, 103—106
— комбінаційного розсіювання (КР) 36, 98
— протонного магнітного резонансу (ПМР) 106
— ультрафіолетова (УФ) 98—100, 119, 122
— фемтосекундна 110
— ядерного магнітного резонансу (ЯМР) 36, 98, 99, 106-109, 119, 122
Спермацет 628
Спермідин 301
Спермін ЗОЇ
Спирт
— аліловий 317, 321, 331, 334
— бензиловий 317, 321, 331
— бутиловий, див. 1-Бутанол
— вюрр-бутиловий, див. 2-Бутанол
— бутиловий, див. 2-Метил-2-пропанол
— винний, див. Етанол
— вініловий 341
— деревний, див. Метанол
— діацетоновий 384
— етиловий, див. Етанол
— ізобутиловий, див. 2-Метил-1-пропанол
— ізопропіловий, див. 2-Пропанол
— кротиловий 160
— ланоліновий 698
— метиловий, див. Метанол
— мірициловий 698
— мурашиний 414
— полівініловий (ПВС) 342
— пропаргіловий 321, 331
— пропіловий, див. 1-Пропанол
— фурфуриловий 542
— р-хлоретиловий, див. 2-Хлоретанол
— у-хлоропропіловий, див. З-Хлор-1-пропанол
— цетиловий 698
— циклогексиловий, див. Циклогексанол
Спирти
— ароматичні (арилалканоли) 316
— багатоатомні (поліоли) 316, 332, 333
— двохатомні (діоли) 331, 332
— насичені 316
— ненасичені 316
— одноатомні 316, 317
— трьохатомні (триоли) 316, 332
а-Спіраль, див. Вторинна структура білків
Спірани 178
Стеарин 693
Стеран 226, 717
Стереоізомери, див. Ізомери просторові
Стереоформули 65—67
Стерини 718, 719
Стероїди 717
Стероли, див. Стерини
Стирен 214
а-Стирилпіридин 573
Стирол, див. Стирен
Стрептоміцин 497
Стрептоцид 508
Стрихнін 620
Строфантидин 725
Ступінь полімеризації 153
Субстрат 114
Сукцинімід 155, 427, 530
Сульфадимезин, див. Сульфадимідин
Сульфадимідин 510
Сульфаетидол 510
Сульфален 510
Сульфаметоксазол 510
Сульфаніламіди 296, 508
Сульфаніламідні препарати 508
Сульфапіридазин 595
Сульфатіазол 510, 563
Сульфацил 510
Сульфіди (тіоетери) 498, 501, 502
Сульфоксиди 498
Сульфонати 510
Сульфони 498
Сульфонілхлориди, див. Сульфохлориди
Сульфохлориди 135, 136, 507
Сульфохлорування 135, 136
«Сухий спирт», див. Метальдегід
Сфінгозин 700
Сфінгомієліни 703
Таутомерія 63
— азольна 558, 603, 605
— аміно-імінна 575
— лци-нітро- 272
— а- і у-гідроксипіридинів 573
— карбонільно-ендіольна 636
— кето-енольна 171, 597
— кільчасто-ланцюгова, див. Таутомерія цикло-оксо-
— лактам-лактимна 549, 597, 604, 605
— 3-метил-1-феніл-5-піразолону 556
— 5-піразолону 555
— цикло-оксо- 630
Таутомери 63
Тауфон, див. Кислота 2-аміноетансульфонова
Тваринний крохмаль, див. Глікоген
Твердофазний синтез пептидів 677
Твіни 699
Теобромін 607
Теорія
— електронних зміщень 20, 50
— квантова (квантово-механічна) 20, 37, 38, 40, 57
— кислот і основ
---електронна (апротонна теорія Льюїса) 90, 94
---протонна (протолітична теорія Бренстеда) 90
— кольоровості 313
— молекулярних орбіталей 192, 247
— напруження циклів 182
— радикалів 18, 19
— резонансу 20, 38
— стереохімична 20
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
749
— типів 19
— хімічного зв’язку електронна 20, 32
— хімічної будови Бутлерова 19, 20, 50
Теофілін 607
Терпени 707
— ациклічні 707, 708
— біциклічні 711—715
— моноциклічні 708—711
Терпін 711
Терпінгідрат 711
а-Терпінеол 711
Тестостерон 722, 723
1,2,3,4-Тетрагідроізохінолін 585 Тетрагідро-1,4-оксазин, див. Морфолін Тетрагідротіофен 535
Тетрагідрофуран 338, 535
1,2,3,4-Тетрагідрохіноліни 582
Тетрадекан 126
Тетралін 219, 220
Тетрамеризація 174
2,3,4,6 -Тетраметил-Л-глюкопіраноза 640
Тетраметилендіамін 297, 298, 301, 595
Тетранітропентаеритрит 278
Тетратерпени 707
Тетрахлорометан 244
Тетрахлоропірол 534
Тетрахлоротіофен 534
Тетрацен 215
Тетрози 622
Тимідин 682
Тимідин-5-монофосфат 682
Тимін 598
Тимол 347
Тирозин 663
Тіазин 515, 601
Тіазол 525, 562
Тіазолій хлорид 562
Тіали, див. Тіоальдегіди
Тіамазол, див. Мерказоліл
Тіамін 599
Тіепін 516
Тіетан 515
Тііран 515
Тіоальдегіди 498
Тіоетери, див. Сульфіди
Тіокетони 498
Тіокислоти 498
Тіоли 498-501
Тіосемікарбазони 383
Тіоспирти 498—501
Тіофен 515, 525, 531, 532
Тіофенол 501
Тіофеноли 501
Тіоформамід 562
Тіофосфамід 523
Тозилати 510
Толуен 274
Толуїдин 281, 290, 312
Торсійний (двогранний) кут 86
Трансамінази 666
Треонин 662
Третинна структура білків 671
Триазени 310
Триацилгліцерини, див. Жири
2,4,6-Триброманілін 308
2,4,5-Трибромімідазол 559
1,3,5-Трибромобензен 308
Трибромометан 245
2,4,6-Трибромофенол 351
Тригліцериди, див. Жири
Тридекан 126
Триетаноламін 344, 520
Триетиламін 281
Тримеризація 174
Триметиламін 281, 284
Триметиленімін, див. Азетидин
Триметиленоксид, див. Оксетан
Тринітроклітчатка 657
Триози 622
Триолеїн 698
Трипептид 670
Триптофан 550
Тристеарин, див. Тристеароїлгліцерин
Тристеароїлгліцерин 697
Тритерпени 707
Трифеніламін 281, 290, 291
Трифенілкарбінол 317
Трифенілметан 230, 231
Трифенілфосфат 349
Трифлати 510
Трифлюперазин, див. Трифтазин
Трифтазин 602
Трихлорометан, див. Хлороформ
2,4,6-Трихлоропіримідин 596
2,6,8-Трихлоропурин 605
Тропан 618
Тропин 618
Тропіліден 239
Тропілій-катіон, див. Циклогептатриєніл-катіон
Тростинний цукор, див. Сахароза
Туйан 711
УМФ, див. Уридин-У -монофосфат
Ундекан 126
Урати 605
Урацил 598
Р-Урацилрибофуранозид, див. Уридин
Уреїди кислот 465, 494
Уретани 493
Уридин 681
Уридин-5'-монофосфат 682
Урографін, див. Амідотризоєвої кислоти тригідрат
Уротропін, див. Гексаметилентетрамін
Фалімінт 279
Фарбування кубове 548
Фарнезилпірофосфат 708
Фарнезол 708
Феназон, див. Антипірин
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
750
Фенамін ЗОЇ
Фенантрен 224—226
Фенантренхінон 226
Фенацетин 366
Фенетидини 281, 366
Фенетол, див. Естер етилфеніловий
Фенілаланін 663
Фенілацетат 351, 445
Фенілгідразин 383
Фенілгідразон
— ацетону 545
— ацетооцтового естеру 555
— 2)-глюкози 637
— фурфуролу 543
Фенілгідразони 383, 555
Фенілгідроксиламін 275, 364
Фенілендіаміни 281, 297, 298, 301, 561
р-Фенілетиламін 584
Фенілізотіоціанат 667
Фенілнітрометан 270
Фенілсаліцилат 476, 477
Фенілтіогідантоїну похідні 667
Фенобарбітал, див. Барбітурати
Феноксиметилпеніцилін 564
Фенол 262, 358, 511
Феноли
— двохатомні 345, 359, 360
— одноатомні 345
— трьохатомні 345, 359, 360
Фенолокислоти 473—478
Фенолфталеїн 236, 436
Фенотіазін 601, 602
Фенотіазін-5,5-діоксид 602
Фепромарон 592
Феромони 708
Фероцен 238
Фероцерон 238
Флавін, див. Ізоалоксазин
— лейкосполука 610
Флавон 593
Флавоноли 593
Флороглюцин 359
Флороглюцинол, див. Флороглюцин
Флуоретан 245
Флуорометан 245
Флуорохлоровуглеводні 268
Флуорохлоровуглеводи 268
Формалін 389
Формальдегід 261, 320
Формамід 455, 562
N-Форміл-о-толуїдин 545
Формілпіроли 537
Формольне титрування за Серенсеном 667
Формули
— графічні, див. Формули структурні
— Коллі—Толленса 627
— молекулярні (брутто) 22, 97
— перспективні 66, 86
--Хеуорса 627
— проекційні Ньюмена 66, 86
— проекційні Фішера 71
— стереохімічні 22, 70
— структурні 21, 59
Фосген 491
З-Фосфатид ил етанол амін, див. Кефалін
Фосфатидилетаноламіни, див. Кефаліни Фосфатидилінозитол 702 Фосфатидилінозитоли 702 З-Фосфатидилсерин 701 Фосфатидилсерини 701 З-Фосфатидилхолін, див. Лецитин Фосфатидилхоліни, див. Лецитини Фосфоліпіди 688
Фосфопротеїди 677 Фотосинтез 632 Фреон-12 267 Л-Фруктоза 623 Фруктозо-1,6-дифосфат 641 а-Л-Фруктопіраноза 628, 630 р-Л-Фрукгопіраноза 630 а-Л-Фруктофураноза 630 р-Л-Фруктофураноза 630, 643 Фталазол 563
Фталілсульфотіазол, див. Фталазол Фталімід 436, 443
ФТГ-похідні, див. Фенілтіогідантоїну похідні Фтивазид 578 р-Л-Фукоза 724
Фулерен С60 41, 214
Фулерени 41, 214
Функціональна група 24, 28
Фурадонін 544
Фуразолідон 544
Фуран 515, 525, 530-532 Фурацилін, див. Нітрофурал Фуроїн 542
Фуросемід 512
Фурфураль, див. Фурфурол
Фурфурол 542, 639
— гідросульфітна похідна 543
— оксим 543
— фенілгідразон 543
Хвильове число 98, 99
Хелати 335, 358, 392, 393
Хімічний зв’язок
— аксіальний 186, 650
— ароматичний 193
— «банановий», див. х-Зв’язок
— водневий
---внутрішньомолекулярний 35, 432, 476 ---міжмолекулярний 35, 36, 284, 322, 342, 408, 416, 552, 557
— глікозидний 639
— делокалізований 60
— донорно-акцепторний 34
— екваторіальний 186, 650
— електровалентний, див. Іонний
— іонний 32, 35
— ковалентний 35
дипольний момент 47
довжина 45
енергія 46
кратний 45
напрямленість 49
подвійний 45
поляризованість 48
полярність 47
потрійний 45
---простий (одинарний) 45
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
751
---ті-44
---о-43
---т- 184
— координаційний 34
— локалізований 59
— макроергічний 684
— пептидний 669
— семіполярний 35, 269
— типи 32
— фосфодіестеровий 683
Хінгідрон 403
Хінін 615, 616
Хінозол 584
Хіноксалін 299
Хіноксим 402
Хінолін 525, 579, 580
Хінолін-?4-оксид 583
Хіноліній хлорид 581
Хінондіоксим 402
Хінони 401
Хіноніміни 297, 365
Хінуклідинове ядро 615, 616
Хіральний (асиметричний) центр 70, 74—78
Хіральні молекули 69, 79, 81
Хіральність 67, 69
Хітин 644
Хітозамін, див. О-Глюкозамін
Хлопромазин, див. Аміназин
9-Хлоракридин 587
Хлораль 380
Хлоральгідрат 380
Хлорамін Б 507
Хлорамін Т 507
Хлорамфенікол 279
Хлорангідриди
— бензойної кислоти, див. Бензоїлхлорид
— карбонових кислот 438, 439
— оцтової кислоти, див. Ацетилхлорид
— саліцилової кислоти 475
— сульфокислот (сульфохлориди) 135, 506—509 Хлорангідриди кислот
— ізонікотинової 578
— нікотинової 577
Хлоретан 245
2-Хлоретанамін 522
2-Хлоретанол 520
(З-Хлоретиламін, див. 2-Хлоретанамін
Хлористий метилен, див. Дихлорметан
З-Хлоріндол 546
Хлоробензен 262, 290, 307
Хлоровініл, див. Вінілхлорид
Хлорогідрини 520
Хлоромагнійпропіонат 407
Хлорометан 244
Хлоропікрин 279
4-Хлоропіразол 554
4-Хлоропіридин 571
4-Хлоропіридин-К-оксид 571
2-Хлоропірол 534
Хлоропрен 164
Хлоропромазин 602
1-Хлоропропан 245
2-Хлоротіофен 534
Хлорофіли 540
Хлороформ 134, 242, 244, 245, 266
З-Хлор-1-пропанол 518, 521
Холекальциферол 719
Холестан 719
Холестерол 719
Холін 344, 345
Хондрозамін, див. й-Галактозамін
Хондроїтинсульфати 659
Хризен 215
Хромон 592, 593
Хромопротеїди 677
Хромофори 100, 314
Цвітер-іони 487, 508
Целобіоза 648
Целюлоза 656
Церамід 703
Цереброзиди 703
Цетилпальмітат 698
Цикл реакцій Юр ’єва 529
Циклічні сполуки 23, 24, 84
Циклоалкани 177—179
Циклобутан 177, 181
Циклогексан 177, 181, 182, 189, 196
Циклогексанол 321
Циклогептан 182
Циклогептатриєніл-катіон 237
Циклооктан 182
Циклоокгатетраєн 175
Циклопентадієніл-аніон 237
Циклопентан 177, 179, 180, 189
Циклопентанон 180, 427
Циклопентанпергідрофенантрен, див. Стеран
Циклопропан 177, 183, 184, 187, 189
Циклосерин 565
Циклотетрамеризація 175
Циклотримеризація 174, 197
л-Цимен 194, 198, 214
Цинаризин 601
Цистамін дигідрохлорид 504
Цистеїн 663
Цистин 663
Цитарабін 687
Цитидин 681
Цитидин-5'-монофосфат 682
Цитозар, див. Цитарабін
Цитозин 598, 599
Цитраль 708
ЦМФ, див. Цитидин-У-монофосфат
Ціангідрини 379, 391
Ціанокобаламін 541
Частоти характеристичні 104
Четвертинна структура білків 672
Число
— гідрування 697
— естерове 692
— йодне 697
— кислотне 692
— нейтралізації, див. Число кислотне
— омилення 692
Чотирихлористий карбон, див. Тетрахлорометан
Якірні групи 677
Навчальне видання
ЧЕРНИХ Валентин Петрович ЗІМЕНКОВСЬКИЙ Борис Семенович ГРИЦЕНКО Іван Семенович
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
Підручник для студентів вищих навчальних закладів
За редакцією члена-кореспондента НАН України В.П. ЧЕРНИХ
Видання друге, виправлене і доповнене
Редактор Олена Трефілова Художній редактор Гліб Кіреєв Технічний редактор Михайло Теплицький Коректори Валентина Мац і Зінаїда Рикова
Підписано до друку 30.10.2008. Формат 70x100/16.
Папір крейдований. Гарнітура ТаймсЕТ. Друк офсетний.
Умов.-друк. арк. 59,22. Умов, фарбовідб. 178,13. Обл.-вид. арк. 69,75.
Наклад 1500 пр. Вид. № 08-04.
Скановано ЕАВ. 2009.
Видавництво Національного фармацевтичного університету. 61002, Харків, вул. Пушкінська, 53.
Свідоцтво серії ДК № 33 від 04.04.2000.
Харківське комунальне видавництво «Оригінал».
61022, Харків, пл. Свободи, 5, Держпром, 6-й під’їзд, 6-й поверх.
Свідоцтво серії ДК № 584 від 04.09.2001.
Виготовлено ФО-П Надєїн І. М.
Свідоцтво серії ХК № 228 від 25.11.2008.
В. П. ЧЕРНИХ, Б. С. ЗІМЕНКОВСЬКИЙ, І. С. ГРИЦЕНКО
органічна
ХІМІЯ
ЧЕРНИХ Валентин Петрович, член-кореспондент НАН України, доктор фармацевтичних наук, доктор хімічних наук, професор, завідувач кафедри органічної хімії Національного фармацевтичного університету
ЗІМЕНКОВСЬКИЙ Борис Семенович, академік АН ВШ України, доктор фармацевтичних наук, професор, завідувач кафедри фармацевтичної, органічної та біоорганічної хімії Львівського національного медичного університету ім. Данила Галицького
ГРИЦЕНКО Іван Семенович, доктор хімічних наук, професор, завідувач кафедри медичної хімії Національного фармацевтичного університету
Автори першого видання підручника «Органічна хімія» стали лауреатами Державної премії України в галузі науки і техніки (2000 р )