/
Текст
В.Ф. ТРАВЕНЬ
ОРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
Scanned and DjVu-ed by Aleksandr Volosnikov
TOM 2
Допущено Министерством образования
Российской Федерации
в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений,
обучающихся по направлению
«Химическая технология и биотехнология»
и химико-технологическим
направлениям подготовки
дипломированных специалистов
МОСКВА
ИКЦ «АКАДЕМКНИГА»
2004
УДК 547(075,8)
ББК 24.2я73
Т65
' Рецензенты:
, доктор химических наук, профессор В.В. Москва
' : доктор химических наук, профессор В.П. Перевалов
доктор химических наук, профессор М.Ю. Юровская
Травень В.Ф.
Органическая химия: Учебник для вузов: В 2 т. / В.Ф. Травень. - М.: ИКЦ
«Академкнига», 2004. - ISBN 5-94628-068-6
Т. 2. - 2004. - 582 с.: ил. - ISBN 5-94628-172-0
В книге систематически изложены способы получения, строение, свойства и реакции ор-
ганических соединений, принадлежащих к основным классам. Принятая последовательность
глав соответствует принципу «от простого к сложному». В первой главе читатель знакомит-
ся с основными теоретическими понятиями и концепциями органической химии. Эти сведе-
ния даны на примере кислотно-основных взаимодействий - реакций, имеющих фундамен-
тальное значение для всей органической химии. В конце каждой из 28 глав приведены пере-
чень основных терминов и понятий, которые должен усвоить студент при ее изучении, а
также задачи для контроля полученных знаний. Каждая глава завершается дополнитель-
ным разделом, в котором обсуждается применение достижений органической химии для ре-
шения проблем смежных естественных наук и технологий, прежде всего биологии и техно-
логии материалов. Учебник знакомит читателя с основными понятиями стратегии органиче-
ского синтеза и спектральными методами (ИК-, УФ-, ЯМР- и масс-) идентификации органи-
ческих соединений.
Для студентов вузов, специализирующихся по направлению «Химическая технология и
биотехнология» и получающих химико-технологические специальности.
Traven V.F.
Organic Chemistry: Textbook: In 2 vols. / V.F. Traven. - M.: PTC “Akademkniga”,
2004. - ISBN 5-94628-068-6
Vol. 2. - 2004. - 583 p.: il. - ISBN 5-94628-172-0
Properties, reactivity and methods of preparation of organic compounds are systematically consid-
ered in the textbook. The most important definitions and concepts of organic chemistry are discussed
in Chapter 1. The theoretical background is given along consideration of acid-base reactions, since
these reactions are of fundamental importance of the whole organic chemistry. Chemistry of organic
compounds is introduced on classes in Chapters 2-28. Problems and exercises as well as a list of basic
definitions are attached at the end of each chapter. Each chapter ia also provided by additional section,
in which some related phenomena of biochemistry, pharmacology, polymer chemistry, environmental
chemistry and chemistry of materials are also discussed. An introduction to strategy of organic syn-
thesis and spectral identification of organic compounds is also provided in Chapter 12.
The textbook is intended to the students specializing in chemical technology and biotechnology.
ISBN 5-94628-068-6
ISBN 5-94628-172-0
© Травень В.Ф., 2004
© ИКЦ «Академкнига», 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ
ТОМ 2
Глава 16. СПИРТЫ.....................................................11
16.1. Классификация и номенклатура ..................................11
16.2. Способы получения..............................................12
16.3. Физические свойства и строение ................................15
16.3.1. Физические свойства.....................................15
16.3.2. Пространственное и электронное строение.................16
16.4. Реакции .......................................................17
16.4.1. Кислотность и основность ...............................17
16.4.2. Спирты и алкоксид-ионы как нуклеофильные реагенты ......19
16.4.3. Нуклеофильное замещение гидроксигруппы .................23
16.4.4. Окисление ..............................................37
16.4.5. Замещение гидроксигруппы на водород.....................41
16.5. Многоатомные спирты............................................41
16.6. Спектроскопический анализ спиртов ..................42
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ СПИРТЫ ..............................................44
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ.....................................................46
ЗАДАЧИ...............................................................46
16.7. РОЛЬ ЭТАНОЛА В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА..............................54
Глава 17. ФЕНОЛЫ............................................... 57
17.1. Классификация и номенклатура ..................................57
17.2. Способы получения..............................................58
17.3. Физические свойства и строение ................................61
17.3.1. Физические свойства.....................................61
17.3.2. Пространственное и электронное строение.................61
17.4. Реакции........................................................63
17.4.1. Кислотность.............................................63
17.4.2. Нуклеофильные свойства фенолов и феноксид-ионов.........65
17.4.3. Замещение гидроксигруппы в нитрофенолах ................72
17.4.4. Электрофильное ароматическое замещение в фенолах........72
17.4.5. Окисление ..............................................81
17.4.6. Восстановление .........................................82
6
Оглавление
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ.......................................83
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ....................................................83
ЗАДАЧИ..............................................................84
17.5. ПРИРОДНЫЕ ФЕНОЛЫ - ЭФФЕКТИВНЫЕ АНТИОКСИДАНТЫ .................88
Глава 18. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ЭФИРЫ..........................91
18.1. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ.................................................91
18.1.1. Классификация и номенклатура ..........................91
18.1.2. Способы получения......................................92
18.1.3. Физические свойства и строение.........................93
18.1.4. Реакции ...............................................95
18.2. Циклические эфиры ............................................98
18.2.1. Классификация и номенклатура ..........................98
18.2.2. Оксираны .............................................100
18.2.3. Краун-эфиры...........................................106
18.3. Спектроскопический анализ эфиров.............................107
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ......................................108
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ...................................................109
ЗАДАЧИ.............................................................109
18.3. МАКРОЛИДЫ. ТРАНСПОРТ ИОНОВ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ..........113
Глава 19. АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ.......................................116
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны................116
19.1.1. Номенклатура .........................................116
19.1.2. Способы получения.....................................118
19.1.3. Физические свойства и строение........................122
19.1.4. Реакции по карбонильной группе .......................125
19.1.5. Реакции енольных форм альдегидов и кетонов............155
19.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны..............................171
19.2.1. Классификация ........................................171
19.2.2. Способы получения.....................................173
19.2.3. Электронное строение .................................173
19.2.4. Реакции...............................................175
19.3. Кетены ......................................................182
19.3.1. Способы получения.....................................182
19.3.2. Физические свойства и строение........................183
19.3.3. Реакции...............................................184
19.4. Хиноны.......................................................185
19.4.1. Способы получения.....................................185
19.4.2. Физические свойства и строение 1,4-бензохинона........186
19.4.3. Реакции...............................................187
19.5. Спектроскопический анализ альдегидов и кетонов...............191
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ......................................192
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ...................................................193
ЗАДАЧИ.............................................................194
19.6. ПРИРОДНЫЕ ХИНОНЫ И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ
В ЖИВОЙ КЛЕТКЕ....................................................204
Оглавление
7
Глава 20. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ........................206
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты..................206
20.1.1. Номенклатура ...........................................206
20.1.2. Способы получения.......................................208
20.1.3. Физические свойства и строение..........................210
20.1.4. Реакции.................................................213
20.2. Производные карбоновых кислот..................................225
20.2.1. Номенклатура............................................225
20.2.2. Электронное строение и общая характеристика реакционной
способности.....................................................226
20.2.3. Способы получения и реакции ............................229
20.3. Енолят-ионы карбоновых кислот и их производных ................259
20.3.1. СН-Кислотность карбоновых кислот и их производных.......259
20.3.2. Реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского .....................261
20.3.3. Реакции синтеза новых углерод-углеродных связей.........262
20.4. Дикарбоновые кислоты ..........................................265
20.4.1. Номенклатура............................................265
20.4.2. Способы получения.......................................266
20.4.3. Физические свойства.....................................268
20.4.4. Реакции.................................................269
20.5. а,Р-Ненасыщенные кислоты и их производные......................283
20.5.1. Номенклатура и геометрическая изомерия .................283
20.5.2. Способы получения.......................................284
20.5.3. Реакции ................................................285
20.6. Ненасыщенные дикарбоновые кислоты..............................288
20.6.1. Способы получения.......................................288
20.6.2. Физические свойства.....................................289
20.6.3. Реакции.................................................289
20.7. Галоген- и гидроксикарбоновые кислоты........................ 290
20.7.1. Номенклатура ...........................................290
20.7.2. Способы получения.......................................291
20.7.3. Стереоизомерия .........................................293
20.7.4. Реакции.................................................294
20.8. Гидрокси- и аминокарбоновые кислоты бензольного ряда ..........296
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир...................298
20.9.1. Номенклатура ...........................................298
20.9.2. Способы получения.......................................298
20.9.3. Строение и таутомерия ацетоуксусного эфира..............299
20.9.4. Реакции ................................................300
20.10. Спектроскопический анализ карбоновых кислот и их производных..312
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ..................................... 314
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ.....................................................316
ЗАДАЧИ...............................................................317
20.11. КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ:
стр-АНАЛИЗ...........................................................325
Глава 21. СУЛЬФОНОВЫЕ КИСЛОТЫ (СУЛЬФОКИСЛОТЫ)........................332
21.1. Классификация и номенклатура ..................................332
21.2. Способы получения..............................................333
21.3. Физические свойства и строение ................................336
8
Оглавление
21.4. Реакции .................................................... 336
21.4.1. Кислотные свойства ...................................336
21.4.2. Реакции 5£Аг аренсульфоновых кислот...................337
21.4.3. Реакции щелочного плавления ......................... 338
21.5. Производные сульфоновых кислот...............................339
21.5.1. Сульфонилхлориды......................................339
21.5.2. Эфиры ................................................341
21.5.3. Амиды ................................................342
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ..................................... 343
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ...................................................343
ЗАДАЧИ.............................................................343
21.6. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА. МОЮЩИЕ СРЕДСТВА.
ДЕТЕРГЕНТЫ. ФОСФОЛИПИДЫ............................................344
Глава 22. НИТРОСОЕДИНЕНИЯ ........................................ 348
22.1. Номенклатура ................................................348
22.2. Способы получения............................................348
22.3. Физические свойства и строение ..............................350
22.4. Реакции .....................................................351
22.4.1. Восстановление........................................351
22.4.2. СН-Кислотность .......................................353
22.4.3. Реакции по а-С—Н-связи................................354
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ......................................356
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ...................................................356
ЗАДАЧИ.............................................................356
22.5. ОКСИД АЗОТА В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ.........................359
Глава 23. АМИНЫ....................................................361
23.1. Классификация и номенклатура ................................361
23.2. Способы получения............................................363
23.2.1. Реакции N-алкилирования и N-арилирования .............363
23.2.2. Восстановление азотсодержащих соединений..............366
23.2.3. Превращения амидов карбоновых кислот .................368
23.3. Физические свойства и строение ..............................369
23.3.1. Алифатические амины...................................369
23.3.2. Четвертичные аммониевые соли..........................371
23.3.3. Ароматические амины ..................................372
23.3.4. Потенциалы ионизации аминов...........................373
23.4. Реакции......................................................373
23.4.1. Кислотно-основные свойства ...........................373
23.4.2. Нуклеофильные реакции ................................376
23.4.3. Основность и нуклеофильность пространственно
затрудненных аминов .........................................385
23.4.4. Электрофильное замещение в ароматических аминах.......389
23.4.5. Реакции аминов с азотистой кислотой ..................393
23.5. Спектроскопический анализ аминов.............................397
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ......................................397
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ...................................................398
Оглавление
9
ЗАДАЧИ...............................................................399
23.6. БИОГЕННЫЕ АМИНЫ. НЕЙРОМЕДИАТОРЫ И НЕЙРОТОКСИНЫ.................405
Глава 24. ДИАЗОСОЕДИНЕНИЯ ...........................................408
24.1. Классификация и номенклатура ..................................408
24.2. Ароматические соли диазония....................................409
24.2.1. Способы получения.......................................409
24.2.2. Физические свойства и строение..........................411
24.2.3. Реакции.................................................412
24.3. Диазоалканы ...................................................422
24.3.1. Способы получения.......................................423
24.3.2. Реакции.................................................424
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ.....................................................427
ЗАДА ЧИ..............................................................427
24.4. МЕХАНИЗМЫ ВКУСА И ЗАПАХА. СЛАДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА.......429
Глава 25. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ............................. 433
25.1. Классификация и номенклатура ..................................433
25.2. Пятичленные гетероциклические соединения. Пирол, фуран, тиофен.435
25.2.1. Способы получения.......................................435
25.2.2. Физические свойства и строение .........................438
25.2.3. Реакции электрофильного ароматического замещения........441
25.3. Конденсированные пятичленные гетероциклические соединения. Индол .... 445
25.3.1. Способы получения.......................................445
25.3.2. Реакции.................................................446
25.4. Шестичленные гетероциклические соединения. Пиридин ............448
25.4.1. Способы получения ......................................448
25.4.2. Физические свойства и строение..........................449
25.4.3. Реакции.................................................451
25.5. Пиримидины и пурины ...........................................457
25.6. Гетероциклические соединения в живых организмах................458
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ.....................................................460
ЗАДАЧИ...............................................................460
25.7. ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНЫЙ СИНТЕЗ «IN VIVO» И «IN VITRO»...............462
Глава 26. УГЛЕВОДЫ...................................................473
26.1. Моносахариды...................................................473
26.1.1. Классификация ..........................................473
26.1.2. Строение ...............................................475
26.1.3. Реакции.................................................478
26.2. Дисахариды ....................................................491
26.2.1. Сахароза................................................491
26.2.2. Мальтоза ...............................................492
26.3. Полисахариды ..................................................494
26.3.1. Классификация ..........................................494
26.3.2. Крахмал ................................................494
26.3.3. Целлюлоза...............................................496
10
Оглавление
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ..................................................497
ЗАДАЧИ............................................................497
26.4. ОБМЕН ЭНЕРГИИ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ ............................499
Глава 27. АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ (ПРОТЕИНЫ)................502
27.1. Классификация а-аминокислот.................................502
27.2. Способы получения а-аминокислот ............................505
27.3. Пространственная изомерия и оптическая активность а-аминокислот.508
27.4. Реакции а-аминокислот ......................................510
27.4.1. Кислотно-основные свойства ..........................510
27.4.2. N-Ацилирование ......................................511
27.4.3. N-Алкилирование .....................................513
27.4.4. Реакция этерификации.................................514
27.4.5. Реакции дезаминирования .............................514
27.4.6. Отношение к нагреванию...............................516
27.4.7. Пептидный синтез.....................................516
27.5. Вторичная, третичная и четвертичная структуры белков .......524
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ..................................................529
ЗАДАЧИ............................................................530
27.6. КОМПЬЮТЕРНАЯ ХИМИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА СЛОЖНЫХ МОЛЕКУЛ
ТОЧНЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ..............................................531
Глава 28. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.........................i ........ 533
28.1. Строение нуклеиновых кислот.................................533
28.1.1. Моносахарид .........................................534
28.1.2. Циклическое азотистое основание .....................534
28.1.3. Нуклеозиды...........................................535
28.1.4. Нуклеотиды...........................................536
28.1.5. Нуклеиновые кислоты .................................537
28.1.6. Двойные спирали ДНК. Модель Уотсона-Крика ...........538
28.2. Нуклеиновые кислоты и наследственность .....................539
28.2.1. Репликация ДНК.......................................540
28.2.2. Транскрипция. Синтез РНК.............................541
28.2.3. Трансляция. Биосинтез белка .........................542
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ..................................................543
28.3. МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ В ХИМИИ И БИОЛОГИИ..................543
Приложения .......................................................546
I. Результаты расчетов некоторых органических молекул методом МОХ.546
II. Физиологическое действие наиболее распространенных органических веществ . . 560
Рекомендуемая литература..........................................562
Предметный указатель .............................................565
Глава 16. СПИРТЫ
I
А
Гидроксипроизводные углеводородов, в молекулах которых гидрокси-
группа присоединена к насыщенному атому углерода, называют спиртами.
По номенклатуре ИЮПАК насыщенные спирты называют алканолами.
16.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
По числу гидроксильных групп в молекуле различают одно-, двух- и
многоатомные спирты.
По типу атома углерода, с которым связана гидроксильная группа, спир-
ты классифицируют как первичные, вторичные и третичные.
По строению углеводородной цепи различают насыщенные, ненасыщен-
ные и ароматические спирты.
Ниже даны названия ряда спиртов по номенклатуре ИЮПАК. Для низ-
ших спиртов часто применяют тривиальные названия и радикало-функцио-
нальную номенклатуру. В скобках даны названия по радикало-функцио-
нальной номенклатуре или тривиальные названия.
СН3-СН2-ОН
этанол
(этиловый спирт),
первичный спирт
СН2ОН
бензиловый спирт
(бензиловый спирт),
ароматический спирт
СН3-СН-СН3
ОН
2-пропанол
(изопропиловый спирт),
вторичный спирт
сн2=сн-сн2-он
2-пропен-1-ол
(аллиловый спирт),
первичный спирт
сн2-сн2 сн2-сн-сн2
он он он он он
1,2-этандиол 1,2,3-пропантриол
(этиленгликоль), (глицерин),
двухатомный спирт трехатомный спирт
СН3
СН3-С-ОН СН3-СН-СН7-СН-СН3
I I I J
СН3 СН3 ОН
циклогексанол,
вторичный спирт
2-метил-2-пропаиол 4-метил-2-пентанол,
(mpem-бутиловый спирт), вторичный спирт
третичный спирт
12
Глава 16. Спирты
Далее приведены дополнительные примеры названий спиртов по номен-
клатуре ИЮПАК.
СН21 СН2ОН
5 4 з1 21
СН3-СН2-СН— СН-СН-СНз
СН3
2-изопропил-З-иодметил-1 -пентанол
1 2/ОН
СН3-НС 3 4/С1
ZC=C\
н н
(7)-4-хлор-3-бутен-2-ол
н ОН
' У2
но-н2с-н2с н
2' Г
траис-3-(2’-гидроксиэтил)- „ . .
1-циклопентанол
Как видим, при нумерации атомов главной цепи гидроксигруппа имеет
преимущество перед алкильными группами, атомами галогенов и кратной
связью.
Вторичные и третичные спирты сложного строения называют по раци-
ональной номенклатуре.
(С6Н5)3СОН
трифенилкарбинол
СН3
СН3-СН2-С-СН2-СН3
он
метилдиэтилкарб инол
с6н5-сн2-сн-с6н5
он
бензилфенилкарбинол
СН3
с-сн2-сн3
он
метилэтилциклогексилкарбинол
16.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
В предыдущих разделах уже рассмотрены многие реакции, которые яв-
ляются наиболее важными способами получения спиртов.
Гидратация алкенов
Алкены присоединяют воду в присутствии протонных кислот (H2SO4,
Н3РО4 и другие) или гетерогенного катализатора (например, А12О3), см.
разд. 5.4.1.
16.2. Способы получения
13
R— СН=СН2 + Н2О -^—^7 R-СН-СНз
алкен Qjj
спирт
В частности, гидратация этилена лежит в основе промышленного произ-
водства этанола. В качестве катализатора при этом применяют А12О3 или
силикагель, обработанный Н3РО4.
СН2=СН2 + Н2О СН3СН2ОН.
этилен этанол ...
2-Пропанол (изопропиловый спирт) получают в промышленности гидра-
тацией прбпена.
СН3-СН=СН2 СНз-СН-СНз
пропен он
2-пропанол
Гидроборирование алкенов
Гидроборирование алкенов и последующее окисление алкилборанов
ведут к получению спиртов. При этом гидроксигруппа присоединяется к
несимметричному алкену против правила Марковникова. Реакция, в целом,
протекает как электрофильное син-присоединение по двойной углерод-
углеродной связи (см. разд. 5.4.1).
ЗСН3-СН=СН2 - --3— (СН3СН2СН2)3В 3 СН3СН2СН2ОН.
пропен трипропилборан 1-пропанол
Оксимеркурирование-демеркурирование алкенов
Реакция находит значительное применение в лабораторной практике и
ведет к образованию спиртов, в которых гидроксигруппа присоединена к
несимметричному алкену по правилу Марковникова (см. разд. 5.4.1).
СН3-СН=СН2 + Hg(OCCH3)2
пропен q
. ртл
- СН3СООН V113
сн-сн2
ОН HgOCCH3
й
NaBH4
©он
СН3-СН-СН3 + Hg + СН3СООН.
дц уксусная
кислота
2-пропанол
14
Глава 16. Спирты
Гидролиз галогенпроизводных алканов
Действием воды или растворов щелочей многие галогеналканы (прежде
всего первичные) гладко образуют спирты. Для лучшей гомогенизации ре-
акционной смеси в нее добавляют некоторое количество смешивающегося
с водой растворителя (например, диоксана), см. разд. 13.4.1.
R—X + °ОН
галогеналкан
R—ОН + Xs.
спирт
Взаимодействие реактивов Гриньяра
с карбонильными соединениями
Синтезы на основе реактивов Гриньяра или литийорганических соедине-
ний являются надежным лабораторным способом получения спиртов (см.
разд. 19.1.4).
,С=О
карбонильное
соединение
R-MgX
реактив
Гриньяра
абс.
эфир
I ЩО® I
R-C-OMgX R-C-OH
спирт
Восстановление карбонильных соединений
Альдегиды, кетоны, сложные эфиры карбоновых кислот гладко восста-
навливаются до спиртов. В качестве восстановителей применяют H2/Ni, Pd,
Pt; NaBH4 (спирт) или LiAlH4 (абс. эфир), см. разд. 19.1.4.
//°
R-Cx
Н
[Н]
альдегид
r-ch2oh
первичный
спирт
;с=о ;сн-он
R’ R1
кетон вторичный
спирт
Сложные эфиры восстанавливают также по реакции Буво-Блана
(1903 г.), нагревая их с натрием в этаноле (см. разд. 20.2.3).
R_c< R-СН2ОН + R1—он.
OR1 первичный спирт
сложный эфир спирт
16.3. Физические свойства и строение
15
16.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ
16.3.1. Физические свойства
Низкомолекулярные спирты являются жидкостями с характерными за-
пахами и острыми на вкус. Температуры кипения и температуры плавления
некоторых спиртов приводятся в табл. 16.1.
Температуры кипения спиртов значительно выше, чем температуры ки-
пения эфиров или углеводородов, имеющих ту же молекулярную массу.
Соединение
Мол. масса
Т. кип., °C
сн3-сн2-он
этанол
46
78,4
сн3-о-сн3
диметиловый эфир
46
-24
сн3-сн2-сн3
пропан
44
-42
Причиной этого являются межмолекулярные водородные связи, харак-
терные для спиртов. Хотя их энергии и не так велики (~21 кДж/моль, или
5 ккал/моль), водородные связи обусловливают значительную ассоциацию
молекул спиртов, что и ведет к росту теплоты испарения, а следовательно,
и температуры кипения.
R
*о-н-
го-н
R
R
I
Як
н
Таблица 16.1. Физические свойства спиртов
Соединение Формула Т. пл., °C Т. кип., °C
Метанол сн3он -97,9 64,5
Этанол сн3сн2он -114,2 78,4
1-Пропанол сн3сн2сн2он -127 97,2
2-Пропанол (СН3)2СНОН -90 82,4
1-Бутанол сн3сн2сн2сн2он -80 117,5 ,
2-Бутанол СН3СН(ОН)СН2СН3 -115 100
2-Метил- 1-пропанол (СН3)2СНСН2ОН -108 108,5
2-Метил-2-пропанол (СН3)3СОН 26 <82,9
1-Пентанол СН3(СН2)3СН2ОН -79 138
1-Гексанол СН3(СН2)4СН2ОН -52 157
1-Додеканол СН3(СН2)10СН2ОН 26 259
Циклогексанол он 25 161
16
Глава 16. Спирты
Таблица 16.2. Параметры связей С-О и О-Н в молекулах спиртов
Связь Длина, им Энергия, кДж/моль (ккал/моль) Полярность, D Поляризуемость, см3
С-О 0,144 355,5 (85) 1,30 1,54
О-Н 0,096 460(110) 1,51 1,66
Только низшие спирты - СН3ОН, СН3СН2ОН, изо-С3Н7ОН и трет-
С4Н9ОН - смешиваются с водой в любых соотношениях. Средние спирты
лишь ограниченно смешиваются с водой. Например, гексанол С6Н]3ОН
растворяет лишь 0,6 % воды.
В табл. 16.2 приведены некоторые параметры связей С-О и О-Н в моле-
кулах спиртов. Вследствие более высокой электроотрицательности кисло-
рода по сравнению с Углеродом и водородом и С-О-, и О-Н-связи обладают
выраженной полярностью.
16.3.2. Пространственное и электронное строение
Валентный угол у атома кислорода в спиртах
Н
нн н
близок к тетраэдрическому, что соответствует его луАгибридизации.
Соединение Угол
Н2о ZHOH 104°
СН3ОН ZCOH 107-109°
По сравнению с водой первые потенциалы ионизации спиртов заметно
ниже, что указывает на большую доступность НЭП атома кислорода спир-
та в химической реакции.
Соединение Н2О вода сн3он метанол с2н5он этанол (СН3)2СНОН 2-пропанол (СН3)3СОН 2-метил-2-пропанол
I., эВ 12,6 10,8 10,5 10,3 10,1
Замена атома водорода гидроксигруппы на алкильную группу у атома
кислорода и увеличение алкильной группы отчетливо снижают первый по-
тенциал ионизации спирта, повышая тем самым его электронодонорные
свойства.
16.4. Реакции
17
В общем, молекула спирта характеризуется по крайней мере тремя реак-
ционными центрами: ,
\ I 2
-^с—с—о—н
1) О-Н-связь: реакции с разрывом О-Н-связи определяют кислотность
спирта; ,
2) НЭП атома кислорода определяет основность и нуклеофильность мо-
лекулы спирта;
3) С-О-связь: разрыв С-О-связи характерен для реакций нуклеофильно-
го замещения и Р-элиминирования.
16.4. РЕАКЦИИ
16.4.1. Кислотность и основность
Спирты являются амфотерными соединениями. Они способны высту-
пать в роли как кислот, так и оснований.
Диссоциируя по связи О-Н, спирты проявляют себя как типичные кисло-
ты Брёнстеда.
R-O-H + Н2О := r-o:° + Н3О®
Поэтому все структурные изменения в их молекулах, которые способст-
вуют делокализации отрицательного заряда (а тем самым, и повышению
стабильности) в сопряженном основании - алкоксид-ионе
. .0
r-o:
• •
- увеличивают кислотность спиртов.
В табл. 16.3 приведены данные, иллюстрирующие зависимость кислот-
ности спиртов от их строения. Там же представлены данные о силе некото-
рых минеральных кислот. Эти данные интересны для сравнения, поскольку,
как будет показано далее, многие реакции спиртов катализируются мине-
ральными кислотами.
Как видно из данных таблицы, разветвленность алкильной группы сни-
жает кислотность спиртов, а введение в их молекулы атомов галогенов, на-
против, повышает ее.
СН3
сн3—с—о:
I "
сн3
mpem-бутоксид-ион
(менее стабилен}
CF3
cF3-i-o:e
I ••
CF3
перфтор-трет-бутоксид-ион
(более стабилен}
18
Глава 16. Спирты
Таблица 16.3. Значения рКа спиртов и минеральных кислот
Соединение Соединение рк0
н2о 15,7 НС1 -2,2
сн3он 15,5 H2SO4 -5,0
с2н5он 15,9 н3РО4 2,15 '
(СН3)3СОН 18,0 HF 3,17
С1СН2СН2ОН 14,3 H2S 6,97
cf3ch2oh 12,4 НОС1 7,53
(CF3)3COH 5,0 Н2°2 11,64
Кислотные свойства спиртов позволяют сравнительно легко получать
алкоголяты, способные выступать в качестве сильных оснований и хоро-
ших нуклеофилов. Чаще всего спирты переводят в алкоголяты действием
натрия или гидрида натрия NaH. Алкоксид-ион можно получить и при об-
работке спирта реактивом Гриньяра.
R-OH + Na --------► R-O:°Na® + 1/2 H2f,
спирт
R-OH + CH3MgI --------► CH4f + RO®MgI®.
mpem-Бутиловый спирт, имеющий значительно более низкую кислот-
ность, реагирует и с натрием, и с гидридом натрия очень вяло. Поэтому для
генерации mpem-бутоксид-иона применяют калий.
(СН3)3СОН + К
/ире/и-бутиловый
спирт
------► (СН3)3СО°К® + 1/2 Н2.
/ире/и-бутоксид
калия
Обратите внимание! Калий значительно более активен, чем натрий. По-
этому в реакцию с метанолом и этанолом его вводить не рекомендуется,
чтобы избежать чрезвычайно бурного взаимодействия (взрыв, пожар).
Свойства оснований спирты проявляют по отношению как к кислотам
Брёнстеда, так и к кислотам Льюиса. Донорным атомом в молекуле спирта
является атом кислорода.
В частности, кислоты Брёнстеда протонируют атом кислорода гидрокси-
группы.
СН3ОН + НВг
метанол
н
I ®
СНз-О-Н
Вг®
метилгидроксоний-
бромид
16.4. Реакции
19
Кислоты Льюиса образуют со спиртами донорно-акцепторные комплек-
сы, в которых атом кислорода выступает в роли донора НЭП.
СН3ОН + А1С13
метанол
н
СН3-О-А1С13°
В общем, спирты являются сравнительно слабыми основаниями: значе-
ния рКа их сопряженных кислот R-OH2 составляют около -2. Разветвление
алкильной группы в молекуле спирта увеличивает его основность, что
соответствует и данным о снижении первого потенциала ионизации (см.
выше):
СН3ОН < СН3СН2ОН < (СН3)2СНОН < (СН3)3СОН.
рост основности
снижение потенциала ионизации НЭП кислорода
16.4.2. Спирты и алкоксид-ионы
как нуклеофильные реагенты
Реакции с галогеналканами
Спирты являются слабыми нуклеофилами и практически не реагируют
с галогеналканами по механизму SN2. Вместе с тем вследствие высокой ио-
низирующей способности низшие спирты легко реагируют по механизму
S/Vl с аллил- и бензилгалогенидами, а также с третичными галогенидами.
Значительно труднее идут эти реакции со вторичными алкил- и цикло-
алкилгалогенидами.
Алкоксид-ионы являются сильными нуклеофилами и основаниями и
реагируют с галогеналканами по механизмам SN2 и £2. Особенности этих
реакций подробно рассмотрены в гл. 13. Здесь напоминаются лишь некото-
рые закономерности.
С2Н5ОН
этанол,
( слабый
нуклеофил
и слабое
основание)
C2H5p:sNa®
этоксид-ион
(сильный
нуклеофил
и сильное
основание)
снзсн2сн2вг с н5ОСН2СН2СН3 + NaBr
преимущ. Sn2 z. z. j
пропилэтиловый эфир
СНЗ™2/£2СНЗ> С2Н5ОСН(СН3)2 +
изопропилэтиловый
эфир
+ СН3-СН=СН2 + NaBr
пропен
—(™ffBr - СН3-С=СН2 + NaBr
сн3
2-метилпропен
20
Глава 16. Спирты
Реакции, в которых преобладают процессы элиминирования, рекоменду-
ется проводить с mpem-бутоксидом калия. Будучи очень сильным основани-
ем, mpem-бутоксид калия стерически затруднен и обладает поэтому лишь
слабыми нуклеофильными свойствами.
Реакции с карбонильными соединениями
Спирты легко реагируют с сильными ацилирующими реагентами, на-
пример с хлорангидридами карбоновых кислот, с образованием слож ных
эфиров.
. .80
i\ *-— ---------*
ч,• медленно
С1
ацилхлорид
.• «.0
н я .0
R—С-оС R-с' + НС1.
&”c2h5 О-С2Н5
сложный эфир
С другими карбонильными соединениями (альдегиды, карбоновые кис-
лоты и их ангидриды) спирты реагируют в присутствии кислотных катали-
заторов, которые увеличивают поляризацию, а следовательно, и реакцион-
ную способность карбонильной группы.
R-O-H
• •
спирт
сн3-с
+ zo
СНз-С
о
уксусный
ангидрид
С2Н5ОН +
этиловый
спирт
/О
СНз-с/
он
уксусная
кислота
----- - R-0-С-СНз + СН3СООН,
о
алкилацетат
(сложный эфир)
сн3-с^ + Н20
ОС2Н5
этилацетат
Реакция спирта с карбоновой кислотой, приводящая к получению слож-
ного эфира, называется реакцией этерификации. Эта реакция обратима.
Молекула воды образуется за счет отщепления ОН-группы от карбоновой
кислоты и протона от молекулы спирта. Реакции оптически активных спир-
тов с карбонильными соединениями протекают, таким образом, без разры-
ва связей у хирального центра, вследствие чего образующиеся продукты
имеют конфигурацию исходного спирта.
16.4. Реакции
21
СН3
н""/с
С2Н5
''ОН
• •
Zz°
+ сн3-с
ч
он
(Я)-2-бутанол
(/?)-в/иор-бутилацетат
Реакционная способность спиртов в реакциях с карбонильными соедине-
ниями уменьшается в ряду:
первичные > вторичные > третичные.
Такое изменение реакционной способности объясняется пространствен-
ными затруднениями, возникающими при присоединении молекулы спирта
к тригональному атому углерода карбонильной группы в скоростьлимити-
рующей стадии реакции.
Реакции с аренсульфохлоридами
Спирты взаимодействуют с аренсульфохлоридами в присутствии основа-
ний (пиридин, раствор NaOH) с образованием эфиров сульфокислот.
ArSO2Cl + R-OH ArS020R + НС1
аренсульфонил- спирт алкилсульфонат
хлорид
Алкиловые эфиры аренсульфоновых кислот часто применяют вместо
галогеналканов в качестве алкилирующих реагентов (см. разд. 16.4.3).
Реакции с неорганическими кислотами
Взаимодействие спиртов с кислородсодержащими неорганическими кис-
лотами является общим способом получения сложных эфиров неорганичес-
ких кислот. Многоосновные кислоты дают как кислые, так и средние эфиры.
Кислые метил- и этилсульфаты получают при проведении реакции при
низкой температуре.
СН3ОН + HOSO2OH CH3O-SO2~OH + Н2О.
метанол метилсульфат
При нагревании метил- и этилсульфаты превращаются в средние эфи-
ры (обычно при перегонке в вакууме).
22
Глава 16. Спирты
2 сн3о-S02-ОН -°" ► CH3O-SO2-OCH3 + H2SO4.
метилсульфат диметилсульфат
Этот метод непригоден для получения эфиров высших спиртов, особен-
но вторичных и третичных, которые под действием серной кислоты легко
дают алкены. Кислые эфиры многоосновных неорганических кислот явля-
ются сильными кислотами. Эти эфиры растворимы в воде, а в водном рас-
творе гидролизуются. Средние эфиры низших спиртов в воде растворимы
плохо, имеют относительно низкие температуры кипения и перегоняются
без разложения.
Диметилсульфат является хорошим метилирующим реагентом и легко
реагирует с нуклеофилами по механизму SN2.
е/ х
Nu: + CH3O-SO2-OCH3
диметилсульфат
СН3—Nu + CH3O-SO2-Os.
Метилнитрат получают взаимодействием метилового спирта с азотной
кислотой. Реакция обратима.
СН3ОН + HNO3 ? CH3O-NO2 + Н2О
метанол метилнитрат
Для синтеза нитратов, особенно двух- и многоатомных спиртов, приме-
няют смесь азотной и серной кислот. Таким способом получают нитраты
этиленгликоля,глицерина, пентаэритрита.
H,SO,
СН2-СН-СН2 + 3HNO3
ОН ОН он
глицерин
> СН2 СН СН2
ono2 ono2 ono2
тринитроглицерин
Полинитраты многоатомных спиртов термодинамически неустойчивы.
В частности, тринитроглицерин в чистом виде обладает исключительно вы-
сокими бризантными свойствами. При ударе или нагревании он взрывается.
Тринитроглицерин, адсорбированный на инертном твердом носителе, ме-
нее опасен и применяется под названием «динамит».
Здесь уместно отметить важное практическое применение эфиров азо-
тистой и азотной кислот и в совершенно иной области. В частности, изопен-
тилнитрит и тринитроглицерин
(CH3)2CHCH2CH2ONO CH2(ONO2)CH(ONO2)CH2(ONO2)
изопентилнитрит тринитроглицерин
обладают выраженным фармакологическим действием против ангины и
приступов стенокардии. Вследствие высокой летучести эти эфиры легко
16.4. Реакции
23
попадают через органы дыхания в кровь, где превращаются с выделением
оксида азота NO. Оксид азота способствует релаксации стенок кровенос-
ных сосудов и тем самым улучшает условия кровообращения (подробнее о
фармакологии оксида азота см. в разд. 22.5).
Ортофосфорная кислота образует со спиртами моно-, ди- и триэфиры.
Некоторые моноэфиры фосфорной кислоты широко распространены в
природе, например фосфаты углеводов и глицерофосфорная кислота
НОСН2СН(ОН)СН2ОРО(ОН)2. Они играют важную роль в биохимических
процессах распада сахаров в организмах, в спиртовом брожении углеводов.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты
(РНК) построены из чередующихся фрагментов нуклеозидов и остатков
фосфорной кислоты, т. е. являются полимерными эфирами фосфорной
кислоты. Ниже показан фрагмент такого полимера (подробнее о строении
нуклеиновых кислот см. в гл. 28).
ОН ОН
Эфиры неорганических кислот получают также взаимодействием спиртов
с производными неорганических кислот: ангидридами и хлорангидридами.
R-OH + SO3 ---------► R-OSO3H,
спирт серный алкилсульфат
ангидрид
СН3ОН + C1-SO2OH ---------► CH3-O-SO2OH + НС1,
метанол хлорсульфоновая метилсульфат
кислота
2 СН3ОН + SO2C12 --------- (CH3O)2SO2 + 2НС1,
метанол сульфурил- диметилсульфат
хлорид
ЗСН3ОН + РОС13 ----- О=Р(ОСН3)3 + 3HCL
метанол хлороксид триметилфосфат
фосфора
16.4.3. Нуклеофильное замещение гидроксигруппы
Реакции нуклеофильного замещения гидроксигруппы в спиртах, т. е. с
разрывом связи С-ОН, протекают только в присутствии сильных кислот.
Роль сильной кислоты состоит в превращении плохой уходящей группы -
гидроксид-иона еОН - в хорошую уходящую группу - молекулу воды Н2О.
• • Н® ©/^ м ©
R—ОН R— Оч R-Nu + Н2О
24
Глава 16. Спирты
В зависимости от строения исходного спирта и условий, образовавшийся
алкилгидроксоний-ион реагирует далее по схеме реакции SN1 или SN2.
Реакции с галогеноводородами
Спирты реагируют с галогеноводородами с образованием галогеналка-
нов и воды. Так, спирты легко могут быть превращены в бром- и иодалка-
ны. Реакцию проводят, пропуская газообразный галогеноводород в спирт
или нагревая спирты с концентрированными растворами галогеноводород-
ных кислот. Бромалканы часто получают нагреванием спиртов (кроме
третичных) с бромидом натрия или калия и разбавленной серной кислотой.
/•Iт /'•II мп KBr + H2SO4 ...у ...у ,,
CH3CH2UH -Н2О, 60 °C СЛТзСЛТоЬГ,
этанол этилбромид
циклогексанол бромциклогексан
СН3-СН-СН2-СН3 СН3-СН-СН2-СН3 + Н2О.
ОН I
2-бутанол 2-иодбутан
н-Бутилбромид. Смесь 48%-й НВг (71 мл), конц. H2SO4 (30,5 мл) и н-бутанола (37 г; ।
0,5 моль) кипятят в течение 2 ч. Продукт отделяют, промывают водой, сушат и перегони- !
ют, т. кип. 101,6 °C. Выход 65 г. (95%). I
i
Реакционная способность галогеноводородов в реакциях со спиртами
уменьшается в ряду:
Ш > НВг > НС1.
По механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения (5д,2) про-
текают реакции метанола и большинства пространственно незатрудненных
первичных спиртов, из которых карбкатионы образуются с трудом.
СН3СН2СН2ОН СНзСН2СН2Вг + Н2О.
1-пропанол 1-бромпропан
Реакции, как правило, не сопровождаются перегруппировками. Их
механизм включает следующие стадии.
16.4. Реакции
25
Стадия 1- образование алкилгидроксониевого иона: ’
Н®
СН3СН2СН2ОН 7зь|”тр^ сн3сн2сн2—ох
н
Стадия 2 - замещение молекулы воды (как уходящей группы) в образо-
вавшемся алкилгидроксониевом ионе на атом брома:
тт ГН Н, гт *
®/Н . • о • 8© \ / 8®/Н
сн3сн2сн2—ох + :вг. =;= вг--с--оч
н сн2 н
СН3
переходное состояние
СН3СН2СН2Вг + Н2О
В реакциях SN2 реакционная способность первичных спиртов R-CH2OH
ниже, чем таковая метанола. Это связано с ростом пространственных за-
труднений для атаки алкилгидроксониевого иона галогенид-ионом при за-
мене Н на R. з
По механизму .S'iVl реагируют все спирты, кроме метанола и большинст-
ва первичных спиртов. Третичные спирты активно реагируют с галогеново-
дородами уже при комнатной температуре. Продуктом реакции и в этом
случае является галогеналкан.
СН3 СН3
I 20 °C I
СНз-С-ОН + НС1 СНз-С-С! + Н2О
СН3 СПз
трет-Бутилхлорид. Смесь mpem-бутилового спирта (74 г; 1 моль) и конц. НО (247 мл)
встряхивают в делительной воронке при комнатной температуре в течение 20 мин. Верх-
ний слой отделяют, промывают разбавленным раствором гидрокарбоната натрия до ней-
тральной реакции. Продукт выделяют перегонкой, т. кип. 50-51 °C. Выход 78 г (84%).
Механизм взаимодействия третичных спиртов с галогеноводородами ни-
же дается на примере реакции mpem-бутилового спирта с бромоводородом.
СН3 СПз
СН3-С-ОН + НВ г СНз-С-Вг + Н2О
СН3 СПз -
mpem-бутиловый тргт-бутилбромид
спирт
26
Глава 16. Спирты
Реакция обратима, поэтому положение равновесия зависит от концент-
рации НВг и воды.
Стадия I - образование алкилгидроксониевой соли:
СН3
СН3—С—ОН
СНз
I ©/п
сн3—с—()
' н
СН3
Вг0
Стадия 2 — диссоциация алкилгидроксониевого иона с отщеплением воды
и образованием карбкатиона (эта стадия является скоростьлимитирующей):
си3 н
сн3—с—оч
I н
СНз
@/СН3
сн3—с
сн3
+ Н2о
Стадия 3 — присоединение бромид-иона к карбкатиону протекает быстро:
®/СН3
сн3—с
сн3
сн3
вг:0 ।
сн3—с—Вг
СН3
Последняя стадия осложняется побочной реакцией Е\ - отщеплением
протона с образованием алкена:
@/сн3 :вг:®
сн3-с. СН3-С=СН2 + НВг
(СИ2
н
Согласно кинетическому уравнению
w = Л][(СН3)3СОН],
скорость реакции образования mpem-бутилбромида зависит только от кон-
центрации спирта и не зависит от концентрации галогеноводорода, что ха-
рактерно для реакций мономолекулярного нуклеофильного замещения 5^1.
В реакциях спиртов, протекающих по механизму 5^1, реакционная спо-
собность уменьшается в следующем ряду:
аллиловый спирт - бензиловый спирт > третичные > вторичные.
16.4. Реакции
27
Этот ряд соответствует ряду снижения термодинамической устойчивос-
ти карбкатионов, образующихся в медленной стадии процесса. Первичные
карбкатионы и метил-катион наименее устойчивы и из первичных спиртов
образуются крайне медленно. Поэтому первичные спирты по механизму
5^1 реагируют лишь в исключительных случаях (см. ниже пример изомери-
зации неопентилового спирта в присутствии НС1).
Реакции 5^1 оптически активных спиртов, протекающие с разрывом свя-
зи С-ОН у хирального атома углерода, приводят преимущественно к обра-
зованию рацемической формы.
СПз
Н’-Лон
С6Н5
8® 8©
Н-Вг
быстро
СН3
н"7с
с6н5
. ©
он
I
н
-н2о
медленно
(7?)-1-фенил-
этанол
карбкатион
(ахирален)
Н'"'
С6н5
СНз
..с\
/ Вг
СНз
Вг \ Н
С6Н5
(R,S)-1 -бром-1 -фенилэтан
Перегруппировки в реакциях спиртов с галогеноводородами
В реакциях спиртов с галогеноводородами атом галогена не всегда образу-
ет связь с тем атомом углерода, у которого находилась гидроксильная группа.
С1
сн3-сн-сн-сн3 сн3-с-СН2-СН3 + н2о.
СНз ОН , СНз
З-метил-2-бутанол 2-метил-2-хлорбутан
(основной продукт)
Перегруппировка является результатом быстрого превращения проме-
жуточно образующегося вторичного карбкатиона в более стабильный
карбкатион вследствие быстрой миграции атома водорода с парой электро-
нов - гидрид-иона. Факт перегруппировки обычно рассматривают как серь-
езное доказательство реакции спирта по механизму 5д,1. Как уже отмеча-
лось в разд. 13.4.5, миграцию гидрид-иона называют гидридным сдвигом.
Например, гидридный сдвиг наблюдается при обработке З-метил-2-бутано-
ла хлористым водородом. В этом случае механизм реакции включает
1,2-гидридный сдвиг.
28
Глава 16. Спирты
8® 8©
СН3-СН-СН-СН3
СН3 ОН
З-метил-2-бутанол
СН3-СН-СН-СН3
II
сн3 О®
н н
-н2о
медленно
н
сн3-с—СИ-сн3
СН3
вторичный карбкатион
СН3—С-СН2-СН3
СНз
третичный карбкатион
СН3-С-СН-СН3
СН3
переходное состояние
1,2-гидридного сдвига
С1
I
CH3-C-CH2-CH3
СН3
2-метил-2-хлорбутан
Стабилизация карбкатиона может достигаться не только путем гидрид-
ного сдвига, но и перемещением алкильной группы в виде карбаниона.
Классическим примером такой перегруппировки является превращение
неопентилового спирта в присутствии НС1.
СН3
I НС1
CH3-C-CH2OH ==
СНз
неопентиловый спирт
С1
I
СН3-С-СН2-СН3 + Н2О
СНз
2-хлор-2-метилбутан
Неопентиловый спирт является первичным спиртом. Из-за стерических
затруднений он не вступает в реакции SN2, но медленно реагирует по меха-
низму 5д,1. Образующийся при этом первичный карбкатион быстро пере-
группировывается в более стабильный третичный карбкатион за счет
1,2-сдвига метильной группы с парой электронов. Такой сдвиг изменяет уг-
леродный скелет молекулы.
VH' ..
CH3-C-CH2OH
СНз
-Н2о
неопентиловый спирт
СН3-С-СН2 СН3—С—СН2-СН3
СНз СН3
первичный третичный
карбкатион карбкатион
(малоустойчив) (устойчив)
16.4. Реакции
29
Cl
I
• сн3-с-сн2-сн3
сн3
2-метил-
2-хлорбутан
Спирты с циклоалкильной группой, находящейся у того же атома угле-
рода, что и гидроксигруппа, часто подвергаются перегруппировкам с рас-
ширением цикла.
Н СН3
---С-ОН + НС1
I
J СН3
С1
2-циклобутил-2-пропанол
2,2-диметил-1 -хлорциклопентан
Реакция включает промежуточное образование карбкатиона, который
перегруппировывается в циклопентильный катион.
Н СН3
I ©
—С<ОН2
сн3
н сн3
-зГ
-н2о
Движущей силой такой перегруппировки является снятие напряжения
С4-цикла при превращении его в С5-цикл.
Аллильные перегруппировки
Реакции SN1 спиртов аллильного типа часто протекают с образованием
двух изомеров в результате аллильной перегруппировки.
СН3-СН=СН-СН2ОН
кротиловый спирт
8© 8©
н-Вг
©/И ,, ©
сн3-сн=сн-сн2-оч :вг: . ->
•• -н2о
30
Глава 16. Спирты
сн3-сн=сн-сн2
.. ©
© 1 :вг:
сн3-сн-сн=сн2 —
сн3-сн=сн-сн2 + сн3-сн-сн=сн2
Вг Вг
1-бром-2-бутен З-бром-1-бутен
Образование в медленной стадии реакции устойчивого карбкатиона, ста-
билизированного резонансом, объясняет образование двух изомеров и вы-
сокую реакционную способность спиртов аллильного и бензильного типа в
реакциях 1.
Проба Лукаса
Для препаративного получения хлоралканов реакция спиртов с соляной
кислотой малопригодна. Для этого необходим более жесткий реагент. Та-
ким реагентом является реагент Лукаса - смесь концентрированной соля-
ной кислоты и хлорида цинка.
При растворении спирта в реагенте Лукаса протекает реакция, приводя-
щая к хлоралкану, который выделяется в виде тяжелой маслянистой жид-
кости.
R—ОН + ZnCl2 + НС1 ==* R— О-ZnCl2 » = -- R-Cl + ZnCl(OH)
v----------y-----------> масло
раствор
Эта реакция применяется как аналитический метод для установления ти-
па спирта: является ли спирт первичным, вторичным или третичным.
Третичные спирты реагируют почти мгновенно с выделением тепла и
образованием маслянистого слоя.
Вторичные спирты реагируют в течение 5 мин; при этом также образу-
ется маслянистый слой.
Первичные спирты при комнатной температуре не реагируют (даже при
стоянии в течение 1 ч маслянистый слой не образуется), однако вступают в
реакцию при нагревании.
Реагент Лукаса часто применяют и для препаративного получения хлор-ал-
канов. 1-Хлорбутан при этом получают с выходом ~80%, а 2-хлорбутан и
mpem-бутилхлорид - с выходами до 90%.
Реакции с галогенидами фосфора и серы
Эти реакции являются лучшим методом получения галогеналканов из
спиртов, так как протекают быстро, с высоким выходом и без побочных
продуктов.
16.4. Реакции
31
R—ОН Р— R-C1 + РОС13 + fHCl,
спирт хлоралкан
R-OH S°— R-C1 + fSO2 + fHCl,
3 R-OH РВГз ► 3 R—Вг + H3PO3,
бромалкан
6 СН3-ОН + 2 Р + 3 12 ---------- 6 СН3-1 + 2 Н3РО3.
метанол (Р + I __________ PI ) иодметан
В каждом случае указанные реакции идут с промежуточным образовани-
ем соответствующего эфира. Например:
R-OH + С1-РСЦ 41-су- R-O-РСЦ ---------- R—CI + РОС13,
R-OH + C1-SOC1 > R-OSOC1 -------------- R—Cl + SO,.
Далее эфиры первичных и вторичных спиртов реагируют по механизму
Sn2, а третичных - по 5д,1. Тип механизма зависит от ряда факторов и под-
тверждается стереохимией соответствующей реакции.
Реакции с галогенидами фосфора
Оптически активные вторичные спирты реагируют с РС15 в присутствии
пиридина с обращением конфигурации у хирального реакционного центра,
что согласуется с механизмом SN2.
СН3
Н"'Лон
С2Н5
+ РС15
пиридин
(основание)
(7?)-2-бутанол
нуклеофил
а:
\ сн3
H'/^O^-PCh
ад й
СН3
Cl \ н
С2Н5
+ РОС13 + С10.
(5)-2-хлорбутан
Ъ2 Глава 16. Спирты
Оптически активные третичные спирты реагируют в этих условиях с
преимущественной рацемизацией, что согласуется с механизмом .S'vl, т. е. с
промежуточным образованием карбкатиона.
Трибромид фосфора также реагирует со спиртами с промежуточным об-
разованием соответствующего эфира - триалкилфосфита. Эфиры первич-
ных и вторичных спиртов реагируют далее с бромоводородом по механиз-
му реакции SN2.
R-OH P(OR)3 R—Вг + (RO)2P(O)H.
бромалкан
Реакции c SOCI,
Эта реакция интересна тем, что в зависимости от условий проведения
она может протекать с обращением или с сохранением конфигурации у хи-
рального атома углерода спирта.
CH3-CH-CH2CH3 — SOC12 CH3-CH-CH2CH3 С1 (7?)-2-хлорбутан + SO2 + НС1
эфир (или диоксан)
он (R\-2-6\va,Hon. SOCb СН3-СН-СН2СН3 С1 (5)-2-хлорбутан + SO2 + НС1
Механизм реакции в эфире или диоксане получил название «нуклеофильное
внутримолекулярное замещение SNi» и включает следующие стадии:
СН3 СН3
н„.-с^ + ci s а н/ он II с С2н5 о (A’j-2-бутанол :а: СН3/ 1=о ®с^ 7Н- - Н" чс2н5 тесная ионная пара । 5© С1 медленно С2Н5 II О СНз Н^С + so2. с2н5 (7?)-2-хлорбутан
Образование карбкатиона согласуется с экспериментальными данными:
чем устойчивее карбкатион, образующийся из спирта, тем легче идет реак-
ция. Однако рацемическая форма, характерная для реакций 5^1, при этом
16.4. Реакции
33
не образуется. Этот факт объясняют тем, что карбкатион экранирован ухо-
дящей группой в составе тесной ионной пары. Внутри ионной пары хлорид-
ион атакует углеродный атом карбкатиона «с фронта», т. е. со стороны ухо-
дящей группы.
Реакция спиртов с SOC12 в присутствии пиридина протекает иначе, а
именно по механизму SN2.
Механизм реакции в пиридине включает следующие стадии:
СНз
xji"'jC^ + Cl S Cl
c2h5oh
(7?)-2-бутанол
О
N®
. .о
а:
\ СНз
1 5® (XI S"2
Н”/^/
С2Н5
О
н
СНз
ХС""Н
С1 У
С2Н5
+ SO2 + С1е
(5)-2-бутанол
1-Хлорпентан. В смесь н-амилового спирта (441 г; 5 моль) и сухого пиридина (396 г;
5 моль) при -10 °C приливают по каплям SOC12 (774 г; 6,5 моль ). В течение 6 ч реакцион-
ную массу нагревают до 104 °C и выдерживают 1,5 ч при этой температуре. Продукт вы-
деляют перегонкой, т.кип. 106-106,5 °C (741 мм рт.ст.). Выход 426 г (80%).
Роль тозилатов в нуклеофильном замещении гидроксигруппы
Рассмотренные выше реакции получения галогеналканов из спиртов
протекают значительно более гладко, если спирты предварительно обраба-
тывают n-толуолсульфонилхлоридом в присутствии пиридина.
О
СН3СН2ОН + n-CH3-C6H4-S-Cl 7--------г
о
о
II
------- CH3CH2O-S-C6H4-CH3-n + НС1.
о
34
Глава 16. Спирты
Образующиеся алкил-п-толуолсульфонаты (тозилаты) - устойчивые со-
единения. Они способны реагировать по механизму SN2 как с галогенид-ио-
нами, так и с самыми разнообразными другими нуклеофильными реагента-
ми. Поскольку n-толуолсульфонат-ион является очень легко уходящей
группой, названные реакции протекают гладко и не осложнены какими-ли-
бо перегруппировками и другими побочными процессами. Это относится
как к первичным, так и ко вторичным алкилтозилатам.
СН3-СН-СН2СН3 + NaBr СН3-СН~СН2СН3 + NaOTs
О I s Вг
(Л)-2-бутилтозилат (5)-2-бромбутан
4-тозилоксиметил-
циклопентен
KCN t
этанол-
вода
4-цианметилциклопентен
Дегидратация спиртов
Дегидратация спиртов протекает под действием сильных минеральных
кислот (например, H2SO4 и Н3РО4) при нагревании.
Первичные спирты подвергаются дегидратации при нагревании с H2SO4.
При этом в зависимости от соотношения спирта и H2SO4 (1:1 или 2:1), а так-
же температуры получают преимущественно продукты внутримолекуляр-
ной дегидратации - алкены - или продукты межмолекулярной дегидрата-
ции - простые эфиры.
Например, дегидратация этилового спирта протекает по следующей схеме.
1. Образование этилсульфата (при низкой температуре, например О °C,
реакция останавливается на этой стадии):
СН3СН2ОН
Q
СН3СН2-ОЧ OSO3H
н
Н2О + CH3CH2-OSO3H
2. Отщепление молекулы серной кислоты, которое может протекать как
внутримолекулярно (образуется алкен), так и межмолекулярно (образуется
эфир):
160-180°с
CH3CH2-OSO3H
сн3сн2он
130-140 °C
СН2=СН2 + H2SO4
этилен
СН3СН2-О-СН2СН3
диэтиловый эфир
+ H2SO4
16.4. Реакции
35
Первичные спирты нормального строения дегидратируются по такой же
схеме и, как правило, не перегруппировываются.
2 СН3СН2СН2СН2ОН (СН3СН2СН2СН2)2О + Н2О.
1-бутанол дибутиловый эфир
Вторичные и третичные спирты отщепляют воду с образованием алке-
нов в присутствии менее концентрированных кислот. Реакции протекают
преимущественно по правилу Зайцева, т. е. образуется термодинамически
наиболее устойчивый алкен.
сн3-сн-сн2-сн3
он
2-бутанол
сн3
сн3-сн2-с-СНз
он
2-метил-2-бутанол
сн3-сн=сн-сн3 + н2о,
транс-2-бутен
(основной продукт")
СН3
сн3-сн=с-сн3 + Н2О.
2-метил-2-бутен
Циклогексен. Смесь цнклогексанола (1 кг; 10 моль) и 85%-й фосфорной кислоты (200 г)
нагревают при 165-170 °C в течение 4-5 ч и при 200 °C в течение 30 мин. Верхний слой от-
деляют, сушат. Продукт выделяют перегонкой, т. кип. 81-83 °C. Выход 673 г (82%).
Дегидратация вторичных и третичных спиртов протекает по механизму
Е\ и включает следующие стадии.
Стадия 1 - быстрое протонирование молекулы спирта:
сн3-сн—СН2СН3
ОН
сн3—сн—СН2СН3
о
н ® н
0
OSO3H
Стадия 2 - медленная стадия диссоциации алкилгидроксониевого иона с
отщеплением воды и образованием алкил-катиона:
©
сн3—сн—сн2сн3 .......сн3—сн—СН2СН3 + Н2О
о
н ® н
36
Глава 16. Спирты
Стадия 3 - быстрая стадия отщепления протона с образованием алкена:
0 • '
© OSO3H
сн3—СНд<Н—СНз « ~ * сн3—сн=сн—СН3 + H2SO4
н
Скоростьлимитирующей стадией реакции является стадия образования
карбкатиона. Чем устойчивее карбкатион, тем ниже энергия активации его
образования, тем быстрее протекает элиминирование по механизму Е1.
Как и в других реакциях, устойчивость карбкатионов при дегидратации
уменьшается в ряду:
бензильный > третичный > вторичный,
что и определяет скорость дегидратации соответствующего спирта.
Вторичные и третичные спирты бензильного типа очень легко дегидра-
тируются, так как образующиеся из них карбкатионы наиболее устойчивы
вследствие резонансной стабилизации, а также эффекта гиперконъюгации
(структура А).
0
OSO3H
1-фенил-1-этанол
4 />—СН=СН2 + H2SO4
стирол
Спирты в отличие от галогеналканов не могут подвергаться элиминиро-
ванию по чистому механизму Е2, так как для реакций Е2 требуется сравни-
тельно сильное основание, способное отщеплять протон от Ср-атома. Силь-
ное основание и кислая среда несовместимы: сильное основание гораздо
быстрее, чем спирт, протонируется минеральной кислотой или спиртом.
16.4. Реакции
37
16.4.4. Окисление
Первичные спирты окисляются до альдегидов и далее до карбоновых
кислот.
r-ch2oh -
первичный спирт
/Z0
R~C4
Н
альдегид
R-C*
ОН
карбоновая кислота
Например, метиловый спирт при окислении дает формальдегид, затем
муравьиную кислоту, которая содержит альдегидную функцию и легко
окисляется до диоксида углерода и воды.
СН3ОН Н-С* Н-С* СО2 + Н2О.
метанол н он
формальдегид муравьиная кислота
Окисление реагентом Джонса
Часто для окисления первичных спиртов применяют хромовую кислоту
или разбавленный раствор триоксида хрома в разбавленной серной кисло-
те (реагент Джонса)'.
р__гц оц СгОз’ H2SO4 f
к сн2ин Н20 15_2о оС
первичный спирт
70
R“CX
н
альдегид
Реакция в этом случае включает следующие стадии.
Стадия 1 - образование эфира хромовой кислоты - алкилхромата:
О О
II II
R— СН2ОН + НО—Сг—ОН ----------- R—СН,—О—Сг—ОН + Н2О.
II II
о о
Стадия 2 - расщепление алкилхромата под действием воды (эта стадия
протекает по схеме Р-элиминирования): ;
Г°
с—о—Сг—ОН +
II
/°
R—+ Н3О® + НСгОз0
Н
38
Глава 16. Спирты
Полученный альдегид далее окисляется до карбоновой кислоты по сле-
дующей схеме.
Стадия 1 - альдегид присоединяет воду с образованием 1,1-диола (ге.и-диола):
//О R-C4 Н ОН 1 + Н2О - R—с—Н ОН
Стадия 2 - ге.и-диол, будучи спиртом, окисляется до карбоновой кислоты,
как показано выше:
?н
R С Н + ЩСгОд --------------► R + Н2О + Н2СГО3.
I ОН (неустойчива)
Процесс окисления можно остановить на стадии получения альдегида,
если образующийся альдегид отгонять из реакционной массы. Соответству-
ющие альдегиды, как правило, кипят при более низкой температуре, чем
спирты. Такой прием пригоден, однако, лишь для окисления низкомолеку-
лярных спиртов. . •
Окисление реагентом Саретта
Более гладко альдегиды получают при окислении первичных спиртов
реагентом Саретта - комплексом СгО3 с пиридином и НС1 (пиридинийхло-
рохромат). Особое преимущество этого реагента состоит в том, что он рас-
творяется в органических растворителях и поэтому может применяться в
неводных средах:
R~CH2OH + СгО3 • C5H5N • НС1
первичный реагент Саретта
спирт
R-C*
Н
альдегид
Пиридинийхлорохромат получают взаимодействием эквимольных коли-
честв пиридина, триоксида хрома и НС1. Он представляет собой желто-
оранжевые кристаллы, т.пл. 205 °C. Растворим в метиленхлориде и хлоро-
форме. В практической работе удобно пользоваться этим реагентом, нане-
сенным на оксид алюминия.
16.4. Реакции
39
Пиридинийхлорохромат на оксиде алюминия. К раствору оксида хрома(У1) (25 г; >
0,25 моль) в 45 мл 6М соляной кислоты при перемешивании прибавляют в течение 10 мин
при 40 °C пиридин (19,8 г; 0,25 моль) и охлаждают до 10 °C. Смесь выдерживают при этой
температуре до образования оранжевого осадка, а затем снова нагревают до 40 °C (при
этом осадок переходит в раствор). К теплому раствору прибавляют при перемешивании
208 г оксида алюминия марки «нейтральный, для колоночной хроматографии». После это-
го воду удаляют под вакуумом на роторном испарителе, а остаток сушат при 100 °C в те-
чение 2 ч. Получают реагент, в котором среднее эквивалентное количество окислителя
составляет 1 ммоль/г.
Окисление соединениями марганца и хрома
Аллиловые спирты окисляют до альдегидов свежеосажденным диокси-
дом марганца.
МпСЬ fl
сн2=сн—сн2он эфиР|2Ьг сн2=сн-сх
аллиловый спирт Н
акролеин
Вторичные спирты более устойчивы к действию окислителей. Их окис-
ляют до кетонов действием бихромата калия в разбавленной серной кисло-
те или хромовым ангидридом в уксусной кислоте.
R’x - '
3 СНОН + К2Сг2О7 + 4H2SO4 --------------►
R
вторичный спирт
R<
3 С—О + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7 Н2О.
R
кетон t
R'
3 ХСНОН + 2СгО3 + 6СН3СООН ----------------
вторичный спирт
R\
-----► 3 С=О + 2Сг(СН3СОО)3 + 6Н2О.
R
кетон
Щелочные растворы перманганата калия на холоду не окисляют спирты.
В кислой среде КМпО4 окисляет первичные спирты до карбоновых кислот,
а вторичные - до кетонов.
40
Глава 16- Спирты
1-фенил-1-пропанол пропиофенон
Третичные спирты устойчивы к действию окислителей: они не окисля-
ются ни в нейтральной, ни в щелочной среде. Третичные спирты, способ-
ные к дегидратации, окисляются в кислой среде. В качестве промежуточно-
го продукта образуется алкен, который затем подвергается деструктивному
окислению.
СНз СН3 СНз
С’тт Г' ГЧ-Г H2SO^ Г''ТТ Г'—ГЧ-Г К2СГ2О7 _ —z-ч
С* '-'1*3 —н2О '“'*•* 3 H->SO/i t° s' + ^^2*
I 2 4’ /
ОН 2-метилпропен
mpem-бутиловый ацетон
спирт
Дегидрирование спиртов
При пропускании паров первичного или вторичного спирта над медным
катализатором при 300 °C протекает реакция дегидрирования спиртов
(отщепление водорода): из первичных спиртов образуются альдегиды, из
вторичных - кетоны. Эта реакция - пример «-элиминирования - представ-
ляет собой окисление атома углерода, связанного с гидроксигруппой.
R-CH2OH -30оЦос> R~C\ + Н2,
первичный Н
спирт альдегид
R R
/СНОП -300Цо-с> /С=О + Н2.
R1 R1
вторичный кетон
спирт
Реакция находит применение и в промышленности.
16.5. Многоатомные спирты
41
16.4.5. Замещение гидроксигруппы на водород
Спирты устойчивы к действию химических восстановителей. Они не вос-
станавливаются и водородом над катализаторами. Поэтому спирты часто
применяют в качестве растворителей или доноров протонов при восста-
новлении других соединений.
Методы непрямого восстановления спиртов основаны на превращении
спиртов в соединения других классов, способные восстанавливаться до угле-
водородов.
1. Спирт можно превратить в алкен и далее подвергнуть гидрированию:
H2SO4
циклогексанол циклогексен циклогексан
2. Спирт можно превратить в тозилат, который легко подвергается вос-
становлению: 1
циклогексанол циклогексилтозилат
3. Действием иодистоводородной кислоты спирт переводят в иодалкан и
далее в алкан:
R-ОН R-H + 12.
-Н2О
спирт иодалкан алкан
16 .5. МНОГОАТОМНЫЕ СПИРТЫ
Выше мы уже говорили, что при гидроксилировании алкенов получают
виц-диолы. Простейший впц-диол - гликоль (этиленгликоль, 1,2-этандиол) -
получают в промышленности из этилена по следующей схеме:
сн2=сн2 этилен С12 + Н2о _ сн _сн Са(ОН)2г 1 2 1 2 С1 ОН - сн2-сн2 о Н2О Н® ’ - сн2 СН2 ОН он
этиленхлоргидрин этиленоксид этиленгликоль
Н2О, NaOH !
Этиленгликоль применяют для получения простых эфиров и диоксана,
которые, в свою очередь, используют в качестве растворителей и в произ-
- 42
Глава 16. Спирты
водстве полиэфиров - синтетических волокон. Смесь равных частей воды и
этиленгликоля применяют как антифриз.
Другой многоатомный спирт, также имеющий важное значение, -
глицерин (1,2,3-пропантриол) - получают гидролизом жиров (см. подроб-
нее об этом в гл. 20) или из пропилена по одной из следующих схем:
сн2=сн-сн3
пропилен
. ртт —/чтт /-’ll NaOH _ртт -------З^2-------
- сн2—см сн2 НгО СН2—СИ СН2 Н2О
Cl ОН
аллилхлорид аллиловый
спирт
С12 + Н2О (изб.)
1— сн2—сн—сн2 ggg сн2—сн—сн2 —J
С1 ОН С1 он он он
глицерин
Некоторые реакции, в которых глицерин выступает в качестве нуклео-
фильного реагента, обсуждены в разд. 16.4.2.
16 .6. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СПИРТОВ
ИК-спектры. Валентные колебания О-Н наблюдаются в ИК-спектрах
спиртов в области 3200-3650 см-1 в форме уширенной полосы средней ин-
тенсивности, а валентные колебания С-О - при 1025-1200 см"1 в форме по-
лосы от средней до высокой интенсивности.
ЯМР-спектры. Химический сдвиг протона гидроксильной группы
в спектре ПМР зависит от растворителя, температуры и концентрации.
Как правило, это одиночный синглет, отнесение которого не составляет
особого труда. В спектре ПМР 2-фенилэтанола, например, сигнал ОН-про-
тона наблюдается при 5 2,2 м.д. Правильность отнесения подтверждается
добавлением дейтероводы D2O. При этом ОН-протон быстро замещается
на дейтерий, а соответствующий сигнал в спектре ПМР исчезает.
По сравнению с химическими сдвигами атомов углерода в алканах сиг-
нал углерода, связанного с гидроксильной группой в спиртах, наблюдается
в спектре 13С ЯМР в более слабом поле.
15,6 м.д.^-51,3 м.д.
СН3СН2ОН
СН3СН2СН3
Масс-спектры. Интенсивность молекулярных пиков первичных и
вторичных спиртов мала, у третичных спиртов пик молекулярного иона
16.6. Спектроскопический анализ спиртов
43
обычно отсутствует. Для спиртов ос-распад молекулярного иона нехаракте-
рен, так как связь С-О прочнее связи С-На1.
В масс-спектрах спиртов наблюдаются пики М-18, соответствующие от-
щеплению воды, и пики ионов, образующиеся при Р-распаде, т. е. разрыве
С-С-связи молекулярных ионов, причем от молекулярных ионов вторич-
ных и третичных спиртов легче отщепляется заместитель с большим чис-
лом атомов углерода.
На рис. 16.1 приведен масс-спектр третичного спирта - 2-метил-2-бута-
нола. Молекулярный ион М® (m/z 88) в спектре не проявляется, но наблю-
даются пики m/z 73 (М-СН3) и m/z 59 (М-С2Н5), соответствующие Р-распаду
молекулярного иона с образованием стабильных оксониевых ионов.
р-распад
сн3сн2-с-сн3 —
сн3
м®
----► сн3-сн2 +
р-распад
©
:он
и
сн3-с-сн3
m/z 59
:он
।
сн3-с-сн3
©
сн3- +
:он :он
и ।
сн3сн2-с-сн3 -—► сн3сн2-с-сн3
m/z 73
44
Глава 16. Спирты
Второе направление фрагментации - элиминирование молекулы воды с
образованием иона m/z 70 (М - Н2О) и дальнейший распад этого катион-ра-
дикала с образованием замещенного аллильного катиона с m/z 55, стабили-
зированного резонансом.
:он
сн3сн2-с-сн3
сн3
м®
-Н2О
сн3-сн=с-сн3
сн3
m/z 70
или
©
сн2=с-сн2
сн3
сн3сн2-с=сн2
СНз
m/z 70
| -сн;
©
—► сн2-с=сн2
сн3
m/z 55
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Метанол СН3ОН получают из синтез-газа в присутствии катализатора на основе соединений
хрома и цинка (мировое производство достигает 20 млн т). Бесцветная жидкость, т.кип. 64,5 °C,
со слабым своеобразным запахом. В любых соотношениях смешивается с водой, бензолом,
ацетоном, этанолом. Применяют для производства формальдегида, уксусной кислоты, а также
в качестве алкилирующего агента (диметилтерефталат, метилметакрилат, метилацетат, мети-
ланилин), растворителя в производстве лаков и красок. Сильный яд. ПДК 5 мг/м3.
Этанол СН3СН2ОН получают гидратацией этилена, брожением зерна и картофеля, гид-
ролизом растительных остатков (древесины, стеблей кукурузы). Бесцветная жидкость,
т. кип. 78,4 °C, со специфическим запахом. Смешивается с водой и органическими раствори-
телями. Применяют в производстве ацетальдегида, хлороформа, диэтилового эфира, этила-
цетата. уксусной кислоты, 1,3-бутадиена. При выделении спирта ректификацией получают
спирт-ректификат с т.кип. 78,15 °C, который содержит -95,57% этанола и 4,43% воды.
и-Пропанол СН3СН2СН,ОН получают гидрированием пропионового альдегида и омылени-
ем пропилгалогенидов. Бесцветная жидкость, т. кип. 97,2 °C, смешивается с водой, этанолом,
диэтиловым эфиром, бензолом. Применяют в производстве пестицидов и лекарств, а также в
качестве растворителя для восков, природных и синтетических смол. Т. самовоспл. 371 °C.
Изопропиловый спирт (2-пропанол) (СН3)2СНОН получают гидратацией пропилена. Бес-
цветная жидкость, т. кип. 82,4 °C, смешивается с водой и органическими растворителями.
Применяют в производстве ацетона, Н2О2, метилизобутилкетона, изопропилацетата, изо-
пропиламина, косметических и лекарственных средств, а также в качестве растворителя
ацетатов целлюлозы, этилцеллюлозы, эфирных масел.
и-Бутиловый спирт (1-бутанол) СН3СН2СН2СН2ОН получают гидрированием масляного
альдегида (который получают оксосинтезом), конденсацией ацетальдегида в кротоновый
альдегид с последующим гидрированием. Бесцветная жидкость, т. кип. 117,5 °C, растворим в
воде (5,66% при 20 °C), смешивается с этанолом, диэтиловым эфиром. Применяют в произ-
водстве бутилацетата, 2-этилгексанола, гербицидов, а также в качестве растворителя при
производстве лаков и красок. Т. самовоспл. 345 °C. ПДК 10 мг/м3.
Изобутиловый спирт (2-метилпропанол) (СН3)2СНСН2ОН получают гидрированием изо-
масляного альдегида. Бесцветная жидкость, т.кип. 108,5 °C, растворим в воде, этаноле, ди-
Наиболее важные представители
45
этиловом эфире. Применяют в синтезе пластификаторов, гербицидов, в качестве раствори-
теля при производстве лаков и красок. Т. самовоспл. 390 °C.
mpem-Бутиловый спирт (2-метил-2-пропанол) (СН3)3СОН получают взаимодействием
40-65%-й H2SO4 с изобутиленом и последующим гидролизом mpem-бутилсерной кислоты.
Бесцветная жидкость, т. кип. 82,9 °C, неограниченно растворим в воде, хорошо растворим в
органических растворителях. Применяют в качестве антисептика, алкилирующего агента,
растворителя. ПДК 100 мг/м3.
Аллиловый спирт (2-пропен-1-ол) СН2=СН-СН2ОН получают гидролизом аллилхлорида,
изомеризацией оксида пропилена. Бесцветная жидкость, т.кип. 96,9 °C, смешивается с водой
и органическими растворителями. Применяют в производстве глицерина, акролеина, алли-
ловых эфиров. Раздражает кожу, слизистые оболочки дыхательных путей. ПДК 2 мг/м3.
Пропаргиловый спирт (2-пропин-Бол) СН=С-СН2ОН получают оксиметилированием
ацетилена формальдегидом. Бесцветная жидкость, т. кип. 115 °C, растворяется в воде и в ор-
ганических растворителях. Применяют для получения аллилового спирта и пропаргилбро-
мида, а также в качестве растворителя полиамидов, ацетатов целлюлозы. Обладает нарко-
тическим действием, раздражает кожу. ПДК 1 мг/м3.
Циклогексанол (циклогексиловый спирт) С6НПОН получают каталитическим гидриро-
ванием фенола и окислением циклогексана. Бесцветная жидкость, т. кип. 161,1 °C, раство-
рим в воде и в органических растворителях. Применяют в производстве адипиновой кисло-
ты, циклогексанона, е-капролактама, дициклогексилфталата; в качестве растворителя для
масел, восков, красителей; является стабилизатором эмульсий и кремов. В высокой концен-
трации обладает наркотическим действием. ПДК 10-15 мг/м3.
£-Ментол [(1Я,25,5Я)-2-изопропил-5-метил-1-циклогексанол] С10Н20О выделяют из мас-
ла перечной мяты в виде индивидуального энантиомера, получают гидрированием тимола с
последующим расщеплением рацемата. Бесцветные кристаллы, т. пл. 43 °C, [а|д5 от -45 до
-51°, мало растворим в воде, растворим в этаноле.
(сн3)2сн сн3
Применяют в качестве душистого вещества (запах мяты, холодящий вкус) в пищевой,
кондитерской, ликеро-водочной, парфюмерной и табачной промышленности; входит в со-
став многих лекарств (валидол, бороментол). Т. самовоспл. 275 °C.
Холестерин С27Н46О - наиболее важный и распространенный в природе стероид; обра-
зует сложные эфиры с высшими жирными кислотами, входящими в состав кислотных мем-
бран. Биосинтез из сквалена. Получают из ненасыщенной фракции липидов спинного мозга
и других органов рогатого скота. Бесцветные кристаллы, т.пл. 149 °C, [а]д5 -39 °C; раство-
рим в жирах и органических растворителях.
Нормальное содержание холестерина в крови человека 0,18 - 0,26%; избыток холестери-
на способствует развитию атеросклероза, ксантоматоза. Применяют для производства сте-
роидных лекарственных препаратов. Сложные эфиры холестерина и некоторых карбоно-
вых кислот обладают жидкокристаллическими свойствами, их применяют для изготовления
экранов дисплеев.
Бензиловый спирт (фенилкарбинол) СбН5СН2ОН получают щелочным гидролизом
бензилхлорида, а также конденсацией бензальдегида и формальдегида в присутствии NaOH.
46
Глава 16. Спирты
Содержится во многих природных бальзамах и эфирных маслах. Бесцветная жидкость,
т.кип. 205,8 °C; мало растворим в воде, растворим в этаноле.
Применяют в производстве душистых веществ (бензилацетат, бензилбензоат); в качест-
ве растворителей красителей, чернильных паст, эфиров целлюлозы, казеина, восков.
Этиленгликоль (1,2-дигидроксиэтан) СН2(ОН)СН,(ОН) получают гидратацией этилен-
оксида. Бесцветная вязкая жидкость, т.кип. 197,6°С; смешивается с водой и органическими
растворителями, имеет сладкий вкус. Из этиленгликоля получают диэтиленгликоль, диок-
сан, простые эфиры, глимы (используемые в качестве растворителей). Применяют в произ-
водстве полиэтилентерефталата, целлофана, полиуретанов; входит в состав антифризов,
тормозных и закалочных жидкостей. Т. самовоспл. 380 °C.
Глицерин (1,2,3-тригидроксипропан) СН2(ОН)СН(ОН)СН2ОН получают омылением при-
родных глицеридов пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот; синтетически - из пропи-
лена через пропиленхлоргидрины, а также из аллилового спирта. Бесцветная вязкая жидкость,
т.кип. 290 °C, растворим в воде и органических растворителях. Применяют в производстве
взрывчатых веществ (тринитроглицерин), алкидных смол, полиуретанов, акролеина; в качест-
ве умягчителя тканей, кожи, бумаги; в качестве компонента эмульгаторов, антифризов, смазок,
кремов, парфюмерных и косметических препаратов, мазей, ликеров, кондитерских изделий.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Алкоксид-ион - сопряженное основание, образующееся при диссоциации спирта как
ОН-кислоты.
Вторичный спирт - спирт, в молекуле которого гидроксигруппа связана со вторичным
атомом углерода.
Гидридный сдвиг - перегруппировка промежуточно образующегося карбкатиона в более
стабильный карбкатион вследствие быстрой миграции гидрид-иона.
Комплекс Саретта - комплекс СгО3 с пиридином, применяемый для мягкого окисления
первичных спиртов в альдегиды.
Нуклеофильное внутримолекулярное замещение SNi - замещение гидроксигруппы на
хлор в спиртах при действии тионилхлорида; реакция протекает с сохранением конфигура-
ции у хирального атома углерода спирта.
Окисление по Джонсу - окисление спирта разбавленным раствором СгО3 в разбавленной
серной кислоте.
Первичный спирт - спирт, в молекуле которого гидроксигруппа связана с первичным
атомом углерода.
Проба Лукаса - тест для определения типа спирта (первичный, вторичный или третич-
ный); основан на способности спирта образовывать соответствующий карбкатион при дей-
ствии смеси конц. НС1 и ZnCl2.
Третичный спирт - спирт, в молекуле которого гидроксигруппа связана с третичным ато-
мом углерода.
ЗАДАЧИ
Задача 16.1, Назовите по номенклатуре ИЮПАК следующие спирты
а) (СН3)3ССН2ОН
СНз
б) сн2=сн-сн2сн2снон
в) носн2—сн—сн2сн2сн3
СН2СН3
он
I
г) с6н5-сн-сн3
Задачи
47
Задача 16.2. Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) (7)-2-пентен-1-ол; д) 2-метоксиэтанол;
б) (Я)-1,2,5-пентантриол; е) 2-хлор-3-пентин-1-ол;
в) (1Я,2Я)-1,2-циклогександиол; ж) 2-этокси-1-циклопентанол.
г) 1-этинилциклопентанол;
Задача 16.3. Предложите оптимальную схему получения 1-пентанола, применив каждое
из следующих соединений в качестве исходного:
а) 1-пентен; г) 1-пентин;
б) 1-бромпентан; , д) 1-бромбутан.
в) 2-бромпентан.
Задача 16.4. Напишите уравнения реакций с указанием реагентов, необходимых для по-
лучения 1-пропанола по каждому из следующих методов:
а) гидроборирование алкена - окисление;
б) получение с применением реактива Гриньяра (два варианта);
в) восстановление карбоновой кислоты;
г) восстановление метилового эфира карбоновой кислоты;
д) гидрирование альдегида;
е) восстановление альдегида с применением NaBH4.
Задача 16.5. Напишите уравнения реакций с указанием реагентов, необходимых для по-
лучения 2-пентанола по каждому из следующих методов:
а) оксимеркурирование алкена - демеркурирование;
б) получение с применением реактива Гриньяра (два варианта);
в) восстановление кетонов (три метода); '
Задача 16.6. Сделайте заключение о пригодности следующей схемы:
RH Вг2^у„ RBr КОН/НзО» RQH
для получения указанных далее спиртов:
а) 1-пропанола из пропана;
б) mpem-бутилового спирта из изобутана;
в) бензилового спирта из толуола;
г) (5)-1-фенилэтанола из этилбензола.
Задача 16.7. Сорбит - заменитель сахара, который применяют при лечении диабета. Он
является также промежуточным продуктом в синтезе витамина С. Сорбит получают гидри-
рованием глюкозы под высоким давлением над Ni-катализатором.
ОН ОН о
бн бн
Ni
Напишите структурную формулу сорбита.
48
Глава 16. Спирты
Задача 16.8. Напишите уравнения реакций с указанием реагентов, необходимых для по-
лучения 1-фенилэтанола из следующих исходных соединений:
а) бромбензол;
б) бензальдегид;
в) бензиловый спирт;
г) стирол;
д) ацетофенон;
е) бензол.
Задача 16.9. Напишите уравнения реакций с указанием реагентов, необходимых для
получения 2-фенилэтанола из следующих исходных соединений:
а) бромбензол;
б) стирол;
в) фенилацетилен;
г) 2-фенилэтаналь;
д) этил-2-фенилэтаноат;
е) фенилуксусная кислота.
Задача 16.10. Покажите, каким образом каждое из следующих соединений может быть
получено из циклогексанола (и любых необходимых органических или неорганических реа-
гентов):
а) 1-фенилциклогексанол;
б) 1-фенилциклогексен;
д) цис-1-фенил-1,2-циклогександиол;
е) 6-фенил-6-гексанон-1-аль;
в) шранс-2-фенилциклопентанол; ж) 1-фенил-1,6-гександиол.
г) 2-фенил-1-циклогексанон;
Задача 16.11. Напишите структурную формулу продукта, образующегося в реакции
1-пропанола с каждым из следующих реагентов:
a) H2SO4 (кат.) при 140 °C;
б) H2SO4 (кат. ) при 200 °C;
в) HNO3 (в присутствии H2SO4, кат.);
г) C5H5N - CrO3 - НС1 в СН2С12;
д) K2Cr2O7 + H2SO4, t °C;
е) металлический натрий;
ж) амид натрия;
з) СН3СООН + НС1;
и) n-CH3-C6H4-SO2Cl, в присутствии пиридина;
к) С6Н5СОС1, в присутствии пиридина;
л) (С6Н5СО)2О, в присутствии пиридина;
Задача 16.12. Напишите структурную формулу продукта каждой из следующих реакций.
Укажите стереохимию, где это необходимо.
а) СН3
.ОН
H2SO4
С6Н5
,с6н5
В2Н6, диглим, Н2О2/ЭОН
Задачи
49
LiAlHytCaHshO Н2О
Задача 16.13. цис-Изомер З-гексен-1-ола ответствен за запах зеленых листьев и травы.
Применив метод ретросинтетического анализа, предложите схему синтеза этого соединения.
Задача 16.14. Одно из соединений, ответственных за характерный запах помидоров, име-
ет следующее строение:
СН3СН2 ZCH2-C4
^С=С н
н н
Применив метод ретросинтетического анализа, предложите схему синтеза этого соединения.
Задача 16.15. л-Метоксибензилцианид (А) является промежуточным соединением в син-
тезе эстрона - женского полового гормона. Предложите оптимальную схему получения со-
единения А из л-метоксибензальдегида (не более трех стадий).
Задача 16.16. Напишите структурную формулу продукта каждой из следующих реакций.
Укажите конфигурацию продукта реакции б).
а) СН3СН2СН2-С* L--1H4--
NH2
Задача 16.17. Укажите конфигурацию спирта, преимущественно образующегося в каж-
дой из следующих реакций:
50
Глава 16. Спирты
CH3Li
б)
С(СН3)3
LiAlH4
С(СН3)3
CH3Li
Задача 16.18. Напишите структурные формулы продукта каждой из следующих реакций:
а) СН3С(О)СН2СН3 Na/C2H5°H,
б) С2Н5О(О)С(СН2)4С(О)ОС2Н5 ---^Н5°Н.
Задача 16.19. Напишите структурную формулу (с указанием конфигурации) продукта
каждой из следующих реакций:
Na, эфир-вода
Задача 16.20. Покажите, действием каких реагентов можно осуществить следующие пре-
вращения:
Объясните соотношение стереоизомеров, образующихся в этих реакциях.
Задача 16.21. Напишите структурную формулу продукта, преимущественно образующе-
гося в каждой из следующих реакций. Предложите объяснение.
.О
а)
LiAlH4
Задачи
51
Задача 16.22. Напишите структурную формулу продукта, преимущественно образующе-
гося при нагревании каждого из следующих спиртов в кислой среде.
ОН
I
а) (С6Н5)зС-СН-СН(СНз)2 в) (С6Н5)3ССН2СН2ОН
ОН
I
б) (С6Н5)зС-СН—сн3
Задача 16.23. Раствор 2-фенил-2-бутанола в этаноле в присутствии нескольких капель
конц. H2SO4 превращается в эфир:
СН3
с6н5-с—сн2сн3 + СН3СН2ОН
он
(Я)-2-фенил-2-бутанол
СНз
с6н5-с-осн2сн3
СН2СН3
Напишите механизм этого превращения, обратив внимание на стереохимический результат.
Задача 16.24. Покажите, как осуществить следующие превращения:
а) 1-бром-1-метилциклопептан —э циклопентилкарбинол;
б) 1-метилциклопентен —> транс-2-метилциклопентанол;
в) 1-метилциклопентен —> 1-метил-1-циклопентанол.
Задача 16.25. Какие соединения будут получены при кипячении каждого из следующих
эфиров с избытком конц. НВг:
а) метилэтиловый эфир;
б) mpem-бутилэтиловый эфир;
в) тетрагидрофуран;
г) 1,4-диоксан?
Задача 16.26. Предложите схему механизма следующего превращения:
85%-я H2SO4
О,сн3
г
хн3
+ н2о.
Задача 16.27. Покажите, как применить реакцию гидроборирования - окисления для по-
лучения следующих спиртов:
а) 4,4-диметил-1-пентанол; в) 3-фенил-1-пропанол;
б) 1-пентанол; г) транс-2-метилциклогексанол.
52
Глава 16. Спирты
Задача 16.28. Дайте пространственное (трехмерное) изображение продукта превращения
1-метилциклопентана под действием каждого из следующих реагентов:
а) 1. ВН3-ТГФ, 2. СН3СООН; б) 1. ВО3-ТГФ, 2. CH3COOD;
в) 1. ВО3-ТГФ, 2. СН3СООН; г) 1. ВО3-ТГФ, 2. Н2О2, еОН.
Задача 16.29. Покажите, каким образом изобутан можно превратить в следующие соеди-
нения:
а) 2-метил-1-пропен; д) шреш-бутилбромид;
б) изобутилбромид; е) CH3CH(CH3)CH2CN;
в) изобутилиодид; ж) изобутилацетат.
г) изобутанол;
Задача 16.30. Исходя из изобутилового спирта, покажите, каким образом можно полу-
чить каждое из следующих соединений:
а) (СН3)2СН=СН2; в) (CH3)2CHCH2D;
б) (СН3)2СНСН2Вг; г) (CH3)2CDCH2T.
Задача 16.31. Укажите исходные соединения, которые необходимо применить для полу-
чения следующих соединений по реакции оксимеркурирования-демеркурирования:
а) 2-бутанол; в) З-метил-З-гексанол;
б) 1-циклогексилэтанол; г) 1-метилциклогексанол.
Задача 16.32. Завершите следующие превращения (Я)-2-пентанола. Предложите схемы
механизма, объясняющие стереохимический результат:
. SOC12
а) (Я)-2-пентанол ---
б) (Я)-2-пентанол SOC12 + пиридин
Задача 16.33. Завершите реакции циклогексилмагнийбромида с каждым из следующих
соединений:
О
II
а) С2Н5-С—СН3, затем NH4C1, Н2О
б) С3Н7СНО, затем NH4CI, Н3С? ;
в) СН2=О, затем NH4CI, Н2О;
Д
г) Н2С—С(СН3)2 , затем Н3СЯ. 1 ’
Назовите полученные соединения по номенклатуре ИЮПАК.
Задача 16.34. Завершите реакции метилмагнийиодида с каждым из следующих реаген-
тов:
а) СбЩСОСбНз , затем NH4C1, Н2О;
б) СбН5СНО, затем Н3С? ;
О
II
в) С6Н5—С—СН3 , затем NH4C1, Н2О
О
г) Н2С—С(СН3)2 , затем Н3СЯ.
Задачи
53
Задача 16.35. Напишите последовательности реакций, по которым изопропанол можно
превратить в каждое из следующих соединений:
а) (СН3)2СНСН(ОН)СН3; г) (СН3)2СНСН(ОН)СН(СН3)2;
б) (СН3)2СНСН2ОН; д) CH3CHDCH3.
в) (СН3)2СНСН2СН2Вг;
Задача 16.36. Покажите, каким образом 1-бутанол можно превратить в каждое из следу-
ющих соединений:
а) 1-бромбутан; е) 1-пентанол;
б) 1-бутен; е) 1-бутаналь;
в) 2-бутанол; ж) пентановая кислота;
г) бутан; з) дибутиловый эфир (два способа).
д) 1-гексанол; и) 1-пентанол.
Задача 16.37. Покажите, каким образом можно осуществить следующие превращения:
а) С6Н5С=СН -> С6Н5С(О)СН2СН3;
б) С6Н5СОСН2СН3 —> 1-фенил-1-пропанол;
в) С6Н5С=СН —> 2-фенил-1-этанол;
г) З-фенил-1-пропанол —> 5-фенил-1-пентанол;
д) 2-фенил-1-этанол —> 2-метил-5-фенил-2-пентанол;
е) 2-фенил-1-этанол —> 5-фенил-1-пентанол.
Задача 16.38. Покажите, каким образом 1-фенил-2-бутанол может быть получен из
бромбензола и 1-бутена. .
Задача 16.39. Предложите механизм следующей реакции:
Задача 16.40. Завершите следующую реакцию:
/Н
□Р'С(СН3)2ОН
Назовите продукт по номенклатуре ИЮПАК.
Задача 16.41. Завершите следующие реакции:
а) (5)-2-бутанол
SOCI2, пиридин
(С2Н5)2О
Вг
I ®ОН (сода)
в) (Я)-СНз-СН-СООН ------—
54
Глава 16. Спирты
Задача 16.42. Получите цис-4-треш-бутилциклогексанол из шра«с-изомера: ;
ОН
/----у^он ________ /"—-у
(СН3)3С^А—-7 (СНз)зС^------V
Задача 16.43. Соединение С4Н]0О не имеет поглощения в УФ-области. В его ИК-спект-
ре наблюдается широкая полоса поглощения в области 3500-3200 см-1, а в спектре ПМР со-
единения имеются сигналы: 8, 0.91м.д. (дублет, 6Н), 82 1.72 м.д. (мультиплет, 1Н), 83 3.34 м.д.
(дублет, 2Н), 84 4.27 м.д. (синглет, 1Н). Определите строение этого соединения.
Задача 16.44. При взаимодействии соединения А (С5Н]2О) с HI образуется соединение Б
(С5НП1). В спектре ПМР вещества А имеются один синглет (1), два дублета (3 и 6) и два муль-
типлета (1 и 1). (В скобках указаны относительные интенсивности сигналов.) В спектре ПМР
вещества Б наблюдаются синглет (6), триплет (3) и квадруплет (2). Установите строение со-
единений А и Б.
Задача 16.45. В масс-спектре какого из следующих соединений наблюдаются пики с
m/z 55, 87, 111 и 126:
а) 4,7-диметил-1-октанол; . *
б) 2,2,4-триметил-4-гептанол; > .-
в) 2,6-диметил-4-октанол?
16.7. РОЛЬ ЭТАНОЛА В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
По медицинской терминологии, этанол классифицируют как депрессант
центральной нервной системы. Он относится к группе наркотических ве-
ществ. Этанол подавляет активность нервной системы и тем самым помога-
ет расслабиться, снять напряжение, ослабить стресс. Каков же механизм
его биохимического действия?
Нервная система человека состоит из двух частей: центральной нервной
системы (мозг, спинной мозг) и периферической нервной системы.
Основу нервной системы образуют нервные клетки - нейроны, которые
связаны между собой синапсами. Благодаря такому строению нервная
система способна передавать нервные импульсы. Нервный импульс - это
электрический сигнал, который двигается по клетке пока не достигнет
нервного окончания, где под действием электрического сигнала высвобож-
даются молекулы, называемые нейромедиаторами. Они и переносят сиг-
нал (информацию) через синапс, достигая другой нервной клетки.
Один из нейромедиаторов - у-аминомасляная кислота (ГАМК). Она спо-
собна вызывать торможение нервных клеток.
Действие этанола заключается в том, что его молекулы присоединяют-
ся к нервной клетке там, где находится рецептор ГАМК, и усиливают тем
самым действие этого нейромедиатора. Этанол вызывает, таким образом,
торможение нейронной активности и подавление нервной системы. Поэто-
му небольшие количества этанола не противопоказаны человеческому ор-
ганизму. Более того, наш организм и сам способен производить этанол, ко-
торый, кстати, присутствует постоянно в теле человека. Эти количества,
однако,совсем незначительны.
16.7. Роль этанола в организме человека
55
В организме человека действует надежная система поддержания концен-
трации этанола на требуемом уровне. При необходимости фермент алко-
гольдегидрогеназа превращает ацетальдегид в этанол. Кофермент НАДН
(никотинамидадениндинуклеотид) при этом действует как восстановитель,
перенося гидрид-ион из положения 4 на карбонильную группу. Этот про-
цесс энергетически выгоден, поскольку сопровождается ароматизацией ди-
гидропиридинового цикла. Восстановленная форма кофермента НАДН
при этом превращается в окисленную форму НАД®.
Роль фермента в этом взаимодействии заключается в формировании со-
ответствующего реакционного комплекса с обеспечением электрофильно-
го активирования карбонильной группы.
Эта реакция обратима. Когда в организм попадает избыточное количе-
ство этанола, фермент алкогольдегидрогеназа начинает детоксикацию
спирта: этанол окисляется до ацетальдегида с отщеплением гидрид-иона.
Пока количества потребленного этанола невелики, система его перера-
ботки в организме действует исправно. Проблемы начинаются, когда в ор-
ганизме оказывается повышенное содержание этанола. При содержании
этанола в крови, равном 100-300 мг на 100 мл крови, нарушается двигатель-
ная координация и возникает ощущение боли. Эти симптомы сопровожда-
ются потерей равновесия, сбивчивой речью и амнезией. При концентрации,
равной 300-400 мг на 100 мл крови, могут наступить тошнота со рвотой и
потеря сознания. Содержание этанола в крови выше 600 мг ведет к наруше-
нию дыхания, сердечной деятельности и к смерти.
После попадания в желудок этанол быстро всасывается в кровь и рас-
пространяется по всему организму. В желудке этанол вызывает резкое по-
вышение кислотности. Из-за притока крови к поверхности тела на коже по-
является покраснение. В итоге это ведет, однако, не к согреванию организ-
ма, а к потере организмом значительных количеств тепла. Прием спиртных
напитков в холодную погоду с целью согревания не является, таким обра-
зом, лучшим решением.
Печень более других органов страдает от неумеренного потребления ал-
коголя, поскольку именно в печени с участием НАД® подвергается метабо-
лизму его основная масса. При систематическом злоупотреблении алкого-
лем развивается цироз печени.
Быстрое распределение этанола по организму человека облегчает зада-
чу контроля за его содержанием в крови. Решение такой задачи является
56
Глава 16. Спирты
особенно актуальным для повышения безопасности транспорта. Широкое
применение нашли два метода:
- определение концентрации этанола в выдыхаемом воздухе по измене-
нию яркой желто-оранжевой окраски окислителя (К2Сг2О7) до голубовато-
зеленой окраски Сг(Ш);
- ИК-спектрофотометрический анализ крови на содержание этанола.
В большой части стран содержание этанола в крови выше 100 мг на 100
мл крови (0,10%) считается недопустимым для водителей автомобилей.
В заключение необходимо отметить роль, которую никотинаденинди-
нуклеотид (НАД) играет в живых системах. Это один из наиболее важных
коферментов. Он регулирует не только содержание этанола, но и другие
окислительно-восстановительные процессы в организме. Среди важнейших
биохимических процессов, в которых участвует НАД®, можно назвать про-
цесс ферментативного расщепления глюкозы и сопряженное с ним превра-
щение лимонной кислоты, регулирующее клеточное дыхание.
Глава 17.
ФЕНОЛЫ
Соединения, в которых гидроксильная группа связана с ароматическим
ядром, называют фенолами.
Y1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
Тривиальное название «фенол» принято и в номенклатуре ИЮПАК. По
числу гидроксильных групп фенолы классифицируют как одно-, двух-,
трех- и многоатомные фенолы. Ниже приведены примеры названий
(тривиальные названия даны в скобках).
о м фенол о-метилфенол (о-крезол) ОН он JyNO2 2-хлорфенол 1 (о-хлорфенол) NO2 2,4-динитрофенол ОН Ом ОО 1-нафтол 2-нафтол (а-нафтол) (р-нафтол) М 6 СНз Т .м-метилфенол СН3 би-крезол) м-метилфенол (м-крезол) ОН ХОН no2
4-нитро-1 -нафтол
58
Глава 17. Фенолы
1,2-дигидрокси-
бензол
(пирокатехин)
1,3-дигидрокси-
бензол
(резорцин)
ОН он
1,3,5-тригидрокси-
1,4-дигидрокси- бензол
бензол (флороглюцин)
(гидрохинон)
Фенолы сложного строения называют как производные соответствую-
щего простейшего фенола.
17.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Реакция щелочного плавления
Эта реакция лежит в основе одного из наиболее старых промышленных
процессов органического синтеза. Впервые этот процесс был проведен в
Германии еще в 1890 г., но и до настоящего времени применяется в промы-
шленности.
Реакцию щелочного плавления проводят сплавлением Na-солей сульфо-
кислот со щелочью.
C6H5SO3Na - C6H5O°Na® С6Н5ОН.
Na-соль фенол
бензолсульфо-
кислоты
Реакция идет по механизму нуклеофильного ароматического замещения
5д,Аг, т. е. по механизму присоединения-отщепления (см. разд. 14.4.1
и 21.4.3).
Для выделения фенола по окончании процесса щелочной плав обраба-
тывают кислотой. Реакцию щелочного плавления применяют и для полу-
чения многоатомных фенолов и нафтолов.
С ГЛ М.,
ди-№-соль
зьбензол-
дисульфокислоты
ОН
резорцин
17.2. Способы получения
59
Na-соль нафталин-
2-сульфокислоты
SO3Na
2NaOH
300 °C
2-нафтол
Замещение галогена в галогенаренах
В неактивированных галогенаренах галоген замещается на гидроксиль-
ную группу в жестких условиях, в активированных - при более низкой
температуре. Получение фенола из хлорбензола действием разбавленного
раствора щелочи в жестких условиях известно как Дау-процесс (1928 г.), см.
разд. 14.4.
С6Н5С1
хлорбензол
NaOH (5-10%)
350 °С.р’
n-нитро-
хлорбензол
С6Н5ОН + NaCl.
фенол
ОН
+ NaCl.
no2
«-нитро-
фенол
Окисление изопропилбензола (кумольный метод)
Кумольный метод - один из основных промышленных методов произ-
водства фенола. Исходным соединением в этом методе является кумол, ко-
торый получают алкилированием бензола пропиленом. Окисление кумола
проводят кислородом воздуха в присутствии солей кобальта в качестве ка-
тализатора. Реакция имеет радикальный механизм. Поэтому окислению
подвергается а-С-Н-связь с образованием радикала бензильного типа.
60
Глава 17. Фенолы
Конечным продуктом окисления является гидропероксид кумила. Его раз-
лагают под действием разбавленной серной кислоты, получая при этом
фенол и ацетон.
сн3—сн-сн2
Н3РО4
(кумол)
О2 (возд.)
кат.
бензол изопропилбензол
гидропероксид
кумила
+ CH3-C-CH3
о
фенол
ацетон
Преимущество метода определяется тем, что на всех его стадиях не об-
разуются какие-либо побочные продукты, требующие утилизации, а по-
требности конечных продуктов - фенола и ацетона - составляют сотни ты-
сяч тонн. Кумольный метод был разработан в нашей стране Р.Ю. Удрисом,
Б.Д. Кружаловым, М.С. Немцовым и П.Г. Сергеевым в 1949 г.
В аналогичную реакцию вступают и другие алкилбензолы. При этом по-
лучают соответствующие гидропероксиды, которые также разлагаются
минеральной кислотой с образованием фенола. В частности, конечными
продуктами окисления этилбензола по кумольному методу являются фе-
нол и ацетальдегид.
Превращение солей диазония
Нагревание соли арендиазония в разбавленной серной кислоте ведет к ее
гидролизу и замене диазогруппы на гидроксигруппу (см. разд. 24.2.3).
QH5-NH2 йЖУГ (C6H5-N=N1HSO4®
анилин гидросульфат
бензолдиазония
С6Н5ОН + H2SO4 + n2.
фенол
17.3. Физические свойства и строение
61
Реакция является удобным способом получения гидроксиаренов в лабора-
торных условиях.
17.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ
17.3.1. Физические свойства
Простейшие фенолы - высококипящие жидкости или низкоплавкие
твердые соединения. Фенол заметно растворим в воде. Растворимость гомо-
логов фенола ниже, а двух- и трехатомных фенолов - выше. Фенолы - бес-
цветные вещества (за исключением нитрофенолов, имеющих желтый
цвет), однако обычно окрашены за счет примесей продуктов их окисления
кислородом воздуха. Физические свойства некоторых фенолов представле-
ны в табл. 17.1.
Таблица 17.1. Физические свойства фенолов
Соединение Формула Т.пл., °C Т.кип., °C Растворимость в воде, г/100 мл Н2О
Фенол с6н5он 43 182 9,3
2-Метилфенол о-СН3С6Н4ОН 30 191 2,5
З-Метилфенол л<-СН3С6Н4ОН 11 201 2,6
4-Метилфенол и-сн3с6н4он 35,5 201 2,3
2-Хлорфенол о-С1С6Н4ОН 8 176 2,8 -
З-Хлорфенол л<-С1С6Н4ОН 33 214 2,6
4-Хлорфенол п-С1С6Н4ОН 43 220 2,7
2-Нитрофенол O-O2NC6H4OH 45 217 0,2
3-Нитрофенол .m-O2NC6H4OH 96 - 1,4
4-Нитрофенол m-O2NC6H4OH 114 - 1,7
2,4,6-Тринитрофенол (O2N)3C6H2OH 122 - 1,4
17.3.2. Пространственное и электронное строение
Молекула фенола является плоской. Атом кислорода, который фор-
мально в феноле находится в состоянии .?р3-гибридизации, претерпевает
регибридизацию атомных орбиталей в направлении ^-гибридизации. По-
этому угол С-О-Н в фенолах равен 120°, а одна из НЭП атома кислорода
ориентирована перпендикулярно плоскости бензольного цикла и способна
поэтому к эффективному сопряжению с его л-орбиталями. Другая НЭП
кислорода ориентирована в плоскости бензольного кольца и занимает, по
существу, .sp-гибридную орбиталь.
62
Глава 17. Фенолы
2рп-орбиталь
5/Аорбиталь
Поскольку в молекуле фенола орбиталь одной из НЭП атома кислорода
сопряжена с л-орбиталями бензольного кольца, повышенная электронная
плотность наблюдается в его орто- и пара-положениях. Дипольный момент
фенола составляет 1,55 D и направлен в сторону бензольного кольца.
Результаты расчетов по методу МОХ подтверждают наличие эффектив-
ного рл-я-сопряжения. Уровни энергий молекулярных орбиталей фенола
показаны на рис. 17.1.
ВЗМО фенола располагается выше по энергии, чем ВЗМО бензола, и
имеет более высокие значения собственных коэффициентов в орто- и
пара-положениях (см. диаграмму в разд. 17.4.4).
Эффективное сопряжение НЭП атома кислорода с л-орбиталями бен-
зольного кольца оказывает влияние на все реакции фенолов.
Введение гидроксигруппы в углеводород значительно повышает элек-
тронодонорные свойства соединения, в том числе его способность отдавать
электрон. Ниже сравниваются значения первых потенциалов ионизации
бензола и фенола.
Соединение С6Н6 С6Н5ОН
бензол фенол
эВ , 9,24 8,70
Эти значения характеризуют простейшие одноэлектронные реакции
указанных субстратов, протекающие в газовой фазе. В качестве примера
е7= а—2.0290
е6= а-1.0700
е5=«-3 немо
е4= а+0.8270 ВЗМО
е2= а+0
е2= а+1.8090
е1 = а+2.4620
+0,531
коэффициенты ВЗМО
Рис. 17.1. Энергетическая диаграмма молекулярных Jt-орбиталей и коэффициенты ВЗМО
фенола
17.4. Реакции
63
реакций фенолов в жидкой фазе, включающих стадии одноэлектронного
переноса, можно указать реакции электрофильного ароматического заме-
щения (см. разд. 17.4.4) и реакции окисления (см. разд. 17.4.5).
17.4. РЕАКЦИИ
17.4.1. Кислотность
Реакции гидроксильной группы фенолов по сравнению с реакциями
спиртов имеют значительные особенности. В частности, кислотность фено-
лов существенно выше кислотности спиртов и воды.
Соединение с2н5он н2о с6н5он Н2СО3 сн3соон НС1
этанол вода фенол угольная уксусная соляная
кислота кислота кислота
Р* 15,9 15,70 9,98 7,0 4,76 -7,0
Более высокая кислотность фенолов по сравнению с кислотностью
спиртов объясняется резонансной стабилизацией их сопряженных основа-
ний - феноксид-ионов.
резонансный
гибрид
Заместители в бензольном кольце в значительной мере влияют на кис-
лотность фенолов. Электронодонорные группы уменьшают кислотность,
так как затрудняют делокализацию отрицательного заряда в феноксид-
ионе и уменьшают его устойчивость. В /гара-положении электроноакцеп-
торные группы повышают кислотность в большей степени, чем в мета-по-
ложении, так как способствуют делокализации отрицательного заряда в
феноксид-ионе за счет -M-эффекта и увеличивают его устойчивость. Ниже
представлены различные фенолы и значения их рКа.
64
Глава 17. Фенолы
n-крезол n-метокси- .«-крезол
фенол
рКа; 10,26 10,21 10,01
Введение нитрогруппы в /гара-положение повышает кислотность осо-
бенно сильно (почти на три порядка) вследствие эффективной резонансной
стабилизации соответствующего феноксид-иона:
Введение двух и трех нитрогрупп в орто- и «ара-положения приводит к
еще большему повышению кислотности: значение рКа 2,4-динитрофенола
равно 4,03, а значение рКа 2,4,6-тринитрофенола (пикриновая кислота) рав-
но 0,25.
Особого внимания заслуживает ряд кислотности м-галогенфенолов
л-Х-С6Н4-ОН.
X
р*<
F
9,95
С1
9,38
Вг
9,36
I
9,31
17.4. Реакции
65
Несмотря на то, что электроотрицательность галогенов (а следователь-
но, и их - /-эффект) снижается в ряду: F > С1 > Вг > I, кислотность п-гало-
генфенолов уменьшается в обратном направлении - таким образом, что
n-фторфенол имеет наименьшую кислотность. Этот факт объясняется тем,
что атом фтора обладает также и наиболее высоким положительным эф-
фектом сопряжения. +Л/-эффект пара-заместителя дестабилизирует сопря-
женное основание и тем самым снижает кислотность соответствующего
фенола (подробнее о количественном соотношении I- и Л/-эффектов заме-
стителей, присоединенных к бензольному циклу, см. в разд. 20.11).
Заместители в оршо-положении оказывают на кислотные свойства гид-
роксильной группы не только электронное, но и стерическое влияние. Не-
которые opmo-заместители образуют внутримолекулярные водородные
связи с гидроксигруппой. Указанные эффекты могут привести как к увели-
чению, так и к уменьшению кислотности («оршо-эффект»),
17.4.2. Нуклеофильные свойства фенолов
и феноксид-ионов
Повышенная кислотность фенолов по сравнению со спиртами проявля-
ется в способности фенолов образовывать с водными растворами щелочей
и спиртовыми растворами алкоголятов соли, называемые фенолятами.
С6Н5ОН
фенол
NaOH
Н2О
C6H5O®Na® + Н2О,
феноксид
натрия
С6Н5ОН
C2H5OeNa®
(С2Н5ОН)
C6H5O®Na® + С2Н5ОН.
Феноляты щелочных металлов имеют ионное строение, растворимы в
воде. В отличие от фенола феноксид-ион является хорошим нуклеофилом
и основанием, но более слабым, чем гидроксид- и алкоксид-ионы:
рост основности и нуклеофильности
В отличие от карбоновых кислот фенолы как кислоты не реагируют с
карбонатом натрия, однако 2,4-динитрофенол и пикриновая кислота дают
66
Глава 17. Фенолы
феноляты при действии водного раствора соды.
2,4-динитро-
фенол
Na2CO3
(Н2О)
При действии на феноляты кислот, более сильных, чем соответствую-
щий фенол, последний выделяется из соли.
C6H5O°Na® С6Н5ОН + NaCl.
феноксид фенол
натрия
Способность фенолов растворяться в водных растворах щелочей исполь-
зуют для выделения фенолов из смесей с нейтральными или менее кислы-
ми соединениями, а также как качественную реакцию на фенолы.
Большинство фенолов (как и енолов) дают характерное окрашивание с
водным или спиртовым раствором хлорида железа(Ш) FeCl3 вследствие об-
разования комплексных солей железа (цветная качественная реакция на
фенолы). При этом фенол окрашивается в красно-фиолетовый цвет, кре-
зол - в синий, резорцин - в темно-фиолетовый, а салициловая кислота - в
красный цвет.
О-Алкилирование фенолов
Значительное сопряжение НЭП атома кислорода фенола с я-орбиталя-
ми бензольного кольца приводит к понижению основности и нуклеофиль-
ности фенолов по сравнению со спиртами. Фенолы как нуклеофилы не
реагируют даже с самыми реакционноспособными галогеналканами. Про-
стые эфиры фенолов получают по реакции Вильямсона (1852 г.) взаимо-
действием феноксид-иона с галогеналканами, способными вступать в
реакции SN2.
С6Н5ОН C6H5O°Na®
фенол
C2HsBrr
(S;y2)
C6H5OC2H5 + NaBr.
этоксибензол
(фенетол)
17.4. Реакции
67
Как и в других реакциях SN2, в реакции Вильямсона активнее других га-
логеналканов проявляют себя галогенметаны и первичные галогеналканы.
В качестве растворителя в реакции применяют воду, ацетон, диметилфор-
мамид и даже спирт. Реакция с этоксид-ионом не оказывается в этом случае
сколько-нибудь заметным побочным превращением галогеналкана, по-
скольку различие величин кислотности фенола и спирта слишком велико:
С6Н5О® + С2Н5ОН --------- С6Н5ОН + С2Н5ОЭ
Метиловые эфиры фенолов часто получают реакцией фенолов с диме-
тилсульфатом в растворе щелочи. Роль щелочи состоит в превращении фе-
нола в феноксид-ион, который как более сильный нуклеофил легко реаги-
рует с диметилсульфатом по механизму SN2.
ОДОН Sggb ОДОСНз + CH3OSO2O®Na®
фенол метоксибензол
(анизол)
О-Ацилирование фенолов
Фенолы обладают низкой нуклеофильностью и реагируют поэтому
только с активными ацилирующими реагентами - хлорангидридами и анги-
дридами. Алифатические хлорангидриды реагируют особенно активно:’
Z/0 Zz°
С6Н5ОН + R-Сч ------------- R— Сх + НС1.
фенол С1 ОС6Н5
фениловый эфир
карбоновой кислоты
Ароматические хлорангидриды значительно менее реакционноспособ-
ны, чем алифатические. Реакции фенолов с ароматическими хлорангидри-
дами проводят обычно по методу Шоттена-Баумана (1884 г.): к раствору
фенола в щелочи или пиридине прибавляют хлорангидрид и энергично
встряхивают:
/О /О
ОДОН + ОД-< (иТпНнрНИдин5 СбН5-< + NaCl.
фенол Cl OCgHj
бензоилхлорид фенилбензоат
Сложные эфиры уксусной кислоты часто получают реакцией фенолов с
уксусным ангидридом. Реакцию проводят при слабом нагревании в присут-
68
Глава 17. Фенолы
ствии небольшого количества минеральной кислоты (часто H2SO4) в каче-
стве катализатора; реакция протекает с количественным выходом.
/°
С6н5он + фенол СНз-С zo сн3-с. 3 V О н® 40-50 °C' /° сн3-< ос6н5 фенилацетат + СНзСООН. уксусная кислота
уксусный ангидрид
Фенолы практически не вступают в реакцию этерификации карбоновых
кислот, в том числе в присутствии минеральных кислот.
Электрофильное замещение в феноксид-ионе
Как сказано выше, феноксид-ион является высокореакционноспособной
частицей и реагирует даже с самыми слабыми электрофильными реагента-
ми.
Реакция Кбльбе-Шмитта. Синтез фенолкарбоновых кислот
Феноляты натрия и калия взаимодействуют с диоксидом углерода.
Реакции протекают при нагревании и под давлением. В зависимости от тем-
пературы образуются орто- или пара-изомеры фенолкарбоновых кислот
(реакция Кольбе-Шмитта, 1860 г.; 1884 г.).
0®Na® ОН , COO® Na® у |1 _CO2_^ Y' || | 125 °C, p 1 | фенолят натрия 0®K® он с°2 . НС1 1 jj 250 °C, р 1 Н фенолят 1 г. а, калия СОО®К® ОН ,соон на о-гидроксибензойная (салициловая кислота) ОН соон п-гидроксибензойная кислота
17.4. Реакции
69
Причины высокой региоселективности не вполне ясны. В качестве суб-
страта в реакции, вероятнее всего, выступает феноксид-ион, а диоксид уг-
лерода является электрофильным агентом. Реакция в таком случае должна
протекать как процесс S£Ar.
феноксид-
ион
ст-комплекс
салицилат-
ион
Чтобы попытаться понять влияние температуры на результаты карбо-
низации фенолов, следует остановиться на этой схеме более подробно. По-
лагают, что ряд реакций SEAr ароматических субстратов, содержащих эле-
ктронодонорные заместители (и прежде всего заместители, имеющие
НЭП), может включать на одной из предкинетических стадий комплексооб-
разование электрофильного агента по соответствующему атому заместите-
ля, например по атому кислорода (комплекс А).
О
Логично предположить, что такой комплекс по пространственным причи-
нам и при прочих равных условиях легче будет перегруппировываться в
оршо-о-комплекс, нежели в иара-о-комплекс. Возможно, что при низкой
температуре содержание комплекса А достаточно велико, чтобы объяснить
предпочтительное образование о-гидроксибензойной кислоты. При более
высокой температуре комплекс А, вероятно, не столь прочен. Его содержа-
ние недостаточно, чтобы заметно влиять на изомерный состав продуктов
карбонизации. Преобладание и-гидроксибензойной кислоты в этих условиях
может определяться ее большей термодинамической стабильностью.
Салициловую кислоту и ряд ее производных применяют в качестве ле-
карственных препаратов.
^^/ОСОСНз
^^СООСНз
^^СООСбНз
метилсалицилат
ацетилсалициловая
кислота (аспирин)
фенилсалицилат
(салол)
70
Глава 17. Фенолы
Реакцию Кольбе-Шмитта применяют в промышленности также для по-
лучения n-аминосалициловой и гидроксинафтойных кислот. Например,
Na-соль 2-нафтола с диоксидом углерода в отсутствие воды при 120-140 °C
дает 2-гидрокси-1-нафтойную кислоту, а при 220-240 °C - 3-гидрокси-
2-нафтойную кислоту.
соон
2-гидрокси-
1-нафтойная кислота
н3о® со2
120-140 °C
Na-соль
2-нафтола
СО2 Н3О®
220-240 °C
3-гидрокси-
2-нафтойная кислота
ОН
соон
Сочетание с солями диазония. Образование азосоединений
Реакции азосочетания с феноксид-ионами также протекают по механиз-
му электрофильного ароматического замещения и широко применяются в
производстве азокрасителей.
Реакция с феноксид-ионом идет преимущественно в пара-положение;
оршо-изомер образуется лишь в незначительном количестве.
Реакции с формальдегидом
Так же легко протекает реакция феноксид-иона и с формальдегидом. Эта
реакция составляет основу производства фенолоформальдегидных смол.
17.4. Реакции
71
К этим смолам принадлежит и бакелит - один из первых коммерческих
полимерных материалов. к
Реакция Раймера-Тимана
Получение альдегидов бензольного ряда взаимодействием фенолов с
хлороформом в щелочном растворе известно как реакция Раймера-Тимана
(1876 г.). Электрофильным агентом в реакции с феноксид-ионом выступает
дихлоркарбен. Замещение преимущественно идет в орто-положение.
снс13 + ®он :cci3 + н2о
:cci3------ :cci2 + а®
салициловый
альдегид
о®
+ :cci2
дихлор-
феноксид- карбен
ион
72
Глава 17. Фенолы
Реакция идет также с полициклическими углеводородами и гетероаромати-
ческими соединениями.
17.4.3. Замещение гидроксигруппы в нитрофенолах
Связь кислорода с ароматическим атомом углерода обладает высокой
прочностью из-за сопряжения орбитали НЭП кислорода с я-орбиталями
кольца. Фенолы в отличие от спиртов не превращаются в арилгалогениды
при нагревании с концентрированными галогеноводородными кислотами и
при действии галогенидов серы и фосфора. Только фенолы, содержащие
нитрогруппы в орто- и пара-положениях к гидроксильной группе, взаимо-
действуют с РС15.
2,4-динитро-
фенол
2,4-динитро-
хлорбензол
17.4.4. Электрофильное ароматическое замещение
в фенолах
Неионизированная гидроксильная группа является орто,пара-ориентан-
том, значительно активирующим реакции электрофильного замещения в
ароматическом ядре.
резонансные структуры ^-комплекса
(наибольший стабилизирующий эффект оказывает
гидроксониевая структура А)
Вследствие +/И-эффекта гидроксигруппа эффективно стабилизирует
ст-комплекс, промежуточно образующийся в реакциях 5£Аг.
17.4. Реакции
73
Концепция граничных орбиталей также дает надежное объяснение ре-
зультатов реакций фенолов с электрофильными агентами. Повышение
уровня энергии ВЗМО фенола заметно уменьшает энергетическую щель
между ВЗМО фенола как донора в реагирующей системе и НСМО элект-
рофила как акцептора. Такая система может быть отнесена поэтому к
мягким реагирующим системам. В этом случае повышенные значения
собственных коэффициентов ВЗМО в орто- и пара-положениях обуслов-
ливают преимущественную атаку фенола электрофилами именно в эти
положения.
Ниже сравниваются значения собственных коэффициентов ВЗМО фе-
нола в орто-, мета- и пара-положениях.
Г алогенирование
Реакции фенолов с галогенами проводят без катализаторов. В частнос-
ти, в водном растворе фенолы очень быстро реагируют с бромом. Реакцию
не удается остановить на стадии монобромирования, так что при взаимодей-
ствии фенола с бромом образуется 2,4,6-трибромфенол - осадок белого
цвета, а затем - тетрабромпроизводное.
2,4,4,6-тетрабром-
2,5-циклогексадиенон
Реакция применяется для обнаружения фенола в воде: помутнение за-
метно даже при крайне незначительном содержании фенола в воде
(1:100000).
Проводя взаимодействие фенола с хлором и бромом без растворителя
или в низкополярных растворителях при низкой температуре и применяя
эквимольные соотношения реагентов, получают моногалогенфенолы.
74
Глава 17. Фенолы
Нитрование
Фенол при действии концентрированной HNO3 превращается в 2,4,6-три-
нитрофенол (пикриновая кислота). Нитрование сопровождается заметным
окислением, поэтому выход продукта невысок.
избыток
HNO3 (конц.)
2,4,6-тринитрофенол
(пикриновая кислота)
Мононитрофенолы образуются при нитровании фенола разбавленной
HNO3 (при комнатной температуре). Иногда применяют уксусную кислоту
в качестве растворителя.
«-нитрофенол
17.4. Реакции
75
Полученные изомеры легко разделяются. Например, о-нитрофенол
имеет более низкую растворимость в воде, заметно более низкую темпера-
туру кипения и, кроме того, легко перегоняется с водяным паром. Эти свой-
ства о-нитрофенола объясняются сильной внутримолекулярной водород-
ной связью в его молекуле.
Напротив, пара-изомер образует только межмолекулярные водородные
связи, лучше растворяется в воде, имеет более высокую температуру
плавления и не перегоняется с водяным паром.
Сульфирование
Фенол очень легко сульфируется концентрированной H2SO4. При этом в
зависимости от температуры преимущественно получают орто- или
пара-изомер.
h2so4
15-20 аС
о-фенолсульфокислота
(основной продукт, кинетический контроль)
H2SO4
Н2о
п-фенолсульфокислота
(основной продукт, термодинамический контроль)
Влияние температуры на региоселективность сульфирования фенола
объясняется конкуренцией кинетического и термодинамического факторов
аналогично тому, что имеет место при сульфировании нафталина (см.
разд. 11.2). При низкой температуре реакция сульфирования необратима
{кинетический контроль) и сопровождается преимущественным образова-
76
Глава 17. Фенолы
нием орто-изомера. Этому способствует статистический фактор ( в моле-
куле фенола имеется два орто-положения и лишь одно пара-положение), а
также возможная координация сульфирующего агента по гидроксигруппе
(см. выше обсуждение причин изомерного состава продуктов реакции
Кольбе-Шмитта). При высокой температуре реакция сульфирования фено-
ла протекает обратимо с преимущественным образованием более устойчи-
вого пара-изомера {термодинамический контроль).
Фенол-п-сульфокислота. Фенол (200 г; 2,12 моль) нагревают 6-8 ч при 90-100 °C
с 95%-й H2SO4 (200 г). Реакционную массу охлаждают до 70-75 °C, смешивают с водой
(50 мл) и охлаждают до комнатной температуры. Получают свободную фенол-п-сульфо-
кислоту. Выход 268 г (80%).
Алкилирование
Фенолы легко подвергаются алкилированию в ядро. Чаще всего для это-
го применяют спирты или алкены в присутствии минеральных кислот.
ОН
+ 3 (СН3)2С=СН2
метилпропен
фенол
2,4,6-трис0ирет-бутил)фенол
Алкилирование фенолов можно проводить также альдегидами и кетона-
ми в присутствии минеральных кислот. Фенолоформальдегидные смолы,
получение которых выше было рассмотрено с участием феноксид-иона, об-
разуются и в условиях кислотного катализа.
Конденсация фенола с ацетоном в присутствии минеральной кислоты ве-
дет к получению бисфенола А, применяемого в производстве полимеров
(эпоксидных смол).
ОН
О
+ CH3-C-CH3
ацетон
2,2-ди(4'-гидроксифенил)пропан
Ацилирование
Реакции Фриделя-Крафтса в присутствии хлорида алюминия с фенолом
не проводят. Причиной этого служат комплексообразование А1С13 по гид-
17.4. Реакции
77
роксигруппе и потеря каталитической активности катализатора. Тем не ме-
нее имеются примеры С-ацилирования фенола и его производных в присут-
ствии других катализаторов. Например, обработка фенола уксусной кисло-
той в присутствии BF3 дает н-гидроксиацетофенол с выходом, близким к ко-
личественному.
Нагревание фенолов со фталевым ангидридом в присутствии серной
кислоты ведет к получению триарилметановых красителей, называемых
фталеиновыми.
фенолфталеин
(лактонная форма, бесцветна)
Фенолфталеин в водных растворах, имеющих pH < 8,5, бесцветен, по-
скольку находится в лактонной форме. С ростом щелочности выше 9,0 ги-
дроксигруппы ионизируются, а лактонный цикл раскрывается с образова-
нием дианиона, интенсивно окрашенного в красный цвет.
лактон
(бесцветен)
78
Глава 17. Фенолы
дианион
(красного цвета)
Эти свойства фенолфталеина позволяют использовать его в качестве од-
ного из самых надежных индикаторов щелочной среды.
Нитрозирование
Фенол реагирует с азотистой кислотой в присутствии H9SO4 с образова-
нием н-нитрозофенола (орто-изомер образуется лишь в незначительном
количестве). и-Нитрозофенол существует в двух таутомерных формах:
нитрозо- и хинонмонооксимной форме (преимущественно).
л-нитрозофенол
и-бензохинон-
монооксим
Нитрозирование фенола идет как типичная реакция электрофильного
замещения. Электрофил - нитрозилгидросульфат - образуется при взаимо-
действии азотистой и серной кислот и является их смешанным ангидридом:
HNO2 + H2SO4
8® ^8©
HSO3-O-N=O + Н2О
Нитрозилгидросульфат - слабый электрофильный агент и атакует толь-
ко те ароматические соединения, которые активированы сильными элек-
тронодонорными группами: ОН и N(CH3)2. Учитывая недостаточную ак-
тивность электрофильного агента при нитрозировании, фенол при препа-
ративном проведении этой реакции часто заменяют феноксид-ионом.
17.4. Реакции
79
п-Нитрозофенол. К раствору фенола (60 г; 0,64 моль), NaOH (27 г; 0,68 моль) и NaNO2
(54 г; 0,78 моль) в воде (1,5 л) постепенно прибавляют при 7-8 °C смесь конц. H2SO4
(150 г) и воды (400 мл). Через 2 ч продукт отфильтровывают, промывают холодной водой,
растворяют в эфире и обрабатывают активированным углем. Из фильтрата после отгон-
ки эфира получают светло-желтые иглы, т. пл. 125 °C. Выход 55 г (80%).
При окислении и-нитрозофенола образуется и-нитрофенол, а при вос-
становлении - и-аминофенол.
n-аминофенол л-нитрозофенол и-нитрофенол
Перегруппировка Фриса. Получение ацилфенолов
Как уже выше отмечено, реакции алкилирования и ацилирования по
Фриделю-Крафтсу в их традиционном варианте (т. е. в присутствии хлори-
да алюминия) с фенолами не проводят из-за крайне низких выходов целе-
вых продуктов.
Ароматические о- и и-гидроксикетоны легко получить, однако, с помо-
щью перегруппировки, которая проходит при нагревании фенилацилатов в
присутствии значительного избытка А1С13. Эта реакция известна как
перегруппировка Фриса (1908 г.).
ацетофенон
п-гидрокси-
ацетофенон
Перегруппировка, по-видимому, включает отщепление ацилий-иона
ф
СН3~С=О в качестве кинетически независимой частицы, которая далее
атакует ароматическое кольцо фенола как электрофильный агент. Такие
перегруппировки называют межмолекулярными.
80
Глава 17. Фенолы
Перегруппировка Кляйзена
Иной механизм имеет перегруппировка Кляйзена (1912 г.). Она прово-
дится при нагревании аллилфениловых эфиров до 190-220 °C и ведет к по-
лучению о-аллилфенолов. Для реакции применяют высококипящие раство-
рители: дифениловый эфир, тетралин, N.N-диалкиланилины.
Полагают, что реакция имеет синхронный механизм, включающий об-
разование циклического шести-л-электронного переходного состояния.
В пользу такого механизма говорит, в частности, результат перегруппи-
ровки с меченым 14С-аллилфениловым эфиром.
ОН
14
сн2-сн=сн2
Считают, что такое переходное состояние имеет псевдоароматический
характер, поскольку 6 л-электронов в этом состоянии делокализованы в
шестичленном цикле.
Как видим, переходное состояние перегруппировки Кляйзена имеет мно-
го общего с переходным состоянием перициклических реакций (см. разд.
7.4.6). Перегруппировка Кляйзена относится к числу сигматропных
перегруппировок и является внутримолекулярной. В общем случае сигма-
тропная перегруппировка характеризуется переходным состоянием, в кото-
ром ст-связь мигрирует от одного конца сопряженной системы к другому. В
перегруппировке Кляйзена в синхронном процессе ст-связь у атома кисло-
17.4. Реакции
81
рода на одном конце аллильного фрагмента разрывается и образуется на
другом конце у кольцевого атома углерода. Аллильный фрагмент в качест-
ве кинетически независимой частицы при этом не выступает.
Вместе с тем следует иметь в виду, что аллильная группа может мигри-
ровать и в пара-положение по отношению к гидроксигруппе, если оба
орто-положения в исходном эфире фенола заняты. Иногда наблюдается
вытеснение орто-заместителя.
17.4.5. Окисление
Фенолы чувствительны к действию окислителей. Под действием хромо-
вой кислоты фенол и гидрохинон окисляются до п-бензохинона, а пирока-
техин - до о-бензохинона.
л-Дигидроксипроизводные, а также фенолы сложного строения окисля-
ются с образованием сложных смесей в результате димеризации, диспро-
порционирования и других процессов окислительного характера.
а-бензохинон
Несмотря на то, что окисление фенола представляет собой сложный
процесс, состоящий из ряда стадий, первоначально, вероятнее всего, реали-
зуется одноэлектронный перенос.
82
Глава 17. Фенолы
Последующий выброс протона ведет к образованию феноксильного ради-
кала, стабилизированного резонансом. Устойчивость такого радикала еще бо-
лее возрастает при наличии заместителей в орто-положении к атому кисло-
рода. Фенолы, содержащие разветвленные алкильные группы в орто-поло-
жении к группе ОН, применяют в качестве антиоксидантов, стабилизаторов
полимерных материалов. Такие фенолы легко образуют очень устойчивые
(малореакционноспособные) радикалы, вызывая, тем самым обрыв радикаль-
но-цепных окислительных реакций. В качестве примера ниже показано обра-
зование 2,4,6-трис(трет-бутил)феноксильного радикала.
2,4,6-трис(шрет-бутил)фенол устойчивый радикал
17.4.6. Восстановление
Фенолы не восстанавливаются химическими восстановителями, но гид-
рируются водородом над никелевым катализатором в соответствующие
циклогексанолы. В значительных количествах в промышленности гидриро-
ванием фенола получают, в частности, циклогексанол, применяемый в про-
изводстве полимерных материалов, например полиамида«найлон-6,6» (см.
разд. 20.8.6).
зн2
Ni, t°,p
аон
циклогексанол
Основные термины
83
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Фенол С6Н5ОН получают щелочным плавлением натриевой соли бензол сульфокислоты
и окислением кумола. Бесцветные кристаллы, т.пл. 43 °C, растворим в воде и органических
растворителях. Применяют в производстве фенолоформальдегидных смол, е-капролактама,
бисфенола А, нитро- и хлорфенолов. ПДК 5 мг/м3, в водоемах - 0,001 мг/л.
1-Нафтол (1-гидроксинафталин) получают гидролизом 1-нафтиламина и окислением те-
тралина с последующим дегидрированием. Желтоватые кристаллы, т.пл. 96,1 °C, мало рас-
творим в воде, растворяется в органических растворителях и растворах щелочей. Применя-
ют в производстве нафтолсульфокислот и азокрасителей.
2-Нафтол (2-гидроксинафталин) получают щелочным плавлением натриевой соли
2-нафталинсульфокислоты. Бесцветные кристаллы, т.пл. 122 °C, не растворяется в воде,
растворим в органических растворителях и растворах щелочей. Применяют в производстве
нафтолсульфокислот и азокрасителей. Слабо раздражает кожу и слизистые оболочки дыха-
тельных путей и глаз. ПДК 0,1 мг/м3.
Гидрохинон (1,4-дигидроксибензол) С6Н4(ОН)2 получают восстановлением «-бензохино-
на. Бесцветные кристаллы, т.пл. 170 °C, растворяется в воде и органических растворителях.
Применяют в качестве проявителя в фотографии, антиоксиданта жиров и масел, а также ин-
гибитора полимеризации. Раздражает кожу и слизистые оболочки глаз и дыхательных путей.
Резорцин (1,3-дигидроксибензол) С6Н4(ОН)2 получают щелочным плавлением динатри-
евой соли 1,3-бензолдисульфокислоты. Бесцветные кристаллы, т.пл. 111 °C, растворяется в
воде и органических растворителях. Применяют в производстве красителей, резорцинофор-
мальдегидных смол, стабилизаторов и пластификаторов полимеров. Раздражает кожу и сли-
зистые оболочки глаз и дыхательных путей. ’
Пирокатехин (1,2-дигидроксибензол) С6Н4(ОН)2 получают гидролизом о-хлорфенола,
при сухой перегонке лигнина. Бесцветные кристаллы, т.пл. 105 °C, растворяется в воде и ор-
ганических растворителях. Применяют в производстве адреналина, а также как проявитель
в фотографии и краситель для меха. Раздражает кожу и слизистые оболочки дыхательных
путей.
Пирогаллол (1,2,3-тригидроксибензол) С6Н3(ОН)3 получают декарбоксилированием
галловой (3,4,5-тригидроксибензойной) кислоты. Бесцветные кристаллы, т.пл. 132,8 °C, рас-
творяется в воде, этаноле, диэтиловом эфире, ацетоне. Применяют в производстве красите-
лей для меха и волос, в качестве восстановителя в органическом синтезе, проявителя в фо-
тографии, а также как поглотитель кислорода в газоанализаторах.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Вильямсона реакция - получение простых эфиров спиртов и фенолов взаимодействием
алкоксид- или феноксид-иона с галогеналканами в условиях реакции SN2.
Кляйзена перегруппировка - термическая изомеризация аллилфенилового эфира в о-ал-
лилфенол. Перегруппировка имеет циклическое переходное состояние, в котором связи раз-
рываются и образуются синхронно, и относится к числу сигматропных перегруппировок.
Перегруппировка имеет внутримолекулярный характер.
Кольбе-Шмитта реакция - получение фенолкарбоновых кислот взаимодействием фено-
лятов натрия и калия с диоксидом углерода при высокой температуре.
Раймера-Тимана реакция - получение альдегидов бензольного ряда взаимодействием
фенолов с хлороформом в щелочном растворе.
Феноксид-ион - сопряженное основание фенола; резонансная стабилизация феноксид-
иона с участием бензольного цикла является причиной повышенной кислотности фенолов.
Фенолы - соединения, в которых гидроксильная группа связана с ароматическим циклом.
Фриса перегруппировка - перегруппировка фенилового эфира карбоновой кислоты,
протекающая при высокой температуре (140-180 °C) в присутствии избытка хлорида алю-
миния. Перегруппировка имеет межмолекулярный характер.
84
Глава 17. Фенолы
Шоттепа-Баумана реакция - получение фениловых эфиров карбоновых кислот взаимо-
действием фенолов с хлорангидридами карбоновых кислот в водном растворе щелочи или
пиридине.
ЗАДАЧИ
Задача 17,1, Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) о-гидроксибензиловый спирт (салициловый спирт);
б) 4-гидрокси-З-метоксибензальдегид (ванилин);
в) 4-аллил-2-метоксифенол (эвгенол, содержится в гвоздичном масле);
г) 2-изопропил-5-метилфенол (тимол);
д) 3,4,5-тригидроксибензойная кислота (галловая кислота).
Задача 17.2. Назовите следующие соединения по номенклатуре ИЮПАК. Дайте триви-
альные названия.
а)
ОН
(СН3)зС
С(СН3)з
С(СН3)з
ОН
соон
Задача 17.3. Завершите следующие реакции. Назовите исходное вещество и продукты по
номенклатуре ИЮПАК.
С1
NaOH/НгО, /°\ НС1 _
L JI 160 °C - .
no2 „ ...
Задача 17.4. Расположите следующие соединения в порядке повышения кислотности:
а) этиловый спирт;
б) 2,4,6-тринитрофенол;
в) фенол;
г) и-крезол;
д) и-хлорфенол;
е) и-нитрофенол.
Задачи
85
Задача 17.5. Предложите оптимальные схемы получения следующих соединений:
а) фенетол;
б) 2,4,6-трис(трет-бутил)фенол;
в) пикриновая кислота;
г) салициловая кислота;
д) салол;
е) аспирин.
Задача 17.6. Предложите оптимальные схемы получения следующих соединений:
а) анизол;
б) mpem-бутилфениловый эфир;
в) о-аллилфенол;
г)
Вг
Вг
сн2-сн=сн2
Задача 17.7. Завершите следующие реакции. Дайте объяснение результата. Назовите их
продукты.
+ (СН3СО)2О
б)
H2so4r
и
О-С-С6Н5
А1С13
Задача 17.8. Предложите схему получения фенацетина. Укажите структурные формулы
промежуточных соединений и условия реакций.
С2Н5О—2>—NHCOCH3
фенацетин
86
Глава 17. Фенолы
Задача 17.9. В присутствии минеральной кислоты спиропроизводное циклогексадиена
О
с количественным выходом перегруппировывается в производное фенола. Напишите струк-
турную формулу продукта реакции. Предложите механизм.
Задача 17.10. Разложение гидропероксида кумила в присутствии минеральной кислоты
протекает как перегруппировка с промежуточным образованием полукеталя ацетона. Пред-
ложите механизм каждой стадии.
ООН ___ о
С(СН3)2 H?S°4’H^°» Q-OC(CH3)2 ------------► ОН + сн3-с-сн3
ОН ацетон
гидропероксид
кумила полукеталь
Задача 17.11. Завершите следующие реакции:
QOH (CH3)2CHNH2 т,
.и-крезол + эпихлоргидрин----►------► -----------► Ci3H2iNO2.
Напишите структурные формулы промежуточных соединений и продукта реакции.
Задача 17.12. Объясните повышенную реакционную способность феноксид-иона в реак-
циях с электрофильными агентами. Предложите механизм реакций Кольбе-Шмитта и
Раймера-Тимана.
Задача 17.13. Реакции Фриделя-Крафтса в присутствии А1С13 идут с фенолом неудовле-
творительно. Почему? Завершите следующие реакции:
ОН
a) |^j] + СН3СООН - ои О б) Cj + О BF3 H2SO4 f
Предложите механизмы этих реакций.
Задачи
87
Задача 17.14. Напишите структурную формулу продукта реакции тимола со фталевым
ангидридом в присутствии H2SO4 или ZnCl2. Предложите механизм этого взаимодействия.
Задача 17.15. Ортокаин обладает анестезирующим действием. Предложите схему его по-
лучения из бензола. Примените метод ретросинтетического анализа.
Задача 17.16. Ализарин желтый Р является индикатором и изменяет свой цвет с желтого
на красный при росте щелочности среды до pH 11-12. Предложите схему получения этого
индикатора, исходя из бензола. Примените метод ретросинтетического анализа.
соон
Задача 17.17. Завершите следующие превращения и-крезола:
(СН3СО)2О А1С1,
и-крезол -----——- —
Задача 17.18. Для промышленного получения ванилина было разработано несколько
схем. Одна из них основывается на перегруппировке эвгенола в изоэвгенол в присутствии из-
бытка щелочи и окислении изоэвгенола:
КОН О3
° изоэвгенол------
е
ванилин
ОН
сн2-сн=сн2
эвгенол
Напишите структурную формулу изоэвгенола.
Задача 17.19. Соединение С9Н12О с водными растворами щелочей образует соли. В спе-
ктре ПМР этого вещества наблюдаются три синглета: 8] 2,10 м.д., 62 4,13 м.д. и 83 6,60 м.д. с
соотношением интенсивностей 9:1:2. Определите строение соединения.
Задача 17.20. Раствор 4-нитрофеноксид-иона в воде окрашен в желтый цвет (7макс 400 нм,
е 15000). Почему при подкислении раствора его окраска светлеет (Хмакс 320 нм, е 9000)?
88
Глава 17. Фенолы
17.5. ПРИРОДНЫЕ ФЕНОЛЫ -
ЭФФЕКТИВНЫЕ АНТИОКСИДАНТЫ
В разд. 2.11 мы узнали, что химические соединения, способные тормозить
окислительные процессы, называют антиоксидантами. Поскольку реакции
окисления имеют радикальный характер, то под термином «антиоксиданты»
чаще всего понимают ингибиторы радикальных реакций. В разд. 2.10 мы уже
познакомились со структурами некоторых ингибиторов.
В этом разделе основное внимание уделено природным антиоксидантам -
тем многоатомным фенолам, которые в значительных количествах содер-
жатся в пищевых растениях. Попадая в наш организм с пищей, они прояв-
ляют свои ингибирующие свойства в радикальных биохимических процес-
сах. Эта способность фенолов исключительно важна. Как известно, многие
формы онкологических заболеваний инициируются активными свободны-
ми радикалами. Образуя устойчивые, а потому малореакционноспособные
радикалы, многоатомные фенолы обрывают цепи в радикальных реакциях
и тем самым тормозят развитие радикальных реакций, в том числе тех, ко-
торые сопровождают рост злокачественных опухолей.
метилсалицилат
(душистое вещество
хвойных деревьев)
сн2-сн=сн2
^^ОСНз
он
эвгенол
(душистое вещество
гвоздичного масла)
тимол
(душистое вещество
испанского вервенового масла)
Некоторые многоатомные фенолы являются эффективными фармако-
логическими средствами. Террамицин - один из важных представителей те-
трациклиновых антибиотиков. Доксорубицин относится к группе антрацик-
линовых антибиотиков, обладает широким спектром фармакологического
17.5. Природные фенолы - эффективные антиоксиданты
89
действия и является эффективным средством против рака. Резвератрол -
гидроксилированный стильбен - найден во фруктах (виноград) и орехах.
Он также обнаруживает отчетливые противораковые свойства. В опытах in
vitro это соединение ингибирует образование свободных радикалов в клет-
ках, пораженных лейкемией (рак крови), а также мутагенные процессы,
стимулирует хинонредуктазу - фермент, который способствует детоксифи-
кации различных канцерогенов.
Фармакологические (в том числе и антиоксидантные) свойства присущи
и гетероциклическим аналогам фенолов. Среди них несомненный приори-
тет принадлежит кумаринам и флавонам. Например, известно, что
эскулетин обладает бактерицидными свойствами, а эскулин ингибирует
ряд онкологических реакций в организме.
GluO
НО
эскулин
(Glu - фрагмент глюкозы)
Предполагают, что в ряде физиологических реакций биологических сис-
тем гидроксикумарины раскрывают лактонный цикл. Вследствие этого дей-
ствующим началом оказывается производное о-гидроксикоричной кислоты.
Ряд гидроксикумаринов входит в пищевой рацион человека (овощи,
фрукты, зелень). При этом ведущую роль в молекулярных механизмах вза-
имодействия производных кумарина с животным организмом играют анти-
оксидантные свойства этих соединений. В этом отношении кумарины наи-
более близки к витаминам С и Е.
К природным аналогам многоатомных фенолов следует отнести и анто-
цианидины - класс красителей, ответственных за цвета растительного
мира. Три антоцианидина, встречающихся в природе в виде глюкозидов
(называемых антоцианами), имеют особенно широкое распространение.
90
Глава 17. Фенолы
Все три красителя относятся к классу флавонов и являются пирилиевыми
солями.
В некоторых случаях окраска цветка растения определяется значением
pH его физиологического раствора. Например, в зависимости от pH циани-
дин окрашивает как голубые, так и красные цветы.
Антоцианы ответственны за окраску не только цветов, но и плодов.
Именно с плодами они и попадают в наш организм. Желтый и красный пе-
рец, вишня, виноград, апельсины, как и другие яркоокрашенные плоды, со-
держат значительные количества антоцианов.
Производные фенолов помогают человеку не только как пищевые до-
бавки. В качестве эффективных антиоксидантов они нашли применение
для стабилизации при хранении многих пищевых веществ (растительные и
животные масла), моторных масел, нефтяных продуктов.
2-трет-бутил-
4-метоксифенол
2-трет-бутил-
гидрохинон
2,6-ди(трет-бутил)-
4-метилфенол
Эти синтетические антиоксиданты оказались значительно более эффек-
тивными, чем природные а-токоферол и Р-каротин.
Глава 18. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ.
ЦИКЛИЧЕСКИЕ ЭФИРЫ
18.1. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ
Производные углеводородов, в которых атомы водорода замещены на
алкоксигруппу R-О, называют простыми эфирами.
Простые эфиры имеют общую формулу
R-O-R1,
в которой R и R1 - углеводородные радикалы: насыщенные, ненасыщенные
или ароматические. Если оба радикала одинаковы, то эфир называют сим-
метричным', если радикалы разные - эфир называется несимметричным.
Простые эфиры могут иметь и циклическое строение (циклические
эфиры\, в этом случае фрагмент С—О—С входит в состав цикла,
18.1.1. Классификация и номенклатура
Низшие простые эфиры называют по радикало-функциональной номен-
клатуре:
с2н5-о-с2н5 сбн5-о-с6н5 сн3сн2-о-сн=сн2
диэтиловый эфир дифениловый эфир винилэтиловый эфир
сн3—сн-о-сн3
СНз
метилизопропиловый эфир
Простые эфиры сложного строения называют по номенклатуре
ИЮПАК как алкоксиалканы или алкоксиарены:
сн3—сн—СН2СН2СН3
ОСН3
2-метоксипентан
^xy0C2Hs
этоксициклогексан
2-метоксинафталин
92
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
Для некоторых ароматических эфиров часто применяют и тривиальные
названия (даны в скобках):
метоксибензол этоксибензол
(анизол) (фенетол)
18.1.2. Способы получения
Межмолекулярная дегидратация спиртов
По этой реакции с хорошим выходом из первичных спиртов могут быть
получены симметричные простые эфиры (см. разд. 16.4.2).
тт ОЛ
СН3СН2СН2ОН сн3сн2сн2-о-сн2сн2сн3 + н2о
пропанол дипропиловый эфир
В отличие от других вторичных и третичных спиртов изопропиловый
спирт в условиях кислотно-катализируемой конденсации также дает непло-
хой выход диизопропилового эфира.
2(СН3)2СНОН
изопропиловый
спирт
(СН3)2СН-О-СН(СН3)2 + Н2О.
диизопропиловый
эфир
Получение из алкенов
Действием спиртов на алкены в присутствии кислотных катализаторов в
промышленности успешно получают несимметричные простые эфиры (см.
разд. 5.4.1).
н®
сн3—сн=сн2 + сн3сн2он сн3—сн-сн3
пропен этанол q—С2Н3
этилизопропиловый
эфир
Получение по Вильямсону
В лабораторных условиях простые эфиры получают по Вильямсону вза-
имодействием галогенпроизводных, способных вступать в реакции SN2 с
18.1. Простые эфиры
93
алкоксид- и феноксид-ионами (см. разд. 16.4.2). Реакция гладко протекает с
галогенметанами и первичными галогеналканами. В случае вторичных га-
логеналканов реакция Вильямсона может быть осложнена побочной реак-
цией элиминирования.
R— О’. Na + R^-Br —- R~O~R’ + NaBr,
• •
алкоксид галоген- эфир
натрия алкан
. .© ®
С6Н5—о: Na + R^-Br —- С6Н5-О—R' + NaBr,
феноксид галоген- эфир
натрия алкан
где R - первичный, вторичный, третичный или ароматический; R1 - первич-
ный или вторичный.
При применении алкилтозилатов получение простых эфиров проходит
еще более гладко.
С6Н5-0®Na® + R'-OSO2—С6Н4СН3 ---► С6Н5—О—R' + CH3C6H4Sof Na®.
Фенетол. Раствор фенола (19 г; 0,2 моль) в 3 н. растворе NaOH (65 мл) смешивают с
этил-п-толуолсульфонатом (40 г; 0,2 моль) и нагревают при перемешивании на водяной
бане в течение 1 ч. Добавляют 6 н. раствор NaOH (10 мл) и нагревают еще 30 мин. После
охлаждения реакционную массу экстрагируют эфиром. Экстракт промывают разбавлен-
ным раствором NaOH, водой и сушат. Продукт очищают перегонкой, т. кип. 172 °C. Вы-
ход 19,6 г (80%).
18.1.3. Физические свойства и строение
Физические свойства
Простые эфиры являются бесцветными жидкостями (кроме диметило-
вого эфира, который в обычных условиях является газообразным) и имеют
своеобразный запах. Температуры кипения и температуры плавления неко-
торых эфиров даны в табл. 18.1.
Простые эфиры имеют более низкие температуры кипения, чем спирты,
так как в эфирах отсутствуют межмолекулярные водородные связи.
Соединение СН3ОСН3 СН3СН2ОН
Мол. масса 46 46
Т. кип., °C -24 78,5
94
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
Таблица 18.1. Физические свойства эфиров
Соединение Формула Т. пл., °C Т. кип., °C
Диметиловый эфир сн3осн3 -138.5 -24
Диэтиловый эфир сн3сн2осн2сн3 -116,3 34,5
Дипропиловый эфир (СН3СН2СН2)2О -122,0 90,1
Диизопропиловый эфир (СН3)2СНОСН(СН3)2 -60,0 68,5
1,2-Диметоксиэтан СН3ОСН2СН2ОСН3 - 83,0
Диметиловый эфир (СН3ОСН2СН2)2О - 161,0
диэтиленгликоля
Этиленоксид [> -111,7 10,7
Тетрагидрофуран 0° -108,5 65,0
По той же причине простые эфиры (кроме диметилового эфира) плохо
растворимы в воде. В частности, растворимость диэтилового эфира в воде
составляет -10%. Низкая растворимость объясняется образованием сравни-
тельно слабых водородных связей за счет НЭП атома кислорода эфира и
протонов молекулы воды.
СН3СН2
СН3СН2/
н-о-н
Интересно, что тетрагидрофуран, так же как и диэтиловый эфир, явля-
ется широко применяемым растворителем и обладает значительно более
высокой растворимостью в воде. Благодаря циклической структуре моле-
кулы тетрагидрофурана НЭП его атома кислорода более доступны для об-
разования водородных связей по сравнению с НЭП атома кислорода диэти-
лового эфира.
Простые эфиры менее полярны, чем спирты, и имеют меньший диполь-
ный момент (1,2 - 1,3 D).
Строение
В целом, пространственное строение простых эфиров подобно строению
спиртов и воды. Величина валентного угла С-О-С в молекулах эфиров, од-
нако, несколько больше, чем величина валентного угла у атома кислорода
в молекулах спиртов и воды.
,ОХ
СН3 щоСНз
18.1. Простые эфиры
95
Как видно, значение угла С-О-С в эфирах мало отличается от тетраэд-
рического и соответствует ^-гибридизации атома кислорода.
По сравнению со спиртами простые эфиры обладают более высокой ос-
новностью и легче ионизируются. Ниже сравниваются значения первых по-
тенциалов ионизации воды, этанола и диэтилового эфира.
Соединение Н2О С2Н5ОН С2Н5ОС2Н5
I, эВ 12,6 10,6 9,6
18.1.4. Реакции
Простые эфиры отличаются низкой реакционной способностью. Они ус-
тойчивы к действию сильных оснований, восстановителей, окислителей и
разбавленных кислот. В частности, эфиры не вступают в реакции с различ-
ными основаниями: NaOH/H2O, CH3MgI, Na, LiAlH4. Вследствие этого факт
отсутствия реакций с CH3MgI и Na применяют для качественного отличия
простых эфиров от их структурных изомеров - спиртов. Химическая инерт-
ность простых эфиров обусловливает их широкое применение в качестве
растворителей в химических реакциях. Кроме упомянутых выше диэтило-
вого эфира и тетрагидрофурана хорошими растворителями для органичес-
ких реакций являются диоксан, шреш-бутилметиловый эфир, 1,2-диметок-
сиэтан (глим) и бис-[3-метоксидиэтиловый эфир (диглим)
(СН3)3СОСН3
/иреот-бутилметиловый
эфир
СН2ОСН9СН9ОСН3 СН3ОСН9СН9ОСН9СН9ОСЩ
1,2-диметоксиэтан бис-Р-метокси диэтиловый эфир
Несмотря на химическую инертность, простые эфиры характеризуются,
по крайней мере, двумя реакционными центрами:
1) НЭП атома кислорода, которые определяют основность и нуклео-
фильность эфира;
2) полярными связями С-О, разрыв одной из которых приводит к рас-
щеплению простого эфира.
Конечно, в случае арилалкиловых простых эфиров следует иметь в виду
возможность их реакций по бензольному кольцу. С этими эфирами гладко
протекают типичные реакции электрофильного ароматического замеще-
ния, в частности реакции бромирования и нитрования.
ОСН3 ОСН3
+ Вг, СН»С00Н- [^J] + НВг.
Вт
96
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
4-Броманизол. В охлажденный раствор анизола (200 г; 1,86 моль) в ледяной уксусной I
кислоте (750 мл) при перемешивании пропускают воздух, насыщаемый в отдельной колбе
парами брома (310 г; 1,94 моль). Бледно-желтый раствор выливают в воду (4 л). Продукт
отделяют и очищают перегонкой, т. кип. 120 °C (12 мм рт. ст.). Выход 289 г (83%). i
Основность
Простые эфиры являются довольно слабыми основаниями и плохими
нуклеофилами. Например, сила сопряженной кислоты диэтилового эфира
оценивается величиной р^а(вн®)’ Равн°й -3,6.
Тем не менее с сильными кислотами Брёнстеда и Льюиса в безводной
среде простые эфиры реагируют как основания с образованием солей диал-
килгидроксония или донорно-акцепторных комплексов.
С2Н5-О-С2Н5 + НС1(газ) =
диэтиловый эфир
©
с2н5-о-С2Н5 С1°
Н
хлорид диэтилгидроксония
С2Н5-О-С2Н5 + BF3 (C2H5)2O-BF3
диэтиловый эфир эфират трехфтористого бора
Способность простых эфиров растворяться в концентрирдванной H2SO4
при 0 °C применяется для их отделения от алканов и галогеналканов.
С2Н5-О-С2Н5 + Н28О4(конц.) »=
диэтиловый эфир
С2Н5—О-С2Н5 HSO4
н
гидросульфат
диэтилгидроксония
Простые эфиры образуют комплексы также со многими металло-
органическими соединениями, в том числе с реактивами Гриньяра (см.
разд. 15.1.3).
.. *р(С2Н5)2
2(С2Н5)2О: + CH3MgBr CH3MgBr
диэтиловый метилмагнийбромид :О(С2Н3)2
эфир
Расщепление
При действии иодоводородной кислоты или раствора бромоводорода в
уксусной кислоте при нагревании простые эфиры расщепляются. Реакция
ведет к образованию смеси спиртов и алкилиодидов.
18.1. Простые эфиры
97
R-O-R' + HI =₽*= R-OH + R—I + R—I + R'~OH R—I + R—I
эфир спирт алкил- алкил- спирт алкилиодиды
иодид иодид
На первой стадии образуется иодид диалкилгидроксония. Это приводит к
увеличению полярности связей С-О и облегчению гетеролитического раз-
рыва одной из них с образованием хорошей уходящей группы - молекулы
спирта. В общем случае возможен разрыв любой из связей С-О, что ведет
к образованию указанной сложной смеси. Преимущественное направление
и механизм реакции расщепления зависят от строения алкильных групп. Ре-
акции расщепления эфиров, содержащих первичные и вторичные алкиль-
ные группы, протекают по реакции SN2 и включают следующие стадии.
Стадия 1 — образование иодида диалкилгидроксония:
* ® г п
СН3СН2СН2-О-СН3 ==^
° 4 J быстро
сн3сн2сн2-о-сн3
н
Стадия 2 - наиболее медленная стадия реакции, в которой иодид-ион ата-
кует пространственно наиболее доступную алкильную группу:
©
сн3сн2сн2—о-сн3
н
медленно
8©
СН3СН2СН^—O--C--I
НН.
—- СН3СН2СН2ОН + СН—I.
Простые эфиры, содержащие третичную алкильную группу, расщепляют-
ся преимущественно по механизму 5д,1.
Стадия 1 - протонирование эфира:
СН' Г ' :<ГНз® 1..е
СНз-С-о-сн2сн, [СНз-c—о-сн,сн, :к
СНз СНз н
Стадия 2 - медленная стадия ионизации диалкилгидроксония с образова-
нием устойчивого третичного карбкатиона:
СН3
снз-с—о-сн2снз ] :к°
СН3 н
СН3 СНз '
—- СН3—Сч + СН3СН2ОН + I® бЬ1С'|ро- СН3—С—I
СНз СН3
98
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
Расщепление эфира может протекать и одновременно по двум механиз-
мам - 5д,1 и 5д,2, что приводит к смеси двух алкилиодидов и двух спиртов.
При проведении реакции в избытке иодоводородной кислоты спирты пре-
вращаются в алкилиодиды. Этот способ расщепления применяется для оп-
ределения строения простых эфиров.
Расщепление арилалкиловых эфиров всегда протекает только по связи
О-Alk с образованием алкилиодида и фенола.
О-С2Н5
фенетол
HI
(СЩСООН)
фенол
Окисление кислородом воздуха. Пероксиды
Простые эфиры на свету медленно окисляются кислородом воздуха с об-
разованием гидропероксидов, которые со временем превращаются в поли-
мерные пероксиды (автоокисление).
Оэ
СН3СН2—О-СН2СН3 СН3СН2—О-СН-СНз —-
диэтиловый эфир О—О—Н
гидропероксид диэтилового эфира
полимерный пероксид.
Гидропероксиды и пероксиды неустойчивы, легко взрываются. Тестом
на наличие пероксидов является обработка пробы эфира водным раство-
ром KI. Появление характерного коричневого окрашивания (а в присутст-
вии крахмала окраска имеет интенсивно синий цвет) указывает на присут-
ствие пероксидов. Поэтому перед применением эфиров в реакциях, в том
числе в качестве растворителей, их очищают от указанных примесей. В слу-
чае умеренного содержания пероксидов в эфире его энергично встряхива-
ют с алюмогидридом лития или с водным раствором сульфата железа(П).
При этом пероксиды разрушаются, а эфир становится пригодным для пере-
гонки.
18.2. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ЭФИРЫ
18.2.1. Классификация и номенклатура
Циклические эфиры являются представителями гетероциклических со-
единений. В циклических эфирах один или более атомов кислорода входят
18.2. Циклические эфиры
в состав цикла. Циклические эфиры различаются величиной циклов и чис-
лом атомов кислорода в цикле.
По номенклатуре ИЮПАК названия циклических эфиров образуют не-
сколькими способами. По универсальному способу за основу названия цик-
лического эфира принимают название соответствующего циклоалкана, до-
бавляя к нему префикс окса-.
оксациклопропан оксациклобутан оксациклопентан 1,4-диоксациклогексан
Основу названия трехчленного циклического эфира с одним атомом кис-
лорода в цикле составляет наименование углеводорода. Наличие кислород-
ного мостика обозначают префиксом эпокси-. Название такого эфира мо-
жет быть образовано и как производное оксирана.
Названия по радикало-функциональной номенклатуре образуют как на-
звания оксидов соответствующих алкенов; их примеры даны в скобках.
сн2-сн2
оксиран,
эпоксиэтан
(этиленоксид)
А
сн3—сн-сн2
метилоксиран,
эпоксипропан
(пропиленоксид)
с6н5—СН-СН2
фенилоксиран,
эпоксистирол
(оксид стирола)
Кроме того, трехчленные циклические эфиры часто называют
эпоксидами.
Ниже даны примеры названий циклических эфиров с большим размером
цикла.
оксетан
Краун-эфирами называют макроциклические полиэфиры с четырьмя .
более кислородными атомами в цикле. Большинство из них получают из
этиленгликоля. В названиях краун-эфиров цифра в квадратных скобках
указывает число атомов в макроцикле, а вторая цифра - число атомов кис-
лорода.
100
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
18.2.2. Оксираны
Способы получения
Циклизация Р-галогеноспиртов
В присутствии оснований Р-галогеноспирты претерпевают внутримоле-
кулярное алкилирование. По существу, при этом протекает внутримолеку-
лярная реакция Вильямсона.
СН2 СН2 н2О(изб.)
этилен
СН2-СН2
ОН С1
NaOH, Н2О
СН2-СН2 + NaCl.
\ /
О
этиленхлоргидрин
этиленоксид
Механизм этой реакции заключается в том, что на первом этапе основа-
ние превращает галогеноспирт в алкоксид-ион, в котором отрицательноза-
ряженный атом кислорода как нуклеофил внутримолекулярно атакует
атом углерода, связанный с хлором, по типу реакции SN2.
Cl
сн2-сн2
ОН
/С!
NaOH _ г Ч , т®
== |cH-CH2|Na
:о:—
этиленхлоргидрин
СН2-СН2 + NaCl.
У
этиленоксид
Реакция протекает стереоспецифично.
о он
н"7\"н
СНз СНз
0он
транс-2,3-диметил-
оксиран
цис-2,3-диметил-
оксиран
(25,3/?)-3-хлорбутанол
Стереоспецифичность реакции обусловлена тем, что при ее протекании
вступающая группа 0е и уходящая группа С1е должны находиться в анти-
перипланарной ориентации.
а он
н”7\‘"н
СНз СН3
эон г
-Н2О
(реакция Spj2
невозможна)
С1
РН3
Н''Т\5*е
СНз^О°
(реакция Spj2
возможна)
18.2. Циклические эфиры
101
Эпоксидированию легко подвергаются и циклические алкены. При об-
работке циклогексена, например, хлорноватистой кислотой НОС1 сначала
получают хлоргидрин, а далее с выходом до 70% его циклизуют до цикло-
гексеноксида.
циклогексен
НаОН(водн.)
циклогексен-
хлоргидрин
циклогексеноксид
Окисление алкенов
Окисление алкенов гидропероксидами карбоновых кислот (надкислотами)
известно как реакция Прилежаева (1909 г.).
r-ch=ch2 + С6н5—сС ----------------~ R—сн-сн2 + СбН5-сС
алкен О?ОН ОН
пероксибензойная алкеноксид бензойная
кислота кислота
Это одностадийная реакция. Обе С-О-связи в ходе этой реакции образуют-
ся одновременно, обеспечивая стереоспецифичность формирования цикла.
сн-с
II
/С
ая
цис-2,3-диметилоксиран
(цис-2,3-эпоксибутан)
цис-2-бутен
СН3^с/Н
н
/С,
н СНз
+ RCOOOH
+ RCOOH.
транс-2,3-диметилоксиран
(транс-2,3-эпоксибутан)
транс-2-бутен
Каталитическое окисление этилена кислородом воздуха
Окислением этилена кислородом воздуха в присутствии серебра в про-
мышленности получают этиленоксид.
102
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
СН2=СН2 + О2(возд.) -25^ СН^СНг
этилен о
этиленоксид
Другие эпоксиды этим методом не получают.
Строение этиленоксида
Эпоксидный цикл представляет собой правильный треугольник с валент-
ными углами, равными 60°, и характеризуется значительным угловым
напряжением. Величина этого напряжения оценивается энергией в
105 кДж/моль (25 ккал/моль).
Эпоксиды являются более полярными соединениями, чем простые эфи-
ры. Дипольный момент этиленоксида составляет значительную величину
(1,88 D), что связано с полярностью связей С-О и небольшим углом
С-О-С. Как и простые эфиры, эпоксиды характеризуются двумя реакцион-
ными центрами:
1) НЭП атома кислорода;
2) двумя полярными С-О-связями, разрыв одной из которых приводит к
раскрытию эпоксидного цикла.
В общем, реакции эпоксидов аналогичны реакциям простых диалкило-
вых эфиров. Различие заключается в значительно более высокой реакци-
онной способности эпоксидов, обусловленной напряжением трехчленного
цикла.
Реакции
При действии на оксираны нуклеофильных реагентов протекают реак-
ции с раскрытием эпоксидного цикла.
Реакции со слабыми нуклеофилами
Реакции оксиранов со слабыми нуклеофилами - водой и спиртами - лег-
ко протекают в присутствии кислотных катализаторов (H2SO4, Н3РО4).
18.2. Циклические эфиры
103
СНг^СНг
О
Н2О СН2-СН2 I I
H2SO4’ этиленгликоль
СН3ОНг он он сн2-сн2 он осн3 метилцеллозольв (метиловый эфир этиленгликоля)
H2SO4 ’
Механизм раскрытия эпоксидного цикла зависит от строения оксирана.
С этиленоксидом и моноалкилэтиленоксидами реакция идет по механизму
Sn2 и включает следующие стадии.
Стадия 1 - протонирование оксирана:
HOSO3H
r-ch-ch2
:о:
r—сн-сн2
ю®
)
н
OSO3H
Стадия 2 - медленная нуклеофильная атака на менее замещенный атом
углерода оксирана, завершающаяся быстрым депротонированием продукта:
Н^®^Н
О
I
R— СН-СН2
ОН
ОН
I ©
R—СН—СН2 + Н
ОН
Н^©^СН3
О
I
R— СН~СН2 -
ОН
ОСН3
I ©
R—СН-СН2 + Н
он
Стереохимически реакция протекает как обращение у реакционного
центра. Например, циклогексеноксид реагирует с водной кислотой с обра-
зованием только транс- 1,2-циклогександиола. > t
циклогексеноксид
н®, н2о
трансЛ ,2-циклогександиол
104
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
По механизму 5д,1 реагируют преимущественно те эпоксиды, оксони-
евые соли которых имеют возможность расщепляться с образованием ус-
тойчивого карбкатиона. Так раскрывается, например, цикл изобутиленок-
сида.
Стадия 1 - протонирование эпоксида:
ИГ
?с-сн2
СНз :о®
Стадия 2 - раскрытие эпоксидного цикла с образованием устойчивого
карбкатиона:
СН
сн
>С-СН2
3 (%
СНз-х®
>с*-сн2
СН3^ I 2
:он
Стадия 3 - атака карбкатиона нуклеофилом и последующее депротониро-
вание продукта:
/С-СН2 + СН3ОН
СН3^ I
ОН
о: осн3
I СНзОН I Л ®
сн3—с-сн2 сн3—с-сн2 + СН3ОН2
Н3С он Н3С он
Реакции с сильными нуклеофильными реагентами
Такие реакции оксиранов легко протекают по механизму SN2 и в отсут-
ствие катализаторов.
18.2. Циклические эфиры
105
сн2-сн2
C2H5d:°Na®
С2Н5ОН
медленно
NaOH
Н2О
NH3
медленно
I С2Н5ОН о
сн2—сн2 - ....СН2-СН2 + С2Н5О°
I© I I
:о: он ос2н5
моноэтиловый эфир
этиленгликоля
он
I Н2О Q
СН2—сн2 « - сн2—сн2 + он
I© II
:о: он он
• •
этиленгликоль
©
NH3
сн2—сн2 сн2—сн2
Io I I
:о: он nh2
этаноламин
CH3NH2
медленно
nh2ch3
сн- сн2 =₽= сн—сн2
I© I
:о: он nhch3
N-метилэтаноламин
5е 5®
СН—Mgl
СН3
сн—сн2
OMgl
н2о
СН-СН2СН3 + Mgl(OH)
н I
он
пропанол
В соответствии с механизмом SN2 в случае эпоксидов сложного строения
сильный нуклеофил атакует наименее алкилированный (менее экраниро-
ванный) атом углерода эпоксидного цикла.
' CH3O:®Na®
СН3 СН-СН2 (сн3он)
О
ОСН3
сн3—сн-сн2
. I©
:о:
хт ©
Na
(СН3ОН)
метилоксиран
ОСН3
СН—СН-СН2 + CH3O°Na®
ОН
2-гидрокси-1-метоксипропан
106
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
СН3\ / (CH3)2NH
/С ,сн?
снз V
2,2-диметилоксиран
©
Н3С NH(CH3)2 Н3С N(CH3)2
сн— с-сн2 —* сн—с-сн2
I© I
:о: он
• •
1-диметиламино-
2-метил-2-пропанол
18.2.3. Краун-эфиры
Краун-эфиры получают дегидратацией этиленгликоля или реакцией
а,(D-диола с а,со-дихлоридом в присутствии основания.
6СН-СН2 Тбй-
он он
Наиболее важным свойством краун-эфиров является их способность
образовывать комплексы с ионами металлов, причем различные краун-
эфиры образуют комплексы с различными ионами.
Возможность комплексообразования с тем или иным ионом определяет-
ся размером цикла краун-эфира. Краун-эфир высокоизбирательно вступа-
ет в комплексообразование с ионом металла, соответствующим своими раз-
мерами размеру внутренней полости молекулы данного эфира. Например,
[18]-краун-6 имеет размер внутренней полости (d ~ 2,6-3,2 А), пригодный
для катиона калия ((/иона ~2,7 А).
Вследствие такого комплексообразования иона калия его гидроксид, а
также различные соли (например, перманганат калия) приобретают рас-
творимость в неполярных органических растворителях, в том числе и в бен-
золе. В чистом бензоле как гидроксид калия, так и неорганические соли ка-
лия нерастворимы.
18.3. Спектроскопический анализ эфиров
107
Уникальная способность иона калия к комплексообразованию с
[18]-краун-6 лежит в основе схемы его синтеза. Например, по одной из схем
синтеза [18]-краун-6 получают взаимодействием триэтиленгликоля и соот-
ветствующего дихлорида в присутствии КОН.
Как правило, макроциклы получают при высоком разбавлении реакци-
онной смеси. Этого не требует показанная выше реакция, поскольку синтез
[18]-краун-6 проводят в присутствии иона калия. Последний ориентирует
реагирующие концевые функции двух цепей вблизи друг друга и обеспечи-
вает тем самым их эффективное взаимодействие. Эта реакция представля-
ет собой пример темплатного синтеза и может рассматриваться как
простейший пример молекулярного узнавания (подробнее об этом см. в
разд. 28.3).
Химия краун-эфиров развивается в течение последних 30 лет. Получены
многочисленные другие краун-эфиры и их аналоги, различающиеся в том
числе и размерами цикла. Оказалось, что диаметр внутренней полости
[15]-краун-5 (1,7-2,2 А) соответствует диаметру иона натрия Na® (1,8 А), а
диаметр [12]-краун-4 (1,2-1,5 А) соответствует диаметру иона лития (1,2 А).
Указанные краун-эфиры также применяют для улучшения растворимости
соответствующих неорганических солей в органических растворителях, в
качестве межфазных катализаторов, экстрагентов и т. д.
18.3. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФИРОВ
ИК-спектры. В ИК-спектрах, в области 1070-1150 см-1, простые эфиры
имеют интенсивную (и весьма широкую) полосу поглощения. Например, в
спектре дипропилового эфира эта полоса наблюдается при 1120 см-1.
ПМР-спектры. В спектре ПМР химический сдвиг протона, находящего-
ся во фрагменте
Н-С-О-С, :
практически не отличается от химического сдвига аналогичного протона в
молекуле спирта и наблюдается при 5 3,3-4,0 м.д. По мере удаления от ато-
ма кислорода сигналы СН-протонов смещаются в сильное поле.
108
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
।----5 1,5 м.д.-1
сн3—сн2—сн2—о-сн2—сн2—сн3
t L_ _J t
5 0,9 м.д. 5 3,4 м.д. 8 0,9 м.д.
Масс-спектры. В масс-спектрах простых эфиров интенсивность пика мо-
лекулярного иона незначительна. При а-разрыве С-О-связи молекулярного
иона наблюдаются малоинтенсивные пики алкильных фрагментов R] и R2,
которые расщепляются далее по типу алканов с образованием осколочных
ионов m/z 29 (С2Н|), 43 (С3Н^), 57 (С4Н|) и т. д.
.©
r-o-r2
Р* rT + :or2
L- r® + :pR]
Наиболее интенсивные пики в масс-спектрах простых эфиров образуют-
ся при ft-распаде молекулярного иона, причем в виде радикала легче отщеп-
ляется наиболее объемистая группа. Например, в масс-спектре этил-втор-
бутилового эфира наиболее интенсивные пики m/z 73 и m/z 87 соответству-
ют отщеплению соответственно этильного и метильного радикалов от
молекулярного иона.
.©
сн3сн2о-сн— СН2СН3
СН3
m/z 102
© ’ . © ’
СН3СН2О=СНСН3 + сн2сн3 сн3сн2р=снсн2сн3 + сн3
m/z 73 , ‘ m/z 87 •
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Диэтиловый эфир (этиловый эфир, серный эфир) С2Н5ОС2Н5 получают дегидратацией
этанола. Бесцветная высоколетучая жидкость, т.кип. 34,5 °C, растворим в органических рас-
творителях и воде (6,5% при 20 °C). Применяют в качестве растворителя нитратов целлюло-
зы и жиров, а также в качестве экстрагента ионов редких металлов. Наркотическое средст-
во, ПДК 300 мг/м3. Огнеопасен, т. самовоспл. 180 °C.
I---1
Этиленоксид СН2ОСН2 получают окислением этилена и щелочной обработкой этилен-
хлоргидрина. Бесцветный газ, т.кип. 10,7 °C. Применяют в органическом синтезе для полу-
чения мономеров (акрилонитрил), ценных растворителей и ПАВ.
Целлозольвы (моноэфиры этиленгликоля) ROCH2CH2OH получают взаимодействием
этиленоксида со спиртами. Бесцветные жидкости, растворимы в воде и органических рас-
Задачи
109
творителях. Применяют в качестве растворителей эфиров целлюлозы и в синтезе пластифи-
каторов.
Диглим (диметиловый эфир диэтиленгликоля) СН3ОСН2СН2ОСН2СН2ОСН3 получают
из метилцеллозольва и этиленоксида. Бесцветная вязкая жидкость, мало растворима в воде,
растворяется в органических растворителях. Применяют в качестве растворителя, экстра-
гента ионов редких металлов.
Тетрагидрофуран (оксолан) (СН2)4О получают гидрированием фурана при 80-140 °C.
Бесцветная жидкость, т.кип. 65,6-65,8 °C, смешивается с водой и органическими растворите-
лями. Применяется в производстве у-бутиролактона, а также в качестве растворителя в про-
цессах органического синтеза и для полимерных материалов (поливинилхлорида и винил-
хлорида). Т. самовоспл. 250 °C.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
виц - приставка, показывающая, что заместители находятся при соседних атомах углеро-
да; например, 1,2-циклогександиол - это виц-диол.
гем - приставка, показывающая, что заместители находятся у одного и того же атома уг-
лерода; например, 1,1-дихлорэтан - это ге.и-дихлорид.
Краун-эфир - макроцикл с несколькими атомами кислорода; например, [12]-краун-4;
[15]-краун-5; [18]-краун-6.
Пероксид - соединение, содержащее связь О-О.
Эпоксид - оксид алкена, оксиран - трехчленное гетероциклическое соединение с атомом
кислорода в цикле.
ЗАДАЧИ
Задача 18.1. Назовите следующие соединения по радикало-функциональной номенклатуре:
а) (СНз)з<^О-СН2С(СН3)3
6) С6Н5-О-СН(СНз)2
в) с6н5сн2-о-сн—сн=сн2
Г)
д) С6Н5-О-С(СНз)з 4
Задача 18.2. Предложите подходящие схемы получения эфиров, перечисленных в задаче
18.1. Примените реакцию Вильямсона.
Задача 18.3. Назовите по номенклатуре ИЮПАК следующие соединения. Где необходи-
мо, определите хиральность.
но
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
Задача 18.4. Предложите оптимальный способ получения каждого из следующих эфи-
ров. Примените реакцию Вильмсона.
а) (СНз)зС-О-СНз
г) (СН2=СН-СН2)2О
б) СбН5-о-СН2СН3
д) (СН3)2СН-О-СНСН2СН3
сн3
в) СН2=СН-СН2-О-СН(СН3)2
О. о
<-6Н5
Задача 18.5. Завершите следующие реакции: ,;
а) (С3Н7)2О + BF3 —>
б) 2(С3Н7)2О + CH3MgBr->
в) (С3Н7)2О + НС1->
Задача 18.6. Завершите следующие реакции. Если они обратимы, покажите, в какую сто-
рону сдвинуто равновесие.
а) (С2Н5)2О + НС1
б) (CF3)2O + НС1 -----
в) (С2Н5)2О + НВг .
Задача 18.7. Завершите следующие реакции. Предложите схему механизма каждой из
них.
•ОСН3
+ НВг
•ОС(СН3)3
+ НВг
Задача 18.8. Нагревание аллилфенилового эфира при высокой температуре ведет к пе-
регруппировке Кляйзена. Предложите механизм этой перегруппировки, который объясняет
строение продукта реакции.
Задача 18.9. Завершите следующие реакции. Предскажите стереохимический результат
каждой из них.
а) СН3СН2СНСН3
ОН
(Я)-2-бутанол
б) СН3СН2СНСН3
ОН
n-CH3C6H4SO2Cl, С2Н5ОН
пиридин К2СО3
(5)-2-бутанол
Задачи
111
Задача 18.10. Завершите реакцию. Предложите ее механизм.
NaOH, Н2О
асн — сн2-сн2—СН2ОН--------
Задача 18.11. Завершите следующие реакции. Объясните результат каждой из них.
NaOH, Н2О
ОН
NaOH, Н2О
ОН
Задача 18.12. Завершите следующие реакции. Назовите конечные продукты по номенк-
латуре ИЮПАК и радикало-функциональной номенклатуре.
(СН3)2С?=СН2 + С2Н5ОН
2(СН3)2СНОН -J30OC-
С3Н7ОН + (С2Н5)зО®ВР°
Задача 18.13. Завершите реакцию. Дайте трехмерное изображение продукта. Назовите
его по номенклатуре ИЮПАК, указав конфигурацию.
(25,3/?)-2-гидрокси-3-хлорбутан ^Н».
Задача 18.14. Завершите реакцию. Дайте трехмерное изображение ее продукта. Назови-
те его по номенклатуре ИЮПАК. Укажите конфигурацию.
(2/?,3/?)-2-гидрокси-3-хлорбутан
Задача 18.15. Завершите следующие реакции. Дайте трехмерное изображение продукта
каждой из них. Назовите продукты. Укажите конфигурацию.
а) (Е)-2-бутен + С6Н5СОООН-------
б) (7)-2-бутен + С6Н5СОООН-------
Задача 18.16. Завершите следующие реакции. Назовите продукт каждой из них по номен-
клатуре ИЮПАК.
а) + Н2О
СН3
6) + С2Н5ОН
СН3 и
112
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
в) \Q/ + NH3 -►
г) \Q/ + CH3MgI --
Задача 18.17. Завершите следующие реакции. Назовите продукт каждой из них по номен-
клатуре ИЮПАК.
СН3
а) „ + С2Н5О®Ца®
СН1 О z (этанол)
СПз :
б) + NH3 —
СНз
в) + cfiH5MgBr -------------
СНз и
Задача 18.18. Предложите оптимальные пути следующих превращений:
Рис. 18.1. Масс-спектр эфира
(к задаче 18.21)
18.4. Макролиды. Транспорт ионов через клеточные мембраны
113
(к задаче 18.21)
Задача 18.19. При обработке 3,3,5-триметил-1-метиленциклогексана: 1) 3-хлорперокси-
бензойной кислотой или 2) Вг2 + Н2О, затем КОН + Н2О получают два различных эпоксида.
Изобразите их структуры. Дайте объяснение.
Задача 18.20. В спектре ПМР соединения С4Н10О2 имеются два синглета с соотношени-
ем интенсивностей 3:2. Установите строение соединения.
Задача 18.21. На рис. 18.1 и 18.2 приведены масс-спектры 1-метоксибутана и 2-метокси-
бутана. Определите, какой спектр соответствует каждому соединению.
18.4. МАКРОЛИДЫ. ТРАНСПОРТ ИОНОВ
ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ
В разд. 18.2.3 мы познакомились с комплексообразующими свойствами
краун-эфиров. Результаты соответствующих исследований Ч. Педерсена,
опубликованные в 1967 г., были позднее отмечены Нобелевской премией
(1987 г.). Интересно, что в этих исследованиях, как и во многих других, хи-
мики моделировали природные структуры и их функции. В живых организ-
мах функции, аналогичные краун-эфирам, выполняют так называемые
ионофоры - соединения, предназначенные в организме для переноса кати-
онов через оболочку (мембрана) внутрь клетки.
Ранее в нескольких главах мы уже касались ряда биохимических процес-
сов, происходящих в клетке. Познакомимся подробнее с ее организацией и
функциями.
Основой клеточной теории является утверждение о том, что все живые
существа - животные, растения, простейшие организмы - состоят из кле-
ток. Именно клетка является основной единицей живой материи. В клетках
114
Глава 18. Простые эфиры. Циклические эфиры
протекают многие жизненно важные биохимические процессы, синтезиру-
ются многие белки и ферменты.
Клетки высших животных очень разнообразны по форме, строению и
функциям. Вследствие функциональной специализации разные категории
клеток приобретают особые, характерные для них свойства. Однако име-
ются признаки, общие для всех клеток.
Прежде всего будем иметь в виду размеры клеток. Диаметр типичной
клетки составляет 1 мкм, а объем 5-10~16 л. Концентрация химических ча-
стиц в клетке изменяется от миллимолярной до микромолярной, что соот-
ветствует содержанию этих частиц от 5-10-19 до 5-10-22 моль.
Клетка состоит из протоплазмы, в которой находится ядро, и плазмати-
ческой мембраны. Непременным условием нормальной «работы» клетки
является проницаемость стенки клетки (которая образована плазматичес-
кой мембраной) для химических соединений, участвующих в биосинтезе.
Материалом плазматической мембраны служат липиды и белки. О белках
мы еще будем говорить в гл. 27. Что касается липидов, то отметим прежде
всего разнообразие классов соединений, которые относят к этой группе
природных веществ: жиры, масла, стероиды, терпены. Общим для них явля-
ются гидрофобность и растворимость в неполярных растворителях. Поэто-
му через мембрану клетки легко проникают органические соединения, пре-
имущественно имеющие гидрофобный характер. Сложнее обстоит дело с
неорганическими катионами.
В физиологических условиях катионы окружены молекулами воды, т. е.
гидратированы. Чтобы проникнуть через мембрану - липофильную струк-
туру - внутрь клетки, ионы должны сменить оболочку с гидрофильной на
гидрофобную. Для этой цели и служат ионофоры. В химическом отноше-
Рис. 18.3. Нонактнн (а) и монактин (б)
a-. R = Н; б: R = СН3
18.4. Макролиды. Транспорт ионов через клеточные мембраны 115
нии ионофоры относятся к группе макролидов - макроциклических соеди-
нений, в которых макроцикл включает несколько десятков атомов. В соста-
ве этих макроциклов имеются фрагменты простых и сложных эфиров. Для
примера на рис. 18.3 показаны структуры макролидов - нонактина и монак-
тина. Попадая внутрь макролида (аналогично тому, что имеет место в слу-
чае краун-эфиров), катион металла приобретает гидрофобные свойства.
Таким способом нонактин обеспечивает транспорт через мембраны ио-
нов калия, а монактин помогает и ионам калия, и ионам натрия.
Глава 19. АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
Соединения, в которых карбонильная группа связана с двумя атомами
водорода или одним атомом водорода и одним углеводородным заместите-
лем, называют альдегидами.
/О /О /О
Н-с' R-C4Z Аг-с'
Н Н Н
Соединения, в которых карбонильная группа связана с двумя углеводород-
ными заместителями, одинаковыми или различными, называют кетонами.
R-C-R R-C-R' Ar-C-R Ar~C-Ar
II II II II
Углеводородные заместители могут быть алифатическими, алицикличе-
скими (насыщенными или ненасыщенными) или ароматическими.
19.1. НАСЫЩЕННЫЕ И АРОМАТИЧЕСКИЕ
АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
19.1.1. Номенклатура
По правилам номенклатуры ИЮПАК при составлении названия альде-
гида или кетона за основу выбирают наиболее длинную углеродную цепь,
которая включает карбонильную группу. Эта группа получает наименьший
номер. К названию углеводорода, соответствующего главной цепи, прибав-
ляют суффикс -аль для альдегидов или суффикс -он для кетонов.
сн3-<
н
СН3—СН~СН2~Cz
сн3 н
фенилэтаналь
этаналь
3-метилбутаналь
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
117
сн3-сн2-сн2-с-сн3
О
2-пентанон
циклогексанон
сн3-с-сн2-с-сн3
II II
о о
2,4-пентандион
В префиксе кетогруппа называется оксо-, а альдегидная группа -
формил-.
сн3-с-сн2-соон
О
3-оксобутановая кислота
формилциклобутан
(циклобутанкарбальдегид)
Для некоторых альдегидов применяют тривиальные названия, соответ-
ствующие названиям карбоновых кислот (даны в скобках).
//°
н-сч
н
формальдегид
(муравьиный альдегид)
бензальдегид
(бензойный альдегид)
//°
сн3-сч
н
ацетальдегид
(уксусный альдегид)
п-толуиловый
альдегид
Тривиальное название «ацетон» общепринято для простейшего кетона.
сн3-с-сн3
О
Низшие кетоны часто называют по радикало-функциональной номенк-
латуре. Названия кетонов, в которых карбонильная группа связана с бен-
зольным кольцом, имеют суффикс -фенон.
118
Глава 19. Альдегиды и кетоны
СН3-С-СН2-СН3
О
метилэтилкетон
метилфенилкетон
(ацетофенон)
дифенилкетон
(бензофенон)
19.1.2. Способы получения
Озонолиз алкенов
Этот способ распространен в лабораторной практике. Он дает особенно хо-
рошие результаты при применении к симметричным алкенам (см. разд. 5.4.5).
СНз-СН=СН- СНз 2СН3~<
2-бутен Н
ацетальдегид
СН3 ZCH3 ft
>=СЧ 2СН3-С-СН3
сн3 СНз ацетон
2,3-диметил-2-бутен
Окисление алкенов в присутствии солей палладия
Способ имеет промышленное применение и по экономическим причинам
является более предпочтительным, чем гидратация ацетилена (см. разд. 5.4.5).
СН2=СН2 p^c"g- СНзСНО.
этилен ацетальдегид
>/2О2, Н2О
PdCl2, CuCl2
циклогексен
циклогексанон
Гидроформилирование алкенов
Этот способ относится к группе процессов оксосинтеза, основу которых
составляют каталитические превращения смеси оксида углерода и водорода
(см. разд. 5.4.5).
/°
СН2=СН2 + СО + Н2 [Со(е°)4]2» сн3-сн2-с'
н
этилен
пропаналь
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
119
СН3-СН=СН2 + СО + Н2
[Со(СО)4]2
пропен
сн3-сн2-сн2-сно + сн3-сн-сно
бутаналь СН?
(основной продукт)
2-метилпропаналь
Гидратация алкинов (реакция Кучерова)
Гидратация ацетилена - один из ранних способов получения ацетальде-
гида в промышленности (см. разд. 6.4.3).
/)
НС=СН “2° ST СН3-<
Hg3(J4, \
ацетилен г!
ацетальдегид . .
Гидратация дает хорошие результаты также в случае алкинов с конце-
вой тройной связью и при применении к симметричным алкинам.
сн3-сн2-с=сн сн3сн2—с-сн3
1-бутин Q
2-бутанон
О
н2о
HgSO4, 160 °C
5-деканон
5-децин
Окисление алкенилборанов
Алкенилбораны получают взаимодействием алкинов с дибораном при
0 °C. В этих условиях гидроборирование протекает как син-присоединение
(см. разд. 5.4.1). Окислением алкенилборанов из гомологов ацетилена, со-
держащих концевую тройную связь, получают альдегиды.
н-С5Нп-С=СН (н-С5Н11-СН=СН)3В е^°2» н-С5Ни-СН2-С^
1 он и
I-гептин -п.
гептаналь
120
Глава 19. Альдегиды и кетоны
R-C4
Н
альдегид
R-C-R'
II
О
кетон
Окисление спиртов
Окислением первичных спиртов получают альдегиды, а окислением
вторичных спиртов - кетоны (см. разд. 16.4.4).
,Р
r-ch2oh
первичный
спирт
R-CH-R'
I
ОН
вторичный
спирт
Как уже отмечалось в гл. 16, окисление вторичных спиртов не сопряже-
но с осложнениями. В качестве окислителей чаще всего применяют соеди-
нения хрома: К2Сг2О7/Н3О®; СгО3/Н3О®.
Na2Cr2O7
H2SO4
ментон
На практике удобнее работать с пиридинийхлорохроматом, сорбирован-
ным на оксиде алюминия.
(-)-Ментон. Смесь (-)-ментола (3,13 г; 20 ммоль) и пиридинийхлорохромата (50 г; '
~50 ммоль) на оксиде алюминия (о получении этого реагента см. в разд. 16.4.4) в 50 мл |
и-гексана перемешивают 2 ч при комнатной температуре. По окончании реакции смесь
фильтруют, осадок промывают эфиром. Фильтрат и эфирную вытяжку упаривают, про-
дукт выделяют перегонкой, т. кип. 81 °C (11 мм рт. ст.). Выход 2,5 г (81%).
Окисление первичных спиртов требует осторожности, поскольку обра-
зующийся на первой стадии альдегид способен к быстрому окислению до
карбоновой кислоты. И в этом случае один из наиболее распространенных
окислителей - пиридинийхлорохромат.
Присоединение реагентов Гриньяра к нитрилам
Присоединение реагентов Гриньяра к нитрилам алифатических и арома-
тических карбоновых кислот ведет к получению аддуктов, при гидролизе
которых выделяют кетоны (см. разд. 20.2).
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
121
R-MgCl + R'-C=N
реагент нитрил
Гриньяра
R-C-R' R-C-R'
II HCU II
NMgCI О
кетон
Реакции хлорангидридов карбоновых кислот
с кадмийорганическими соединениями
Эти реакции впервые были проведены Г. Гилманом и Дж. Нельсоном
(1936 г.). Они отличаются отсутствием побочных превращений и как след-
ствие - высокими выходами целевых продуктов. Особенно удобны для по-
лучения кетонов в лабораторных условиях (см. разд. 20.2).
2R'-C*
2R-MgCl С—R2Cd -------------------2R-C-R' + CdCI2.
реагент q
Гриньяра
r кетон
Восстановление хлорангидридов карбоновых кислот
Для получения как алифатических, так и ароматических альдегидов при-
годна реакция Розенмунда-Зайцева (А.М. Зайцев, 1873 г.; К. Розенмунд,
1918 г.). Чтобы избежать дальнейшего восстановления формильной груп-
пы в продукте реакции, активность катализатора снижают добавкой
контактных ядов (фенилизотиоцианат, тиомочевина, 2-меркаптотиазол).
Наиболее эффективным каталитическим ядом оказалась тетраметилтио-
мочевина (ТМТМ).
/О ,о
р__Ч- , р______________г'/
Ч pd'BaSO4 К : .
CI (тмтм) Н
хлорангидрид альдегид
Окисление метиларенов триоксидом хрома
В лабораторной практике ароматические альдегиды могут быть получе-
ны окислением метиларенов (см. разд. 10.2.3).
ОСОСНз О
Ar-CH3 —O3hCsoCO)2°" Аг—СН Н2° > Аг-с' + 2 СН3СООН.
J H2SO4 х Н® \
метиларен ОСОСН3 “ уксусная
альдегид кислота
122
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Гидролиз дигалогенметиларенов
Для этой цели пригоден и гидролиз дигалогенметиларенов. Реакция гидро-
лиза протекает гладко, однако имеет ограниченное применение из-за малой
доступности дигалогенметиларенов и представляет препаративный интерес
лишь при работе с дихлорметиларенами (об их получении см. разд. 10.2.3).
Аг—СНз
метиларен
2С12
/IV
Аг-СНС12
дихлор-
метиларен
Н2О
Са(ОН)2
//°
Аг-Сч
Н
альдегид
Реакция Фриделя-Крафтса
Для получения ароматических и жирно-ароматических кетонов чаще
всего применяют реакцию Фриделя-Крафтса (см. разд. 9.2.5).
Аг-Н арен /° + R— СХ А1С‘3 - Ar-C-R + НС1, • Cl 11 О t хлорангидрид кетон
Ar—Н + (СН3СО)2О Аг—С—СНз + СНзСООН.
арен уксусный о уксусная ангндрнд метиларил- кислота кетон . .
19.1.3. Физические свойства и строение
Физические свойства
Температуры кипения и плавления некоторых альдегидов и кетонов
приведены в табл. 19.1 и 19.2.
Таблица 19.1. Физические свойства альдегидов
Альдегид Формула Мол. масса Т. кип., °C т. пл., °C
Формальдегид нсно 30 -21 -92
Ацетальдегид сн3сно 44 21 -123.5
Пропаналь сн3сн2сно 58 49 -81
Бутаналь СН3(СН2)2СНО 72 76 -99
Пентаналь СН3(СН2)3СНО 86 103 -92 -
Гексаналь СН3(СН2)4СНО 100 128 -56
Гептаналь СН3(СН2)5СНО 114 153 -43
Октаналь СН3(СН2)6СНО 128 171 —
Нонаналь СН3(СН2)7СНО 142 192 —
Деканаль СН,(СН,)„СНО 5 • Z' о 156 209 -5
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
123
Таблица 19.2. Физические свойства кетонов
Кетон Формула Мол. масса Т. кип., °C Т. пл., °C
Ацетон сн3сосн3 58 56 -95
2-Бутанон сн3сн2сосн3 72 80 -86
2-Пентанон СН3(СН7)7СОСН3 86 102 -78
3-Пентанон СН3СН7СОСН7СН3 86 102 -40
2-Гексанон СН3(СН7)1СОСН1 100 128 -57
2-Гептанон СН3(СН2)4СОСН3 114 151 -36
2-Октанон СН3(СН2)5СОСН3 128 173 -16
2-Нонанон CH3(CH7)fiCOCH3 142 195 -7
2-Деканон СН3(СН2)7СОСН3 156 210 14
Таблица 19.3. Температуры кипения некоторых соедине-
ний, имеющих близкую молекулярную массу
Соединение Мол. масса Т. кип., °C
/° СН3(СН2)2С' н бутаналь 72 76
СН3ССН2СН3 О 2-бутанон 72 80
СН3(СН2)3СН3 72 36
пентан
С2Н5ОС2Н5 74 “ " 35
диэтиловый эфир
СН3(СН2)3ОН 74 117
бутанол
Молекулы альдегидов и кетонов полярны. Поэтому они имеют более
высокие температуры кипения, чем неполярные соединения близкой моле-
кулярной массы (табл. 19.3), однако более низкие, чем соответствующие
спирты.
Указанные закономерности изменения температур кипения объясняют-
ся тем, что в альдегидах и кетонах отсутствуют межмолекулярные водород-
ные связи. Вместе с тем и альдегиды, и кетоны склонны к межмолекуляр-
ной ассоциации за счет диполь-дипольных взаимодействий.
Формальдегид - газ с острым запахом, растворим в воде. Его использу-
ют в виде водного раствора, который называют формалином. Низшие аль-
дегиды имеют резкий неприятный запах. Высшие гомологи имеют запах
цветов и фруктов. Низшие альдегиды и кетоны заметно растворимы в во-
де. Растворимость резко уменьшается, когда число атомов углерода в моле-
124
Глава 19. Альдегиды и кетоны
куле равно или более пяти. Ароматические альдегиды и кетоны - бесцвет-
ные высококипящие жидкости или твердые соединения, плохо раствори-
мые в воде. Многие ароматические альдегиды и кетоны обладают резким
запахом, часто приятным.
Строение
Молекула простейшего карбонильного соединения - формальдегида
имеет плоское строение. Длины связей С=О и С-Н равны соответственно
1,20 и 1,10 А. Валентный угол Н-С-О равен 121,8°, а угол Н-С-Н - 116,5°.
Электронное строение альдегидов и кетонов показано ниже также на
примере формальдегида.
Н.
н’
формула
Льюиса
электронное строение
в терминах гибридизации АО
Согласно атомно-орбитальной модели, орбитали обеих НЭП атома кисло-
рода являются .щ2-гибридными и располагаются в плоскости молекулы, т. е.
имеют сг-симметрию. Являясь изоэлектронным аналогом этилена, формаль-
дегид отличается значительной полярностью двойной связи вследствие сме-
щения электронов к более электроотрицательному атому - атому кислорода.
Н 5© 50
zc=o:
н
резонансные структуры
Н 8© 8©
хс—о
н
резонансный
гибрид
Значения дипольных моментов формальдегида и ацетона равны соот-
ветственно 2,27 и 2,85 D.
Электроноакцепторным эффектом кислорода объясняется и заметное
снижение уровней энергий занятой и вакантной л-орбиталей в молекуле
формальдегида. На рис. 19.1 по данным методов фотоэлектронной и элек-
тронной трансмиссионной спектроскопии сравниваются энергетические
уровни этилена и формальдегида.
Низкое расположение (по энергии) вакантного электронного уровня -
непосредственная причина особой склонности альдегидов и кетонов к реак-
циям с нуклеофильными агентами. Среди этих реакций преобладающее
значение имеют реакции нуклеофильного присоединения и присоедине-
ния-отщепления.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
125
-1,78
-0,86
Рис. 19.1. Энергетическая диаграмма
граничных молекулярных орбиталей
этилена и формальдегида
10,51 ' -
13,24
•х.
этилен формальдегид
Особенности электронного строения служат причиной и других реакций
альдегидов и кетонов: протонирование карбонильной группы; СН-кислот-
ность при наличии водородных атомов у а-углеродного атома.
19.1.4. Реакции по карбонильной группе
Основность
Альдегиды и кетоны - очень слабые основания. Значения рКа их сопря-
женных кислот изменяются в пределах от -6 до -8. С сильными протонны-
ми кислотами они образуют, однако, оксониевые ионы, стабилизированные
резонансом:
а с кислотами Льюиса - донорно-акцепторные комплексы (ДАК):
r-c=o: + BF3
R’
© ©
R-C=O-BF3
R’
® .. © 1
R-C~O-BF3
R1
ДАК
Co слабыми протонными кислотами альдегиды и кетоны дают ассоциа-
ты за счет водородных связей:
5© 5©
r-c-o: -н-о-с-сн3
। и
R* О
5© 8©
r-c=o: -но-сн3
R1
Взаимодействие с кислотой увеличивает поляризацию карбонильной
группы, повышает электрофильность карбонильного атома углерода, что и
126
Глава 19. Альдегиды и кетоны
является причиной кислотного катализа реакций нуклеофильного присо-
единения: специфического, сопровождаемого образованием гидроксониево-
го иона и зависящего от значения pH, и общего, сопровождаемого образо-
ванием водородных связей карбонильной группы с любой кислотой.
Нуклеофильное присоединение (реакции А(1ф
Наиболее типичными реакциями альдегидов и кетонов являются реак-
ции нуклеофильного присоединения - реакции А^-типа.
/С=О + Nu ° н® । :nu > —с-он ।
альдегид или кетон I аддукт ‘ • ' - '
Эти реакции протекают в две стадии.
Стадия 1 - медленное присоединение нуклеофильного реагента к атому
углерода карбонильной группы (скоростьлимитирующая стадия):
zc=o:
Nu°
Nu
I
—С
переходное
состояние
алкоксид-noi
Стадия 2 - быстрое присоединение электрофила (протона или катиона) к
алкоксид-иону:
Nu
I
—с—
Nu
—с—ОН
Энергетическая диаграмма реакции нуклеофильного присоединения к
карбонильному соединению представлена на рис. 19.2. Переходное состоя-
ние в большинстве реакций нуклеофильного присоединения ближе по стро-
ению к аддукту, чем к исходному карбонильному соединению.
Реакции карбонильных соединений с сильными нуклеофилами протека-
ют самопроизвольно, часто при комнатной температуре. Реакции со слабы-
ми нуклеофилами требуют применения катализаторов - кислот или основа-
ний.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
127
Рис. 19.2. Энергетическая
диаграмма реакции AdN
карбонильного соединения
Реакции нуклеофильного присоединения альдегидов и несимметричных
кетонов приводят к образованию соединений, содержащих хиральный атом
углерода. Карбонильная группа (С=О) имеет плоское строение, она доступ-
на для атаки сверху и снизу в направлении, перпендикулярном ее плоскости.
Если альдегид (кетон) и нуклеофильный реагент не имеют хиральных ато-
мов углерода, продукт присоединения получают в виде рацемической моди-
фикации.
Nu
I
R'""f^O®
R"
R" д
R'H /0е
С
I
Nu
Если исходные соединения содержат хиральный атом углерода, продукт
присоединения образуется в виде смеси диастереомеров, в которой может
преобладать один из них (для примера см. ниже реакции с С-нуклеофиами).
0-Нуклеофилы
Гидратация альдегидов и кетонов. Продуктами гидратации альдегидов и
кетонов являются гем-диолы.
R
/С=0 + Н20
R'
альдегид
или кетон
^равн
ОН
I
R-C-OH
I
R'
гем-диол
Реакция обратима. Большинство ге.и-диолов неустойчивы. При нагрева-
нии ге.и-диолов низших альдегидов и кетонов можно отщепить воду и ото-
128
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Таблица 19.4. Устойчивость гидратов альдегидов
и кетонов
Альдегид V' равн Кетон V' равн
СНО сн3сно С1СН2СНО СС13СНО 2-Ю3 1,4 37 100 сн3сосн3 (С1СН2)2СО CF3COCF3 210-3 10 22 000
гнать альдегид (или кетон). Устойчивость гидрата в значительной мере за-
висит, однако, от строения карбонильного соединения. В табл. 19.4 показа-
на зависимость констант равновесия реакций гидратации некоторых альде-
гидов и кетонов от их строения.
Как видно из данных этой таблицы, заместители R и R' оказывают и эле-
ктронное, и пространственное влияние на устойчивость гидрата, однако
преобладающим, видимо, следует считать электронный фактор. Например,
хлоральгидрат - устойчивое соединение и перегоняется без разложения.
/О /0Н
С13С-С + Н2О 5=—► С13С~СН
н он
хлораль
хлоральгидрат
Гидратация альдегидов и кетонов катализируется как кислотами, так и ос-
нованиями. Рассмотрим особенности этих реакций на примере ацетальдегида.
Кислотно-катализируемая гидратация ацетальдегида.
Стадия 1 — карбонильная группа подвергается быстрому протонированию:
СН3 5®„50 _
/0=0: + н®
Н —У
СН3 ©
/С=ОН
н
СН3 © ..
/С—ОН
н
Стадия 2 - образовавшийся катион быстро реагирует с водой с образова-
нием гидрата альдегида: s ,
СН3 @
хс-он + Н20
н
сн3 'бн2
К.
н он
• •
сн3 он
/С ** + н®
н он
• •
Гидратация ацетальдегида в присутствии основания.
Гидроксид-ион значительно более нуклеофилен, чем молекула воды. По-
этому на первой стадии он быстро присоединяется к атому углерода карбо-
нильной группы:
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
129
СН3 Kg, йо
хс=о + он
н
сн3 X
н он
СН3 уОН
А
н он
Следует иметь в виду, что ни кислота, ни основание, катализирующие гид-
ратацию альдегида или кетона, не изменяют положение равновесия этой ре-
акции. Они в равной мере ускоряют как прямую реакцию гидратации, так и
обратную реакцию дегидратации.
Присоединение спиртов. Полуацетали и полукетали. Низшие первичные
спирты (СН3ОН, С2Н5ОН, НОСН2СН2ОН) реагируют с альдегидами и
кетонами в две стадии: образование полуацеталя - продукта присоедине-
ния 1 моль спирта и образование ацеталя - продукта алкилирования полу-
ацетальной гидроксигруппы.
,0 ?н
R— + СН30Н R-С-ОСНз
кг I
альдегид полуацеталь
ОН 1 осн3
R-С-ОСНз + СН3ОН —- = R-С-ОСНз + Н20 1
н Н ацеталь
В реакции с кетонами образуются соответственно полукеталь и кеталь.
/О °н
R-C' + СН30Н •< R-C-OCH3 . < уч
к R.
кетон полукеталь
ОН осн3
R-С-ОСНз + СН30Н R-С-ОСНз + Н20
Образование полуацеталей и полукеталей катализируется как кислота-
ми, так и основаниями. По механизму эти реакции аналогичны реакциям ги-
дратации.
130
Глава 19. Альдегиды и кетоиы
Образование полуацеталя в присутствии основания. Механизм реак-
ции включает следующие стадии. ,
Стадия 1 - образование нуклеофильного реагента - алкоксид-иона:
СН3ОН + ®ОН - СН3О0 + Н2О
Стадия 2 - присоединение нуклеофильного реагента по карбонильной
группе с образованием алкоксид-иона:
50
3©£°
r—сх + сн3о:
Vh
R—с—ОСН3
н
Стадия 3 - присоединение протона к алкоксид-иону:
..0 П- - • л . • Й
:о: он
R—С—ОСН3 + Н2О -.......- R—С—ОСН3 + ®ОН i
Н Н .
Образование полуацеталя в присутствии кислоты. Механизм реак-
ции включает следующие стадии.
Стадия 1 - протонирование карбонильной группы, что приводит к увели-
чению электрофильности карбонильного углерода:
//°
R— с\
Н
©
.ОН
R-<
н
®/он
R— сч
Н
Стадия 2 - присоединение молекулы спирта как нуклеофила:
/лТТ ОН
®/ип СН3ОН I ©
R— сч ....R—с—о—сн3
Н НН
Стадия 3 - депротонирование продукта присоединения спирта:
ОН ОН
I © I @
R—С—О—СН3 ~.—R—С—О—СН3 + Н®
НН Н
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
131
Полуацетали и полукетали - это моноэфиры двухатомных спиртов -
гем-диолов. Они являются неустойчивыми соединениями, легко отщепляют
спирт с образованием исходного альдегида или кетона. Положение равно-
весия при образовании полуацеталей и полукеталей весьма чувствительно к
их пространственному строению. Группы большого размера как в карбо-
нйльном соединении, так и в спирте снижают устойчивость аддукта.
Ацетали и кетали. Ацетали (и кетали) являются диэфирами двухатом-
ных спиртов (ге.и-диолов). По своим химическим свойствам они существен-
но отличаются от полуацеталей и полукеталей. Как и простые эфиры, аце-
тали не окисляются, не реагируют с восстановителями, устойчивы к дейст-
вию оснований. Поэтому реакции ацетализации применяют для защиты
карбонильной группы.
Образование ацеталей и кеталей катализируется только кислотами (НС1,
n-толуолсульфо кислота и т. д.). Реакцию следует рассматривать как нуклео-
фильное замещение гидроксигруппы на алкоксигруппу по механизму SN1.
Ниже приводится механизм образования ацеталя.
Стадия 1 - протонирование молекулы полуацеталя:
:он
R— С-ОСН3 + Н®
Н
н Я н
'о'
I
R—С—ОСН3
н
Стадия 2 - диссоциация гидроксониевого иона с отщеплением воды и об-
разованием катиона, стабилизированного резонансом:
W1
R— С-ОСН3
н
©
R—С—ОСН3
Н
R— С=О-СН3
Н
+ Н2О
Стадия 3 - присоединение молекулы спирта как нуклеофила к катиону:
R—С—ОСН3
+ СН3ОН
НЧ©/СН3
о
I
1— с—ОС
н
Н
Стадия 4 - депротонирование гидроксониевого иона с получением ацеталя:
Н
Т СИЮН
R— С—ОСН3 ---*-*
R—С—ОСН3 + СН3ОН2
132
Глава 19. Альдегиды и кетоны
При получении ацеталей в препаративных целях в качестве катализато-
ра применяют и хлорид кальция.
Диэтилацеталь. Смесь этанола (130 мл; 2,23 моль), ацетальдегида (50 г;
1,14 моль) и безводного СаС12 (20 г) выдерживают 1-2 дня при комнатной
температуре. Верхний слой отделяют, промывают водой. Продукт выделя-
ют перегонкой, т. кип. 101-103 °C. Выход 80 г (60%).
В случае кетонов равновесные реакции со спиртами смещены влево, так
что кетали в препаративном количестве таким способом получать не удает-
ся. Их получают действием этилортоформиата.
оед 0
R-C-R' + Н-С(ОС2Н5)з R-C-R’ + Н~С*
О этилортоформиат ОС2Н5 ОС2Н5
кетон кеталь этилформиат
Следует иметь в виду, что успешное проведение ацетализации в препара-
тивных целях затруднено энтропийным фактором, поскольку в ходе этой
реакции три молекулы исходных реагентов превращаются в две молекулы
продуктов реакции.
R-C* +2 СН3ОН
Н метанол
R-CH(OCH3)2 + Н2О
ацеталь
альдегид
В случае простых альдегидов, отличающихся высокой реакционной спо-
собностью, ацетализации способствует положительный энтальпийный
фактор, поскольку их реакции протекают с выделением большого количе-
ства тепла. Ацетализации простых альдегидов с хорошим выходом поэто-
му не представляет особого труда при применении двукратного количества
спирта в присутствии минеральной кислоты и хлорида кальция.
н®
СН3СНО + 2 СН3ОН =;= СН3СН(ОСН3)2 + Н2О
ацетальдегид метанол ... ацеталь
Способность простых альдегидов к ацетализации столь явно выражена,
что они самопроизвольно образуют полимерные или циклические структу-
ры, аналогичные ацеталям. Например, формальдегид, будучи в нормаль-
ных условиях газообразным веществом, образует твердый полимер - пара-
формальдегид (параформ). Необходимый для практического использова-
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
133
ния формальдегид легко получают при нагревании твердого параформа.
Формальдегид также образует циклический тример - триоксан, имеющий
т. пл. 64 °C и возгоняющийся без изменения.
НО(-СН2О-)„Н
параформ
(и = 8-100)
СНз
паральдегид
Тример аналогичного строения - паральдегид - образуется и из ацетальде-
гида. Это жидкость (т. кип. 124 °C), из которой при нагревании со следами
кислоты гладко получают ацетальдегид. Ацетальдегид способен образовы-
вать и тетрамер - метальдегид, который представляет собой твердое веще-
ство. Другие низкомолекулярные альдегиды проявляют себя аналогично
ацетальдегиду.
Ацетализация (кетализация) альдегидов (кетонов) более сложного
строения требует применения особых приемов. Например, применение
соответствующего спирта в качестве растворителя позволяет сдвинуть
равновесие вправо.
+ СН3ОН -а-
(растворитель)
3-нитро-
бензальдегид
1-диметокси-
метил-3-нитробензол
Эффективным приемом кетализации кетонов является применение 1,2-
или 1,3-диолов для получения циклических кеталей.
цикло-
гексанон
он он
I I
сн2-сн2
+ н2о
этиленгликоль 2,2-пентаметилен-
1,3-диоксолан
//О
Вг-СН2-СН2-Сч
н
он он
I I
сн2-сн2
2-(2'-бромэтил)-1,3-диоксолан
этиленгликоль
3-бромпропаналь
134
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Обратите внимание! Применение диола для ацетализации значительно
снижает роль энтропийного фактора, поскольку в этом случае не три, а
только две исходные молекулы образуют две молекулы продуктов реак-
ции. Неблагоприятный энтальпийный фактор (реакции кетонов со спирта-
ми чаще всего являются эндотермическими) преодолевается отгонкой об-
разующейся воды.
Ацетали и кетали гидролизуются в присутствии кислот с регенерацией
альдегида (или кетона).
ОСНз R-C-0CH3 н /О R— СХ + 2 СН3ОН. \т J Н метанол
ацеталь альдегид
2,2-Диметоксипропан гидролизуется особенно легко, благодаря чему
применяется для удаления воды при химическом высушивании соединений.
ОСН3
СН3-С-СН3 + Н2О
ОСНз
2,2-диметоксипропан
О
II
СН3-С-СН3 + 2СН3ОН.
ацетон метанол
S-Нуклеофилы *
Наиболее известная реакция этого типа - присоединение гидросульфита
натрия. Реакция приводит к образованию гидросульфитных производных -
а-гидроксиалкансульфонатов.
/°
R— + NaHSO3
хн
альдегид
ОН
I
R- СН- SO3Na
а-гидроксиалкан-
сульфонат натрия
В реакцию вступают большинство альдегидов и метилкетонов, а также
пространственно незатрудненные циклические кетоны.
Механизм реакции включает две стадии.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
135
Стадия 1 - медленное присоединение S-нуклеофила к карбонильной группе:
:\
ОН
S=O
• «о
:о: он
। I®
R—С—S=O
0®Na®
Н 0®Na®
Стадия 2 - быстрая перегруппировка аддукта, сопровождаемая внутримо-
лекулярным переносом протона:
Н 0®Na®
ОНО
I II
R—С—S=O
I 1о._
Н 0®Na®
Продукты присоединения - гидросульфитные производные - являются
солями а-гидроксиалкансульфоновых кислот и не растворяются в органи-
ческих растворителях. Способность образовывать гидросульфитные произ-
водные используют для отделения карбонильных соединений от веществ, с
которыми гидросульфит натрия не вступает в реакцию. При обработке раз-
бавленной щелочью или кислотой гидросульфитные производные гидроли-
зуются, при этом регенерируются исходные карбонильные соединения.
ОН
R-CH-SO3Na
R— С' + SO2 + Н2О + Na®.
Na-соль а-гидроксиалкан-
сульфоновой кислоты
альдегид
С-Нуклеофилы
Присоединение циановодорода. Циановодород присоединяется к альде-
гидам и кетонам в присутствии оснований как катализаторов с образовани-
ем циангидринов (а-гидроксинитрилов).
ОН
R-Cx
HCN
:в®
R-CH-C=N
альдегид
циангидрин
136
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Механизм реакции включает следующие стадии.
Стадия 1 — основание, применяемое в каталитических количествах пре-
вращает циановодород в цианид-ион, который и является нуклеофильным ре-
агентом:
н—c=n +х:в
В качестве основания применяют NaOH, Н2О; К2СО3, KCN, третичные
амины.
Стадия 2 - медленное присоединение цианид-иона к карбонильной группе
с образованием алкоксид-иона:
Стадия 3 - быстрое протонирование алкоксид-иона:
ОН
R— С—C=N + :ве
I . - катализатор
Реакция обратима на всех стадиях. Выход циангидрина обусловлен про-
странственным строением карбонильного соединения и составляет
80-100%.
Вследствие высокой токсичности HCN препаративное получение циан-
гидринов проводят с применением цианидов натрия или калия и с добавле-
нием минеральных кислот (НС1, H2SO4). Циановодород генерируется in situ
и с высоким выходом образует циангидрин.
Циангидрины содержат нитрильную группу. Как и другие нитрилы, они
могут подвергаться гидролизу при кипячении с водным раствором кислоты.
При этом образуются а-гидроксикислоты или ненасыщенные кислоты.
//О
сн3—сх
Н
HCN
(основание)
ОН он
СН3—СН~C=N СН3-СН-СООН
Ot-гидрокси- (7?,.$)-молочная
пропаннитрил кислота
ацетальдегид
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
137
/'IT _('___fii ______HCN_____
'-Л13 '--ЛЧ3 (основание)
0
ацетон
ОН
СН3—С—C=N —т21
СНз
2-гидрокси- 2-метил-
пропаннитрил
сн2=с-соон
СНз
метакриловая
кислота
Присоединение реагентов Гриньяра и литийорганических соединений.
Стереохимия реакций AdN. В ходе этой реакции образуются смешанные ал-
коксиды магния или лития, которые легко гидролизуются до спиртов.
Zz°
R— Сх +
Н
альдегид
R'-MgX
реагент
Гриньяра
OMgX ОН
R-C-R' R-C-R'
I н® I
Н Н
спирт
Реакцию применяют для синтеза первичных, вторичных и третичных
спиртов.
z/0
С6Н5-СХ
Н
бензальдегид
+ n-C4H9Li
бутиллитий
0е Li®
I
С6н5- с-С4Н9-н
Н
Н2О
ОН
I *
СбНз С С4Н9-Н
Н
1 -фенилпентанол
Продуктом последней реакции является рацемическая форма, образо-
ванная двумя энантиомерами 1-фенилпентанола. Такой стереохимический
результат объясняется тем, что оба реагента являются ахиральными.
При наличии неодинаковых пространственных условий на стадии присо-
единения нуклеофила к карбонильной группе реакция протекает как стерео-
специфическая. Например, в реакции (25)-2-метилциклопентанона с метил-
литием диастереомеры образуются в неравных количествах: 90% (17? ,25)-
1,2-диметилциклопентанола и 10% (1S,25)-1,2-диметилциклопентанола.
l)CH3Li
2) Н3О®
СН3 (ЭН
О
(25)-2-метилцикло-
пентанон
(1Я,25)-1,2-диметил- (15,25)-1,2-диметил-
циклопентанол циклопентанол
(90%) (10%)
138
Глава 19. Альдегиды и кетоны
При наличии стерических затруднений в реагентах реакции металлоор-
ганических соединений с альдегидами и кетонами могут сопровождаться
побочными превращениями.
Одним из таких превращений является реакция енолизации.
О
II
(СНз)2СН-с-СН(СН3)2 + CH3MgBr
диизопропилкетон
OMgBr О
I то® И
СНГ (СНз)2СН-С=С(СН3)2 (СНз)2СН-С-СН(СН3)2
диизопропилкетон
BrMgO сн3 @ нох zCH3
—► (СН3)2СН-с-СН(СН3)2 (СН3)2СН-с-СН(СН3)2
2,3,4-триметил-3-пентанол
В частности, при взаимодействии диизопропилкетона с реагентом Гринь-
яра металлоорганическое соединение выступает как основание и отрывает
а-протон от стерически затрудненного исходного кетона. Образующийся
енолят магния при последующей обработке водой гидролизуется до исход-
ного кетона.
Еще одним примером побочного превращения при взаимодействии за-
трудненного кетона с затрудненным С-нуклеофилом является следующая
реакция:
II
(СН3)2СН-С-СН(СН3)2 + (CH3)2CHMgBr
н3о®
НО н
(СН3)2СН-С-СН(СН3)2 + сн3-сн=сн2.
2,4-диметил-З-пентанол пропен
Как видно, в этой реакции вместо стерически затрудненного нуклеофи-
ла к атому углерода карбонильной группы присоединяется гидрид-ион. При
этом исходный затрудненный кетон восстанавливается до соответствующе-
го спирта.
-Mg
09 ё(СН-СН3
(<--^сн2
-сн3-сн=сн2
н3о®
О
I
/с\н
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
139
Побочные превращения значительно меньше осложняют реакции стери-
чески затрудненных кетонов при применении литийорганических соедине-
ний. Это объясняется их более высокой реакционной способностью и воз-
можностью применения при низких температурах.
(Ме3С)2С=О + Me3CLi :
ди-шреш-бутил- mpem-бутил-
кетон литий
н3о®г
(Ме3С)3СОН
3-шрет-бутил-
2,2,4,4-тетраметил-
3-пентанол (80%)
Присоединение ацетиленидов. Ацетиленид натрия в жидком аммиаке ре-
агирует с альдегидами и кетонами с образованием алкоксидов, гидролизом
которых получают соответствующие ацетиленовые спирты.
сн3-сн2-с-сн3 + HC=C:Na® N--3 (жид^
О ацетиленид
бутанон натРия
СН3 . СНз у:
----- сн3-сн2-с-с=сн - сн3—сн2—с—с=сн
О0 Na® ОН
З-метил-1-пентин-З-ол
1-Этинилциклогексанол. Сухой ацетилен (1 моль) пропускают через раствор амида
натрия, приготовленного из натрия (23 г; 1 моль) в 1 л жидкого аммиака. К полученному
ацетилениду натрия по каплям прибавляют циклогексанон (98 г; 1,2 моль). Аммиак испа-
ряют, а к полученному остатку прибавляют 400 мл ледяной воды, подкисленной 50%-й
H2SO4. Продукт экстрагируют эфиром и выделяют перегонкой, т. кип. 73 °C (12 мм
рт. ст.). Выход 87 г (70%).
Реакция Виттига. Взаимодействие альдегидов и кетонов с реагентами
Виттига с образованием алкенов называют реакцией Виттига (1949 г.).
Реагент Виттига получают в две стадии.
Стадия 1 - взаимодействие трифенилфосфина (или других фосфинов) с
галогеналканом, способным вступать в реакции SN2, с получением соли фос-
фония:
(С6Н5)зРГ + СН3СН2-Вг
трифенил- этил-
фосфин бромид
[(C6H5)3P-CH2CH3]Bre
этилтрифенилфосфоний-
бромид
Поскольку фосфины являются хорошими нуклеофилами и слабыми основа-
ниями, получение солей фосфония не осложняется реакцией элиминирования
140
Глава 19. Альдегиды и кетоны
даже при применении вторичных алкилгалогенидов.
фосфин
иод-
циклогексан
© я
^^Р(СбН5)31°
циклогексил-
. трифенилфосфоний-
иодид
Стадия 2 - превращение соли фосфония действием сильных оснований
[CH3ONa, NaNH2, C6H5Na, (СН3)3СОК] в реагент Виттига, называемый
илидом, или фосфораном'.
[(С6Н5)3Р-СН-CH3]Bre [(СбН5)3Р-СН-СН3
н
---► (С6Н5)3Р=СН-СНз ]
Легкость протекания этого превращения объясняется повышенной кис-
лотностью протона алкильной группы, соседнего с положительно заряжен-
ным атомом фосфора в соли фосфония.
В последующей реакции с карбонильным соединением реагент Виттига
карбанионным центром атакует атом углерода карбонильной группы аль-
дегида или кетона. Промежуточно образуется продукт присоединения в ви-
де внутренней соли (бетаин), кбторая при низкой температуре циклизуется
до оксафосфетана. Оксафосфетан при нагревании до 0 °C превращается да-
лее в алкен и трифенилфосфиноксид.
СН3 я© хе о
хс=о + :сн—сн3
СН3 -------^Р(С6Н5)з
ацетон ®
илид
(фосфоран)
СН3
CH3-C-CH-CH3
:р: р(с6н5)3
©•• ©
бетаин
-78 °C
СНз
СН3-С-СН-СН3
О-Р(С6Н5)3
оксафосфетан
СН3 Н
;с=с
СНзХ СНз
2-метил-2-бутен
+ [о=Р(С6Н5)3
© ©
о- Р(С6Н5)з
трифенилфосфиноксид
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
141
Реакция стереоселективна и сопровождается преимущественным обра-
зованием транс-изомера. Реакция Виттита служит прекрасным методом
синтеза алкенов. Она названа в честь немецкого химика Г. Виттига, кото-
рый за ее изучение в 1979 г был удостоен Нобелевской премии. Ниже при-
ведены примеры получения алкенов с применением реактивов Виттига.
Получение 2-метилпропена:
© ©о
а) (С6Н5)3Р + СН3-Вг -----► [(С6Н5)3Р-СН3]Вгэ (С6Н5)3Р-СН2 ,
трифенил- бромметан метилтрифенил- илид
фосфин фосфонилбромид
© ®.
б) (С6н5)3р-сн2 + сн3-с—СН3-----------► (С6Н5)3Р=О —- сн3-с—сн3
о трифенил- СН2
ацетон фосфиноксид
2-метилпропен
Получение 1-фенил-1,3-бутадиена:
а) (С6Н5)3Р + СН2=СН-СН2~С1 ----------►
трифенил- аллилхлорид
фосфин
© п С1ЬО® .Na® ®
--- [(С6н5)3р-сн2-СН=СН2]С1е ^МФА - (С6н5)3р-сн-СН=СН2 ,
© ° /О
б) (С6Н5)3Р-СН-СН=СН2 + с6н5-сч ----------►
н
---- (С6Н5)3Р=О + с6н5-сн=сн-сн=сн2.
1-фенил-1,3-бутадиен
Особенностью получения алкена по реакции Виттига является образова-
ние лишь одного структурного изомера. Например, при дегидратации 1-ме-
тилциклогексанола образуется 1-метилциклогексен как более стабильный
изомер.
1-метил-
циклогексанол
1-метил-
циклогексен
142
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Менее стабильный изомер, однако, легко может быть получен реакцией
Виттига. ,- , = <
О СН2
[^] + Ph3P=CH2 |^| + Ph3P=O.
циклогексанон метилен- ,
циклогексан
Галогеннуклеофилы
Альдегиды и кетоны по реакции AdN реагируют и с галогеннуклеофила-
ми. В качестве реагентов применяют галогениды фосфора и серы, но чаще
всего - хлорид фосфора(У).
R
С=О + РС15
R
R С1
'с + РОС13
R С1
Продуктами реакции являются гелт-дигалогенпроизводные. Они образу-
ются по следующей схеме: . • . ;_> «• -
R 6® „,бе
с-о: + pci5
R ”
/С=О-РС14
R
\®
С-О-РСЦ
R
R-С-О-РСЦ
। 4 - РОЩ
R
Rx®
c-ci
R
R R zCl
— к
R Cl
Побочными продуктами являются винилхлориды, которые образуются
из промежуточного карбкатиона по реакции Е\:
R' R
I ®/К
R'-C-C
I
Н
xci
R< R
)с=с' + НС1.
R' С1
винилхлорид
Иногда такое превращение становится преобладающим.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
143
Относительная реакционная способность альдегидов и кетонов
в реакциях нуклеофильного присоединения.
Как видно, все реакции AdN с карбонильными соединениями идут по сле-
дующей общей схеме:
« 50
Nu
| 5©
'с-о:
карбонильное переходное
соединение
состояние
Nu
I ..© н®
—с-о: =
Nu
I
—с-он
аддукт
(промежуточный
анион)
продукт
присоединения
Реакционная способность карбонильных соединений и положение рав-
новесия образования аддукта зависят от электронных влияний заместите-
лей у карбонильной группы и пространственных факторов. Наиболее реак-
ционноспособными являются алифатические альдегиды, а среди них - фор-
мальдегид.
Реакционная способность альдегидов и кетонов снижается в рядах:
X
144
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Электронодонорные заместители, связанные с карбонильной группой,
уменьшают, а электроноакцепторные - увеличивают реакционную способ-
ность карбонильного соединения:
С точки зрения квантово-химических представлений реакции альдегидов
и кетонов с нуклеофильными реагентами подчиняются орбитальному
контролю. Согласно этому, определяющим полагают перекрывание
ВЗМО нуклеофильного реагента - донора электронов - с НСМО карбо-
нильного соединения - акцептора электронов. НСМО карбонильного со-
единения локализована в области карбонильной группы и обозначается как
71*(С=О). Наибольшее участие в ее формировании принимает атом углеро-
да, по которому и осуществляется атака нуклеофила (рис. 19.3).
Как показывают квантово-химические расчеты, при переходе от фор-
мальдегида к ацетальдегиду и ацетону симметрия НСМО этих соединений
не меняется, но на 0,38 и 0,65 эВ соответственно увеличиваются значения
энергии НСМО. В рамках концепции граничных орбиталей такой рост
энергии НСМО должен вызвать значительное снижение ее доступности в
Рис. 19.3. Энергетическая диаграмма нуклеофильного присоединения к карбонильному
соединению в терминах теории молекулярных орбиталей
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
145
-1Д9
-0,86
с=о
сн3^
сн3^
Рис. 19.4. Энергетическая диаграмма низших свободных молекулярных орбиталей
формальдегида, ацетальдегида и ацетона
реакциях с нуклеофильными реагентами и как следствие - уменьшение ре-
акционной способности (рис. 19.4). -V ,
Присоединение-отщепление N-нуклеофилов
В качестве N-нуклеофилов в этом разделе рассмотрены аммиак, амины
и их производные общей формулы R-NH2, где R = Н, Aik, Аг, ОН, NH,,
NH-Ar, NH-C(O)-NH2, NH-C(S)-NH2.
Реакции альдегидов и кетонов со вторичными аминами рассматривают-
ся в гл. 23.
Реакции с N-нуклеофилами протекают в несколько стадий, среди кото-
рых следует выделить две:
1) нуклеофильное присоединение (AdN), < :
2) отщепление (Е).
В соответствии с этим механизм взаимодействия альдегидов и кетонов с
N-нуклеофилами можно классифицировать как механизм Ad^-E.
Стадия 1 - медленное присоединение нуклеофила к атому углерода кар-
бонильной группы (стадия AdN)\
С—О
H2N—R
. .©
:о: н
। I®
—с—N—R
1 Н
Стадия 2 - перенос протона с атома азота на атом кислорода:
о: н
ОН
—с—N—R
—С—N—R
Н
н
146
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Стадия 3 - протонирование аддукта по гидроксильной группе:
Стадия 4 - отщепление молекулы воды (стадия Еу.
©
—C=NHR
+ Н2О
Стадия 5 - депротонирование аддукта с образованием продукта реакции:
©
'C=NHR
;c=nr + Н®
Реакции с сильными N-нуклеофилами протекают без катализаторов.
Слабые N-нуклеофилы требуют применения в качестве катализаторов кис-
лот средней силы.
Реакции с аммиаком
Эти реакции приводят к иминам. Формально имины можно рассматри-
вать как азотные аналоги карбонильных соединений. Однако имины, как
правило, неустойчивы и спонтанно полимеризуются.
,С=О + NH3
-н2о
,C=NH
полимер.
имин
При обработке водой имины легко гидролизуются с регенерацией кар-
бонильного соединения.
При взаимодействии альдегидов с аммиаком в присутствии водорода и
катализаторов гидрирования получают амины. Эту реакцию называют
реакцией восстановительного аминирования.
С—О + NH3 + Н2
,ch-nh2 + н2о.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
147
Реакции с первичными аминами
Реакции альдегидов и кетонов с первичными аминами ведут к получе-
нию N-замещенных иминов, которые являются более стабильными соеди-
нениями, нежели производные аммиака.
/С=О + H2N~R
альдегид амин
или кетон
,C=N—R
имин
+ Н2о
(R = Aik, Аг).
Кетоны реагируют медленнее, чем альдегиды. Для смещения равновесия
следует отгонять воду. Соединения, содержащие хотя бы одну арильную
группу, отличаются большей устойчивостью; их называют основаниями
Шиффа. Реакции ароматических аминов с ароматическими альдегидами
применяют для защиты аминогруппы.
СбЩ—Сх + C6H5NH2
Н анилин
бензальдегид
c6h5-ch=n-c6h5 + Н2О.
бензальанилин
Бензальанилин. При хорошем перемешивании бензальдегид (106 г; 1 моль) добавляют
к анилину (93 г; 1 моль). Смесь выливают в 95%-й спирт (165 мл). Продукт отфильтровы-
вают, т. пл. 52 °C. Выход 154 г (85%).
Гидролиз замещенных иминов в кислой среде также приводит к регене-
рации исходных альдегида и амина.
Альдегиды и кетоны гладко реагируют и с другими производными амми-
ака: гидроксиламином H2N-OH, гидразином H2N-NH2, арилгидразинами и
т. д. Образующиеся в этих реакциях производные представляют собой ус-
тойчивые, твердые, хорошо кристаллизующиеся соединения.
Реакции с гидроксиламином
альдегид
или кетон
+ h2n-oh * — -
гидроксил-
амин
,C=N~OH
+ Н2О
оксим
Продуктом взаимодействия альдегида или кетона с гидроксиламином яв-
ляется оксим. Скорость образования оксима максимальна при pH ~ 4. Ранее
оксимы применяли главным образом для идентификации альдегидов и
148
Глава 19. Альдегиды и кетоны
кетонов. Однако они представляют и интерес для органического синтеза.
Например, восстановлением оксимов могут быть получены первичные амины.
Реакции с гидразином
.с=о + h2n-nh2 ==
—112'-'
гидразин
,C=N—NH2
-н20
альдегид
или кетон
гидразон
азин
Реакция 1 моль карбонильного соединения с гидразином завершается по-
лучением гидразона, а 2 моль - получением азина. Гидразоны удается вы-
делить при использовании ароматических кетонов. С другими кетонами и
альдегидами реакция обычно приводит к азинам.
Реакции с арилгидразинами
С=О +
альдегид
или кетон
C6H5NHNH2 5=^
фенил-
гидразин
,c=n-nhc6h5 + н2о
фенилгидразон
Продукты взаимодействия альдегидов и кетонов с арилгидразинами -
арилгидразоны - твердые вещества с характерными температурами плав-
ления. Их часто используют для идентификации альдегидов и кетонов
Обычно для этих целей получают 2,4-динитрофенилгидразоны.
/О
сн3-с^ +
н
ацетальдегид
°2N-A //~nhnh2 -Тгп соёзп,;
no2
2,4-динитро-
фенилгидразин
+ Н2о
no2
2,4-динитрофенилгидразон
ацетальдегида
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
149
Фенилгидразоны альдегидов и кетонов применяют для получения
гетероциклических соединений, например индолов, методом Фишера
(см. гл. 25).
Реакции с семикарбазидом и тиосемикарбазидом
Продуктами взаимодействия альдегида или кетона с семикарбазидом и
тиосемикарбазидом являются семикарбазон и тиосемикарбазон.
С=О +
альдегид
или кетон
h2n—nh-c-nh2
О
семикарбазид
,c=n-nh-c-nh2
II
О
семикарбазон
+ н2о,
/С=О + h2n—nh-c-nh2
s
тиосемикарбазид
,c=n-nh-c-nh2 + Н2О.
S
тиосемикарбазон
Эти реакции протекают при нагревании в спиртовых растворах, иногда с
добавлением уксусной кислоты (общий кислотный катализ).
Семикарбазоны и тиосемикарбазоны некоторых карбонильных соеди-
нений известны в качестве лекарственных препаратов.
Окисление
Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот. Окисление можно
проводить на холоду разбавленным раствором КМпО4, раствором СгО3 в
H2SO4, Н2О2, Ag2O и пероксикарбоновыми кислотами.
.О .О
R_cz K^n“4> R— С' + МпО2.
Н 2 ОН
альдегид карбоновая
кислота
Альдегиды легко окисляются также реагентом Толленса - раствором
аммиаката серебра. При этом выпадает осадок металлического серебра в
виде зеркального покрытия. Реакцию называют реакцией «серебряного
зеркала» и применяют для идентификации альдегидов.
150
Глава 19. Альдегиды и кетоны
/° © /°
R- С' + Ag(NH3)2°OH---------► R-c' + Ag° + NH3 + H2O.
H o®nh4®
альдегид аммониевая соль
карбоновой кислоты
Окисление кетонов протекает в более жестких условиях, так как сопро-
вождается разрывом углерод-углеродных связей (исключение составляет
галоформная реакция метилкетонов, см. выше). Для этого применяют
сильные окислители в кислой или щелочной среде. При этом кетон превра-
щается в енол или енолят-ион, который окисляется с разрывом двойных
связей и образованием смеси кислот.
С2-С3-
разрыв
654 321
/'II /'II /'II __/'_/'11 Г’1| MV1I1U4
сн3сн2сн2 с сн2сн3 HzS04 ,о
О С3-С4-
3-гексанон РазРыв
СН3СН2СН2СООН + СНзСООН
масляная кислота уксусная
кислота
2 СН3СН2СООН
пропионовая кислота
Практическое значение имеет окисление циклических кетонов, которые
дают дикарбоновые кислоты, применяемые в производстве поликонденсаци-
онных полимеров. Например, циклогексанон окисляют азотной кислотой в
присутствии пентаоксида ванадия и получают адипиновую кислоту - один из
компонентов производства найлона - полимера группы полиамидов.
HNO3, V2O5
циклогексанон
ноос
адипиновая кислота
Автоокисление альдегидов
Альдегиды окисляются кислородом воздуха до соответствующих карбо-
новых кислот. Такие продукты окисления часто загрязняют альдегиды. Реак-
ция представляет собой автоокисление альдегида и протекает в две стадии.
Стадия 1 - первоначально в результате свободнорадикального окисления
кислородом альдегид превращается в пероксикарбоновую кислоту:
//О R— сч Н альдегид //О + О2 ► R—С ООН перокси- карбоновая кислота
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
151
Стадия 2 - пероксикарбоновая кислота окисляет альдегид с образованием
карбоновой кислоты: . :
/О //° //°
R—+ R— —- 2R—
ООН Н ОН
перокси- карбоновая
карбоновая кислота
кислота
Предполагается, что последнее превращение также включает несколько
стадий.
Стадия 1 - молекула пероксикарбоновой кислоты присоединяется к кар-
бонильной группе альдегида по схеме реакции AdN‘.
R— С
ООН
Стадия 2 - атом водорода в виде гидрид-иона мигрирует от атома углеро-
да к атому кислорода:
лон о
Ч ~ II
R—с—о—о—с—R
1^
н
&
он
R~C\
он
©.. II
:о-с—r
• •
Стадия 3 - реакция завершается кислотно-основным взаимодействием:
//°
R—С\
ОН
//°
+ R— С
ОН
Реакция Байера-Виллигера
Кетоны окисляются пероксидами карбоновых кислот с образованием
сложных эфиров (реакция Байера-Виллигера, 1899 г.).
сн3сн2-с-сн2сн3 CFOg?H, сн2сн3-с' + CF3C(O)OH.
Й U: ОСН2СНз
3-пентанон этилпропаноат *
(75%)
152
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Механизм этой реакции аналогичен механизму окисления альдегидов
кислородом, но на второй стадии вместо гидрид-иона мигрирует алкил-анион.
ЛОН О ®ОН
<1 II ~с2н5 ||
С2Н5—С—ОдА)—С—CF3 = С2Н5-С-ОС2Н5 + CF3COO® =====
С2н5
о
II
= С2Н5-С-ОС2Н5 + CF3COOH
Циклические кетоны в этой реакции образуют циклические сложные
эфиры (лактоны).
Симметричные кетоны образуют в реакции Байера-Виллигера единст-
венный продукт окисления. При окислении несимметричных кетонов лег-
кость миграции алкильной группы снижается в ряду:
Н > трет-алкил > втор-алкил > фенил > н-алкил > метил.
Следующие примеры
Байера-Виллигера:
подтверждают региоселективность реакции
2-октанон
Н2О2
BF3, эфир
м-гексилацетат
(60%)
Восстановление
Получение спиртов
Альдегиды восстанавливаются в первичные спирты, кетоны - во вто-
ричные. В качестве восстановителей чаще всего применяют водород на ге-
терогенных катализаторах (Ni, Pd, Pt) или гидриды металлов (например,
LiAlH4 и NaBH4).
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
153
l)NaBH4r
2) Н3О®
r-ch2oh,
спирт
zz°
R-C\
Н
альдегид
1) LiAlH^
2) Н3О®
циклогексанон
циклогексанол
Натрийборгидрид значительно менее активен, чем литийалюминийгид-
рид, и как следствие - более избирателен. Его применяют для избиратель-
ного восстановления альдегидов и кетонов, содержащих и другие функцио-
нальные группы (COOR, CONH2, СООН, CN, NO2).
Карбонильная группа быстро и количественно восстанавливается также
дибораном в эфире или в тетрагидрофуране. На первой стадии образуется
эфир борной кислоты и соответствующего спирта, а на второй стадии вы-
деляется спирт. Так из пропаналя получают 1-пропанол.
СН3СН2СНО + ВН3 .....—► (СН3СН2СН2О)3В ► СН3СН2СН2ОН.
Получение углеводородов
Восстановление по Клемменсену проводят действием амальгамирован-
ного цинка и соляной кислоты. Этот метод применяется для соединений, ус-
тойчивых к действию кислот.
пропиофенон
Zn(Hg)
НС1 (конц.)
СН2СН2СН3
пропилбензол
При восстановлении по Кижнеру-Волъфу карбонильное соединение на-
гревают с избытком гидразина в присутствии щелочи (КОН, LiOH) в среде
диэтиленгликоля (растворитель). Промежуточно образуется гидразон, ко-
торый не выделяют. В присутствии щелочи гидразон разлагается с выделе-
нием азота и образованием углеводорода.
nh2nh2
кон, t°
N—NH2
t°
кон
циклогексанон
циклогексан
154
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Полагают, что гидразон претерпевает при этом следующие превраще-
ния: ,
1) R2C=N—NH2 + В®
3) r2ch—n=nh + в®
©
[ R2C=N—NH
©
r2c— n=nh ] + вн
н
r2c—n=nh + в®
©
r2ch—n=n + вн
4) R2CH—N=N®
5) R2CH + BH
r2ch + n2
r2ch2 + B®
Полагают, что движущей силой этих превращений с участием карбанио-
нов является образование в качестве продукта реакции чрезвычайно устой-
чивой молекулы азота.
Реакция Канниццаро
Альдегиды, которые не содержат атомы водорода у а-углеродного ато-
ма, не могут реагировать по схеме альдольной и кротоновой самоконденса-
ции (см. разд. 19.1.5). Однако с концентрированными водными растворами
щелочей они вступают в реакцию диспропорционирования, которая извест-
на как реакция Канниццаро (1853 г.).
В реакции участвуют две молекулы альдегида: одна из них окисляется,
другая - восстанавливается.
СбНд-С* + од-с* С6Н5-С* + С6Н5СН2ОН,
Н Н O®Na® бензиловый
бензальдегид бензальдегид . , -. бензоат натрия спирт
Н~С\ + Н—-KQg.tf5%2, н_с* + СН3ОН.
Н Н О® К® метанол
форм- форм- формиат калия
альдегид альдегид
Механизм реакции включает три стадии.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
155
Стадия 1 - присоединение гидроксид-иона к карбонильному атому угле-
рода:
.. о
:о:
।
н—с—он
Стадия 2 - перенос гидрид-иона с образовавшегося алкоксид-иона на кар-
бонильный атом углерода второй молекулы альдегида:
/70 НХ -.О
н—с. + н—с-о:
хон н ••
Стадия 3 — перенос протона от кислоты на алкоксид-ион:
..<3
н—с + сн3—о:
ОН-_
быстро
7/°
Н-с(,, 0 + СН3ОН
о:
Известны и перекрестные реакции Канниццаро. Реакция между бензаль-
дегидом и формальдегидом, например, приводит к окислению формальде-
гида до муравьиной кислоты (в виде формиата натрия) и восстановлению
бензальдегида до бензилового спирта.
/7О
+ н-сх
н
NaOH (конц.)
Н2О
СН2ОН + HCOO°Na®.
формиат
бензальдегид формальдегид
бензиловый спирт
натрия
Этот результат объясняется тем, что формальдегид легче присоединяет
нуклеофил (гидроксид-ион), чем ароматические альдегиды, у которых
вследствие сопряжения карбонильной группы с ароматическим ядром пони-
жена электрофильность карбонильного атома углерода (см. выше в этом
разделе).
19.1.5. Реакции енольных форм альдегидов и кетонов
СН-Кислотность и кето-енольная таутомерия
Электроноакцепторный эффект карбонильной группы объясняет высо-
кую СН-кислотность альдегидов и кетонов.
156
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Субстрат . РКа
сн3-сн3 этан 50,0
сн3-сосн3 ацетон хсосн3 20,0
сн2 чсосн3 9,0
ацетилацетон
Этот эффект относится, однако, только к а-С-Н-связям карбонильных соеди-
нений и имеет объяснение в терминах резонансной стабилизации карбаниона, об-
разующегося при отщеплении протона, находящегося у а-углеродного атома.
II
СН3-С-СН3
.4 II
сн2-с-сн3
. .©
:о:
।
сн2=с-сн3
+ н®
ацетон
(кето-форма)
Участие атома кислорода в делокализации отрицательного заряда в этом
анионе подтверждается возможностью электрофильной атаки, в том числе
протонирования аниона по атому кислорода с образованием енольной фор-
мы ацетона.
. .0 ' - - / - •- .
:о: он
СН2=С-СН3 + Н® СН2=С-СНз
ацетон
(енольная форма)
Для ацетона и подавляющего большинства других альдегидов и кетонов рав-
новесие между кетонной и енольной формами смещено в сторону кето-формы:
о . ОН
II I
СН3-С-СН3 сн2=с-сн3
ацетон
ХО /ОН
сн3-сх сн2=сх
н н
ацетальдегид
v- _ [енол] _ । с 1 п-7
л-равн - [КеТОн] “ ' 1и ’
Кравн = 2,0 IO’5,
цикло-
гексанон
Кравн = 5,0 10-5.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
157
Кетонная и енольная формы являются изомерами. Они различаются по-
ложением атома водорода, двойной и простой связей. Такой вид изомерии
называют таутомерией (см. разд. 6.4.3). В случае кетонов и альдегидов
речь идет о кето-енольной таутомерии. Хотя содержание енольной формы
в альдегидах и кетонах, как правило, невелико, их способность переходить
в енольную форму в значительной мере определяет их химическое поведение.
Енолизация
Процесс перехода кето-формы в енольную называют енолизацией.
Скорость енолизации возрастает в присутствии оснований и кислот.
В присутствии основания. Енолизация начинается с отрыва протона от
а-С-атома и образования енолят-иона.
+ :он®
• •
енолят-ион
Н2О
В присутствии кислот. Енолизация в полярных протонных растворите-
лях начинается с протонирования О-атома карбонильной группы.
Н2О
,с=с-он
Енолят-ионы являются амбидентными нуклеофилами: в зависимости от
растворителя и строения субстрата они могут реагировать в условиях реак-
ций Sn2 как по атому углерода, так и по атому кислорода. В спиртах и дру-
гих протонных растворителях атом кислорода енолят-иона сильно сольва-
тирован, поэтому реакция с галогеналканами идет почти исключительно по
атому углерода. В апротонных растворителях (диметилсульфоксид, диме-
158
Глава 19. Альдегиды и кетоны
токсиэтан, гексаметилфосфортриамид) атом кислорода енолят-иона не-
сольватирован, вследствие чего содержание продуктов О-алкилирования
резко возрастает.
2,2,4-триметил- 4,4-диметил-З-метокси-
-3-пентанон 2-пентен
(С-алкилирование) (О-алкилирование)
Применение высокоактивных субстратов также способствует О-алкили-
рованию. В частности, хлорсиланы реагируют с енолят-ионами преимуще-
ственно по атому кислорода.
цикло-
гексанон
триметилсилокси-
циклогексен
Обратите внимание! Для препаративных целей енолят-ион получают об-
работкой альдегида или кетона очень сильным основанием. В этом случае
часто применяют литийдиизопропиламид. Диизопропиламидат-ион являет-
ся очень сильным основанием, но по пространственным причинам имеет
лишь слабые нуклеофильные свойства.
Если кетон имеет два a-положения, из которых в присутствии подходя-
щего основания могут отщепляться протоны, то место ионизации во мно-
гом определяется устойчивостью промежуточно образующегося енолят-
иона. При этом если в a-положении к карбонильной группе имеется ал-
кильная группа, то более устойчивым оказывается енолят с более замещен-
ной двойной связью.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
159
-I
Литийдиизопропиламид. Раствор диизопропиламина в эфире, тетрагидрофуране или
1,2-диметоксиэтане обрабатывают бутиллитием. Поскольку кислотность бутана на 10 по-
рядков ниже кислотности диизопропиламина, выход продукта - количественный.
i
Например, при ионизации 2-метилциклопентанона в равновесной смеси
находится ~94% енолята А и лишь 6% енолята Б.
(основание)
2-метил-
циклопентанон
А: 94%
28 %
Б: 6 % - термодинамический
контроль
72 % - кинетический
контроль
Следует подчеркнуть, что эти данные относятся к условиям термодина-
мического контроля процесса енолизации, при которых быстро устанавли-
вается равновесие. Такие условия соблюдаются в спиртовых и водных щело-
чах. Применение очень сильных оснований, например трифенилметида лития
(С6Н5)3Се1л®, в апротонных растворителях благоприятствует образованию
менее замещенного енолята. В частности, при ионизации 2-метилциклопен-
танона в этих условиях содержание енолята Б достигает 72%. Взаимопревра-
щение форм А и Б затрудняется, вследствие чего их содержание определяет-
ся кинетическим контролем енолизации.
Рацемизация
Оптически активный альдегид или кетон, у которого а-углеродный атом
является хиральным и связан с атомом водорода, быстро подвергается ра-
цемизации, будучи растворен в водном этаноле в присутствии кислоты или
щелочи. Причиной рацемизации является быстро устанавливающееся кето-
енольное равновесие.
СН3 О
\ И
И^С-С-СНз
Ph
(Я)-З-фенил-
2-бутанон
сн3 ?н
/С=С-СН3
Ph
енол
(ахирален)
сн3 о
\ II
рь"7с-с-снз
н
(5)-3-фенил-
2-бутанон
Показанный механизм рацемизации затрагивает только а-углеродный
атом. Если в альдегиде или кетоне хиральным является иной атом, оптическая
активность соединения кето-енольным превращением не затрагивается.
160
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Дейтерообмен
Способность кетонов находиться в енольной форме доказывается благо-
даря протеканию реакции дейтерообмена. При растворении кетона в D2O,
содержащем DC1 или NaCl, все а-атомы водорода (и только !) замещаются
на дейтерий.
О
сн3сн2-с-сн2сн3 + d2o -еа
3-пентанон
О
II
CH3CD2-C-CD2CH3
2,2,4,4-с14-3-пентанон
2-метил-
циклогексанон
СНз
+ D2o jfee
2,6,6-с1з-2-метил-
циклогексанон
а-Галогенирование альдегидов и кетонов
Следствием СН-кислотности альдегидов и кетонов является их способ-
ность реагировать с галогенами (С12, Вг2,12) с замещением атомов водорода
при а-углеродном атоме.
Реакции ускоряются в присутствии как кислот, так и оснований.
СН3СНО + Вг2
ВгСН2СНО + НВг.
Бромацетальдегид. К раствору ацетальдегида (8,8 г; 0,2 моль) в эфире (50 мл) при
5-10 °C прибавляют раствор диоксандибромида (50 г; 0,2 моль) в эфире. После обесцвечи-
вания реакционную массу промывают водой, раствором соды и снова водой, после чего су-
шат. Продукт выделяют перегонкой, т. кип. 104-106 °C. Выход 7,5 г (30,5%).
С1
R-CH2-C-0 -NaO£^g R-сн-с=о NaogH26 R-c-c=o
Н Cl Н Cl н
альдегид
Скорости реакций галогенирования в присутствии катализатора
(основания или кислоты) не зависят от природы и концентрации галогена,
но зависят от концентрации катализатора. Его роль заключается в ускоре-
нии процесса енолизации карбонильного соединения.
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
161
Механизм основно-катализируемой реакции приведен ниже.
Стадия I - медленное образование енолят-иона:
+ Н2О
Стадия 2 - быстрое взаимодействие галогена с енолят-ионом:
.0. • • • •© 1 СЬ я
R—сн—С/=О ’------► R—сн=с—о: R— сн— С=О + С1°
I •• I •• II
Н Н С1 н
В щелочной среде реакцию трудно остановить на стадии моногалогени-
рования, поскольку в этих условиях моногалогенпроизводное быстрее под-
вергается енолизации (а следовательно, и последующему галогенирова-
нию), чем исходный альдегид или кетон. Поэтому в указанных условиях
легко образуются продукты исчерпывающего галогенирования.
Моногалогенкарбонильные соединения получают обычно в присутствии
кислот. В этих условиях образующийся моногалогенкетон медленнее под-
вергается енолизации (а соответственно и последующему галогенирова-
нию), чем исходный кетон.
Механизм кислотно-катализируемой реакции включает следующие
стадии.
Стадия 1 - медленное образование енола:
R—СН2~С:
I
Н
©
R—СН2—С=ОН
I
н
R—СН—С—ОН
I
н
н2о
- R—СН=С—ОН
н
+ Н3О®
Стадия 2 - быстрое электрофильное присоединение галогена по С=С-
связи енола:
50 5®
R— СН=сД)Н
Н
© 0
R— СН— С=ОН + С1°
I I
С1 Н
R— СН— С=О +
I I
С1 н
НС1
162
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Реакция завершается образованием сопряженной кислоты а-галогенкетона
и последующим ее депротонированием.
Галоформная реакция
Реакция метилкетона с галогеном (С12, Вг2,12) в концентрированном рас-
творе щелочи приводит к получению тригалогенметилкетона, который
легко расщепляется щелочью.
бензоат натрия
+ СНС13.
хлороформ
С1
I
С-С-С1
II I
О С1
NaOH
н2о
Продуктами реакции являются карбоновая кислота (в виде натриевой соли)
и галоформ.
Реакция расщепления протекает по механизму нуклеофильного присо-
единения по карбонильной группе:
?Н /О
сн3—с-^-с—о
Й: С1
••0
/он
сн3—с
V
о
//°
снз“Сч.,0
о:
+ снс13
Реакцию применяют для получения карбоновых кислот и галоформов
(СНВг3, СН13),
с6н5-с-сн3
О
ацетофенон
/°
N.OH.H,O- С6Н5-ф э в + СНВгз,
О Na бромоформ
бензоат натрия
а также для идентификации метилкетонов по образованию желтого осадка
СН13 (йодоформная реакция).
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
163
R-С-СНз
II
О
метилкетон
3 12 .
NaOH, Н2О
R~c\
0е Na®
+ |СН13.
осадок
желтого цвета
Следует, однако, иметь в виду, что положительную йодоформную реак-
цию дают также вторичные спирты RCH(OH)CH3, амины, Р-дикетоны, ок-
симы, простые виниловые эфиры и некоторые другие соединения.
Аминометилирование по Манниху
Протонная подвижность атомов водорода, находящихся в альдегидах и
кетонах в a-положении к карбонильной группе, обнаруживает себя и в
реакции аминометилирования (реакция Манниха, 1912 г.). Аминометили-
рование соединений с подвижным атомом водорода проводят действием
формальдегида и аммиака. Например, при нагревании ацетофенона с диме-
тиламином и параформом в присутствии НС1 с хорошим выходом получают
Р-(Н,Н-диметиламино)пропиофенон.
ацетофенон
(CH3)2NH НС1 + (СН2О)П
гидрохлорид
диметиламина
COCH2CH2N(CH3)2
на, t° ь ||
этанол И
Р-(М,М-диметиламино)-
пропиофенон
$-(Ы,Ы-Диметиламино)пропиофенон. Смесь ацетофенона (60 г; 0,5 моль), гидрохлори-
да диметиламина (52,7 г; 0,65 моль), параформа (19,8 г; 0,66 моль), 1 мл конц. НС1 и
95%-го этанола (80 мл) нагревают на водяной бане в течение 2 ч. Теплый желтый раствор
разбавляют ацетоном (400 мл) и охлаждают в ледяной бане. Кристаллы отфильтровыва-
ют, т. пл. 138-141 °C. Выход 62 г (70%).
Альдольная конденсация (присоединение)
и кротоновая конденсация
Енольные формы альдегидов и кетонов получаются также в ходе реак-
ций альдольной конденсации, или альдольного присоединения. В присутст-
вии разбавленных растворов (5-10%) едкого натра альдегиды и кетоны об-
разуют Р-гидроксиальдегиды и Р-гидроксикетоны.
164
Глава 19. Альдегиды и кетоны
7- a NaOH/HiO I
сн3-сч + н-сн2-сч ----------— сн3-сн-сн2-с.
НН Н
ацетальдегид ацетальдегид альдоль
(альдегид-алкоголь)
Непременным условием реакции является наличие в молекуле альдеги-
да (или кетона) атома водорода в a-положении к карбонильной группе. В
щелочной среде а-С-Н-связь ионизируется, а образовавшийся енолят-ион
как сильный нуклеофил присоединяется к карбонильной группе другой, не-
ионизированной молекулы карбонильного соединения.
Механизм альдольной конденсации
Схема альдольной конденсации рассмотрена ниже на примере реакции, ка-
тализируемой основанием.
Стадия 1 - образование енолят-иона - сильного нуклеофила:
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение енолят-иона к карбонильной
группе неионизированной молекулы альдегида:
<8© *С)’0
®. 7/° I 7/°
сн3—С + сн2—С 5==: сн3—сн—сн2—с
8® н н н
алкоксид-ион
Н2О
Стадия 3 - протонирование алкоксид-иона с регенерацией катализатора —
гидроксид-иона:
:Ь:° п . он п
I Н2О I Г® п
сн3-сн—сн2—сч сн3-сн—сн2—с + ®он
н н
Продукты альдольной конденсации - Р-гидроксиальдегиды и Р-гидро-
ксикетоны - в присутствии оснований при слабом нагревании легко отщеп-
ляют воду. При этом образуются а,Р-ненасыщенные альдегиды и кетоны -
продукты кротоновой конденсации.
°Н /О
сн3-сн-сн2-с'
н
3-гидроксибутаналь
NaOH
Н2О, г°
сн3-сн=сн-с' + Н2О.
н
кротоновый альдегид
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
165
Механизм кротоновой конденсации
Кротоновая конденсация начинается с образования альдоля. Последую-
щая дегидратация Р-гидроксикарбонильного соединения, катализируемая
основанием, протекает через сопряженное основание - енолят-ион. Схема
кротоновой конденсации приведена ниже.
Стадия 1 - медленное образование енолят-иона:
ОН Н п
I I
сн3-сн-сн-с
“ н
\.®.
:он
-н2о
?н Я zO
сн3-сн-сн-сч —
н
?н /О:
-—► сн3-сн-сн=сч* ’
н
Стадия 2 - быстрое отщепление гидроксид-иона от енолят-иона:
г ОН ' п
Ч о..
сн3—сн—сн—сч ----------- сн3—сн=сн—с' + :он
и н
На примере пропаналя видно, что с гомологами ацетальдегида альдоль-
ная и кротоновая конденсации протекают аналогично.
/° а 7°
СН3СН2-С^ + СН3-СН-с' -наоц> .........
Н й н
пропаналь пропаналь
?Н а тР а /О
------- сн3сн2-сн-сн-сч СН3СН2-СН=С-СЧ + Н2О.
сн3 н сн3 н
З-гидрокси-2-метилпентаналь 2-метил-2-пентеналь
Продукты альдольной конденсации, не содержащие атомов водорода
при а-углеродном атоме, не отщепляют воду в присутствии оснований. Их
дегидратация возможна только в присутствии кислот по механизму Е1.
166
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Н2О
кротоновая
конденсация
не идет.
/° а /°
сн3-сн-с\ + сн3-сн-с'
I н I и
СНз н СН3 н
2-метилпропаналь 2-метилпропаналь
он сн3 п
I I а -У NaOH
-----► сн3—сн—сн—с—с.
I I М Нг0’!°
СНз СН3 Н
3-гидрокси-2,2,4-триметил-
пентаналь
По сравнению с альдегидами кетоны значительно труднее вступают в
реакцию альдольного присоединения. При проведении реакции с концент-
рированными щелочами или в присутствии кислот продукты альдольного
присоединения не удается выделить с хорошим выходом. В результате ре-
акции преимущественно образуются продукты кротоновой конденсации.
О ОН
СН3-С-СН3 + н-сн2-с-сн3 ~ СН3-С-СН2-С-СН3
' J II Н2О I II Н2О, ‘
ацетон О СН3 О
ацетон 4-гидрокси-4-метил-2-пентанон
------ СН3-С=СН—С-СНз + Н2О.
сн3 0 ,
4-метил-3-пентен-2-он 4 • ’
(мезитилоксид) : *
Перекрестные конденсации
Во всех приведенных выше примерах в реакциях альдольной и кротоно-
вой конденсаций участвовали только те альдегиды и кетоны, у которых
имеется водород при а-углеродном атоме, т. е. альдегиды и кетоны, способ-
ные к енолизации.
Реакции альдольной и кротоновой конденсаций не идут с альдегидами и
кетонами, у которых отсутствует водород при а-С-атоме, т. е. с теми альде-
гидами и кетонами, которые не способны к образованию енольных форм.
Аг-С'
Н
ароматические
альдегиды
//°
н-сч
н
формальдегид
(СНз)зС-<
Н
пивалевый
альдегид
II
Аг-С-Аг
диарилкетон
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
167
Однако хотя перечисленные альдегиды и кетоны и не могут ионизиро-
ваться с образованием енолят-ионов, они могут участвовать в перекрестных
конденсациях, выступая в них в виде неионизированных форм.
Реакция Кляйзена-Шмидта
Например, перекрестная конденсация ароматических альдегидов с ено-
лизируемыми алифатическими альдегидами и кетонами, катализируемая
основаниями, приводит к гидроксикарбонильным соединениям, в которых
гидроксигруппа находится рядом с ароматическим ядром. Такие гидрокси-
карбонильные соединения столь быстро дегидратируются при комнатной
температуре, что их невозможно выделить. При этом образуются «^-нена-
сыщенные альдегиды и кетоны, стабилизированные сопряжением с арома-
тическим ядром (реакция Кляйзена-Шмидта, 1881 г.).
Ниже приведены примеры получения коричного альдегида:
+ сн3-с'
н
NaOH
Н2О
ОН о
I //
сн-сн2-сч
н.
быстро
бензальдегид ацетальдегид
+ Н2о
коричный альдегид
и бензалъацетона:
+ сн3-с-сн3
II
О
ацетон
NaOH
Н2О
ОН
I
сн-сн2-с-сн3
II
о
быстро
бензальацетон
н2о.
Так же легко протекает реакция перекрестной конденсации бензальде-
гида и с алкилароматическими кетонами.
168
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Халкон (бензальацетофенон). Бензальдегид (46 г; 0,43 моль) прибавляют к охлажден-
ному льдом раствору ацетофенона (52 г; 0,42 моль) и едкого натра (21,8 г; 0,54 моль) в сме-
си воды (200 мл) и этанола (125 мл). Смесь размешивают в течение нескольких часов, по- ,
еле чего продукт отфильтровывают в виде светло-желтых кристаллов, т. пл. 55-57 °C. Вы- !
ход 77 г (88%). I
Перекрестные конденсации возможны и между различными карбониль-
ными соединениями, каждое из которых имеет водород у а-углеродного ато-
ма. Однако если альдольная конденсация таких соединений проводится по
обычной методике, то ее результатом оказывается сложная смесь продуктов.
Четыре различных альдоля могут образоваться в альдольной конденсации
двух альдегидов, каждый из которых способен к альдольной конденсации.
RCH2CHO + R'CH2CHO
ОН R
I I
rch2ch-chcho
ОН R’
I I
rch2ch-chcho
ОН R
I I
R’CH2CH-CHCHO
ОН R’
I I
rch2ch-chcho
Препаративного значения такие перекрестные конденсации не имеют.
Однако разработаны методики, по которым подобные конденсации удает-
ся проводить с высоким выходом целевого альдоля.
По одной из таких методик вместо гидроксид-иона в воде или этоксид-
иона в этаноле в качестве катализатора применяют значительно более
сильное основание, например литийдиизопропиламид. Это основание коли-
чественно превращает альдегид или кетон в енолят-ион, что исключает
альдольную конденсацию. Вместе с тем, если к полученному енолят-иону
добавить другой кетон или альдегид, с высоким выходом протекает пере-
крестная альдольная конденсация.
сн3сн2-с^
н
®. 0
Li I N(CjH7)2
ТГФ, -78 °C
о®
I
СН3СН=СН
СН3СН~СН Li®
пропаналь
®OLi® О
I II
— СН3-СН-СН(СН3)-СН
СН3-СН-СН(СН3)-СН
З-гидрокси-2-метилбутаналь
19.1. Насыщенные и ароматические альдегиды и кетоны
169
Применение очень сильного основания и апротонного растворителя поз-
воляет избирательно провести перекрестную альдольную конденсацию да-
же с участием несимметричного кетона.
О
II
сн3-с-сн2сн3
2-бутанон
© е.°.
Li NlC^Hyj)
ТГФ, -78 °с’
. . ©
:о:
।
сн2=с-сн2сн3
---- СН2-С-СН2СН3 Li®
®OLi® О
I 11 н2о
сн3-сн-сн2-с-сн2сн3
он о
I II
сн3- сн- сн2- с- СН2СН3
5-гидрокси-З-гексанон
Этот пример необходимо обсудить более подробно. Под действием осно-
вания молекула 2-бутанона может ионизироваться как по метиленовой
группе, так и по а-метильной группе. Однако, как показано выше, иониза-
ция метильной группы в апротонном растворителе более предпочтительна
и идет с образованием карбаниона (А).
.°. II II .°.
сн2-с-сн2сн3 сн3-с~снсн3
А Б
)
Более того, такой карбанион по пространственным причинам является и
более реакционноспособным в последующем нуклеофильном присоедине-
нии к карбонильной группе неионизированного ацетальдегида.
Следующие два примера показывают, что направление альдольной кон-
денсации зависит и от других факторов, в частности от термодинамики пе-
реходного состояния.
Например, внутримолекулярная циклизация 2,5-гександиона в водном
растворе едкого натра обнаруживает ионизацию одной из концевых ме-
тильных групп. Продуктом реакции является З-метил-2-циклопентенон.
Образования напряженного производного циклопропана, которому должна
была бы предшествовать ионизация метиленовой группы, не наблюдается.
170
Глава 19. Альдегиды и кетоны
З-метил-2-циклопентенон
Напротив, при обработке основанием 2,7-октандиона внутримолекулярную
нуклеофильную атаку одной из карбонильных групп осуществляет лишь уг-
леродный атом ионизированной метиленовой группы.
1 -ацетил-2-метил-
циклопентен
Образование пятичленного цикла в переходном состоянии (что ведет к
получению 1-ацетил-2-метилциклопентена) оказывается явно более пред-
почтительным, чем циклизация до производного циклогептанона.
19.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны
171
19.2. НЕНАСЫЩЕННЫЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
19.2.1. Классификация
Ненасыщенные альдегиды и кетоны составляют группу ненасыщенных
карбонильных соединений, которые представляют собой соединения, со-
держащие двойные или тройные углерод-углеродные связи и карбониль-
ную группу. К ним относят ненасыщенные альдегиды, кетоны, а также кар-
боновые кислоты и их функциональные производные.
В зависимости от взаимного расположения групп С=С и С=О различают
ненасыщенные карбонильные соединения двух типов: с несопряженными и
сопряженными двойными связями.
Ненасыщенные карбонильные соединения
с несопряженными двойными связями
-С=С-(СН2)„-С=О
III
где п > 1. " - '
Двойные связи С=С и С=О в таких соединениях не сопряжены. Эти
соединения вступают как в реакции, характерные для алкенов, так и в реак-
ции, характерные для соответствующих карбонильных соединений.
Соединения с несопряженными связями термодинамически менее ста-
бильны, чем а,[3-ненасыщенные (т. е. сопряженные) карбонильные соедине-
ния. Вследствие этого [3,у-ненасыщенные альдегиды, например, имеют тен-
денцию превращаться в более стабильные а,[3-ненасыщенные альдегиды.
Y Р а Y Ра /О
сн2=сн-сн2-с' ------ сн3-сн=сн-с'
н н
винилуксусный альдегид кротоновый альдегид
Миграция двойной связи, вероятно, происходит в результате енолизации
исходного альдегида, обладающего значительной СН-кислотностью. Обра-
зующийся диенол имеет сопряженную систему связей и может присоеди-
нять протон как к а-, так и к у-углеродному атому.
172
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Р,у-ненасыщенный
альдегид
/Н рУ
/С=С уэ-н =
И ,С=СЧ
н н
диенол
а,Р-ненасыщенный
альдегид
Такая перегруппировка особенно быстро проходит в присутствии осно-
вания или кислоты, которые ускоряют образование енолят-иона и диенола
соответственно.
Ненасыщенные карбонильные соединения
с сопряженными двойными связями
Р а
—с=с-с=о
I I I . г '
а,Р-Ненасыщенные альдегиды и китоны проявляют не только свойства
отдельных функциональных групп С=С и С=О, но и особые свойства, обус-
ловленные их сопряжением.
Такие альдегиды и кетоны представляют собой пример простейших не-
насыщенных карбонильных соединений.
СН2=СН-С=О
Н
пропеналь
(акриловый альдегид,
акролеин)
сн2=сн-с-сн3
о
З-бутен-2-он
(метилвинилкетон)
сн3-сн=сн-с=о
н
2-бутеналь
(кротоновый альдегид)
С6Н5-СН=СН-С=О
н
3-фенилпропеналь
(коричный альдегид)
19.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны
173
19.2.2. Способы получения
Каждая из показанных ниже реакций уже была подробно рассмотрена в
этой главе.
Дегидратация альдолей (кротоновая конденсация)
.О ,0
q г? 11 _р/ NaOH» рц _рт|—рп _р/ NaOH»
Н?О ^^3 ^2 С u q ?о
н он и
ацетальдегид , 3-гидроксибутаналь
/О
------ сн3-сн=сн-с' + Н2О.
2-бутеналь ’ ’ -
Перекрестная конденсация Кляйзена-Шмидта
ароматических альдегидов
с алифатическими альдегидами и кетонами
/° /О /О
С6н5-С^ + СНз-Ср с6н5-сн=сн-с' + Н2О.
НН2 н
бензальдегид ацетальдегид коричный альдегид
Окисление ненасыщенных спиртов
r-ch=ch-ch2oh r-ch=ch-c*
аф-ненасыщенный спирт И
аф-ненасыщенный
альдегид
19.2.3. Электронное строение
Электронное строение фрагмента
\-С-('=О
' I I ;
подобно строению соседних С=С-связей в сопряженных алкадиенах. Три
атома углерода и один атом кислорода имеют хр2-гибридизацию и находят-
174
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Рис. 19.5. Энергетическая диаграмма и графические изображения граничных
молекулярных орбиталей акролеина
ся в одной плоскости. В этой же плоскости локализованы электроны про-
стых о-связей. Негибридизованные 2рг-орбитали, локализованные на каж-
дом атоме углерода и кислорода, перпендикулярны плоскости молекулы и
образуют систему сопряженных л-связей.
С~С<8®<?.80
с=о:
Энергия сопряжения С=С и С=О-связей сопоставима с энергией сопря-
жения связей С=С в алкадиенах. Однако в отличие от сопряженных алкади-
енов л-электронное облако а,Р-ненасыщенных альдегидов и кетонов поля-
ризовано, что вызвано наличием в молекуле атома кислорода - атома, бо-
лее электроотрицательного, чем углерод.
Делокализацию электронов в аД-ненасыгценных альдегидах и кетонах
иллюстрируют следующие резонансные структуры:
\ ® ..о
>=с-с-б: -—- /С-с=с-р:
/ | | " z I I
Результаты расчета молекулы акролеина методом МОХ подробно об-
суждены ранее. На рис. 19.5 показаны лишь уровни энергий его граничных
орбиталей и их графические изображения. Ниже приводятся также собст-
венные коэффициенты граничных орбиталей акролеина.
1 2 3 4
сн2=сн-сн=о
19.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны
175
Фз(НСМО) =-°’682Х1 + °>383%2 + 0,467%3 - 0,413%4,
ф2(взмо) = 0,639X1 + 0,659%2 + 0,042%3 - 0,395%4.
Как видно, и ВЗМО, и НСМО сформированы при активном сопряжении
л(С=С)- и л:(С=О)-орбиталей.
Данные об электронном строении аф-ненасыщенных карбонильных со-
единений показывают, что карбонильная группа оттягивает л-электронную
плотность из двойной связи. При этом и углеродный атом карбонильной
группы, и Р-углеродный атом оказываются положительно заряженными. О
значительном разделении зарядов в молекулах а,0-ненасыщенных карбо-
нильных соединений говорят, в частности, повышенные значения их ди-
польных моментов.
О
бутаналь
(ц = 2,7D)
О
транс-2-бутеналь
(ц = 3,7D)
Следствием эффективного сопряжения С=О- и С=С-связей является
пониженная реакционная способность а,0-ненасыщенных карбонильных
соединений в реакциях Ас?£-типа. С электрофильными агентами (бром, пе-
роксикарбоновые кислоты) эти соединения реагируют значительно менее
активно, чем простые алкены.
Другим важным следствием сопряжения кратных связей в аф-ненасы-
щенных карбонильных соединениях является их способность реагировать
не только отдельно по С=С- или С=О-связи (реакции 1,2-типа), но и по кон-
цам сопряженной системы (реакции 1,4-типа).
19.2.4. Реакции
Реакции присоединения аф-ненасыщенных альдегидов и кетонов могут
протекать по типу 1,2-присоединения, т. е. только по связям С=С или С=О
(прямое присоединение)
\ I I '
С=С-С=О + X-Y -------► С-С-С=О или с=с-с-о
/ II II
X Y X Y
или по типу 1,4-присоединения, т.е. по концам сопряженной системы
(сопряженное присоединение)'.
\ I I III
r=C-C=O + х-Y --------- C-C=C-O-Y
/ I
X
176
Глава 19. Альдегиды и кетоны
1,2-Присоединение
Присоединение галогенов (С12 и Вг2) протекает по С=С-связи.
Вг О0
сн2=сн-с сн2-сн-с
Н Вг Вг Н
акролеин _
г 2,3-дибромпропаналь -
сн3-с-сн=сн2 сн3-с-сн-сн2
О О С1 С1
З-бутен-2-он 3,4-дихлор-2-бутанон
Диеновый синтез - еще один пример реакции 1,2-присоединения акроле-
ина.
/СН2
НС
нсхЧ
сн2
1,3-бутадиен
/О
/Сч
НС н
II
Н2С
акролеин
е
СС14
1-формил-
3-циклогексен
Взаимодействие ряда нуклеофильных реагентов с аф-ненасыщенными
альдегидами протекает как 1,2-присоединение по С=О-группе.
/О ?Н
сн2=сн-с' сн2=сн-c-c=N - ’
тт ( ОН) I
Н н
акролеин 2-гидрокси-З-бутеннитрил
О он
сн3-сн=сн-с* —Нз°е> сн3-сн=сн-с-сн3
н ।
З-пентен-2-ол Н
кротоновый альдегид
с6н5-сн=сн-с* -Hz0H> c6h5-ch=ch-ch=noh
Н оксим коричного альдегида
коричный альдегид
19.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны
177
1,4-Присоединение электрофильных реагентов
Сопряженное (или 1,4-) присоединение протекает с участием электро-
фильных реагентов НС1, НВг, Н2О/Н®, СН3ОН/Н® «против» правила Мар-
ковникова. . :
сн3-сн=сн-с-сн3
.0
З-пентен-2-он •
сн2=сн-с^ 1|'~1!г-
н
акролеин
И: О ctr с tr_— с' ctr
(H2SO4) СН3 । СН2 С СН3
ОН о
4-гидрокси-2-пентанон
сн2-сн2-сч
Вг Н
3-бромпропаналь
Механизм реакции включает следующие стадии.
Стадия 1 - протонирование карбонильной группы и образование резо-
нансно-стабилизированного катиона:
сн2=сн—с^*** «н~Вг>
Н
©
/Ь’-н ©/ОН © /ОН
сн2=сн—сч -—* сн2=сн—сч -—► сн2—сн=сч
Н НН
резонансные структуры протонированного акролеина
©
' * 70Н
СН2—СН—Сч + Вг® .
н
резонансный гибрид
Стадия 2 - присоединение бромид-иона:
® -вс
сн2—СН=СН— ОН сн2-сн=сн—ОН
Стадия 3 - образовавшийся енол, продукт 1,4-(или сопряженного) присо-
единения, перегруппировывается на заключительной стадии в кето-форму:
сн2-сн=сн—ОН
I
Вг
//°
сн2-сн2-сч
1 Н
Вг
178
Глава 19. Альдегиды и кетоны
1,4-Присоединение нуклеофильных реагентов
Присоединение многих С-нуклеофилов к а,Р-ненасыщенным кетонам
часто протекает также по типу 1,4-присоединения. Так присоединяются, в
частности, цианид-ион и литийдиалкилкупраты.
с6н5-сн=сн-с-с6н5
О
KCN
(этанол-
уксусная кислота)
1,3-дифенил-2-пропен-1 -он
© 0
+ ЫСи(СН3)2
3-метил-
2-циклогексенон
(диэтиловый
эфир)
с6н5-сн- сн2—с—С6Н5
C=N О
4-оксо-2,4-дифенилбутаннитрил
3,3-диметил-
циклогексанон
Присоединение реагентов Гриньяра
Реагенты Гриньяра образуют с аф-ненасыщенными кетонами смесь
продуктов 1,4- и 1,2-присоединения.
с6н5-сн=сн-с-сн3
1 2 3
OMgBr
с6н5 - сн- сн= с- сн3
С2Н5
с6н5-сн-сн2-с-сн3
С2Н5 о
4-фенил-2-гексанон (57%)
(продукт 1,4-присоединения)
OMgBr
+ с6н5-сн=сн-с-сн3
с2н5
он
I
+ с6н5-сн=сн-с-сн3
С2н5
3-метил-5-фенил-4-пентен-3-ол (37%)
(продукт 1,2-присоединения)
Ниже показана последовательность стадий реакции 1,4-присоединения.
1 2 3 4 1 2 3 4
С6н5—СН=СН~ С=О + C2H5MgBr ---------► С6Н5—СН—СН=С—OMgBr
СНз С2Н5 СНз
19.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны
179
1 2 3 4 1 2 3 4
С6н5—сн— СН=С—OMgBr + н2о ----- с6н5—сн—сн=с—он
С2н5 СНз С2Н5 СНз
1 2 3 4 1 2 3 4
с6н5—сн—сн=с—он » с6н5—сн—сн2—с=о
С2н5 СНз С2Н5 СНз
Как и реакции сопряженных алкадиенов с электрофильными реагента-
ми, реакции а,[3-ненасыщенных альдегидов и кетонов с нуклеофильными
реагентами подчиняются или кинетическому, или термодинамическому
контролю.
1,2-Присоединение протекает быстрее, чем 1,4-присоединение и являет-
ся преобладающим, если 1,2- и 1,4-аддукты не находятся в состоянии равно-
весия. Кинетическому контролю с образованием 1,2-аддукта, как правило,
подчиняются реакции с сильноосновными нуклеофилами.
Слабоосновные нуклеофилы присоединяются к углеродному атому кар-
бонильной группы обратимо, так что 1,2-аддукт оказывается в равновесии
с медленно образующимся, но более стабильным 1,4-аддуктом. Реакции со
слабоосновными нуклеофилами подчиняются термодинамическому кон-
тролю и сопровождаются образованием 1,4-аддукта.
Соотношение между 1,2- и 1,4-типами присоединения к аф-ненасыщен-
ным альдегидам и кетонам иллюстрируется следующей схемой:
+ HY
быстрое
1,2-присоединение
менее стабильный
продукт
медленное
1,4-присоединение
быстрое
кето-енольное
превращение
более стабильный
продукт
Реакция Михаэля (присоединение по Михаэлю) v
Важной в синтетическом отношении реакцией сопряженного присоеди-
нения аф-ненасыщенных кетонов является присоединение по Михаэлю
(1887 г.). В качестве нуклеофила в этой реакции часто выступают енолят-
ионы, полученные из [3-дикетонов. Такие карбанионы являются сопряжен-
ными основаниями сравнительно сильных СН-кислот и относятся к числу
слабых оснований.
180
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Низкая основность енолят-ионов Р-дикетонов объясняется резонансной
делокализацией отрицательного заряда в них.
В реакции Михаэля низкоосновные С-нуклеофилы реагируют с аф-не-
насыщенными кетонами по типу 1,4-присоединения.
2-метил-1,3-цикло-
гександион
О
II
сн2=сн-с-сн3
кон
(метанол)
метилвинилкетон
о
/СН3 О
\ Г\ II
I IJCH2CH2-C-CH3
2-метил-2-(3'-оксобутил)-
1,3-циклогександион
О реакциях Михаэля аф-ненасыщенных кетонов с другими низкооснов-
ными нуклеофилами - производными сильных СН-кислот - см. также в
разд. 20.4.4.
Окисление
Окисление аф-ненасыщенных альдегидов до соответствующих кислот и
их производных может быть проведено только мягкими окислителями, на-
пример комплексным ионом - аммиакатом серебра.
СН3-СН=СН-С* Ag(NH3)2°H. СН3-СН=СН-С/е
Н ONH4
кротоновый альдегид аммониевая соль
кротоновой кислоты
Сильные окислители окисляют также и двойную связь С=С, что приво-
19.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны
181
дит к деструкции молекулы.
/О /О
сн3-сн=сн-с' н кротоновый альдегид СНз 2С°2’ ОН уксусная кислота
Восстановление
Реакции восстановления могут затрагивать либо углерод-углеродную
двойную связь, либо углерод-кислородную двойную связь. Как правило, на-
трийборгидрид и литийалюминийгидрид преимущественно восстанавлива-
ют карбонильную группу до гидроксильной, а двойная связь С=С при этом
сохраняется. t
сн3-сн=сн-сно сн3-сн=сн-сн2он.
j эфир u ~
кротоновый альдегид 2-бутенол
В некоторых случаях применение этих восстановителей приводит, одна-
ко, к смеси двух продуктов.
2-циклогексенон
2-циклогексенол циклогексанол
(59%) (41%)
При гидрировании водородом в присутствии палладия на угле или СаСО3
связи С=С и С=О гидрируются независимо друг от друга, причем связь С=С
гидрируется легче, чем С=О.
При частичном гидрировании а,[3-ненасыщенных альдегидов образуется
смесь продуктов гидрирования.
сн3-сн=сн-сно
кротоновый альдегид
/О
------ сн3-сн2-сн2-с' + сн3-сн=сн-сн2он.
бутаналь Н 2-бутенол
При гидрировании 2 моль водорода образуется насыщенный спирт.
сн3-сн=сн-сно сн3-сн2-сн2-сн2он.
кротоновый альдегид бутанол
182
Глава 19. Альдегиды и кетоны
При частичном гидрировании а,Р-ненасыщенных кетонов реагирует
только связь С=С.
н, .
(сн3)2с=сн-с-сн3 (СН3)2СН-сн2-с-сн3
о о
4-метил-3-пентен-2-он 4-метил-2-пентанон
Восстановление литием в жидком аммиаке или амальгамой натрия в вод-
ном спирте также приводит к насыщенным карбонильным соединениям.
СН3-СН=СН-С-СН3 + Li NHj (жидк'2
II •
°
З-пентен-2-он
О -
II
---► СН3-СН2-СН2-С-СН3 + LiNH2.
2-пентанон
19.3. КЕТЕНЫ
Соединения, содержащие кумулированные (т.е. расположенные рядом)
С=С- и С=О-связи, называют кетенами.
^С=С=О
Ниже показаны простейшие кетены.
. СН3
СН2=С=О СН3-СН=С=О /С=С=О
кетен метилкетен СЩ
диметилкетен
Как видно, кетен представляет собой карбонильный аналог аллена.
19.3.1. Способы получения
Пиролиз уксусной кислоты
Пиролиз уксусной кислоты проводят в присутствии катализатора.
А1РО4
сн3—СООН СН2=С=О + Н2О
уксусная кислота кетен
19.3. Кетены
183
Пиролиз ацетона
Пиролиз ацетона до кетена не требует катализатора и протекает, как по-
лагают, по цепному радикальному механизму.
СН3-С-СН3 71)|)"751Г(» СН2=С=О + СН4. ’ _ 7
q кетен метан
ацетон - . .
Замещенные кетены
Замещенные кетены получают обработкой галогенангидридов карбоно-
вых кислот триэтиламином:
ГЛ/Н (C2H5)3N L /\ (эфир) СОС1 [^>=С=О + (C2H5)3NHC1
хлорангидрид циклопентан- карбоновой кислоты тетраметилен- кетен
или взаимодействием галогенангидридов а-галогенкарбоновых кислот с
цинковой пылью:
Вг СНз-С-СОВг - Zn > СН3 бромангидрид 2-бром-2-метилпропановой кислоты СН3 ^С=С=О + ZnBr2. CH3Z диметилкетен
19.3.2. Физические свойства и строение
Кетен представляет собой бесцветный газ, т. кип. -41 °C. Легко полиме-
ризуется с образованием дикетена (бесцветная жидкость, т. кип. 127,4 °C).
Строение кетена подобно строению аллена. Атом углерода карбониль-
ной группы находится в состоянии хр-гибридизации. Второй атом углерода
и атом кислорода находятся в хр2-гибридном состоянии.
/С—с—о
184
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Две л-связи - С=С и С=О - находятся, таким образом, во взаимно
перпендикулярных плоскостях, что исключает их перекрывание, а следо-
вательно, и сопряжение.
19.3.3. Реакции
Кетен энергично реагирует с водой и другими веществами, содержащи-
ми активный водород (спиртами, первичными и вторичными аминами,
кислотами и т. д.) уже при комнатной температуре При этом образуются
функциональные производные уксусной кислоты. . -.
сн2=с=о + н2о----------- СН3СООН
кетен уксусная кислота
/О
сн2=с=о + С2Н5ОН----------- сн3-с(
ос2н5
этилацетат
сн2=с=о + c2h5nh2---------- сн3-с^
NHC2H5
N-этиламид уксусной кислоты
сн2=с=о + сн3соон------------ сн3—с—о—с—сн3
о о
уксусный ангидрид
Как видно, кетен является исключительно эффективным и удобным
ацилирующим агентом. Реакции ацилирования с его участием не сопровож-
даются образованием каких-либо побочных продуктов и идут с количест-
венным выходом по следующей общей схеме:
сн2-с-х-н
При хранении кетена в течение нескольких часов при низкой температу-
ре образуется дикетен.
сн2=с=о
+
сн2=с=о
СНт— с о
сн2-с=о
дикетен
19.4. Хиноны
185
, Если кетен представляет собой газ (т. кип. -48 °C), то дикетен является
жидкостью с т. кип. 127 °C. Дикетен не смешивается с водой, обладает сле-
зоточивым действием и удушающим запахом. Дикетен - это Р-лактон
енольной формы ацетоуксусной кислоты. Он легко вступает в реакции при-
соединения с соединениями, содержащими подвижный атом водорода, и с
количественным выходом образует соответствующие функциональные
производные ацетоуксусной кислоты.
сн2=с—о
I |8® 80
сн2-с=о
дикетен
С2Н5ОН
° п
и ^9
сн3-с-сн2-с
ОС2Н5
ацетоуксусный эфир
19.4. ХИНОНЫ
Циклические аф-ненасыщенные дикетоны называют хинонами.
Наиболее распространены 1,2- и 1,4-циклогексадиендионы (1,2- и 1,4-
хиноны), которые именуют как производные соответствующих ароматиче-
ских систем.
9,10-антрахинон
1,4-бензохинон 1,4-нафтохинон
19.4.1. Способы получения
1,2-Бензохинон получают окислением пирокатехина оксидом серебра.
Ag2O
эфир
пирокатехин
1,2-бензохинон
1,2-Бензохинон образует красные кристаллы, при хранении весьма неус-
тойчив, на воздухе быстро окисляется и полимеризуется.
1,4-Бензохинон получают окислением гидрохинона дихроматом калия в
186
Глава 19. Альдегиды и кетоны
серной кислоте.
гидрохинон
1,4-бензохинон
Окислением замещенных фенолов, анилинов, н-аминофенолов получа-
ют замещенные бензохиноны.
ci2 HNO3
HC1 (конц.) 1°
2,3,5,6-тетрахлор-
бензохинон
(хлоранил)
4-амино-З-хлор-
фенол
19.4.2. Физические свойства и строение 1,4-бензохинона
1,4-Бензохинон представляет собой желтые кристаллы, т. пл. 115,7 °C.
Трудно растворим в воде, но растворяется в органических растворителях
(этанол, диэтиловый эфир, горячий лигроин), а также в щелочах.
Молекула 1,4-бензохинона имеет плоское строение. Все атомы углерода
и кислорода в ней находятся в зр2-гибридном состоянии.
19.4. Хиноны
187
Формально бензохинон может быть отнесен к классу ароматических со-
единений: шесть л-электронов в его плоском моноцикле распределены в
сопряженной системе, включающей шесть атомов углерода. Однако длины
связей С,-С2 и С2-С3 различаются столь значительно, что правильнее рас-
сматривать бензохинон как циклический аф-ненасыщенный дикетон.
Наличие двух поляризованных карбонильных групп, сопряженных с С=С-
связями, приводит к понижению электронной плотности на углеродных
атомах.
Хиноны тесно связаны с соответствующими ароматическими структурами.
Их получают из ароматических соединений. В результате некоторых реакций
они вновь могут быть превращены в типичные ароматические соединения.
19.4.3. Реакции
Акцепторные свойства хинонов
Эквимольная смесь 1,4-бензохинона и гидрохинона представляет
собой кристаллический продукт темно-зеленого цвета, который называют
хингидроном; продукт имеет т. пл. 171 °C.
Хингидрон - л-комплекс, в котором гидрохинон является л-донором (или
л-основанием), а 1,4-бензохинон - л-акцептором электронов (или л-кисло-
той). О классификации кислот и оснований см. в разд. 1.12.
хингидрон
Такие же комплексы 1,4-бензохинон образует с фенолом, анилином и
ароматическими углеводородами.
Особенностью л-комплексов (которые называют также комплексами с
переносом заряда) является то, что перенос электронной плотности с доно-
188
Глава 19. Альдегиды и кетоны
ра на акцептор осуществляется в них за счет перекрывания ВЗМО донора
и НСМО акцептора и наблюдается лишь при облучении компонентов види-
мым светом. Степень переноса заряда мала и, как правило, не превышает
5% заряда электрона. В соответствии с этим энергия взаимодействия меж-
ду компонентами в таких комплексах не превышает нескольких килокало-
рий на 1 моль.
Для комплексов с переносом заряда характерно появление специфичес-
ких полос в электронных спектрах поглощения. Положение этих полос в
спектре прямо зависит от энергетических уровней ВЗМО донора и НСМО
акцептора.
1,2- и 1,4-Присоединение
Хиноны, как и другие а,Р-ненасыщенные карбонильные соединения,
участвуют в реакциях 1,2- и 1,4-присоединения.
Присоединение 1 моль галогена протекает как 1,2-присоединение.
хлоранил
1,4-бензохинон
При проведении реакции с избытком хлора образуется тетрахлорбензо-
хинон, который называют хлоранилом. Последний является сильным окис-
лителем и применяется как дегидрирующий реагент.
Присоединение галогеноводородных кислот (НС1, НВг), спиртов
(в присутствии кислот), аминов протекает по типу 1,4-присоединения с по-
следующей ароматизацией продукта присоединения.
1,4-бензо-
хинон
19.4. Хиноны
189
бромгидрохинон
C6H5NH2
фениламино-
гидрохинон
метокси-
гидрохинон
Реакции с сильными нуклеофилами протекают по С=О-связи.
1,4-бензо-
монооксим
диоксим
хинон
1,4-бензохинона 1,4-бензохинона
Реакции Дильса-Альдера
1,4-Бензохинон - активный диенофил. Он реагирует с 1,3-бутадиеном в
растворе уксусной кислоты. Образующийся аддукт под действием НС1 аро-
матизируется до производного гидрохинона.
190
Глава 19. Альдегиды и кетоны
1,4-бензо-
хинон
1,4-дигидрокси-5,8-дигидро-
нафталин
Восстановление хинонов
Хиноны - сильные окислители, поэтому легко восстанавливаются до ди-
гидроксибензолов. В качестве восстановителей применяют Na2S2O4,
Na2SO3, HI.
О
О
1,4-бензо-
хинон
+ 2Н®
гидрохинон
Реакция обратима и протекает быстро по следующему механизму.
Стадия 1 - образование анион-радикала, называемого семихиноном-.
+ е
Стадия 2 - образование дианиона, который быстро присоединяет два про-
тона, что ведет к гидрохинону - конечному продукту восстановления.
+ е
:о: он
19.5. Спектроскопический анализ альдегидов и кетонов
191
19.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ
ИК-спектры альдегидов и кетонов характеризуются прежде всего интен-
сивным поглощением при 1710-1750 см-1, обусловленным валентными
колебаниями карбонильной группы. Поглощение карбонильной группы, со-
пряженной с л-системой арена или с двойной углерод-углеродной связью, на-
блюдается в области меньших волновых чисел - при 1670-1700 см-1. Валент-
ные колебания формильной С-Н-группы наблюдают при 2720-2820 см-1.
ЯМР-спектры. Сигнал протона формильной группы легко обнаружива-
ется и в спектре ПМР в области 3 9-10 м.д. Сигналы протонов при «-угле-
родном атоме в спектрах ПМР альдегидов и кетонов наблюдают в области
8 - 2-ьЗ м.д., а сигнал протона при |3-углеродном атоме - в области 8 = 1 м.д.
Альдегиды и кетоны легко идентифицируют и по их спектрам 13С ЯМР.
Сигнал С-атома карбонильной группы наблюдают в очень слабом поле, при
190-220 м.д. Важно отметить низкую интенсивность сигнала С-атома кар-
бонильной группы в кетонах. Это свойство характерно для атомов углеро-
да, не имеющих присоединенных к ним водородных атомов.
Отметим еще одно важное различие между сигналами карбонильных
атомов углерода в альдегидах и кетонах. В спектре 13С ЯМР альдегида сиг-
нал карбонильного углерода наблюдается в виде дублета (расщепление на
протоне формильной группы), а в спектре кетона - в виде синглета.
Масс-спектры. Фрагментация молекулярных ионов карбонильных со-
единений RCOX (X = Н, R, OR, NH2, NR2) в масс-спектрах протекает по сле-
дующим направлениям (см. разд. 12.6):
1) а-распад - разрывы связи С-Х [пути (1а) и (16)] и связи С-С [пути (1в)
и (1г)]
II
R-C-X
х* + [r-c=o:
х®+ r-c=o:
r* + :о=с—х
r® + :Ь=с—х
©
------ R-C=O:| —R® (1а)
(16)
(1в)
(1г)
2) перегруппировка Мак-Лафферти
1 R
I
н-с +
II
Н2с
I
^с
с
I
н
192
Глава 19. Альдегиды и кетоны
В масс-спектрах простых альдегидов и кетонов пики молекулярных ио-
нов весьма интенсивны. С увеличением углеродной цепи их интенсивность
снижается. Наиболее интенсивными становятся пики осколочных ионов,
образующихся при а-распаде молекулярного иона, М-1 [путь (1а)] и СНО®
[m/z 29, путь (1в)], М-СНО [путь (1г)]. Если в альдегиде имеются четыре и
более атомов углерода, то в масс-спектре наблюдается интенсивный пик
иона m/z 44 (R = Н), 58 (R - СН3), 72 (R = С2Н5) и т. д. Его появление обус-
ловлено перегруппировкой Мак-Лафферти.
В масс-спектрах кетонов Rj-CO-Rj наблюдаются интенсивные пики
осколочных ионов RjCO® и R2CO® [m/z 43 (R = СН3), 57 (R = С2Н5), 71
(R = С3Н7) и т. д., пути (1а) и (1в)], пики ионов Rj® и R|“ [m/z 15, 29, 43 и т. д.,
пути (16) и (1г)]. Перегруппировка Мак-Лафферти приводит к образованию
перегруппировочных ионов m/z 58, 72, 86 и т. д.
В масс-спектре З-метил-2-пентанона наблюдается пик молекулярного
иона m/z 100. При а-распаде С-С-связи в молекулярном ионе образуются
осколочные ионы m/z 85 (С4Н9СО®) и 43 (СН3СО®) [пути (1а) и (1в)], оско-
лочный ион m/z 57 (С4Н|) [пути (16) и (1г)]. При перегруппировке Мак-Лаф-
ферти возникает перегруппировочный ион m/z 72 [СН3-СН=С(ОН)-СН3]®.
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Формальдегид (метаналь) НСНО получают окислительным дегидрированием метанола
в присутствии воздуха над катализатором Ag, окислением метанола над Fe/Мо-катализато-
ром, а также из синтез-газа. Бесцветный газ, т.кип. -19 °C, обладает резким запахом; хоро-
шо растворим в воде, спиртах, умеренно - в бензоле, диэтиловом эфире, хлороформе. При-
меняют в производстве фенолоформальдегидных смол, синтетического каучука и лекарст-
венных средств. Для удобства хранения, транспортировки и применения выпускают в виде
37-40%-го водного раствора (формалин) и твердого полимера (параформ). Антисептическое
средство. ПДК 0,05мг/м3.
Ацетальдегид (этаналь) СН3СНО получают окислением этилена и гидратацией ацетиле-
на. Кипит при комнатной температуре (20,2 °C), смешивается с водой и органическими рас-
творителями. Имеет резкий опьяняющий запах. Применяют в производстве уксусной кисло-
ты, уксусного ангидрида, этилацетата, хлораля ССЦСНО. В присутствии минеральных кис-
лот образует жидкий тример (паральдегид) и твердый тетрамер (метальдегид). ПДК 5 мг/м3.
Ацетон (пропанон) СН3СОСН3 получают гидратацией пропилена с последующим дегид-
рированием изопропанола, а также при производстве фенола кумольным методом. Бесцвет-
ная жидкость, т.кип. 56,2 °C, смешивается с водой и органическими растворителями. Приме-
няют в производстве метилметакрилата, метилизобутилкетона, метакриловой кислоты, ле-
карственных средств, душистых веществ; в качестве растворителя ацетата целлюлозы, син-
тетических полимерных материалов; в процессах органического синтеза. ПДК 200 мг/м3.
Циклогексанон С6Н10О получают окислением циклогексана, гидрированием фенола,
окислением или дегидрированием циклогексанола. Бесцветная жидкость, т.кип. 155,6 °C;
растворяется в воде (7%), в органических растворителях. Применяют в производстве адипи-
новой кислоты, е-капролактама, L-лизина; в качестве растворителя нитратов и ацетатов цел-
люлозы, жиров, восков. Раздражает слизистые оболочки глаз и кожу. ПДК 10 мг/м3.
Камфора (1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гептанон-2) С10Н16О. Выделяют из древесины
камфорного дерева [£>-(+) камфора], из эфирного масла сибирской пихты [£-(-) камфора]
или получают синтетически из L-пинена [(±) камфора]. (+)-Камфора - бесцветные кристал-
лы, т.пл. 178,5-179,5 °C, растворяется в органических растворителях. Применяется в про из-
Основные термины
193
водстве лекарственных средств, а также в качестве пластификатора нитратов и ацетатов
целлюлозы.
Акролеин (пропеналь) СН2=СНСНО получают окислением пропилена воздухом. Бес-
цветная жидкость, т.кип. 52,7 °C, обладает невыносимым запахом; растворим в воде и орга-
нических растворителях. Склонен к полимеризации, в качестве стабилизатора к акролеину
добавляют фенол или гидрохинон. Применяют в синтезе метионина, глицерина, акриловой
кислоты, пиридина, лекарственных средств, а также для получения сополимеров с акрилони-
трилом и метилметакрилатом. Т. самовоспл. 234 °C. ПДК 0,2 мг/м3.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Азин - продукт конденсации по карбонильной группе двух молекул альдегида или кето-
на с одной молекулой гидразина.
Альдегид - соединение, содержащее формильную группу и имеющее общую формулу
R-C(O)H.
Альдольная конденсация - реакция конденсации двух молекул альдегида или кетона, од-
на из которых ионизирована с образованием енолята, а другая вступает в реакцию по карбо-
нильной группе в неионизированной форме. Продуктом альдольной конденсации является
Р-гидроксиальдсгид (альдоль) или Р-гидроксикстон.
Арилгидразон - продукт конденсации альдегида или кетона по карбонильной группе с
арилгидразином.
Ацеталь - гел<-диэфир, продукт присоединения двух молекул спирта с альдегидом
(в случае кетона в аналогичной реакции образуется кеталь).
Байера-Виллигера реакция - реакция окисления кетона пероксидом карбоновой кисло-
ты с образованием сложного эфира.
Виттига реакция - реакция альдегида или кетона по карбонильной группе с реагентом
Виттига, сопровождаемая получением алкена. Реагентом Виттига называют фосфоран об-
щего строения
©Я
R3P-CH-R.
Енол - таутомерная форма альдегида или кетона, не содержащая карбонильной группы,
но имеющая в своем составе гидроксигруппу при двойной связи.
Енолизации - процесс перехода кето-формы в енольную форму. Енолизация протекает
как термодинамически контролируемый процесс в водных и спиртовых щелочах. При этом
происходит быстрое взаимопревращение кетонной и енольной форм. Енолизация протека-
ет как кинетически контролируемый процесс в присутствии очень сильных оснований в
апротонных растворителях, т. е. в условиях, при которых взаимные превращения кето-формы
и енольной формы затруднены.
Имин - производное альдегида или кетона, в котором карбонильная группа заменена на
группу C=N. Производное альдегида называют альдимином, а производное кетона -
кетимином.
Канниццаро реакция - реакция, в ходе которой из двух молекул альдегида, не содержа-
щих водородных атомов при а-С-атоме, образуются спирт и соль карбоновой кислоты.
Кетен - соединение, содержащее кумулированные С=С- и С=О-связи.
Кето-форма - таутомер альдегида или кетона, содержащий карбонильную группу.
Кляйзена-Шмидта реакция - перекрестная кротоновая конденсация, протекающая с уча-
стием ароматического альдегида и енолизируемого алифатического альдегида или кетона.
Кижнера-Вольфа реакция - реакция восстановления карбонильной группы в кетоне
действием гидразина в присутствии щелочи.
Клемменсена реакция - реакция восстановления СО-группы в кетоне действием амаль-
гамированного цинка и соляной кислоты.
194
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Кротоновая конденсация - реакция альдольной конденсации, завершающаяся дегидра-
тацией альдоля и образованием а,Р-ненасыщенного альдегида или кетона.
Оксим - продукт конденсации альдегида или кетона с гидроксиламином.
Перекрестная альдольная (кротоновая) конденсация - реакция альдольной (кротоновой)
конденсации, в которой участвуют молекулы двух различных альдегидов или кетонов.
Полуацеталь - продукт присоединения одной молекулы спирта по карбонильной группе
альдегида.
Полукеталь - продукт присоединения одной молекулы спирта по карбонильной группе
кетона.
Прямое присоединение - реакция присоединения 1,2-типа к а,Р-ненасыщенному альдеги-
ду или кетону.
Семикарбазон - продукт взаимодействия альдегида или кетона с семикарбазидом.
Сопряженное присоединение - реакция присоединения 1,4-типа к а,Р-ненасыщенному
альдегиду или кетону.
Тиосемикарбазон - продукт взаимодействия альдегида или кетона с тиосемикарбазидом.
Шиффа основание - соединение общей формулы R'R"C=NR"', продукт конденсации аль-
дегида или кетона с амином.
ЗАДАЧИ
Задача 19.1. Назовите следующие соединения по радикало-функциональной номенклатуре.
Задача 19.2. Назовите соединения, перечисленные в предыдущей задаче, по номенклату-
ре ИЮПАК.
Задача 19.3. Напишите структурные формулы для следующих соединений:
а) диметилацеталь пропаналя; д) оксим циклононанона;
б) метилциклопропилкетон; е) фенилгидразон и-метоксибензальдегида;
в) Р-хлормасляный альдегид; ж) гидразон пропанона.
г) циклодеканон;
Задача 19.4. Напишите структурные формулы следующих альдегидов и кетонов:
а) изобутилнеопентилкетон; г) 3-метилциклопентанон;
б) mpem-бутилциклогексилкетон; д) 4-формилциклогексанон;
в) 3,3-диметилциклогексанкарбальдегид; е) 2-метил-4-оксогексаналь.
Задача 19.5. Напишите реакции, с помощью которых из 1-бромпропана можно получить
бутаналь, пентаналь, 2-пентанон, ацетальдегид, пропаналь, формальдегид.
Задачи
195
Задача 19.6. Завершите реакции. Какая из этих реакций малопригодна для препаратив-
ных целей?
Задача 19.7. Реакция ацетальдегида с гидроксиламином дает продукт, имеющий два
СН3-дублета в ПМР-спектре. Предложите объяснение.
Задача 19.8. Напишите структурные формулы промежуточных и конечных продуктов
следующих превращений:
HC=C°Nas Н3О®
NH3, -33 °C
Задача 19.9. Напишите структурные формулы всех продуктов альдольной конденсации,
которые образуются в следующей реакции:
СН,СПО + СН3СН2СНО OOg’o^2°-
Задача 19.10. Какие из следующих соединений будут подвергаться рацемизации в этано-
ле в присутствии этилата натрия?
а) (5)-2-метилпентаналь; в) (7?)-3-метил-2-пентанон;
б) (/?)-3-метилциклогексанон; г) (Р)-З-метил-З-фенилпропаналь.
Задача 19.11. Покажите, в каких условиях из ацетона можно гладко получить следующие
соединения:
Задача 19.12. Завершите следующие реакции. Назовите полученные соединения.
а)
+ (СН3)2СНОН
(избыток)
НС1
196
Глава 19. Альдегиды и кетоны
О
Задача 19.13. Напишите структурные формулы промежуточных и конечных продуктов
следующих превращений:
ВГх/^сно
НО(СН2)3ОН, н®
Н3О®
Задача 19.14. Завершите следующие реакции:
О
II п®
а) СНзСН2-С-СН2СН3 + D2O — -
Задача 19.15. Завершите следующие реакции. Если они являются равновесными, оцени-
те значения констант равновесия.
Задача 19.16. Завершите реакцию. Если она обратима, укажите, в какую сторону смеще-
но равновесие. Объясните стереохимический результат.
Н СН3 0
C2H5O°Na®
(этанол)
(5)-4-метил-2-гексанон
Задачи
197
Задача 19.17. Завершите следующую реакцию. Предскажите ее стереохимический ре-
зультат. Предложите объяснение.
Задача 19.18. Какие исходные реагенты необходимо применить, чтобы получить следу-
ющие алкены:
г) 2,2-диметил-З-гексен;
З-метил-2-пентен?
в) 2-метил-2-пентен;
Задача 19.19. Какие продукты преимущественно образуются при окислении следующих
кетонов по Байеру-Виллигеру?
а) С6Н5СОСН2СН3; в) 3,3-диметил-2-пентанон;
б) циклогексанон; д) метилциклогексилкетон.
Задача 19.20. Напишите структурные формулы исходных альдегидов и кетонов, которые
необходимо применить для получения следующих соединений:
Назовите исходные соединения и конечные продукты по номенклатуре ИЮПАК.
Задача 19.21. Реакция пропаналя с метилмагнийбромидом сопровождается получением
вторичного спирта. Напишите его структурную формулу. Предскажите стереохимический
результат. Предложите его объяснение.
Задача 19.22. Завершите следующую реакцию.
О
C4H9Li _ Н3О®
*сн3 1 *
Сколько изомеров образуется? Какой из них преобладает? Предложите объяснение.
198
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Задача 19.23. Завершите следующие реакции:
Задача 19.24. Гидраты альдегидов и кетонов являются значительно более сильными кис-
лотами, чем спирты (рКа = 16-5- 19):
.ОН /°н
СН< он сн3—сн 'он
рка 13,4 рка10,0
Предложите объяснение этому факту.
Задача 19.25. Напишите енольные таутомерные формы следующих соединений. Объяс-
ните, почему для некоторых соединений енольные формы отсутствуют.
О II а) (СН3)3С-С-Н о о О п 11 11 II ? г) сбн5-с-сн2—с-сбн5 Jk 11
О II б) (СН3)2СН-С—н 0 0 ж) ' и) L J 11 11 п ТГ д) сбн5—С-СН2-С-СН3 О II
О II в) сбн5-с-сбн5 0 з) [ 1 и L Л - е) СбН5СН2-С-СН2СбН5 ^-^О
Для каких соединений содержание енольных форм является наиболее высоким?
Задача 19.26. Завершите следующие реакции:
/Z0
а) СН3СН2СН2 + С12 (СНзСООН)
zz°
б) СН3СН2—С. + NaOH + Н2О
Н (10%)
Задачи
199
в) СН3СН2—Сх + NaOH + Н2О -уд oq1
н (10%)
Задача 19.27. Напишите реакции, с помощью которых из пропаналя можно получить
следующие соединения:
а)
ОН
е)
ж)
з)
ОН
I
сн3-сн2-сн-сн-сн2-он
СНз
Задача 19.28. Напишите структурные формулы всех возможных енолятов для каждого
из следующих кетонов. В каждом случае укажите, какой енолят является наиболее устойчи-
вым.
II
б) С6Н5СН2СН2-С-СН(СНз)2
Задача 19.29. Предложите исходные соединения и условия реакции для получения каж-
дого из следующих кетонов: ....
С(СН3)3
200
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Задача 19.30. Завершите следующие реакции. Предложите схемы механизмов, по кото-
рым протекает каждая из них.
О .
Задача 19.31. Завершите следующие реакции. Предложите механизмы, по которым про-
текает каждая из них.
я3 СН ген ' С^ C2H5OeNa?
а) СН3(СН2)бС (этанол)
о о
Z* 11 NaOH
б) С6Н5С^ + (СН3)3С-с-СНз -(этанол + Н2оГ
О о
II N!h 11
в) (СН3)2С=СН-С-СН3 (СН3)2С-СН2-С-СН3
nh2
Задача 19.32. Приведенная ниже реакция носит название «аннелирование по Робинсону».
2-метил-
циклогексанон
II
сн2=сн- с-сн3
метил винилкетон
1) C2H5O®Na®, С2Н5ОН
2) КОН, е ~
6-метилбицикло[4.4.0]-
, 1-децен-З-он
Предложите последовательность отдельных стадий, которые составляют ее механизм.
Задачи
201
Задача 19.33. При алкилировании З-метил-2-циклогексенона 1,2-дибромэтаном образу-
ются следующие продукты:
СН3
I.NaNH;
2. Вг(СН2)2Вг
О
Предложите схему механизма протекающих при этом реакций.
Задача 19.34. Расположите в ряд увеличения кислотности следующие СН-кислоты:
а) О О II II СбН5-С-СН2СбН5 г) (СНз)зС-С-СН,
б) о О II II ‘ СбН5-С-СН2СН2СбН5 д) (СНз)зС—С-СН(СН3)2
в) О О II II СбН5-С-СН2СН2СН3 е) (СН3)3С—С-СН2СН3 . '
Задача 19.35. Завершите следующую реакцию:
+ С6Н5СН2С1
(К)-энантиомер
С2Н5О°К®
ДМСО
Предложите механизм реакции. Предскажите ее стереохимический результат. Назовите
продукт по номенклатуре ИЮПАК.
Задача 19.36. Завершите следующие реакции. Предложите их механизмы.
а)
LiCu(CH3)2
б)
+ СбН5СН2С1
С2Н5О°КЭ
(этанол)
Задача 19.37. Завершите следующие превращения. Предложите строение промежуточ-
ных и конечного продуктов.
О
(сн3)3с—с—сн3 (Сн3соон^
NaBH4 NaOH + Н2О
изо-С3Н7ОН‘
Назовите конечный продукт. Предскажите стереохимический результат.
202
Глава 19. Альдегиды и кетоны
Задача 19.38. Напишите структурную формулу продукта следующей реакции:
СНз
(S)-CH3-CH2-CH2-C-CHO кон’ Н2°»
с2н5
Предскажите ее стереохимический результат. Назовите продукт по номенклатуре ИЮПАК.
Задача 19.39. Продуктом взаимодействия 1,4-бензохинона с НО является хлоргидрохи-
нон. Предложите механизм этого превращения.
Задача 19.40. В ходе тщательной очистки паральдегида удается выделить два изомера.
Один из изомеров имеет в спектре 13С ЯМР только два сигнала, а другой изомер - четыре
сигнала. Какое строение имеют эти изомеры?
Задача 19.41. Предложите, какие енольные формы могут образоваться при енолизации
пропилизопропилкетона. Укажите, какая из них образуется в преобладающем количестве.
Задача 19.42. Изобразите все таутомерные формы 2,4-пентандиона. В сторону какой,
формы смещено таутомерное равновесие? Предложите объяснение.
Задача 19.43. Завершите реакцию, обратив внимание на стереохимию процесса восста-
новления.
СН3х/Снз
NaBH4
/CL/ изо-С3Н7ОН, 0 °C
О
Предложите объяснение строению и относительному содержанию продуктов восстановле-
ния.
Задача 19.44. На основе ретросинтетического анализа и принимая изобутен в качестве
подходящего исходного соединения, предложите схему получения 2,6-диметил-2-гептен-
4-она
?'3 ° /снз
сн3—сн-сн2-с—сн=с
СН3
Задача 19.45. Предложите, как 2-хлорпропан может быть превращен в каждое из следу-
ющих соединений:
а) З-метил-2-бутанон; б) 2,3,4-триметил-3-пентанол; в) 2,4-диметил-З-пентанол.
Задачи
203
Задача 19.46. На основе ретросинтетического анализа предложите структуры предшест-
венников (или их синтетических эквивалентов) в синтезе следующих целевых молекул.
а) СН3СН2-СН-СН2СН(СН3)2
ОН
он
осн3
В)
он
г) 6-метил-5-гептен-2-ол
Задача 19.47. Покажите структуры предшественников (среди которых имеются металло-
органические реагенты), которые должны быть применены на последних стадиях синтеза
следующих лекарств.
ОН
I _
а) СН3СН2—С—С=СН мепарфинол (мягкое снотворное средство)
СН3
СН3
б) (С6Н5)2С-СН-
ОН
N\ дифепанол (средство против кашля)
местранол (комбинированный
пероральный контрацептив)
Задача 19.48. 2-Гептанон - одно из соединений, ответственных за запах некоторых сор-
тов сыра. Проведите ретросинтетический анализ синтеза 2-гептанона. Укажите предшест-
венников на каждой стадии.
Задача 19.49. Определите строение соединения С4Н8О, которое в ИК-спектре имеет ин-
тенсивную полосу поглощения при 1725 см*1, а в спектре ПМР - три резонансных сигнала:
8] 1,12 м.д. (триплет, ЗН), 62 2,15 м.д. (синглет, ЗН) и 83 2,66 м.д. (квадруплет, 2Н).
Задача 19.50. Установите структуру соединения С4Н8О, которое в ИК-спектре имеет ин-
тенсивную полосу поглощения при 1738 см-1, а в спектре ПМР содержит три резонансных
сигнала: 8] 1,24 м.д. (дублет, 6Н), 82 3,01 м.д. (мультиплет, 1Н) и 83 9,5 м.д. (дублет, 1Н).
Задача 19.51. В области 200-400 нм соединение А имеет две полосы поглощения:
X, макс 236 нм (£] 12 000) и Х2 макс 314 нм (е2 20), а соединение Б - одну полосу поглощения
Хмакс 280 нм (е 15). Соотнесите’данные УФ-спектров соединений А и Б со структурами 2-пен-
танона и З-пентен-2-она. Какие электронные переходы возможны в каждом случае?
204
Глава 19. Альдегиды и кетоны
19.6. ПРИРОДНЫЕ ХИНОНЫ И ПРОЦЕССЫ
ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ В ЖИВОЙ КЛЕТКЕ
В предыдущей главе мы уже начали разговор о живой клетке как о мик-
ролаборатории, в которой протекают сложнейшие биохимические реакции.
Среди многочисленных, протекающих в ней ферментативных реакций
имеется значительное число таких, которые сопровождаются переносом
электронов от одного субстрата к другому. Важными и незаменимыми участ-
никами этих реакций являются производные 1,4-бензохинона - убихиноны.
Об их незаменимости говорит уже название. Оно образовано от латинского
слова «ubiquitous», что в переводе означает «присутствующий повсюду», и
термина «хинон». Таким образом, убихиноны - это те хиноны, которые
имеются внутри каждой живой клетки. В классификации ферментов они
относятся к группе коферментов Q.
Отметим прежде всего их необычное строение. Каждый убихинон имеет
длинную боковую цепь, образованную изопреновыми С5-фрагментами.
Число этих фрагментов в различных убихинонах неодинаково. Убихинон
человека, например, содержит 10 изопреновых фрагментов. Такая боковая
цепь неполярна и служит для «внедрения» убихинона в гидрофобный слой
плазматической мембраны. Присоединившись таким длинным «хвостом» к
мембране хиноидный фрагмент убихинона имеет возможность легко переме-
щаться от одного компонента к другому в биохимических реакциях электрон-
ного переноса. В ходе таких реакций хиноидный фрагмент акцептирует два
электрона и два атома водорода, превращаясь во фрагмент гидрохинона.
убихинон
(кофермент Q)
убихинол
(восстановленная форма кофермента Q)
Образовавшийся фрагмент гидрохинона затем передает эти два электрона
другому компоненту окислительно-восстановительной реакции, а сам вновь
приобретает хиноидное строение.
Имея в своей структуре неполярную углеводородную цепь и полярный
хиноидный фрагмент, убихиноны являются, таким образом, типичными
ПАВ (подробнее о ПАВ см. в разд. 21.6).
Убихиноны - не единственные представители хинонов среди природных
соединений. Можно даже сказать, что хиноидный фрагмент часто встреча-
ется в природных структурах. Этот факт особенно примечателен на фоне
не столь широкого применения хинонов в органическом синтезе. Некото-
рые из природных хинонов приведены ниже.
19.6. Природные хиноны и процессы переноса электронов в живой клетке
205
О
фумигатин
(антибиотик)
О
юглон
(краситель)
витамин К
(ответствен за нормальное
свертывание крови)
Многие природные хиноны являются красителями или физиологически
активными соединениями.
Глава 20. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ
Соединения, содержащие карбоксильную группу -СООН, называют
карбоновыми кислотами
R-C
ОН
Для различных фрагментов карбоновых кислот приняты следующие на-
звания (от англ, «acid» - кислота):
: О : : О 1 •О: '-II-' о
• II 1 : И : Г-Ц-,
: R-CAOH : R-C-Oj-H R-C-O-H R-i-C-rO-H
ацильная группа ацилоксигруппа ацильный атом ацильный атом
кислорода углерода
20.1. НАСЫЩЕННЫЕ И АРОМАТИЧЕСКИЕ
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
20.1.1. Номенклатура
При составлении названия карбоновой кислоты алифатического ряда по
номенклатуре ИЮПАК за основу берут наиболее длинную углеродную
цепь, включающую карбоксильную группу. Нумерацию цепи начинают с
атома углерода карбоксильной группы. К названию углеводорода по числу
атомов углерода в главной цепи прибавляют суффикс -овая кислота.
4 3 2 1
сн3-сн2-сн-соон
сн3
2-метилбутановая
кислота
2 1
СН2СООН
циклобутилэтановая
кислота
\ 3 2 1
л— сн2-сн2-соон
3-фенилпропановая
кислота
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
207
Для многих наиболее известных карбоновых кислот часто используют
тривиальные названия. В частности, их применяют для замещенных карбо-
новых кислот, обозначая положение заместителей буквами а, 0, у и т. д.
сн3-соон
уксусная
кислота
сн3-сн2-сн2-соон
масляная кислота
сн3-сн2-сн-соон
СНз
а-метилмасляная
кислота
нсоон
муравьиная
кислота
СН3-СН-СООН
СНз
изомасляная кислота
р а
Вг-СН2-СН2-СООН
р-бромпропионовая
кислота
Названия кислот алициклического и гетероциклического рядов часто
образуют путем прибавления к названию углеводорода или гетероарена
суффикса -карбоновая кислота.
2—СООН
циклопропанкарбоновая
кислота
ноос
соон
1,4-циклогександикарбоновая
кислота
СООН
3-пиридинкарбоновая
(никотиновая)
кислота
Замещенные ароматические карбоновые кислоты бензольного и нафта-
линового рядов называют как производные бензойной и нафтойной кислот.
СООН
СНз
З-нитро-4-хлор-
бензойная кислота
4-гидрокси-
1-нафтойная
кислота
4-метил-
бензойная
(л-толуиловая)
кислота
208
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
20.1.2. Способы получения
Окисление углеводородов, спиртов, альдегидов и кетонов
Эти реакции наиболее распространены при получении кар оно
лот и прежде всего в промышленной практике.
Окисление органических соединений, принадлежащих к углеводоро
спиртам, альдегидам и кетонам, ранее уже подробно обсуждалось (см. разд.
2.4.3, 5.4.5, 10.2.3, 16.4.4, 19.1.4). Ниже даны примеры этих реакции.
толуол
R-CH=CH~R'
алкен
—соон + Н2О
бензойная кислота
-9з- > R—НСЧ /СН-R1 R— с' + R’-C*
о он он
н-С4Н9-ОН СН3СН2СН2-СООН
н-бутанол масляная кислота
карбоновые кислоты
HY-r/CHO Ag2O, NH4OH_
CH3Z чсн3
2-метил-2-бутеналь
д, Н С ООН
С=С
снГ сн3
2-метнл-2-бутеновая
кислота
Окисление метилкетонов
Метилкетоны окисляют гипогалогенитами; эта схема известна как гало-
формная реакция (см. разд. 19.1.5).
сн3—сн2—сн2—с—сн3
II J
2-пентанон О
СНВгз + СН3СН2СН2СООН.
бромоформ бутановая
кислота
Гидролиз нитрилов
Реакции гидролиза производных карбоновых кислот часто применяют в
лабораторной практике.
Нитрилы гидролизуют при их нагревании (как правило, при кипячении)
с водными растворами минеральных кислот (реже щелочей).
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
209
R-C=N (или Ar-C=N) н R-COOH (или Ai~СООН)
нитрил карбоновая
кислота
Например, фенилуксусную кислоту с высоким выходом получают по
схеме
/~'тт NaCNt / \ Л~чт r''NT B2SO4/H2O
CH2LI (ДМСО) 'Х // CH2CIN
фенилуксусная кислота
бензилхлорид
бензилцианид
Фенилуксусная кислота. Смесь бензилцианида (70 г; 0,68 моль), конц. H2SO4 (85 мл) и
воды (120 мл) кипятят в течение 3 ч. После выливания реакционной смеси в ледяную воду I
продукт отфильтровывают, т. пл. 76-77 °C. Выход 72 г (78%). I
Гидролиз сложных эфиров
Эта реакция наиболее гладко протекает в разбавленных щелочах при на-
гревании.
R-COOR’ N,a°%;£ -~зО<Э> R-COOH + R’-OH.
ы (Н2О)
сложный карбоновая спирт
эфир кислота
Гидролиз тригалогенметилпроизводных
Гидролиз тригалогенметилпроизводных для получения карбоновых кис-
лот применяют реже. При этом используют те же условия, что и при гидро-
лизе нитрилов и сложных эфиров.
с6н5-сн3 с6н5-С^-Вг не(^он» с6н5-соон.
толуол Вг бензойная кислота
а,а,а-трибромтолуол
Карбоксилирование металлоорганических реагентов
Карбоксилирование металлоорганических реагентов служит одним из
универсальных способов получения карбоновых кислот (см. разд. 15.1.4).
R-Br R-MgBr R-COOMgBr -gg- R-COOH,
210
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
+ со2
фениллитий
2-Метилбутановая кислота. Через раствор smop-бутилмагнийхлорида, приготовлен- <
ного из 2-хлорбутана (46 г; 0,5 моль) и магния (13,4 г; 0,55 моль) в этиловом эфире (400 мл), ;
пропускают углекислый газ до насыщения. Смесь обрабатывают 25%-й водной H2SO4. i
Продукт выделяют перегонкой, т. кип. 174 °C. Выход 40,8 г (80%). |
I
Этот метод имеет, однако, ограничение. Алкил- и арилгалогениды, при-
меняемые в реакциях, не должны содержать заместителей (ОН, NH, SH,
С=О), которые активно реагируют с реактивами Гриньяра и литийоргани-
ческими соединениями.
20.1.3. Физические свойства и строение
Физические свойства
Муравьиная и уксусная кислоты обладают раздражающим запахом. Мас-
ляная, валериановая и капроновая кислоты имеют неприятный запах. Выс-
шие жирные и ароматические кислоты не имеют запаха, поскольку облада-
ют малой летучестью.
Температуры плавления и кипения, а также данные о растворимости в
воде некоторых карбоновых кислот приводятся в табл. 20.1.
Температуры кипения карбоновых кислот выше, чем таковые спиртов,
имеющих ту же молекулярную массу. Ниже сравниваются температуры ки-
пения некоторых карбоновых кислот и спиртов.
Соединение сн3сн2он этанол нсоон муравьиная кислота СН3СН2СН2ОН бутанол
Мол. масса 40 46 60
Т. кип., °C 78 100,5 97,4
СН3СООН
уксусная
кислота
60
118
Отмеченное различие объясняется большей полярностью карбоновых
кислот и более прочными водородными связями, которые они образуют
в соответствующих димерах. Димеры карбоновых кислот устойчивы даже
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
211
Таблица 20.1. Физические свойства карбоновых кислот
Кислота Т.пл., °C Т. кип., °C Растворимость ири 20 °C, г/100 мл
НСООН метановая (муравьиная) 8,4 101 Неограничена
сн3соон этановая(уксусная) 16,6 118 Неограничена
сн3сн2соон пропановая (пропионовая) -21,0 141 Неограничена
СН3(СН2)2СООН бутановая (масляная) -5,0 164 Неограничена
СН3(СН2)3СООН пентановая (валериановая) -34,0 186 4,97
СН3(СН2)4СООН гексановая(капроновая) -3,0 205 0,97
СН3(СН2)5СООН гептановая (энантовая) -8,0 223 0,24
СН3(СН2)6СООН октановая(каприловая) 17,0 239 0,07
СН3(СН2)7СООН нонановая (пеларгоновая) 15,0 255 0,03
СН3(СН2)8СООН декановая(каприновая) 32,0 270 0,02
СН3(СН2)|0СООН додекановая(лауриновая) 44,0 299 0,01
СН3(СН2)]2СООН тетрадекановая (миристиновая) 54,0 251 (100 мм рт. ст.) 0,002
в газообразном состоянии.
О--НО
// \
н-с г-н
\ //
ОН--О
Значения теплот димеризации весьма велики. Например, теплота диме-
ризации муравьиной кислоты в газовой фазе составляет - 58,5 кДж/моль
(-14 ккал /моль).
Молекулы карбоновой кислоты образуют с молекулами воды прочные
водородные связи. Однако лишь первые четыре члена гомологического ря-
да алифатических карбоновых кислот смешиваются с водой в любых соот-
ношениях. Начиная с валериановой кислоты, растворимость кислот в воде
уменьшается. Высшие карбоновые кислоты мало растворимы в воде. Аро-
матические карбоновые кислоты - твердые соединения, плохо раствори-
мые в воде.
212
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Электронное строение
Группы С=О и ОН, образующие карбоксильную функцию, взаимно вли-
яют друг на друга и значительно отличаются по свойствам от соответству-
ющих групп в альдегидах (кетонах) и спиртах.
Электронное строение карбоксильной функции показано ниже на при-
мере муравьиной кислоты.
В терминах теории резонанса карбоксильную группу представляют на-
бором резонансных структур:
/Я:
н-с
?о-н
. .0
:о:
/
н-с
\\®
о-н
Одна из НЭП атома кислорода гидроксильной группы делокализована
перекрыванием с л-орбиталью карбонильной группы. Делокализация элек-
тронной плотности в карбоксильной группе находит экспериментальное
подтверждение в длинах связей С-О и С=О.
\ Н
..^с-о7
< 0,144 нм
спирт
R
^С=О
R' 0,122 нм
кетон
4-° 0,1245 нм
R-C4
0,131 нм'" О Н
0,095 нм
карбоновая кислота
Эта делокализация делает атом углерода карбонильной группы менее эле-
ктрофильным, чем атом углерода в карбонильной группе альдегидов или
кетонов.
В общей оценке реакционной способности следует отметить, что карбо-
новая кислота имеет, по крайней мере, три реакционных центра:
® 80
а ЗоФ.-
r-ch2-c
® чо-н8®
Ф - связь О-Н, разрыв этой связи наблюдается при кислотной диссоциа-
ции; :
® - карбонильная группа С=О, эта группа способна присоединять нуклео-
фильные реагенты;
® - С-Н-связи при а-углеродном атоме, эти связи подвержены иониза-
ции с образованием енолятов.
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
213
20.1.4. Реакции
Кислотно-основные свойства карбоновых кислот
При кислотной диссоциации карбоновой кислоты образуется карбокси-
лат-ион RCOOe. С точки зрения электронного строения его представляют
как резонансный гибрид двух энергетически эквивалентных структур.
/б:
R-<.
о-н
• •
+ н2о
z-°1/2S
R-C'.
^1/20
Резонансная стабилизация карбоксилат-иона причина того, что карбо-
новые кислоты являются кислотами средней силы. В частности, карбоно-
вые кислоты - значительно более сильные кислоты, чем спирты.
Кислотность алифатических кислот
Электроноакцепторные заместители в молекуле карбоновой кислоты,
оттягивающие электроны от карбоксилатного центра и тем самым стаби-
лизирующие карбоксилат-ион, увеличивают кислотность карбоновой кис-
лоты.
/О
снз-<..е
о:
• •
менее стабильный
анион
/О
С1СН2-с'
о:
• •
более стабильный
анион
Электронодонорные заместители оказывают противоположное влия-
ние.
Кислота С2Н5СООН СН3СООН
пропионовая уксусная
рК0 4,86 4,76
Заместитель влияет особенно
НСООН С1СН2СООН ссцсоон
муравьиная хлоруксусная трихлоруксусная
3,77 2,85 0,66
сильно, если находится при а-углеродном
214
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
атоме. По мере удаления заместителя от карбоксильной группы его влия-
ние на кислотность быстро ослабевает.
Кислота СН3СН2СН2СООН СН3СН2СН(С1)СООН СН3СН(С1)СН2СООН масляная а-хлормасляная Р-хлормасляная С1СН2СН2СН2СООН у-хлормасляная
рК0 4,82 2,86 4,05 4,52
Кислотность ароматических кислот
Бензойная кислота является более слабой кислотой, чем муравьиная, но
более сильной, чем уксусная кислота. Значение рКа бензойной кислоты
равно 4,21.
Согласно этим данным, по сравнению с метильной группой фенильная
группа является электроноакцепторной и несколько стабилизирует карбок-
силат-ион.
+ Н2О
Н3О®
Электроноакцепторные заместители в мета- и ияря-положениях арома-
тического ядра, способствующие делокализации отрицательного заряда в
анионе, повышают кислотность. Электронодонорные заместители в пара-
положении оказывают противоположное влияние.
Кислота
соон
ф
ОСН3
СООН
н-метокси- бензойная
бензойная
Л4-метокси- Л4-нитро- н-нитро-
бензойная бензойная бензойная
рКв 4,47 4,21 4,09
3,49 3,43
Заместители в орто-положении повышают силу кислоты независимо от
того, являются ли они электронодонорными или электроноакцепторными
(opmo-эффект). В качестве примера показано влияние орто-гидроксигруп-
пы на кислотность салициловой кислоты. Это влияние включает простран-
ственный эффект заместителя, образование внутримолекулярных водород-
ных связей и наличие диполь-дипольных взаимодействий, стабилизирую-
щих анион.
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
215
салициловая кислота карбоксилат-ион стабилизирован
рКа 2,98 водородной связью
О количественной зависимости между строением замещенных бензой-
ных кислот и их кислотностью см. в разд. 20.11.
Основность карбоновых кислот
Основность карбоновой кислоты определяется ее способностью присо-
единять протон. Основность карбоновых кислот сравнима с основностью
альдегидов и кетонов и проявляется в сильнокислой среде (pH < 3). Значе-
ния рКа их сопряженных кислот находятся в пределах -6,0 -? -7,0. При про-
тонировании протон присоединяется к карбонильному кислороду с образо-
ванием протонированной молекулы карбоновой кислоты.
..50
5®<-°*
R“C4 5®
хо-н
+ HOSO2OH
®/ОН
R-с ”
он
• •
хрн
R_ С<ч®
о-н
+ ®OSO2OH
В результате протонирования карбоксильной группы возрастает элект-
рофильность атома углерода этой группы и его способность к реакциям с
нуклеофильными реагентами.
Реакции карбоксилат-ионов
В отличие от спиртов, которые не могут быть количественно ионизиро-
ваны действием водного раствора гидроксида натрия:
СН3СН2ОН + NaOH Лравн.» СН3СН2О® + Н2О
рК„ 15,9 рК„ 15,7
^равн = Ю-,5’9/Ю-15’7 = 10^2,
216
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
карбоновые кислоты в указанных условиях ионизируются на 100%:
СН3СООН + NaOH СН3СОО® + Н2О + Na®
уксусная к 157
кислота
рЛ^4,76 ' ' '
^павн = 10^’76/Ю-15’7 = Ю10’94.
pdori
Нуклеофильное замещение
В отличие от карбоновых кислот, которые обладают и низкой основно-
стью, и низкой нуклеофильностью, карбоксилат-ионы являются более
сильными нуклеофилами. Это объясняется локализированным на них
отрицательным зарядом. В частности, такие ионы вступают в реакции нук-
леофильного замещения SN2 с алкилгалогенидами. •
СН3СН2СН2СН2ВГ + CH3COO®Na® (^д) ; !
1-бромбутан ацетат натрия '
О
II
------► СН3СН2СН2СН2- ОССНз + NaBr.
бутилацетат
Поскольку карбоксилат-ионы являются слабыми основаниями и не вы-
зывают реакции элиминирования, они гладко образуют сложные эфиры да-
же со вторичными алкилгалогенидами.
Еще одной важной реакцией карбоновых кислот, которая протекает с
разрывом связи О-Н и в которой карбоксилат-ион выступает в качестве
нуклеофила, является их взаимодействие с диазометаном.
RCOOH + CH2N2 --------- RCOOCH3 + N2.
карбоновая диазо- метил-
кислота метан карбоксилат
Электронное строение диазометана описывается набором резонансных
структур, две из которых приведены ниже (подробнее о строении диазоал-
канов см. в разд. 24.3).
г © ©
[:ch2-№n:
© . .01
ch2=n=n: ]
Механизм реакции диазометана с карбоновой кислотой включает следу-
ющие стадии.
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
217
Стадия 1 - ионизация молекулы кислоты: ;
О О
II © © II ..© ©
r—с—о—н + :сн2—№n: ------------► r—с—о: + сн3—n=n:
Стадия 2 - нуклеофильное замещение молекулы азота как хорошо уходя-
щей группы карбоксилат-ионом по схеме реакции SN2:
О О
II .<© Ч © II
r—с—о: + ch3-^n^n:---------► r—с—осн3 + n2.
Декарбоксилирование
Способность к отщеплению диоксида углерода обнаруживают и карбо-
новые кислоты, и карбоксилат-ионы. При термическом декарбоксилирова-
нии карбоновой кислоты образуется углеводород.
R-COOH
карбоновая
кислота
- R-H + СО2.
углеводород
Низшие алифатические кислоты, в том числе уксусная кислота, подвер-
гаются декарбоксилированию при сплавлении с твердым гидроксидом на-
трия. В частности, из ацетата натрия с высоким выходом образуется метан.
СН3-< СН3-с( cnSLg Na2CO3 + CH4f.
ОН О® Na®
уксусная
кислота
Алифатические и ароматические карбоновые кислоты отщепляют ди-
оксид углерода в присутствии различных катализаторов, содержащих медь.
R-C
ОН
карбоновая
кислота
Cu/хинолин ,, „„
----------- R—Н + СО2.
углеводород
Декарбоксилирование серебряных солей карбоновых кислот под дейст-
вием галогенов в безводном органическом растворителе с образованием
соответствующих галогеналканов и галогенаренов известно как «реакция
Бородина-Хунсдиккера» (1861 г.). Соли алифатических кислот линейного
218
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
строения реагируют особенно гладко, а выходы галогеналканов достигают
60-100%.
R—COOAg + Х2 (ccEj’ R—X + AgX + CO2 (X2 = Bt2, CI2, 1г).
Реакция протекает как радикально-цепной процесс.
Стадия 1 - инициирование цепи:
R—С + Вг—Вг ----------► R— С + AgBr,
0®Ag® О— Вг
.о: ,о:
.
R— С' ------- R—С + -Вг:
ЧО-Вг Чо-
• • • •
Стадия 2 - развитие цепи:
// *
R— С --------- R + СО2,
О’
• •
• • • •
zo: zo:
R* + R— с/ ------------- R—Вг + R— с/
о—Вг О’
• • • •
Реакция Бородина - Хунсдиккера протекает с солями и других металлов
(калия, таллия, ртути).
2R-COOH + HgO + 2Вг2 ТссцГ 2 R-Br + нёВг2 + 2 со2 + Н2О.
карбоновая ; : - . • . ,
кислота
В одной из модификаций этой реакции карбоновую кислоту обрабаты-
вают тетраацетатом свинца и хлоридом лития (реакция Кони):
Н
соон
II
+ Pb(OCCH3)4 + LiCl -----------
циклобутан-
карбоновая
кислота
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
219
+ СО2 + LiPb(OCOCH3)3 + СН3СООН.
циклобутил-
хлорид
(100 %)
Реакция Кочи дает особенно хорошие результаты при получении вто-
ричных и третичных галогеналканов.
Электролиз солей карбоновых кислот также протекает с отщеплением
диоксида углерода и известен как реакция Кольбе (1849 г.). В этой реакции
наблюдается димеризация углеводородного фрагмента.
//°
2R-C.
O°Na®
R-R + 2СО2 + NaOH + Н2.
Реакция Кольбе не имеет широкого препаративного значения, однако
интерес представляет ее механизм.
Стадия 1 - окисление карбоксилат-иона до карбоксильного радикала:
Стадия 2 - декарбоксилирование образовавшегося радикала:
R-rC ---------" со2 + R*
• •
Стадия 3 - димеризация алкильных радикалов:
R* + R* ------► R—R .
Восстановление
Еще одним примером нуклеофильного присоединения по карбоксильной
группе служат реакции восстановления карбоновых кислот с применением
литийалюминийгидрида.
220
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
R-COOH + LiAIH4 7—R-CH2OH.
(эфир) Н®
карбоновая спирт
кислота
Продуктами восстановления карбоновых кислот в этом случае являются
спирты.
СН3СООН + LiA!H4 СН3СН2ОН,
уксусная этанол (95 %) * :
кислота . . .
(СНз)зС-СООН + LiAlH4 —(СН3)3С-СН2ОН.
Г* V - . •
триметилуксусная неопентиловый
кислота спирт(95 %)
На первой стадии этих реакций молекула карбоновой кислоты подвергает-
ся ионизации.
RCOOH + LiAlH4 ~— RCOO®Li® + Н® + А1Н4®
Этот процесс, безусловно, затрудняет последующее взаимодействие с нук-
леофилом. Однако тетрагидроалюминат-ион А1Н® обладает столь высокой
активностью, что восстанавливает даже карбоксилат-ион. ?
О®
RCOO® + А1Н4® --► R-C-О® + А1Н3 .
Н
Полагают, что бисалкоксид-дианион превращается далее в альдегид, а по-
следний гладко восстанавливается до спирта.
Замещение у ацильного атома углерода
Нуклеофилы, имеющие достаточно высокие основные свойства - NH3,
RNH2, NH2NH2, NH2OH, RMgl и ряд других - переводят карбоновые кисло-
ты в соли. Образующиеся при этом карбоксилат-ионы не реагируют с нук-
леофилами.
//°
R-C
ОН
+ CH3MgI
R-C „ + CH4f,
O°MgI
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
221
СН3СН2СН2СООН + NH3 25 °С~ CH3CH2CH2COO°®NH4.
масляная кислота бутират аммония
Однако при нагревании до 180 °C аммониевые соли, например, превра-
щаются в амиды карбоновых кислот.
/°
CH3CH2CH2COOq®NH4 185 °с> сн3сн2сн2-< + н2о.
бутират аммония МН2
бутанамид
Низкоосновные нуклеофилы присоединяются по карбонильной группе с
образованием производных карбоновых кислот. В большинстве случаев та-
кие реакции идут в условиях кислотного катализа.
Реакция этерификации
Реакция карбоновой кислоты со спиртом, катализируемая сильными
кислотами (H2SO4, и-толуолсульфокислота и другие), известна как реакция
этерификации (реакция Фишера-Шпайера, 1895 г.).
/О HSO Zz° Я
R-C + R'-O-H «— -4 ► R-C + Н2О
О-Н О-R'
карбоновая сложный эфир
кислота
Реакция этерификации обратима. Катализатор берут в минимальном ко-
личестве (~1%). Для увеличения выхода эфира в ходе реакции отгоняют
эфир (или воду) или используют большой избыток спирта.
Реакция этерификации имеет следующий механизм.
Стадия 1 - образование гидроксониевого иона:
R— С
ОН
®/°Н
R— С ,
ОН
хон
R— С ’’
<5? •
о—н
©
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение молекулы спирта к карбониль-
ному атому углерода:
он :он
©/.. .. | ..
R—С , + R'—О—Н R—С—ОН
222
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Стадия 3 - изомеризация (депротонирование-протонирование) образовав-
шегося аддукта:
юн юн . ; • юн
R— С—ОН -----= R—С—ОН + Ни * - ” R—С—ОН,
| • • | • | • •
н—о—r' :or' , :or’
• • • • •
Стадия 4 - элиминирование молекулы воды:
(ЮН
<1 <©
R—С—ОН2
OR'
©
:он юн
R—С --------- R—С®
I I
OR' OR'
+ н20
Стадия 5 - депротонирование продукта реакции:
' .©. ..
.он ,о:
R— С' ----------~ R-C + Н®
OR’ OR'
Нуклеофильное присоединение молекулы спирта к атому углерода кар-
бонильной группы было подтверждено опытами со спиртами, содержащи-
ми изотоп 18О в гидроксильной группе. Например, по данным анализа про-
дуктов реакции бензойной кислоты с метанолом, содержащим 18О, мече-
ный кислород оказался в сложном эфире.
д' 1 о НС1 (газ) д'
с6н5-сч + сн318он с6н5-сч18 + Н2О
ОН 18О-метанол ОСН3
бензойная 18О-метилбензоат
кислота
Реакционная способность реагентов в реакции этерификации изменяет-
ся в следующих рядах.
Спирты: СН3ОН > первичные > вторичные > третичные
Кислоты: НСООН > СН^СООН > RCH2COOH > R2CHCOOH > RjCCOOH
Присутствие объемистых групп около реакционного центра в спирте
или кислоте замедляет этерификацию.
20.1. Насыщенные и ароматические карбоновые кислоты
223
Реакции с галогенидами фосфора и серы
При взаимодействии карбоновых кислот с неорганическими галогенида-
ми, например РС15, РС13, SOC12, РВг3 получают галогенангидриды
карбоновых кислот.
//°
R-C
о-н
карбоновая
кислота
+ РС15
/Z0
R-c
о-н
+ SOC12
/Z°
— r-c + роа3 + на,
ха
хлорангидрид
карбоновой кислоты
/Z°
— r-c + so2 + на.
Предполагают, что реакция идет по схеме, включающей нуклеофильное
присоединение хлорид-иона к карбонильной группе.
Стадия 1 - образование смешанного ангидрида:
:о:
R— С ,
О—Н
• •
ci—s—С1
R—С—О—S—Cl + НС1.
:о:
о:
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение хлорид-иона по карбонильной
группе образовавшегося ангидрида:
:о
,©
. .©
о:
R—С—О—S—С1
R—С—О—S—С1
О
а; :о
Стадия 3 - распад образовавшегося аниона с образованием конечных про-
дуктов реакции:
. .©
о:
R— С—О—S—С1
С1 о
//о:
R~c\
а
O=S=O
. .0
:ci:
Тионилхлорид наиболее часто применяется для этой реакции, поскольку
образующиеся помимо хлорангидрида газообразные диоксид серы и хлоро-
водород легко отделяются от продукта реакции.
224
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Реакции с аммиаком
При комнатной температуре карбоновая кислота образует с аммиаком
аммониевую соль, которая при нагревании превращается в амид
карбоновой кислоты. Эта реакция часто применяется в промышленности
для получения амидов высококипящих карбоновых кислот.
R-C* + NH3 -А5°с > R—18'"°-* R-Ct + Н2°-
ХОН O®®NH4 nh2
карбоновая амид карбоновой
кислота кислоты
Реакция протекает по следующей схеме.
Стадия 1 - обратимое отщепление молекулы аммиака из аммониевой со-
ли карбоновой кислоты:
r— с ——r—с + :nh3
o°®nh4 он
• •
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение молекулы аммиака по карбо-
нильной группе карбоновой кислоты:
:о:
। ..
R—С—ОН
I ”
-• 2нз
®
Стадия 3 - внутримолекулярный перенос протона:
R—С—ОН
NH3
®
:он
I ..
R—С—ОН
I “
nh2
. .0
:о:
। .®.
R— С—ОН2
NH2
Стадия 4 - отщепление молекулы воды из аддукта с образованием амида:
R—Сч + Н2О
NH2
20.2. Производные карбоновых кислот
225
Бутанамид. В одном из препаративных вариантов реакции карбоновой кислоты с ам-
миаком пропускают аммиак через масляную кислоту, нагретую до 185 °C, и получают бу-
танамид с выходом 85%.
20.2. ПРОИЗВОДНЫЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
В ходе реакций карбоновых кислот с нуклеофилами, рассмотренных в
разд. 20.6, а также реакций, рассматриваемых в этом разделе, получают со-
единения общей формулы
//О
R— Сх (X = Hal, OR, OCOR, NH2).
X
Эти соединения - функциональные производные карбоновых кислот.
I
Ацильная группа R-C=O является общим структурным элементом произ-
водных карбоновых кислот.
20.2.1. Номенклатура
Систематические и тривиальные (в скобках) названия простейших
ацильных групп даны ниже.
н—с=о
метаноил
(формил)
I
сн3-с=о
этаноил
(ацетил)
сн3-сн2-с=о
пропаноил
(пропионил)
с6н5-с=о
бензоил
Производные карбоновых кислот, в которых гидроксигруппа у ацильно-
го фрагмента замещена на галоген, называют галогенангидридами
карбоновых кислот (ацилгалогенидами).
R—С=О
I
Cl
ацилхлориды
R~C=O
I
Вг
ацилбромиды
Продукты аналогичного замещения гидроксигруппы на ацилоксигруппу
RCOO называют ангидридами карбоновых кислот.
R-C-O-C-R
II II
О О
226
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Продукты замещения гидроксигруппы на алкоксигруппу R'O называют
сложными эфирами карбоновых кислот.
R-C
OR'
Соединения, в которых гидроксигруппа в карбоновой кислоте замещена
на аминогруппу, называют амидами карбоновых кислот.
//О
R-C4
nh2
zz°
R~CX
NH—R'
//О
R— С R'
X
R"
При этом аминогруппа в амидах может иметь одну или две алкильные
группы.
Соединения, содержащие группу -O=N вместо -С(=О)Х, также относят
к производным карбоновых кислот и называют нитрилами.
R-C=N.
20.2.2. Электронное строение и общая характеристика
реакционной способности
Как и все карбонильные соединения, производные карбоновых кислот
отличаются электрофильностью атома углерода карбонильной группы.
При этом электрофильность снижается в ряду:
..8© ..6©
8® „80 8®<г. 8®^* 8©£Р*
Г»_г>___________г Lr\____Г» Г>_Г>____________
R-C<
'NH2
В названном ряду все заместители у ацильного фрагмента R-C=O прояв-
ляют -I- и +Л/-эффекты. В указанном направлении -/-эффект снижается, а
+Л/-эффект возрастает, что приводит к уменьшению электрофильности
(6®) карбонильного атома углерода и соответственно к снижению реак-
ционной способности производного в реакциях нуклеофильного присое-
динения.
Делокализацию электронов в производных карбоновых кислот выража-
ют следующим набором резонансных структур:
20.2. Производные карбоновых кислот
227
//°
R-CM .
X
Пониженная двоесвязанность С=О-связи и повышенная кратность С-Х-
связи подтверждаются данными экспериментальных измерений длин свя-
зей, например, в метилформиате: < . (
Н 0.124 нм
0,133 нм .С—О
о
СН3
Как видно, длина С=О-связи в эфире несколько больше длины С=О-свя-
зи в альдегидах и кетонах (0,122 нм), а связь С-О, напротив, короче С-О-
связи в спиртах (0,144 нм).
Указанный выше ряд относительной реакционной способности важен
для получения функциональных производных карбоновых кислот. В этом
ряду каждое последующее производное получают из предыдущего, но не
наоборот. Например, хлорангидрид или сложный эфир нельзя получить из
амида.
Взаимопревращения кислот и их функциональных производных проте-
кают по общей схеме и формально могут рассматриваться как замещение у
ацильного атома углерода:
r-c* + :nu0 —► r-c* + :х®
X Nu . .
Механизм реакций производных карбоновых кислот с нуклеофилами
включает две обязательные стадии: присоединение нуклеофила и отщепле-
ние аниона :Хе.
Стадия 1 - присоединение нуклеофила по карбонильной группе С=О:
Nu®
:о:
।
R—С—Nu
I
X
Стадия 2 - отщепление аниона :Хе с образованием продукта замещения:
R—С—Nu
. - R—с—Nu + :х®
228
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
В общем случае скорость реакции зависит от двух факторов: от реакци-
онной способности производного карбоновой кислоты и от нуклеофильно-
сти атакующего реагента.
Сильные нуклеофилы легко реагируют с производными карбоновых
кислот и не требуют катализатора. Реакции со слабыми нуклеофилами про-
текают в присутствии кислотных или основных катализаторов.
Производные алифатических кислот в реакциях А^-типа, в целом,
более реакционноспособны, чем производные ароматических кислот. Объ-
емистые заместители у а-углеродного атома снижают реакционную спо-
собность производного.
сн3
,.80
8®
— сч
X
ргт • • 80
I 8®
сн3—с —с
I V
СНз Х
Влияние заместителей в ароматическом ядре на реакционную способ-
ность производных ароматических кислот иллюстрируется следующим
рядом снижения относительной скорости:
о*® /=\ /=\ .. /=\ о
% > v^c\ > CH3-Q4 jbc\
снижение реакционной способности в реакциях /Щу-типа
Электронодонорные заместители в ароматическом ядре уменьшают
электрофильность карбонильного углерода, что ведет к снижению реак-
ционной способности соединения. Электроноакцепторные заместители
оттягивают электронную плотность от карбонильного углерода и повы-
шают реакционную способность. Введение заместителей в орто-положе-
ние ароматического кольца создает пространственные затруднения
на первой стадии нуклеофильного присоединения, что также приводит к
уменьшению реакционной способности производного кислоты.
20.2. Производные карбоновых кислот
229
20.2.3. Способы получения и реакции
Гидролиз. Общие сведения
Характерной реакцией функциональных производных карбоновых кис-
лот является их гидролиз - реакция с водой, приводящая к образованию со-
ответствующей карбоновой кислоты.
R-C* + Н2О
чх
/О
R-C( + НХ
ОН
(X = Hal, OR, OCOR, NH2, NHR, NR2).
Ацилгалогениды гидролизуются водой с высокой скоростью без приме-
нения специальных катализаторов. Все остальные производные подверга-
ются гидролизу в присутствии катализаторов - кислот или оснований.
Гидролиз производных карбоновых кислот
в условиях кислотного катализа
/Z0
R~CX
X
JWT R-Ct° + нх-
он
Механизм кислотного гидролиза производного карбоновой кислоты
включает следующие стадии.
Стадия 1 - протонирование производного; все производные карбоновых
кислот протонируются по карбонильной группе, поскольку только в этом слу-
чае образующийся ион (сопряженная кислота) резонансно-стабилизирован:
Напротив, присоединение протона по гетероатому X исключает возмож-
ность резонансной стабилизации образующегося иона.
230
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Стадия 2 - нуклеофильная атака молекулой воды атома углерода карбо-
нильной группы:
Стадия 3 - отщепление НХ:
:ои н
I ®/н
r—с—о.:
н
:он
и ..
R—С—ОН
• •
:он
R—С—ОН
:он
I ©
R—С—ОН
Стадия 4 - депротонирование сопряженной кислоты продукта реакции:
©
:он
R—С—ОН + Н2О - —R— С' + Н3Ои
ОН
• •
Гидролиз производных карбоновых кислот
в условиях основного катализа
Механизм основно-катализируемого гидролиза производного карбоно-
вой кислоты включает следующие стадии.
Стадия 1 - присоединение гидроксид-иона к атому углерода карбонильной
группы:
Стадия 2 - отщепление аниона :Хе :
.о:
r—с/ + :х®
ОН
• •
20.2. Производные карбоновых кислот
231
По окончании реакции карбоновая кислота находится в ионизированной
форме, а именно в виде карбоксилат-иона:
Jo:
R-C + :Хе R—С>>0 + НХ (X = OR, OCOR,
хон о; NH2, NHR', NR’2).
Галогенангидриды
Ниже показаны примеры галогенангидридов карбоновых кислот и при-
ведены их названия.
СН3-С.
С1
этаноилхлорид
(ацетилхлорид)
/Z°
с6н5—с
С1
бензоилхлорид
//О
сн3сн2-сх
Вг
пропаноилбромид
(пропионилбромид)
Zz°
сн3-сн2-сн-сн2-с
сн3 С1
3-метилпентаноилхлорид
Как видно из приведенных примеров, название галогенангидрида образу-
ется от названия карбоновой кислоты путем замены суффикса -овая кисло-
та на суффикс -оилгалогенид.
Способы получения
Галогенангидриды карбоновых кислот можно получать следующими
способами:
а) из карбоновых кислот действием РС15, РС13, PBr3, SOC12, как было по-
казано выше, ;
Х/О ХО
R-C( + SOC12 ----------* R— с' + SO2 + НС1;
OH Cl
б) присоединением галогеноводородов к кетенам
Zz°
СН2=С=О + НВг ----------- СН3~СХ ;
кетен Вг
ацетилбромид
232
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
в) из ароматических альдегидов, не содержащих водородных атомов у
а-С-атома, при действии хлора . >
/О ,О
с6н5-< -%— с6н5-сч + но. _
Н С1
бензальдегид бензоилхлорид
Ацилирование хлорангидридами
Из хлорангидридов легко получают другие производные карбоновых
кислот: ангидриды, сложные эфиры, амиды. Соответствующие реакции с
карбоновыми кислотами, спиртами и аминами называют реакциями
ацилирования.
В соответствии с природой атома той или иной функциональной группы,
у которого происходит замещение водорода на ацильную группу, различа-
ют следующие реакции ацилирования:
О-ацилирование (спиртов и фенолов),
N-ацилирование (аммиака и аминов),
С-ацилирование (ароматических углеводородов).
Галогенангидриды муравьиной кислоты неустойчивы и легко разлага-
ются на СО и НХ. Их для ацилирования не применяют.
Наиболее часто применяют хлорангидриды, реже бром- и фторангидри-
ды карбоновых кислот.
Среди других производных карбоновых кислот хлорангидриды являются
наиболее активными ацилирующими реагентами.
Z/° Zz°
сн3-сч + с3н7он ------------ сн3-сх + НС1.
С1 пропанол ОС3Н7
ацетилхлорид пропилацетат ’
Как правило, реакции ацилирования проводят в присутствии слабого ос-
нования (пиридин, триэтиламин, М,М-диметиланилин), чтобы нейтрализо-
вать выделяющийся галогеноводород:
N(CH3)2
/О СН3-СЧ + (СН3)3С-ОН + С1 wpew-бутиловый ацетилхлорид спирт М,К-диметил- анилин
20.2. Производные карбоновых кислот
233
//°
сн3-с
ОС(СН3)з
mpem-бутилацетат
диметилфенил-
аммонийхлорид
трет-Бутилацетат. К кипящему раствору mpem-бутилового спирта (114 г; 1,54 моль)
и М,М-диметиланилина (202 г; 1,67 моль) в сухом эфире (200 мл) по каплям прибавляют
ацетилхлорид (121 г; 1,54 моль). Затем смесь охлаждают в ледяной бане и отфильтровы-
вают солянокислую соль М,М-диметиланилина. Эфирный слой промывают водной серной
кислотой для удаления избытка амина. Продукт выделяют перегонкой, т. кип. 95-98 °C.
Выход 115 г (64%)
Примером N-ацилирования может служить получение бензанилида.
С6Н5СОС1
Бензанилид. Смесь гидрохлорида анилина (9 г; 0,07 моль) и бензоилхлорида (9 г;
0,06 моль) в 50 мл бензола кипятят 8 ч. Реакционную массу охлаждают, продукт отфильт-
ровывают, промывают бензолом и водой, т. пл. 162 °C (из спирта). Выход 12,6 г (100%).
Восстановление хлорангидридов
Избирательное восстановление хлорангидридов - один из наиболее
удобных методов получения альдегидов. Восстановление может быть про-
ведено несколькими способами.
Восстановление по Розенмунду-Зайцеву (см. разд. 19.1.2) проводят как
каталитическое гидрирование. Как и при гидрировании алкинов до алке-
нов, при восстановлении хлорангидридов применяют «отравленные» ката-
лизаторы.
О О О О
СН3ОССН2СН2СС1 + н2 - РХали°н, - сн3оссн2сн2сн
хлорангидрид (ксилол?! 10 °C) метил-4-оксобутаноат
монометилсукцината
В качестве восстановителя применяют и литийтрис(трет-бутокси)алю-
могидрид LiAl(mpem-C4H9O)3H.
234
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
хлорангидрид
п-толуиловой
кислоты
LiAKmpem-C^HrjOj^H
n-метилбензальдегид
При применении избытка восстановителя реакция заканчивается получени-
ем спирта.
Ангидриды
Ангидриды карбоновых кислот называют согласно названиям соответ-
ствующих кислот.
''х
сн3-с
/°
сн3-с
О
уксусный
ангидрид
фталевый
ангидрид
Способы получения
а) Ацилирование карбоновых кислот и их солей ацилгалогенидами.
R-C' + R’-C* -Д- R-C-O-C-R' + НС1,
Cl 0Н ч ОО.
//° //°
R-C + R-C ------------~ R-C-O-C-R1 + NaCl.
Cl O°Na® Д Д
При этом заместители R и R' могут быть различными или одинаковыми.
б) Ацилирование карбоновых кислот ангидридами.
R-C-O-C-R + 2R'COOH - '° > R-C-Q-C-R' + 2RCOOH
II II ............. . II II
20.2. Производные карбоновых кислот
235
Реакция обратима. Равновесие смещается отгонкой более низкокипящей
кислоты: ; ?
2С6Н5- СООН + (СН3СО)2О -------------► (С6Н5СО)2О + 2 СН3СООН.
бензойная кислота уксусный ангидрид бензойный ангидрид уксусная кислота
в) Ацилирование карбоновой кислоты кетеном.
Реакция уксусной кислоты с кетеном является промышленным способом
получения уксусного ангидрида.
СН2=С=О + СН3СООН
кетен уксусная кислота
СН3-С-О-С-СН3
II II
О о
уксусный ангидрид
Реакцией кетена с другими карбоновыми кислотами получают смешан-
ные ангидриды.
СН2=С=О + R—СООН
R— С-О-С-СН3
II II
Ангидриды карбоновых кислот менее реакционноспособны, чем хлоран-
гидриды. Их реакции со спиртами и фенолами протекают в присутствии
кислотных или основных катализаторов. Более сильные нуклеофильные
реагенты - аммиак и амины - не требуют применения катализаторов. При
использовании уксусного ангидрида, например, легко и с количественным
выходом получают ацетамиды.
(Г' XJ Г'Г'ХХ г\ ц © /О . и 1 //О
(СбН5Си)2и + С11зО11 * C-61I5 С- + С6Н5 С
бензойный метанол ОСНз ОН
ангидрид метилбензоат бензойная
кислота
//° //О
(СН3СО)2О + h2n с6н5 — сн3 сх + сн3-с
уксусный анилин nhc6h5 он
ангидрид ацетанилид уксусная
кислота
п-Нитроацетанилид. К горячему концентрированному раствору п-нитроанилина
(13,8 г; 0,1 моль) в бензоле прибавляют уксусный ангидрид (10,5 г; 0,1 моль). Реакционная
масса вскипает. Через некоторое время выкристаллизовывается продукт, его отфильтро-
вывают, т. пл. 215-216 °C. Выход ~18 г (100%).
236
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Гидролиз ангидридов карбоновых кислот легко протекает в присутствии
кислот как катализаторов.
(СН3СО)2О 2СН3СООН. I
уксусный уксусная
ангидрид кислота
Как и все другие реакции производных карбоновых кислот с нуклео-
фильными реагентами, гидролиз ангидрида карбоновой кислоты включает
две основные стадии: нуклеофильное присоединение и отщепление.
Стадия 1 - кислотно-катализируемая реакция начинается с протонирова-
ния молекулы ангидрида по одной из карбонильных групп:
:о о:
и и ©
R—С—О—С—R + Н®
©
но: о:
и и
R—С—О—С—R
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение молекулы воды:
—►.С—ОН
•°л
/с=о:
R
R н
© I •
Н2О—С—О
Стадия 3 - депротонированмс-протонирование интермедиата и элимини-
рование молекулы карбоновой кислоты завершают реакцию.
® ® ..zH
Н2О^С—О
:(Ч
С=О1
R
I
но—С-О
к ”
°Q
с—о—и
R
/О:
2 R— С + Н®.
:он
Сложные эфиры
В названии сложного эфира сначала указывают алкильную группу, свя-
занную с кислородом, затем кислоту, заменяя суффикс в названии кислоты
-овая кислота на суффикс -оат.
20.2. Производные карбоновых кислот
237
II
н-с-осн3
метилметаноат
(метилформиат)
О
II
СН3-С-ОС2Н5
этилэтаноат
(этилацетат)
//О
С6Н5—С
О(СН2)2СН3
пропилбензоат
II
СН3-СН-С-ОСН(СН3)2
сн3
2-пропил-2-метилпропаноат
(изопропилизобутират)
Многие представители сложных эфиров встречаются в природе: душис-
тые вещества, феромоны, жиры и масла.
метилсалицилат
(содержится в эфирном масле жасмина)
СН3-С-ОСН2СН2СН(СН3)2
3-метилбутилацетат
(один из компонентов
запаха бананов)
О о
с17н35-&<^|^эс—С17Н35
ос-с17н35
о
тристеарат глицерина,
триоктадеканоиловый эфир глицерина
(содержится в составе многих природных
животных и растительных жиров)
Способы получения
а) Этерификация карбоновых кислот спиртами (главным образом пер-
вичными) в присутствии кислотных катализаторов.
h2so4 //
r-c + сн3сн2он < R—с + н2о
ОН ОС2Н5
б) Ацилирование спиртов и фенолов хлорангидридами карбоновых кис-
лот. Чаще всего, эту реакцию проводят в присутствии оснований для нейт-
рализации выделяющегося НС1.
238
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
//°
R-C
Cl
+ R'-OH
//°
R-C + НС1.
OR'
Ароматические ацилгалогениды реагируют медленнее, чем алифатичес-
кие. По методу Шоттена-Баумана реакции ацилирования хлорангидрида-
ми проводят в водных растворах щелочей.
//°
с6н5-с
С1
бензоилхлорид
+ С6Н5ОН
фенол
NaOH
(Н2О)
Z/0
С6Н5-С + NaCl.
ос6н5
фенилбензоат
Ацилирование легко гидролизующимися хлорангидридами алифатических
карбоновых кислот следует проводить в инертных растворителях и при ох-
лаждении. Этот метод ацилирования часто применяют в промышленных и
препаративных лабораторных синтезах.
в) Ацилирование спиртов и фенолов ангидридами карбоновых кислот.
zP
(СН3СО)2О + R'-OH - сн3-с + СН3СООН,
уксусный спирт OR’ уксусная
ангидрид алкилацетат кислота
(СН3СО)2О + С6Н5ОН я /О -у— сн3-с( + СН3СООН.
фенол ос6н5
фенилацетат
Этим методом обычно получают эфиры уксусной кислоты (ацетаты),
г) Присоединение спиртов и фенолов к кетенам.
сн2=с=о + R-OH -—- — сн3-с
кетен спирт OR
алкилацетат
/О
сн2=с=о + с6н5он — — сн3—с^
фенол 0С6н5
фенилацетат
Гидролиз
Сложные эфиры весьма устойчивы в нейтральной водной среде, но лег-
ко расщепляются, будучи нагреты с водой в присутствии сильных кислот
или оснований.
20.2. Производные карбоновых кислот
239
Гидролиз сложных эфиров в присутствии минеральной кислоты проте-
кает как реакция, обратная реакции этерификации Фишера-Шпайера:
О
II
R-C-OR' + Н2О
сложный
эфир
о
Н® II
R-C-OH + R'OH
карбоновая спирт
кислота
Как и в общей схеме кислотно-катализируемого гидролиза производных
карбоновых кислот, гидролиз сложного эфира в присутствии сильной мине-
ральной кислоты начинается с протонирования эфира по карбонильной
группе.
протонирование
по карбонильному кислороду
протонирование
по эфирному кислороду
КС..
OR'
ОН
R-C”
OR'
®
®/9H
r-c
OR'
• •
/г0’’
R~C.
OR'
©I
стабильный катион
(положительный заряд делокализован)
малостабильный катион
(положительный заряд
локализован
на одном О-атоме)
Схема кислотно-катализируемого гидролиза сложного эфира карбоно-
вой кислоты дана ниже на примере гидролиза этилацетата.
Стадия 1 - протонирование карбонильного атома кислорода эфира:
• • ----©
хо: \ хон
сн3—с/ + н3о® ..............сн3—с^’ + Н2О
ОС2Н5 ОС2Н5
/
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение воды к протонированной моле-
куле сложного эфира с образованием протонированной формы тетраэдриче-
ского аддукта:
/ОН
н2о\+ сн3-с"
ОС2Н5
:он
। • • ।
СН3-С-ОС2Н5
:£Н2
240
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Стадия 3 - депротонирование-протонирование:
:он
сн3—с—ос2н5 + н2о:
;ОИ2"---
:он
I .. ©
сн3—с—ос2н5 + н3о:
:он
:он
СН3-С-ОС2Н5
:он
:он
। .©.
сн3-с—ОС2Н5
ZOHH
©
Н3о
+ Н2о
Стадия 4 - диссоциация протонированного интермедиата с образованием
протонированной карбоновой кислоты и молекулы спирта:
СН3—Ст^ОС2Н5
:онн
• •
.он
//
СН3—с
он
+ С2Н5ОН
Стадия 5 - образование нейтральной формы карбоновой кислоты:
Z/OH
сн3-с . + н2о:
он
/О
сн3—+ Н3О®
он
Имея в виду показанную выше схему кислотно-катализируемого гидро-
лиза сложных эфиров, необходимо ответить на следующие два вопроса:
1) какой из атомов кислорода оказывается по окончании гидролиза в мо-
лекуле спирта - атом кислорода алкоксигруппы, находившейся в составе ис-
ходного эфира, или атом кислорода из молекулы воды?
2) каков стереохимический результат реакции гидролиза сложного эфи-
ра, имеющего оптически активную эфирную алкильную группу?
Ответ на первый вопрос был найден на основе опытов с 18О-меченной
водой. .
О О
II 18 н® И 18
R-C-OR' + №0 —h—- R-C-OH + R’OH.
Атом кислорода из молекулы воды оказывается в молекуле карбоновой
кислоты, а атом кислорода алкоксигруппы OR' сохраняет в ходе гидролиза
связь с алкильной группой R'.
20,2. Производные карбоновых кислот
241
Этот результат дает ответ и на второй вопрос - о стереохимии реакции
гидролиза. Поскольку алкоксигруппа сохраняет связь С-О, никакие изме-
нения в хиральном центре фрагмента спирта не наблюдаются.
<Р н® <Р
сн3-с( + Н2О .....“...- сн3-с( + С4Н9ОН.
ОСдНд-втор ОН (Л)-2-бутанол
(Л)-вдаор-бутилацетат уксусная
кислота
Показанная схема кислотно-катализируемого гидролиза этилацетата
имеет универсальное значение, поскольку большинство сложных эфиров
карбоновых кислот претерпевает кислотный гидролиз по аналогичному ме-
ханизму. Исключение составляет лишь гидролиз эфиров третичных спиртов,
который идет с промежуточным образованием третичного карбкатиона.
сн3-с'
ОС(СН3)3
//О
----- сн3—с
он
<р ©
сн3-сх + С(СН3)3
он
+ (СНз)зС-ОН.
Формально реакция напоминает процесс S,vl, и в этом случае, казалось
бы, вновь актуальным становится вопрос о месте протонирования молеку-
лы сложного эфира. Показано, однако, что сложные эфиры и третичных
спиртов в ходе кислотно-катализируемого гидролиза также протонируются
по атому кислорода карбонильной группы.
О
II н®
СН3-С-О-С(СН3)3
©Л
о
СН3-С-О-С(СН3)3
он
I
СН3-С-О-С(СН3)3
он
I X—X
СН3-С^О^С(СН3)3
©
/ОН @
СН3—С + С(СН3)3
о
н2о
(СН3)3С-ОН2 —©* (СНз)зС-ОН
—н
242
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот в присутствии оснований
приводит к получению солей карбоновых кислот и называется омылением.
В противоположность кислотно-катализируемому гидролизу омыление
сложных эфиров идет необратимо.
О О
II о II о
R-C-OR' + ®ОН ---------- R-C-O® + R'OH.
Механизм основно-катализируемого гидролиза сложных эфиров карбо-
новых кислот показан ниже на примере этилацетата. ,
О О
II Но©
СН3-С-ОС2Н5 + NaOH ---------- CH3-C-O°Na° + С2Н5ОН.
этилацетат ацетат этанол
натрия
Стадия 1 - нуклеофильное присоединение гидроксид-иона по карбониль-
ной группе:
..©
но: + сн3—с
ОС2Н5
сн3—с—ОС2Н5
:он
Стадия 2 - диссоциация промежуточного тетраэдрического аниона:
..© ..
(:о: о:
ч.| II ©..
сн3—с-ос2н5 --------► сн3—с + :ос2н5
:он :он
• • • •
Стадия 3 - кислотно-основное взаимодействие продуктов гидролиза:
//°
СН3-С
он
+ °:рс2н5
сн3—с
+ С2Н5ОН
Показано, что и основно-катализируемый гидролиз сложных эфиров
протекает с сохранением связи О-Alk и как следствие - с сохранением кон-
фигурации алкильной группы.
20.2. Производные карбоновых кислот
243
О
И 18
СН3СН2-С-ОС2Н5 + NaOH —
18О-этилпропаноат
©он
сн3-сх + Н2О —
ОСдНд-вто/?
(ЗЗ-втор-бутилацетат
zz°
сн3сн2—С Q@ +
ONa
Na-соль
пропановой кислоты
Zz°
сн3-сх + С4Н9ОН.
ОН (5)-2-бутанол
уксусная
кислота
qhJoh,
18О-этанол
Основно-катализируемый гидролиз сложных эфиров имеет практичес-
кое применение, поскольку эта реакция лежит в основе мыловаренного
производства. Еще в древние времена люди умели изготавливать мыло,
нагревая животный жир с золой. В животном жире, как уже отмечалось,
содержатся значительные количества тристеарата глицерина, а древесная
зола является источником поташа К2СО3.
СН2ОСОС17Н35
СНОСОС17Н35
СН2ОСОС17Н35
к2со3, н2о
t5 ~
сн2-он
сн-он
I
сн2-он
+ С17Н35СОО°К®
стеарат калия
тристеарат глицерина
глицерин
Получаемая в ходе гидролиза калиевая соль стеариновой кислоты идет
на изготовление жидкого мыла, а из натриевой соли получают твердые мыла.
Переэтерификация
Превращение одного сложного эфира в другой под действием соответст-
вующего спирта в присутствии катализатора (кислоты или основания) на-
зывают переэтерификацией.
н®
R-C + R'OH —й R— Сх + СН3ОН
ОСН3 - OR'
R-C* + R'OH R-c* + СН3ОН
ОСН3 OR'
Хотя эти реакции обратимы, равновесие можно смещать, например, от-
гонкой низкокипящего спирта (чаще метанола или этанола).
244
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
По механизму реакции переэтерификации аналогичны соответствую-
щим реакциям гидролиза. В частности, механизм основно-катализируемой
реакции переэтерификации включает следующие стадии.
Стадия 1 - образование алкоксид-иона:
R-—он + е:он R"-o:° + Н2О
алкоксид-ион
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение алкоксид-иона к молекуле эфира:
Стадия 3 - образование продукта реакции:
R—Ст-О—R'
|
:о—R"
• •
R'—О
Восстановление
Сложные эфиры восстанавливаются с разрывом связи между карбо-
нильным атомом углерода и кислородом алкоксигруппы. При этом ациль-
ный остаток восстанавливается до первичного спирта. Литийалюминийгид-
рид является для этих целей наиболее эффективным восстановителем.
СбН5-< С6Н5СН2ОН + С2Н5ОН.
ОС2Н5 бензиловый этанол
этилбензоат спирт
Восстановление можно проводить также действием натрия в этаноле
{реакция Буво-Блана, 1903 г.). Этот способ дает особенно хорошие резуль-
таты при восстановлении эфиров алифатических кислот.
СНз(СН2)4СООС2Н5 —С^Н> СН3(СН2)4СН2ОН + С2Н5ОН.
этилгексаноат гексанол этанол
20.2. Производные карбоновых кислот
245
Механизм этой реакции подробно не изучался, однако реакцию
Буво-Блана не следует рассматривать как гидрирование молекулы сложно-
го эфира водородом, выделяющимся в реакции этанола с натрием. По-ви-
димому, она протекает через стадию одноэлектронного переноса. На пер-
вой стадии этой реакции, вероятнее всего, имеет место перенос электрона
от атома натрия на карбонильную группу эфира, после чего следует распад
образовавшегося анион-радикала.
Амиды
При составлении названия амида суффикс в названии кислоты -овая
кислота заменяют на суффикс -амид.
Правила составления названий амидов иллюстрируются следующими
примерами:
II II
H-C-NH2 CH3-C-NH2
формамид ацетамид
О
c6h5-c-nh2
бензамид
II
ch3-ch2-c-nh-ch3
N-метилпропанамид
(N-метиламид пропионовой
кислоты)
II /СНз
CH3-(CH2)2-C-N
СНз
N.N-диметилбутанамид
(М,М-диметиламид масляной
кислоты)
Способы получения
Амиды являются наименее реакционноспособными производными кар-
боновых кислот по отношению к нуклеофильным агентам. Поэтому для по-
лучения амида пригодна реакция любого производного карбоновой кисло-
ты с аммиаком или соответствующим амином.
Амиды получают несколькими способами:
а) из ацилгалогенидов ацилированием аммиака, первичных и вторичных
аминов;
б) из ангидридов взаимодействием с аммиаком и аминами, этим способом
обычно получают различные ацетамиды;
в) из сложных эфиров взаимодействием с аммиаком и аминами;
г) из карбоновых кислот взаимодействием с аммиаком и аминами;
д) гидролизом нитрилов - реакция идет гладко в присутствии как кислот,
так и оснований.
246
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
СН3
СН3~С—C=N Hfi° >
сн3
нитрил
пивалевой кислоты
сн3-с-сч
СН3 NH2
амид
пивалевой кислоты
Фенилацетамид. Смесь фенилацетонитрила (227 г; 1,94 моль) и конц. НС1 (800 мл) раз- I
мешивают при 50 °C в течение 20-30 мин, после чего прибавляют ледяную воду. Продукт
отфильтровывают, т. пл. 154-155 °C. Выход 220 г (84%). I
Для ускорения реакции в щелочной среде иногда применяют пероксид
водорода.
R-C=N .О NaOH, Н2О2 (Н2О) ’ К С\ nh2
е) из кетенов присоединением первичных и вторичных аминов.
сн2=с=о + ch3nh2
кетен метиламин
Zz°
сн3-сч
NHCH3
N-метилацетамид
Кислотность и основность
Амидная группа
имеет плоское строение: атомы углерода, кислорода, азота, водорода и
ключевой атом фрагмента R лежат в одной плоскости.
Делокализация электронов в амидной группе описывается следующими
резонансными структурами:
..0
®ZP.:
R-C, Л
N,
Н
ИЛИ
20.2. Производные карбоновых кислот
247
Вследствие смещения л-электронной плотности в амидной функции к
атому углерода карбонильной группы основность амидов значительно ниже,
чем основность алифатических аминов (например, значение \>Ка сопряжен-
ной кислоты для ацетамида Р^а(ВН®) 0,5). Поэтому, как и другие производные
карбоновых кислот, амиды протонируются по карбонильной группе:
/°
R-c' + Н® ~--------
NH2
©
хо-н
r-<::
nh2
®z2-H
R-CX
NH2
zO-H
R-C4
>2
Амиды обладают повышенной NH-кислотностью (рКа ~ 15). Они явля-
ются гораздо более сильными NH-кислотами, чем аммиак (рКа ~ 33). Это
обусловлено резонансной стабилизацией сопряженных оснований -
амидат-ионов, образующихся при ионизации амидов:
/z0:
R-q
nh2
R-CX.°.
NH
>O:
R-C4
4NH
• •
. .©
;o:
R~C ©
® NH
резонансные структуры
амидат-иона
В водных растворах амиды не образуют устойчивых солей ни как осно-
вания, ни как кислоты, т. е. являются нейтральными соединениями.
Реакции
Превращение амидов в нитрилы - еще один после NH-кислотности при-
мер лабильности N-H-связи в амидах карбоновых кислот.
Превращение амида карбоновой кислоты в нитрил протекает как под
действием высокой температуры, так и при обработке амида дегидратиру-
ющими агентами (Р2О5, РОС13, SOC12).
soci2
бензол
80 °C
2,3-диметилгексанамид
2,3-диметилгексаннитрил (90%)
248
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Гидролиз амидов проводят при их нагревании с водой в присутствии ос-
нований (реже в присутствии кислот). В результате реакции образуются
карбоновая кислота и аммиак (или амин).
/° /°
р Г'1' р_ NaOH, f 14 nh2 -с' + NH3, OeNa®
/О р z~'/ н2о г л NaOH, t°' N(CH3)2 R-C + (CH3)2NH, XOeNa®
R~Ct шон?» RCOONa + C6H5-NH2.
nhc6h5
В препаративных целях гидролиз амидов карбоновых кислот, как прави-
ло, проводят в присутствии водного раствора едкого натра. Ниже показан
механизм этой реакции на примере гидролиза бутанамида.
Стадия 1 - присоединение гидроксид-иона как нуклеофила к молекуле
амида:
С3Н7- С-NH2
:он
Стадия 2 - ионизация промежуточного тетраэдрического продукта присо-
единения:
с3н7—С—NH2 + Н2О
:о:
©• •
Стадия 3 - элиминирование амидат-иона из промежуточного аддукта:
С3Н7—C^NH2 + Н2О
:о:
/Р* .. ©..
С3н7-С><0 + NH3 + :он.
о:
Гипогалогенитная реакция Гофмана. Реакция амидов со щелочными
растворами галогенов (иода, брома или хлора) известна как реакция
20.2. Производные карбоновых кислот
249
Гофмана (1881 г.). Эта реакция, называемая также перегруппировкой
Гофмана, ведет к получению амина с укорочением углеродной цепи амида
на один атом углерода. Реакция гладко протекает с амидами как жирных,
так и ароматических кислот.
R— С7 ВГ2 + 4NaOH r-nh2 + 2NaBr + Na2CO3.
xnh2
Механизм расщепления амидов по Гофману включает следующие
стадии.
Стадия 1 - N-бромирование амида, катализируемое основанием:
/о: /6:
С6н5-С^.. + Вг2 + ®он ------ с6н5—с'. + Н2о + ВгЭ z
NH2 .... N-Br
н
Стадия 2 - ионизация N-бромамида действием основания:
С6Н5—С',, + ®он ------- С6Н5—(У© + Н2О.
N—Вт N—Вт
I
Л
Стадия 3 - внутримолекулярная перегруппировка с образованием изоциа-
ната:
/°:
С6Н5-тС^ ----------- С6Н5—N=C=O + Вт®
Стадия 4 - гидролиз изоцианата с образованием амина:
•••• © •• 2©
С6н5—N=C=O + 2ОН ----------- C6H5-NH2 + СО3 .
Восстановление амидов проводят действием литийалюминийгидрида в
тетрагидрофуране. Амиды, содержащие по крайней мере один атом водо-
рода у атома азота, восстанавливаются до соответствующих первичных и
вторичных аминов.
250
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
с6н5-с*° c6h5ch2nh2, .
nh2 бензиламин
бензамид
СН3(СН2)5-С^° CH3(CH2)5CH2NHCH3,
NH—СН3 N-метилгептанамин
N-метилгептанамид
LiAlH4
эфир Н2О
Г -
OCH2CH2NH2
амид
феноксиуксусной кислоты
О-феноксиэтиламин
N-Моноалкил- и М,М-диалкиламиды также могут быть восстановлены до
аминов при действии избытка LiAlH4.
/°
сн3-Cxz -ll2° > CH3CH2N(CH2CH3)2.
N(CH2CH3)2 триэтиламин
N.N-диэтилацетамид
N-Метилдодециламин. К раствору LiAlH4 (3,8 г; 0,1 моль) в сухом эфире (180 мл) при
слабом кипении в течение 3 ч прибавляют N-метилдодеканамид (16 г; 0,07 моль). Смесь ки-
пятят еще 2 ч, после чего размешивают в течение 12 ч при комнатной температуре. Обра-
батывают водой (10 мл), соли лития и алюминия отфильтровывают. Продукт выделяют
перегонкой, т. кип. 108-110 °C (145 мм рт. ст.). Выход 13 г (93%). •.
Однако при медленном внесении контролируемых количеств восстано-
вителя амид может быть восстановлен и до альдегида. В этом случае в ка-
честве восстановителя рекомендуется применять литийтриэтоксиалюми-
нийгидрид:
ЫА1Н4 + ЗС2Н5ОН ----------► LiAl(OC2H5)3H + 3 Н2 ,
литийтриэтокси-
алюминийгидрид
О о
(CH3)3C-C-N(CH3)2 + LiAl(OC2H5)3H (СН3)3С-СН
диметиламид • пивалевый альдегид
пивалевой кислоты
20.2. Производные карбоновых кислот
251
Нитрилы
При образовании названия нитрила карбоновой кислоты по номенклату-
ре ИЮПАК суффикс -нитрил добавляют к названию углеводорода
(в название углеводорода включают атом углерода группы C^N).
СН3
сн3—c=n ch3-ch-ch2-c=n
этаннитрил 3-метилбутаннитрил
(ацетонитрил) (нитрил изовалериановой
кислоты)
СН3(СН2)3—C=N
пентаннитрил
(валеронитрил)
Часто нитрилы называют как производные кислот, в которые они пре-
вращаются при гидролизе:
c6h5-c=n
бензонитрил
л-толунитрил
c6h5-ch2-c=n
нитрил фенилуксусной
кислоты
Способы получения
а) Дегидратация амидов позволяет получать нитрилы как алифатичес-
ких, так и ароматических карбоновых кислот.
/О
R— С' R-C=N + Н2О.
NH2 .
б) Аммонолиз карбоновых кислот также является универсальным мето-
дом получения нитрилов и применяется в промышленности.
Zz°
R-C
ОН
R-C-N + 2Н2О.
в) Дегидратация оксимов альдегидов относится к лабораторным методам
получения нитрилов.
R-CH=N-OH (CH3gO)2P> R-C=N + 2 СН3СООН.
г) Галогеналканы, способные вступать в реакции SN2, легко образуют
нитрилы алифатических карбоновых кислот (см. разд. 13.4.1).
R-X R“C^N + КХ- '
252
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
д) Превращение арендиазониевых солей по реакции Зандмейера являет-
ся надежным источником нитрилов ароматических карбоновых кислот (см.
разд. 24.2.3).
[Ar-N=N]HSO4e
- Ar-C=N + N2 + CuHSO4.
е) Сплавление арилсульфонатов с цианидом калия также ведет к нитри-
лам ароматических карбоновых кислот.
ArSO3eNa® Ar~C=N + KNaSO3.
ж) Циангидринный синтез открывает путь к получению нитрилов
а-замещенных карбоновых кислот.
О ОН
II CN® ।
R-C-R' + HCN R-C-CN
I
R'
Строение
Тройная С=М-связь подобна тройной связи С=С: атомы углерода и азо-
та этой связи находятся в .vp-гибридном состоянии.
Тройная связь C=N - более прочная, чем тройная связь С=С. Энергии
диссоциации этих связей равны 886,6 кДж/моль (212 ккал/моль) и
836,4 кДж/моль (200 ккал/моль) соответственно. Связь C=N является и го-
раздо более полярной.
3® _3®
СН3—C=N
этаннитрил
(ц=3,30 D)
3® 3©
СН3СН2—C=N
пропаннитрил
(ц = 3,39 D)
сн3—с=сн
пропин
(ц = 0,75 D)
Связь CsN заметно короче связи С=С: их длины равны 0,110 и 0,120 нм
соответственно.
Нитрилы имеют высокие температуры кипения. Многие нитрилы хоро-
шо растворимы в воде, так как образуют водородные связи с молекулами
воды. Атом азота нитрильной группы имеет свободную пару электронов.
Однако эта пара находится на sp-орбитали, что является причиной очень
низкой основности нитрилов. Значение рА/(ПН5) сопряженной кислоты
ацетонитрила составляет -10,1. Тем не менее азот нитрильной группы при-
соединяет протон в присутствии сильных минеральных кислот. Это увели-
чивает электрофильность атома углерода (кислотный катализ).
20.2. Производные карбоновых кислот
253
•. н© ©
CH3~~C=N =;= [CH3-C=N-H
СН3—С—N—Н]
Реакции
Гидролиз нитрилов протекает при нагревании с водными растворами
кислот или оснований. При этом промежуточно образуются амиды карбо-
новых кислот.
C6H5CH2CN C6H5CH2CONH2 с6Н5СН2СООН.
фенил- фенил- фенилуксусная
ацетонитрил ацетамид кислота
Гидролиз нитрила до амида в присутствии основания включает следую-
щие стадии (гидролиз амида до карбоксилат-иона показан выше).
Стадия 1 - нуклеофильное присоединение гидроксид-иона к нитрильной
группе:
X :?н
/„ :он I ..©
r— c=n; - — r—c=n:
Стадия 2 - протонирование продукта присоединения взаимодействием с
водой:
:он ч
I н2о
r—c=n: ₽=
। .. о..
R—C=N—Н + :он
• •
Стадия 3 - таутомерное превращение продукта реакции:
;онА :о >
<| II ..
R—C=N—Н -* R—С—NH2
В качестве еще одного примера можно назвать гидролиз бутаннитрила
до соли бутановой кислоты:
CH3CH2CH2CN к^> CH3CH2CH2CONH2 CH3CH2CH2COO®K®.
бутаннитрил бутанамид бутаноат калия
Гидролиз нитрила до амида в присутствии кислоты протекает по сле-
дующему механизму.
254
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Стадия 1 - протонирование молекулы нитрила:
•• н®
СН3—C=N =
©
[СН3—C=N-H
© ..
СН3—C=N—Н]
Стадия 2 - нуклеофильное присоединение молекулы воды:
© • • н2о • • ©
сн3—C=N-H . сн3—C=N-H == сн3—C=NH2
J медленно | I
:он
Н ® Н J
Стадия 3 - депротонирование сопряженной кислоты амида:
© я
сн3—c=nh2 -—* н® + сн3—с—nh2
ri II
<:он .°.’
Например, n-нитрофенилэтаннитрил в результате нагревания с водной
серной кислотой практически количественно превращается в п-нитрофе-
нилуксусную кислоту.
O2N^( V—CH2CN
СН2СООН
л-нитрофенилэтаннитрил
л-нитрофенилуксуснаЯ’ кислота
Реакции нитрилов с реагентами Гриньяра. Реакции нуклеофильного
присоединения нитрилов протекают значительно менее энергично, чем ре-
акции присоединения альдегидов и кетонов.
Однако реагент Гриньяра, будучи сильным нуклеофилом, присоединяет-
ся к нитрилу по тройной связи C=N достаточно легко с образованием соли
кетимина. При разложении соли разбавленной кислотой образуется кетон.
8® 8© СбН5 © о
C6H5C=N + CH3CH2MgBr ------------ zC=N: MgBr
бензонитрил этилмагний- СН3СН2
бромид
©
- ... С6Н5-С-СН2СН3 + NH4 + Mg(OH)Br
О
пропиофенон
Н3О®
20.2. Производные карбоновых кислот
255
Восстановление нитрилов. Нитрилы легко восстанавливаются до пер-
вичных аминов. В качестве восстановителей применяют литийалюминий-
гидрид и водород над металлическим никелем.
R—C=N R-CH2-NH2.
Нуклеофильный катализ
в реакциях производных карбоновых кислот
Мы обсудили схемы кислотного и основного катализа ряда реакций про-
изводных карбоновых кислот. Полезно иметь в виду еще один тип катали-
за этих реакций - нуклеофильный катализ.
В частности, при гидролизе сложных эфиров нуклеофильный катализ
наблюдается, если один из компонентов реагирующей смеси более нуклео-
филен, чем вода или гидроксид-ион, а образующийся интермедиат атакует-
ся водой или гидроксид-ионом быстрее, чем исходный эфир.
R-C
OR'
СЛОЖНЫЙ
эфир
//О
R~CX
Nu
+ Nu —
нуклеофил
+ н2о
R— С' + R'O®
Nu
интермедиат
RCOOH + Nu.
карбоновая
кислота
В качестве нуклеофильных катализаторов могут выступать, например,
карбоксилат-ионы
R-C\
OR1
сложный
эфир
+ R"COO® =
карбоксилат-
ной
R-u-OR'
I
OOCR"
интермедиат
О о
11 11 о
R-C-O-C-R" + R’O®,
ангидрид
поскольку промежуточно образующийся ангидрид гидролизуется значи-
тельно легче, чем исходный эфир.
II II
R-C-O-C-R" + Н2О
RCOOH + R"COOH.
Необходимым условием нуклеофильного катализа в этих примерах яв-
ляется следующее обстоятельство. Анионы R"COOe и R’Oe не должны
сильно различаться по основности. В противном случае карбоксилат-ион
256
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
R"COOe оказывается значительно лучшей уходящей группой и тетраэдри-
ческий интермедиат быстрее распадается до исходных реагентов, нежели
до конечных продуктов.
По этой причине нуклеофильный катализ чаще наблюдается в реакциях
фениловых эфиров карбоновых кислот. Эффективными нуклеофильными
катализаторами в этих реакциях выступают, например, амины и гетероцик-
лические азотистые основания (пиридин, имидазол).
имидазол
фенилацетат
С,
сн3-с^ос6н5
NT®
СНз
N-ацетилимидазол
//
сн3-с
- \
он
уксусная
кислота
имидазол
Нуклеофильный катализ обнаружен и в других реакциях производных
карбоновых кислот. Например, пиридин и третичные амины ответственны
за нуклеофильный катализ в реакции ацилирования гидроксисоединений
хлорангидридами карбоновых кислот.
/Z0
R-C +
С1
хлорангидрид
ацилпиридинийхлорид
ацилпиридиний-
хлорид
R-CZ + C5H5N + НС1.
OR’
сложный > -
эфир
20.2. Производные карбоновых кислот
257
Успех применения пиридина как катализатора в этой реакции определя-
ется тем, что промежуточно образующийся N-ацилпиридинийхлорид явля-
ется исключительно активным ацилирующим агентом.
Особый интерес представляет внутримолекулярный нуклеофильный
катализ. Этот интерес обусловлен важностью такого катализа в реакциях,
протекающих в биологических системах, прежде всего в реакциях, катали-
зируемых ферментами. Соответствующие нуклеофильные фрагменты мо-
лекулы могут оказывать влияние на реакционный центр по механизму ан-
химерного содействия.
Например, фениловые моноэфиры фталевой кислоты гидролизуются
существенно быстрее, чем соответствующие бензоаты.
По аналогичной схеме внутримолекулярного нуклеофильного катализа
моноанилиды янтарной кислоты и замещенных янтарных кислот при pH 5
гидролизуются значительно быстрее ацетанилида.
СН3--+ Н2О СН3СООН + C6H5NH2,
nhc6h5
II
h2c-c-nhc6h5
н2с-соон
+ н20
£отн = 1,3 • 10s
н2с-соон
н2с-соон
+ c6h5nh2,
258
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
СН3
сн3-А
сн3^/
СНз
II
c-nhc6h5
соон
+ н20
СНз
£отн=1,б. ю8 сн3-¥-соон
СНз^т^СООН
СНз
+ c6h5nh2.
Б
Сравнение параметров гидролиза моноанилидов янтарной (А) и тетра-
метилянтарной (Б) кислот позволяет оценить роль энтальпийного и энтро-
пийного факторов в энергетике этой реакции. При этом следует иметь в
виду, что переход от анилида А к анилиду Б повышает энтальпию актива-
ции на 6 ккал/моль. Наблюдаемое, тем не менее, резкое увеличение скоро-
сти гидролиза анилида Б можно объяснить только энтропийным факто-
ром. При введении в молекулу метильных групп увеличивается упорядо-
ченность реакционной системы, а тем самым и вероятность присутствия
ионизированной карбоксильной группы, оказывающей каталитический
эффект, вблизи реакционного центра.
Ниже показан еще один пример внутримолекулярного катализа: этило-
вый эфир о-формилбензойной кислоты гидролизуется в 2,5-105 раз быстрее
пара-изомера.
пара-изомер
Гидроксид-ион присоединяется к о-формильной группе и создает внутри-
молекулярный нуклеофильный центр. Располагаясь в орто-изомере по-
соседству со сложноэфирной группой, этот центр активирует ее по механизму
анхимерного содействия.
20.3. Енолят-ионы карбоновых кислот и их производных
259
Промежуточно образующийся лабильный а-гидроксилактон быстро гид-
ролизуется водой с образованием конечного продукта.
20.3. ЕНОЛЯТ-ИОНЫ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ
20.3.1. СН-Кислотность карбоновых кислот
и их производных
Карбоновые кислоты и их производные, имеющие водород у «-углерод-
ного атома, обладают СН-кислотностью и способны к реакциям, протека-
ющим через промежуточное образование соответствующих енольных
форм.
СН-Кислотность некоторых производных карбоновых кислот сравнива-
ется ниже с кислотностью альдегидов и кетонов.
а-СН-Кислота .0 Р*а а-СН-Кислота П Р*а
сн3-с С1 ацетилхлорид /О -16 сн3-с: ОСН3 метилацетат 25
сн3-сч н ацетальдегид О II 17 CH,-C=N ацетонитрил //° сн3—с 25
сн3-с-сн3 ацетон 19 N(CH3)2 ~зо N.N-диметилацетамид
а-СН-Кислотность производных карбоновых кислот проявляет себя в
различных реакциях. Например, этилацетат, будучи растворен в дейтеро-
этаноле, подвергается H/D-обмену в присутствии каталитических коли-
честв этоксида натрия. ,
сн3-с +
ос2н5
c2h5od
d-этанол
этилацетат
C2H5OQNa® 'Р
< =— CJJ3
ОС2Н5
этил-йз-ацетат
+ С2Н5ОН
этанол
260
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
В присутствии очень сильных оснований енолизируемый эфир, напри-
мер этилпропаноат, практически нацело подвергается ионизации.
//°
сн3сн2-с
ОС2Н5
©0
LiN(C3H7)2
ТГФ, -78 °C
рК„ ~ 25
•°. /О
сн3сн-с(
ОС2Н5
о®
СН3СН=СХ Li+ + HN(C3H7)2.
ОС2Н5 pX-„ ~ 40
Образующиеся при этом енолят-ионы проявляют себя как эффективные
нуклеофилы
в реакциях замещения (5V):
СНзСН-С L1 + СН3—Вг
ОС2Н5
СИз //0
сн3-сн-сх
ос2н5
этил-2-метилпропаноат
и в реакции присоединения (Ad^y.
Z/°
сн3-с
ОС(СН3)3
/ире/и-бутилацетат
©о
LiN(C3H7)2
ТГФ,-78
Я
сн2-с
ОС(СН3)3
;of 1
сн2=с
ОС(СН3)3
Li®
трет-бутил-
1-гидроксициклогексилацетат
20.3. Енолят-ионы карбоновых кислот и их производных
261
20.3.2. Реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского
Эта реакция протекает с промежуточным образованием енольной фор-
мы производного карбоновой кислоты и заключается в галогенировании
(хлорировании или бромировании) карбоновой кислоты в присутствии фо-
сфора. Продуктом реакции является галогенангидрид а-галогензамещен-
ной кислоты.
СН3СООН + Br2 + Р
уксусная
кислота
ВгСН2-с' + НВг + Р(ОН)3.
Вг
бромацетилбромид
Первоначально образующийся бромид фосфора(Ш) превращает карбо-
новую кислоту в бромангидрид, енольная форма которого легко присоеди-
няет бром.
1) 2Р + 3 Вг2 -------► 2РВг3
2) ЗСН3—+ РВг3
О—Н
• •
//' •
3 сн3—Сх<. + Р(ОН)з,
Вт:
• •
бромангидрид
уксусной кислоты
8©0U. н©
3) CH3-CZ н—сн2—с
хв’г: вг:
• • L- • •
ОН
===== Н® + CH2=cJ’
в’г:
• •
©/.°-н
н—сн2—СХе .
в’г:
он
4) СН2=С^ + Вг—Вг
Вг
сн2-с^
i Вг
+ НВг.
Как следует из схемы, эта реакция по механизму аналогична реакции
кислотно-катализируемого галогенирования кетонов. Для этой реакции не-
обходимы только каталитические количества РВг3, поскольку образовав-
шийся бромангидрид бромуксусной кислоты, взаимодействуя с исходной
карбоновой кислотой, превращается в а-бромкарбоновую кислоту, регене-
рируя при этом бромангидрид уксусной кислоты.
ВгСНг-с/ + CH3-CZ
Вг ОН
//° //°
— ВгСН2—с + сн3-с\
ОН Вг
262
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
20.3.3. Реакции синтеза новых углерод-углеродных связей
Сложноэфирная конденсация Кляйзена
Характерной реакцией эфиров карбоновых кислот, обусловленной их
а-СН-кислотностью, является реакция сложноэфирной конденсации
Кляйзена (1887 г.). Эта реакция ведет к получению эфиров Р-кетокарбоно-
вых кислот. В классическом варианте конденсация этилацетата проводится
в присутствии этоксида натрия; продуктом реакции является этиловый
эфир ацетоуксусной кислоты (ацетоуксусный эфир).
2 СН3-С
ОС2Н5
этилацетат
0 о
c2HsO°Na® Сн3-с-СН2-(/
ОС2Н5
ацетоуксусный эфир
Механизм реакции включает следующие стадии.
Стадия 1 - этилацетат как СН-кислота ионизируется с образованием ено-
лят-иона:
/°
сн3—+ с2н5о0 —
ОС2Н5
+ С2Н5ОН
. .0
хо:
СН2=С ”
ос2н5
° //О’
СН2-С
ос2н5
Стадия 2 - образовавшийся анион как сильный нуклеофил атакует карбо-
нильный атом углерода неионизированной молекулы этилацетата с образова-
нием тетраэдрического аддукта, который затем стабилизируется в результате
отщепления этоксид-иона:
Z^5S ~'"'Х
I (70 о ,о*.
IX • • Г/
сн3—с + сн2-с
80 ОС2Н5 ОС2Н5
0 о
II
- сн3—с—сн2—с +
ОС2Н5
,,0
{:о:
сн3—с—ОС2Н5
СН2-С-ОС2Н5
о
с2н5о®
20.3. Енолят-ионы карбоновых кислот и их производных
263
Стадия 3 - ацетоуксусный эфир как сильная СН-кислота реагирует с эток-
сид-ионом, образуя анион ацетоуксусного эфира и этиловый спирт:
О
сн3—с—сн2—с
ос2н5
+ C2H5o:°Na®
С2Н5ОН +
.4 //°
СН3—С—СН—С
ОС2Н5
. .е
о:
р
сн3—с=сн—с''
Na®
Рс2н5 J
о
После подкисления реакционной массы получают ацетоуксусный эфир в
неионизированной форме. ;
О . /О Iе
СН3—С—СН2—Na®
ос2н5
но ''
СН3-С-СН2-С + NaCl.
2 ос2н5
Все стадии конденсации Кляйзена являются обратимыми, поэтому для
повышения выхода ацетоуксусного эфира реакцию в препаративном вари-
анте ведут в отсутствие спирта.
Ацетоуксусный эфир. Смесь этилацетата (106 г; 1,2 моль) и этоксида натрия (13,6 г;
0,2 моль), свободного от этанола, нагревают при 78 °C в течение 8 ч. Смесь охлаждают до
10 °C и медленно вносят в нее 33%-ю уксусную кислоту (36 г). Продукт экстрагируют эфи-
ром, сушат и выделяют перегонкой, т. кип. 78-80 °C (16 мм рт.ст.). Выход 59 г (76%).
Повышению выхода способствует также применение более сильных осно-
ваний, таких, как амид натрия. Тогда первая стадия становится необратимой.
/О Л Q/О .
сн3—с + :nh2------------ :сн2-с + ын3|.
ос2н5 ос2н5
Поскольку в соответствии с показанной схемой продукт реакции - эфир
Р-кетокарбоновой кислоты - образуется по окончании конденсации в иони-
зированной форме, в реакцию сложноэфирной конденсации могут вступать
эфиры лишь тех карбоновых кислот, которые имеют не менее двух атомов
водорода в a-положении к сложноэфирной группе, т. е. эфиры общей фор-
мулы RCH2COOR'. В частности, сложноэфирная конденсация Кляйзена не
протекает с этил-2-метилпропаноатом.
264
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
II C2H5ONa П //
2 (СНз)2СН-С-ОС2Н5 -------------- (СН3)2СН-С-С(СН3)2СХ
этил-2-метилпропаноат ОС2Н5
При применении смеси эфира RCH2COOR' и какого-либо неенолизируе-
мого эфира (этилформиат, этилбензоат) в присутствии этоксида натрия
протекают смешанные конденсации Кляйзена.
II
сн3-с-ос2н5 +
этилацетат
этилбензоат
О
нс-ос2н5
этилформиат
О
+ СН3-С-ОС2Н5 -S£5°Na
этилацетат
этилбензоилацетат
II II
нс-сн2-с-ос2н5
этилформилацетат
Н3О®
Конденсация Перкина
Взаимодействие бензальдегида с уксусным ангидридом в присутствии
слабого основания при нагревании ведет к получению коричной кислоты
(реакция Перкина, 1868 г.).
С6Н5СНО + (СН3СОО)2О СнзСО°ма» С6Н5-СН=СН-СООН.
бензальдегид уксусный коричная кислота
ангидрид
Коричная кислота. Смесь свежеперегнанного бензальдегида (20 г; 0,19 моль), уксус-
ного ангидрида (30 г; 0,29 моль) и свежерасплавленного ацетата натрия (10 г; 0,12 моль)
кипятят в отсутствие влаги 24 ч. После охлаждения добавляют к реакционной смеси воду,
отгоняют с водяным паром непрореагировавший бензальдегид и часть уксусной кислоты.
Остаток нейтрализуют разбавленной щелочью, фильтруют в горячем виде и подкисляют
соляной кислотой. Продукт отфильтровывают, сушат, т. пл. 133 °C. Выход 20,3 г (72%).
Эта реакция - еще один характерный пример конденсации с участием
енольной формы производного карбоновой кислоты. Полагают, что кон-
денсация Перкина протекает по следующей схеме: ,
20.4. Дикарбоновые кислоты
265
1) СН3—С—О—С—СН3 + СН3СООе ~-----»
уксусный ангидрид
« - СН3СООН +
СН2—с—О—С—СН3
°о 0 0
I II II
С6н5—сн—сн2—с—о—с—СНз
CHV5:
"о
с6н5—сн хс.
сн3 ;о:
с6н5-сн хс.
сн2 о
сн3 (;о:
о о СН3СОО
4) С6н5—СН ,С^ -------- С6Н5—СНСН2СОО® (СН3СО = Ас)
сн2 о
АсО АсО
5) С6Н5—СН—СН2СОО® + Ас2О ------- С6Н5—СН— СН2СООАс + АсО®
АсО АсО
I е I Я
6) С6н5—сн—СН2СООАс + АсО ------- С6Н5—СН—СНСООАс + АсОН
АС
7) С6Н5—СН— СНСООАс ----- С6Н5—СН=СН— СООАс + АсО
8) С6Н5—СН=СНСООАс + АсОН ----- С6Н5—СН=СН—СООН + Ас2О
Как видим, образование енольной формы уксусного ангидрида является
непременным условием протекания конденсации Перкина.
20.4. ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
20.4.1. Номенклатура
По номенклатуре ИЮПАК названия алифатических дикарбоновых
кислот образуют прибавлением суффикса -диовая кислота к названию
266
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
соответствующего углеводорода. Для простейших кислот применяют три-
виальные названия (ниже в примерах эти названия указаны в скобках).
НООС-СООН
этандиовая кислота
(щавелевая кислота)
ноос-сн2-соон
пропандиовая кислота
(малоновая кислота)
НООС-СН2СН2-СООН
бутандиовая кислота
(янтарная кислота)
НООС-СН2СН2СН2-СООН
пентандиовая кислота
(глутаровая кислота)
ноос-сн2сн2сн2сн2-соон
гександиовая кислота (адипиновая кислота)
НООС-СН-СООН
сн2сн3
этилпропандиовая кислота
(этилмалоновая кислота)
НООС-СН2СН2-СН-СООН
снз
2-метилпентандиовая кислота
(ос-метилглутаровая кислота)
Ароматические дикарбоновые кислоты
фталевыми кислотами.
бензольного ряда называют
С СООН
г
гоон
фталевая кислота
(орто-изомер)
изофталевая кислота
(лета-изомер)
СООН
соон
терефталевая кислота
(иара-изомер)
20.4.2. Способы получения
Для получения дикарбоновых кислот в ряде случаев применимы обыч-
ные способы введения карбоксильной группы. Ниже даны примеры синте-
за ряда дикарбоновых кислот.
Щавелевую кислоту получают при нагревании формиата натрия.
2HCOO®Na® f°°SNa® ^'ООН
Na-формиат COO®Na® СООН
ди-Ма-оксалат щавелевая кислота
20.4. Дикарбоновые кислоты
267
Малоновую кислоту синтезируют из уксусной кислоты.
СН3СООН —'2 > С1СН2СООН ClCH2COO®Na® >
уксусная хлоруксусная
кислота кислота
----- №С-СН2~COO°Na® » НООС-СН2-СООН.
малоновая кислота
Янтарную и глутаровую кислоты можно получить через соответствую-
щие динитрилы.
Вг—(СН2)„ —Вг N=C~(СН2)„—C=N
----- НООС-(СН2)„-СООН, где n = 2 или 3.
Янтарная кислота доступна также и по следующей схеме:
O2/V2O5 Л яновый Н2О н. соон
бензол 450 °C мале) t° А н соон малеиновая кислота
ангидрид
Н?
Pt
сн2-соон
сн2-соон
янтарная
кислота
Глутаровую и адипиновую кислоты получают окислением циклопента-
нона и циклогексанона соответственно. При этом в промышленности в ка-
честве окислителя применяют разбавленную азотную кислоту.
HNO3 (50%-я)
f ~
циклопентанон
НООС-СН2СН2СН2-СООН,
глутаровая кислота
циклогексанон
ноос-сн2сн2сн2сн2 -соон.
адипиновая кислота
268
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Фталевые кислоты получают окислением соответствующих ксилолов.
Терефталевую и изофталевую кислоты получают жидкофазным окислени-
О2 (возд.)
120 °C, кат.
СООН
и-ксилол терефталевая
кислота
КМпО4
Н2О, t°
изофталевая
кислота
ем соответственно п- и л«-ксилолов, а фталевую кислоту - парофазным
окислением о-ксилола или нафталина с последующим гидролизом фталево-
го ангидрида.
O2/V 2O5
450 °C
фталевая
кислота
20.4.3. Физические свойства
Дикарбоновые кислоты - твердые вещества. Низшие кислоты хорошо
растворяются в воде, но плохо растворимы в органических растворителях.
Некоторые физические свойства ряда дикарбоновых кислот представлены
в табл. 20.2.
20.4. Дикарбоновые кислоты
269
Таблица 20.2. Физические свойства дикарбоновых кислот
Кислота Т. пл., °C Растворимость при 20 °C, г/100 г Н2О Г 0] Р*«п
(СООН)2 щавелевая 189 9 1,27 4,27
СН2(СООН)2 малоновая 136 74 2,85 5,70
НООС(СН2)2СООН янтарная 185 6 4,21 5,64
НООС(СН2)3СООН глутаровая 98 64 4,34 5,41
НООС(СН2)4СООН адипиновая 152 2 4,43 5,41
1 200 0,7 2,98 -
Ч%5>''ч:оон фталевая СООН д
ф соон терефталевая 425 (в запаянном капилляре) 0,002 3,51 -
20.4.4. Реакции
ОН-Кислотность
Дикарбоновые кислоты характеризуются двумя константами кислотной
диссоциации - АГ и Кп.
*♦[ «ц
НООС(СН2)„СООН > Н1° •= Н3О® + НООС(СН2)ПСОО® ===
л-ai Аац
2Н3О® + еООС(СН2)пСОО°
Ионизация первой карбоксильной группы протекает легче, чем иониза-
ция второй. Это особенно заметно для щавелевой и малоновой кислот и свя-
зано с тем, что неионизированная карбоксильная группа проявляет элек-
троноакцепторный индуктивный эффект по отношению к ионизированной
карбоксильной группе и стабилизирует тем самым образующийся карбо-
ксилат-ион.
270
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
°ЧХ //°
;с-с
НО ОН
Н3О® +
8©
‘/2®
ч 8® /Р
;с—с
но' Чб‘/20
Н2О
стабилизация
1/2°Оч О/г®
',;с-с < + 2 н3о®
%® б О'/?0
электростатическое
отталкивание
Кроме того, высокая кислотность малоновой и фталевой кислот на пер-
вой ступени диссоциации объясняется стабилизацией их анионов в резуль-
тате образования внутримолекулярной водородной связи. Этот же эффект
заметно снижает вторую константу ионизации, что отражается на росте
значения рК . Снижению кислотности способствует и электростатическое
отталкивание отрицательных зарядов в дианионе. Такое отталкивание дес-
табилизирует дианион.
сн2х°н Н3О® + СН2 Н
\ ОН \ /
V //С-0
хо 0
стабилизация
1/2 ®о zp1/2®
,;c-CH2-cf
%© О б'/г®
дестабилизация
По мере удаления карбоксильных групп друг от друга указанные выше
электронные эффекты ослабевают.
Термические реакции
Характер превращений, протекающих при нагревании дикарбоновых
кислот, обусловлен наличием двух карбоксильных групп, а результат тер-
мической реакции зависит от длины углеродной цепи, разделяющей кар-
боксильные группы.
Щавелевая и малоновая кислоты при нагревании отщепляют диоксид уг-
лерода с образованием муравьиной и уксусной кислот соответственно.
ноос-соон нсоон + со2,
щавелевая
кислота
муравьиная
кислота
20.4. Дикарбоновые кислоты
271
ноос-сн2-соон сн3соон + со2.
малоновая кислота уксусная
кислота
Янтарная, глутаровая и фталевая кислоты при нагревании отщепляют
воду. При этом образуются циклические ангидриды. Легкость образования
этих ангидридов обусловлена устойчивостью пяти- и шестичленного циклов.
С препаративной целью такие ангидриды удобнее получать нагреванием ука-
занных кислот и их замещенных с ацетилхлоридом или уксусным ангидридом.
/СН2СООН
сн3-сн
чсн2соон
Р-метилглутаровая
кислота
+ (СН3СО)2О
уксусный
ангидрид
//°
ZCH2-(T
СН3-СН О + 2СН3СООН,
чсн2-с
о
ангидрид Р-метилглутаровой
кислоты
Н2С
Н2с
zz°
Ч
о
+ Н2о,
Н2С он
Н2С^ /ОН
II
о
янтарная
кислота
фталевая кислота
янтарный ангидрид
200 °C
фталевый ангидрид
Из адипиновой кислоты семичленный цикл не образуется. При ее нагре-
вании в присутствии гидроксида бария или кальция протекает процесс де-
карбоксилирования с образованием циклопентанона.
СН2—СН2—СООН Ва(он)2г
сн2-сн2-соон
адипиновая кислота
сн2-сн2-соо°
СН2-СН2-СОО®
Ва2®
290 °C,
тп
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
СН2-СН2'
СН2—СН^
С=О
+ ВаО + СО2.
циклопентанон
Особые свойства щавелевой кислоты
При нагревании в присутствии серной кислоты разложение щавелевой
кислоты не останавливается на стадии декарбоксилирования.
СООН h2so4 ,
СООН ‘°
щавелевая
кислота
СО2 + СО + Н2О.
В отличие от других ди- и монокарбоновых кислот (кроме муравьиной)
щавелевая кислота обладает восстановительными свойствами. Она количе-
ственно окисляется перманганатом калия в кислом растворе.
V0011 + КМпО4 —- 2СО2 + Мп2® + Н2О.
СООН н®
На этой реакции основано применение щавелевой кислоты в аналитичес-
кой химии.
Реакции циклических ангидридов дикарбоновых кислот
Как и ангидриды монокарбоновых кислот, циклические ангидриды реа-
гируют со спиртами, аммиаком и аминами. При этом можно получать как
кислые, так и средние производные.
zz°
сн2-с
СН2 р
СН2-С
о
ангидрид
глутаровой
кислоты
фталевый
ангидрид
С2Н5ОН^
сн2-соос2н5
сн2
сн2-соон
моноэтилглутарат
(кислый эфир)
диметил фталат
(средний эфир)
20.4. Дикарбоновые кислоты
273
Реакции циклических ангидридов с аммиаком при нагревании приводят к
образованию циклических имидов.
2NH3
+ NH4OH,
янтарный имид янтарной кислоты
ангидрид (сукцинимид)
N—Н + NH4OH.
/Я
фталевый
ангидрид
2 NH3
О
имид фталевой кислоты
(фталимид)
Электронная пара атома азота в циклическом имиде делокализована в
большей степени, чем в амиде, вследствие электроноакцепторного действия
двух С=О-групп. Это уменьшает основность NH-группы, но повышает ее
кислотность, поскольку способствует делокализации электронов в сопря-
женном основании - имидат-ионе, образующемся при отщеплении протона.
NH-Группа в циклических имидах практически не обладает основными
свойствами, но проявляет четко выраженные кислотные свойства. В вод-
ных и спиртовых растворах щелочей циклические имиды реагируют как
NH-кислоты с образованием солей. .
фталимид калия
Важное применение фталимида - синтез первичных аминов по Габри-
элю. Например, бензиламин может быть получен по методу Габриэля из
бензилхлорида согласно следующей схеме:
274
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
КОН,
(этанол)
фталимид фталимид калия
N-бензилфталимид
H2N—nh2
(этанол), t°
фталгидразид
(фталазин-1,4-дион)
бензиламин
N-Бензилфталимид легко расщепляется при нагревании с гидразином. Для
гидролиза N-замещенных имидов можно также использовать водные рас-
творы щелочей.
Бесспорным преимуществом получения первичных аминов по Габриэлю
служит отсутствие среди продуктов реакции вторичных и третичных ами-
нов. Побочные продукты такого рода неизбежны при получении первич-
ных аминов из галогеналканов и аммиака по схеме реакций SN2 (см.
разд. 13.4.1 и 23.4.2).
Получение конденсационных полимеров
Реакции этерификации и получения амидов дикарбоновых кислот лежат
в основе промышленного производства исключительно важных в практиче-
ском отношении конденсационных полимеров.
Способом формирования полимерной цепи конденсационные полимеры
отличаются от полимеров, получаемых по реакциям полимеризации алке-
нов и алкадиенов.
Конденсация дикарбоновой кислоты и алкандиола ведет к образованию
полиэфира. Полиэфиры широко используют в производстве синтетических
волокон (полиэфирные волокна). Один из наиболее промышленно важных
полиэфиров - лавсан - получают поликонденсацией терефталевой кислоты
и этиленгликоля.
. ОН ОН
// X ||
иНООС—v V-COOH + п сн2-сн2 -н о ►
этиленгликоль
терефталевая кислота
20.4. Дикарбоновые кислоты
275
полиэфир "лавсан"
Конденсация дикарбоновой кислоты с диамином ведет к образованию
полиамида. Полиамиды также служат для получения синтетических мате-
риалов (синтетическая шерсть). Важный в практическом отношении по-
лиамид - найлон-6,6 - получают поликонденсацией адипиновой кислоты и
гексаметилендиамина.
НООС-(СН2)4-СООН + п H2N-(CH2)6— NH2
адипиновая кислота гексаметилендиамин
о Г оо
n II и и
----- °00С- (СН2)4-С- -NH- (СН2)б —NHC(CH2)4—с
NH(CH2)6NH3
J п
полиамид "найлон-6,6"
В названии «найлон-6,6» первая цифра означает число атомов углерода
в дикарбоновой кислоте, а вторая - число углеродных атомов в диамине.
Если процессу поликонденсации подвергают смесь ароматической ди-
карбоновой кислоты (например, терефталевой кислоты) и ароматического
диамина (например, п-фенилендиамина), то получают полиамидные мате-
риалы, сравнимые по прочностным характеристикам с изделиями из стали:
полиамид терефталевой кислоты
и и-фенилендиамина
Реакции енольных форм дикарбоновых кислот и их производных
Реакции малонового эфира. Общие сведения
Реакции диэтилового эфира малоновой кислоты (малонового эфира)
имеют важное значение в органическом синтезе. Малоновый эфир получа-
ют из цианацетата натрия.
N=C—CH2—COO0Na®
± ri2aU4, I
цианацетат
натрия
Ok z°
\z-ch2-c(
C2H5O OC2H5
малоновый
эфир
Метиленовая группа малонового эфира, находящаяся между двух элек-
троноакцепторных карбэтоксигрупп, обладает повышенной кислотностью.
Значение рКа малонового эфира как СН-кислоты составляет 13,3.
Под действием этилата натрия в абсолютном спирте малоновый эфир
нацело превращается в соль - натрмалоновый эфир. Анион этой соли
стабилизирован резонансом с участием двух электроноакцепторных карбо-
этоксигрупп.
/ОС2Н5
О=С
/?Н2 + C2H5O®Na® =
О=С
ОС2Н5
малоновый эфир
.. /ОС2Н5
:о=с
’сн
:о=с 0
ОС2Н5
/ОС2Н5
’•Р.-Чх
;сн
:Ь=с
ОС2Н5
zoc2H5
:о=с
о.’’ //СН
:о-с
ос2н5
/ОС2Н5
о-с
<э\сн
о-с
ОС2Н5
натрмалоновый
эфир
Na® + С2Н5ОН
Взаимодействие натрмалонового эфира с галогенпроизводными, вступа-
ющими в реакции SN2, приводит к образованию алкилмалоновых эфиров.
@ 0/соос2н5 ' ZCOOC2H5
Na: СН + R—X ------► R-CH + NaX. . s t
ХСО()С2Н5 чсоос2н5
алкилмалоновый
эфир
20.4. Дикарбоновые кислоты
277
Алкилмалоновый эфир является более слабой СН-кислотой, чем мало-
новый. Поэтому для его ионизации вместо этилата натрия необходимо при-
менять более сильное основание, например mpem-бутилат калия.
ZCOOC2H5
R-CH
чсоос2н5
алкилмалоновый
эфир
трет-СдНрОК
©ZCOOC2H5
R-C
К® СООС2Н5
R'x /СООС2Н5
RZ ХСООС2Н5
диалкилмалоновый
эфир
Анионы малонового и алкилмалонового эфиров являются сильными
нуклеофильными реагентами. Наиболее высокие выходы моно- и диал-
килмалоновых эфиров достигаются в реакциях с первичными галогеналка-
нами, более низкие - со вторичными. С третичными галогеналканами идут
реакции Е2, а с галогенаренами указанные анионы не реагируют. Гидролиз
и декарбоксилирование моно- и диалкилмалоновых эфиров приводят к об-
разованию монокарбоновых кислот - соответственно алкил- и диалкилук-
сусных кислот.
СООС2Н5
R—СН H2SO4/H?9>
чсоос2н5
алкилмалоновый
эфир
----► rch2cooh + со2,
алкилуксусная
кислота
R' СООС2Н5 R'
H2SO4/H2O \
RZ ХСООС2Н5 RZ
диалкилмалоновый
эфир
ZCOOH
R-CH + 2 С2Н5ОН
чсоон
алкилмалоновая
кислота
zCOOH
ч + 2 С2Н5ОН
СООН
R,
Vhcooh + со2.
R
диалкилуксусная
кислота
Синтез на основе малонового эфира является одним из лучших способов
получения карбоновых кислот.
Планирование синтеза карбоновых кислот при помощи малонового эфи-
ра сводится к выбору подходящего алкилгалогенида. Для этого рассматри-
вают структуру искомой кислоты как моно- или диалкилуксусную кислоту.
278
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Пример 1. 4-Метилпентановую кислоту (СН3)2СНСН2СН2СООН можно
рассматривать как изобутилуксусную кислоту. В таком случае для синтеза
этой кислоты реакцией с натрмалоновым эфиром в качестве галогеналкана
следует применить изобутилбромид.
ZCOOC2H5
сн2
чсоос2н5
малоновый
эфир
C2H5O0Na®
* С2Н5ОН *
© © zCOOC2H5 снсн Вг
• СН (СНз)2Сг1Сг12Вг»
чсоос2н5
ZCOOC2H5
----- (СН3)2СНСН2-СН
чсоос2н5
H2SO4/H2O
ZCOOH
(СН3)2СНСН2-СН (СН3)2СНСН2-СН2СООН + со2
соон 4-метилпентановая кислота
Пример 2. 2-Метилпентановую кислоту СН3СН2СН2СН(СН3)СООН мож-
но рассматривать как уксусную кислоту, в которой один атом водорода заме-
щен на пропильную группу, а второй - на метильную. Эти группы вводят на
стадиях нуклеофильного замещения с участием соответствующих енолятов.
ZCOOC2H5
сн2
чсоос2н5
малоновый
эфир
C2H;O0Na©
* С2Н5ОН
© 0 СООС2Н5 ГНСНСНВг
Na * СН сн3сн2сн2вг
чсоос2н5 >
СООС2Н5
CH3CH2CH2-CH mpgm-c4H9OK
чсоос2н5
0/СООС2Н5
сн3сн2сн2-с
© СООС2Н5
к
СН3 ZCOOC2H5
А
СН3СН2СН2 СООС2Н5
сн3 хсоон
X
CH3CH2CH2Z соон
сн3сн2сн2-снсоон + СО2
сн3
2-метилпентановая кислота
В синтезах с участием малонового эфира в качестве галогеналканов
можно применять и другие галогенсодержащие соединения, вступающие в
реакции SN2, в частности эфиры а-бромкарбоновых кислот, а-галогенкето-
ны и т. д.
20.4. Дикарбоновые кислоты
279
В качестве примера ниже показан синтез янтарной кислоты из малоно-
вого эфира.
/?ООС2Н5 C2HsoQNa® © е/Х)ОС2Н5 BrCH2COOC2Hs
с?2 Na.CH --------------
СООС2Н5 СООС2Н5
малоновый
эфир
H2S04/H2q
ZCOOC2H5
—с2н5ооссн2-сн
чсоос2н5
ZCOOH
нооссн2-сн
НООССН2СН2СООН + СО2
СООН янтарная кислота
Реакция Кнёвенагеля
Конденсация малонового эфира с альдегидами или кетонами известна
как реакция Кнёвенагеля (1896 г.). Будучи сильным нуклеофилом, енолят
малонового эфира выступает в качестве активного реагента не только в ре-
акциях нуклеофильного замещения. Реакции нуклеофильного присоедине-
ния к карбонилсодержащим соединениям также протекают с высокими вы-
ходами и имеют важное препаративное значение.
Реакция малонового эфира с альдегидами идет в присутствии вторичных
аминов как основных катализаторов. Такая реакция с бензальдегидом от-
крывает путь к получению коричной кислоты с промежуточным образова-
нием бензилиденмалонового эфира.
/О ZCOOC2H5
СбН5-Сх + СН2 пипещи^
Н ЧСООС2Н5 ‘
бензальдегид малоновый
эфир
/СООС2Н5
с6н5—сн=с.
СООС2Н5
бензилиденмалоновый эфир
Н®/Н2О
С6Н5-СН-СН-СООН + 2 С2Н5ОН + со2.
коричная кислота
Малоновая кислота в аналогичных условиях сразу дает «^-ненасыщен-
ную карбоновую кислоту.
С3Н7СНО + СН2(СООН)2 с3н7-сн=сн-соон + СО2.
бутаналь малоновая 2-гексеновая кислота
кислота
280
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
В обоих случаях реакция начинается с ионизации Р-дикарбонильного
производного, после чего образовавшейся карбанион присоединяется по
схеме AdN к формильной группе альдегида. Полученный таким образом
альдоль дегидратируется далее до ненасыщенного диэфира. В случае мало-
новой кислоты одновременно протекает и декарбоксилирование, так что
конечным продуктом оказывается а,Р-ненасыщенная монокарбоновая кис-
лота.
Реакция Михаэля
Мы уже встречались с присоединением карбанионов, полученных из
сильных СН-кислот, к а,Р-ненасыщенным карбонильным соединениям
(реакция Михаэля, см. разд. 19.2.4).
Анион, образующийся из малонового эфира, также способен к сопря-
женному присоединению, если он реагирует с а,Р-ненасыщенным карбо-
нильным соединением (кетоном, сложным эфиром или нитрилом).
О
II + СН2(СООС2Н5)2
малоновый эфир
2-циклогексенон
C2H5O9Na®
СН(СООС2Н5)2
диэтил-
2-(3'-оксоциклогексил)малонат
О
СН3-С-СН=СН2 + СН2(СООС2Н5)2
З-бутен-2-он малоновый эфир
C2H5OQNa®
(этанол)
о
СН3-С-СН2СН2СН(СООС2Н5)2
диэтил-2-(3'-оксобутил)малонат
В случае избытка а,Р-ненасыщенного карбонильного соединения две его
молекулы взаимодействуют с молекулой малонового эфира.
О
О "
V Q сн3ссн2сн2 zcooc2H5
2 СН3-С-СН=СН2 + СН2(СООС2Н5)2 он— zc4
З-бутен-2-он малоновый эфир СН3ССН2СН2 СООС2Н3
(избыток)
диэтил-2,2-бис-
(З'-оксобутил)малонат
20.4. Дикарбоновые кислоты
281
Реакция Родионова
Основным методом получения Р-аминокарбоновых кислот является
реакция Родионова (1926 г.).
t° о® I
R-с; + СН2(СООН)2 + NH3 ► R— сн- сн2-с;
н малоновая ОН
альдегид кислота Р-аминокарбоновая кислота
И эта реакция протекает через енольную форму малоновой кислоты.
Реакция Родионова имеет следующий механизм (чтобы не загромож-
дать схему механизма, карбоксильные группы в молекуле малоновой кис-
лоты показаны в неионизированной форме):
но >е ноч НО
Y=o: ,с—о: ,с=о:
СН2(СООН)2 + NH3 5=== 0*СН ---------► СН ” ---------► СН . >Q
малоновая -NH4 q=Q* ЧС=О1 ЧС—О!
кислота | HOZ ” Н(/ •* HOZ
£о: @
С2Н5—с^ + 5:СН(СООН)2 С2Н5—сн—СН(СООН)2 ‘° •
Ml/ ’ :он
nh2
n’|[, I
---- С2н5—СН=С(СООН)2 ----С2н5—сн—СН(СООН)2 _С02 •
nh2
с2н5—сн—сн2—соон
3-аминопентановая кислота
7П’ ;О'
с2н5—сн—сн2—С в
о
Как и другие аминокислоты, конечный продукт этой реакции - 3-амино-
пентановая кислота - существует в виде биполярного иона {бетаин).
Получение а-аминокислот
а-Аминокислоты также могут быть получены из малонового эфира.
ZCOOC2H5 zcooc2H5
СН2 Вг-Сн
чсоос2н5 чсоос2н5
малоновый эфир
броммалоновый эфир
282
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
а СО ® о © L
'N-CH(COOC2H5)2 nh3-ch2-coo®
со
СО ® ®
N-C(COOC2H5)2 -‘°*
со
R
© I
----- nh3-ch-cooq
сх-аминокислота
Конденсация Дикмана
Реакции енольных форм характерны не только для малонового эфира.
И другие производные дикарбоновых кислот обнаруживают способность к
ионизации а-СН-связи и превращениям образующихся при этом енолят-ио-
нов. Характерным примером служит конденсация Дикмана (1894 г.). Слож-
ные эфиры адипиновой и пимелиновой кислот под действием этоксида натрия
способны к ионизации одной из своих а-СН2-групп и последующей внутримо-
лекулярной конденсации (по типу конденсации Кляйзена) с образованием со-
ответствующих производных пяти- и шестичленных циклоалканонов.
Ниже показаны механизм конденсации Дикмана диэтилового эфира ади-
пиновой кислоты:
C2HsO£lNa®
(бензол), 80 °C
COUC2H5
диэтиладипинат
с—ОС2Н5
° ГООС2Н5
этил-2-циклопентанонкарбоксилат
О
и схема получения этилового эфира 2-инданонкарбоновой кислоты:
ди этил-1,2-бензолдиацетат
II
^х,СН2СОС2Н5
^^СНгСОСгНз
О
этил-2-инданон-
карбоксилат
20.5. ее,P-Ненасыщенные кислоты и их производные
283
20.5. (^-НЕНАСЫЩЕННЫЕ КИСЛОТЫ
И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ
Соединения, содержащие двойную С-С-связь, сопряженную с карбо-
нильной группой С=О в кислотах или их производных, менее стабильны,
чем аф-ненасыщенные альдегиды и кетоны. Полагают, что в молекулах
таких соединений имеет место «перекрестное» сопряжение С=О-группы со
связью С=С и кислородом или азотом групп ОН, OR или NH2. Такое «пере-
крестное» сопряжение менее эффективно стабилизирует систему, чем ли-
нейное сопряжение в молекулах аф-ненасыщенных альдегидов и кетонов.
Н Н
zC^cJ
н _С^О
но
• •
акриловая кислота
н н
zc=^q\
н zc^b
н
акролеин
20.5.1. Номенклатура и геометрическая изомерия
Ниже приведены примеры названий аф-ненасыщенных карбоновых
кислот по номенклатуре ИЮПАК (тривиальные названия даны в скобках).
сн2=сн-соон
пропеновая кислота
(акриловая кислота)
СН3Ч Л
нч /СН3
н' хсоон
трдис-2-бутеновая кислота
(кротоновая кислота)
нх хсоон
цис-2-бутеновая кислота
(изокротоновая кислота)
284
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
с6н5 ZH
с
II
с
н соон
Нч /С6Н5
шрдис-3-фенилпропеновая кислота
(коричная кислота)
нх хсоон
цис-3'фенилпропеновая кислота
(аллокоричная кислота)
транс-Изомеры более устойчивы, чем цис-изомеры. Например, изокро-
тоновая кислота при нагревании до 100 °C изомеризуется в кротоновую.
цис-Изомеры образуются из транс-изомеров при облучении УФ-светом.
20.5.2. Способы получения
Окисление а,Р-ненасыщенных альдегидов
Окисление а,Р-ненасыщенных альдегидов проводят мягкими окислите-
лями, которые не окисляют двойную С=С-связь (см. разд. 19.1.4).
R— СН=СН-С' Ag(N-H3hOH> Ag + R-CH=CH-COO°NH4®,
н
R-CH=CH-COO°NH4® r—сн—сн—соон.
Отщепление галогеноводородов
от а- и Р-галогенкарбоновых кислот
Особенно легко галогеноводород отщепляется от Р-галогенкарбоновых
кислот, иногда - при незначительном нагревании. '
сн2-сн2-соон К9“/н-°> СН2=СН-СОО° К® сн2=сн-соон.
В*. акриловая кислота
3-бромпропановая
кислота
Дегидратация Р-гидроксикарбоновых кислот
Р-Гидроксикарбоновые кислоты также легко дегидратируются при на-
гревании.
сн3-сн-сн2-соон — г°-> сн3-сн=сн-соон + Н2О.
0PJ 2-бутеновая кислота
(кротоновая кислота)
3-гидроксибутановая кислота
20.5. ее,P-Ненасыщенные кислоты и их производные
285
Гидролиз нитрилов
Гидролиз нитрильной группы в соответствующих нитрилах также от-
крывает путь к аф-ненасыщенным карбоновым кислотам.
НС=СН + HCN Nc“gi> ch2=ch-c=n Н°® > сн2=сн-соон.
ацетилен акрилонитрил акриловая кислота
Конденсация Перкина
аф-Ненасыщенные карбоновые кислоты получают конденсацией
Перкина. Ранее в этой главе она уже была подробно рассмотрена (см.
разд. 20.3.3).
20.5.3. Реакции
Кислотность оф-ненасыщенных кислот
аф-Ненасыщенные кислоты обладают большей кислотностью, чем на-
сыщенные кислоты.
Соединение СН3СН2СООН
пропановая кислота
рКа 4,87
сн2=сн-соон НС=С-СООН
пропеновая кислота пропиновая кислота
4,26 1,84 . >
Причиной их большей кислотности является то, что вследствие увеличе-
ния электроотрицательности атомов углерода в ряду:
<~ ^-'sp2 <~ ^sp
в том же направлении увеличивается устойчивость карбоксилат-иона, обра-
зующегося при ионизации карбоновой кислоты.
сн3-сн2—с; ,
'о'20
/.Р'/2<Э
сн2=сн—с<_ ,
Ь/20
нс=с—
/Р1/20
ч '
ХО'/20
Реакции присоединения
аф-Ненасыщенные кислоты образуют по карбоксильной группе функ-
циональные производные (хлорангидриды, сложные эфиры, амиды) анало-
гично насыщенным карбоновым кислотам. Гидролиз этих производных
приводит к соответствующим исходным кислотам.
286
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Реакции присоединения а,Р-ненасыщенных кислот и их производных мо-
гут протекать по типу 1,2-присоединения (прямое присоединение) и по типу
1,4-присоединения, т. е. по концам сопряженной системы С=С-С=О
(сопряженное присоединение). . ?
Реакции 1,2-присоединения
Присоединение галогенов (Вг2 и С12) протекает по С=С-связи.
сн3-сн=сн-соон —
кротоновая кислота
сн3-сн-сн-соон
Вг Вг
2,3-дибромбутановая
кислота
Диеновый синтез - еще один пример реакции 1,2-присоединения.
ZCH2 ZCOOCH3
СН СН
I + II
СН сн2
\\
СН2 метилакрилат
1,3-бутадиен
СООСНз
метил-3-циклогексенкарбоксилат
Двойная С=С-связь ненасыщенных кислот гидрируется водородом в ус-
ловиях гетерогенного катализа (Ni, Pt, Pd).
СН3-СН=СН-СООН pt2 > сн3-сн2-сн2-соон.
кротоновая кислота бутановая кислота
Так же протекает и реакция восстановления а,Р-ненасыщенных карбо-
новых кислот до насыщенных кислот действием, например, амальгамы на-
трия.
с6н5-сн=сн-соон --gfl с6н5-сн2-сн2-соон.
коричная кислота Р-фенилпропановая кислота
Окисление водным раствором КМпО4 на холоду также протекает по ти-
пу 1,2-присоединения и ведет к получению а,Р-дигидроксикарбоновой кис-
лоты. ;
с6н5-сн=сн-соон -~gg4> С6Н5-СН-СН-СООН
коричная кислота Qpj qjj .
2,3-дигидрокси-З-фенилпропановая
кислота ’
20.5. ее,P-Ненасыщенные кислоты и их производные
287
Реакции 1,4-присоединения
Реакции присоединения НС1, НВг, а также воды в присутствии сильных
минеральных кислот к аф-ненасыщенным кислотам протекают по типу
сопряженного присоединения с последующим превращением енольной
формы в более устойчивую кето-форму. При этом образуется продукт при-
соединения против правила Марковникова.
СН2=СН-СООН НВг > Вг-СН2-СН2-СООН,
акриловая кислота 3-бромпропановая кислота
сн3-сн=сн-соон H2g - СН3-СН-СН2-СООН
кротоновая кислота Н ,
3-гидроксибутановая кислота
Карбанионы также сопряженно (т.е. по типу 1,4) присоединяются к
аф-ненасыщенным эфирам;
О О
(j + сн2=сн-соосн3 О<сн2сн2соосн3
'---' метилакрилат '--'
2-метил- метил-3-(Г-метил-2'-оксо-
циклопентанон циклопентил)пропаноат
Ph
СН2(СООС2Н5)2 + сн2=с-соос2н5 -^-HsO n»q
малоновый эфир этил-сс-фенил-
акрилат ’
Ph
। - - ' . .
------ (С2Н5ООС)2СН-СН2-СН-СООС2Н5
триэтил-3-фенил-1,1,3-пропан- ;
трикарбоксилат
По типу 1,4 присоединяется к аф-ненасыщенным эфирам и цианид-ион.
Эта реакция открывает путь к замещенным янтарным кислотам.
СН3-СН=СН-СООС2Н5 + NaCN
этилкротоноат
CN
----- сн3-сн-сн2соос2н5
сн3-сн-соон
сн2-соон
метилянтарная кислота
(70%)
288
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Механизм 1,4-присоединения аф-ненасыщенных кислот аналогичен
механизму реакции соответствующих альдегидов и кетонов (см.
разд. 19.24).
20.6. НЕНАСЫЩЕННЫЕ
ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Простейшими представителями этого класса являются фумаровая и
малеиновая кислоты. >
Н хсоон
чс
II
Л
нсоо н
нч хсоон
трдис-бутендиовая кислота
(фумаровая кислота)
нх хсоон
цис-бутендиовая кислота
(малеиновая кислота)
20.6.1. Способы получения
Фумаровую кислоту получают дегидратацией яблочной кислоты
(гидроксиянтарной кислоты):
НООС-СН-СН2-СООН И0=150Х НООС-СН=СН-СООН + Н2О
0PJ фумаровая кислота
яблочная кислота
или дегидробромированием бромянтарной кислоты:
НООС-СН-СН2-СООН —НООС-СН=СН-СООН + НВг.
фумаровая кислота
бромянтарная кислота
Малеиновую кислоту синтезируют окислением бензола по следующей
схеме:
бензол
O2/V2O5. НС \
450 °C 11 U
малеиновый
ангидрид
нон
н®
Н /СООН
Y
II
с
н соон
малеиновая
кислота
20.6. Ненасыщенные дикарбоновые кислоты
289
20.6.2. Физические свойства
Будучи геометрическими изомерами, фумаровая и малеиновая кислоты
заметно различаются по свойствам.
Свойство
Т. пл., °C
Растворимость
в Ю0гН2О, г
Фумаровая кислота
-300 с возгонкой
3,08
0,7
Малеиновая кислота
130
1,9
79
20.6.3. Реакции
Фумаровая и малеиновая кислоты обладают всеми свойствами аф-нена-
сыщенных карбоновых кислот. Они образуют сложные эфиры и другие
производные, присоединяют электрофильные реагенты (Вг2, С12, НВг,
Н2О/Н®), вступают в реакции диенового синтеза, окисляются до винных кис-
лот, при гидрировании превращаются в янтарную кислоту.
Малеиновая кислота при нагревании до 160 °C отщепляет воду и превра-
щается в малеиновый ангидрид.
н хсоон
чс
II
с
н соон
О
малеиновый
ангидрид
Н2о.
малеиновая
кислота
Фумаровая кислота не образует циклического ангидрида вследствие
транс-ориентации карбоксильных групп. При быстром нагревании
фумаровой кислоты до 300 °C она превращается в малеиновый ангидрид
(со значительным разложением).
н хсоон
чс
И зоо°с
/с\ ~
ноос н
фумаровая
кислота
н хсоон
с
II
с
н соон
малеиновая
кислота
II О
нс^/
о
малеиновый
ангидрид
+ Н2о.
Фумаровая кислота находится во многих растениях, грибах, лишайниках
и встречается в небольших количествах во всех живых клетках, где играет
важную роль в качестве промежуточного продукта углеводного обмена.
Малеиновая кислота в природе не найдена.
290
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
20.7. ГАЛОГЕН- И ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ
КИСЛОТЫ
20.7.1. Номенклатура
Названия замещенных карбоновых кислот образуют по правилам
номенклатуры ИЮПАК. Примеры этих названий даны ниже. В скобках
приведены тривиальные названия.
3 2 1 СНз-СН-СООН он 2-гидроксипропановая кислота (молочная кислота) но-сн2-соон гидроксиэтановая кислота (гликолевая кислота) ? сн3-сн-сн2-соон 1 ОН
С1-СН2-СН2-СООН 3-хлорпропановая кислота 3-гидроксибутановая кислота
ОН сн2-соон 1 z
1 ноос- сн2- сн-соон гидроксибутандиовая кислота (яблочная кислота) но-с-соон 1 сн2-соон 2-гидрокси-1,2,3-пропан-
сн2-сн2-сн2-соон Вг 4-бромбутановая кислота трикарбоновая кислота (лимонная кислота)
Положение заместителя относительно карбоксильной группы может
быть указано с помощью букв греческого алфавита. Различают а-, у- и
т. д. замещенные кислоты.
R-CH-COOH
I
X
«-замещенные
кислоты
Р а
r-ch-ch2-cooh
X
Р-замещенные
кислоты
r-ch- сн2- сн2- СООН
X
у-замещенные
кислоты
(X = F, Cl, Вг, I, ОН).
аТидроксикарбоновые кислоты распространены среди природных соеди-
нений. Гликолевая кислота является составной частью сиропа, получаемого
при выделении тростникового сахара. Молочная кислота ответственна за
специфический запах кислого молока. Яблочная кислота встречается во
20.7. Галоген- и гидроксикарбоновые кислоты
291
фруктовых соках. Лимонная кислота является исходным компонентом в
большинстве метаболических циклов. (5)-Р-Гидроксимасляная кислота об-
разует полимерный эфир, широко встречающийся в клетках и клеточных
мембранах.
20.7.2. Способы получения
Галогенирование карбоновых кислот
в присутствии красного фосфора
По этой реакции получают а-галогенкарбоновые кислоты. В частности,
бромированием синтезируют а-бромкарбоновые кислоты.
СН3-СН2СООН pg)» СН3-СН-СООН + НВг.
пропановая gr
кислота _ _
2-бромпропановая кислота
(сс-бромпропионовая кислота)
Как уже отмечалось в разд. 20.3.2, реакция начинается с образования ката-
литических количеств РВг3.
Реакцию а-бромирования карбоновых кислот можно, однако, провести
и в присутствии РС13, причем также применив его лишь в каталитических
количествах:
Вг
¥ РС1ъ » K-CYY-COOft ¥ Ш
/---. .--< Вг
\ сн2соон + Вг2 \ Y-сн—соон + НВг.
\ / исшил, ОС/ \ /
фенилуксусная кислота а-бромфенилуксусная
кислота
В аналогичных условиях проводят и а-хлорирование карбоновых
кислот.
a-Хлормасляная кислота. Через смесь масляной кислоты (88 г; 1 моль), иода (1,3 г;
0,005 моль), фосфора (1,2 г; 0,038 моль) и РС15 (1,2 г; 0,006 моль) при 100 °C и освещении
пропускают хлор (1 моль). К охлажденной реакционной массе в течение 30 мин добавляют I
воду (10 мл). Продукт выделяют простой перегонкой. Тонким фракционированием полу- j
чают а-хлормасляную кислоту, т. кип. 104,2 °C (20 мм рт. ст.). Выход 87 г (71%).
292
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Гидролиз а-галогензамещенных кислот
Гидролиз а-галогенкарбоновых кислот ведет к получению а-гидрокси-
карбоновых кислот.
СН3-СН-СООН -> сн3-сн-COONa -н^®- сн3-сн-соон
J । NaOH, г J । I
Вг ОН ОН
2-бромпропановая • : молочная кислота
кислота ., • . .
Реакции присоединения к «^-ненасыщенным кислотам
Из а,Р-ненасыщенных кислот получают [3-замещенные кислоты.
Г-Н- * сн2-сн2-соон
С1
3-хлорпропановая
кислота
(0-хлорпропионовая
кислота)
сн2=сн-соон----------СН2-СН2-СООН
акриловая кислота Qpj
Р-гидроксипропионовая
кислота
NH3
с2н5он СН2-СН2-СОО°
NH3®
р-аминопропионовая
кислота
Циангидринный синтез
Из кетонов и альдегидов а-гидроксикислоты получают с промежуточ-
ным образованием циангидринов (см. разд. 19.1.4).
СН3
©он 1
СН3-С-СН3 + HCN - — CH3-C-C^N
о он
ацетон циангидрин
ацетона
Н2О (изб.)
H®, г°
сн3
сн3-с-соон
он
2-гидрокси-2-метил-
пропановая кислота
20.7. Галоген- и гидроксикарбоновые кислоты
293
Реакция Реформатского
Из карбонильных соединений по реакции Реформатского (1887 г.) полу-
чают Р-гидроксизамещенные кислоты.
СН3-С-СН3 + Вг-СН2-С\
А ОС2Н5
ацетон этилбромацетат
СНз /0
------ сн3-с-сн2-<
OZnBr 0С^
СН3
СНз~С-СН2-СООН
он
З-гидрокси-З-метилбутановая
кислота
В ходе реакции промежуточно образуется цинкорганическое соединение,
которое, будучи сильным нуклеофилом, присоединяется по карбонильной
группе кетона.
20.7.3. Стереоизомерия
Замещение атома водорода у а-углеродного атома в карбоновой кисло-
те общего строения R-CH2-COOH на функциональную группу ведет к появ-
лению хирального центра.
R-CH-COOH
I
X
Ниже показаны стереоизомеры ряда замещенных гидроксикарбоновых
СООН
но-----н
СНз
L-, или ('51-
молочная кислота
КИСЛОТ.
СООН
Н-----ОН
сн3
D-, или (R)-
молочная кислота
ноос соон
л(взо-винная кислота
294
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Как уже отмечалось, а-гидроксикарбоновые кислоты широко распрост-
ранены в природе, причем встречаются в природных источниках только в
виде L-энантиомеров.
20.7.4. Реакции
ОН-Кислотность
Замещение атома водорода в молекуле карбоновой кислоты на галоген
или гидроксигруппу у а-углеродного атома повышает кислотные свойства
соединения, так как электроноакцепторное действие указанных заместите-
лей стабилизирует образующийся карбоксилат-ион.
Кислота С1-СН2СООН НО-СН2СООН СН3СООН
хлоруксусная гликолевая кислота уксусная кислота
кислота
VKa 2,87 3,83 4,76 . t
Как и другие полифункциональные соединения, замещенные карбоновые
кислоты вступают во все реакции, характерные для имеющихся в молекуле
функциональных групп. Ряд свойств таких кислот обусловлен взаимным рас-
положением функциональных групп в их молекулах.
Отношение к нагреванию
а-Гидроксикислоты образуют при нагревании циклические сложные
эфиры (лактиды).
/° /°
но-сн2-<-- Н2с^<
„Д '.ОН t° , х \
НО; -2 н2о о р
,с-сн2—он сн2
° о
гликолевая кислота циклический сложный
эфир (лактид)
Р-Замещенные кислоты, имеющие атом водорода у а-углеродного ато-
ма, при нагревании дают соответствующие а,Р-ненасыщенные кислоты.
Х-СН2-СН-СООН _цХ > СН2=СН-СООН (X = F, С1, Вг, I, ОН).
Н
При нагревании у- и 5-галоген- и гидроксикислот протекает внутримоле-
20.7. Галоген- и гидроксикарбоновые кислоты
295
кулярная реакция этерификации с образованием циклических сложных
эфиров - лактонов (соответственно у- и 5-лактоны).
Многие природные соединения являются макроциклическими лактона-
ми (макролидами). Например, антибиотик эритромицин содержит в своей
структуре 14-членный лактонный цикл. Для медицинских целей его произ-
водят ферментативным путем, однако в лабораторных условиях он получен
и синтетически.
Реакции нуклеофильного замещения а-галогенкарбоновых кислот
Галоген в а-галогенкарбоновых кислотах легко замещается под действи-
ем различных нуклеофильных агентов. В результате этих реакций из а-га-
логенкарбоновых кислот получают а-гидрокси-, а-амино-, а-нитро-, а-циа-
но- и другие а-замещенные карбоновые кислоты.
Реакции оптически активных а-галогенкарбоновых кислот с сильными
нуклеофильными реагентами протекают по механизму SN2 и сопровожда-
ются обращением конфигурации.
а-Галогензамещенные кислоты реагируют и со слабыми нуклеофильными
реагентами, причем особый интерес представляет нуклеофильное замеще-
ние, протекающее в слабощелочной среде или при действии влажного
оксида серебра. Если в этих условиях в реакцию вступает кислота с хираль-
ным а-С-атомом, то ее конфигурация в ходе реакции сохраняется.
НО Н
С—с.
о7 <"'Вг
и СН3
(Я)-2-бромпропановая
кислота
К2СО3/Н2О
(или Ag2O, Н2О)
НО Н
/С-сС„_
О'
V"OH
СН3
(Я)-2-гидроксипропановая
кислота
в-н
Сохранение конфигурации в этих условиях объясняется влиянием соседней
карбоксилатной группы. Механизм этой реакции уже был подробно обсуж-
ден в разд. 13.4.4.
296
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
20.8. ГИДРОКСИ- И АМИНОКАРБОНОВЫЕ
КИСЛОТЫ БЕНЗОЛЬНОГО РЯДА
Наиболее распространенными представителями этих соединений явля-
ются салициловая и антраниловая кислоты, а также их пара-изомеры.
4-гидроксибензойная кислота 4-аминобензойная кислота
Основным способом получения салициловой кислоты является карбок-
силирование феноксида натрия диоксидом углерода под давлением при
120-130 °C.
:b:0Na®
+ со2
феноксид
натрия
Салициловая кислота является более сильной кислотой (рКа 2,98), чем
бензойная, вероятно, за счет стабилизации салицилат-иона внутримолеку-
лярной водородной связью.
Карбоксилированием феноксида калия при более высокой температуре
(200 °C) получают n-гидроксибензойную кислоту (подробнее о реакции
карбоксилирования феноксидов - реакции Кольбе-Шмитта - см. в
разд. 17.4.2).
20.8. Гидрокси- и аминокарбоновые кислоты бензольного ряда
297
Для получения антраниловой кислоты чаще всего используют гипогало-
генитную реакцию Гофмана, действуя на фталимид гипохлоритом натрия в
щелочной среде (механизм реакции Гофмана подробно обсужден в
разд. 20.2.3):
NaOH
н2о
NH2
NaOCl
NaOH
^.соон
антраниловая
кислота
Антраниловая кислота, как все аминокислоты, является амфотерным
соединением. Ее кислотность ниже кислотности бензойной кислоты
(рКа 4,89).
В условиях диазотирования (подробнее о реакции диазотирования см в
гл. 24) антраниловая кислота подвергается сложному превращению, в ходе
которого отщепляются молекулы азота и диоксида углерода и генерирует-
ся частица дегидробензола. Как отмечалось в разд. 14.4.2, дегидробензол
выступает в реакциях циклоприсоединения в качестве диенофила.
®он
hno2, н®
0-5 °с ’
- n2, - со2
дегидробензол
аддукт
В остальном химические свойства гидрокси- и аминокарбоновых кислот
определяются теми функциональными группами, которые имеются в их мо-
лекулах.
Салициловую кислоту применяют для получения лекарственных средств
(аспирин - ацетилсалициловая кислота), протравных красителей, душистых
298
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
веществ, а также в качестве антисептика в пищевой промышленности при
консервировании и как реагент в аналитической химии.
Антраниловую кислоту используют в производстве красителей, душис-
тых веществ, пестицидов, лекарственных средств.
20.9. АЛЬДЕГИДО- И КЕТОКИСЛОТЫ.
АЦЕТОУКСУСНЫЙ ЭФИР
Карбоновые кислоты, в которых наряду с карбоксильной группой содер-
жатся альдегидная или кето(оксо)группа, называют соответственно алъдегидо-
и кетокислотами. И те, и другие часто называют оксокислотами.
20.9.1. Номенклатура
Названия кетокислот образуют по правилам номенклатуры ИЮПАК.
Примеры названий даны ниже.
В зависимости от взаимного расположения карбоксильной и карбониль-
ной групп оксокислоты можно рассматривать как а-, |3-, у- (и т. д.)альдеги-
до- и кетокислоты:
Оха /О
/С-С
н ОН
глиоксиловая кислота
(а-альдегидокислота)
Р а /Р
СНз-С-С
о он
2-оксопропановая кислота
пировиноградная кислота
(а.-кетокислота)
Y Ра /Р
сн3-с-сн2-с
о он
3-оксобутановая кислота
ацетоуксусная кислота
ф-кетокислота)
20.9.2. Способы получения
а-Кетокислоты получают гидролизом а,а-дигалогенкарбоновых кис-
лот, окислением а-гидроксикислот или гидролизом нитрилов а-кетокарбо-
новых кислот:
С1
снз-с-соон сн3-с-соон + НС1
Cl о
а,а-дихлорпропионовая пировиноградная
кислота кислота
СН3-СН-СООН СН3-С-СООН
ОН о
молочная кислота
пировиноградная
кислота
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир
299
СН3-С* + KCN
С1
ацетилхлорид
CH3-C-C=N
О
сн3-с-соон
II
о
пировиноградная
кислота
а-Кетокарбоновые кислоты получают также конденсацией эфиров ща-
велевой кислоты с эфирами карбоновых кислот (перекрестная конденсация
Кляйзена) и последующим кислотным расщеплением продуктов конденса-
ции:
С’ОС'ООС’' РТ
RCH2COOC2H5 + (СООС2Н5)2 C2H5°°NaT RCH 2 5 H2°*q6-
чсоос2н5
ХСОСООН
-----" RCH--------------------------- RCH2COCOOH + co2.
"соон . ....
Этиловый эфир ацетоуксусной кислоты (ацетоуксусный эфир) получа-
ют сложноэфирной конденсацией Кляйзена (см. в разд. 20.3.3).
2СН3-С-ОС2Н5 SHiSSaf сн3-с-сн-с( Na® ~т5§-
О о " ОС2Н5
этилацетат
------ сн3-с-сн2-с
й ОС2Н5
ацетоуксусный эфир
20.9.3. Строение и таутомерия ацетоуксусного эфира
Ацетоуксусный эфир представляет собой равновесную смесь двух тауто-
мерных форм - кето-формы и енольной формы:
zzO
СН3—С—СН2—С == СН3-С=СН“С
о ОС2Н3 йц ос2н5
кето-форма (92%) енольная форма (8%)
Соотношение таутомеров в значительной мере зависит от характера рас-
творителя. При применении гексана в качестве растворителя содержание
енола достигает 49%, а в воде резко падает.
300
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Переход из одной формы ацетоуксусного эфира в другую осуществляет-
ся путем переноса протона с промежуточным образованием резонансно-
стабилизированного аниона:
j5'
сн3-с-сн-сх сн3-с=сн—с'
:о н Ан
• •
кето-форма енольная форма
(СН-кислота) ацетоуксусный эфир (ОН-кислота)
+Н® -Н®
е Г-
сн3—с—сн—С
.Н ’* ос2н5
+н®
//о:
сн3—с=сн—с
:(1® ОС2Н5
резонансные структуры аниона ацетоуксусного эфира
хо:
сн3—с—сн=с ’ ’
•О ОС2Н5
н
СН3. /С. /ОС2Н5
С/->С
I: ® ’.I
:о о:
резонансный гибрид
Таутомерные формы ацетоуксусного эфира можно наблюдать и в инди-
видуальном виде. Большая устойчивость енольной формы ацетоуксусного
эфира объясняется наличием в нем сопряженной системы л-связей, которая
замкнута внутримолекулярной водородной связью в шестичленный псевдо-
ароматический цикл. Вода как растворитель разрушает внутримолекуляр-
ные водородные связи и поэтому снижает содержание енольной формы.
/ОС2Н5
8®
енольная форма
ацетоуксусного эфира
• •
20.9.4. Реакции
Альдегиде- и кетокислоты обладают свойствами, присущими соединени-
ям, содержащим эти функциональные группы в отдельности. Кетокислота,
например, вступает в реакции по карбонильной группе, характерные для
кетонов: нуклеофильное присоединение, гидрирование и т. д. По карбок-
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир
301
сильной группе это соединение участвует в реакциях, характерных для кис-
лот: ионизация, образование солей, сложных эфиров, амидов и др.
а-Альдегидо- и а-кетокислоты являются более сильными ОН-кислота-
ми, чем уксусная и пропионовая кислоты.
Значения рКа альдегидо- и кетокислот приведен ниже.
% *°
Кислота СН3—С-СООН СН3—С~СН2-СООН Л~СЧ СН3СН2СООН
О О Н ОН
пировиноградная ацетоуксусная глиоксиловая пропионовая
рКа 2,51 3,58 3,33 4,86
Благодаря электроноакцепторным свойствам карбонильная группа ста-
билизирует образующийся анион и тем самым облегчает кислотную диссо-
циацию карбоксильной группы.
Внутримолекулярная конденсация Кляйзена
Кроме свойств, характерных для соответствующих функциональных
групп, альдегидо- и кетокислоты обладают особыми свойствами, обуслов-
ленными взаимным расположением этих функциональных групп.
Например, эфиры 1,4- и 1,5-кетокарбоновых кислот в присутствии эти-
лата натрия претерпевают внутримолекулярную конденсацию Кляйзена.
Эта реакция аналогична конденсации Дикмана (см. в разд. 20.4.4).
о о о
C2H5ONa
/ СООС2Н5 этил-6-оксогептаноат Реакция идет по следующей схеме О -ZX. ®ОС2Н5 СООС2Н5 %мЯС2Н> _ у \ _ ®ос2н5 \ / -®ОС2Н5 • иду 2-ацетилциклопентанон О " х v с=о 0 // 'х С2Н5О/ о о о О - (У' - 6А
302
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Синтезы на основе ацетоуксусного эфира
Общие сведения
Значительное применение в органическом синтезе имеют производные
Р-кетокарбоновых кислот. Простейшая Р-кетокислота - ацетоуксусная кис-
лота - неустойчива и легко декарбоксилируется при нагревании с образова-
нием ацетона.
СН3-С-СН2-СООН СН3-С-СН3 + СО2.
О О
ацетоуксусная кислота ацетон
Однако эфиры ацетоуксусной кислоты представляют собой устойчивые
соединения и в то же время обладают высокой реакционной способностью.
Являясь сложным эфиром, ацетоуксусный эфир подвергается гидролизу
с образованием ацетоуксусной кислоты:
/°
СНз-С-СНг-с' й ос2н5 ацетоуксусный эфир -йт- СНз с сн2 с( + С2Н5ОН. О он ацетоуксусная кислота
Как кетон ацетоуксусный эфир реагирует с гидроксиламином, цианово-
дородом, фенилгидразином с образованием оксима, циангидрина и фенил-
гидразона соответственно.
СНз-С-СНг-с'
й ос2н5
ацетоуксусный эфир
{кето-форма)
—-2 ► сн3-с-сн2соос2н5
N- ОН
оксим ацетоуксусного эфира
ОН
—СН3-С-СН2СООС2Н5
C=N
циангидрин ацетоуксусного эфира
c6H5.nhnh2> сн3-с-СН2СООС2Н5
N—NHC6H5
фенилгидразон ацетоуксусного эфира
Как енол ацетоуксусный эфир проявляет ОН-кислотность и подобно фе-
нолу дает красное окрашивание с хлоридом железа(Ш). Так же, как енол,
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир
303
ацетоуксусный эфир реагирует с CH3MgI с выделением метана, обесцвечи-
вает раствор брома, растворяется на холоду в 2 %-м растворе КОН, взаимо-
действует с ацетилхлоридом и хлоридом фосфора(У):
FeCl3
Zz°
сн3-с=сн-с
ОН ОС*Н5
ацетоуксусный эфир
(енольная форма)
CH3MgI
-СН4
Вг2
-НВг
КОН
Н2О
СН3СОС1
пиридин
РС15
красное окрашивание
сн3- с=сн- СООС2Н5
OMgl
быстрое обесцвечивание
сн3-с=сн-соос2н5
О® К®
сн3-с=сн-соос2н5
ОСОСНз
этил-З-ацетокси-2-бутеноат
сн3-с=сн-соос2н5
С1
этил-З-хлор-2-бутеноат
Большая часть специфических свойств ацетоуксусного эфира
обусловлена его высокой СН-кислотностью (pK"a 10,7) и способностью к
таутомерным превращениям.
Ацетоуксусный эфир легко ионизируется при действии оснований.
Zz°
СН5-С-СН-С
й Н 0С^
ацетоуксусный эфир
CH3CH2O®Na®
- СН3СН2ОН
Na
-1/2 Н2
NaNH2
-NH3
СНЗХс<С>с/ОС2Н5
натрацетоуксусный эфир
Анион ацетоуксусного эфира является амбидентным нуклеофильным
реагентом. Взаимодействие его с галогенпроизводными приводит к продук-
там С- или О-замещения. Направление реакции зависит от строения гало-
генпроизводного и условий реакции (подробнее см. ниже в этом разделе).
304
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Значительное синтетическое применение имеют реакции С-алкилирова-
ния, которые протекают при взаимодействии натрацетоуксусного эфира с
галогенпроизводными, способными вступать в реакции SN2.
Монозамещенные ацетоуксусные эфиры обладают меньшей СН-кис-
лотностью. Их ионизируют действием mpem-бутоксида калия. Калиевые
соли также реагируют по механизму SN2 с образованием дизамещенных
ацетоуксусного эфира.
//°
СНз-С-СН-С
О СНз ОС2Н5
(СН3)3СОЭК®
-(СН3)3СОН
Л /Я
сн3-с-с-с к®
О СН3 ОС2Н5
С2Н5Вг
-КВг
а-метилацетоуксусный эфир
сн3—с—с—с
о СНз ос^
метилэтилацетоуксусный эфир
Моно- и дизамещенные ацетоуксусные эфиры применяют для синтеза
соответствующих кетонов и карбоновых кислот.
Кетонное расщепление ацетоуксусных эфиров.
Синтез кетонов
В водных растворах кислот и щелочей ацетоуксусный эфир и его алкил-
и диалкилпроизводные гидролизуются до соответствующих кислот, кото-
рые при нагревании декарбоксилируются с образованием кетонов.
СН3-С-СН2-< ЛИ1Н?. снэ-С-СН2-с'
й ос2н5 й он
ацетоуксусный эфир ацетоуксусная кислота
----- СН3-С-СН3 + со2.
о
ацетон
Полагают, что декарбоксилирование Р-кетокислоты при нагревании
первоначально ведет к образованию кетона в его енольной форме.
Н^
.С^'.Сх
R СН2
ОН
t° I ________
-со2 r/C^CH2-
енольная форма
кетона
О
II
R-С-СНз
кетон
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир
305
При планировании синтеза кетона при помощи ацетоуксусного эфира за-
дача заключается в выборе подходящего галогеналкана. Рассмотрим неко-
торые примеры.
Пример 1. С помощью ацетоуксусного эфира синтезировать 5-метил-
2-гексанон
СН3~ СН- СН2-СН2~С~ СН3 f
СН3 О
Искомый кетон можно рассматривать как ацетон, в котором один атом
водорода замещен на изобутильную группу. Следовательно, для получения
этого кетона из ацетоуксусного эфира необходимо получить изобутилаце-
тоуксусный эфир, гидролизовать его и декарбоксилировать соответствую-
щую кетокислоту.
сн3-сн-сн2-соос2н5 2 5 >
J II 2 -С2Н5ОН
О
----► СН3-С-СН-СООС2Н5 N® -H3-iS3j~CH2Br"
О
----► CH3-C-CH-ct° гнои- CH3-C-CH-ct°
II | ОС2Н5 -С2Н5°Н II | ^он ~с°2
° сн2-сн-сн3 ° сн2-сн-сн3
СН3 СН3
изобутилацетоукусный эфир
----► сн3-с-сн2-сн2-сн-сн3
о СН3
5-метил-2-гексанон
Пример 2. С помощью ацетоуксусного эфира синтезировать 3-метил-
2-пентанон
сн3-сн2-сн-с-сн3
СН3 О .
Искомый кетон можно рассматривать как ацетон, в котором один атом
водорода замещен на метильную группу, а второй - на этильную группу.
Следовательно, именно эти группы необходимо ввести в ацетоуксусный
эфир перед гидролизом и декарбоксилированием соответствующей кис-
лоты.
306
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
СН3-С-СН-СООС2Н5 Na®
О
СН3-С-СН2-СООС2Н5
о
ацетоуксусный эфир
/Р
----- СН3-С-СН-С.
II I
О СН3
(снз)зсо®к® _rJLrnnr н к® С2Н51
-(СН3)3СОН СНз С с соос2н5 к _К1
0С^ О СНз
метилацетоуксусный эфир
С2Н5 о
гтт __р__р___р^ Н2О, HQ
СНз И I \ -С2Н5ОН
о сн, ОСЛ
метилэтилацетоуксусный эфир
СЛ.0
СНз-С-С-С
И I QJ-I
О СНз
t°
-со2
метилэтилацетоуксусная
кислота
СНз-С-СН-СН2-СН3
о СНз
З-метил-2-пентанон
Кислотное расщепление ацетоуксусных эфиров.
Синтез кислот
Кислотное расщепление представляет собой процесс, обратный сложно-
эфирной конденсации Кляйзена. Он осуществляется под действием концен-
трированных щелочей.
zP zP
СН3-С-СН2-С ЦаОНХконцД 2СН3-С -HCU 2СН3СООН.
II Vr- U -С2н5он \ е э н2о i
q ОС2Н5 О Na уксусная кислота
ацетоуксусный эфир
Кислотное расщепление протекает как последовательность AdN- и
Е-реакций.
Стадия 1 - нуклеофильное присоединение гидроксид-иона:
^11 ©..
сн3—с—сн2—с + :он
ОС2Н5_^> ’
. .0
:о:
сн3—с—сн2—
он
<°
ос2н5
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир
307
Стадия 2 - элиминирование енолят-иона из аддукта:
. .0
сн3—с^сн2—с.
он
Р
'ос2н5
//°
сн3—с
он
0
сн2—с
ОС2Н5
/Р.:
сн2=с * ’
ОС2Н5
Стадия 3 - кислотно-основное взаимодействие:
0° .©.
СН3-СЧ + сн2—
он ос2н5
/° /О
СН3-c(..Q + СН3-с(
о: ос2н5
Если кислотному расщеплению подвергается алкил- или диалкилацето-
уксусный эфир, то наряду с уксусной кислотой образуется моно- или диал-
килуксусная кислота.
/О
CH3-C-CH-CZ CH3COO®Na® + RCH2COO®Na®
J и . \ — Concur! rl^U
a i °c^
------ СНзСООН + rch2cooh.
моноалкил- : J '
уксусная кислота
Пример 1. С помощью ацетоуксусного эфира синтезировать валериано-
вую кислоту
СН3СН2СН2-СН2СООН.
Валериановую кислоту можно рассматривать как продукт замещения в
уксусной кислоте одного атома водорода на н-пропильную группу. Следова-
тельно, для получения этого соединения перед кислотным расщеплением в
ацетоуксусный эфир необходимо ввести н-пропильную группу.
сн3-с-сн2-СООС2Н5
°
ацетоуксусный эфир I
308
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
СН3-С-СН-СООС2Н5 Na® СНз™аВгН2ВГ‘
О
/О
т т т т z~i / NaOH (конц.)^
3 II | ХОС2Н5 -CH3COO®Na®
° сн2сн2сн3
н-пропилацетоуксусный эфир
СН3СН2СН2-СН2СОО® Na® СН3СН2СН2-СН2СООН.
валериановая кислота
Пример 2. С помощью ацетоуксусного эфира синтезировать изомасля-
ную кислоту
сн3-снсоон
СНз
Очевидно, что для синтеза этого соединения в ацетоуксусный эфир не-
обходимо ввести два метильных заместителя.
СН3—С-СН2—СООС2Н5 СН3-С-СН-СООС2Н5 Na®
О о
ацетоуксусный эфир
---► СН3-С-СН-С* (CH3)3coqk® СНз-С_§_сооС2Н5 К®
О СН3 ОС2Н5 О СН3
метилацетоуксусный эфир
СИз ZO
_q__NaOH (конц.)
II I Xnr И -CH3COO®N^
О CH3 uc2H5
CH3-CH-COO®Na® >
CH3
диметилацетоуксусный эфир
CH3-CH-COOH
CH3
изомасляная кислота
Обратите внимание! Даже для введения двух одинаковых заместителей
процесс алкилирования ацетоуксусного эфира необходимо проводить в два
этапа.
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир
309
Пример 3. С помощью ацетоуксусного эфира синтезировать янтарную
кислоту
НООС-СН2СН2--СООН.
Для синтеза этого соединения необходимо, чтобы между двумя карбок-
сильными группами находились две СН2-группы. Такую задачу легко ре-
шить по следующей схеме:
СН3-С-СН2-СООС2Н5
о
ацетоуксусный эфир
0
- ----► СН3-С-СН-СООС2Н5 Na® осщсоосщ^
J || z 3 - NaCl
О
,0
СН3-С-СН-СХ NaOH (конц.^
II I ОС2Н5 -CHjCOoQNsP
° СН2СООС2Н5
оч zo
Na®OZ
' НС1
, да да Н2О
O®Na®
,с-сн2сн2-с
но он
янтарная кислота
Обратите внимание! Алкилировать натрацетоуксусный эфир свободной
хлоруксусной кислотой нельзя!
Амбидентные свойства ацетоуксусного эфира
Выше мы подробно рассмотрели применение реакций енолят-иона
ацетоуксусного эфира с галогеналканами для образования новых углерод-
углеродных связей. Вместе с тем следует иметь в виду, что анион ацетоук-
сусного эфира является амбидентным нуклеофильным реагентом. Его вза-
имодействие с галогенпроизводными может приводить к продуктам и С-, и
О-алкилирования. Направление реакции зависит от строения галогенпроиз-
водного и условий реакции.
При проведении реакции в спирте более электроотрицательный атом
кислорода енолят-иона сильно сольватирован, вследствие чего большую
нуклеофильность проявляет атом углерода. Эти условия способствуют
С-алкилированию. В диметилформамиде оба нуклеофильных центра не
310
Гпава 20. Карбоновые кислоты и их производные
сольватированы, вследствие чего преимущественно наблюдается реакция
О-алкилирования.
Н
СН3^ ,С.
И®
:о-
.с.ос2н5
Ю: Na®
/О
Sr сн3-с-сн-сч
о снз ос=н’
а-метилацетоуксусный эфир
сн-с=сн-с'
осн, ос=н'
этил-З-метокси-2-бутеноат
Следует также отметить, что ацетоуксусный эфир может реагировать с
алкилирующими агентами не только по метиленовой, но и по метильной
группе. Эти два реакционных центра ацетоукусного эфира существенно
различаются по кислотности: ионизация по метиленовой группе оценива-
ется значением p7£a 10,7, а ионизация по метильной группе - значением
~20.
Поэтому при применении 1 моль основания в качестве реакционного
центра, конкурирующего с О-атомом в реакции с галогеналканом, выступа-
ет только карбанион, образовавшийся при ионизации метиленовой группы
(направление а в показанной ниже схеме превращений).
О
II
СН3-С-СН2СООС2Н5 —
рКя ~ 20 рКя ~ 10,7
С> OR
а 11 •• RX 11 I
-2— СН3-С-СНСООС2Н5 СН3-С-СНСООС2Н5
О R О
, Л II Л RX I II л н®
СН2-С-СНСООС2Н5 СН2-С-СНСООС2Н5
R О
I II
----- СН2-С-СН2СООС2Н5
При применении 2 моль сильного основания (например, литийдиизопро-
пиламида) оба СН-кислотных центра ацетоуксусного эфира подвергаются
20.9. Альдегидо- и кетокислоты. Ацетоуксусный эфир
311
ионизации (направление б). При этом карбанион, образующийся при иони-
зации метильной группы, является более сильным основанием (как сопря-
женное основание более слабой кислоты), а следовательно, и более силь-
ным нуклеофилом. Именно этот реакционный центр будет реагировать при
прочих равных условиях с галогеналканом.
Ацетоуксусный эфир в реакции Михаэля
Как и другие карбанионы, енолят-ион ацетоуксусного эфира может
вступать в реакцию сопряженного присоединения к а,Р-ненасыщенным
карбонильным соединениям.
О
сн3-с—СН2СООС2Н5 + сн2=сн-соос2н5 -
ацетоуксусный эфир этилакрилат
о
I I U Q©
----► СН3-С-СН-СН2СН2СООС2Н5 - >
СООС2Н5
О 1
II
СН3-С-СН-СН2СН2СООН ------
соон
о "
II
СН3-С-СН2СН2СН2СООН + со2.
5-оксогексановая кислота
Аналогично проходит реакция и с метилвинилкетоном.
О-
СН3-С-СН2СООС2Н5 + сн2=сн-сосн3
ацетоуксусный эфир метилвинилкетон
О
II
---► СН3-С-СН-СН2СН2СОСН3
СООС2Н5
этил-2-'ацетил-5-оксогексаноат
312
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Этил-2-ацетил-5-оксогексаноат. К смеси ацетоуксусного эфира (78 г; 0,6 моль) и ме-
тилата натрия [из 2,3 г (0,1 моль) натрия и 40 мл метанола] при 30-35 °C прибавляют по
каплям метилвинилкетон (42 г; 0,6 моль). На следующий день реакционную массу разбав-
ляют метиленхлоридом, нейтрализуют разбавленной уксусной кислотой. Продукт отгоня-
ют и очищают перегонкой, т. кип. 127-129 °C (4,5 мм рт. ст.). Выход 103 г (86%).
20.10. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ
ИК-спектры. В ИК-спектрах карбоновых кислот валентные колебания
О-Н и С-Н перекрываются и наблюдаются в виде широкой и весьма интен-
сивной полосы поглощения в области 3500-2500 см-1. Валентные колеба-
ния карбонильной группы проявляются при 1650-1740 см1.
В ИК-спектрах производных карбоновых кислот общего строения
поглощение валентных колебаний карбонильной группы существенно зави-
сит от природы производного, т. е. от значения X. Ниже значения vc=o срав-
ниваются для различных производных уксусной кислоты общей формулы
ZO
сн3-сч
X
X ci ососн3 осн3 nh2
Vc=o, см-1 1822 1748,1815 1736 1694
ЯМР-спектры. В спектре ПМР сигнал протона карбоксильной группы
карбоновой кислоты наблюдают в области б 10-12 м.д. и легко идентифи-
цируют по его исчезновению при добавлении D2O к образцу.
В спектрах 13С ЯМР карбоновых кислот и их производных сигнал атома
углерода СО-группы наблюдают в более сильном поле (б 160-185 м.д.) по
сравнению с сигналом карбонильного углерода в спектрах 13С ЯМР альде-
гидов и кетонов (б 190-215 м.д.).
Умеренные сигналы NH-протонов амидной группы наблюдают в области
б 5-8 м.д.. Иногда уширение этих сигналов столь значительно, что они стано-
вятся неразличимыми от шумов и их идентификация вызывает затруднения.
20.10. Спектроскопический анализ карбоновых кислот и их производных
313
Масс-спектры. Как уже отмечалось ранее, фрагментация молекулярных
ионов карбонильных соединений RCOX (X = Н, R, OR, NH2, NR2) протека-
ет по следующим направлениям:
1) а-распад - с разрывами связи С-Х [пути (1а) и(1б)] и связи С-С [пути
(1в)и(1г)]
х- + [r-c=o: -—- r-c=o:] r® аа>
х® + r-c=o: de)
R- + :o=c-x (1b)
r® + :b=c-x dr)
©
•o:
-q—X а~РазРыв
2) перегруппировка Мак-Лафферти
R H
\ /
HC
I
H2C c.
H H
Типичные пики в масс-спектрах карбоновых кислот соответствуют от-
щеплению радикала 'ОН - пик М-17 [RCO®, путь (1а)], отщеплению воды -
пик М-18 - и радикала 'СООН - пик М-45 [R®, путь (1г)]. В масс-спектрах
кислот с длинной углеродной цепью наблюдаются пики осколочных ионов
®(СН2)лСООН [m/z 45 (и = 0), 59 (и = 1), 73 (и = 2), 87 (п = 3) и т. д.]. При
перегруппировке Мак-Лафферти образуется перегруппировочный ион
m/z 60 (X = ОН).
В масс-спектрах сложных эфиров характерными являются пики оско-
лочных ионов RCO® [путь (1а)], для метиловых эфиров наблюдается пик
М-31 (М-ОСН3), для этиловых эфиров - М-45 (М-ОС2Н5)], СН3ОСО® [m/z 59,
путь (1в)] и С2Н5ОСО® [m/z 73, путь (1в)]. Перегруппировка Мак-Лафферти
приводит к появлению интенсивных пиков m/z 74 (X = ОСН3),
88 (X = ОС2Н5) и т. д.
В масс-спектре метилового эфира масляной кислоты интенсивность
пика молекулярного иона m/z 102 (М+) незначительна. Интенсивный пик
m/z 71 (М-31) свидетельствует об отщеплении метильного радикала от мо-
лекулярного иона метилового эфира [путь (1а)]. При ос-распаде молекуляр-
ного иона по направлениям (1в) и (1г) образуются осколочные ионы
СН3ОСО® (m/z 59) и С3Н® (m/z 43). Пик m/z 74 соответствует иону
[СН2=С(ОН)-ОСН3]®, наблюдаемому при перегруппировке Мак-Лафферти.
314
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
В масс-спектрах первичных амидов кислот характерными являются пик
m/z 44 [CONH®, путь (1в)] и пик иона m/z 59, образующегося при перегруп-
пировке Мак-Лафферти (X = NH2).
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Уксусная кислота (этановая кислота) СН3СООН. Получают окислением ацетальдегида,
бутана, пентана, гексана, а также карбонилированием метанола. Бесцветная жидкость,
т. кип. 118 °C; во всех отношениях смешивается с водой, этанолом, диэтиловым эфиром, бен-
золом. Применяют в производстве солей и эфиров (ацетатов), лекарственных средств, кра-
сителей и инсектицидов. ПДК 5 мг/м3.
Муравьиная кислота (метановая кислота) НСООН. Получают как побочный продукт в
производстве уксусной кислоты, ацетальдегида и формальдегида окислением углеводоро-
дов. Бесцветная жидкость, т. кип. 101 °C, растворима в воде, этаноле, диэтиловом эфире.
Применяют в качестве протравы при крашении, отделке текстиля, бумаги, обработке кожи,
а также для получения лекарственных средств, средств защиты растений, консервантов. Об-
ладает бактерицидным действием. ПДК 1 мг/м3.
Бензойная кислота С6Н5СООН. Получают окислением толуола кислородом воздуха.
Бесцветные кристаллы, т. пл. 122,3 °C; хорошо растворима в этаноле, диэтиловом эфире,
бензоле; плохо - в воде. Применяют как антисептическое и консервирующее средство, фун-
гицид, а также в производстве красителей, лекарственных средств, душистых веществ и ал-
кидных смол.
Адипиновая кислота (1,6-гександиовая кислота) НООС(СН2)4СООН. Получают окисле-
нием циклогексанона. Бесцветные кристаллы, т.пл. 152 °C, растворима в воде и этаноле. Яв-
ляется исходным веществом в производстве полиамидного синтетического волокна - найло-
на, а также инсектицидов, смазок и пластификаторов.
Ацетоуксусный эфир СН3С(О)СН2СООС2Н5 получают взаимодействием этоксида натрия
с этилацетатом. Бесцветная жидкость, т.кип. 180,8 °C; растворим в воде, этаноле, диэтиловом
эфире. Применяют в синтезе лекарственных веществ (амидопирин, акрихин и т. п.), витами-
на В], азокрасителей, кислот и кетонов, а также в качестве ароматизирующего вещества для
пищевых продуктов. Раздражает кожу.
Воскн природные - жироподобные вещества животного или растительного происхожде-
ния. Состоят из сложных эфиров высших жирных кислот, имеющих четное число углерод-
ных атомов от С24 до С36 и высших алифатических спиртов с четным числом атомов углеро-
да от С16 до С36. Например, пчелиный воск представляет собой смесь эфиров строения
С25-27Н51-55-С —ОСзо.32Н60.65
= О .
Аморфные вещества с т.пл. 40-90 °C; нерастворимы в воде, растворимы в органических
растворителях. Применяют для приготовления косметических средств, полировочных мас-
тик, водоотталкивающих пропиток для тканей, красок, а также в медицине.
Жиры и масла - полные эфиры высших жирных карбоновых кислот и глицерина. Их на-
зывают триглицеридами (или триацилглицеридами). Карбоновые кислоты, входящие в со-
став жиров и масел, содержат от 8 до 24 атомов углерода в цепи. Начиная с С6, число атомов
углерода в цепи бывает четным, а цепи - неразветвленными насыщенными и ненасыщенны-
ми, содержащими одну или более двойных связей.
Температура плавления жира зависит от степени ненасыщенности остатков жирных кис-
лот в молекуле триглицерида. Жиры с незначительным содержанием двойных связей в али-
фатических фрагментах их молекул являются твердыми при комнатной температуре. Жиры,
в составе которых присутствует значительное число остатков ненасыщенных карбоновых
кислот, имеют температуры плавления ниже комнатной и называются маслами.
Наиболее важные представители
315
Твердые жиры устойчивы в хранении. Поэтому жидкие растительные масла часто под-
вергают отверждению. Этот процесс заключается в гидрировании фрагментов ненасыщен-
ных карбоновых кислот в молекулах триглицеридов. Как правило, проводят лишь частич-
ное гидрирование, сохраняя часть двойных связей в углеводородных фрагментах незатрону-
тыми. Это позволяет избежать чрезмерного повышения температуры плавления гидрогени-
зированного жира. Гидрирование растительных масел имеет еще одно нежелательное свой-
ство. Незатронутые при гидрировании двойные связи, имеющие цис-конфигурацию в при-
родном растительном масле, приобретают транс-конфигурацию в гидрогенизированном
продукте. Полагают, что значительное употребление в пищу таких «транс-жнроа» может
стать причиной ряда сердечных и онкологических заболеваний.
Кроме функции одного из трех важнейших продуктов питания (два другие - углеводы и
белки) жиры в организме выполняют несколько биологических задач, из которых главная -
запас энергии. Жиры также играют первостепенную роль в формировании клеточных мем-
бран. Около 1/3 жиров, вырабатываемых во всем мире, применяют для технических целей,
например в производстве мыла.
Малоновая кислота (1,3-пропандиовая кислота) СН2(СООН)2. Получают гидролизом ци-
ануксусной кислоты. Бесцветные кристаллы, т.пл. 135,6 °C; растворима в воде, этаноле и ди-
этиловом эфире. Применяют для получения карбоновых кислот, аминокарбоновых кислот,
а,[3-ненасыщенных кислот, лекарственных веществ (барбитураты), витаминов В, и В6.
Щавелевая кислота (этандиовая кислота) НООССООН. Получают быстрым нагревани-
ем формиата нитрия. Бесцветные кристаллы, т.пл. 189,5 °C, т.возг. 125 °C. Растворима в во-
де, этаноле, диэтиловом эфире. Применяют как восстановитель для аналитических целей и
как средство для удаления ржавчины. ПДК 1 мг/м3.
Фталевый ангидрид о-С6Нд(СО)2О получают газофазным окислением о-ксилола или
нафталина. Бесцветные кристаллы, т.пл. 130,8 °C. Легко растворим в этаноле, умеренно - в
других органических растворителях. Применяют в производстве красителей, алкидных смол,
пластификаторов, инсектицидов, лекарственных веществ.
Терефталевая кислота (и-фталевая кислота) С6Н4(СООН)2. Получают окислением
и-ксилола кислородом воздуха. Растворима в пиридине, ДМФА. Бесцветные кристаллы,
т.пл. 425 °C, т.возг. 300 °C. Крупнотоннажный промышленный продукт, применяется в про-
изводстве синтетического полиэфирного волокна, например лавсана (терилен).
Янтарная кислота (1,4-бутандиовая кислота) НООС(СН2)2СООН. Получают гидрирова-
нием малеинового ангидрида с последующей гидратацией. Бесцветные кристаллы, т.пл. 185 °C.
Применяют в органическом синтезе, в производстве полимерных материалов, инсектицидов
и красителей.
Хлоруксусная кислота (монохлоруксусная кислота) С1СН2СООН. Получают хлорирова-
нием уксусной кислоты и гидратацией трихлорэтилена. Бесцветные кристаллы, т.пл. 63 °C;
растворима в воде и органических растворителях. Является исходным веществом для полу-
чения карбоксиметилцеллюлозы, красителей, гербицидов, комплексонов. ПДК 1 мг/м3.
Трифторуксусная кислота CF3COOH. Получают электрохимическим фторированием
СН3СООН в безводном HF. Жидкость, дымящая на воздухе, имеет резкий запах, т.кип.
72,4 °C. Растворима в воде. Сильная кислота (рКа 0,23). Применяется как растворитель и ка-
тализатор электрофильных реакций; используется для борьбы с эпизоотиями. Ангидрид
трифторуксусной кислоты - эффективный катализатор для реакций ацилирования и хоро-
шее водоотнимающее средство. При попадании на кожу вызывает ожоги. ПДК 2 мг/м3.
Молочная кислота (2-гидроксипропановая кислота) СН3-СН(ОН)-СООН. Получают
ферментативным брожением растительной массы (мелассы, картофеля), а также гидроли-
зом лактонитрила. Существует в виде энантиомеров и оптически неактивной рацемической
смеси. Энантиомеры - бесцветные кристаллы, т.пл. 25-28 °C; рацемат, т.пл. 18 °C. Раствори-
ма в воде, этаноле, диэтиловом эфире. Применяют в производстве лекарственных средств и
пластификаторов. В последние годы интенсивно изучается возможность использования молоч-
ной кислоты для производства биоразлагаемых полимерных материалов (см. разд. 5.12 и 14.6).
Винные кислоты НООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН существуют в виде пары энантиоме-
ров трео-ряда, рацемическая смесь которых называется виноградной кислотой. Ее получа-
316
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
ют взаимодействием малеинового ангидрида с Н2О2. Кристаллы, т.пл. 205 °C, хорошо рас-
творимы в воде, плохо - в этаноле, диэтиловом эфире. Пространственный изомер эритро-
ряда является оптически неактивной мезоформой и называется мезовинной кислотой
(антивинная кислота).
С :оон ( "ООН ( :оон
н— —он но— —Н но— —н
но— —н н— —ОН но— —н
( "ООН ( "ООН ( :оон
(27?,3/?)-(+)-винная (25,35)-(-)-винная (2/?,35)-винная
кислота кислота кислота
к ) мезовинная кислота
(±)-виноградная кислота
Нагреванием виноградной кислоты получают пировиноградную кислоту.
ОН
t° ।
ноос—сн-сн—соон сн2=с-соон
| | -СО2
он он -Н2О
виноградная кислота
О
II
сн2—с—СООН
пировиноградная
кислота
Применение находит в основном (+)-винная кислота, т.пл. 170 °C. Она используется в пи-
щевой промышленности (напитки, фруктовые эссенции), в гальванопластике, в производст-
ве цветных металлов и зеркал, а также в качестве протравы при крашении.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Амид карбоновой кислоты - соединение, содержащее карбамидную группу R-C(O)NH2.
Арндта-Эйстерта реакция - способ превращения карбоновой кислоты в ее следующий
гомолог
R-COOH r-ch2-cooh.
Ацилирования реакция - реакция введения ацильной группы в молекулу органического
соединения.
Бородина-Хунсдиккера реакция - реакция декарбоксилирования серебряной соли кар-
боновой кислоты под действием галогена в безводном органическом растворителе; про-
дуктом реакции является галогеналкан.
Габриэля реакция - синтез первичного амина при взаимодействии галогеналкана с фта-
лимидом калия и последующем гидролизе полученного N-алкилимида.
Галогенангндрнд карбоновой кислоты - соединение общей формулы R-C(O)X, содержа-
щее галогенангидридную группу.
Гелля-Фольгарда-Зелинского реакция - реакция галогенирования карбоновой кислоты
в присутствии фосфора.
Гофмана реакция - реакция, в ходе которой амид карбоновой кислоты превращается в
амин с укорочением углеродной цепи амида на один атом углерода.
Декарбоксилирование - реакция карбоновой кислоты или ее соли, сопровождаемая от-
щеплением молекулы СО2.
Дикмана реакция - внутримолекулярная конденсация сложного эфира дикарбоновой
кислоты, протекающая по типу конденсации Кляйзена с образованием пяти- или шести-
членного циклоалканона.
Задачи
317
Жир - сложный триэфир, образованный глицерином и одной, двумя или тремя нераз-
ветвленными насыщенными или ненасыщенными карбоновыми кислотами: пальмитиновой
С15Н31СООН, стеариновой С17Н35СООН, олеиновой С17Н33СООН, линолевой С17Н31СООН.
Как правило, жиры плавятся при температуре выше комнатной.
Карбоновая кислота - соединение, содержащее карбоксильную группу СООН.
Кляйзена сложноэфирная конденсация - реакция самоконденсации эфира карбоновой
кислоты в присутствии этоксида натрия, сопровождаемая получением эфира [3-кетокарбоно-
вой кислоты.
Кневенагеля реакция - реакция альдегида со сложным эфиром [3-дикарбоновой кислоты
в присутствии слабого основания, сопровождаемая получением а,[3-ненасыщенной кислоты.
Масло - сложный триэфир, образованный глицерином и ненасыщенными карбоновыми
кислотами. Как правило, масла плавятся при температуре ниже комнатной. Чем больше
двойных С=С-связей содержит триацилглицерин, тем ниже его температура плавления.
Мнхаэля реакция - реакция сопряженного присоединения нуклеофила к а,[3-ненасыщен-
ной системе. Первоначально реакцией Михаэля называли взаимодействие малонового эфи-
ра с а,[3-ненасыщенным карбонильным соединением в присутствии основания.
Мыло - соль высшей карбоновой кислоты и щелочного металла; стеарат натрия - твер-
дое мыло, стеарат калия - жидкое мыло.
Нитрил - соединение, содержащее нитрильную группу CN.
Омыление - щелочной гидролиз сложного эфира карбоновой кислоты.
Переэтерификация - превращение одного сложного эфира в другой под действием соот-
ветствующего спирта в присутствии катализатора (кислота или основание).
Перкнна реакция - реакция ароматического альдегида с ангидридом карбоновой кислоты
в присутствии слабого основания, сопровождаемая образованием аф-ненасыщенной кислоты.
Реформатского реакция - реакция альдегида и кетона с а-бромэфиром в присутствии
цинка, приводящая к получению [3-гидроксикарбоновой кислоты.
Розенмунда-Зайцева реакция - реакция восстановления хлорангидрида до альдегида,
которая проводится как каталитическое гидрирование на «отравленном» катализаторе
Pd/BaSO4 с добавкой хинолина и серы.
Сложный эфир карбоновой кислоты - соединение, содержащее сложноэфирную группу
C(O)OR'.
Фишера-Шпайера реакция - реакция карбоновой кислоты со спиртом в присутствии
сильной минеральной кислоты, которая ведет к получению сложного эфира.
Шоттена-Баумана реакция - реакция ацилирования гидроксисоединений хлорангидри-
дами карбоновых кислот в присутствии водного раствора щелочи.
Этерификация - реакция получения сложного эфира.
ЗАДАЧИ
Задачи 20.1. Назовите следующие соединения по номенклатуре ИЮПАК.
д) ВгСН2СН2СН2СООН
е) СН3(СН2)8СООН
Вщх^_СООН
«) L IJ
NO2
з)
г)
СООН
318
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Задача 20.2. Напишите структурную формулу для каждого из следующих соединений:
а) [3-броммасляная кислота;
б) у-этоксивалериановая кислота;
в) (Я)-4-гидрокси-(2Е)-гексеновая кислота;
г) гексановая кислота; > ,
д) цис-2-бутеновая кислота; .
е) а-бром-[3-хлормасляная кислота; J i
ж) 4-нитро-5-этоксибензойная кислота.
Задача 20.3. Покажите, каким образом можно осуществить следующие превращения:
а) С2Н5С(СН3)2С1 ---- С2Н5С(СН3)2СООН
б) Вг-(СН2)4-Вг ----- НООС(СН2)4СООН
в) СН3СОСН2СН2Вг ---- СН3СОСН2СН2СООН
г) (СН3)3ССН2С1 ----► (СН3)3ССН2СООН
е) НО(СН2)3Вг ----- НО(СН2)3СООН
Задача 20.4. Покажите, каким образом можно осуществить следующие превращения:
СН2СООН
б) СН3СН2СООН ----- CH3CH2N3
в) (СН3)3ССН=СН2 -► (СН3)3ССООН
г) СН3СН2СН2СООН ----- СН3СН2СН2СН2СООН
сн3 сн3
д) СН3СОСН2СН2—с—Вг ---- СН3СОСН2СН2-С-СООН
СНз СНз
Задача 20.5. В каждой из следующих пар анионов определите, какой является более силь-
ным основанием:
а) СН3СН2О0, СбН5СОО°; г) (СН3)3СОО®, СС13СОО0;
б) СбН5СОО0, СН3СОО0; ' д) НС=ССН2СОО°, СН3СН2СН2СОО0.
в) С1СН2СН2СОО°, СН3СН(С1)СОО°;
Задача 20.6. Расположите следующие кислоты в порядке увеличения их кислотности:
СН3СООН, сн2=сн-соон, сн3-сн=сн-сн2соон, НС=С-СООН, сн3-с=с-соон.
Отнесите следующие значения рКа к соответствующим кислотам: 2,60; 4,76; 4,26; 4,51; 1,84.
Задачи
319
Задача 20.7. Завершите следующие реакции:
а) СН2=СН— С=О + НВг ---*
ОН
б) СН2=СН—С=О + С2Н5О®------
ОС2Н5
Задача 20.8. Завершите следующие реакции:
+ СН2(СООС2Н5)2
C2H5OeNa®
(этанол)
б)
+ сн2=сн—СООС2Н5
C2H5OeNag>
(этанол)
Задача 20.9. Завершите следующие реакции. Напишите структурные формулы всех про-
межуточных и конечного продуктов.
-ли С12 + Н2О с№. 50 %-я H2SO4_
СН2—СН2 (ДМСО) 7
Задача 20.10. Завершите реакцию. Предложите схему механизма, объясняющую строе-
ние конечного продукта.
,О
сн3-с' + СН,(СООС2Н5)2 пи”еРиДин’ L
-3 х z (бензол)
Н
Задача 20.11. Завершите реакцию. Предложите схему механизма.
+ СН2(СООН)2
Задача 20.12. Укажите в следующих парах кислот, какая из кислот сильнее.
а) (СН3)3ССН2СООН или (CH3)3NCH2COOH;
б) СН3СН2СООН или СН3СН(ОН)СООН; х
в) СН3СН2СООН или СН2=СН-СООН;
г) СН3СН2СН2СООН или CH3SO2CH2COOH;
д) С1СН2СН2СООН или С1СН2СН2СН2СООН.
Задача 20.13. Завершите следующие реакции. Назовите их продукты по номенклатуре
ИЮПАК.
320
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
СН3
а) С1
у'ЮСНз
no2
б) (СН3)3ССН2ОН
1. КМпО4, онэ
2. Н3О®
К2СГ2О7
H2SO4, Н2О
Г)
К2СГ2О7
H2SO4, Н2О
СН3СНСН2СН3
С1
1. Mg, (С2Н5)2О
2. СО2. 3. Н3О®
Задача 20.14. Укажите, какой из двух способов - через реактив Гриньяра или через нит-
рил - более предпочтителен для реализации следующих превращений:
а) бромбензол —> бензойная кислота;
б) 3-хлорпропанол —> 4-гидроксибутановая кислота;
в) mpem-бутилхлорид —> пивалевая кислота;
г) и-нитробензилхлорид —> и-нитрофенилуксусная кислота.
Задача 20.15. Завершите следующие реакции. Напишите структурные формулы продук-
тов. Назовите их. Отметьте, какие из реакций являются равновесными:
. , 1. LiAlH4, (С2Н5)2О
а) я-(трифторметил)бензоиная кислота -------ГИгб------
б) бензойная кислота + Н218О ————
Н®
в) 5-гидроксипентановая кислота ------»
г) 5-оксогексановая кислота 1' NaBH»»
2Н..О
Задача 20.16. Завершите следующую реакцию. Назовите продукт по номенклатуре
ИЮПАК. Укажите конфигурацию. Предложите механизм.
С1
сн3сн2снсоон Na^c°3 - !
° н2о
(7?)-2-хлорбутановая
кислота
Задача 20.17. Завершите следующие реакции.
соон
а) Г V
соон
185 °C
.соон
160 °C
соон
в)
/=\ хсоон
4 # сгсо°н
сн3
160 °C
Задачи
321
Предложите механизмы реакций. Покажите, какая форма предшествует образованию про-
дукта в каждой из указанных реакций.
Задача 20.18. Завершите следующие реакции:
О ' \
II .о
а) СбН5—С-СН2СООН —г~—
О СН3
11 I 25 °C
б) сн3—с—с—СООН ►
СНз
Задача 20.19. Завершите реакцию. Предложите механизм.
ОН . .
I н®
СН3СНСН2СН2СН2СООН -Сн—
Задача 20.20. Предложите механизмы реакций кислотно- и основно-катализируемого
гидролиза этилбензоата.
Задача 20.21. Обработка молочной кислоты тионилхлоридом дает продукт С6Н8О4.
Напишите структурные формулы исходных и конечных продуктов. Предложите механизм.
Задача 20.22. Назовите по номенклатуре ИЮПАК следующие соединения:
СН3 ZH
а) /С=с'
Н СООН
НООС хн
б) /С=СС
Н СООН
нох хон
Дайте их тривиальные названия.
Задача 20.23. Ацетоуксусный и малоновый эфиры являются сильными СН-кислотами:
их значения рКа равны 10,7 и 13,3 соответственно. Предложите объяснение этому факту.
Напишите все резонансные структуры их сопряженных оснований. Укажите, какие из ено-
лятных структур наиболее устойчивы.
Задача 20.24. Предложите последовательности реакций, по которым каждый из перечис-
ленных ниже реагентов может быть превращен в пропановую кислоту.
а) 1-пропанол;
б) пропаналь;
в) пропен;
г) этанол;
д) формальдегид;
е) СН3СН(СООН)2.
322
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Задача 20.25. Предложите, каким образом из бензола и следующих 14С-меченных реа-
гентов можно получить 14С-бензойную кислоту.
а) *СН3С1; б) *СН2О; в) *СО2.
Задача 20.26. Покажите, каким образом пропановая кислота может быть превращена в
каждое из следующих соединений:
а) пропанол; д) 3-гексанон; .
б) пропаналь; е) 2-бромпропановая кислота;
в) 1-хлорпропан; ж) пропеновая кислота;
г) фенилэтилкетон; з) пропанамид.
Задача 20.27. При нагревании 3-трет-бутилциклогексан-1,1-дикарбоновой кислоты об-
разуются два изомерных продукта. Назовите их по номенклатуре ИЮПАК. Определите
конфигурацию. Предположите, какой изомер окажется преобладающим.
Задача 20.28. При гидрировании левулиновой кислоты СН3СОСН2СН2СООН над Ni-ката-
лизатором под давлением (220 °C) получен единственный продукт С5Н8О2. В его ИК-спект-
ре отсутствует поглощение ОН-группы. Предложите структурную формулу продукта. Назо-
вите его по номенклатуре ИЮПАК.
Задача 20.29. Назовите по номенклатуре ИЮПАК следующие соединения:
С6Н5
Задача 20.30. Бензойный ангидрид может быть получен взаимодействием 2 моль бензоил-
хлорида с 1 моль воды. Предложите схему механизма протекающих при этом превращений.
Задача 20.31. Завершите реакцию. Назовите продукт по номенклатуре ИЮПАК. Укажи-
те конфигурацию. Предложите механизм.
(СН3)3С
он
(СН3СО)2О
(H2so4) ’
Задача 20.32. Завершите реакцию. Назовите продукт по номенклатуре ИЮПАК. Укажи-
те конфигурацию. Предложите механизм.
O2N
ОН O2N
(СН3)3С
(пиридин)
Задачи
323
Задача 20.33. Завершите следующие превращения ацетоуксусного эфира. Объясните
различие в поведении соединения А в указанных условиях.
, сн31
(этанол) ° i. i .
А----- - ' -
сн31 г
(ДМФА) ° 1!'
СН3СОСН2СООС2Н5
Покажите, из какого продукта (Б или В) легко получить 2-бутанон и пропановую кислоту.
Напишите соответствующие реакции.
Задача 20.34. Щавелевая кислота имеет два значения рКУ 1,27 и 4,27. Напишите кислот-
но-основные реакции, к которым относится каждое из этих значений. Объясните, почему
указанные значения столь различны.
Задача 20.35. Напишите все реакции кислотной диссоциации малоновой кислоты. Ука-
жите, какая из реакций отвечает диссоциации наиболее сильной кислоты, а какая - наибо-
лее слабой. Предложите объяснение.
Задача 20.36. Покажите, как ведут себя при нагревании малоновая, глутаровая и адипи-
новая кислоты. Если в их термических реакциях имеются различия, предложите объяснение
этому факту.
Задача 20.37. Завершите следующие реакции. Напишите структурные формулы всех
промежуточных и конечного соединений. Назовите конечный продукт.
^.соон
^^соон
NH3
~е~
КОН BrCH(COOC2H5)2 C2H5O®Na® СН31 Н3О®
t° * ДМСО ” t°
Задача 20.38. Завершите следующие превращения метилацетата. Напишите структур-
ные формулы соединений А-В.
СН31
//°
сн3-с;
ОСН3
LiN(C3H7-w3o)2
ТГФ, -78 °C А
циклопентанон
Покажите резонансную стабилизацию там, где она возможна. Предложите и назовите меха-
низмы, по которым образуются соединения Б и В.
Задача 20.39. Завершите реакцию. Назовите продукт. Предложите ее механизм.
C2H5O®Na®
е
Задача 20.40. Предложите структурную формулу неизвестного соединения, которая от-
вечала бы следующим характеристикам:
324
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
ИК-спектр: 1740 см 1
Спектр ’Н ЯМР: 5 0,9 (ЗН, т, J = 7); 1,2-1,9 (6Н, м); 1,25 (6Н, д, J = 7); 2,3 (2Н, т, J = 7);
5,0 (1Н, септет, 7=7) м.д.
Спектр 13С ЯМР: 5 14,3; 20,2; 23,4; 25,5; 32,2; 33,9; 65,6; 172,0 м.д. (сигнал при 5 20,2 м.д.
имеет примерно двукратную интенсивность).
Задача 20.41. Завершите реакцию. Назовите продукт по номенклатуре ИЮПАК с указа-
нием конфигурации.
II
сн3—с-сн2соос2н5
© 0
r4n он
(основание)
СООСНз
Задача 20.42. Проведите ретросинтетический анализ получения цис-2-метилциклопентил-
ацетата. Примите во внимание, что одним из доступных предшественников является транс-
2-метилциклопентанол.
СН3 ОССН3
II
О
цис-2-метил циклопентилацетат
Задача 20.43. Завершите реакции восстановления.
Определите конфигурации хиральных центров в продуктах. Назовите продукты по номенк-
латуре ИЮПАК.
Задача 20.44. ИК-спектр соединения С7Н]3О2С1 содержит полосу поглощения высокой
интенсивности при 1740 см-1 и не содержит полос выше 3000 см~1. В спектре ПМР соедине-
ния наблюдаются три сигнала: Sj 0,95 м.д. (триплет, 6Н), 52 2,65 м.д. (квадруплет, 4Н), и
53 3,72 м.д. (синглет, ЗН). Установите строение этого соединения.
Задача 20.45. Определите строение неизвестной кислоты, спектр ПМР которой приведен
на рис. 20.1.
20.11. Количественное описание реакционной способности: ар-анализ
325
Химический сдвиг (6), м. д.
Рис. 20.1. Спектр ПМР неизвестной кислоты
(к задаче 20.45)
20.11. КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ
РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ: пр-АНАЛИЗ
Химики давно стремились перейти от качественной оценки влияния эле-
ктронных эффектов различных заместителей на ход органических реакций
к количественным методам описания реакционной способности.
Первых успехов в этом достиг Л. Гаммет, который в 1932 г. для реакций
и равновесий мета- и пара-замещенных бензолов вывел уравнения общего
вида
lg(Ax/A()) = стр,
где кх и к0 - константы скорости Х-замещенного бензола и бензола (или его
производного), и
lg(Kx/X0) = ор,
где Кх и KQ - константы равновесия Х-замещенного бензола и бензола (или
его производного); р - константа, характеризующая данную реакционную
326
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
серию; о - константа, характеризующая заместитель X и не зависящая от
типа реакционной серии.
Перспективность этих уравнений для количественного описания реак-
ционной способности была сразу оценена. Однако на первом этапе было
неясно, каким образом могут быть получены константы о для различных
заместителей. Гаммет. предложил изящное решение этого вопроса.
Для диссоциации мета- и нара-замещенных бензойных кислот
Х-С6Н4СООН в воде при 25 °C величина р была принята равной 1, после че-
го по данным Ка оказалась возможной оценка значений о для любого заме-
стителя.
Например, значения К бензойной и н-С1-бензойной кислот равны
6,25-10“5 и 10,6-10“5 соответственно. Тогда величина о С] оценивается вели-
чиной 0,23:
о, m = lg(10,010-5/6,25 10~5) = 0,23. ч ‘
Для примера константы о приведены ниже для ряда мета- и иара-замес-
тителей.
X NMe2 NH2 ОН осн3 сн3 н С1 соон no2 ®NMe3
-0,85 -0,66 -0,37 -0,27 -0,17 0 +0,23 +0,27 +0,78 +0,82
ам -0,21 -0,16 +0,13 +0,12 -0,07 0 +0,37 +0,35 +0,71 +0,88
Обратите внимание! Электронодонорные заместители имеют отрица-
тельные значения о. Электроноакцепторные заместители имеют положи-
тельные значения а.
Основная ценность уравнений Гаммета состоит в том, что константы о
заместителей сохраняют постоянные значения независимо от реакций, для
которых их применяют.
Имея набор констант о, очень просто найти величины р для многих дру-
гих реакций по скоростям (или константам равновесия) только для двух
Х-замещенных соединений, а затем иметь возможность рассчитывать зна-
чения констант скоростей для любых других Х-замещенных бензолов.
Однотипные реакции, которые проводятся в одних и тех же условиях с
соединениями, различающимися только заместителем X, образуют реакци-
онную серию.
В противоположность константам о константа реакции р зависит от ха-
рактера реакции. Она специфична для каждой реакции и строго «привяза-
на» к данным реакционным условиям: температура, растворитель, какие-
либо добавки и т. д. Константа реакции р определяет чувствительность
этой реакции к электронному эффекту заместителя.
20.11. Количественное описание реакционной способности: ар-анализ
327
Например, если Ipl > 1, то данная реакция более чувствительна к элек-
тронному эффекту заместителя, чем диссоциация бензойных кислот, и на-
оборот. Если же значение приближается к нулю, такая реакция мало зави-
сит от электронного эффекта заместителя.
Рассмотрим пример. Известно, что значение р для реакции диссоциации
замещенных бензойных кислот
СООН
значительно выше в этаноле, чем в воде (соответственно 1,957 и 1,00). По-
пробуем разобраться в причине этого.
Этанол как растворитель обладает меньшей ионизирующей способнос-
тью, чем вода. Поэтому процесс ионизации в этаноле требует более эффек-
тивного участия заместителя, что и находит отражение в более высоком аб-
солютном значении константы р.
Условия передачи электронного влияния заместителя X на реакционный
центр также влияют на абсолютное значение константы реакции. В частно-
сти, удаление заместителя от реакционного центра и нарушение сопряже-
ния заместителя с реакционным центром снижают абсолютное значение
константы р.
Реакционная серия р
Х-С6Н4-СООН 1,00
Х-С6Н4-СН2СООН 0,49
Реакционная серия р
Х-С6Н4-СН2СН2СООН 0,21
Х-С6Н4-СН=СНСООН 0,47
Ценную информацию о реакции несет и знак реакционной константы.
Положительное значение реакционной константы р означает наведение
отрицательного заряда на реакционном центре в скоростьлимитирующей
стадии. Электроноакцепторные заместители в молекуле субстрата увели-
чивают скорости таких реакций. Напротив, отрицательное значение реак-
ционной константы р означает наведение положительного заряда на реак-
ционном центре молекулы субстрата в скоростьлимитирующей стадии.
Скорости таких реакций увеличиваются электронодонорными заместите-
лями в субстрате.
Знак и величина константы реакции р позволяют, таким образом, делать
вывод о природе переходного состояния, а тем самым и о механизме реак-
ции. Например, малые значения р часто указывают на радикальный меха-
низм соответствующей реакции с малым распределением зарядов и, следо-
вательно, на низкую зависимость хода реакции от электронных эффектов
заместителей.
328
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
Другой пример касается электрофильного ароматического замещения.
Эти реакции имеют отрицательные значения констант реакции р, что соот-
ветствует карбкатионной природе переходных состояний в таких реакциях.
Электронодонорные заместители, имеющие отрицательные значения о,
должны ускорять реакции 5£Аг, а электроноакцепторные заместители,
имеющие положительные значения о, должны замедлять эти реакции.
Реакция
Р
Бромирование (Вг2, СН3СООН) -13,1
Хлорирование (Cl2, CH3NO2) -13,0
Хлорирование (С12, СН3СООН + Н2О) -8,8
Водородный обмен (H2SO4 + CF3COOH + Н2О) -8,6
Ацетилирование (СН3СОС1, А1С13, С2Н2С12) -8,6
Нитрование (H2SO4 + HNO3) -6,4
Хлорирование (НОС1, Н®) -6,1
Алкилирование (C2H5Br, GaBr3) -2,4
Обратите внимание! Все реакции электрофильного ароматического за-
мещения имеют отрицательные значения Ъ, однако заметно различаются
абсолютными величинами этих констант. Этот факт также полностью со-
ответствует катионоподобному характеру атакующего реагента. Чем выше
степень локализации положительного заряда на электрофильном реагенте,
тем этот реагент менее чувствителен к эффектам заместителей в молекуле
субстрата.
В общей сложности были проанализированы данные для более чем 400
реакций и равновесий. Некоторые из таких серий реакций для примера
показаны ниже.
АгСООСНз + ° ОН------► АгСОО® + СН3ОН (р = 2,7)
ArN(CH3)2 + СН31 ----► ArN(CH3)3I® (р = 3,3)
ArCHO + HCN ------► ArCH(CN)OH (р = 2,3)
Пример 1. Гидролиз метилбензоатов в присутствии основания следует
уравнению Гаммета с величиной константы реакции, равной р = 2,7.
lg £х - 1g *4) = 2,70-
Положительный знак реакционной константы р указывает, что электро-
ноакцепторные заместители (положительные значения о) способствуют
20.11. Количественное описание реакционной способности: ар-анализ
329
реакции, снижая энергию переходного состояния, а электронодонорные -
замедляют ее.
Такое влияние заместителей позволяет отнести реакцию гидролиза к
Аб?д,-типу.
Пример 2. Реакция Х-замещенных диметиланилинов с СН31 имеет кон-
станту реакции, равную р = -3,30.
lg кх - 1g к(} = -3,30ст.
Отрицательный знак константы р указывает, что в этой реакции элек-
тронодонорные заместители, имеющие отрицательные значения о, увели-
чивают скорость.
Н3С н
15©/ 5S
N С I
I
н3сн н
Производное М,М-диметиланилина проявляет себя как нуклеофил в
реакции SN2.
Соотношения типа уравнения Гаммета получили широкое распростране-
ние вследствие того, что в их основе лежит принцип линейности свободных
энергий реакций родственных соединений. Рассмотрим для примера, как
следуют этому принципу константы равновесия.
Поскольку
ДС = -RT 1пХ,
то для равновесия незамещенного соединения справедлива запись
ДС0 = -RT 1пАГ0.
330
Глава 20. Карбоновые кислоты и их производные
В таком случае уравнение Гаммета можно представить в форме »
ln/С - 1пК0 = стр.
Откуда
-&G/RT + \GJRT = стр или -\G = apRT - ДП().
Поскольку для данной реакционной серии величины р, R, Т и -ДС0 посто-
янны, то величина ст оказывается линейно связанной с ДС.
Уравнение Гаммета - не единственное линейное соотношение свобод-
ных энергий. Для многих реакций, в том числе в ароматическом ряду, кон-
станты ст оказались малопригодны. Например, для реакций, в которых ата-
ка реагента направлена непосредственно на ароматический цикл, а замести-
тель X может участвовать в прямом резонансном взаимодействии с реакци-
онным центром, более пригодными оказались константы ст+ и ст-. Констан-
ты ст+ лучше подходят для реакций, в переходном состоянии которых на ре-
акционном центре развивается положительный заряд, например для реак-
ций 5£Аг. Константы ст- точнее описывают реакции, в переходном состоя-
нии которых на реакционном центре развивается отрицательный заряд.
В ходе дальнейшего развития количественной теории органических ре-
акций было установлено, что стп-константы обусловлены суммой эффектов
заместителей, передающихся на реакционный центр по двум механизмам:
Таблица 20.3. Значения констант СТ и СТ* некоторых заместителей
Заместитель А °n+ a*
nh2 -0,66 -0,16 -1,4 -0,66 0,05 0,72
N(CH3)2 -0,60 -0,21 -1,7 -0,83 0,10 -
0е -0,52 0,71 — -0,52 -0,16 —
он -0,37 +0,13 -0,92 -0,37 0,35 1,55
осн3 -0,27 0,12 -0,76 -0,27 0,29 1,45
С(СН3)3 -0,20 -0,10 -0,26 -0,20 -0,07 0,30
сн3 -0,17 -0,07 -0,30 -0,17 -0,08 0
н 0 0 0 0 0 0,49
С6Н5 0,08 0,06 -0,19 - 0,08 0,60
F 0,06 0,34 -0,07 +0,06 0,52 3,1
С1 0,23 0,37 0,11 0,23 0,47 2,92
Вг 0,23 0,38 0,15 0,23 0,44 2,78 ;
соон 0,27 0,36 0,42 0,73 - 2,1
I 0,19 0,35 0,14 0,18 0,39 -
сно 0,45 0,36 0,46 1,13 0,31 -
сосн3 0,50 0,38 - 0,87 0,23 1,65
CN 0,66 0,56 0,66 1,00 - 3,6
no2 0,78 0,71 0,79 1,27 0,60 3,9
®N(CH3)3 0,82 0,88 - - 0,93 5,3
20.11. Количественное описание реакционной способности: ар-анализ
331
по резонансному механизму, оцениваемому константой и по эффекту
поля, оцениваемому константой ; ;>
+ •
Значения констант заместителей о, о+, о- и находящихся в пара- и
.мета-положениях бензольного цикла, приведены в табл. 20.3.
Там же приведены индукционные константы о*, предложенные Тафтом
для количественного описания реакций, протекающих в алифатическом ря-
ду в отсутствие эффектов сопряжения заместителя с реакционным цент-
ром.
С другими примерами применения анализа для изучения органических
реакций можно познакомиться в литературе, рекомендуемой к этой главе.
Глава 21 СУЛЬФОНОВЫЕ
КИСЛОТЫ (СУЛЬФОКИСЛОТЫ)
Соединения общей формулы
R-SO3H,
где R = А1к, Аг или гетероциклический заместитель, называют сульфоновыми,
кислотами (сульфокислотами).
21.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
Название «сульфоновые кислоты» принято в номенклатуре ИЮПАК.
Общепринятым является также название «сульфокислота».
Сульфоновые кислоты классифицируют в зависимости от природы угле-
водородного радикала (ароматические, гетероциклические и алкансульфо-
кислоты) и количества сульфогрупп.
SOaH
этансульфоновая кислота (этансульфокислота) бензолсульфоновая кислота (бензолсульфокислота) ^/SO3H НзС^4^ и-толуолсульфоновая кислота (и-толуолсульфокислота) SO3H 1,3-бензолдисульфоновая кислота Си-бензолдисульфокислота) i^^SO3H С У N 3-пиридинсульфоновая кислота (3-пиридинсульфокислота)
21.2. Способы получения
333
21.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Получение алкансульфоновых кислот подробно обсуждается в
разд. 2.4.1, а аренсульфоновых кислот - в разд. 9.2.2.
Сульфоокисление алканов и циклоалканов
Таким способом получают алкан- и циклоалкансульфоновые кислоты в
промышленном масштабе.
SO2, О2
R—Н R—SO3H.
7
Гидролиз сульфонилхлоридов
В промышленности проводят также и сульфохлорирование алканов. Ал-
кансульфоновую кислоту можно получить гидролизом соответствующего
алкансульфонилхлорида и в лабораторных условиях.
so2, С12
сн3сн2сн3 —сн— сн-сн3 + НС1,
пР°пан SO2C1
2-пропан-
сульфонилхлорид
Н2О
сн— сн-сн3 —сн— сн-сн3 + НС1.
SO2C1 SO3H
2-пропан-
сульфоновая кислота
Нуклеофильное замещение галогена в галогеналканах
В лаборатории алкансульфоновые кислоты также могут быть легко по-
лучены нуклеофильным замещением галогена в галогеналканах действием
гидросульфит-иона
О О
И Q © II © ©
Н-С4Н9—Вг + НО—S—О Na С4Н9—S—О Na
1-бром- О
бУтан бутансульфонат
натрия
Применение NaHSO3 обеспечивает количественный выход алкансульфоно-
вой кислоты.
334
Глава 21. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты)
1,2-Этандисульфоновая кислота (динатриевая соль). К раствору сульфита натрия |
(13,4 г; 0,1 моль) в 45 мл воды прибавляют по каплям в течение 45 мин и при перемешива-
нии 1,2-дибромэтан (10 г; 0,05 моль). При смешении и после смешения в течение 1 ч под-
держивают слабое кипение реакционной смеси. К окончанию кипячения органический
слой исчезает. Смесь охлаждают, выпавшие кристаллы отфильтровывают и сушат. Про-
дукт очищают перекристаллизацией из воды. Выход динатриевой соли 1,2-этандисульфо-
новой кислоты 10,9 г (87%).
Нуклеофильное присоединение гидросульфит-иона
к альдегидам и кетонам
Присоединяясь к альдегидам и кетонам, гидросульфит-ион также с высо-
ким выходом образует а-гидроксисульфоновые кислоты.
О 0Н .
С2н5—с' + NaHSO3 С2Н5—СН—SO^Na®
Н 1-гидроксипропан-
пропаналь сульфонат натрия
Сульфирование ароматических соединений
В лабораторных условиях сульфирование проводят, действуя на арома-
тический субстрат концентрированной серной кислотой или олеумом при
умеренном нагревании (40-50 °C). В промышленном масштабе применяют
более высокие температуры. Образующуюся воду в ходе реакции удаляют
и благодаря этому достигают высоких степеней превращения исходного уг-
леводорода.
+ Н28О4(конц.) бензол сн3 [ У + Н28О4(конц.) толуол ГТ + н2 бензолсульфоновая кислота сн3 но °с у |1 тт „ 1 |] + н2о. SO3H л-толуолсульфоновая кислота (основной продукт)
21.2. Способы получения
335
2-нафтилинсульфоновая
кислота
Механизм и особенности протекания процесса сульфирования в этих ус-
ловиях, в частности его обратимость, подробно рассмотрены в разд. 9.2.2. В
разд. 11.2.2 дан анализ результатов сульфирования нафталина; образование
1-нафталинсульфоновой кислоты при температуре 80 °C {кинетический
фактор) и 2-нафталинсульфоновой кислоты при температуре 160 °C
{термодинамический фактор).
Недостатком применения концентрированной серной кислоты или олеума
в качестве сульфирующих агентов следует признать обратимость реакции:
накопление воды в реакционной массе постепенно увеличивает скорость об-
ратной реакции и останавливает процесс сульфирования при достижении не-
которой концентрации серной кислоты (определенной для каждого арена).
Обратимость реакции сульфирования исключена при использовании сер-
ного ангидрида, который применяют ^свободном виде, в виде растворов в мо-
ногидрате (олеум), а также в виде комплексов с диоксаном или пиридином.
При этом получение сульфокислоты не сопровождается образованием каких-
либо побочных продуктов и, как правило, идет с количественным выходом.
Сульфировать ароматические соединения можно также и хлорсульфо-
новой кислотой.
ciso3h
Чаще эту реакцию применяют для получения хлорангидрида сульфокис-
лоты в одну стадию.
бензол
2ciso3h
бензол-
сульфохлорид
SO2C1
+ НС1 + H2SO4.
336
Глава 21. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты)
21.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ
Сульфоновые кислоты и их производные - бесцветные, чаще всего кри-
сталлические вещества, растворимые в воде.
Сульфоновая группа имеет тетраэдрическое строение; все связи S-О в
солях одинаковы и близки к двойным. Ниже показаны геометрические па-
раметры сульфоновой группы в составе Zn-соли бензолсульфокислоты.
Zn2®
az a
1,39 АО
Сульфогруппа является сильным электроноакцептором, проявляет -I-
и -М-эффекты.
21.4. РЕАКЦИИ
21.4.1. Кислотные свойства
Сульфоновые кислоты - очень сильные кислоты, сравнимые по силе с
минеральными кислотами. Значения рКа сульфоновых кислот изменяются
в том же интервале (-5,0) (-8,0), что и значения рКа сильных минеральных
кислот. Поэтому сульфоновые кислоты легко образуют соли даже со сла-
быми основаниями.
Ar-SO3H + Н2О ==* Ar—Sof + Н3О®
SO3H
SO3Na
+ NaOH
+ Н2О,
бензол-
сульфокислота
бензол-
сульфонат натрия
СН3
SO3H
SO3Na
+ NaHCO3
СН3
+ СО2 + Н2О.
/2-толуол-
сульфокислота
л-толуол-
сульфонат натрия
21.4. Реакции
337
21.4.2. Реакции 5£Аг аренсульфоновых кислот
Сульфоновая группа - сильный дезактивирующий заместитель, ориенти-
рующий атаку электрофильного агента в мета-положение. Поэтому введе-
ние второй сульфоновой группы протекает в значительно более жестких
условиях с образованием лг-бензолдисульфокислоты.
20%-й олеум
90 °C
бензол
л<-бензол-
дисульфокислота
Также в жестких условиях и с образованием мета-изомера сульфируют
нитробензол. При этом получают л-нитробензолсульфоновую кислоту.
При нагревании ароматической сульфоновой кислоты при 100-170 °C в
водном растворе образуется ароматический углеводород с отщеплением
молекулы серной кислоты, т. е. протекает реакция десульфирования.
СН3
4 #~СН3 + H2SO4.
ж-ксилол-4-сульфоновая
кислота
.и-ксилол
Это свойство аренсульфоновых кислот применяют в схемах направлен-
ного синтеза замещенных аренов, вводя сульфоновую группу в качестве за-
щитной функциональной группы, а по окончании синтеза легко удаляя эту
группу нагреванием продукта в разбавленной серной кислоте. В качестве
примера ниже показан синтез 2-бромфенола.
фенол фенол-2,4-дисульфо- 6-бромфенол-2,4-дисульфо- 2-бромфенол
новая кислота новая кислота
Ориентация при сульфировании аренов сильно зависит от температуры.
Сульфирование толуола при низкой температуре (0 °C) дает преимущест-
338
Глава 21. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты)
венно о-толуолсульфоновую кислоту, а при высокой температуре (100 °C) -
и«р«-изомер.
СП3 СН3 СН3
J^SO3H
\ if ,HzS04 Г Н ,H2SO4, Г Н
' 0°С 100 °C
о-толуол- толуол I
сульфоновая кислота SO3H
л-толуол-
сульфоновая кислота
Этот факт получил объяснение в терминах кинетического и термодина-
мического контроля. Сульфирование при 0 °C является необратимой реак-
цией, что соответствует условиям кинетического контроля. Сульфирова-
ние при 100 °C является обратимым, вследствие чего в реакционной смеси
накапливается более стабильный ияря-изомер (термодинамический
контроль).
Сульфирование хлорбензола протекает более избирательно, преимуще-
ственно с образованием н-хлорбензолсульфоновой кислоты.
хлорбензол
H2SO4, моногидрат
7 ' 1
и-хлорбензол-
сульфоновая кислота
21.4.3. Реакции щелочного плавления
При сплавлении Na-соли бензолсульфокислоты с твердой щелочью об-
разуется феноксид натрия.
SO3Na
+ 2NaOH
300 °C
сплавление
+ Na2SO3 + Н2О.
феноксид натрия
бензол сульфонат
натрия
21.5. Производные сульфоновых кислот
339
Реакцию называют реакцией щелочного плавления. Она протекает по
механизму 5(VAr с промежуточным образованием отрицательно заряженно-
го о-комплекса.
Реакция щелочного плавления находит значительное практическое при-
менение, особенно для синтеза промежуточных продуктов нафталинового
ряда.
Так же гладко, но в жестких условиях проходит замещение сульфогруп-
пы на нитрильную группу.
2-нафталинсульфонат
натрия
+ Na2SO3
2-цианнафталин
21.5. ПРОИЗВОДНЫЕ СУЛЬФОНОВЫХ КИСЛОТ
Как и карбоновые кислоты, сульфоновые кислоты образуют соответст-
вующие производные по кислотной функции. Наиболее важными среди
этих производных являются хлорангидриды, эфиры и амиды.
21.5.1. Сульфонилхлориды
Хлорангидриды сульфоновых кислот, называемые сулъфонилхлоридами,
или сульфохлоридами, получают действием хлорида фосфора(У) или тио-
нилхлорида на сульфокислоты или их соли.
ArSO3H + РС15 —- ArSO2Cl + РОС13 + НС1.
При обработке избытком хлорсульфоновой кислоты C1SO3H ароматичес-
кие углеводороды можно непосредственно превращать в сульфонилхлориды.
340
Глава 21. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты)
2C1SO3H
Сульфонилхлориды удобны для получения других производных сульфо-
новых кислот и прежде всего тех, которые нельзя получить непосредствен-
но из сульфокислот. Так, сульфонилхлориды реагируют со спиртами и фе-
нолами, давая сложные эфиры сульфоновых кислот.
сн3он
основание
SO2OCH3
метилбензолсульфонат
С аммиаком и с аминами сульфонилхлориды образуют амиды.
ch3nh2
л-толуолсульфохлорид
SO2NHCH3
NH3
N-метил-л-толуолсульфамид
n-толуолсульфамид
В этих реакциях сульфохлориды менее активны, чем хлорангидриды карбо-
новых кислот.
Аренсульфонилхлориды гладко взаимодействуют с ароматическими уг-
леводородами в присутствии хлорида алюминия.
С6Н6 + C6H5SO2C1 C6H5SO2C6H5.
дифенилсульфон
Эта реакция аналогична реакциям ацилирования по Фриделю-Крафтсу и
ведет к получению диарилсульфонов.
Восстановление сульфонилхлоридов Zn-пылью дает сульфиновые кис-
лоты.
21.5. Производные сульфоновых кислот
341
SO2C1
у |1 Zn, Н2Ог
к О 90 °C
сн3
и-толуолсульфо-
хлорид
(тозилхлорид)
Na2CO3
NaOH
n-толуолсульфинат
натрия
Сульфинат-ионы, как и сульфит-, и гидросульфит-ионы, являются
амбидентными нуклеофилами и в реакциях с галогеналканами реагируют
по атому серы с образованием сульфонов.
Na-n-толуол-
сульфинат
+ СН31
метил-
иодид
+ Nal.
метил-и-толилсульфон
21,5.2. Эфиры
Эфиры сульфоновых кислот являются эффективными реагентами в ре-
акциях нуклеофильного замещения у алифатического атома углерода. Для
этих целей широкое применение получили прежде всего эфиры и-толуол-
сульфокислоты (тозилаты). Тозилаты, в свою очередь, легко образуются
при обработке спиртов тозилхлоридом в присутствии пиридина.
ОН
цикло-
гексанол
C5H5N
n-CH3C6H4SO2Cl
л-толуолсульфонил-
хлорид
(тозилхлорид)
OSO2C6H4CH3-n
циклогексил-
л-толуолсульфонат
(циклогексилтозилат)
342
Глава 21. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты)
OSO2C6H4CH3-n ОСОСНз
+ СН3СОО®К® + CH3C6H4SO3®K®.
циклогексилацетат
В реакциях SN2 успешно применяют также:
эфиры n-бромбензолсульфоновой кислоты (брозилаты) n-BrC6H4SO2OR,
эфиры метансульфоновой кислоты (мезилаты) CH3SO2OR,
эфиры трифторметансульфоновой кислоты ( трифлаты) CF3SO2OR.
Тозилаты, брозилаты, мезилаты и трифлаты обнаруживают выдающие-
ся алкилирующие свойства благодаря тому, что реакции нуклеофильного
замещения с участием этих эфиров сопровождаются образованием очень
хороших (стабильных) уходящих групп - анионов соответствующих суль-
фоновых кислот:
n-CH3C6H4SOf, n-BrC6H4SO®, CH3SO® CF3SO® .
21.5.3. Амиды
Амиды сульфоновых кислот, называемые сульфонамидами, или
сульфамидами, являются сильными NH-кислотами и легко растворяются в
водных растворах щелочей.
Ar—SO2NH2 + NaOH ArSO2NH°Na®+ Н2О > г г
Амиды сульфаниловой кислоты (4-NH2C6H4SO2OH) и некоторые родст-
венные амиды представляют значительный интерес для медицины.
Речь идет о группе лекарственных средств, называемых сульфамидными
препаратами. Некоторые из сульфамидных препаратов показаны ниже.
N-^ SO2NH2 SO2NH— nh2 nh2 сульфаниламин сульфадимезин (белый стрептоцид) у so2nh—J nh2 сульфатиазол
Задачи
343
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Бензолсульфоновая кислота C6H5SO3H. Получают сульфированием бензола. Бесцвет-
ные кристаллы, расплывающиеся на воздухе, т.пл. 171-172 °C (безводн.), 45^16 °C (моноги-
драта); хорошо растворима в воде и этаноле. Натриевая соль бензолсульфоновой кислоты
применяется в производстве фенола.
Бензолсульфонилхлорид C6H5SO2C1 получают взаимодействием бензола с хлорсульфо-
новой кислотой. Жидкость, дымящая на воздухе, т. кип. 251,5 °C. Нерастворим в воде, хоро-
шо растворяется в этаноле, диэтиловом эфире и хлороформе. Применяют для получения
бензолсульфамида, алкиловых эфиров бензолсульфокислоты (алкилирующие агенты). Па-
ры сильно раздражают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. ПДК 0,3 мг/м3.
Синтетические моющие средства (СМС) - смеси солей различных сульфоновых кислот.
При сульфировании смеси алканов с числом углеродных атомов С10-С20 получают смесь ал-
кансульфоновых кислот и их солей (мерсоляты). Такие смеси являются ПАВ и хорошими
моющими средствами (детергентами). При сульфировании алкилбензолов или алкилнафта-
линов с длинными алкильными группами (С6-С15) получают алкиларилсульфоновые кисло-
ты, соли которых также являются хорошими моющими средствами (сульфонолы).
Сульфолан (тетраметиленсульфон) (CH2)4SO2 получают из 1,4-бутадиена и SO2 с после-
дующим гидрированием аддукта. Бесцветная жидкость, т.кип. 283 °C (743 мм рт.ст.); раство-
ряется в воде и этаноле.
Применяется как растворитель для проведения реакций нуклеофильного замещения, хо-
рошо сольватирует катионы и растворяет некоторые неорганические соли.
и-Толуолсульфоновая кислота n-CH3C6H4SO3H. Получают сульфированием толуола при
100-110 °C. Бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде, этаноле и диэтиловом эфи-
ре. Применяют в качестве кислотного катализатора во многих органических реакциях, так
как это соединение хорошо растворимо в различных органических растворителях.
Хлорамин Т (натриевая соль N-хлор-и-толуолсульфонамида) - дезинфицирующее и дега-
зирующее средство, действует как сильный окислитель.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Брозилаты - эфиры и-бромсульфоновой кислоты общей формулы n-BrC6H4SO2OR.
Мезилаты - эфиры метансульфоновой кислоты общей формулы CH3SO2OR.
Сульфамидные препараты - амиды сульфаниловой кислоты, в которых амидный атом
азота связан с гетероароматическим фрагментом.
Сульфоновые кислоты - соединения общей формулы RSO3H, где R - алкильный, ариль-
ный или гетероциклический фрагмент.
Трифлаты - эфиры трифторметансульфоновой кислоты общей формулы CF3SO2OR.
Тозилаты - эфиры и-толуолсульфоновой кислоты общей формулы n-CH3C6H4SO2OR.
ЗАДАЧИ
Задача 21.1. Известно, что реакция сульфирования ароматических углеводородов кон-
центрированной серной кислотой обратима. Предложите способы получения бензолсульфо-
новой кислоты, в которых основная реакция не была бы осложнена обратной реакцией.
Задача 21.2. Расположите следующие соединения в порядке возрастания их кислотности:
(CF3)3COH, (СН3)3СОН, CH3SO3H, CF3SO3H. . .
Дайте объяснения.
344
Глава 21. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты)
Задача 21.3. В синтезах замещенных бензолов часто применяют временное введение
сульфогруппы. Используя этот прием, предложите схемы следующих превращений:
а) бензол —> о-бромтолуол;
б) резорцин —» 2-нитрорезорцин;
в) фенол —> 2-бромфенол.
Задача 21.4. Назовите следующие соединения по номенклатуре ИЮПАК:
SO3H NO2 SO2OCH2C(CH3)3
Задача 21.5. Предложите препаративные схемы следующих превращений:
а)
21.6. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА.
МОЮЩИЕ СРЕДСТВА. ДЕТЕРГЕНТЫ.
ФОСФОЛИПИДЫ
Мы уже встречались с органическими молекулами, в составе которых
присутствуют фрагменты с противоположными свойствами по отношению
к воде: длинный алкильный (или полициклоалкильный) гидрофобный
21.6. Поверхностно-активные вещества. Моющие средства. Детергенты
345
фрагмент и ионизируемая группа, сообщающая молекуле гидрофильные
свойства (см. разд. 12.7). Такие молекулы характерны для поверхностно-
активных веществ (ПАВ). В разд. 19.6 мы видели, что именно одновремен-
ное присутствие гидрофильного и гидрофобного фрагментов позволяет мо-
лекуле убихинона эффективно выполнять свою роль переносчика электро-
нов в живой клетке.
Познакомимся с механизмом поверхностной активности органических
веществ на примере моющих свойств мыла (см. разд. 20.2.3).
Очищающий эффект стеаратов калия и натрия основан на том, что сте-
арат-ион, находящийся в их составе, обладает поверхностно-активными
свойствами. Этот ион содержит в своем составе гидрофобную (С17Н35) и ги-
дрофильную (СООе) части.
гидрофобная часть С17Н35 гидрофильная часть
Благодаря этому стеарат-ион имеет сродство как к водонерастворимым
частицам (например, к частицам загрязнений), так и к молекулам воды. Ча-
стицы грязи, окруженные большим числом стеарат-ионов, приобретают
свойства полианионов и как следствие - растворимость в воде.
Растворение в воде как раз и является непременным условием удаления за-
грязнения, например, с поверхности ткани.
Получены синтетические мыла - алкан- и алкиларенсульфонаты. Их на-
зывают детергентами, или синтетическими моющими средствами (СМС).
CH3(CH2)10CH2SO2O®Na®
додекансульфонат натрия
СН3 г-—.
СН3СН2(СН2)10СН—С V—SO2O Na
и-(2-тетрадецил)бензолсульфонат натрия
346
Глава 2]. Сульфоновые кислоты (сульфокислоты)
Преимуществом (и основным отличием) детергентов перед мылами яв-
ляется их способность работать и в «жесткой» воде - в воде, содержащей
ионы Са2®, Fe2®, Fe3®, Mg2®. В настоящее время предпочтение отдается де-
тергентам, имеющим в своей структуре неразветвленные алкильные груп-
пы. Эти детергенты значительно легче поддаются биоразложению в при-
родных условиях.
И другие органические соединения обладают поверхностно-активными
свойствами. К ним относят, например, фосфолипиды. Фосфолипидами
называют такие глицериды, в которых молекула глицерина этерифициро-
вана двумя молекулами алифатических кислот и молекулой фосфорной
кислоты. Эти монофосфаты называют фосфатидными кислотами
(phosphatidic acids). Ниже показана одна из таких кислот.
О
О 9Н2ОС(СН2)16СН3
СН3(СН2)7^ /(СН2)7СО^С-Н
/С=С 4н2ОР(ОН)2
Н Н '
Свободные фосфатидные кислоты в природе встречаются редко. Как
правило, остаток фосфорной кислоты этерифицирован еще одним спир-
том. Такие эфиры - фосфатиды - являются основными компонентами био-
логических мембран. При этом речь идет прежде всего о фосфатидах эта-
ноламина и холина. .
О
О <JH2OC(CH2)14CH3
СН3(СН2)14СО*0-Но
i и ©
CH2OPOCH2CH2NH3
6е
фосфатид этаноламина
(лецитин)
' о 5' 1 ' ;
О £Н2ОС(СН2)14СН3
СН3(СН2)14СО~С^Н()
1 II ©
CH2OPOCH2CH2N(CH3)3
о® ’
фосфатид холина
21.6. Поверхностно-активные вещества. Моющие средства. Детергенты 347
Как видим, фосфоглицериды также имеют длинные неполярные «хвос-
ты» и небольшой высокополярный фрагмент. Являясь ПАВ, они образуют
упорядоченные структуры даже легче, чем мыла и детергенты. Поэтому
природа и избрала фосфолипиды в качестве строительного материала для
изготовления клеточных мембран, т. е. оболочки клетки.
Легко представить, насколько важно качество клеточной мембраны для
нормального функционирования клетки. Ведь именно через оболочку
внутрь клетки поступают все необходимые молекулы и удаляются продук-
ты биохимического синтеза.
Глава 22. НИТРОСОЕДИНЕНИЯ
Производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько
атомов водорода замещены на нитрогруппу, называют нитросоединениями.
22.1. НОМЕНКЛАТУРА
В зависимости от типа углеродного атома, с которым связана нитрогруп-
па, различают первичные, вторичные и третичные нитросоединения.
В зависимости от строения углеводородного фрагмента, с которым
связана нитрогруппа, различают нитроалканы (нитроциклоалканы) и
нитроарены.
Название нитросоединения образуют от названия углеводорода и пре-
фикса нитро-:
сн—сн—сн3
no2
2-нитропропан
(вторичный
нитроалкан)
сн3
сн3—с-сн2—сн3
no2
2-метил-2-нитробутан
(третичный
нитроалкан)
фенилнитрометан 4-нитротолуол
(первичный (нитроарен)
нитроалкиларен)
22.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Нитрование алканов
Известно несколько способов нитрования алканов (см. разд. 2.4.1).
По жидкофазному способу алканы нитруют разбавленной (40-50%-й)
азотной кислотой.
22.2. Способы получения
349
HNO3
СН3СН2СН2СН3 120_125 оСр
сн3—сн—СН2СН3 + Н2О.
no2
2-нитробутан
(основной продукт)
По парофазному способу алканы нитруют в парах при температуре
350-500 °C.
hno3
сн3сн2сн3---------- сн—сн—сн3 + сн3сн2сн2—no2 +
пропан ]sjo2 1-нитропропан (25%)
2-нитропропан (40%) :>
+ сн3сн2—no2 + сн—no2 + Н2О.
нитроэтан (10%) нитрометан (25%) . ' ; :
В этих условиях реакция протекает менее селективно и сопровождается
крекингом алкана.
Нитрование ароматических соединений
+
Н2о.
Производные бензола, содержащие электронодонорные заместители,
нитруют мягкими нитрующими агентами (смесь HNO3 + СН^СООН, ацетил-
нитрат CH3COONO2, разбавленная HNO3) при пониженной температуре.
Производные бензола, содержащие электроноакцепторные заместите-
ли, нитруют в более жестких условиях, применяя нитрующие смеси с малым
содержанием воды (смесь HNO3 + H2SO4) и повышенные температуры.
Подробнее о нитровании ароматических соединений см. в разд. 9.2.
Замещение галогена на нитрогруппу в галогеналканах
Удобным лабораторным способом получения некоторых нитроалканов
является реакция нуклеофильного замещения галогена нитрит-ионом (см. в
разд. 13.4).
R- X + NaNO2 —* R—NO2 + NaX.
350
Глава 22. Нитросоединения
По этой схеме, например, можно получить нитропропан и нитрометан.
CH3CH2CH2Br + NaNO2 (ДМфА; СН3СН2СН2—NO2 + НВг,
1-бромпропан 1-нитропропан
ClCH2COONa + NaNO2 O2N-CH2COONa O2N-CH3.
нитрометан
Поскольку нитрит-ион обладает амбидентными свойствами, в качестве
побочного продукта в таких реакциях образуются алкилнитриты R-ONO.
Выходы нитроалканов, достигаемые в процессе замещения галогена в
галогеналканах, увеличиваются при применении нитрита серебра. Однако
при общей оценке экономичности метода следует учитывать значительную
стоимость этого реагента.
СН3СН2СН2СН21 + Ag — CH3CH2CH2CH2NO2 + CH3CH2CH2CH2ONO.
1-иодбутан 1-нитробутан (85%) 1-бутилнитрит
. - (примесь)
22.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ
Нитроалканы представляют собой бесцветные жидкости С высокими для
их молекулярных масс температурами кипения: нитрометан, т.кип. 101,2 °C;
нитроэтан, т. кип. 114 °C. Нитроалкены и нитроарены - жидкие или твер-
дые вещества желтоватого цвета. Эти нитросоединения имеют острый за-
пах и высоко токсичны.
Оба атома кислорода в нитрогруппе находятся на равном расстоянии от
атома азота (0,122 нм), а углы C-N-O равны 120°. Об этом говорят данные
метода дифракции электронов и рентгеноструктурного анализа. При этом
следует иметь в виду, что стандартное значение длины простой связи N-O
равно 0,136 нм, а двойной связи N=O - 0,115 нм. Равноценность атомов кисло-
рода в нитрогруппе иллюстрируется следующими резонансными структурами:
.. ..0 1 ..1©
®/Р.* /Р»
R—N. о*— R—N. = R—Nk
й: . > ,?о: J •
Наличие положительного заряда на атоме азота определяет сильный
электроноакцепторный эффект нитрогруппы (-/-эффект или -/- и -M-эф-
фекты в зависимости от строения углеродной цепи.
22.4. Реакции
351
®>О / \ ®<.О
СН3-СН2-*< 0 СН2=СН*<ое
-/-эффект -/-, -Al-
эффекты
нитроэтан нитроэтилен
-/-, -Al-
эффекты
Нитробензол
Вследствие этого энергии и занятых, и свободных молекулярных орби-
талей существенно снижаются при введении нитрогруппы в органическую
молекулу. По этой причине нитросоединения с трудом отдают электроны.
Это видно из повышенных значений первых потенциалов ионизации. Нит-
росоединения сравнительно легко принимают электроны. Об этом свиде-
тельствуют высокие значения электронного сродства.
Соединение СН4 CH3-NO.
/,. эВ 13,0 14,72
Ар эВ -6,0 +0,44
Как следствие в ряде реакций отмечается склонность нитросоединений к
образованию их анион-радикалов - продуктов присоединения электрона.
Прежде всего, это касается реакций нитроаренов, в частности реакций их
восстановления.
Ar—NO2 + е° —*
22.4. РЕАКЦИИ
22.4.1. Восстановление
Нитроалканы восстанавливают до алкиламинов железом в кислой среде
или гидразином. Например, восстановление Р-гидроксинитроалканов (см.
ниже) железом в разбавленной серной кислоте является удобным методом
получения 1,2-аминоспиртов:
NO2 NH3HSO° ? ‘ NH2
I Fe ' ®ОН I
(СН3)2ССН2ОН (СН3)2ССН2ОН -------------► (СН3)2ССН2ОН
2-метил-2-нитро- 2-амино-2-метил-
пропанол пропанол
Значительное распространение имеет восстановление нитроаренов. Эту
реакцию, в том числе в промышленных масштабах, проводят, действуя раз-
352
Глава 22. Нитросоединения
нообразными восстановителями: металлами и солями металлов в присутст-
вии кислот и в воде, водородом в условиях гетерогенного катализа, сульфи-
дами металлов, цинком в щелочной среде.
4ArNO2 + 9Fe + 4Н2О —► 4ArNH2 + 3Fe3O4,
ArNO2 + 3SnCl2 + 6HC1 —- ArNH2 + ЗЗпСЦ + 2H2O,
нитробензол
+ 2H2O,
анилин
3H2, 200-300 °C
Cu®/A12O3
Во всех реакциях процесс восстановления нитросоединений начинается с
переноса электрона от восстановителя к молекуле нитросоединения. Ниже
показана последовательность промежуточных продуктов, образующихся
при восстановлении нитробензола железными стружками в нейтральной
или слабощелочной среде.
2Н® 2л® 2Н® 2Н®
c6h5-no2 c6h5-no —— С6Н5-NHOH
нитробензол нитрозо- фенил-
бензол гидроксиламин
- ► С6Н5—NH2 ' :
анилин
Впервые нитробензол был восстановлен до анилина действием сульфи-
да аммония русским химиком Н.Н. Зининым в 1842 г. Эта реакция восста-
новления нитробензола известна как реакция Зинина.
В нейтральной среде процесс восстановления может быть остановлен на
стадии образования фенилгидроксиламина.
NO? NHOH
6Zn, NH4CI (водн.) у" |1
65 °с "
нитробензол
фенилгидроксиламин
22.4. Реакции
353
Восстановление нитробензола в щелочной среде дает производные азо-
бензола. м .
Каждое из этих производных в кислой среде легко восстанавливается до
анилина.
Полагают, что названные производные азобензола образуются конден-
сацией промежуточных продуктов восстановления нитробензола. В частно-
сти, азоксибензол можно получить основно-катализируемой конденсацией
фенилгидроксиламина и нитрозобензола.
азоксибензол
22.4.2. СН-Кислотность
Высокие электроноакцепторные свойства нитрогруппы обусловливают
повышенную кислотность соседних С-Н-связей. Ниже приводятся значения
СН-кислотности ряда нитроалканов. s . ,
Нитроалкан CH3NO2 CH3CH2NO2 CH3CH(NO2)CH3 CH2(NO2)2 CH(NO2)3
ptfo 10,2 8,5 7,8 4,0 ' 0,0
354
Глава 22. Нитросоединения
2-Нитропропан является столь сильной кислотой, что подвергается зна-
чительной ионизации даже в воде.
Важно иметь в виду, что для каждого нитросоединения указанное значе-
ние рАГа относится к отщеплению протона, находящегося у а-углеродного
атома. Только в этом случае образующееся сопряженное основание может
быть стабилизировано с участием нитрогруппы. Именно поэтому первич-
ные и вторичные нитросоединения реагируют с концентрированными рас-
творами щелочей с образованием солей, растворимых в воде.
ch3no2 + ®он »
. .0 ....
© ®/0: © ©<о:
:сн2—х^* • ~ ~ :сн2—n<. . —
^о: о:
• • • •©
карбанион
. .©
®/О:
~ ~ ch2=n^::®
о:
• •
нитронат-ион
Na®
При подкислении раствора соли нитронат-ион сначала образует аци-
форму, которая затем переходит в нитро-форму.
. .©
®/О: ®/Он ®<о
ch2=n^::® + н° ch2=n^::® ~ сн—n<::©
о: о: о:
• • • • • •
аци-форма нитро-форма
Нитро- и лци-формы являются таутомерными формами нитросоедине-
ний. Их взаимные превращения представляют собой еще один пример про-
тотропной таутомерии (в качестве первого такого примера в гл. 19 была
рассмотрена кето-енольная таутомерия).
К этому можно добавить, что ни третичные нитроалканы, ни ароматиче-
ские нитросоединения не обладают кислотными свойствами, поскольку ни
те, ни другие не имеют атомов водорода у а-углеродного атома.
22.4.3. Реакции по (Х-С—Н-связи
Способность нитроалканов к образованию лци-формы служит причиной
повышенной реакционной способности их а-С-Н-связей. Ниже даны при-
меры реакций галогенирования и нитрозирования нитроалканов.
ВГ ®
I
R—СН2—NO2 + Вг2 ----- R—СН—NO2
22.4. Реакции
355
' . • ’; \=() \ ОН
I II
R—СН2—NO2 + HNO2 —R— СН—NO2 =₽*= R~С~NO2
Несколько подробнее следует остановиться на реакциях конденсации ни-
тросоединений с карбонильными соединениями.
Эти реакции нитросоединений аналогичны соответствующим реакциям
альдегидов и кетонов. В частности, конденсация нитроалканов с альдегида-
ми известна как реакция Генри и протекает по типу альдольно-кротоновой
конденсации с промежуточным образованием нитроспирта и последующей
его дегидратацией.
ОН
СН3(СН2)3СНО + CH3NO2 ОС11ОВ-а11ие^ CH3(CH2)3CHCH2NO2
пентаналь нитрометан
1 -нитро-2-гексанол
Поскольку кислотность нитросоединений очень высока, только низкоос-
новные катализаторы рекомендуют для их реакций. В случае ароматичес-
ких альдегидов (как и в их перекрестных конденсациях с различными кар-
бонильными соединениями) промежуточное гидрокси(нитро)соединение
выделить не удается, а реакция завершается образованием ненасыщенного
нитросоединения.
сн3—NO2 +
h-C4H9NH2
Р-нитростирол
нитрометан бензальдегид
Реакцией нитрометиларенов, аналогичной реакции Генри, является кон-
денсация тринитротолуола с бензальдегидом в присутствии вторичного
амина как основания.
2,4,6-тринитротолуол
бензальдегид
R2NH
2,4,6-тринитростильбен
СН-кислотность метильной группы в тринитротолуоле резко повышена
за счет трех нитрогрупп, связанных с бензольным кольцом.
356
Глава 22. Нитросоединения
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Нитрометан CH3NO2 получают парофазным нитрованием пропана. Бесцветная жидкость,
т.кип. 101,2 °C, мало растворим в воде (9,5% при 20 °C), смешивается с органическими растворите-
лями. Применяют в производстве хлорпикрина CC13NO2, нитроспиртов; в качестве топлива для ра-
кетных двигателей; в качестве растворителя и экстрагента. Огне- и взрывоопасен. ПДК 30 мг/м3.
Нитробензол C6H5NO2 получают нитрованием бензола нитрующей смесью. Зеленовато-
желтая жидкость, т.кип. 210,8 °C, мало растворим в воде (0,19%), смешивается с органичес-
кими растворителями. Применяют в производстве анилина, хинолина; в качестве раствори-
теля; в качестве компонента полировальных составов для металлов. Т. самовоспл. 482 °C.
2,4,6-Тринитротолуол (тротил) CH3C6H2(NO2)3 получают нитрованием толуола. Желтоватые
кристаллы, т.пл. 80,8 °C; почти нерастворим в воде (0,013%), растворяется в бензоле, ацетоне. При-
меняют в качестве бризантного (вторичного) взрывчатого вещества для снаряжения боеприпасов
и для мирных взрывных работ (строительство, разработка месторождений полезных ископаемых).
Пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол) C6H2(NO2)3OH получают нитрованием фе-
нола. Желтые кристаллы, т.пл. 122-122,5 °C, растворим в воде (1,22%), этаноле (4,91%), ди-
этиловом эфире (1,43%) и других органических растворителях. Применяется в производстве
азокрасителей; в качестве бризантного взрывчатого вещества; для выделения и идентифи-
кации органических веществ.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ .
аци-Форма - одна из таутомерных форм первичного или вторичного нитроалкана, обра-
зующаяся при подкислении нитронат-иона.
Генри реакция - конденсация первичного или вторичного нитроалкана с альдегидом в
присутствии щелочи, протекающая по типу альдольно-кротоновой конденсации.
Зинина реакция - реакция восстановления ароматических нитросоединений до аминов
действием сульфида аммония. По этой реакции впервые были получены анилин, 2-нафтил-
амины, льаминобензойная кислота.
Нитронат-ион - сопряженное основание аци-формы нитросоединения.
Нитросоединение - производное углеводорода, в молекуле которого один или несколько
атомов водорода замещены на нитрогруппу.
Нитро-форма - одна из таутомерных форм первичного или вторичного нитроалкана.
ЗАДАЧИ
Задача 22.1. Назовите следующие соединения по номенклатуре ИЮПАК:
NO2
а) СН3(СН2)4СНСН3
ONO
б) СН3(СН2)4СНСН3
в) (CH3)2CHNO2
Задачи
357
Задача 22.2. Завершите реакцию:
СН3СН2СН3
HNO3(40%-h)
120 °C
Назовите продукты реакции. Является ли она региоселективной? Предложите ее механизм.
Задача 22.3. Установите строение продукта реакции:
сн3
c8h8n2o5.
H20U4
OCH3
СН(СН3)2
Предложите механизм его образования.
Задача 22.4. Установите строение продукта реакции:
н Sq"- C9HHNO5.
г12О^4
сосн3
Предложите механизм его образования.
Задача 22.5. Завершите следующие реакции:
NO2
Na2Cr2O2
H2SO4
50 °C
Объясните легкость протекания второй реакции.
Задача 22.6. Завершите следующую реакцию:
СНО
1 + сн,сн№
СН3
Предложите ее механизм.
Задача 22.7. Назовите продукт, который преимущественно образуется из .«-нитротолуо-
ла в каждой из следующих реакций:
358
Глава 22. Нитросоединения
a) Zn, NaOH-EtOH; г) H2/Pt; ; ' .
б) Fe, NH4C1 (водн.); д) SnCl2, НС1;
в) Zn, NaOH (вода); e) As2O3, NaOH (водн.).
Задача 22.8. Расположите соединения в порядке возрастания их СН-кислотности:
О
а) СН3—С-СН3
в) CH3NO2
д) сн3—С-СН2СООС2Н5
Задача 22.9. Завершите следующую реакцию:
NO2
I 2 С4Н9МН2(кат.)
сн3сно + сн3снсн3---------------*
Предложите ее механизм.
Рис. 22.1. ИК-спектр 1
(к задаче 22.12)
22.5. Оксид азота в биохимических реакциях
359
Рис. 22.2. ИК-спектр 2
(к задаче 22.12)
Задача 22.10. Завершите следующие реакции 1-нитропропана:
a) CH3CH2CH2NO2 + Вг2 ->
б) ch3ch2ch2no2 + HNO2 ->
Предложите механизмы этих реакций.
Задача 22.11. В электронных спектрах поглощения феноксид-иона, 3-нитрофеноксид-иона
и 4-нитрофеноксид-иона в воде длинноволновая полоса поглощения наблюдается при 235 нм
(е 9400), 380 нм (1500) и 400 нм (15000) соответственно. Объясните различия в спектрах.
Задача 22.12. На рис. 22.1 и 22.2 приведены ИК-спектры пропана и 2-нитропропана. Оп-
ределите, какой спектр соответствует каждому соединению. По каким полосам поглощения
можно определить нитрогруппу в органических соединениях?
22 .5. ОКСИД АЗОТА
В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ
В 1998 г. Нобелевской премией в области физиологии и медицины были
отмечены работы Р. Ферчготта, Л. Игнарро и Ф. Мюрада по изучению
роли оксида азота в биохимических реакциях. Оказалось, что оксид азота
NO, источниками которого в организме могут быть превращения некото-
рых ксенобиотиков, участвует в целом ряде важнейших процессов: регули-
360
Глава 22. Нитросоединения
рование сердечной деятельности, передача нервных импульсов, процессы
запоминания, механизм распознавания запахов. Было установлено, что им-
мунная система клетки производит оксид азота как средство против инфек-
ционных бактерий, а также для защиты от онкологических заболеваний.
Система передачи сигнала с помощью газа (NO), производимого одной
клеткой, проникающего через мембрану и регулирующего функцию дру-
гой клетки, была признана принципиально новым способом передачи ин-
формации в биологических системах.
Подробнее других процессов с участием оксида азота изучен процесс ре-
гулирования работы сердца. При этом оксид азота проявляет себя как эндо-
генное релаксирующее средство. Он выделяется в кровеносных сосудах из
особых клеток в результате повышения содержания ионов кальция и диф-
фундирует в соседние клетки, где вызывает активацию фермента, ответст-
венного за релаксацию стенок сосудов и снижение артериального давления.
Естественно, возникает вопрос об источниках оксида азота в организме.
Полагают, что таковыми могут быть ряд ксенобиотиков и их превращения:
восстановление нитроэфиров (прежде всего нитроглицерина и нитросорби-
та), восстановление N-нитро- и N-нитрозопроизводных, а также окисление
оксимов.
Установлено, что донорами оксида азота способны быть и некоторые
лекарственные препараты. Так, лишь недавно выяснилось, что механизм
действия нитроглицерина, уже более 100 лет применяемого для стимуляции
сердечной мышцы, основан на биохимических реакциях с участием оксида
азота (см. разд. 16.4.2). Структуры некоторых других препаратов -
потенциальных доноров оксида азота - показаны ниже.
пироксим
1-метил-
4-пиридиний-
альдоксимиодид
1 -метил-
2-пиридиний-
альдоксимиодид
аллоксим
Все эти соединения являются эффективными реактиваторами холин-
эстеразы и рекомендуются в терапии отравлений фосфорорганическими
соединениями.
В заключение следует отметить, что в нормально функционирующем
организме взрослого человека количество оксида азота весьма невелико.
Более того, при выделении в организме его избыточного количества воз-
можны сердечно-сосудистые нарушения, а также повреждения мозга. • '
Глава 23.
АМИНЫ
Производные аммиака, в которых атомы водорода замещены углеводо-
родными группами, называют аминами.
23.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
Атом азота в аминах может быть связан с одним, двумя или тремя угле-
водородными заместителями. В зависимости от числа углеводородных
групп различают:
первичные амины R—NH2 Ar—NH2,
вторичные амины R—NH—R' Ar—NH~Ar' Ar~NH—R,
третичные амины R—N—R" Ar—N~Ar" Ar—N—R,
R' Ar' R'
где R, R' и R" - алкильные группы, а Аг, Аг' и Аг" - арильные группы.
В соответствии с этим группу NH2 называют аминогруппой, группу NHR -
алкиламиногруппой, а группу NR2 - диалкиламиногруппой и т. д.
Группы R, R’, R” могут быть одинаковыми или различными, так же как
и заместители Аг, Аг' и Аг".
По числу аминогрупп в молекуле различают моно-, ди-, три- и полиамины.
В зависимости от природы углеводородных заместителей различают
амины алифатические, ароматические и алкилароматические.
Чаще всего амины называют по радикало-функциональной номенкла-
туре.
Алифатические амины:
C2H5NH2
этиламин
(первичный амин)
CH3-NH-C2H5
метилэтиламин
(вторичный амин)
CH3-N-CH3
СН(СН3)2
изопропилдиметил-
амин (третичный амин)
nh2
циклопентиламин
(первичный амин)
362
Глава 23. Амины
анилин
(первичный амин)
Ароматические
фенил(п-толил)амин
(вторичный амин)
Р-нафтиламин
(первичный амин)
Алкилароматические амины:
N-метиланилин
NH-СН3
N.N-диметил-Р-нафтиламин
(третичный амин)
N(CH3)2
(вторичный амин)
Как видим, названия аминов производят, как правило, от названий угле-
водородных групп, связанных с атомом азота.
По номенклатуре ИЮПАК названия алифатических аминов образуют
от названий соответствующих углеводородов прибавлением суффикса
-амин.
СН3-СН-СН2СН3
nh2
2-бутанамин
сн3—сн2—сн—сн2~сн3
NH(CH3)
N-метил-З-пентанамин
(CH3CH2)2NCH3
К-метил-М-этил-
этанамин
Для ароматических аминов часто применяют тривиальные названия. В
то же время тривиальное название фениламина - анилин - принято и в но-
менклатуре ИЮПАК. ,
анилин толуидины
Четвертичные аммониевые соединения родственны простым неоргани-
ческим аммониевым солям.
23.2. Способы получения
363
© ©
(CH3)4N Cl
тетраметил аммоний-
хлорид
триметил фенил-
аммонийбромид
© 0
CH3CH2CH2N(CH3)3 он
триметилпропиламмоний-
гидроксид
23.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Большая часть из перечисленных ниже реакций уже была рассмотрена в
предыдущих главах. В этом разделе обсуждены некоторые примеры препа-
ративного получения аминов.
23.2.1. Реакции N-алкилирования и N-арилирования
Реакция между галогеналканом и аммиаком или амином
Реакция
RX + NH3 --------► [RNH3] Xе RNH2 + NaX + H2O
протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения SN2.
Роль нуклеофила в этой реакции выполняет молекула аммиака или амина
(см. разд 13.4.1). .
CH3CH2Br + NH3 -------- [CH3CH2NH3] Вг0
этилбромид
CH3CH2NH2 + NH4Br
этиламин
© 0 NH3 (изб.)
CH3CH2Br + CH3CH2NH2 -------► [CH3CH2NH2CH2CH3] Br° «
«----(C2H5)2NH + NH4Br
диэтиламин
© О NH3 (изб.)
CH3CH2Br + (C2H5)2NH -------► [(C2H5)2NHCH2CH3] Вг°
(C2H5)3N + NH4Br
триэтиламин .
Как правило, в реакции галогеналкана с аммиаком образуется смесь пер-
вичных, вторичных и третичных аминов, что является серьезным недостат-
364
Глава 23. Амины
ком метода. Более того, при применении избытка галогеналкана третичный
амин подвергается дальнейшему алкилированию с образованием
четвертичной аммониевой соли (переалкилирование амина).
СН3СН2Вг + (C2H5)3N
этилбромид триэтил-
ами н
[(C2H5)3NCH2CH3] Вг°.
тетраэтиламмоний-
бромид
На этой стадии реакция заканчивается. • : ’
Реакция переалкилирования может быть подавлена применением значи-
тельного избытка аммиака или амина, который подвергается алкилирова-
нию. Этот прием имеет практическое значение, если амин относительно де-
шев и весьма летуч, что позволяет легко удалить его по окончании реак-
ции. В качестве примера можно привести получение н-бутиламина реакци-
ей н-бутилбромида с аммиаком (выход целевого амина в этом случае дости-
гает 50%). -
СН3СН2СН2СН2Вг + NH3 CH3CH2CH2CH2NH2.
н-бутилбромид этанол) «-бутиламин
н-Бутиламин. «-Бутилбромид (151 г; 1,1 моль) медленно прибавляют к раствору амми-
ака (30 г; 1,8 моль) в 90%-м водном этайоле (800 мл). Реакционную смесь размешивают при
25 °C в течение 48 ч, после чего подщелачивают водным раствором едкого натра. Продукт
выделяют перегонкой органического слоя, т. кип 76-78 °C. Выход 38 г (47%).
Аммонолиз хлорбензола
Для получения анилина аммиак арилируют, нагревая его с хлорбензолом
в присутствии меди (см. разд. 14.4).
С6Н5С1 + 2NH3 C6H5NH2 + NH4CI.
хлорбензол анилин
Вероятно, реакция протекает по ариновому механизму.
N-Алкилирование анилина
Взаимодействием анилина с галогеналканами получают вторичные и
третичные алкилароматические амины.
23.2. Способы получения
365
C6H5NH2 + С2Н5Вг [C6H5-NH2-C2H5] BrQ
анилин этил-
бромид
------ C6H5NHC2H5 + NaBr + H2O.
N-этиланилин
Поскольку анилин (и другие ароматические амины) менее нуклеофилен,
чем алкиламины, его моноалкилирование удается провести более избира-
тельно, т. е. с меньшим количеством продуктов ди- и переалкилирования.
Например, анилин в водном растворе гидрокарбоната натрия при 90-95 °C
реакцией с бензилхлоридом может быть превращен в N-бензиланилин с вы-
ходом 85%.
В качестве алкилирующего агента удобно применять и алкилтозилаты.
анилин
по °с
NHC3H7-H
M-CH3C6H4SO2OC3H7-H
М-(н-пропил)-
анилин к
№-(н-Пропил)анилин. Смесь анилина (18,6 г; 0,2 моль) и и-пропилового эфира и-толу-
олсульфокислоты (21,4 г; 0,1 моль) нагревают при 110 °C в течение 5 ч. После охлаждения
реакционную массу разбавляют водой, масло экстрагируют эфиром. Продукт выделяют
перегонкой, т. кип. 95-105 °C (10 мм рт. ст.). Выход 11,8 г (87%).
N-Арилирование арил аминов
Третичные ароматические амины получают нагреванием вторичных
аминов с арилиодидами в присутствии медного порошка (см. разд. 14.4).
(C6H5)2NH + С6Н51
дифениламин
(C6H5)3N + HI.
трифенил-
амин
Алкилирование аминов спиртами
В промышленности амины получают аммонолизом спиртов в присутст-
вии катализаторов дегидратации (А12О3, SiO2, ThO2 и т. п.) при 300-500 °C.
При этом также образуется смесь первичных, вторичных и третичных ами-
нов.
366
Глава 23. Амины
Этот метод, называемый также аминолизом, применяют для производст-
ва N-алкил- и М,ЬГ-диалкиланилинов. Обычно в таких случаях алкилирова-
ние спиртами ведут в присутствии кислот.
[с6н5ынз] ci0 [c6h5nh2ch3] ci0 NaOH > C6H5NHCH3
фениламмоний-
хлорид
N-метиланилин
23.2.2. Восстановление азотсодержащих соединений
Восстановление нитросоединений
Восстановление нитросоединений чаще всего применяют для получения
первичных ароматических аминов (см. разд. 22.4).
При восстановлении нитросоединений, содержащих и другие группы,
способные к восстановлению (например, карбонильные группы), рекомен-
дуется использовать хлорид олова(П).
no2
nh2
SnCl2 NaOH
HC1 (конц.)
CHO
jw-нитробензальдегид
v CHO
jw-аминобензальдегид
Восстановление нитрилов и оксимов
Для восстановления нитрилов применяют водород в присутствии катали-
заторов, LiAlH4 (в эфире) и NaBH4.
Нт Нт
R-C=N —у,?-* RCH=NH —RCH2NH2.
Кроме никеля Ренея в качестве катализатора используют также Pd на
угле.
Чтобы исключить образование в ходе реакции вторичного амина, гидри-
рование нитрилов рекомендуется проводить в уксусном ангидриде. Первич-
ный амин при этом может быть получен с количественным выходом, по-
скольку он быстро подвергается ацетилированию и не претерпевает побоч-
ных превращений.
23.2. Способы получения
367
Н, Ni П
C6H5CH2-C-N (ch3co)2J C6H5CH2CH2NH-C-CH3
фенилацетонитрил 1-ацетамидо-2-фенилэтан
По окончании реакции амин выделяют гидролизом ацетамида.
Для восстановления оксимов применяют каталитическое гидрирование
(Н2, Ni) или обработку литийалюминийгидридом.
NOH
сн3сн2сн2-с-сн3
оксим 2-пентанона
nh2
сдаг сн3сн2сн2—сн-сн3
2-пентанамин
NOH
оксим 2,2-дифенил-
циклогексанона
LiAlH4
эфир
2,2-дифенилцикло-
гексиламин
Восстановительное аминирование
Имины - продукты взаимодействия альдегидов и кетонов с аммиаком и
первичными аминами - являются, как правило, малостабильными соедине-
ниями. Они весьма реакционноспособны и могут быть даже без выделения
легко восстановлены до аминов.
Соответствующая препаративная процедура получила название
«восстановительное аминирование»: смесь карбонильного соединения и
аммиака обрабатывают водородом в присутствии катализатора.
С6Н5-СНО + NH3
бензальдегид
[C6H5-CH=NH] -с^он
циклогексанон
Н2, Ni
С2Н5ОН
C6H5CH2NH2
бензиламин
циклогексиламин
Вторичные амины получают гидрированием смеси карбонильного со-
единения с первичным амином.
сн3сн2-сч
н
пропаналь
H2i №
С2Н5ОН
анилин
ch3ch2ch2nh
N-пропиланилин
Разновидностью восстановительного аминирования является реакция
Эшвайлера-Кларка (1905 г.) - метилирование вторичных или первичных
368
Глава 23. Амины
аминов действием формальдегида и муравьиной кислоты.
r2nh + сн2о + нсоон —r2n-ch3.
Роль восстановителя промежуточного имина в этом случае выполняет му-
равьиная кислота. Продукты метилирования, как правило, получают с ко-
личественным выходом.
+ СН2О + НСООН
2-фенилпиперидин
сн3
ЬГ-метил-2-фенил-
пиперидин
23.2.3. Превращения амидов карбоновых кислот
Восстановление амидов
Как и другие азотсодержащие функции, амидные группы гладко могут
быть восстановлены до аминогрупп. Восстановление амидов проводят дей-
ствием LiAlH4 в эфире или диборана В2Н6 в тетрагидрофуране.
О
(СН3)3С-с-N(CH3)2 (CH3)3CCH2N(CH3)2.
К,М,2,2~тетраметил- К,К,2,2-тетраметил-
пропанамид пропанамин
Получение аминов по методу Габриэля
Этот метод позволяет получать с хорошими выходами первичные амины
без примеси вторичных и третичных аминов. В основе метода лежит реак-
ция нуклеофильного замещения между фталимид-ионом и галогеналканом.
Поскольку образующийся N-алкилфталимид не имеет протона у атома азо-
та, реакция завершается получением продукта моноалкилирования. Гидро-
лиз или обработка этого продукта гидразином дают чистый моноалкил-
амин. Подробнее об этой реакции см. в разд. 20.4.4.
Бензиламин. Смесь фталимида (300 г; 2,04 моль), сухого К2СО3 (150 г; 1,09 моль) и бен- ,
зилхлорида (300 г; 2,13 моль) нагревают 3 ч на масляной бане. Избыток бензилхлорида от-
гоняют с водяным паром. Бензилфталимид отфильтровывают, промывают водой, сушат,
т. пл. 116 °C (из ледяной уксусной кислоты). Выход 370 г (76%).
Обработкой бензилфталимида гидразингидратом в спирте или водным раствором ще-
лочи получают бензиламин, т. кип. 185-187 °C. Выход 344 г (93%).
23.3. Физические свойства и строение
369
Гипогалогенитная реакция Гофмана
Реакцией амидов алифатических и ароматических карбоновых кислот со
щелочным раствором галогена (хлора, брома или иода) получают первич-
ные амины. В ходе реакции углеродная цепь укорачивается на один атом уг-
лерода. Эту реакцию называют также перегруппировкой Гофмана.
£
r-cx
nh2
+ Br2 + 3NaOH
R-NH2 + Na2CO3 + NaBr + H2O.
Механизм перегруппировки подробно изложен в разд. 20.2.3. Следует от-
метить, что реакция пригодна и для получения оптически активных аминов.
В соответствии с ее внутримолекулярным характером наблюдается сохра-
нение конфигурации при применении оптически активных амидов. В част-
ности, при перегруппировке амида (7?)-2-метилбутановой кислоты образу-
ется только (7?)-2-бутанамин.
амид (7?)-2-метил-
бутановой кислоты
CH3CH2-CH-NH2 + NaBr + Na2CO3.
сн3
(7?)-2-бутанамин
23.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ
23.3.1. Алифатические амины
Как и в аммиаке, атом азота в аминах находится в .^-гибридизации и об-
разует четыре 5р3-гибридные орбитали.
v f f !
2.№
И
370
Глава 23. Амины
Одна из орбиталей атома азота занята неподеленной парой электронов.
В соответствии с принципом наименьшего отталкивания электронных пар
три связывающие и одна неподеленная электронные пары в молекуле ам-
миака имеют тетраэдрическую ориентацию, а три связи N-Н образуют
трехгранную пирамиду.
-107
Н
Склонность к пирамидальной конфигурации наблюдается и у аминов.
Даже замена всех трех атомов водорода в аммиаке на метильные группы
«раздвигает» валентный угол при атоме азота лишь до 108°.
В табл. 23.1 приведены некоторые параметры связей в молекулах аминов.
Таблица 23.1. Параметры связей в молекулах аминов
Связь Энергия, кДж/моль (ккал/моль) Длина, нм Полярность, D
C-N 305(73) 0,147 0,45
N-H 389(93) 0,103 1,31
Таблица 23.2. Физические свойства аминов
Амины Мол. масса T. пл., °C Т. кип., °C 4°
Первичные:
ch3nh2 31 -94 -6,5 0,6628
ch3ch2nh2 45 -81 16,6 0,6829
ch3ch2ch2nh2 59 -83 47,8 0,7173
ch3ch2ch2ch2nh2 73 -49 77,8 0,7414
Вторичные:
(CH3)2NH 45 -93 7,4 0,6804
(CH3CH2)2NH 73 -48 56,3 0,7056
(CH3CH2CH2)2NH 101 -40 110 0,7400
(CH3CH2CH2CH2)2NH 129 -60 159 0,7670
Третичные:
(CH3)3N 59 -117 2,9 0,6356
(CH3CH2)3N 101 -114 89,7 0,7256
(CH3CH2CH2)3N 143 -94 155 0,7558
(CH3CH2CH2CH2)3N 185 -70 213 0,7771
23.3. Физические свойства и строение
371
Вследствие полярности связи N-Н амины образуют водородные связи.
Н СН3 Н
III
ch3-n:- - -h-n:- - -h-n-ch3
Н Н :
метиламин
(межмолекулярные водородные связи)
Эти связи, однако, менее прочны, чем у воды или спиртов, из-за меньшей
(чем у атома кислорода) электроотрицательности атома азота. Амины ки-
пят поэтому при более низкой температуре, чем спирты. Температуры ки-
пения и другие физические свойства некоторых аминов перечислены в
табл. 23.2.
Низшие амины растворимы в воде, с молекулами которой они образуют
водородные связи. Запах низших аминов сходен с запахом аммиака, средние
амины обладают неприятным запахом рыбы.
23.3.2. Четвертичные аммониевые соли
Хотя в алкиламинах атом азота находится в состоянии ^-гибридизации,
пирамидальная конфигурация их молекул не является устойчивой. Для та-
ких аминов характерны быстрые взаимные переходы между двумя конфи-
гурациями. При наличии трех различных заместителей у атома азота речь
идет о быстрых взаимопревращениях энантиомеров. Этот процесс называ-
ют инверсией азота.
зеркальная
плоскость
Н\ :
ch3"";n<3 i
СН3СН2 :
к сн3
СН2СН3
н
O.NO
сн3 СН2СН3
Для простых аминов энергия активации процесса инверсии весьма мала
и составляет ~25 кДж/моль (6 ккал/моль). В плоском переходном состоянии
азот имеет ^-гибридизацию с НЭП, находящейся на 2^-орбитали.
372
Глава 23. Амины
Четвертичные аммониевые соли могут существовать как устойчивые
энантиомеры, поскольку инверсия азота в этих соединениях невозможна.
Это видно на примере метилпропилэтилбензиламмонийбромида.
С3НЛ®
Вг0 „„ ..N-CH2Ph
СН3' /
Н5с2
зеркальная
плоскость
@/СзН7
i PhCH2—N.„ Вг0
I к сн3
С2Н5
23.3.3. Ароматические амины
Атом азота и в ариламинах формально находится в состоянии sp3-гибри-
дизации. Однако структурные характеристики молекулы анилина согласу-
ются скорее с ,ф2-гибридным состоянием атома азота.
Этот факт объясняется эффективным сопряжением орбитали, занимае-
мой НЭП на атоме азота, с л-орбиталями бензольного ядра. Об этом гово-
------- е7 = а-2.033р
е6 = а-1.083 р
е5 = а-Р
41--- £4 — а+0.744р
41--- Е3=а+Р
jl-- Е2=а+1.643р
41--- E[ = a+2.229P
коэффициенты ВЗМО
Рис. 23.1. Энергетическая диаграмма молекулярных Л-орбиталей и коэффициенты ВЗМО
анилина
23.4. Реакции
373
рят и результаты квантово-химических расчетов анилина, в том числе про-
стым методом МОХ. Включение в базис расчета семи атомных орбиталей,
на которых находятся восемь электронов, дает семь молекулярных л-орби-
талей (их энергии показаны на рис. 23.1). орто- и нпрп-Положения в моле-
куле анилина имеют повышенные значения и суммарной электронной
плотности, и плотности на ВЗМО (на рисунке показаны значения коэффи-
циентов ВЗМО анилина).
23.3.4. Потенциалы ионизации аминов
Присутствие аминогруппы в молекуле углеводорода значительно повы-
шает его электронодонорные свойства, в том числе способность отдавать
электроны. Ниже сравниваются значения первых потенциалов ионизации
этана и этиламина, бензола и анилина. Эти значения указывают, что такая
способность характерна как для ароматических, так и для алифатических
аминов.
Соединение С2Н6
Iv эВ 12,00
c2h5nh2
8,9
CfiH,
О о
9,24
о 5 2
8,00
В ряду аминов - первичные, вторичные, третичные амины - их электро-
нодонорные свойства повышаются. Ниже сравниваются значения первых
потенциалов ионизации этиламина, диэтиламина и триэтиламина.
Соединение C2H5NH2
Zr эВ 8,9
(C2h5)2nh (C2h5)3n
8,0 7,9
23.4. РЕАКЦИИ
23.4.1. Кислотно-основные свойства
Наличие у атома азота НЭП во многом определяет химические свойства
аминов. Прежде всего, это относится к их кислотно-основным и нуклео-
фильным свойствам.
NH-Кислотность
Первичные и вторичные амины (рКа 33-35) являются очень слабыми
NH-кислотами, например по сравнению со спиртами (рХа 16-17).
374
Глава 23. Амины
Однако при действии очень сильных оснований амины образуют соли,
причем анионы в этих солях, в свою очередь, также являются сильными ос-
нованиями.
(C2H5)2N-H + C6H5®Li®
(C2H5)2N®Li® + С6Н6.
Основность
Алифатические амины являются более сильными основаниями, чем ам-
миак, благодаря электронодонорному влиянию алкильных групп.
Основание NH3 CH3NH2 (CH3)2NH (CH3)3N
Р^о(ВН®) 9,24 10,62 10,73 9,79
Основание C2H5NH2 (C2H5)2NH (C2H5)3N
Р^о(ВН®) 10,63 10,94 10,75
Однако в водном растворе триметил- и триэтиламины обладают не-
сколько меньшей основностью, чем диэтиламин. Полагают, что это проти-
воречие объясняется эффектами сольватации. По-видимому, вследствие
пространственных затруднений стабилизация положительного заряда в
сопряженной кислоте триалкиламина молекулами растворителя малоэф-
фективна. В газовой фазе, где эффекты сольватации сопряженных кислот
аминов растворителем исключены, триметил- и триэтиламины (как и дру-
гие третичные амины) обладают наибольшей основностью.
Ароматические амины имеют пониженную основность вследствие мезо-
мерного эффекта, благодаря которому амин как сопряженное основание
иона анилиния в большей степени стабилизирован. Этим объясняется повы-
шенная кислотность иона анилиния и низкая основность анилина по
сравнению с алкиламинами, например с этиламином.
23.4. Реакции
375
c2h5nh3 + Н20
P^nfBH®) 10,63
С2Н5 —NH2 + H3O®
Еще более слабыми основаниями являются диарил- и триариламины.
Основание
трифениламин
-5,0
анилин дифениламин
Р^о(ВН®)
4,62 0,8
Трифениламин практически не обладает основными свойствами.
Алкилароматические амины имеют несколько более высокий основный
характер за счет электронодонорного влияния алкильных групп.
Основание
4,62
5,15
РКа(ВН®)
¥1а.личие и ароматическом колкие алектронодонорных заместителей
увеличивает основность амина, а электроноакщеиторных - понижает ее.
Р^о(ВН®)
Основание
Благодаря основным свойствам амины сравнительно легко образуют со-
ли с кислотами.
н2о © с,
C6H5NH2 + НВг C6H5NH3 Вг
анилин фениламмоний-
бромид
(C2H5)2NH + H2SO4 (C2H5)2NH2 hso4®
диэтиламин диэтиламмоний-
гидросульфат
Соли аминов имеют ионный характер. Соответствующие галогениды,
сульфаты и нитраты хорошо растворяются в воде. Образование водорас-
творимых солей - качественная проба на амины.
376
Глава 23. Амины
CH3(CH2)9NH2 + НС1
м-дециламин
(нерастворим в воде)
© Э
CH3(CH2)9NH3C1.
н-дециламмонийхлорид
(растворим в воде)
Конечно, по мере уменьшения основности амина его растворимость в
кислотах снижается. Например, хотя анилин лишь слегка растворим в воде,
он полностью растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах.
2,4-Динитроанилин имеет рКа(.вн®) -4,4, поэтому растворим только в кон-
центрированной серной кислоте.
23.4.2. Нуклеофильные реакции
Алкилирование
Как уже отмечалось в разд. 23.2, первичные, вторичные и третичные
амины вступают в реакции с галогеналканами и спиртами. Эти реакции
протекают как бимолекулярное нуклеофильное замещение (5д,2).
1
r-nh2 + СНз-I
н н н
I 8® \ z 80
R-N---C-r
I I
н н
RNH2-CH3 Is.
Обработкой соли водным раствором NaOH получают продукт алкилиро-
вания амина в свободном виде.
© ₽>
RNH2-СН31° + NaOH -щ^оГ
+ н20.
N.N-диэтиланилин
RNH + Nal + Н2О,
СН3
С1®
NaOH
Н2О
При алкилировании третичных аминов получают четвертичные аммо-
ниевые соединения. Например, триметиламин и метилиодид энергично ре-
агируют при комнатной температуре с образованием тетраметиламмоний-
иодида.
23.4. Реакции
377
.. 5® W 50 ©
(CH3)3N + CH3-I (CH3)3N-C-I -------- (CH3)3N-CH3 Is.
триметил- иодметан тетраметиламмоний-
амин ' иодид
Четвертичные аммониевые соли при действии влажного гидроксида
серебра переходят в гидроксиды тетраалкиламмония (четвертичные
аммониевые основания).
2 |(CH3)3N~СН3] Is + Ag2O + Н2О ----------►2(CH3)4N°OH + 2AgI.
тетраметиламмоний- тетраметиламмоний-
иодид гидроксид
Эти соединения в водных растворах полностью диссоциированы и поэто-
му являются такими же сильными основаниями, как и гидроксиды щелоч-
ных металлов.
При нагревании четвертичные аммониевые основания подвергаются
расщеплению. Это превращение известно как расщепление по Гофману
(1881 г.). Простейшее основание - гидроксид тетраметиламмония - при
100-200 °C образует триметиламин и метанол.
® ©
(сн3)4№он
тетраметил-
аммоний-
гидроксид
100-200 °C
Sw2
Н Н ГТТ
V 6©/СН3
НО--С -N-CH3
8© сн3
СН3ОН + (CH3)3N.
триметилами!
Если в аммониевом основании содержится хотя бы один более длинный
(чем метил) углеводородный заместитель, то при нагревании протекает ре-
акция элиминирования, сопровождаемая образованием алкена.
СН3
I ©
сн3- N- СН3
СН2СН3
° ОН
триметилэтиламмоний-
гидроксид
СН2=СН2 + N(CH3)3 + Н2О.
этилен триметил-
амин
Такое превращение, в целом, протекает как реакция Е2 (у гидроксид-
иона основные свойства выражены сильнее, чем нуклеофильные).
378
Глава 23. Амины
----► Н20 + СН2=СН2 + N(CH3)3 - 1
Если строение радикала таково, что могут образоваться два алкена, то
преимущественно образуется менее замещенный алкен.
© ©
CH3CH2-CH-N(CH3)3 он —►
сн3
2-бутилтриметил- .,
аммонийгидроксид .
----► СН3-СН2-СН=СН2 + СН3-СН=СН-СН3 + N(CH3)3 + Н2О.
1-бутен (74 %) 2-бутен (26 %) триметиламин
В ходе этой реакции разрыв связи С-Н несколько опережает разрыв связи
С-N. По этой причине переходное состояние носит анионоидный характер.
В некоторых случаях отрыв протона основанием приводит к карбаниону.
Если возможно образование нескольких анионов, то преимущественно об-
разуется тот, который обладает лучшими условиями для делокализации от-
рицательного заряда, т. е. более устойчив.
.<0 I ©
но: + сн3—сн—сн—n(ch3)3
—- н—с—н
н
2-бутилтриметиламмоний-
гидроксид
.-Г~\ ©
СН3—сн— CH-^N(CH3)3 —2—
сн3
менее устойчивый анион
CH3-CH2-CH^N(CH3)3
Йн,
©
более устойчивый анион
(преимущественное направление)
сн3—сн=сн—сн3
примесь
+ N(CH3)3
сн3—сн2—сн=сн2
основной продукт
23.4. Реакции
379
Поскольку алкильные группы обладают электронодонорными свойства-
ми, то первичный карбанион, образующийся по пути б, более устойчив, чем
вторичный карбанион, образующийся по пути а. Пространственный фактор
также способствует образованию первичного карбаниона. Те же структур-
ные факторы определяют направление расщепления четвертичного аммо-
ниевого основания, в котором имеется большее число алкильных групп,
иных, чем метильная.
СН3
CH3CH2-N-CH2CH2CH3
СНз
®он
диметилпропилэтиламмоний-
гидроксид
— СН2=СН2 + N(CH3)2CH2CH2CH3 + Н2О
этилен диметилпропиламин
(основной продукт)
-* СНз-СН=СН2 + N(CH3)2CH2CH3 + Н2О
пропен диметилэтиламин
(примесь)
Расщепление четвертичных аммониевых оснований ранее широко при-
меняли как для получения алкенов, так и для установления строения неиз-
вестных аминов. С этой целью неизвестный амин превращали в четвертич-
ное аммониевое основание, а затем основание подвергали расщеплению.
По данным анализа продуктов расщепления определяли строение амина. В
настоящее время строение неизвестных органических соединений опреде-
ляют прежде всего на основе спектральных методов анализа.
Ацилирование
Первичные и вторичные амины гладко реагируют с галогенангидридами
и ангидридами кислот. В результате ацилирования аминов образуются ами-
ды кислот. Эти реакции известны как N-ацилирование аминов.
+ (СН3СО)2О
уксусный
ангидрид
2 (CH3CH2)2NH
диэтиламин
NH-С-СН3
ацетанилид
СН3СООН,
уксусная
кислота
7°
+ сн3-с' --------►
С1
ацетилхлорид
380
Глава 23. Амины
(CH3CH2)2N-C-CH3 + (CH3CH2)2NH НС1.
о
N.N-диэтилацетамид
Третичные амины в реакции ацилирования не вступают.
При применении галогенангидридов выделяющийся галогеноводород
связывают избытком амина или добавлением щелочного агента (например,
соды).
Механизм ацилирования аминов аналогичен механизму ацилирования
спиртов.
Реакция протекает как нуклеофильное присоединение-отщепление по
карбонильной группе:
2 (CH3CH2)2NH + СН3—С
о:
• •
II
------ (CH3CH2)2N-C—СН3 + (CH3CH2)2NH • НС1.
Первичные и вторичные амины легко подвергаются ацилированию и
при взаимодействии с алкил- и арилсульфохлоридами.
RNH2 + C6H5SO2C1 —► rnh-so2-c6h5,
r2nh + C6H5SO2C1 —► r2n-so2-c6h5.
Получаемые при этом сульфамиды различаются своим отношением к
щелочным агентам. Сульфамиды, полученные из первичных аминов, явля-
ются весьма сильными NH-кислотами и легко растворяются в водном рас-
творе щелочи.
C6H5-SO2-NHC6H5 + NaOH —► C6H5-SO2-NC6H5 Na®.
N-фенилбензол-
сульфамид
Сульфамиды, полученные из вторичных аминов, не содержат кислого
атома водорода и не растворяются в водных щелочах.
Третичные амины к реакциям ацилирования не способны. Третичные
алкиламины образуют с арилсульфохлоридами четвертичные соли, кото-
рые под действием водного раствора щелочи вновь регенерируют амины.
23.4. Реакции
381
© ©
C6H5-SO2C1 + N(CH3)3 ---------- C6H5SO2N(CH3)3 Cl ,
бензолсульфо- бензолсульфонил-
хлорид триметиламмонийхлорид
© ©
C6H5SO2N(CH3)3 Cl + 2 NaOH -----------►
------ C6H5SO3® Na® + NaCl + N(CH3)3 + H2O.
Na-соль
бензолсульфоновой
кислоты
Реакция амина с бензолсульфохлоридом и последующее взаимодействие
образовавшегося продукта с водным раствором щелочи лежат в основе хи-
мической идентификации аминов, известной как проба Гинсберга.
Реакции с альдегидами и кетонами. Енамины
Первичные амины взаимодействуют с кетонами и альдегидами с образо-
ванием иминов. Производные алифатических аминов, как правило, малоус-
тойчивы. Ароматические амины образуют устойчивые имины, известные
как основания Шиффа.
CH3CH2NH2 + СН3-С-СН3 CH3CH2-N=C(CH3)2 + Н2О
этиламин q N-изопропилиденэтиламин
ацетон
//°
c6h5nh2 + сн3-сч c6h5--n=ch-ch3 + Н2О
анилин Н N-этилиденанилин
ацетальдегид . . .
Бензальанилин. При хорошем размешивании смешивают бензальдегид (106 г; 1 моль)
и анилин (93 г; 1 моль). По окончании разогревания и загустевания смеси ее переносят
в спирт (165 мл), хорошо размешивают и охлаждают. Продукт отфильтровывают,
т.пл. 52 °C. Выход 154 г (85%).
Механизм реакций первичных аминов с альдегидами и кетонами подроб-
но рассмотрен в разд. 19.1.4.
Эти реакции протекают как нуклеофильное присоединение по карбо-
нильной группе с промежуточным образованием аминоспирта и последую-
щим отщеплением молекулы воды.
Вторичные амины образовать имины не могут, так как имеют единст-
венный протон у атома азота. При наличии Н-атома в [3-положении к кар-
382
Глава 23. Амины
бонильной группе исходного карбонильного соединения стадия элиминиро-
вания протекает с участием этого атома водорода и завершается образова-
нием енамина.
н—с—с—
I I
1 hnr2
©
I
nr2
н20
Процесс образования енамина обратим, поэтому воду в процессе получе-
ния енаминов обычно удаляют отгонкой. При взаимодействии с разбавлен-
ными кислотами енамин образует исходное карбонильное соединение.
Енамины являются аналогами енолов. В молекуле енамина пара элек-
тронов азота находится в сопряжении с л-электронами двойной связи. Бла-
годаря электронодонорному (+М-) эффекту атома азота нуклеофильным
центром в молекуле енамина является [3-углеродный атом. На этот атом
обычно и направлена атака электрофильного агента. Как и енолы, енами-
ны неустойчивы и отличаются высокой реакционной способностью. Они
применяются чаще всего для алкилирования и ацилирования карбонильных
соединений.
.С—C=N,
/р а
резонансные структуры енамина
Например, ацетилирование ацетона гладко протекает через енамин.
СН3 se^ ~8©
/С=О + NHR2 -Р-* СН^сД^г СНзС0С1>
СНз амин qjj
ацетон 8
енамин
® _ TJ® LJ Q
-----► [СН3-с-сн2—C=NR2]C1® - ’ 2 >
0 СН3
соль иммония
------ СН3-С-СН2-С-СН3 + [NH2R2]®C1®.
о о
ацетилацетон
23.4. Реакции
383
Ниже показано образование енамина из циклогексанона и пирролидина,
а также последующее взаимодействие полученного енамина с алкилирую-
щими и ацилирующими реагентами. Обе реакции идут через промежуточ-
ное образование аммониевого иона.
циклогексанон
Н
пирролидин
(1Ч-пирролидино)циклогексен
(енамин)
Алкилирование енамина:
енамин
С6Н5СН2С1
соль иммония
2-бензил цикло-
гексанон
Ацилирование енамина:
енамин
CH3COCI
СОСН3
2-ацетил цикло-
гексанон
Иммониевые ионы являются промежуточными соединениями и во мно-
гих других реакциях, в частности в реакции Манниха (1912 г.). В этой реак-
ции вторичный амин, кетон (или другое енолизируемое карбонильное со-
единение) и альдегид (как правило, формальдегид) образуют Р-аминокетон.
384
Глава 23. Амины
ацетофенон
+ СН2О + (C2H5)2NH2 Cl0
^CH2CH2N(C2H5)2 • НС1
хлоргидрат
Р-(14,М-диэтиламинопропиофенона)
В ходе реакции промежуточно образуется иммониевый ион, который ре-
агирует с енольной формой кетона.
® ®
сн2=о + r2nh2 --------- ch2=nr2 + Н2О
.. ©
<:он ______ :он
<1 II
R—С=СН2 + CH2=NR2 ---------► R—с—сн2—сн2—NR2 —
енол иммониевый , ,
ион
О
II © .
-...♦ R—с—сн2—сн2—NHR2
Окисление. Элиминирование по Коупу
Первичные и вторичные амины подвержены окислению, однако в пре-
паративных целях этот процесс провести не удается.
Третичные амины гладко окисляются до оксидов аминов при примене-
нии пероксида водорода или пероксикарбоновых кислот
r3n: 2 - R3N-0:
амин оксид амина
Н
tH2N(CH3)2
М,М-диметилциклогексил-
метанамин
М,М-диметилциклогексил-
метанаминооксид
Ъ,Ъ-Диметилциклогексилметанаминоокси(). Смесь N.N-диметилциклогексилметан-
амина (49 г; 0,35 моль), метанола (45 мл) и 30%-го пероксида водорода (120 г; 1,05 моль)
выдерживают 36 ч при комнатной температуре. Избыток пероксида водорода удаляют 1
добавлением незначительного количества коллоидальной платины. Осадок отфильтровы-
вают. Продукт выделяют упариванием растворителя. Выход 49,5 г (90%).
23.4. Реакции
385
Будучи нагреты до 150-200 °C, оксиды третичных аминов подвергаются
элиминированию при наличии хотя бы одного атома водорода у Р-углеродного
атома (реакция Коупа, 1949 г.). Так, нагреванием К,К-диметилциклогексилме-
танаминооксида с количественным выходом получают метиленциклогексан.
•СН2
CH2N(CH3)2
©
?\т,М-диметилциклогексил-
метанаминооксид
+ N(CH3)2OH.
метилен-
циклогексан
Метиленциклогексан. 1Ч,М-Диметилциклогексилметанаминооксид (50 г; 0,32 моль) на-
гревают в вакууме (10 мм рт. ст.) при 150 °C в течение 2 ч. Добавляют воду, слой алкена
отделяют. Продукт выделяют перегонкой, т. кип. 102-103 °C (740 мм рт. ст.). Выход
30,2 г (98%).
По механизму термолиз оксидов аминов аналогичен термолизу сложных
эфиров. Он протекает как внутримолекулярный процесс Е2, в котором атом
кислорода оксида выступает в роли основания, отщепляющего атом водорода
от Р-углеродного атома в синхронном переходном состоянии.
-С=С'^, + N(CH3)2OH.
В соответствии с этим реакция протекает стереоспецифично как син-эли-
минирование. л
о
(CH3)2N^
Н"/С~СС"СН2СН3
D СН3
Н,„. _ .„*СН2СН3
D^c=c^CH3 + N(CH3)2OH.
(£)-1-дейтеро-
2-метил-1-бутен
(1/?, 25)-1-дейтеро- ' :
М,М-2-триметил-1 -бутанамин-
оксид
23.4.3. Основность и нуклеофильность
пространственно затрудненных аминов
Закономерности изменения основности и нуклеофильности, с которыми
в разд. 23.4.1 мы познакомились на примере простейших аминов, не соблюда-
ются в тех соединениях, которые осложнены пространственными эффекта-
ми. В частности, по причине именно этих эффектов основность и нуклео-
фильность затрудненных аминов не изменяются параллельно. Вследствие
386
Глава 23. Амины
крайне малого размера протона реакция протонирования значительно
менее чувствительна к пространственным затруднениям в амине, нежели,
например, его взаимодействие с галогеналканами в реакции SN2.
В частности, известны амины, в которых пространственное экранирова-
ние НЭП атома азота углеводородными фрагментами резко снижает их
нуклеофильность (т. е. сродство к углероду), однако практически не сказы-
вается на основности (которая оценивает сродство к протону). Некоторые
из таких аминов показаны ниже - диизопропилэтиламин (ДИЭА), 1,5-ди-
азабицикло[4.3.0]нон-5-ен (ДБН) и 1,8-диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ен
(ДБУ).
диизопропил-
этиламин
(ДИЭА)
1,5-диазабицикл о-
[4.3.0]нон-5-ен
(ДБН)
1,8-диазабицикл о-
[5.4.0]ундец-7-ен
(ДБУ)
Такие амины представляют особый интерес для синтетической практи-
ки. Как мы уже видели в разд. 13.4.5, для преимущественного проведения
реакции элиминирования Е2 особенно рекомендуются основания, обладаю-
щие низкой нуклеофильностью. Их применение подавляет конкурирую-
щую реакцию SN2.
Для примера рассмотрим две реакции, каждую из которых удается про-
вести лишь с использованием громоздкого ненуклеофильного основания.
В первой реакции исходный 1,2-эпокси-4-бромтетрагидронафталин
гладко подвергается элиминированию с образованием 1,2-эпокси-1,2-дигид-
ронафталина, а реакции нуклеофильного замещения и раскрытия оксира-
нового цикла сведены к минимуму.
4-бром-1,2-эпокси-
тетрагидро-
нафталин
1,2-эпокси-
1,2-дигидро-
нафталин
Во второй реакции применение ДИЭА в качестве основания позволяет
перевести метиловый эфир 2-бромметил-З-бромпропановой кислоты в ме-
тиловый эфир 2-бромметилакриловой кислоты.
23.4. Реакции
387
метиловый эфир
2-бромметил-З-бром-
пропановой кислоты
метиловый эфир
2-бромметилакриловой
кислоты
Этот пример заслуживает особого внимания, поскольку образующийся про-
дукт является бромидом аллильного типа и отличается исключительной ак-
тивностью в реакциях SN2.
Вместе с тем известны примеры пространственных затруднений и в про-
тонировании аминов. Особенности пространственного строения некоторых
аминов таковы, что создают препятствия подходу к НЭП атома азота даже
для такой малой частицы, как протон. В частности, по мере увеличения раз-
меров бициклического амина аминный фрагмент приобретает возможность
перехода в эндо-пирамидальную конформацию. В такой конформации на-
ходится, например, амин А.
Этот амин обладает очень низкой основностью. Значение рКа его сопря-
женной кислоты оценивается величиной +0,6. Полагают, что и в растворе,
и в газовой фазе амин А может протонироваться только с «внешней» сто-
роны. Такое предположение подтверждается тем фактом, что энергия ин-
версии этого амина оценивается величиной 17 ккал/моль (71,2 кДж/моль),
практически совпадающей со снижением сродства этого амина к протону
по сравнению с трибутиламином.
Обратите внимание! Сродство к протону ДАН(В) измеряется в газовой
фазе как энергия гетеролитической диссоциации сопряженной кислоты.
ВН® В: + Н® ААн(В) = А^°-
Величина сродства к протону, измеренная в таких условиях, свободна,
таким образом, от сольватационных эффектов.
Примеры снижения нуклеофильности аминов вследствие пространст-
венных затруднений имеются и в химии ариламинов. В частности, соседние
заместители способны выводить НЭП атома азота в ароматических аминах
из сопряжения с л-системой ароматического фрагмента и вследствие этого
заметно снижать его С-нуклеофильность. Например, М,Ь1-диметиланилин
гладко сочетается с солью диазония, полученной из сульфаниловой кисло-
388
Глава 23. Амины
ты, с образованием индикатора «метиловый оранжевый» (pH перехода 3,5).
(CH3)2N
N.N-диметил-
анилин
и-сульфобензол-
диазонийхлорид
метиловый оранжевый
Метиловый оранжевый. Сульфаниловую кислоту (5 г; 0,028 моль), переосажденную
из водного раствора NaOH, диазотируют нитритом натрия (2 г; 0,028 моль) и 2н. раствором
НС1 (12,5 мл). К полученной суспензии и-сульфобензолдиазонийхлорида прибавляют рас-
твор М,№-диметиланилина (3 г; 0,025 моль) в 25 мл 1н. раствора НО. После размешивания
в течение 10 мин и добавления 2н. раствора NaOH до pH 10 получают Na-соль метилового
оранжевого. Выход 7 г (85%).
Такая реакция не идет, однако, с 2,б,Н,Н-тетраметиланилином. Вследст-
2,6,К№тетраметил-
анилин
вие пространственного влияния со стороны двух opmo-метильных групп диме-
тиламиногруппа выводится из плоскости. Сопряжение НЭП атома азота с л-си-
стемой бензольного кольца нарушается. Тем самым исключается активирую-
щее влияние диметиламиногруппы. Реакция электрофильного ароматическо-
го замещения с солью диазония становится невозможной. Важно отметить, что
вывод аминогруппы из плоскости сопряжения с фенилом снижает нуклео-
фильность ароматического кольца, но повышает основность ариламина.
анилин
о-толуидин
4,5
СН3ч хСН3
N
2,№№-триметил-
анилин
6,1
Р^л(вн®): 4,6
N.N-диметил-
анилин
5,2
23.4. Реакции
389
Эффекты пространственного затруднения сопряжению аминогруппы с
л-системой арена особенно четко проявляются в 1,8-диаминонафталинах. В
частности, 1,8-бис(диметиламино)нафталин и 2,7-диметокси-1,8-бис(диэтил-
амино)нафталин являются исключительно сильными основаниями по срав-
нению с Ь[,М-диалкиланилинами (рА^вн®-) 5,2).
1,8-бис(диметил-
амино)нафталин
(Р^л(вн ®) 12,34)
2,7-диметокси-
1,8-бис(диэтиламино)-
нафталин
(рКя(вн®) 16,3)
В молекулах этих производных нафталина НЭП двух атомов азота не
только выводятся из сопряжения, но и перекрываются между собой. Такое
смешивание ведет к особенно значительному росту основности соответст-
вующих ариламинов.
23.4.4. Электрофильное замещение
в ароматических аминах
Аминогруппа, связанная с бензольным циклом, выступает как орто,пара-
ориентант в реакциях электрофильного ароматического замещения.
М>|/|
Поскольку положительный эффект сопряжения аминогруппы в анилине
и других ароматических аминах значительно преобладает над ее отрица-
тельным индуктивным эффектом, аминогруппа является, в целом, сильным
электронодонорным активирующим заместителем.
390
Глава 23. Амины
Галогенирование
Активность анилина в реакциях галогенирования столь высока, что эти
реакции не требуют применения катализатора, а замещение на галоген про-
текает сразу в три положения быстро и количественно. .
анилин
анилин
Чтобы задержать реакцию на стадии монозамещения, приходится сни-
жать активирующее действие аминогруппы, что достигается ее ацилиро-
ванием. ортощяря-Ориентирующий эффект ациламиногруппы проявляет
себя как со слабыми, так и с сильными электрофилами. Бромирование
ацетанилида в уксусной кислоте дает с ацетанилидом почти исключитель-
но 4-бромацетанилид.
уо
сн3-с'
а
анилин
Вг2
CH3COOH
ацетанилид
4-бромацет-
анилид
©ОН, Н2О
е
4-броманилин
Нитрование
орто,тщя-Ориентация наблюдается и при электрофильном нитрова-
нии. Однако в присутствии сильных минеральных кислот ароматические
амины подвергаются протонированию. Аминогруппа протонируется с
образованием аммониевой группы, которая является .меиш-ориентантом,
23.4. Реакции
391
дезактивирующим электрофильную атаку. Поэтому при действии на ани-
лин нитрующей смеси образуется сложная смесь о-, п- и At-нитроанилинов.
ж-нитрофениламмоний-
гидросульфат
Это свойство ароматических аминов учитывают при их нитровании.
Кроме того, следует иметь в виду и окислительное действие азотной кис-
лоты, вследствие чего смесь анилина с азотной кислотой может самовос-
пламеняться.
Для снижения основных свойств анилина и предотвращения возможных
окислительных процессов при получении n-нитроанилина проводят предва-
рительную защиту аминогруппы ацилированием.
анилин ацетанилид
и-нитро-
анилин
392
Глава 23. Амины
Сульфирование
Сульфирование анилина проводят концентрированной серной кислотой
при 180-200 °C. Образующаяся вода в ходе процесса отгоняется (в промы-
шленности этот метод известен как запекание). Продуктом реакции являет-
ся анилин-4-сульфокислота (сульфаниловая кислота).
+ H2SO4
Первоначальным продуктом оказывается гидросульфат анилиния, кото-
рый при нагревании теряет воду с образованием сульфанилида, подвергаю-
щегося быстрой изомеризации. Поскольку сульфирование - обратимый
процесс, то можно предположить, что шщя-изомер образуется как термоди-
намически наиболее устойчивый изомер. Сульфаниловая кислота имеет
строение внутренней соли. Она плохо растворима в холодной воде, но луч-
ше растворяется в горячей воде.
Реакции третичных аминов '
Диалкиламиногруппы R2N- являются еще более сильными активирую-
щими заместителями, чем аминогруппа. Поэтому третичные ароматичес-
кие амины обрабатывают электрофильными агентами в более мягких усло-
виях. Некоторые примеры соответствующих реакций приводятся ниже.
23.4. Реакции
393
Нитрование:
анилин . NO2 N.N-диметиланилин
и-нитро- (35%)
N.N-диметиланилин
(65%)
Бромирование:
N(CH3)2
no2
М,М-диметил-
3-нитроанилин
ВГ2
СН3СООН’
20 °C
4-бром-1У,1Ч-диметил-
3-нитроанилин
Ацилирование:
N.N-диметил-
анилин
О
(CH3)2N-с6н4-с-с6н4- N(CH3)2
4,4'-бис(диметиламино)бензофенон
23.4.5. Реакции аминов с азотистой кислотой
Ароматические амины
При взаимодействии первичных ароматических аминов с азотистой кис-
лотой образуются устойчивые соли диазония, которые нашли широкое син-
тетическое применение (см. гл. 24). Фактическим реагентом при этом взаи-
модействии является смесь соляной (или серной) кислоты и нитрита натрия.
ArNH2 + 2НС1 + NaNO2 ArN2®Cl® + NaCl + 2 Н2О,
394
Глава 23. Амины
Реакцию получения ароматических солей диазония называют диазоти-
рованием. Впервые эту реакцию провел П. Грисс в 1858 г.
Вторичные амины при взаимодействии с азотистой кислотой образуют
N-нитрозоамины (нитрозамины).
N-метиланилин
NaNO2
НО
+ NaCl + Н2О.
N-нитрозо-
N-метиланилин
Согласно предложенному механизму реакции, нитрозирующим агентом
выступает нитрозилхлорид.
HNO2 + НС1 5=: NOC1 + Н2О
8® „ 80
R2NH + ci—N=0
Третичные амины ароматического ряда реагируют с азотистой кисло-
той, но реакция нитрозирования идет не по аминогруппе, а в ароматическое
ядро как электрофильное ароматическое замещение. В качестве продукта
образуется С-нитрозосоединение.
N(CH3)2
+ HONO
O=N
N(CH3)2
н2о.
N.N-диметиланилин
и-нитрозо-1Ч,1Ч-диметиланилин
23.4. Реакции
395
Алкиламины
При подкислении водного раствора нитрита натрия образуется ряд час-
тиц, которые могут выполнять роль нитрозирующего агента. Среди этих
частиц наиболее активным электрофилом является нитрозил-катион, в за-
метной концентрации образующийся в концентрированной серной кислоте.
...... H2so4 .®. .. .. © .. о
h-o-n=o: Q' h-o-n=o: -77г :n=o: + HSO4.
• • -HSO4° I "H2°
H
Наиболее простые превращения при взаимодействии с нитрозирующим
агентом претерпевают вторичные амины.
r2n: + :n=o: ---- r2n-n=o: r2n-n=o:
N-Нитрозоамины образуются по этой реакции с выходом до 90%.
(C2H5)2NH
диэтиламин
NaNOj. НС1
Щб ~
(c2h5)2n-n=o:
N-нитрозодиэтиламин
(90%)
Нитрозоамины встречаются в окружающей среде. Следует отметить,
что эти соединения весьма токсичны и могут являться причиной онкологи-
ческих заболеваний.
N-нитрозонорникотин
(присутствует
в табачном дыме)
сн3ч ХО
N—N
сн3х
N-нитрозодиметиламин
(образуется при обработке
кокитаннином)
Более сложно протекает нитрозирование первичных аминов. Реакция
сопровождается образованием алкандиазониевого иона в качестве проме-
жуточной частицы.
r-nh2 Na-N°2-H® |r-n=n -—- r-n^n].
396
Глава 23. Амины
Алкандиазоний-ионы неустойчивы. Поэтому первичные амины алифа-
тического ряда реагируют с азотистой кислотой с выделением азота, обра-
зованием спиртов, а также значительного количества алкенов и других
побочных продуктов.
RNH2 + HNO2 + НС1 °~5°с> R-OH + N2 + С1° + Н2О,
CH3CH2CH2NH2 :
1-пропиламин
----► СН3СН2СН2ОН + СН3СН=СН2 + N2 + NaCl + Н2О.
1-пропанол пропан
Реакция диазотирования первичных алифатических аминов препаратив-
ного значения не имеет. Однако механизм реакции диазотирования алкила-
минов представляет несомненный интерес.
Стадия I - образование азотистой кислоты:
NaNO2 + НС1 —> HNO2 + NaCl.
Стадия 2 - образование нитрозилхлорида:
HNO2 + НС1 <zzz> NOCI + Н2О
Стадия 3 — получение N-нитрозоамина и его превращение до алкилдиазо-
ний-иона: •
.< '"''^8© 8©
R-NH2 + C1-N=O
..... н©
R—N=N—ОН ==
• •
-Н2О
r—n—n=o:
I
Н N-нитрозоамин
©
- r—n=n:
алкандиазоний-
ион
Стадия 4 - распад алкандиазоний-иона:
rz?n=n:
R® + N2.
Образующийся при разложении диазоний-иона карбкатион стабилизи-
руется далее различными путями: выбросом протона, перегруппировкой
или взаимодействием с нуклеофильным агентом, например с водой.
R® + Н20 -----► R-O-H R-OH
~ I -н®
Наиболее важные представители
397
23.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АМИНОВ
ИК-спектры. Характеристическое поглощение аминов в ИК-спектрах
связано с валентными колебаниями N-Н. Первичные алкил- и ариламины
обнаруживают два перекрывающихся пика в области 3000-3500 см"1, что
соответствует симметричным и антисимметричным колебаниям N-H.
Л
R-H4
н
симметричные
колебания N~H
р
R-H
'и
антисимметри чные
колебания N—Н
В ИК-спектре бутиламина, например, эти пики наблюдаются при 3270 и
3380 см-1. В ИК-спектрах вторичных аминов в той же области наблюдает-
ся лишь одиночный сигнал.
ЯМР-спектры. В спектрах ПМР аминов сигналы NH-протонов наблю-
даются в несколько более сильном поле (—1,5 м.д.) по сравнению с сигнала-
ми ОН-протонов (—2,0 м.д.) вследствие меньшей электроотрицательности
атома азота по сравнению с атомом кислорода. Сигналы NH-протонов также
чувствительны к растворителю, изменениям концентрации и температуры.
Аналогичные закономерности в значениях химических сдвигов харак-
терны для спектров 13 С ЯМР аминов. В частности, сигнал атома углерода
в спектре метиламина наблюдается в более сильном поле, нежели сигнал
атома углерода в спектре метанола.
ch3nh2
f
26,9 м.д.
метиламин
СН3ОН
f
49,3 м.д.
метанол
Масс-спектры. Как уже отмечалось, соединения, в состав которых вхо-
дят только атомы углерода, водорода и кислорода, имеют значение m/z для
молекулярного иона, равное четному числу. Присутствие атома азота дела-
ет это значение в масс-спектрах аминов нечетным.
Наиболее характерное направление фрагментации аминов - Р-распад
молекулярного иона. Для вторичных и третичных аминов предпочтительно
отщепление фрагмента с большей углеродной цепью.
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Метиламин CH3NH, получают взаимодействием метанола и диметилового эфира с NH3.
Бесцветный газ, т.кип. -6,5 °C, растворяется в воде и органических растворителях. Применя-
ют в производстве инсектицидов, фунгицидов, ускорителей вулканизации, ПАВ, лекарствен-
ных средств, красителей. Т. самовоспл. 410 °C. ПДК в воздухе 1 мг/м3, в воде 1 мг/л.
398
Глава 23. Амины
Триэтиламин (C2H5)3N получают взаимодействием этанола с аммиаком и восстанови-
тельным аминированием ацетальдегида. Бесцветная жидкость, т.кип. 89,7 °C, растворяется в
воде и этаноле. Применяют в производстве ускорителей вулканизации, ингибиторов корро-
зии, а также в качестве основного растворителя. Т. самовоспл. 510 °C. Слабо раздражает
слизистые оболочки дыхательных путей.
Этилендиамин (1,2-диаминоэтан) H2NCH2CH2NH2 получают взаимодействием 1,2-дихлор-
этана с аммиаком. Бесцветная жидкость, т.кип. 117,2 °C, растворяется в воде, этаноле, аце-
тоне. Применяют в производстве ПАВ, гербицидов, лекарств, инсектицидов, а также в каче-
стве присадки к моторным маслам. Т. самовоспл. 403 °C.Раздражает слизистые оболочки
верхних дыхательных путей и кожу, поражает печень. ПДК в воздухе 2 мг/м3, в воде 0,2 мг/л.
Пиперидин (CH2)5NH получают каталитическим гидрированием пиридина. Является
структурным фрагментом многих алкалоидов (лобелии, морфин, анабазин). Бесцветная
жидкость, т.кип. 106,3 °C, смешивается с водой, этанолом и диэтиловым эфиром. Применя-
ют для синтеза лекарственных средств, а также в качестве основного растворителя и компо-
нента смазочных масел.
Анилин C6H5NH2 получают каталитическим восстановлением нитробензола водородом.
Бесцветная жидкость, т.кип. 184,4 °C; растворим в воде (6% при 90 °C) и в органических рас-
творителях. Применяют в производстве N.N-диметиланилина, дифениламина, лекарствен-
ных средств, антиоксидантов, ускорителей вулканизации и фотоматериалов. ПДК 0,1 мг/м3.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Амин - производное аммиака, в котором один или несколько атомов водорода замеще-
ны углеводородными заместителями.
Алкалоид - амин природного (растительного) происхождения. Алкалоиды являются ос-
нованиями и, как правило, обладают физиологической активностью (см. разд. 23.6).
Восстановительное аминирование - получение амина при гидрировании смеси карбо-
нильного соединения и аммиака.
Габриэля реакция - синтез первичных аминов, основанный на алкилировании фталими-
да и последующем гидролизе N-алкилфталимида.
Гинсберга проба - реакция амина с бензолсульфохлоридом и последующее взаимодейст-
вие образовавшегося сульфамида с водным раствором щелочи.
Гофмана перегруппировка (гипогалогенитная реакция Гофмана) - реакция амида карбо-
новой кислоты со щелочным раствором галогена, в результате которой получают первич-
ный амин с укорочением углеродной цепи в нем на один атом.
Гофмана правило - в реакциях элиминирования четвертичных аммониевых оснований
преимущественно образуется менее замещенный алкен.
Енамин - продукт взаимодействия вторичного амина и карбонильного соединения, со-
провождаемого отщеплением воды. Аналог енола.
Имины - продукты взаимодействия альдегидов и кетонов с аммиаком и первичными ами-
нами.
Основания Шиффа - имины, образованные из ароматических аминов.
Четвертичные аммониевые соединения - аммониевые соли, в которых атомы водорода
замещены на углеводородные радикалы.
Эшвайлера - Кларка реакция - метилирование первичных или вторичных аминов дейст-
вием формальдегида и муравьиной кислоты.
Элиминирование по Коупу - получение алкенов в результате пиролиза оксида третично-
го амина; протекает по циклическому согласованному механизму.
Задачи
399
ЗАДАЧИ
Задача 23.1. Назовите следующие соединения по номенклатуре ИЮПАК.
СН3
a) CH3CH2-CH-NH2
С2Н5
CH3-N
СН2СН2СН3
хсн3
б) ch2=ch-ch2-n
СН(СН3)2
Задача 23.2. Барьеры инверсии для триметиламина и N-метилазиридина
ch3Xn.ch3 сн2 • :
I h2c-n-ch3
Crl3
составляют соответственно 6 и 19 ккал/моль. Предложите объяснение этому факту.
Задача 23.3. Укажите, при каком значении pH метиламин растворяется в воде, давая оди-
наковые концентрации CH3NH2 и CH3NH®.
Задача 23.4. Рассчитайте значение константы следующего равновесия в воде:
CH3NH2 + СН3СООН - CH3NH3® + СН3СОО®
Задача 23.5. Предложите способ разделения смеси бензойной кислоты, трипропиламина
и октана.
Задача 23.6. Завершите следующие реакции:
[ ° <ch3>2NH, СН2О СН31 Аё2О г
Н® . t°
Назовите промежуточные и конечный продукты по номенклатуре ИЮПАК. Предложите
механизмы этих реакций.
Задача 23.7. Предложите объяснение значениям рА^ сопряженных кислот следующих
ариламинов:
400
Гпава 23. Амины
Амин
5,12
Р^я(вн®) 4,62 5,0
6,1 - '
Задача 23.8. Отнесите значения рА"о 4,62; 5,34; 5,10; 4,65; 3,98; 1,74; 1,00 к следующим
замещенным анилинам:
H2N—X (X = Н, NO2 CN, СН3 OCH3i F, С1).
Задача 23.9. Отнесите значения рА"о 4,62; 5,25; 11,12 к следующим соединениям:
пиридин, пиперидин, анилин. Объясните ряд основности перечисленных аминов.
Задача 23.10. Предложите способ стереоспецифического превращения:
а) (Я)-2-пентанола в (5)-2-пентиламин;
б) (Я)-2-пентанола в (Я)-2-пентиламин. ,
Задача 23.11. Осуществите следующее превращение:
3-пентанон —> 2-метил-1-пентен-3-он.
Примените реакцию Манниха в качестве одной из промежуточных стадий.
Задача 23.12. Предложите удобный способ получения 1-аминометилциклогексана из
циклогексанона.
Задача 23.13. Напишите структурные формулы промежуточных и конечного продуктов.
Предложите механизм последней реакции.
QCH31 (изб.) Ag2O/H2O f° СН31 Ag2O to
H2O
1чн CH3
Задача 23.14. Напишите структурные формулы промежуточных и конечного продуктов.
Предложите механизм последней реакции. Назовите все соединения по номенклатуре
ИЮПАК с указанием конфигурации.
(15,2Я)-1 -дейтеро- 2 СН31 Н2О2* ;°
2-метилбутанамин
Задача 23.15. Завершите реакции. Назовите исходные соединения, промежуточные и ко-
нечный продукты. Определите конфигурацию каждого соединения.
Задачи
401
Задача 23.16. Покажите, как бензиламин можно получить из следующих соединений:
а) бензонитрил; д) бензальдегид;
б) бензамид; е) фенилнитрометан;
в) бензилбромид (два способа); ж) фенилацетамид.
г) бензилтозилат;
Задача 23.17. Покажите, как анилин можно превратить в каждое из следующих соедине-
ний (в ответах не следует повторять стадии, уже встречавшиеся в предыдущих частях задачи).
а) ацетанилид;
б) N-фенилфталимид;
в) и-нитроанилин;
г) сульфаниловая кислота;
д) М,М-диметиланилин;
е) и-броманилин;
ж) 2,4,6-триброманилин;
з) сульфаниламид;
и) бензолдиазонийхлорид;
к) бензолдиазонийтетрафторборат.
Задача 23.18. Предложите препаративный способ получения [З-аминопропионовой кис-
лоты из янтарного ангидрида.
Задача 23.19. Объясните протекание реакции
О
Покажите, какие промежуточные продукты при этом образуются.
Задача 23.20. Завершите превращения N-метилпиперидина. Покажите строение конеч-
ного и всех промежуточно образующихся продуктов.
NT CH3I Ag2O f СН31 AgjO f _
N-метилпиперидин ---------- —*-----------►------—- —- -----------
H2O H2O
Задача 23.21. Завершите следующие реакции. Назовите промежуточные и конечный
продукты. Напишите их структурные формулы.
H2SO4, (конц.) NaOH Н3О® г HNO3
г° 320 °C (СН3СООН)
Fe, NH4CI (СН3СО)2О
(Н2О) "
Задача 23.22. На основе ретросинтетического анализа предложите схему синтеза препа-
рата «диэтилпропиона» (синоним «фепранон»), эффективно снижающего аппетит и способ-
ствующего лечению ожирения.
диэтилпропион
402
Глава 23. Амины
Задача 23.23. Завершите следующую реакцию. Назовите ее продукт по номенклатуре
ИЮПАК. Укажите его конфигурацию.
z г>\ п NaOH, Вг2
(к)-2-метилбутанамид--------=*•
Задача 23.24. На основе ретросинтетического анализа предложите препаративную схему
синтеза гербицида «напроанилид». Анилин, 2-нафтол и пропановая кислота могут быть при-
менены в качестве реагентов.
NHC6H5
напроанилид
Задача 23.25. Завершите следующие реакции. Назовите конечный и промежуточный
продукты по номенклатуре ИЮПАК. Укажите их конфигурацию.
фталимид
(Х)-1-хлор-2-бутен ^”A)»
h2nnh2
(этанол)
Задача 23.26. Применив в качестве реагента нитрит натрия и соляную кислоту, предпо-
ложите продукты превращения следующих соединений под действием этого реагента:
а) л4-нитроанилин;
б) 2,6-диметилпиперидин;
в) N.N-диметиланилин.
(к задаче 23.29)
Задачи
403
(к задаче 23.29)
(к задаче 23.30)
404
Глава 23. Амины
Рис. 23.5. ПМР-спектр амина
(к задаче 23.30)
Задача 23.27. Применив анилин в качестве исходного реагента, предложите препаратив-
ную схему получения 1,3-дибром-2-иод-5-нитробензола.
Задача 23.28. В ИК-спектре амина C6H]5N в области 3500-3200 см-1 отсутствует погло-
щение. В спектре ПМР этого соединения присутствуют два синглета (§] 1,00 и §2 2,10 м.д.) с
соотношением интенсивностей 3:2. Определите строение амина.
Задача 23.29. При взаимодействии 1-бромпентана с аммиаком были синтезированы ве-
щества А и Б. Из уксусного ангидрида и А было получено вещество В, а из уксусного анги-
дрида и Б было получено вещество Г. ИК-спектры В и Г приведены на рис. 23.2 и 23.3. Оп-
ределите строение соединений А-Г.
Задача 23.30. Определите строение амина, ИК- и ПМР-спектры которого приведены на
рис. 23.4 и 23.5. Молекулярная масса амина 149.
23.6. Биогенные амины. Нейромедиаторы и нейротоксины
405
23.6. БИОГЕННЫЕ АМИНЫ.
НЕЙРОМЕДИАТОРЫ И НЕЙРОТОКСИНЫ
К биогенным аминам, в первую очередь относят природные соединения
растительного происхождения. Легкость, с которой амины могут быть экс-
трагированы водной кислотой, а затем выделены в чистом виде при подще-
лачивании экстракта, явилась причиной того, что природные соединения,
содержащие аминогруппы, были выделены и изучены ранее других соеди-
нений. Основные свойства природных аминов послужили причиной их на-
звания - «алкалоиды» (от англ, «alkali-like»). В настоящее время известно
более 5 тысяч алкалоидов. Подавляющее большинство из них характеризу-
ется высокой биологической активностью.
Наиболее известными из них являются хинин, кокаин, морфин и нико-
тин.
кокаин
(стимулятор центральной
нервной системы,
выделен из растения "кока")
кониин
(алкалоид, которым
по преданию был
отравлен Сократ)
хинин
(алкалоид, выделенный из коры
хинного дерева, применяется
при лечении малярии)
никотин
(алкалоид, содержащийся
в табаке; высокотоксичное
вещество, иногда применяемое
как инсектицид)
морфин
(прекрасный анальгетик; его применение,
однако, ограничено из-за наркотического
эффекта; диацетат морфина известен как
героин)
Некоторые амины вырабатываются живыми организмами и также отно-
сятся к биогенным аминам. Они играют важную роль в биохимических про-
цессах. В частности, некоторые амины известны в биологии животных как
нейромедиаторы. С нейромедиаторами мы уже познакомились
406
Глава 23. Амины
в разд. 16.8. Эти соединения обеспечивают передачу нервного сигнала. Сре-
ди них наиболее важными являются ацетилхолин и адреналин.
О СН3
II ©I п
CH3-C-OCH2CH2-N-CH3sOH
сн3
ацетилхолин . адреналин
(гормон, вырабатываемый
в организме в моменты повышенного
нервного возбуждения)
Чтобы лучше понять, в чем состоят биохимические функции аминов в
животных организмах, следует познакомиться с тем, как «работает» вегета-
тивная нервная система.
Вегетативная нервная система подразделяется на парасимпатическую и
симпатическую. Нервы парасимпатической системы начинаются от клеток
стволовой части головного мозга и крестцовой части спинного мозга. Сим-
патические нервы исходят из клеток отделов спинного мозга.
Место контакта одной нервной клетки с другой или с исполнительным
органом называется синапсом. В этом месте при поступлении нервного
сигнала и выделяется нейромедиатор - посредник, который реализует соот-
ветствующий контакт и передачу нервного сигнала. В синапсах парасимпа-
тической нервной системы выделяется ацетилхолин, в синапсах симпатиче-
ской нервной системы - норадреналин.
Объемы выделяемых нейромедиаторов (называемых также и нейротранс-
миттерами) невелики. Ацетилхолин, например, выделяется дозами, каждая
из которых содержит около 10 000 молекул. Эти молекулы распределяются
по синаптической щели так, что сигнал достигает рецептора. Воздействие
ацетилхолина на рецептор вызывает соответствующий физиологический от-
вет, после чего трансмиттер подвергается разрушению. Ацетилхолин гидро-
лизуется под действием фермента ацетилхолинэстераза (АХЭ).
О
II © „ АХЭ
СН3-С-ОСН2СН2К(СНз)з °ОН + Н2О <......—
ацетилхолин
< СН3СООН + HOCH2CH2N(CH3)3°OH
уксусная холин
кислота
При нормальном функционировании нервной системы гидролиз
«отработавшего» ацетилхолина должен проходить в течение нескольких
миллисекунд. Это является непременным условием принятия следующего
нервного сигнала.
23.6. Биогенные амины. Нейромедиаторы и нейротоксины
407
Биохимический эффект ацетилхолина заключается в том, что его присо-
единение к рецептору открывает канал для прохождения ионов Na® и К® че-
рез мембрану клетки, что ведет к деполяризации мембраны. Блокирование
действия ацетилхолина чревато серьезными проблемами, вплоть до смер-
тельного исхода. Именно в этом заключается биохимическое действие
нейротоксинов. Ниже показаны структуры двух наиболее сильных нейро-
токсинов - хистрионикотоксина и хлорида £>-тубокурарина. Как и ацетил-
холин, молекула £)-тубокурарина содержит аммониевые фрагменты. Она
блокирует место присоединения ацетилхолина к рецептору, исключает пе-
редачу нервного сигнала, предотвращает перенос ионов через мембрану.
Создается ситуация, называемая параличом живой системы.
Нейротоксические свойства ряда биогенных аминов не исключают, од-
нако, их успешного медицинского применения в хирургических операциях,
например для снятия напряжений в мускулатуре.
хистрионикотоксин
но
О-тубокураринхлорид
К диазосоединениям относят вещества, содержащие группировки
-N2X или =N2, которые связаны с одним атомом углерода углеводородно-
го заместителя.
24.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
В зависимости от строения группы -N2- различают следующие диазосо-
единения:
соли диазония, которые содержат диазониевую группу (диазогруппа)
©
—№n:,
диазопроизводные общего строения
R-X-N-X.
диазоалканы общего строения
R<
,CN2
R
Наибольшее препаративное значение имеют ароматические соли диазо-
ния. Им приписывают ионное строение и общую формулу
© ©
Аг- N2X.
Анионом Xе может быть анион сильной кислоты (например, С1е, Вге,
Iе, HSO®) или комплексный анион (например, FeCl®, BF®,).
Ниже даны примеры ароматических солей диазония и их названия.
24.2. Ароматические соли диазония
409
c6h5-n2®cis
бензолдиазоний-
хлорид
no2
bf4
n-нитробензолдиазоний-
тетрафторборат
1 -нафталиндиазоний-
гидросульфат
Ароматические диазосоединения общей формулы
Ar-N=N-X
имеют ковалентное строение. Фрагментом X могут служить различные
функциональные группы. В качестве примера показаны диазосоединения с
гидрокси-, ацетокси- и цианогруппой.
Ph-N=N-OH
бензолдиазогидрат
Ph-N=N-O-C-CH3
II
О
бензолдиазоацетат
Ph-N=N- CN
бензолдиазоцианид
24.2. АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЛИ ДИАЗОНИЯ
24.2.1. Способы получения
Как уже отмечалось в гл. 23, ароматические соли диазония получают ре-
акцией диазотирования - взаимодействием первичных ароматических ами-
нов с натриевой солью азотистой кислоты в присутствии минеральной кис-
лоты. Общее уравнение реакции диазотирования имеет вид:
ArNH2 + NaNO2 + 2HCI ArN2®Cl® + NaCl + 2Н2О.
При использовании в качестве минеральной кислоты соляной кислоты
диазотирование протекает следующим образом.
На первой стадии при взаимодействии нитрита натрия с соляной кислотой
образуется азотистая кислота.
NaNO2 + НС1 ---► HNO2 + NaCl.
В солянокислой среде азотистая кислота превращается в нитрозилхлорид,
который и является диазотирующим агентом.
410
Глава 24. Диазосоединения
........ & I .. .. а® б.®.^5©
н—о—N—о: + Н - н—о—N=o: =г=* Cl—N=O + Н2О
азотистая © нитрозилхлорид
кислота
Собственно диазотирование протекает по следующей схеме:
"А8.®
Ar—NH2 + N=O
ариламин (А.
-С1®
н
©I ..
Ar—N—N=O
Н
нитрозилхлорид
Аг—N—N=o:
N-нитрозо-
ариламин
Ar— N=N— ОН
арендиазогидрат
Н© . (~*.®
----- Ar—N=N—О—Н
I
Н
Ar—№N:C1
арендиазоний-
хлорид
В отличие от алифатических диазоний-ионов ароматические диазоний-
ионы стабилизированы сопряжением диазониевой группы с ароматическим
ядром (см. ниже). Вследствие этого при 0-5 °C (а в виде солей с комплекс-
ными анионами - и при комнатной температуре) они являются вполне
устойчивыми соединениями.
Как видно из схемы, первичный амин вступает в реакцию диазотирова-
ния в свободном состоянии, а не в виде соли, с которой в кислой среде он на-
ходится в равновесии. .
ArNH2 + НС1 —ArNH3® + Cl®
На практике при проведении реакции диазотирования соблюдают следу-
ющие условия:
1) реакцию проводят при 0-5 °C, поскольку при более высокой темпера-
туре происходит разложение азотистой кислоты и соли диазония.
ArN2®Cl® + Н2О —ArOH + N2 + НС1;
2) применяют избыток минеральной кислоты (~2,5-3 моль на 1 моль
амина), при недостатке кислоты наблюдается образование диазоаминосо-
единений.
Ar—NH2 + ClN2Ar
ArNH- N=N-Ar + HC1;
3) окончание диазотирования определяют по наличию избытка HNO2 с
помощью иодкрахмальной бумаги.
24.2. Ароматические соли диазония
411
2 К1(+ крахмал) + 2 HNO2 + 2 НО -
----► 2КС1 + I2 + 2Н2О + 2NO.
синее окрашивание
крахмала
24.2.2. Физические свойства и строение
Строение ионов диазония, например иона бензолдиазония, выражается
следующим набором резонансных структур:
Структуры А-Г вносят наибольший вклад в резонансную стабилизацию
арендиазониевого иона. В соответствии с этим фрагмент C-^N имеет ли-
нейное строение.
Соли диазония обычно применяют в виде водных растворов, так как в су-
хом виде они взрывоопасны. Водные растворы солей диазония нейтральны,
поскольку эти соединения являются солями сильных оснований и сильных
кислот.
Гидроксид диазония получают действием влажного гидроксида серебра
на раствор соли диазония.
c6h5-n=n:cis + а§он ------------- c6h5-n=n: ohq + Agci|.
бензолдиазоний-
гидроксид (pH 7)
Бензолдиазонийгидроксид - очень неустойчивое соединение. Он быстро
перегруппировывается в диазогидрат, который является ОН-кислотой. С
избытком NaOH диазогидрат дает соль, называемую диазотатом.
412
Глава 24. Диазосоединения
СбН5— n=n: ci® с6н5—n=n:°oh . с6н5—n=n—
бензолдиазоний- бензолдиазоний- бензолдиазогидрат
хлорид гидроксид (пассивная форма
(активная форма диазосоединения)
диазосоединения)
----СбН5—N^N-^p’:0Na® С6Н5 —NH—N=’d: • C6H5—N=N: Cl®
бензолдиазотат натрия N-нитрозоанилин
(неактивная форма
диазосоединения)
Как показывают представленные превращения, арендиазониевые ионы
можно рассматривать как двухосновные кислоты.
Ar-N=N + 2 Н2О ...К' - Ar—N=N—ОН + Н3О®
Ar-N=N-OH + Н2О ....Кг ' Ar-N=N-O® + Н3О®
Поскольку К2 » Кр арендиазогидрат находится в равновесной смеси в
весьма незначительном количестве. В целом, форма ароматического диазо-
соединения зависит от концентрации протонов в растворе.
В кислом и нейтральном растворах равновесие смещено в сторону иона
диазония, в щелочном растворе - в сторону диазотата.
Ионы арендиазотатов, как и других соединений, содержащих C=N- и
N=N-cbh3h, могут существовать в син- и анти-формах. При подщелачива-
нии соли арендиазония сначала образуется син-форма, которая медленно
перегруппировывается затем в более стабильную анти-форму.
24.2.3. Реакции
Реакции ароматических солей диазония с выделением азота
Препаративное значение ароматических солей диазония столь велико,
что некоторые химики называют их «реагентами Гриньяра» в химии арома-
тических соединений.
24.2. Ароматические соли диазония
413
Ряд реакций ароматических солей диазония протекает с разрывом связи
Ar-N2. Этот разрыв проходит как гетеролитически, так и гомолитически,
сопровождается замещением диазониевой группы и введением нового заме-
стителя в ароматическое ядро.
Замена диазогруппы на гидроксигруппу
Замещение диазогруппы на гидроксигруппу представляет собой реак-
цию нуклеофильного замещения у ароматического атома углерода и фор-
мально может рассматриваться как гидролиз соли диазония.
Если водный раствор соли бензолдиазония подкислить разбавленной
серной кислотой и нагреть, то диазосоединение разлагается с выделением
азота и образованием фенола.
Ar-N^N HSO® + Н2О —ArOH + N2 + H2SO4.
Реакция идет с промежуточным образованием фенил-катиона.
+ HSO4°,
бензолдиазоний-
гидросульфат
Реакция имеет, таким образом, внешнее сходство с мономолекулярным
нуклеофильным замещением в алифатическом ряду Swl. Скорость этой ре-
акции пропорциональна только концентрации соли бензолдиазония.
W = h [C6H5N2® HSO40],
Особенность строения фенил-катиона заключается в том, что его ва-
кантная орбиталь 5/?2-гибридизована, ориентирована в плоскости бензоль-
ного кольца и не может поэтому находиться в сопряжении с его л-электрон-
ной системой.
вакантная орбиталь
414
Глава 24. Диазосоединения
Такой катион крайне неустойчив и своим образованием обязан элиминированию
чрезвычайно стабильной молекулы азота при распаде иона бензолдиазония.
Доказательством образования фенил-катиона в качестве промежуточ-
ной частицы может служить его взаимодействие с любым нуклеофильным
реагентом, присутствующим в растворе. Так, продуктами разложения бен-
золдиазония в водном метиловом спирте являются фенол и его метиловый
эфир - анизол. В присутствии хлорид-иона среди продуктов реакции обна-
руживается хлорбензол.
хлорбензол
Именно поэтому диазотирование ариламина при замене аминогруппы на
гидроксигруппу проводят не в соляной, а в серной кислоте. Гидросульфат-
ион - значительно более слабый нуклеофил по сравнению с хлорид-ионом
и не может конкурировать с водой в реакции с фенил-катионом.
ж-нитроанилин ж-нитробензолдиазоний-
гидросульфат
Замещение диазогруппы на иод
Если в диазорастворе присутствует такой сильный нуклеофил, как
иодид-ион, диазогруппа гладко замещается на атом иода. Замена N2 —> I в
этом случае не сопровождается побочными процессами и в присутствии
хлорид-ионов.
анилин иодбензол
Эта реакция не осложняется также и образованием фенола.
24.2. Ароматические соли диазония
415
Введение группы SH
Обработка водного раствора соли арендиазония этилксантогенатом
калия при умеренном нагревании ведет к гладкому образованию S-арил-
О-этилксантогената, гидролиз которого с препаративным выходом дает
соответствующий тиофенол.
NaNO2
НС1
0-5 °C
л-толуидин
S
II
KS-C-OC2H5
40-50 °C
и-толуол-
диазонийхлорид
II
S-C-OC2H5
Ф1.КОН(водн.)г
2. Н3О®
СНз
З-(л-толил)-
О-этилксантогенат
н-тиокрезол
Замещение диазогруппы на фтор и нитрогруппу
По-видимому, также с промежуточным образованием арил-катиона проте-
кает замещение диазогруппы на фтор (реакцияШимана, 1927 г.). Реакцию про-
водят термическим разложением твердого тетрафторбората арендиазония.
тетрафторборат
бензолдиазония
бензолдиазоний- фенил-катион фторбензол
тетрафторборат
416
Глава 24. Диазосоединения
Арендиазонийтетрафторбораты интересны тем, что являются вполне
устойчивыми солями диазония. Их можно выделять в индивидуальном виде
и хранить, не опасаясь их разложения.
Если суспензию арендиазонийтетрафторбората в водном растворе нит-
рита натрия обработать металлической медью (порошок), с препаративным
выходом получают нитроарен.
NaNOa (води.)
Си-порошок
n-хлоранилин л-хлорбензол-
диазоний-
тетрафторборат
п-нитрохлор-
бензол
Замещение диазогруппы на хлор, бром, циангруппу
(реакция Зандмейера)
Некоторые реакции замещения диазогруппы имеют радикальный меха-
низм. Т. Зандмейером было обнаружено, что в присутствии солей однова-
лентной меди происходит замещение диазогруппы на Cl, Вг, CN (реакция
Зандмейера, 1884 г.).
CU2C12
C6H5N2®C1®
Cu2Br2
Cu2(CN)2
С6Н5С1 + n2
С6Н5Вг + N2
c6h5-c=n +
n2
Ион меди является переносчиком электронов и обеспечивает радикальный
характер процесса.
С6Н5— N=nP+X,Cu®----►|С6Н5^№К:Г--------► С6Н5* + :N=N: + Си2®,
С6Н5’ + :ci: + Си2® ----- С6н5—Ci: + ’Си®.
Радикальный механизм реакции подтверждается и тем, что в качестве по-
бочных продуктов в ходе реакции отмечено образование биарилов и азоаренов.
С6Н5’ + С6Н5* ----► С6Н5-С6Н5,
C6H5N2* + С6Н5*---► c6h5-n=n-c6h5.
24.2. Ароматические соли диазония
417
Хотя радикальные реакции, как правило, малочувствительны к электрон-
ным эффектам заместителей, отмечено, что электроноакцепторные замес-
тители в ионе арендиазония увеличивают скорость реакции Зандмейера.
Обратите внимание! Перемещение не пары, а лишь одного электрона
принято обозначать стрелкой “
В лабораторной практике эту реакцию проводят, постепенно добавляя
холодный раствор соли арендиазония к горячему раствору хлорида однова-
лентной меди. Реакция разложения соли диазония в присутствии Cu2(CN)2
идет на холоду, а в присутствии бромида одновалентной меди - при комнат-
ной температуре.
Замена диазогруппы на водород (реакция дезаминирования)
Диазогруппа может быть замещена на водород действием этанола на
соль диазония при нагревании.
c6h5n2®ci® СНзуон СбНб + N2 + Сн3-с*° + НС1.
Н
Процесс идет с промежуточным образованием фенил-катиона, что под-
тверждается, в частности, образованием значительных количеств фенетрла.
® z°
C6H5N=NC10 СНзУ0Н. С6Н5ОС2Н5 + С6Нб + НС1 + сн3-с'
фенетол Н
Реакция дезаминирования проходит более гладко при действии спирта в
присутствии ацетата натрия. В этом случае реакция идет с участием свобод-
ных радикалов.
C6H5N2®C1® + NaOAc ------► NaCl + C6H5-N=N-OAc.
бензолдиазоацетат
Стадия 1 - инициирование цепи:
С6Н5—N=N—ОАс -------► С6Н5* + N2 + *ОАс.
Стадия 2 - развитие цепи:
S'
С6Н5* + СНзСНОН -------- с6н6 + сн3—сн—он,
c6h5-^n=n + сн3—сн—он----------- С6Н5 + N2 + сн3—Сч + н®.
418
Глава 24. Диазосоединения
Удобнее проводить восстановление солей диазония в водном растворе
фосфорноватистой кислоты Н3РО2. Реакция идет с хорошим выходом даже
на холоду и требует значительного избытка Н3РО2.
Ar-N=NC1® HSvo° ArH + N2 + HC1 + H3PO3.
1U—Zj J
Эта операция позволяет удалить аминогруппу из первичного амина по-
сле того, как была выполнена соответствующая синтетическая задача
(отсюда название реакции - дезаминирование). Этот прием часто использу-
ют в синтезах замещенных аренов, например при получении 1,3,5-трибром-
бензола из анилина:
1,3,5-трибромбензол
и 2,4,6-трибромбензойной кислоты из .м-аминобензойной кислоты:
ж-амино-
бензойная
кислота
СООН
Вг
3-амино-2,4,6-трибром-
бензойная кислота
2,4,6-трибром-
бензойная кислота
Замещение диазогруппы на фрагмент арена
Замещение диазогруппы в ароматической соли диазония на остаток аре-
на называют реакцией арилирования. Диазотирование ароматического
24.2. Ароматические соли диазония
419
амина при этом проводят обычным способом, но применяют минимальное
количество воды. Диазораствор подщелачивают и полученный концентри-
рованный водный раствор размешивают при О °C с добавлением жидкого
ароматического углеводорода (реакция Гомберга-Бахмана, 1924 г.).
.и-толуидин
NaNO2f NaOH
НС1 бензол, 0-5 °C
3-метилбифенил
Выходы целевых биарилов в этой реакции невысоки. Однако она представ-
ляет препаративный интерес вследствие доступности исходных реагентов.
Реакция идет с промежуточным превращением иона диазония в радикал.
Поэтому попытка получить 3-метилбифенил диазотированием анилина и
последующим взаимодействием бензолдиазония с толуолом оказывается
неудачной. В полном соответствии со свободнорадикальным механизмом
эта реакция арилирования не является региоселективной. жета-Изомер
присутствует в реакционной смеси, наряду с о- и н-метилбифенилами.
Реакции ароматических солей диазония без выделения азота
Восстановление солей арендиазония до арилгидразинов
В лабораторных условиях ароматические арилгидразины удобно полу-
чать восстановлением солей арендиазония хлоридом олова(П).
л-хлорбензол-
диазонийхлорид
+ NaCl + Н2О.
и-хлорфенил-
гидразин
При наличии в ароматическом фрагменте нитрогрупп восстановление
проводят сульфитом натрия, поскольку хлорид олова(П) способен восста-
420
Глава 24. Диазосоединения
навливать и нитрогруппу.
н-нитробензол-
диазонийхлорид
н-нитрофенилгидразин
В конечной реакционной смеси продукт присутствует в виде арилгидра-
зиндисульфокислоты, которую гидролизуют в соляной кислоте. В препара-
тивных целях соли бензолдиазония восстанавливают смесью сульфита и ги-
дросульфита натрия. Процесс включает несколько стадий и идет по следу-
ющей схеме:
SO3Na
Ar-N=N Cl® Na2S°3- Ar-N=N-SO3Na --S°3» Ar-N—NHSO3Na
арендиазоний- арендиазосульфонат ди-Иа-соль
хлорид , натрия N.N'-арилгидразин-
дисульфокислоты
-----«- Ar-NH-NHSO3H —® ArNHNH2.
N-арилгидразин- арилгидразин
моносульфокислота
По этому методу можно получать арилгидразины, содержащие в аромати-
ческом ядре различные заместители: галогены, нитрогруппы, карбокси- и
сложноэфирные группы.
Реакция азосочетания
Важную в практическом отношении группу реакций ароматических ди-
азониевых солей составляют реакции ароматического замещения, приводя-
щие к образованию ароматических азосоединений. В этих реакциях диазо-
ниевые соли выступают в качестве электрофильного агента.
Поскольку положительный заряд в арендиазоний-ионе делокализован
по системе л-связей, включая ароматическое кольцо, то электрофильность
такого катиона невелика. Вследствие этого ион арендиазония может всту-
24.2. Ароматические соли диазония
421
пать в реакции электрофильного замещения только с соединениями, содер-
жащими сильные электронодонорные заместители, например О®-, ОН- и
NR2-rpynnbi, т. е. с феноксид-ионами, фенолами и аминами.
|М|»|7|
Как гидрокси-, так и аминогруппы повышают электронную плотность в
ароматическом кольце и тем самым облегчают реакцию даже со слабыми
электрофильными реагентами, к числу которых относят и ионы арендиазо-
ния. Реакции электрофильного ароматического замещения солей аренди-
азония называют реакциями азосочетания. Ароматические субстраты
(амины и фенолы) выступают в этих реакциях в качестве азосоставляющих.
-нх
[Y = N(CH3)2, ОН].
В случае очень активной соли диазония сочетание может происходить и с
анизолом (Y = ОСН3).
Для каждой реакции азосочетания имеется оптимальное значение pH. В
частности, наибольшая скорость азосочетания для фенолов наблюдается
при pH 8-10. При этом значении pH фенол существует в виде феноксид-
иона, а отрицательно заряженный атом кислорода является значительно
более эффективным донором электронов по механизму сопряжения, неже-
ли гидроксигруппа.
При pH 4-8 в растворе имеется значительное количество свободного
амина. По этой причине в данном интервале pH наблюдается наиболее вы-
сокая скорость азосочетания с участием ариламинов в качестве азосостав-
ляющей.
При pH > 10 скорость азосочетания мала как для аминов, так и для фе-
нолов. Это обусловлено превращением солей диазония в диазогидраты и
диазотаты, которые не имеют электрофильных свойств.
Таким образом, для сочетания аминов наиболее благоприятной является
слабокислая и нейтральная среда (pH 4-8), для фенолов - умеренно-щелоч-
ная среда (pH 8-10).
Механизм азосочетания представляет собой электрофильное аромати-
ческое замещение.
422
Глава 24. Диазосоединения
Реакция азосочетания с амином идет по схеме
Реакция азосочетания с феноксид-ионом протекает аналогично.
На активность арендиазоний-иона значительное влияние оказывают за-
местители, находящиеся в ароматическом ядре. Электроноакцепторные за-
местители повышают его электрофильность, а следовательно, и актив-
ность в азосочетании.
снижение активности в реакции азосочетания
Азосочетание имеет важное промышленное значение, поскольку обра-
зующиеся азосоединения интенсивно окрашены и широко используются в
качестве красителей.
24.3. ДИАЗОАЛКАНЫ
В разд. 23.4.4 мы уже отмечали неустойчивость алкандиазониевых ионов
и их малую ценность для препаративного органического синтеза. Однако
при наличии протона у углеродного атома, связанного с диазогруппой,
24.3. Диазоалканы
423
алкандиазониевый ион может превращаться в другое диазосоединение -
диазоалкан.
Н
I © .°. ©
r2c-n=n: —s* r2c-n=n
z -Н®
Диазоалканы представляют собой двухзарядные ионы, вполне устойчи-
вые при низких температурах, которые широко используются в синтетиче-
ских целях.
24.3.1. Способы получения
В препаративных целях диазоалканы получают взаимодействием нитро-
зоамидов карбоновых и сульфоновых кислот с сильными основаниями. Ни-
же в качестве примера приведен ряд способов получения диазометана:
а) действием этилата натрия на М-метил-М-нитрозоамид и-толуолсуль-
фокислоты:
СНз q £
h-CH3C6H4SO2NNO C2Hs° > c’h2-N=N: + h-CH3C6H4SO3® Na® + Н2О;
М-метил-М-нитрозо- диазометан
амид л-толуолсульфокислоты
б) действием раствора щелочи на И-метил-М-нитрозокарбамат:
/ОС2Н5
О=с—-х
К
сн3-Ny
• • №
• •
этил-1Ч-метил-
N-нитрозокарбамат
(®ОН)
Н СК
|—\ IP
CH2vN=N-O-C-OC2H5
ch2=n=n: + с2н5осооэ + н2о;
диазометан
в) действием раствора щелочи на М-метил-И-нитрозоамид карбоновой
кислоты:
/С2Н5 Н СК
О=С*~< 5 |-х _ |Р ©он
CH3-N /б дат ch?-n=n-^c-c2h5
N-метил-М-нитрозоамид
пропионовой кислоты
424
Глава 24. Диазосоединения
------- CH2=N=S: + С2Н5СОО® + Н2О;
г) действием 30%-го водного раствора гидроксида натрия на бис(14-ме-
тил-N-нитрозоамид) терефталевой кислоты:
°* //°
NO ON
сн3-N- с-С6н4-с-N- СНз 2Na0H>
бис(М-метил-М-нитрозоамид) J
терефталевой кислоты
------- 2 CH2N2 + NaOOC-С6Н4—COONa + 2 Н2О. '
По этому способу - одному из наиболее ценных в препаративном отноше-
нии - выход диазометана достигает 90%.
24.3.2. Реакции
Электронное строение диазометана представляют в виде следующего
набора резонансных структур:
.°. .. © .°. © © © © .. ©
ch2-n=n: -—- ch2-n=n: -—- ch2=n=n: -—► ch2-n=n:
Характер резонансных структур указывает на значительную делокали-
зацию зарядов в этой частице.
Диазометан является мягким алкилирующим агентом. Его применение
позволяет эффективно метилировать карбоновые и минеральные кислоты,
фенолы. Диазометан при этом является карбеноидной частицей, которая
генерирует карбен в ходе реакции.
zP ZOH ft, ® ...
R-CH2-C -S-* он карбоновая кислота Г © хосн —► r-ch2-c\ он R- сн2-С г он з /ОСНз /ОСНз -R сн2 с. -^©~R сн2 с. ОН О ® метиловый эфир карбоновой кислоты
24.3. Диазоалканы
425
Частица карбена может внедряться в С-С-связи, а также присоединять-
ся по кратным связям.
циклогексанон циклогептанон метилен-
(65%) циклогексан-
оксид (примесь)
Реакции циклоприсоединения
Диазометан и другие диазоалканы обнаруживают также реакции, харак-
терные для 1,3-диполярных соединений (см. подробнее об этих реакциях в
разд. 5.4).
Реакция с диметил-2,3-диметилмалеатом:
сн3
сн3~СООСНз
СООСНз
.°. ©
+ CH2-N=N:
СН/
N=N
Н2С
СН3
СООСНз
н с -т
СООСНз + n2.
СН3ООС
Реакция с диметил-2,3-диметилфумаратом:
СН3
CH3OOC^7=:::=^~COOCH3
сн3
.°. ©
+ ch2-n=n:
hv или r°
Н2С./СНз
СН3ООС.^СООСНз + N2’
сн3
426
Глава 24. Диазосоединения
Как видим, реакция протекает стереоспецифично как спн-присоедине-
ние. Термолиз (или фотолиз) промежуточно образующегося аддукта -
производного пиразолина - с хорошим выходом дает соответствующий
циклопропан.
24.3.3. Реакция Арндта-Эйстерта
Диазометан гладко реагирует с хлорангидридами карбоновых кислот с
образованием а-диазокетонов.
/°
R-C' + 2 CH2N2
Cl диазометан
хлорангидрид
II .°. ©
r-c-ch-n=n: + ch3ci + n2
а-диазокетон хлорметан
В качестве растворителя применяют высококипящий спирт (бензиловый
спирт, 2-октанол и т. д.).
а-Диазокетоны значительно стабильнее диазоалканов, поскольку возмож-
на их дополнительная резонансная стабилизация с участием С=О-группы.
II .°. ©
r-c-ch-n=n:
• •
I ©
r-c=ch-n=n:
• •
Тем не менее и диазокетоны отщепляют азот при их нагревании до
160-180 °C в высококипящем спирте (бензиловый спирт, 2-октанол) в при-
сутствии катализатора [соль серебра Ag(I)] или при облучении.
О
II © © Ag®
r-c-ch=n=n: —r-ch=c=o + n2.
а-диазокетон алкилкетен
Гидролиз алкилкетена с количественным выходом дает карбоновую кис-
лоту, содержащую более длинную углеродную цепь по сравнению с исход-
ным хлорангидридом.
/О
R—СН=С=О + Н2О -----------► R— СН2-С\
алкилкетен он
карбоновая кислота
Превращение карбоновой кислоты в ее ближайший гомолог взаимодей-
ствием хлорангидрида с диазометаном, перегруппировка образовавшегося
Задачи
427
диазокетона в кетен и превращение последнего в кислоту получили назва-
ние «реакция Арндта-Эйстерта» (1927 г.)
Стадия превращения диазокетона в кетен имеет самостоятельное значе-
ние и носит название «перегруппировка Вольфа» (1912 г.).
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Азосоединенне - органическое соединение, которое содержит азогруппу -N=N-, связан-
ную с двумя углеводородными заместителями.
Арндта - Эйстерта реакция - реакция удлинения цепи углеродных атомов карбоновой
кислоты на один углеродный атом с использованием диазометана.
Диазосоединение - органическое соединение, которое содержит группу -N=N-X или
=N2, связанную с одним атомом углерода углеводородного заместителя.
Диазония соль - органическое соединение, которое содержит диазониевую группу, свя-
занную с углеводородным заместителем.
Дназотнрованне - взаимодействие первичных ароматических аминов с нитритом натрия
в присутствии минеральной кислоты.
Запдмейера реакция - замещение диазогруппы на С1, Вг или CN-группу в присутствии со-
лей одновалентной меди.
ЗАДАЧИ
Задача 24.1. Предложите, каким образом бензойную кислоту можно превратить в фенил-
уксусную кислоту.
Задача 24.2. Покажите схему превращений, которые претерпевает анилин в условиях ре-
акции диазотирования с последующим изменением pH диазораствора от 3 до 10.
Задача 24.3. Какую минеральную кислоту следует применить для превращения «-толуи-
дина в н-крезол по реакции замещения диазогруппы на гидроксигруппу. Напишите соответ-
ствующие реакции. , .
Задача 24.4. В каких превращениях бензолдиазоний-иона в качестве промежуточной части-
цы выступает фенил-катион? Приведите реакции, согласующиеся с фактом его образования.
Задача 24.5. Приведите примеры реакции Зандмейера. Какую роль в этой реакции вы-
полняют частицы катализатора? Напишите реакции, подтверждающие ее механизм.
Задача 24.6. Предложите оптимальный способ превращения л-толуиловой кислоты в
4-метил-2-хлорбензойную кислоту. . : .
СООН соон
л-толуиловая 4-метил-2-хлор-
кислота бензойная кислота
428
Глава 24, Диазосоединения
Задача 24.7. Предложите оптимальный способ превращения 14С-бензойной кислоты в
14С-и-нитробензойную кислоту.
UCOOH 14СООН ; f.:
0--ф
14С-бензойная Aq ' .
кислота ..
С-и-нитробензойная
кислота
Задача 24.9. Предложите оптимальную схему синтеза из и-нитроанилина следующих со-
единений:
а) 3,4,5-триброманилина; в) 3,5-дихлоранилина;
б) 2,6-дихлор-4-нитроанилина; г) и-ацетамидофенола.
Задача 24.10. Предложите оптимальные схемы следующих превращений:
а) и-фторацетофенона из бензола;
б) 3,5-диметил-2-фтор-1-хлорбензола из .и-ксилола;
в) 2-/пре/п-бутилхлорбензола из бензола;
г) и-(диметиламинометил)бензонитрила из бензола.
Задача 24.11. Завершите следующую реакцию:
СН3СОСН2СООС2Н5 --H5N2 — °0Н»
Напишите резонансные структуры продукта.
Задача 24.12. Почему бензолдиазоний-ион рассматривается в качестве активной формы,
бензолдиазогидрат - в качестве пассивной формы, а бензолдиазотат - в качестве неактив-
ной формы диазосоединения? Напишите взаимные превращения названных частиц.
24,4. Механизмы вкуса и запаха. Сладкие органические вещества
429
24.4. МЕХАНИЗМЫ ВКУСА И ЗАПАХА.
СЛАДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
В нашем организме имеются специфические рецепторы, способные раз-
личать органические вещества, обладающие вкусом или запахом. Меха-
низмы вкуса и запаха в основных чертах аналогичны механизму действия
некоторых лекарств. Неудивительно, что среди этих механизмов наиболее
подробно изучен механизм действия сладких веществ. Именно проба слад-
кого позволяет каждому на собственном опыте убедиться:
- каким образом то или иное органическое вещество действует на наши
рецепторы;
- каким образом эти рецепторы могут достигать «насыщения», когда
увеличение степени сладости уже не сказывается на нашем ощущении;
- почувствовать, что представляет собой адаптация рецептора (первый
глоток сладкого напитка кажется слаще второго).
Проблема сладкого вкуса оказалась интересна тем многообразием
структур, которые создают ощущение сладости. Ниже показаны структу-
ры некоторых «сладких» и «горьких» молекул.
СН2ОН
он
а-£>-глюкопираноза
(£>-глюкоза)
сн?он
ОСНз
(7)-анизальдоксим
(имеет сладкий вкус)
(£)-анизальдоксим
(имеет горький вкус)
Р-£)-фруктофураноза
(£>-фруктоза)
сахарин
430
Глава 24. Диазосоединения
L-фенилаланин
(имеет горький вкус)
£>-фенилаланин
(имеет сладкий вкус)
Это многообразие предъявляет соответствующие требования к модели
«сладкого» рецептора. В ходе изучения механизмов вкуса был предложен
ряд моделей. Одна из них основана на том, что все вещества сладкого вкуса
содержат донорную и акцепторную группы, способные к образованию во-
дородных связей. Эти группы обозначают АН и В соответственно. Они рас-
полагаются на расстоянии от 2,5 до 4,0 А одна от другой. Предполагается,
что и рецептор должен содержать группы с аналогичными свойствами.
Эта простая модель, предложенная в 1967 г., впоследствии неоднократно
уточнялась. Было введено требование о пространственном барьере, по-
скольку многие D-аминокислоты имеют сладкий вкус, а соответствующие
L-аминокислоты его не имеют.
Наиболее полной моделью рецептора сладкого вкуса в настоящее время
является восъмиточечная модель («eight-site» модель), предложенная
И. Тинти и К. Нофре (1991 г.). Эта модель предполагает наличие восьми
взаимодействий типа водородных связей и ван-дер-ваальсовых сил между
сладкой молекулой и рецептором.
Указанные взаимодействия способствуют образованию короткоживу-
щего комплекса, который и обеспечивает генерацию сигнала, поступающе-
го затем через нервную систему в мозг. Конечно, не каждое сладкое соеди-
нение обеспечивает все требуемые восемь взаимодействий с рецептором
сладкого вкуса. Чем больше наблюдается таких взаимодействий, тем боль-
шая интенсивность сладкого вкуса достигается.
Основываясь на восьмиточечной модели, химики смогли синтезировать
сакроновую кислоту, которая по интенсивности сладкого вкуса в 200 000
раз превышает сахарозу. Следует подчеркнуть, что поиск новых сладких
веществ актуален не только для изучения зависимости между строением ор-
ганических соединений и их свойствами. Заменители сахара в ряде случаев
необходимы тем людям, кто по медицинским показаниям не может пользо-
ваться обычным сахаром. Речь идет прежде всего о больных диабетом.
Кроме того, расщепление природного сахара в организме человека сопро-
вождается выделением значительного количества калорий, а эти калории
при нарушении обмена веществ способствуют накоплению жировых отло-
жений (см. подробнее об этом в разд. 26.4).
В противоположность углеводам заменители сахара не обладают спо-
собностью расщепляться в физиологических условиях с выделением энер-
24.4, Механизмы вкуса и запаха. Сладкие органические вещества
431
гии. Вместе с тем при использовании заменителей сахара также возникают
свои проблемы. Сахарин, длительное время рекомендовавшийся для заме-
ны сахара в пище, как в настоящее время установлено, способен вызывать
онкологические заболевания. Аспартам, который примерно в 100 раз сла-
ще сахара, безвреден, и его часто рекомендуют в качестве заменителя саха-
ра. Однако он неустойчив в водных растворах и при нагревании. Этих недо-
статков лишен алитам, чей сладкий вкус в 2000 раз интенсивнее вкуса саха-
розы.
аспартам
(aspartame)
алитам
(alitame)
сакроновая кислота
(sucrononic acid)
Вследствие токсичности ряда синтетических заменителей сахара значи-
тельное внимание уделяется поиску новых сладких соединений природного
(а точнее, растительного) происхождения. Некоторые из таких соединений
уже приобрели и коммерческое применение. Среди новых заменителей са-
хара растительного происхождения обращает на себя внимание гернандул-
432
Глава 24. Диазосоединения
Это соединение имеет, по крайней мере, три точки, потенциально спо-
собные контактировать с рецептором сладких молекул: оксогруппа, гидро-
ксигруппа и двойная связь боковой цепи. Оно примерно в 1000 раз слаще
сахара. Его несомненным преимуществом является значительно более
простое строение по сравнению с другими синтетическими «сахарами».
Открытие и изучение гернандулцина дают основание надеяться, что в
природе существуют и другие сравнительно простые структуры, имеющие
сладкий вкус.
Глава 25. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Соединения, которые наряду с атомами углерода содержат в цикле один
или несколько гетероатомов, называют гетероциклическими соединениями.
Хотя гетероциклические соединения чрезвычайно разнообразны, в этой гла-
ве рассмотрены лишь наиболее распространенные гетероароматические со-
единения, содержащие в ароматическом цикле гетероатомы.
25.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
Гетероциклические соединения классифицируют по размеру цикла, ха-
рактеру гетероатомов, по наличию ароматичности, а также по числу гете-
роатомов и конденсированных циклов в молекуле.
По размеру цикла
трехчленные pj 1 -Л 1 ! 0 N 3 2 3 2 оксиран азиридин (этиленоксид) четырехчленные 1 Н 4|~о' 4|—NZ з'—'2 3'—'2 оксетан азетидин 4 3 пятичленные у-—-у5 > \ Л >2 < ) О О 1 фуран тетрагидро- фуран 4 4 шестичленные 1 О Г1 6^- >2 6< >2 N О 1 1 пиридин у-пиран 4, ,3 , 4, 3 О О ГУ Ni N S 1 1 1 Н Н тиофен пиррол пирролидин 4 X л N 1 пиримидин
434
Глава 25. Гетероциклические соединения
При нумерации атомов цикла гетероатом получает первый номер.
Гетероциклические соединения с большим размером цикла в этом курсе
не рассматриваются.
По характеру гетероатома
Азотсодержащие гетероциклические соединения имеют атом азота в
цикле.
Н
пиррол
пиридин
азиридин
Кислородсодержащие гетероциклические соединения имеют атом кис-
лорода в цикле.
оксиран оксетан фуран
и так далее.
По наличию ароматичности
Неароматические гетероциклические соединения не имеют цикличес-
кой сопряженной системы (4л + 2) л-электронов.
тетрагидро-
фуран
пирролидин пипериди!
Для этих соединений характерны свойства, типичные для ациклических
соединений соответствующих классов. Например, тетрагидрофуран и 1,4-
диоксан обладают свойствами простых эфиров, а пирролидин и пиперидин
- свойствами вторичных аминов. По этой причине свойства неароматичес-
ких гетероциклических соединений в этой главе не рассматриваются.
Ароматические гетероциклические (гетероароматические) соедине-
ния имеют сопряженные системы (4л + 2) л-электронов в циклах.
фуран
пиридин
25.2. Пятичленные гетероциклические соединения. Пиррол, фуран, тиофен
435
Их свойства в определенной степени аналогичны свойствам ароматичес-
ких углеводородов:
а) они легче подвергаются реакциям замещения, нежели реакциям при-
соединения;
б) химические сдвиги протонов в спектрах ]Н ЯМР имеют «ароматичес-
кие» значения.
По числу гетероатомов и конденсированных циклов
Гетероциклические соединения могут различаться числом гетероатомов
в цикле и числом конденсированных циклов в молекуле.
4
пиримидин
25.2. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ. ПИРРОЛ, ФУРАН, ТИОФЕН
Ниже показаны структурные формулы некоторых пятичленных аромати-
ческих гетероциклических соединений и нумерация атомов в их молекулах.
4(₽) .(₽) 3 5 ./ 2 4 (₽). (Р) 3 5 2
О N
1 1 1 Н
фуран пиррол
4о3 5< Л 2 4 г,—N3
N1 N1
Н Н
пиразол имидазол
тиофен
1
оксазол
25.2.1. Способы получения
Пиррол является доступным гетероароматическим соединением. Его по-
лучают, в частности, при фракционной перегонке каменноугольной смолы.
Тиофен в промышленных масштабах получают взаимодействием смеси
бутана, бутенов и 1,3-бутадиена с серой при высокой температуре.
436
Глава 25. Гетероциклические соединения
„ „ „ 6ОО°С п Л тт с,
Н-С4Н10 + S ---------► \ / + H2S. \
/(-бугаи S
тиофен \
Фуран и его производные в значительных количествах доступны при пе-
реработке растительного сырья. Кислотным гидролизом стеблей кукурузы,
соломы и других растительных отходов получают фурфурол.
фурфурол
Среди способов получения пятичленных гетероароматических соедине-
ний, применяемых в лабораторной практике, можно отметить следующие.
Синтез Пааля-Кнорра
Нагреванием 1,4-дикарбонильного соединения с аммиаком или амином
получают замещенные пирролы (реакция Пааля-Кнорра, 1885 г.)
Реакцию проводят в запаянных трубках без растворителя. При нагрева-
нии 1,4-дикарбонильного соединения с дегидратирующим агентом (Р2О5)
или неорганическим сульфидом (P2S3) получают соответственно замещен-
ные фураны или тиофены.
Взаимные каталитические превращения
пятичленных гетероароматических соединений
В этих превращениях применяют катализаторы на основе А12О3 и высо-
кие температуры, 400-500 °C (реакция Юрьева, 1936 г.).
25.2. Пятичленные гетероциклические соединения. Пиррол, фуран, тиофен
437
Ф№« •/ Н ™Р₽“
н2о\^
тиофен
Практическое значение имеют синтезы пиррола и тиофена из более до-
ступного фурана. Эти синтезы протекают с выходами до 40%. Взаимные
превращения других гетероаренов проходят с низкими выходами (2-3%).
Синтез пирролов по Кнорру
Эта реакция является удобным методом получения замещенных пирро-
лов. При этом а-аминокарбонильное соединение подвергают конденсации с
Р-кетоэфиром (реакция Кнорра, 1884 г.).
EtOOC NH2
а-аминоацето-
уксусный эфир
О х
ацетоуксусный
эфир
,СООС2Н5
сщсоон
Н
диэтил-3,5-диметилпиррол-
2,4-дикарбоксилат
Вместо а-аминокетонов успешно применяют и монофенилгидразоны
а-дикетонов.
сн2—СООС2Н5 Zn
СОСНз сн3соон
ацетоуксусный
эфир
а О
+
nnhc6h5
фенилгидразон
1,2-циклогександиона
этил-2-метил-4,5,6,7-
тетрагидро-1 Н-индол-
3-карбоксилат
438
Глава 25. Гетероциклические соединения
25.2.2. Физические свойства и строение
Свежеперегнанный пиррол - бесцветная жидкость, т.кип. 130 °C с харак-
терным запахом; на воздухе и на свету быстро окрашивается в красно-ко-
ричневый цвет, со временем - осмоляется. Фуран представляет собой бес-
цветную жидкость, т.кип. 31 °C; имеет слабый запах хлороформа; в воде не
растворяется, но смешивается со всеми органическими растворителями. Тио-
фен - бесцветная жидкость, т.кип. 84,1 °C; обладает слабым запахом; не
растворяется в воде, смешивается с органическими растворителями.
Молекулы всех пятичленных гетероаромэтических соединений имеют
плоское строение. Ароматический секстет л-электронов в этих молекулах
образуется за счет л-электронов атомов углерода и неподеленных электро-
нов гетероатомов, находящихся на негибридизованных р2-орбиталях. Для
примера ниже показаны атомно-орбитальные модели пиррола и фурана.
Каждый из атомов углерода и гетероатомов в этих соединениях находит-
ся в состоянии ,ур2-гибридизации и имеет по одной негибридизованной
2рг-орбитали, ориентированной перпендикулярно плоскости цикла. Эти ор-
битали эффективно перекрываются и формируют ароматические секстеты
л-электронов в молекулах.
Теория резонанса подтверждает ароматический характер фурана, пир-
рола и тиофена. Набор из следующих пяти резонансных структур описыва-
ет, например, делокализацию л-электронов в основном состоянии пиррола.
Ароматическое состояние л-электронов в обсуждаемых соединениях
подтверждается и расчетами в рамках теории МО. Для примера результаты
расчета молекулярно-орбитальной структуры фурана по методу МОХ по-
казаны на рис 25.1. Шесть л-электронов в молекуле фурана находятся на
трех связывающих молекулярных л-орбиталях, имеющих значения собст-
венных энергий ниже уровня энергии а.
25.2. Пятичленные гетероциклические соединения. Пиррол, фуран, тиофен
439
а+1.62р -
g а-0.94р -
8
3
О а+0.62р_
2
а+1.31р -
а.
о
Я
СГ)
а+2.63р -
---Ф5
---Ф4 немо
—— Фз ВЗМО
“Ц- Ф2
-И-Ф1
Рис. 25.1. Энергетическая диаграмма молекулярных 7Г-орбиталей фурана
Из расчета следует, что энергия ВЗМО фурана (равная а + 0,623) замет-
но выше, чем энергия ВЗМО бензола (равная а + 3). То же справедливо для
пиррола и тиофена. Этот факт соответствует тому обстоятельству, что все
три гетероарена относятся к числу электроноизбыточных гетероциклов:
шесть л-электронов в их молекулах делокализованы между пятью атомами
цикла.
Более высокие электронодонорные свойства пятичленных гетероарома-
тических соединений обнаружены и экспериментально. На рис. 25.2 значе-
ния первых потенциалов ионизации и электронного сродства фурана, пир-
рола и тиофена сравниваются с данными для бензола.
Интересно, что фуран, пиррол и тиофен имеют практически одинако-
вые значения первых потенциалов ионизации. Причина этого заключается
в том, что гетероатом не участвует (т. е. имеет нулевое значение собствен-
ного коэффициента) в формировании ВЗМО пятичленного гетероаромати-
ческого соединения, как видно из показанной выше диаграммы
(см. рис. 25.1). В то же время перечисленные соединения заметно различа-
ются значениями электронного сродства.
Эти гетероарены различаются и направлениями дипольных моментов.
фуран
(ц = 0,70 О)
тиофен
(ц = 0,51 D)
I
Н
пиррол
(ц= 1,81 О)
440
Глава 25. Гетероциклические соединения
-2 -
-1,5 -
-1 -
8 -
9-
-2,38
-1,15
т] = 5,2
9,25
бензол
-1,70
-1,15
8,89
11 = 5,01 г| = 5,61
тиофен пиррол
фуран
Рис. 25.2. Энергетическая диаграмма граничных молекулярных орбиталей бензола,
фурана, пиррола и тиофеиа
Суммарный дипольный момент каждой из этих молекул складывается из
дипольного момента a-остова и дипольного момента, обусловленного си-
стемой делокализованных л-электронов. Относительные вклады этих со-
ставляющих для каждого из гетероаренов неодинаковы. В молекулах фу-
рана и тиофена преобладают дипольные моменты ст-остовов. Вследствие
этого значения дипольных моментов фурана и тиофена невелики, а их
векторы направлены в сторону гетероатомов. В молекуле пиррола л-со-
ставляющая дипольного момента оказывается больше по сравнению с
о-составляющей: суммарный дипольный момент в его молекуле направ-
лен поэтому от гетероатома. ,
В насыщенных гетероциклических соединениях - тетрагидрофуране, тет-
рагидротиофене и пирролидине - дипольный момент определяется вкладом
только о-остова. В каждой из этих молекул гетероатом является отрицатель-
ным концом диполя, что обусловлено более высокой электроотрицательно-
стью атомов кислорода, серы и азота по сравнению с атомом углерода.
Q1
тетрагидро-
фуран
(ц= 1,73 О)
тетрагидро-
тиофен
ф= 1,90 0)
пирролидин
(ц= 1,58 D)
25.2. Пятичленные гетероциклические соединения. Пиррол, фуран, тиофен
441
25.2.3. Реакции электрофильного
ароматического замещения
Большая доступность (по энергии) ВЗМО пятичленных гетероаромати-
ческих соединений по сравнению с бензолом является причиной их повы-
шенной реакционной способности, прежде всего в реакциях электрофиль-
ного ароматического замещения. Например, пиррол способен к реакциям
замещения даже с такими слабыми электрофилами, как ионы арендиазо-
ния.
пиррол
© о
+ C6H5N=NC1
бензолдиазоний-
хлорид
+
n=nc6h5
НС1.
2-(фенилазо)пиррол
Относительная активность пятичленных гетероаренов в реакциях S£Ar
снижается в ряду:
пиррол > фуран > тиофен.
Но даже тиофен значительно превосходит бензол по реакционной спо-
собности. Ниже приведены факторы парциальных скоростей для реакции
электрофильного Н/Т-обмена в тиофене в присутствии трифторуксусной
кислоты (согласно определению, значения этих факторов подсчитаны от-
носительно бензола - подробнее об их подсчете см. в разд. 9.5).
Пятичленные гетероароматические соединения ацидофобны.В присут-
ствии сильных кислот они подвергаются протонированию, вследствие чего
нарушается их сопряженная л-электронная система. Протонированная мо-
лекула ведет себя как сопряженный диен, претерпевая полимеризацию и
осмоление. Полагают, что протонирование идет не по гетероатому, а по
а-С-атому. Например, катион, образованный при С-протонировании пирро-
ла, энергетически более выгоден по сравнению с катионом, образованным
при NH-протонировании. C-Протонированный пиррол описывается набо-
ром трех резонансных структур, в то время как NH-протонированный пир-
рол к резонансной стабилизации не способен вообще.
442
Глава 25. Гетероциклические соединения
Н Н
резонансная
стабилизация
невозможна
резонансно-стабилизированный ион
Поскольку протонированию подвергается сопряженная л-система пир-
рола, основность этого соединения оказывается значительно ниже, чем ос-
новность любого из аминов, которые протонируются по N-атому: значение
рКа сопряженной кислоты пиррола составляет -4,4.
В связи с повышенной чувствительностью пятичленных гетероаромати-
ческих соединений к сильным кислотам в ряде их реакций электрофильно-
го замещения применяют модифицированные электрофильные реагенты.
При использовании этих реагентов исключается сильно кислая среда. Ниже
даны примеры таких реагентов.
Zz°
сн3-с
ONO2
ацетилнитрат
+ (СН3СО)2О '
► нитрующие агенты
HNO3 + СН3СООН
пиридинсульфотриоксид
- сульфирующий агент
(СН3СО)2О + кислота Льюиса - ацетилирующий агент
(BF3, SnCl4, ZnCl2)
С использованием этих реагентов реакции с пятичленными гетероарома-
тическими соединениями идут в мягких условиях и с хорошим выходом.
Обращает на себя внимание высокая региоселективность реакций элек-
трофильного замещения пятичленных гетероароматических соединений.
Все реакции идут преимущественно в положение 2 (5) цикла.
25.2. Пятичленные гетероциклические соединения. Пиррол, фуран, тиофен
443
СН3С*
ono2
фуран
(СН3СО)2О, 10 °C 0 0 c5h5n-so3
(СН3СО)2О .
BF3
2-нитрофуран,
а-нитрофуран
фуран-а-сульфокислота
/О
сн3с(
он
уксусная
кислота
фуран-2-сульфокислота пиридин
2-ацетилфуран,
а-ацетилфуран
CH3COONO2
(СН3СО)2О, 5 °C
NH NO2
2-нитропиррол,
сс-нитропиррол
© 0
c5h5n-so3
(СН3СО)2О
20 °C
СНС13, кон
NH SO3H
2-ацетилпиррол,
а-ацетилпиррол
2-формилпиррол,
а-формилпиррол
пиррол-
2-сульфокислота
тиофен
H2SO4 (конц.)
0 °C
Вг2
СН3СООН
CH3COONO2
(СН3СО)2О, 10 °C
тиофен-
2-сульфокислота
2,5-дибромтиофен
2-нитротиофен
В терминах теории резонанса атака электрофила в положение 2 объясняет-
ся большей стабильностью образующегося о-комплекса. Для этого комплекса
возможны три резонансные структуры. При атаке в положение 3 для
о-комплекса можно написать лишь две резонансные структуры.
444
Глава 25. Гетероциклические соединения
Атака в положение 2:
Атака в положение 3:
Согласно концепции граничных орбиталей, предпочтительность элект-
рофильной атаки положений 2 и 5 пятичленного гетероарена определяется
большими значениями собственных коэффициентов ВЗМО именно в этих
положениях.
гетероарен (акцептор)
(донор)
продукт.
Следует отметить особые свойства пиррола в ряду пятичленных гетеро-
аренов. Пиррол является амфотерным соединением. Он проявляет не толь-
ко основные (хотя и очень слабые!), но и кислотные свойства. При дейст-
вии сильных оснований пиррол образует пирролят-ион.
Пирролят-ион сохраняет ароматический характер пиррола. Его химиче-
ские свойства подобны свойствам феноксид-иона. Пирролят-ион вступает в
реакции электрофильного замещения даже со слабыми электрофильными
реагентами.
Н
неароматичен
н
пиррол,
р#д 16,5
пирролкалий,
пирролят калия
(ароматичен)
Ниже приведены реакции карбонизации, формилирования, азосочета-
ния и алкилирования, протекающие с промежуточным образованием пир-
ролят-иона и с последующим электрофильным замещением в нем.
25.3. Конденсированные пятичленные гетероциклические соединения. Индол
445
N-метилпиррол
25.3. КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ПЯТИЧЛЕННЫЕ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
ИНДОЛ
Индол является бициклическим соединением, в котором бензольное
кольцо сконденсировано с циклом пиррола.
Производные индола часто встречаются среди природных соединений.
Некоторые фармацевтические средства - производные индола.
25.3.1. Способы получения
Универсальным методом синтеза производных индола является реакция
Фишера (1883 г.). В этом методе фенилгидразон альдегида или кетона под-
вергается циклизации под действием кислотного катализатора (BF3, ZnCl2,
446
Глава 25. Гетероциклические соединения
полифосфорная кислота - ПФК).
фенилгидразон ацетофенона
BF3, 65 °C
(СН3СООН)
фенилгидразон
циклогексанона
1,2,3,4-тетрагидрокарбазол
Свободный индол в небольших количествах найден в некоторых эфир-
ных маслах (например, в масле апельсиновых цветов). В промышленном
масштабе извлекается из каменноугольной смолы.
Индол представляет собой бесцветные кристаллы, т.пл. 52 °C; даже в
очищенном виде имеет неприятный запах. Крайне неприятным запахом об-
ладает 3-метилиндол (скатол).
25.3.2. Реакции
Индол проявляет свойства как пиррола, так и бензола. При этом реакции
электрофильного замещения с индолом идут прежде всего в положение 3
пиррольного цикла.
индол
СН2О, (CH3)2NH
3-(1Ч,1Ч-диметиламинометил)индол
PhN2®Cl
N=N~PI1
I 3-(фенилазо)индол
н
25.3. Конденсированные пятичленные гетероциклические соединения. Индол
447
LiAlH4
Предпочтительность положения 3 в молекуле индола для электрофиль-
ной атаки объясняется тем, что именно это положение имеет максимальное
значение собственного коэффициента в ВЗМО:
а о-комплекс, образующийся при атаке электрофильного агента в положе-
ние 3, имеет лучшие условия для резонансной стабилизации. Ниже показа-
ны только те структуры о-комплексов, в которых положительный заряд
делокализован лишь в пиррольном цикле.
резонансная стабилизация
с участием атома
азота отсутствует
резонансная стабилизация с участием
атома азота *
448
Глава 25. Гетероциклические соединения
25.4. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ. ПИРИДИН
Среди шестичленных ароматических гетероциклических соединений на-
иболее важное значение имеют пиридин и его производные. Названия про-
изводных пиридина включают слово «пиридин» в качестве ключевого сло-
ва, название заместителя и его положение. Для метилпиридинов в скобках
указаны также их общепринятые тривиальные названия.
(Р)5
(а) б
пиридин
2-метилпиридин
(а-пиколин)
3-метилпиридин
(Р-пиколин)
2,6-диметилпиридин
(2,6-лутидин)
2,4,6-триметилпиридин
(сильи-коллидин)
4-изопропил-
пиридин
25.4.1. Способы получения
В промышленных масштабах пиридин и его гомологи получают при
коксохимической переработке каменного угля.
Наиболее известный препаративный метод синтеза производных пири-
дина был предложен А. Ганчем (1882 г.). По этому методу замещенные пи-
ридины получают циклоконденсацией эфиров 0-кетокислот с альдегидами
и аммиаком с последующим окислением полученных дигидропиридинов.
О
II
СН3ССН2СООСН3 + СН3СНО + NH3
метилацетоацетат ацетальдегид
25.4. Шестичленные гетероциклические соединения. Пиридин
449
HNO3
окисление
ароматизация
диметил-2,4,6-триметил-1,4-дигидро-
3,5-пиридиндикарбоксилат
2,4,6-триметилпиридш
Известны синтезы пиридина на основе еще более простых реагентов.
2 НС=СН + HCN
ацетилен •
ЗСН3~С* + NH3
Н
ацетальдегид
+ Н2 + ЗН2О.
25.4.2. Физические свойства и строение
Пиридин представляет собой бесцветную жидкость с т.кип. 115,3 °C. Он
обладает характерным неприятным запахом, смешивается во всех отноше-
ниях с водой, этанолом, диэтиловым эфиром; устойчив при хранении.
Пиридин является шестичленным гетероароматическим аналогом бен-
зола. Его плоская молекула имеет сопряженную систему из шести л-элек-
тронов. Все атомы цикла находятся в состоянии ^-гибридизации и вносят
по одному л-электрону в ароматический секстет.
пиридин
450
Глава 25. Гетероциклические соединения
НЭП атома азота находится вне л-сопряженной системы и занимает
у/?2-орбиталь, ориентированную в плоскости цикла и имеющую о-симметрию.
Ароматическая делокализация л-электронов в молекуле пиридина ил-
люстрируется следующим набором резонансных структур:
В большей части этих структур атом азота имеет отрицательный заряд,
что соответствует его большей электроотрицательности. Степень разделе-
ния зарядов в молекуле пиридина характеризует сравнительно высокий
дипольный момент. В соответствии с этим пиридин рассматривают как
электронодефицитный гетероцикл.
Экспериментальные значения энергий граничных орбиталей пиридина
сравниваются на диаграмме (рис. 25.3) с соответствующими значениями для
бензола и пиррола.
Как видно, замена фрагмента -СН= в молекуле бензола на группу -N=
заметно повышает и первый потенциал ионизации, и первое значение
электронного сродства. Вследствие этого пиридин является весьма инерт-
бензол
Рис. 25.3. Энергетическая диаграмма граничных молекулярных орбиталей бензола,
пиррола н пиридина
25.4. Шестичленные гетероциклические соединения. Пиридин
451
ным в реакциях с электрофильными агентами, но обладает повышенной
склонностью к реакциям с нуклеофилами.
25.4.3. Реакции
Основные и нуклеофильные свойства
Поскольку НЭП азота в молекуле пиридина не входит в ароматический
секстет, пиридин обнаруживает и основные, и нуклеофильные свойства.
Как и в случае аминов, основность гетероциклических оснований, в том
числе пиридина и пиррола, принято оценивать значениями рА"д их сопря-
женных кислот - рКа (ВН®у
+ Н2О
+ Н3О®
пиридин
P^(C5H6N®) 5,36
Обратите внимание! Основность пиридина почти на 6 единиц рКа выше
основности пиррола рА"ц (ВН®); равной -0,4. а
Пиридин легко алкилируется с образованием N-алкилпиридиниевых со-
лей. В этой реакции пиридин выступает в качестве нуклеофила.
пиридин
+ СН31 --------►
подметан
Is
N-метилпиридиний-
иодид
Нуклеофильные свойства пиридина подтверждаются и легкостью обра-
зования N-ацилпиридиниевых солей. Такие соли образуются в качестве ин-
термедиатов в реакциях О-ацилирования карбоновых кислот хлорангидри-
дами в присутствии пиридина (см. в разд. 20.2).
Электрофильное ароматическое замещение ~ * 5
Вследствие пониженной л-электронной плотности в цикле пиридин под-
вергается реакциям электрофильного замещения лишь в жестких условиях.
452
Глава 25. Гетероциклические соединения
При этом следует иметь в виду, что пиридиновый цикл еще более дезакти-
вируется к электрофильной атаке из-за протонирования атома азота. Такое
протонирование, безусловно, имеет место в присутствии сильных мине-
ральных кислот, применяемых в указанных реакциях.
20%-й олеум
230 °C, 24 ч
+ Н2о
пиридин-3-сульфокислота
KNO3
H2SO4, 300 °C
пиридин
ВГ2
200-250 °C
3-бромпиридин
RCOC1 или RX
А1С13
реакция не идет
Преимущественная ориентация электрофильного агента в положение 3
объясняется тем, что при такой ориентации положительный заряд в проме-
жуточном о-комплексе не локализован на электроотрицательном атоме
азота, о чем свидетельствуют наборы резонансных структур, отвечающих
атакам молекулы пиридина соответственно в положения 2, 3 и 4.
Атака в положение 2:
неустойчивая
Атака в положение 4:
неустойчивая
структура
25.4. Шестичленные гетероциклические соединения. Пиридин
453
Атака в положение 3:
резонансно-стабилизированный ион
Лишь атака в положение 3 не ведет к крайне невыгодной локализации
положительного заряда на электроноакцепторном атоме азота.
Для получения пиридинов, замещенных в положении 2 или 4, соответст-
вующим реакциям подвергают пиридин-М-оксиды. Эти производные явля-
ются весьма доступными соединениями и получаются окислением пиридина
и его замещенных. .
3-метилпиридин
30%-й Н2О2
СН3СООН
ТОТ
3-метилпиридин-
N-оксид
Соответственно резонансным структурам, показанным ниже, пиридин-
N-оксид может рассматриваться как активированная форма пиридина.
Реакции электрофильного замещения идут с пиридин-М-оксидом легче,
чем с пиридином, преимущественно в положения 2 и 4.
HNO3, H2SO4
90 °C
пиридин-
N-оксид
4-нитропиридин-
N-оксид (90 %)
454
Глава 25. Гетероциклические соединения
Обработка продукта реакции действием РС13 удаляет кислород, перево-
дит пиридин-М-оксиды в соответствующие пиридины.
РОС13.
4-нитропиридин-
N-оксид
Реакция Чичибабина
Как уже отмечено выше, высокое сродство к электрону способствует
особой склонности пиридина к реакциям с нуклеофильными реагентами.
Классическим примером такой реакции является реакция Чичибабина
(1914 г.). В этой реакции пиридин обрабатывают амидом натрия при нагре-
вании в М,М-диметиланилине или толуоле в качестве растворителя.
пиридин
+ NaNH2 '° >
Н2о
2-аминопиридин
Механизм реакции Чичибабина приведен ниже.
Стадия 1 - реакция идет с преимущественной атакой нуклеофила по С2
(С6), поскольку отрицательный заряд в соответствующем о-комплексе дело-
кализован с участием электроотрицательного атома азота цикла:
Qh
XN NH2
’©
Na®
Стадия 2 - на этой стадии элиминирует гидрид-ион с реароматизацией
цикла.
25.4. Шестичленные гетероциклические соединения. Пиридин
455
2- и 4-Аминопиридины способны к таутомерным превращениям.
амино-форма
Значительно более устойчивой, однако, является амино-форма. Ее со-
держание в 1000 раз превышает содержание имино-формы.
Аналогичная реакция протекает с литийорганическими реагентами.
пиридин
+ CgHsLi
ПО °C
(толуол)
Н2О
2-фенилпиридин
Однако реакция с КОН протекает лишь в очень жестких условиях. Об-
разующийся 2-гидроксиперидин также способен к таутомерии.
пиридин
+ КОН 35(Н°°°С.
2-гидроксипиридин
2-пиридон
Вместе с тем 2-гидроксипиридин легко получается при обработке 2-ами-
нопиридина нитритом натрия в присутствии минеральной кислоты.
2-аминопиридин
NaNO?, H®
Н2О
2-пиридон
456
Глава 25. Гетероциклические соединения
Аналогично получают 4-гидроксипиридин.
4-пиридон
Следует иметь в виду, что пиридоны в значительной мере сохраняют
ароматичность пиридинового ядра.
Восстановление
Электронодефицитный характер пиридина проявляет себя и в относи-
тельной легкости восстановления пиридинового цикла. Важно, что восста-
новление гладко проходит не только как гидрирование в присутствии Pt-
катализатора, но и при действии натрия в абсолютном спирте.
пиридин
Na
С2Н5ОН
пиперидин
Пиперидин. К раствору пиридина (20 г; 0,25 моль) в абсолютном спирте (150 г;
3,26 моль) по кусочкам прибавляют натрий (75 г; 3,26 моль). По окончании растворения
натрия реакционную массу разбавляют водой. Продукт отгоняют с водяным паром и вы-
деляют в виде гидрохлорида, добавляя соляную кислоту к дистиллату, т. пл. 237 °C
(из спирта). Выход 21,2 г (~100%)
25.5. Пиримидины и пурины
457
25.5. ПИРИМИДИНЫ И ПУРИНЫ
Среди других шестичленных гетероциклических соединений производ-
ные пиримидина и пурина представляют особый интерес. Значение этих ге-
тероаренов определяется тем, что фрагменты производных пиримидина и
пурина входят в состав сложных биоорганических структур, называемых
нуклеиновыми кислотами (см. разд. 28.1.5) и ответственных за хранение и
передачу генетической информации.
Нумерация атомов в молекулах пиримидина и пурина показана ниже.
пурин
В состав нуклеиновых кислот входят следующие производные пиримиди-
на: урацил, цитозин и тимин. Их называют пиримидиновыми основаниями.
урацил тимин цитозин
В состав нуклеиновых кислот входят также и производные пурина -
аденин и гуанин. Эти производные называют пуриновыми основаниями.
И пиримидин, и пурин имеют плоские молекулы и замкнутые сопряжен-
ные тг-электронные системы. Эти соединения и их производные также от-
носятся к числу гетероароматических соединений.
Фрагменты пиримидина и пурина входят в состав и других природных со-
единений. Кофеин содержится в кофе и чае. Теобромин содержится в чае и
какао.
458
Глава 25. Гетероциклические соединения
Л! ! "«jlKWqa.,* rrsny... . Г’’’.' Ч IGfe-y;
25.6. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ
Пиррольная структура входит в состав природных соединений, имеющих
важное значение для живых организмов. Прежде всего следует назвать
представителей группы порфиринов, к которым относят гемоглобин крови
и хлорофилл.
Ниже для примера показаны некоторые алкилпирролы, играющие
важную роль в природных порфириновых структурах, в том числе в гемо-
глобине. j jx.
'Р . iiK 'О
хемопиррол
сн3
СН3
NH
сн2-сн3
криптопиррол опсопиррол
Гемоглобин ответствен за транспорт кислорода в живом организме: 1 г
гемоглобина связывает 1,35 см3 кислорода. Гемоглобин связывает кисло-
род в легких и разносит его по всему организму. При связывании с гемогло-
бином кислород выступает как лиганд по отношению к атому железа. Ток-
сичные свойства монооксида углерода определяются тем, что он является
еще более сильным лигандом и препятствует связыванию и транспорту кис-
лорода.
25.6. Гетероциклические соединения в живых организмах
459
гемин-фрагмент гемоглобина
Частично гидрированный пиррольный цикл содержится в витамине В12.
Индол является структурным фрагментом важных природных соединений
и широко используется для получения различных лекарственных препара-
тов.
Р-индолилуксусная
ch2-ch-nh2
|| СООН
NH
триптофан
кислота
серотонин
Фуран, пиридин и хинолин также являются структурными фрагментами
многих природных соединений и лекарственных средств.
Ниже показан ряд природных соединений, в составе которых присутст-
вуют названные гетероароматические фрагменты.
фурфурол
Глава 25. Гетероциклические соединения
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Ганча реакция - получение замещенных пиридинов циклоконденсацией эфиров Р-кето-
карбоновых кислот с альдегидами и аммиаком с последующим окислением образующихся
дигидропиридинов.
Гетероциклические соединения - соединения, молекулы которых, наряду с атомами уг-
лерода, содержат в составе цикла один или несколько гетероатомов.
Кнорра реакция - получение пирролов конденсацией а-аминокетонов с кетонами, содер-
жащими активную метиленовую группу.
Пааля-Кнорра реакция - получение производных пиррола конденсацией 1,4-дикарбо-
нильных соединений с аммиаком или первичными аминами.
Скраупа реакция - получение хинолинов нагреванием первичного ароматического ами-
на с глицерином в присутствии окислителя и дегидратирующего агента.
Фишера реакция - синтез индолов внутримолекулярной конденсацией арилгидразонов
альдегидов или кетонов в присутствии кислот.
Чичибабина реакция - а-аминирование пиридинов при действии амида натрия.
Юрьева реакция - превращение фурана в пиррол, тиофен или селенофен при действии
соответственно аммиака, сероводорода или селеноводорода над А12О3 в газовой фазе при
высокой температуре.
ЗАДАЧИ
Задача 25.1. С помощью теории резонанса предскажите наиболее предпочтительное ме-
сто протонирования пиррола. , ,
Задача 25.2. Предложите схему механизма образования 2,5-диметилпиррола по реакции
Пааля-Кнорра.
Задачи
461
Задача 25.3. Синтез хинолина по Скраупу включает ряд стадий. Напишите эти стадии.
Предложите механизм каждой из них.
Задача 25.4. Почему реакция азосочетания идет с пирролом и не идет с пиридином? На-
пишите резонансные структуры соответствующих промежуточных о-комплексов.
Задача 25.5. 2-Галогенпиридины подвергаются нуклеофильному замещению значитель-
но легче, чем пиридин. Предложите объяснение этому факту.
Задача 25.6. Предложите схему синтеза 2-метил-5-метоксииндола по методу Фишера.
Задача 25.7. Предложите схему синтеза 2,5-диметилиндола по методу Фишера.
Задача 25.8. Завершите следующую реакцию:
+ (NH4)2CO3 • • i-
0 0
Задача 25.9. Завершите следующую реакцию: '
.. . t
aNH2 О
+ сн2=сн—с—сн3 -----------► * ?
Предложите ее механизм. *
Задача 25.10. Предложите пример синтеза производного пиррола по реакции Кнорра.
Напишите схему механизма.
Задача 25.11. Предложите оптимальные схемы синтеза 3- и 4-нитропиридинов.
Задача 25.12. Предложите схему синтеза 2-бутилпиридина.
Задача 25.13. Предложите схему синтеза 3-диэтиламинометилиндола. Объясните пре-
имущественное образование 3-замещенного индола.
Задача 25.14. Предложите схему механизма получения 2,4,6-триметилпиридина по мето-
ду Ганча.
Задача 25.15. Сравните основность пиррола и пиридина. Предложите объяснение разли-
чия в их основности. Какое из этих соединений является амфотерным? Поясните причину
этого свойства.
Задача 25.16. Предложите оптимальные схемы синтеза 2-, 3- и 4-аминопиридинов. Какие
из них способны к таутомерии? Напишите схемы таутомерных превращений.
462
Глава 25. Гетероциклические соединения
25.7. ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНЫЙ СИНТЕЗ
«IN VIVO» И «IN VITRO»
В различных разделах курса мы знакомились со структурами природных
соединений. Удивляет способность природы в мягких физиологических
условиях (in vivo) создавать сложные молекулы, подобные терпенам, стеро-
идам, алкалоидам и макролидам. Еще более удивляет высокая энантиосе-
лективность биосинтеза - только соединения с требуемой хиральностью
синтезируются в живых системах.
В живом организме «работает» ряд биохимических циклов по синтезу
жизненно необходимых для него органических молекул. В этом разделе из-
ложены лишь некоторые и самые начальные сведения о схемах биосинте-
за, которые лежат в основе указанных циклов.
Один из сырьевых источников биохимического синтеза обеспечивается
метаболизмом углеводов. Как показано в гл. 26, трансформация углевода
в ходе метаболизма в организме может быть полной (в этом случае метабо-
лизм является источником энергии):
С6Н12О6 + 6O2 ---- 6СО2 + 6Н2О + энергия ’ !
или частичной (в этом случае метаболизм является сырьевым источником
биосинтеза):
О ОН
II I
С6Н12О6 ----► СНз-С-СООН ---------► СНз-СН-СООН
глюкоза пировиноградная молочная
кислота кислота
В частности, пировиноградная кислота применяется живыми организмами
в нескольких направлениях. Основное из них - синтез ацетил коэнзима А.
О О
И И ®
СН3-С-С-ОН + CoASN + НАД® ------------------
пировиноградная коэнзимА никотинамид-
<• кислота аденин-
динуклеотид
(окисленная
форма) /. .Г
О .
II ©
-----► СН3-С—SCoA + НАДН + СО2 + Н
ацетил- никотин-
коэнзим А аденин-
динуклеотид
(восстановленная
форма)
25.7. Энантиоселективный синтез «in vivo» и «in vitro»
463
Ацетилкоэнзим А является тиоэфиром и более сильным ацетилирую-
щим агентом, нежели сложный эфир. Кроме того, ацетилкоэнзим А может
находиться в енольной форме.
О ОН
II I
СН3-С—SCoА CH2=C-SCoA
Эта способность еще более повышает его синтетический потенциал. Ни-
же показан ряд простейших реакций, которые являются источниками неко-
торых «строительных фрагментов» и ведут к образованию одного из основ-
ных «строительных блоков» в биосинтезе - изопентенилпирофосфата.
О О О
II О п II II
CH3CSC0A + НСОз -----------► qOCCH2CSCoA + Н2О
ацетил- гидрокарбонат- малонил-
коэнзим А ион коэнзим А
О о о , о о
CH3CSC0A + qOCCH2CSCoA -------------► CH3CCH2CSCoA + со2
малонил- ацетоацетил-
коэнзим А коэнзим А
О о о он о
II II II I II
CH3CSC0A + CH3CCH2CSCoA ---------------- CH3CCH2CSCoA + CoASH
ацетоацетил- ' „ коэнзим А
коэнзим A СН2СОН
О
Р-гидрокси-
Р-метилглутарил-
коэнзим А
ОН о
I II
CH3CCH2CSCoA
СН2СОН
о
он
СН3ССН2СН2ОН
СН2СОН
о
мевалоновая
кислота
он сн ° °
сн3ссн2сн2он Формирование 3^Cch2ch2o-p-o-p-oq
СН2СОН СН2 О© q©
О изопентенилпирофосфат
Последующие превращения перечисленных коэнзимов, а также изопен-
тенилпирофосфата, неизмеримо ускоряемые в живых системах соответст-
464
Глава 25. Гетероциклические соединения
вующими ферментами, лежат в основе биосинтеза липидов, терпенов и сте-
роидов.
Реализация этой схемы в физиологических условиях была подтверждена
экспериментально: введение в пищу крысам меченого ацетата приводит к
образованию меченого сквалена, а затем и меченого холестерина.
Уксусная кислота также вовлечена в биохимические циклы синтеза ал-
калоидов. Например, первоначальной стадией биосинтеза алкалоида тропи-
на, встречающегося в природе в виде различных сложных эфиров, служит
взаимодействие сс-аминокислоты орнитина и уксусной кислоты. При этом
наиболее вероятным является промежуточное образование производного
пирролидина, называемого гигрином.
H2N
СООН
орнитин
сн3ч .сн3-соон
Убон
уксусная кислота
Выше мы рассмотрели некоторые пути биохимического синтеза. Оста-
новимся несколько подробнее на причинах высокой энантиоселективности
биохимических реакций. Практически все прохиральные реакции идут в
живых системах с образованием лишь одного из возможных энантиомеров.
25.7. Энантиоселективный синтез «in vivo» и «in vitro»
465
Рассмотрим для примера биосинтез алкалоидов анабазина и седамина.
Г Xnh2
NH2 СООН
L-лизин
анабазин
(S-энантиомер)
седамин
(S-энантиомер)
СН3
N-метилаллоседридин
(Я-энантиомер)
Установлено, что пиперидиновый цикл в этих алкалоидах синтезируется
из сс-аминокислоты лизина. Этот факт был подтвержден применением раз-
личных меченых лизинов: атомы С2 и С6 предшественника становятся ато-
мами С2 и С6 в анабазине и седамине.
В основе синтеза лежит декарбоксилирование лизина. Этот процесс за-
трагивает хиральный центр лизина. Последующие превращения промежу-
точно образующегося пиперидеина идут энантиоселективно. Объяснением
этому факту служит ферментативный характер этих превращений. Анаба-
зин и седамин образуются только в 5-конфигурации, а N-метилаллоседри-
дин - только в ^-конфигурации при С2-атоме.
Изучение ферментативных реакций показало, что упорядоченность
реагентов в пространстве - надежный (и единственный!) путь к повышению
стереоселективности органического синтеза (in vitro). В своих опытах
химики моделируют условия ферментативного биосинтеза, создавая
пространственно упорядоченные реакционные системы. Такие условия
оказалось возможным создавать в растворе с применением катализаторов,
способных к комплексообразованию с субстратом, в мицеллах, образован-
ных поверхностно-активными веществами, и в твердом кристалле.
С некоторыми примерами стереоселективного синтеза в растворе мы
знакомились в предыдущих разделах курса, в частности при изучении реак-
ций присоединения алкенов. Например, при гомогенном гидрировании ал-
кенов в присутствии комплексов переходных металлов (см. гл. 15) реакции
идут во внутрикоординационной сфере металла как син-присоединение.
Особый интерес представляют факты энантиоселективности при
применении неметаллических катализаторов и реагентов. Синтез (+)-инда-
кринона с применением хирального катализатора межфазного переноса
466
Глава 25. Гетероциклические соединения
представляет собой пример энантиоселективного катализа. В условиях та-
кого катализа метилирование 5-метокси-6,7-дихлор-2-фенил-1-инданона
действием СН3С1 в смеси толуол-NaOH (водный) дает (-ь)-индакринон с вы-
ходом 95% и энантиомерным избытком 92%.
5-метокси-6,7-дихлор-
2-фенил-1 -инданон
Обратите внимание! Эффективность реакций асимметрического синте-
за, в которых один из возможных энантиомеров образуется в преобладаю-
щем количестве, характеризуют показателем энантиомерного избытка
{enantiomeric excess, ее). В показанном выше примере реакция идет с 92% ее.
Здесь уместно сделать дополнение к определению «стереоселективностъ»,
с которым мы познакомились в разд. 4.5.3. Если образуемые стереоизомеры
в стереоселективной реакции являются энантиомерами, явление называют
энантиоселективностью и количественно выражают энантиомерным из-
бытком. Если образуемые стереоизомеры являются диастереомерами, явле-
ние называют диастереоселективностью и выражают диастереомерным
избытком (diastereomeric excess, de).
В качестве катализатора в показанной выше реакции был применен
М-(и-К-бензил)цинхонинийбромид. Как показано ниже (справа), субстрат
5-метокси-6,7-дихлор-2-фенил-1-инданон образует с катализатором
«тесную» ионную пару, обеспечивающую подход алкилирующего агента
лишь с одной (с фронтальной) стороны.
1Ч-(л-К-бензил)цинхониний-
ион
Ионная пара между инданон-анионом
и бензилцинхониний-ионом
25.7. Энантиоселективный синтез «in vivo» и «in vitro»
467
Пространственная ориентация реагентов, показанная выше, подтверж-
дена данными метода рентгеноструктурного анализа кристаллов катализа-
тора и молекулярным моделированием. Оказалось, что степень энантиосе-
лективности реакции прямо зависит от электроноакцепторности заместите-
ля R в молекуле катализатора. Для таких групп, как СН3О, СН3, F, С1, энан-
тиоселективность составляет 60-80%, а при R = CF3 она достигает 92%.
Обратите внимание! 1Ч-(и-К-Бензил)цинхониний-ион имеет пять хиральных центров
(отмечены звездочкой *). Однако энантиоселективность катализируемой им реакции оп-
ределяется не конфигурацией какого-то из этих центров, а совокупностью ряда специфи-
ческих взаимодействий: водородные связи, диполь-дипольные взаимодействия, Tt-rt-ком-
плексообразование. Механизм энантиоселективного синтеза, таким образом, очень сходен
с механизмом действия ферментов, а в более широком смысле может рассматриваться как
пример молекулярного узнавания (см. разд. 28.3).
Другие примеры энантиоселективного синтеза в растворе также основа-
ны на применении сложных органических структур в качестве катализато-
ров. Например, гидроксилирование алкенов действием тетраоксида осмия в
присутствии оптически активного дихинолилового эфира хинина (ДХХЭ)
идет не только исключительно как сни-присоединение, но и с высокой энан-
тиоселективностью. Два переходных состояния, соответствующих атаке
энантиотопных сторон алкена, имеют различную энергию. Образуется тот
энантиомер, которому отвечает более выгодное переходное состояние. По-
видимому, ДХХЭ в этих условиях оказывается матрицей, на которой пред-
почтительнее формируется реакционный комплекс, отвечающий лишь од-
ному из энантиомеров. Например, метилциннамат в присутствии ДХХЭ ги-
дроксилируется с образованием 99% (25,3/?)-изомера и 1% (27?,35)-изомера
[в качестве соокислителя в этом случае применяют K3Fe(CN)6],
468
Глава 25. Гетероциклические соединения
Как видим, в этом примере гидроксилирования метилциннамата величина
ее составляет 98%.
Рассмотрим пример асимметричной альдольной конденсации (реакция
Эванса). Если енолят образован из хирального карбонильного соединения,
то его реакция с молекулой неионизированного альдегида идет с высокой
энантиоселективностью.
(C4H9)2BOSO2CF3
Et3N, СН2С12
(2S, 35)-3-гидрокси-2-метил-
3-фенилпропановая кислота,
98% ее
Эта реакция проводится в присутствии трифторметансульфоната ди-
бутилбор. Его роль заключается в фиксации енольной формы хирального
карбонильного соединения через промежуточное образование енолята ди-
алкилбора.
25.7. Энантиоселективный синтез «in vivo» и «in vitro»
469
°Ч\ /7°
+ R'2B
о CF3
BR’2
R
Это соединение хорошо растворимо в органических растворителях (напри-
мер, в СН2С12), поскольку обладает ковалентной связью В-О. По-видимому,
по стерическим причинам молекула бензальдегида предпочтительнее
подходит лишь с одной из энантиотопных сторон енола, что и обеспечива-
ет наблюдаемую энантиоселективность.
Еще один аналогичный пример энантиоселективной альдольной реак-
ции дает внутримолекулярная альдольная конденсация в присутствии хи-
рального амина.
2-метил-2-(3'-оксобутил)-
циклопентан-
1,3-дион
Л
(7а£)-7,7а-дигидро-
7а-метил-(6Н)-индан-
1,5-дион
(7а$)-7,7а-Дигидро-7а-метил-(6Н)-индан-1,5-дион. Раствор 2-метил-2-(3-оксобу- I
тил)циклопентан- 1,3-диона (5,6 г; 0,0307 моль) и (5)-пролина (3,5 г; 0,0307 моль) перемеши-
вают в ацетонитриле (40 мл) в течение 6 дней при комнатной температуре в токе азота.
Осадок отфильтровывают. Продукт выделяют упариванием фильтрата. Выход 98%.
Асимметрическое эпоксидирование аллиловых спиртов является одной
из наиболее полезных реакций в хиральном синтезе. К.Б. Шарплесс, начав-
ший изучать эту реакцию в 1980 г., в 2001 г. был удостоен Нобелевской
премии за цикл работ в области асимметрического синтеза. В ходе этой
реакции аллиловый спирт обрабатывают трет-бутилгидропероксидом,
тетра(изопропокси)титаном и хиральным диалкилтартратом.
mpem-BuOOH, Ti(O-u3o-Pr)4
СН2С12, -20 °C “
(+)-(2Я, ЗЯ)-диэтилтартрат
гераниол
выход 77% (95% ее)
470
Глава 25. Гетероциклические соединения
Источником атома кислорода в эпоксиде является гидропероксид, а
энантиоселективность реакции обусловлена комплексообразованием реа-
гентов с участием хирального диалкилтартрата в качестве одного из лиган-
дов. Важно, что конфигурация образующегося эпоксида полностью опреде-
ляется выбором того или иного стереоизомера тартрата.
(Я)-метилглицидол
Ценность метода определяется тем, что эпоксидный цикл является
активным электрофильным центром и может быть трансформирован в раз-
личные функциональные группы с требуемой хиральностью.
1-(и-толил)-2-фенилэтан (50%)
1,2-бис(л-толил)этан (25%)
25.7. Энантиоселективный синтез «in vivo» и «in vitro»
471
Поверхностно-активные вещества, о которых мы говорили в разд. 21.6,
также способны эффективно ориентировать реагирующие молекулы и по-
вышать тем самым селективность соответствующих реакций. Фотолиз бен-
зил(и-метилбензил)кетона в растворе и в мицеллах детергента дает прин-
ципиально различные результаты.
В гомогенном растворе при низкой концентрации (ниже 10-3 М) детер-
гента - гексадецилтриметиламмонийхлорида - фотолиз несимметричного
кетона А-СО-В дает два свободных радикала А’ и В', которые рекомбини-
руют статистически с образованием соединений А-А (25%), А-В (50%) и
В-В (25%).
При повышении концентрации сверх критической (выше 10-3 М) детер-
гент образует глобулярные мицеллы, которые характеризуются гидро-
фильной оболочкой и гидрофобной внутренней полостью. Радикалы, буду-
чи гидрофобными, оказываются внутри мицеллы. В этой супергидрофоб-
ной клетке пространственные перемещения радикалов ограничены, а вы-
ход из нее невозможен. Результатом оказывается 100%-я реглоселектив-
ность реакции.
Еще одну возможность пространственной ориентации реагентов откры-
вает химия твердого тела. Органические молекулы, находясь в кристалли-
ческом состоянии или в твердой матрице, не имеют свободы перемещения.
Если пространственное строение в кристалле обеспечивает возможность их
фото- или термоактивации, соответствующие реакции могут проходить с
граница кристалической
предшественник
а-купаренона
в кристаллической
матрице
а-купаренон
в кристаллической
матрице
1 II 111П1 н IИ,п"’’
Рис. 25.4. Пример энантиоселективного синтеза в твердой фазе
472
Глава 25. Гетероциклические соединения
высокой степенью селективности. Как показано на рис. 25.4, такие возмож-
ности с успехом реализуются при фотолизе кристаллов предшественника
природного соединения сс-купаренона.
Фотолиз кристаллов обеспечивает 100%-ю энантиомерную чистоту про-
дукта реакции а-купаренона (100% её).
Глава 26. УГЛЕВОДЫ
Органические соединения, имеющие общую молекулярную формулу
Сх(Н2О)у,
называют углеводами. Другое название углеводов - «карбогидраты».
Углеводы являются представителями одного из классов органических
веществ, наиболее распространенных в живых организмах. Углеводы состав-
ляют основу (80% сухой массы) древесины и стеблей растений. Наиболее
распространенными группами углеводов в растительном мире являются цел-
люлоза, крахмалы, пектиновые вещества, сахароза и глюкоза. Ряд углеводов
выделяют из растительных источников в промышленных масштабах. Напри-
мер, мировое производство сахарозы достигает сотен миллионов тонн.
Различные углеводы присутствуют в заметных количествах и в органи-
змах высших животных. Глюкоза является одним из компонентов крови.
Фрагменты углеводов содержатся в нуклеиновых кислотах, которые контро-
лируют хранение и передачу генетической информации в процессах синтеза
белков. К производным углеводов относится аденозинтрифосфат, который
ответствен за хранение и транспорт энергии в биологических системах.
Простейшие представители углеводов - сахара, или сахариды, а среди
них - глюкоза. Глюкоза служит примером моносахарида. Это означает,
что она не может быть гидролизована в менее крупные фрагменты.
Дисахариды, трисахариды и олигосахариды отличаются тем, что дают при
гидролизе соответственно две, три или до восьми молекул моносахаридов.
Полисахариды являются полимерами, в которых число мономерных звень-
ев превышает восемь. В природных полисахаридах насчитывается до
1000-3000 моносахаридных остатков.
26.1. МОНОСАХАРИДЫ
26.1.1. Классификация
Моносахариды различаются числом атомов углерода в цепи и типом кар-
бонильной группы (альдегидная или кетонная). Например, по такой класси-
фикации глюкозу следует рассматривать как гексозу ( она имеет шесть
474
Глава 26. Углеводы
атомов углерода в цепи) и альдозу (карбонильная группа находится в альде-
гидной функции). Обобщенным термином для глюкозы является поэтому
альдогексоза.
Примеры названий моносахаридов приведены ниже.
/О Zz° СН2ОН /О
/рн j'H с=о (гн
снон СНОН 1 *снон *снон
1 сн2он *снон 1 1 *снон 1 *снон 1
альдотриоза СН2ОН 1 *снон *снон 1
альдотетроза 1 СН2ОН *снон 1
кетогексоза СН2ОН
альдогексоза
Как следует из структурных формул моносахаридов, они содержат от
одного до четырех хиральных центров (хиральные центры отмечены звез-
дочками *). Конфигурация каждого моносахарида определяется по наибо-
лее старшему хиральному центру (наиболее удаленному от карбонильной
группы).
Ниже показаны проекционные формулы Фишера ряда моносахаридов с
обозначением их конфигурации по старшему хиральному центру (указана
нумерация стереоцентров) по D/L- и ^/^-номенклатурам.
( ы 1 /но с м 1 /но ( м 1 /но
н ин н он н он
( /н2он но— —н но— —н
©-глицериновый ( /н2он н— —он
альдегид, L-треоза, н— —он
(Я)-глицериновый
альдегид (д)-треоза СН2ОН
©-глюкоза,
(Л)-глюкоза
СН2ОН
с=о
но— —н
н— —он
н— —он
( /Н2ОН
©-фруктоза
(Я)-фруктоза
В природе встречаются моносахариды, в которых одна из гидроксигрупп
замещена водородом или аминогруппой. В частности, дезоксисахарами на-
зывают сахара, которые содержат группу -СН2- вместо -СН(ОН). Напри-
мер, 2-дезокси-О-рибоза входит в состав дезоксирибонуклеиновой кислоты
(ДНК).
26.1. Моносахариды
475
( :но сно 1
н— —он сн2
н— —он н он
н— —он н он
( :н2он СН2ОН
D-рибоза 2-дезокси-О-рибоза
Аминосахарами называют сахара, которые содержат группу -CH(NH2)-
вместо -СН(ОН)-. Наиболее важными аминосахарами являются D-глюко-
замин и D-галактозамин. В природе они встречаются, как правило, в виде
ацетамидов.
сно
сно
н— nh2 н— —NHCOCH3
но— —н но— —н
н— —он н— —он
н— —он н— —он
СН2ОН
2-амино-2-дезокси-
D-глюкоза
(D-глюкозамин)
СН2ОН
2-ацетамидо-2-дезокси-
D-глюкоза
26.1.2. Строение
Э. Фишер подробно изучил строение и свойства глюкозы, в том числе
стереохимию этого моносахарида. Он установил, что значительная часть
свойств глюкозы может быть понята в терминах открытой формы. Вместе
с тем следует иметь в виду возможность перехода открытой формы
(формула Фишера) в циклическую форму (формула Толленса). Шести-
членные циклические формы моносахаридов называют пиранозами
(в основе этого термина лежит название оксациклогексадиенов - пиранов).
476
Глава 26. Углеводы
у-пиран
1 н-( „ 2 :-он 1 ( тт_2 <0 :'н но
н ОН н он н
з тт О тт^ 3
ни ц 4 Г1 ГАТТ пи тт 4 н но
н и 5 ОН н он н
н н он н
з
4
5
6,
6,
СН2ОН
СН2ОН
О-глюкоза
(формула Фишера)
I
а-£>-глюкопираноза
(формула Толленса)
1-С-Н
. 2
ОН
-н
ОН
бсн2он
II
Р-О-глюко пираноза
(формула Толленса)
о
Обратите внимание! Здесь и далее в формулах Толленса в углах, отме-
ченных звездочкой *, атомы отсутствуют.
Для обозначения циклических форм в настоящее время в химии углево-
дов чаще применяют кресловидные формулы, аналогичные тем, которыми
обозначают циклогексан и его замещенные:
а-О-глюкопираноза,
а-О-глюкоза
Р-О-глюкопираноза,
Р-О-глюкоза
и соответствующие упрощенные изображения - формулы Хеуорса (в этих
формулах атомы Н при углеродных атомах часто не изображают):
6
СН2ОН
Н /Н—О\Н
А/ н \ ,
4 \ он Н 1
но Nr-----/ он
н он
I
а-£>-глюкопираноза
6
СН2ОН
н °\ он
\/ н \
4 ч он н 1
НО Nr-------К Н
н он
II
Р-£>-глюкопираноза
26.1. Моносахариды
477
Обратите внимание! Ниже изображена кресловидная формула 0-£)-глю-
копиранозы, в которой все заместители имеют экваториальную ориента-
цию (е-конформер). Эта структура на 6 ккал/моль стабильнее, чем я-кон-
формер, в котором все заместители имеют аксиальную ориентацию.
е-конформер
Р-О-глюкозы
«-конформер
Р-О-глюкозы
Циклические формы глюкозы являются внутренними полуацеталями;
гидроксигруппа при атоме С5 присоединена к группе СНО.
В форме I «полуацетальная» гидроксигруппа при атоме Ct (ее принято
называть гликозидной гидроксигруппой) направлена ниже плоскости моле-
кулы; эта форма названа а-аномером. В формуле Толленса а-аномера гид-
роксигруппа при С]-атоме находится справа (см. с. 476).
Форма II отличается ориентацией гидроксила при атоме С] выше плос-
кости молекулы; эта форма названа fi-аномером. В формуле Толленса
0-аномера гидроксигруппа при Ц-атоме находится слева.
Имеется простой способ трансформации проекционной формулы Тол-
ленса в формулу Хеуорса и наоборот. Гидроксигруппы, находящиеся в фор-
мулах Толленса слева, ориентированы вверх в формулах Хеуорса. Гидро-
ксигруппы, находящиеся в формулах Толленса справа, ориентированы вниз
в формулах Хеуорса.
Структуры I и II относятся друг к другу как диастереомеры. Они разли-
чаются конфигурацией только при атоме Сг
Аномерный атом С] в полуацетальных формах глюкозы - еще один хи-
ральный центр в ее молекуле. Общее число оптических изомеров пираноз
равно, таким образом, 25 = 32.
Два стереоизомера, содержащие несколько хиральных центров, но
различающиеся конфигурацией только одного из центров, называют
эпимерами. 0-Р-Глюко- и 0-£)-галактониранозы различаются только кон-
фигурацией при атоме С4 и являются эпимерами.
СН7ОН
Н ОН
0-£>-глюкопираноза
P-D-гал акте пираноза
478
Глава 26. Углеводы
Обратите внимание! Согласно данным выше определениям, эпимеры сле-
дует рассматривать как частный случай диастереомеров, а аномеры -
как частный случай эпимеров.
Фруктоза вместо альдегидной функции содержит оксогруппу. Поэтому
ее циклическая форма представляет собой полукеталь. Фруктоза образует
пятичленную циклическую форму; такой циклический моносахарид назы-
вают фуранозой (происхождение этого термина аналогично происхожде-
нию термина «пираноза»; он происходит от названия пятичленного гетеро-
арена «фуран»).
’СН2ОН
з
но— —н
н— —он
н— —он
( :н2он
1 2 нон2с— —он но— —СН2ОН
но— —н з но— —н
4 о + О
н— —он н— —он
нон2с— —н нон2с— —н
а-£)-фруктофураноза
Р-£>-фруктофураноза
а-аномер
Р-аномер
В кристаллическом состоянии углеводы существуют в циклической фор-
ме, и лишь в растворах имеют место взаимные превращения открытой и
циклической форм.
26.1.3. Реакции
Мутаротация глюкозы , , , п
Чистая а-£)-глюкопираноза (очищают перекристаллизацией из этанола)
имеет угол вращения [a]D +112.2°. Чистая Р-£)-глюкопираноза имеет угол
вращения [a]D +18.7°. В кристаллическом состоянии обе формы вполне ус-
тойчивы и не подвержены взаимопревращениям. Указанные углы оптичес-
кого вращения относятся к водным растворам названных форм и измерены
сразу после приготовления растворов.
26.1. Моносахариды
479
Однако водные растворы индивидуальных а- и 0-форм глюкозы со вре-
менем изменяют угол оптического вращения до равновесного значения,
равного +52.5°. Это явление впервые наблюдали в 1846 г. и назвали
мутаротацией. Его причина заключается в том, что циклические формы
полуацеталя (а- и 0-аномеры) в водном растворе находятся в равновесии с
открытой формой.
а-Р-глюкопираноза <.г.'. > открытая форма < > 0-Р-глюкопираноза
[оф,+112.2° [а]^+18.7°
В этих условиях каждый акт рециклизации открытой формы вновь до
глюкопиранозы равновероятно ведет к образованию одного из двух аноме-
ров, что и обусловливает изменение угла вращения.
а-Р-глюкопираноза
(36%)
н ОН
Р-глюкоза
с открытой цепью
Р-Р-глюкопираноза
(64%)
В равновесной смеси D-глюкопиранозы содержится 36 % а-изомера и
64 % 0-изомера. Концентрация открытой формы, через которую взаимо-
превращаются аномеры, составляет лишь 0,024%.
Не всегда 0-аномер пиранозы более стабилен. Например, £)-манноза в
равновесии имеет большее содержание а-аномера.
а-Р-маннопираноза
(69%)
н ОН
Р-манноза
с открытой цепью
480
Глава 26. Углеводы
P-D-маннопираноза
(31%)
Этот факт получил название «аномерный эффект».
Взаимные превращения открытых и циклических форм моносахаридов
иногда называют кольчато-цепной таутомерией.
Изомеризация глюкозы
Изомеризация в водном растворе щелочи - еще одна реакция открытой
формы глюкозы. Например, £)-глюкоза в водном растворе Са(ОН)2 подвер-
гается быстрой изомеризации с образованием нескольких изомеров, вклю-
чая £)-фруктозу и £)-маннозу.
сно г н сно
сно с-о"
тт ОТ-Г ио 1 2-ОН
Н Т_ГГ"\ ин тт гл UH (. но н
НО тт н °он _ ни тт н но н н2о но н
014 HjO
Н тт U11 044 11 тт ин н ин он н он
Н ( £>-г ин :н2он пюкоза 11 ( ин н :н2он ( Н20 ин :н2он н ( D-m он :н2он анноза
СН2ОН
С=О
НО-----Н
Н-----ОН
Н-----ОН
СН2ОН
£)-фруктоза
н 1
с-он
1
( 2-ОН
но— —н
н— —он
н— —он
( :н2он
ендиол
26.1. Моносахариды
481
Причина способности глюкозы к изомеризации заключается в протон-
ной подвижности атома Н, находящегося у углеродного атома, соседнего с
карбонильной группой. Вследствие этого образуется енольная форма -
ключевая структура изомеризационного процесса.
Получение гликозидов
Если пропускать газообразный НС1 через раствор £)-(+)-глюкозы в мета-
ноле, протекает реакция с образованием аномерных метилацеталей.
Обратите внимание! В кресловидных формулах моносахаридов на этой
схеме и далее показаны только экваториальные заместители.
сно
н— —он
но— —н
н— —он
н— —он
( :н2он
о
нон2с
но
но
он
он
Р-£)-глюкопираноза
СН3ОН, НС1
метил-а-О-глюкопиранозид
НОН2С
HO/V'V-"'°\
ноЛ^--^>-Д/оснз
он
II
метил-Р-£)-глюкопиранозид
В общем случае циклические ацетали углеводов называют гликозидами.
Ацетали глюкозы называют глюкозидами, а, например, ацетали маннозы
называют маннозидами. Механизм образования метилглюкозида дан ниже.
Смесь аномерных гликозидов образуется иначе, чем при мутаротации, а
именно - минуя стадию образования открытой формы.
482
Глава 26. Углеводы
Как и другие ацетали или кетали, гликозиды стабильны в водных и вод-
но-щелочных растворах, не способны к равновесным превращениям откры-
той и циклической форм и не дают поэтому реакцию серебряного зеркала.
В кислых растворах они подвергаются гидролизу с образованием соответ-
ствующего сахара и спирта.
НОН2С
НО'Х\^^°\
он
метилф-О-глюкопиранозид
О
нон2с
но
но
он
он
аф-О-глюкопираноза
+ СН3ОН.
Остаток спирта называется агликон.
Обратите внимание! Волнистая гликозидная связь () указывает на
равновероятную возможность образования аксиальной и экваториальной
связей.
Гликозиды весьма распространены среди природных соединений. В ка-
честве агликонов в них выступают фрагменты не только простых алифати-
ческих спиртов, но и других, нередко сложных, соединений.
Например, в сердечных гликозидах, применяемых в качестве фармацев-
тических препаратов для стимуляции сердечной деятельности, в качестве
агликонов выступают производные стероидов. Помимо О-гликозидов су-
ществуют и N-гликозиды, в которых агликон присоединен к сахариду через
атом азота. К наиболее важным N-гликозидам относят нуклеозиды
(о нуклеозидах см. в разд. 28.1.3).
Гидролиз гликозидов может быть проведен и стереоспецифически с по-
мощью ферментов - катализаторов биохимических реакций. Ферменты от-
личаются не только тем, что нередко ускоряют реакции в 1О10 раз, но и тем,
что действуют стереоспецифически, реагируя, например, лишь с одним из
стереоизомеров. В частности, фермент а-глюкозидаза гидролизует лишь
метил-а-Д-глюкопиранозид, не затрагивая [3-аномер.
метил-а-£)-глюкопиранозид
+ СН3ОН.
н он
а-£>-глюкопираноза
26.1. Моносахариды
483
Напротив, фермент Р-глюкозидаза гидролизует только Р-аномер.
метил-Р~£>-глюкопиранозид
(3-глюкозидаза
н ОН
Р-О-глюкопираноза
+ СН3ОН.
Важно отметить, что в указанных выше условиях метилированию под-
вергается лишь полуацетальная гидроксигруппа (гликозидная гидрокси-
группа) глюкозы. Метилирование других гидроксигрупп протекает в иных
условиях. Например, метилглюкозид может быть превращен в пентаме-
тильное производное обработкой избытком диметил сульфата в водном
NaOH (методика синтеза Вильямсона). Гидроксигруппы в моносахаридах
более кислые, чем в обычных спиртах. Поэтому они легко превращаются в
алкоксид-ионы в водном NaOH и исчерпывающе метилируются.
аф-метил-О-глюкопиранозид
СН3ОН2С
СН3О
сн30
ОСН3
осн3
аф-пентаметил-О-глюкопиранозид
Метоксигруппы при атомах С2, С3, С4 и С6 - обычные эфирные группы:
они стабильны в разбавленных кислотах. Однако метоксигруппа при С] -
особенная (ацетальная) и поэтому подвергается гидролизу и в разбавлен-
ной соляной кислоте.
осн3
осн3
2,3,4,6-тетра-О-метил-О-глюкопираноза
484
Глава 26. Углеводы
Ацилирование глюкозы
В противоположность алкилированию ацилирование всех гидрокси-
групп глюкозы идет в одних и тех же условиях. В частности, обрабатывая
моносахарид избытком (СН3СО)2О в присутствии слабого основания
(например, ацетата натрия или пиридина), можно превратить все гидрокси-
группы (включая аномерную при атоме Cj) в сложноэфирные. При низкой
температуре реакция идет стереоспецифично: ос-аномер дает а-пентаацетат
и Р-аномер дает Р-пентаацетат.
НОН,С
он
(СН3СО)2О (изб.)
пиридин
ОСОСНз
пента-О-ацетил-а-О-глюкопираноза
cc-D-глюкопираноза
Интересно, что р-пентаацетат образуется быстрее, чем а-пентаацетат:
экваториальная гидроксигруппа при аномерном центре в Р-изомере более
доступна для реакции, нежели аксиальная гидроксигруппа в а-изомере.
а-Пентаацетат, однако, является термодинамически более устойчивым
(еще один пример аномерного эффекта).
СН3СОО
СН3СОО
СН2ОСОСН3
0
ОСОСНз '“н~®
ОСОСНз
Р-аномер
К = 6,7
а-аномер
Обратите внимание! Концепция кинетического и термодинамического
контроля «работает» и для сложных органических соединений, имеющих
важное значение в биохимии живых организмов.
Реакция моносахаридов с фенилгидразином. Фенилозазоны
Альдегидная группа альдоз реагирует с гидроксиламином NH2OH и фе-
нилгидразином C6H5NHNH2. В мягких условиях глюкоза образует с фенил-
гидразином фенилгидразон.
26.1. Моносахариды
485
О
*Гн (СНОН)4 сн2он глюкоза ch=n-nhc6h5 + C6H5NHNH2 (СНОН)4 + Н2о. фенил- СН2ОН гидразин фенилгидразон _ глюкозы
Иначе протекает реакция глюкозы с избытком C6H5NHNH2 при нагрева-
нии. В этих условиях образуется продукт с двумя фенилгидразоновыми
фрагментами в молекуле - фенилозазон.
СНО
I
снон
(СНОН)з
СН2ОН
+ 3C6H5NHNH2
ch=n-nhc6h5
c=n-nhc6h5
(СНОН)з
СН2ОН
+ C6H5NH2 + NH3 + Н2О.
фенилозазон
Реакция, таким образом, сопровождается потерей хирального центра
при С2, но не затрагивает других хиральных центров.
CH=N-NH-CfiH<
3 c6h5nhnh2 з c6h5nhnh2 п
D-глюкоза с :=N-NH-C6H5 ’ D-манноза
но— —Н -к
СН2ОН 1 н— —он
с=о 1 3 C6H5NHNH2 Н —он
(СНОН)з ( 'Н2ОН
СН2ОН ::i- . С'’ фенилозазон :
D-фруктоза
Эпимерные гексозы - D-глюкоза и D-манноза - имеют одинаковую кон-
фигурацию у атомов С3, С4 и С5 и дают один и тот же озазон.
486
Глава 26. Углеводы
Окисление глюкозы
Применяют целый ряд окислителей (реагенты Толленса и Бенедик-
та-Фелинга, бромная вода, азотная кислота, периодная кислота), каждый из
которых оказывает специфическое действие на моносахарид. Это свойство
используют как для того, чтобы доказать строение моносахарида, так и в
синтетических целях.
При окислении глюкозы реагентами Толленса и Бенедикта-Фелинга
альдегидная группа окисляется до карбоксильной группы. Образующиеся
монокарбоновые кислоты называют алъдоновыми (гликоновыми)
кислотами. г > ;
Окисление реагентами Толленса и Бенедикта-Фелинга
© е h > J
Реагент Толленса [Ag(NH3)2OH] окисляет глюкозу до глюконовой кис-
лоты, на стенках колбы при этом образуется осадок металлического сере-
бра (реакция «серебряного зеркала»), д -
СНО соон
(СНОН)4 -2Ag(NH’h2iL (СНОН)4 + 2Ag|.
СН2ОН СН2ОН
D-глюкоза D-глюконовая
кислота
При окислении глюкозы реагентом Бенедикта-Фелинга (этот реактив
содержит ионы двухвалентной меди и имеет синий цвет) появление кирпич-
но-красного осадка однозначно свидетельствует о наличии в структуре
моносахарида легко окисляемой альдегидной или а-гидроксиоксогруппы
(такой фрагмент имеется в молекуле фруктозы).
СНО СООН
(СНОН)4 2Сц2®+ 4®он> (СНОН)4 + Cu2Ol + 2 Н2О.
| синии раствор | Т z
СН2ОН СН2ОН кирпично-
красный
D-глюкоза D-глюконовая осадок
кислота
Эти реакции окисления легко протекают с моносахаридами, содержащи-
ми полуацетальную функцию. В водном растворе полуацетали в незначи-
тельном количестве присутствуют в открытой форме со свободной альде-
гидной или ос-гидроксиоксофункцией (см. выше об изомеризации глюкозы
до фруктозы).
Моно- и дисахариды, дающие реакцию «серебряного зеркала» с ре-
агентом Толленса и красный осадок с реагентом Бенедикта-Фелинга, назы-
вают восстанавливающими. Моно- и дисахариды, не способные к таким
реакциям, называют невосстанавливающими.
26.1. Моносахариды
487
Окисление бромной водой
Бромная вода - удобный реагент для окисления моносахаридов (альдоз);
она гладко окисляет альдегидную группу до карбоксильной. При этом мо-
носахариды не подвергаются изомеризации. Продуктами являются соответ-
ствующие альдоновые кислоты.
сно
(СНОН)4
СН2ОН
О-глюкоза
(альдоза)
СООН
(СНОН)4
Н2О I
сн2он
О-глюконовая
(альдоновая
кислота)
Существенно, что глюкоза подвергается окислению бромной водой в полу-
ацетальной (циклической) форме, причем Р-аномер окисляется значительно бы-
стрее, чем а-аномер. П-Глюконовая кислота образуется при этом в виде цикли-
ческого эфира - 5-лактона, который обратимо изомеризуется до у-лактона.
НОН2С
но
но
он
он
НОН2С
_gr2 _ но'^Х^^'Ч
н2° ho-V-^^l
он%
Н2О
-н2О
Р-О-глюкопираноза
( 2ООН
н— —он
~ но —н _
н— —он
н— —он
( :н2он
О-глюконовая
кислота
О-глюконо-8-лактон
О-глюконо-у-лактон
Окисление разбавленной азотной кислотой
При окислении моносахаридов разбавленной азотной кислотой получа-
ют дикарбоновые - альдаровые кислоты.
сно соон
(СНОН)4 н-°3 (раз.Ч (снон)4
СН2ОН соон
альдоза
альдаровая
кислота
488
Глава 26. Углеводы
НОН9С
Р-О-глюкопираноза
н но н н ( 'НО . с 2ООН
он н ОН
н но HNO3 ГАТТ ТТ н
kJM 11 он
с ОН 11 :н2он с он :оон
О-глюкаровая
кислота
Альдаровые кислоты также легко образуют у- и 8-лактоны.
Перйодатное окисление
Перйодатное окисление моносахаридов известно как окислительное
расщепление. Оно легко протекает с соединениями, которые содержат гид-
роксигруппы у соседних атомов углерода. В моносахаридах при этом разры-
ваются все С-С-связи.
СНО
н----он
н—-он
сн2он
О-эритроза
+ ню4
4 НСООН.
муравьиная
кислота
Перйодатное окисление хорошо работает в водных растворах. В органи-
ческих растворителях для тех же целей удобнее применять тетраацетат
свинца РЬ(ОСОСН3)4.
Восстановление моносахаридов
При действии натрийборгидрида на альдозу образуется многоатомный
спирт - гексит.
СНО СН2ОН
(СНОН)4 (СНОН)4
СН2ОН СН2ОН
альдоза
гексит
26.1. Моносахариды
489
( :но ( :н2он ели
н он н ин
но Н г 1HJ (Н2О) Н
н ОН 11 ин
н ( D-ry он н :н2он ( юкоза D-r (сс ин :н2он люцит рбит)
В частности, из D-глюкозы при этом образуется D-глюцит.
Из ксилозы и галактозы получают ксилит и дульцит соответственно.
Эти многоатомные спирты назначают больным диабетом вместо сахарозы.
Удлинение углеродной цепи моносахарида
по методу Килиани-Фишера
На первой стадии по методу Килиани-Фишера (1885 г.) получают циан-
гидрин, который является смесью диастереомеров. Смесь разделяют и
дальнейшие превращения проводят с индивидуальными диастереомерами.
Циангидрин после гидролиза и дегидратации дает у-лактон, который вос-
станавливают до альдозы, содержащей на один атом углерода больше, чем
исходный моносахарид, например С3 С4. Ниже метод Килиани-Фишера
показан на примере синтеза двух альдотетроз - D-треозы и D-эритрозы - из
D-глицеринового альдегида (альдотриозы).
cf
н
н---он
СН2ОН
D-глицериновый
альдегид
HCN
CN
н----ОН
н---он
СН2ОН
CN
эпимерные но-4—н
циангидрины
(диастереомеры) Н ОН
СН2ОН
1. Ва(ОН)2
2. Н3О®
1. Ва(ОН)2
2. Н3О®
490
Глава 26. Углеводы
эпимерные
альдоновые
кислоты
эпимерные
у-альдоно-
лактоны
СООН
но----н
н----он
СН2ОН
Na(Hg) pH 3-5
Na(Hg) pH 3-5
СНО
н-----он
н-----он
СН2ОН
£>-(-)-эритроза
СНО
но-----н
н-----он
СН2ОН
О-(-)-треоза
Здесь уместно отметить, что за работы по синтезу сахаров и пуринов
Э. Фишер в 1902 г. был удостоен Нобелевской премии.
Деградация моносахаридов по Руффу
Углеродную цепь в молекулах моносахаридов можно не только наращи-
вать, но и укорачивать последовательно на один атом углерода. Известный
метод Руффа (1898 г.) деградации углеводов включает следующие стадии.
1. Окисление альдозы до альдоновой кислоты действием бромной воды.
2. Окислительное декарбоксилирование альдоновой кислоты до
соответствующей альдозы при действии пероксида водорода и сульфата
железа(3+).
26.2. Дисахариды
491
( н— :но ( —он н— гхтт ^г2 ц 2ООН ( —он он Н2О2 , н гно —он + СО2 —он :н2он -эритроза
н н— ( О-(- 011 Н2О н ОН Н 'Н2()Н ( )-рибоза D-pi KI Fe2(SO4)3 н_ —он ( :Н^0Н D-(-) 1боновая 1слота
26.2. ДИСАХАРИДЫ
Моносахариды могут давать гликозиды не только со спиртами, но и с
другими моносахаридами. Эта реакция гликозилирования открывает путь к
ди- и полисахаридам.
26.2.1. Сахароза
Сахароза представляет собой дисахарид, состоящий из остатков
D-глюкозы и D-фруктозы, связанных ГЛИКОЗИДО-ГЛИКОЗИДНОЙ связью
(а-1,р-2-связь).
СН9ОН
Р-О-фруктоза
н он
а-О-глюкоза
(+)-сахароза
(а-О-глюкопиранозил-Р-О-фруктофуранозид)
Обратите внимание! Здесь и далее в формулах ди- и полисахаридов
в углах, отмеченных звездочкой л, атомы отсутствуют.
492
Глава 26. Углеводы
(+)-Сахароза - это сахар, который употребляют в пищу. Его кислотный
гидролиз дает 1 моль D-глюкозы +1 моль D-фруктозы. (+)-Сахароза - не-
восстанавливающий гликозид, как и метил-О-глюкозид. (+)-Сахароза не об-
разует озазон и не подвергается мутаротации, как другие гликозиды. Это
объясняется тем, что в молекуле (+)-сахарозы аномерные центры обоих са-
харов соединяет гликозидная связь, а полуацетальная функция отсутствует.
26.2.2. Мальтоза
Еще один пример дисахарида - мальтоза (тривиальное название
«солодовый сахар)» - продукт ферментативного гидролиза крахмала.
а-гликозидная связь
а-мальтоза,
4-О-(а-О-глюко11иранозил)-
а-О-глюкопираноза
В этом дисахариде остатки моносахаридов связаны гликозидо-гликозной
связью (а-1,4-связь).
Вследствие наличия полуацетальной функции в молекуле мальтозы,
а-аномер находится в равновесии с p-аномером - р-мальтозой, 4-O-(a-D-
глюкопиранозил)-р-О-глюкопиранозой. Если ее подвергают кислотному
гидролизу, получают 2 моль О-(+)-глюкозы.
В противоположность сахарозе мальтоза - восстанавливающий глико-
зид, поскольку в его структуре имеется полуацетальный фрагмент. Мальто-
за дает реакции с реагентом Бенедикта-Фелинга и фенилгидразином.
Из других примеров дисахаридов можно назвать лактозу (молочный са-
хар) - дисахарид, содержащий остаток p-D-галактопиранозы (в фиксиро-
ванной P-форме) и D-глюкозы и присутствующий в молоке почти всех мле-
копитающих:
а-лактоза,
4-О-(Р-О-галактопиранозил)-
a-D-глюкопираноза
26.2. Дисахариды
493
СНэОН СНэОН
н он н он
Р-лактоза,
4-О-(Р-О-галактопиранозил)-
Р-О-глюкопираноза
и целлобиозу - дисахарид, содержащий два остатка глюкозы: один из остат-
ков находится в фиксированной Р-форме:
а-целлобиоза,
4-О-(Р-£)-глюкопиранозил)-
а-О-глюкопираноза
СН9ОН СН9ОН
н он н он
494
Глава 26. Углеводы
н ОН н он
Р-целлобиоза,
4-О-(Р-О-глюкопиранозил)-
Р-О-глюкопираноза
Наличие полуацетальных функций в молекулах лактозы и целлобиозы
позволяет относить их к восстанавливающим сахарам.
26.3. ПОЛИСАХАРИДЫ
26.3.1. Классификация
Полисахариды - высокомолекулярные углеводы, представляющие со-
бой продукты поликонденсации моносахаридов или их производных. По хи-
мической природе полисахариды следует рассматривать как полигликози-
ды. При этом каждое звено моносахарида связано гликозидными связями с
предыдущим и последующим звеньями. Для связи с последующим звеном
предоставляется гликозидная гидроксигруппа, а для связи с предыдущим
звеном - спиртовая (гликозная) гидроксигруппа, чаще всего у атомов С4 или
С6. В полисахаридах растительного происхождения в основном образуются
1,4- или 1,6-гликозидные связи, а в полисахаридах животного происхожде-
ния кроме этих связей образуются также 1,3- и 1,2-гликозидные связи. На
конце молекулы часто находится восстанавливающий остаток моносахари-
да, но поскольку его доля по отношению ко всей молекуле очень мала, то
полисахариды проявляют очень слабые восстанавливающие свойства.
Полисахариды по строению делятся на линейные и разветвленные, а по
составу - на гетерополисахариды, которые состоят из различных моноса-
харидов, и гомополисахариды, которые состоят из фрагментов одного и то-
го же моносахарида. В случае глюкозы такие гомополисахариды называют
глюканами-, крахмал, гликоген, целлюлоза.
26.3.2. Крахмал
Крахмал - основная питательная часть растений (кукуруза, картофель,
пшеница, рис), источник питания человека и животных.
Процесс образования макромолекулы крахмала, состоящий из остатков
а-глюкозы, можно представить следующим образом:
26.3. Полисахариды
495
Основной источник получения крахмала - клубни картофеля, семена ку-
курузы, которые измельчают, промывают водой. Выделившийся крахмал в
виде мелких зерен затем высушивают и получают в виде белого порошка.
Крахмал не обнаруживает восстанавливающих свойств, но после обра-
ботки раствором серной кислоты превращается в продукты гидролиза: сна-
чала в декстрины, а затем - в дисахарид мальтозу. Конечным продуктом ги-
дролиза является а-глюкоза, что можно записать в краткой форме:
(С6Н10О5)„ + иН2О
п С6Н12О6.
Крахмал - один из важнейших компонентов продуктов питания, хотя не-
посредственно не усваивается организмом. В пищеварительном тракте
крахмал гидролизуется ферментами, а образующаяся в результате гидроли-
за глюкоза поступает в кровь и, таким образом, во все ткани организма. Ча-
стичный гидролиз крахмала происходит уже при нагревании, связанном с
приготовлением пищевых продуктов: при выпечке хлеба (образование дек-
стринов), варке картофеля и изготовлении кондитерских изделий.
Нагреванием крахмала с водой получают коллоидную суспензию, состо-
ящую из 10-20% амилозы и 80-90% амилопектина.
Амилоза - полимер D-глюкозы, в котором фрагменты соединены а-1,4-
гликозидными связями, относится к невосстанавливающим сахарам. Моле-
496
Глава 26. Углеводы
кулярная масса амилозы -400 000, т. е. в состав этого полимера входит свы-
ше 1000 моносахаридных субъединиц.
Амилопектин - разветвленный полимер, имеющий молекулярную мас-
су от 1 до 6 млн. Состоит из остатков D-глюкозы, связанных ос-1,4-глико-
зидными связями, и боковых цепей, присоединенных к основной цепи
а-1,6-гликозидными связями.
Гликоген - структурный и функциональный аналог растительного крах-
мала у животных, еще более разветвленный, чем амилопектин. Имеет ис-
ключительно высокую молекулярную массу - до 100 млн. Гликоген служит
прекрасным «хранилищем» углеводов для животных. Постоянно находится
в клетке и благодаря огромным размерам молекулы и большому числу кон-
цевых групп поддерживает в клетке устойчивую концентрацию глюкозы.
26.3.3. Целлюлоза
Другим широко распространенным полисахаридом является целлюлоза,
или клетчатка. Она входит в состав оболочки клеток, откуда и получила
свое название (от лат. «целлюлоза» - клетка). В растениях целлюлоза со-
ставляет от 50 до 95% от общей массы. Особенно богаты целлюлозой во-
локна хлопка, льна, конопли, а также древесные волокна.
Строение целлюлозы сходно со строением крахмала, но в отличие от
крахмала целлюлоза состоит из остатков Р-глюкозы. Процесс соединения
их между собой можно представить следующим образом:
целлюлоза
Тот факт, что крахмал и целлюлоза состоят из разных циклических
форм глюкозы, объясняет различные свойства этих двух полисахаридов.
Крахмал легко гидролизуется в организме человека под действием фермен-
тов и является одним из важнейших продуктов питания.
Задачи
497
Целлюлоза не гидролизуется ферментами. Это объясняется тем, что
ферменты расщепляют связи между остатками а-глюкозы в крахмале, но
не действуют на связи между остатками Р-глюкозы, из которых и состоит
целлюлоза. Именно по этой причине целлюлоза как пищевой продукт че-
ловеком не может быть использована. Напротив, животные, особенно
жвачные, успешно усваивают клетчатку, поскольку их организмы содержат
необходимые для ее гидролиза ферменты.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Альдаровая кислота - дикарбоновая кислота, получаемая окислением моносахарида раз-
бавленной азотной кислотой. При окислении глюкозы получают глюкаровую кислоту.
Альдоповая кислота - монокарбоновая кислота, продукт окисления альдозы бромной
водой. При окислении глюкозы получают глюконовую кислоту. Кетозы бромной водой не
окисляются.
Аномерный атом углерода - полуацетальный (или полукетальный) атом углерода в цик-
лической форме углевода.
Аномерный эффект - преобладание аксиальной ориентации гидрокси- или метоксигруп-
пы при атоме Ct в пиранозных формах некоторых моносахаридов.
Аномеры - диастереомеры, образующиеся при внутримолекулярной реакции между ги-
дроксигруппой и альдегидной (или оксо-) группой углевода. Различаются конфигурацией
только при аномерном атоме углерода. Аномеры - частный случай эпимеров (см. ниже).
Дезоксисахара - сахара, в которых по крайней мере одна гидроксильная группа замеще-
на водородом. Как правило, дезоксисахар характеризуется наличием в нем метиленовой или
метильной группы.
Дисахариды - углеводы, молекулы которых включают два фрагмента моносахарида.
Килиани-Фишера метод - последовательность реакций, с помощью которых альдозу
можно превратить в моносахарид, содержащий на один атом углерода больше, чем исходная
альдоза. (Реакция удлинения цепи моносахарида.)
Моносахариды - простейшие углеводы, которые гидролизом не могут быть превращены
в более простые карбогидраты.
Мутаротация - изменение оптической активности сахара вследствие наличия в его струк-
туре полуацетального С-атома и равновесия между открытой и циклической формами.
Полисахариды - углеводы, молекулы которых включают более восьми фрагментов мо-
носахаридов.
Руффа реакция (деградация по Руффу) - реакция, с помощью которой углеродная цепь
альдозы укорачивается на одно звено. Реакция проводится действием пероксида водорода на
соль альдоновой кислоты в присутствии ионов трехвалентного железа.
Толленса формула - циклическая (полуацетальная) форма моносахарида (глюкозы).
Фишера формула - открытая форма моносахарида (глюкозы).
Хеуорса формула - приближенное к пространственному изображение циклического
сахара, в котором цикл представлен в виде плоского многоугольника. С помощью формул
Хеуорса можно различать цис- и транс-изомеры, но не аксиальные и экваториальные кон-
формеры.
Эпимеры - стереоизомеры, содержащие несколько хиральных центров, но различающи-
еся по конфигурации только одного из центров. Аномеры - частный случай эпимеров.
ЗАДАЧИ
Задача 26.1. Сколько хиральных центров содержится в альдотриозе, альдотетрозе, кето-
гексозе, альдогексозе?
498
Гпава 26. Углеводы
Задача 26.2. Напишите схему превращений, которые претерпевает индивидуальная
P-D-глюкопираноза ([а]0 +18,77°), будучи растворена в воде.
Задача 26.3. На примере маннопиранозы объясните, в чем состоит суть аномерного эф-
фекта.
Задача 26.4. Напишите схему превращений, которые претерпевает индивидуальная
a-D-глюкопираноза ([а]0 +112,2°), будучи растворена в водном растворе Са(ОН)2. .
Задача 26.5. Напишите схему превращений, которые претерпевает метил-а-О-глюкопи-
ранозид ([a]D +158°) при обработке разбавленной соляной кислотой.
Задача 26.6. Напишите схему превращений, которые претерпевает метил-Р-О-глюкопи-
ранозид ([a]D -33°) при обработке разбавленной щелочью.
Задача 26.7. Каким образом метил-а-О-глюкопиранозид можно превратить в a-D-глю-
копиранозу, которая не содержала бы Р-аномера? .
Задача 26.8. В нейтральном и щелочном растворах гликозиды не подвергаются мутаро-
тации. Однако они претерпевают мутаротацию в присутствии разбавленной соляной кисло-
ты. Объясните этот факт.
Задача 26.9. Изобразите кресловидные формулы всех стереоизомеров D-глюкопирано-
зы. Какой из них наиболее устойчив? Дайте объяснение.
Задача 26.10. Напишите схему превращений, которые претерпевает пентаметил-
a-D-глюкопиранозид в разбавленной соляной кислоте.
Задача 26.11. Укажите, какие из перечисленных ниже производных D-глюкозы относят-
ся к восстанавливающим сахарам. а) a-D-глюкопираноза; б) P-D-глюкопираноза; в) метил-р-О-глюкопиранозид; г) пентаметил-а-О-глюкопиранозид; д) пентаацетат-а-О-глюкопиранозы; е) 2,3,4,6-тетра-О-метил-О-глюкопираноза. '
Поясните ответ. Напишите структурные формулы перечисленных соединений.
Задача 26.12. Напишите схему превращений, которые претерпевает Р-О-глюкопираноза
при обработке бромной водой. Изобразите циклические структуры конечного продукта.
Задача 26.13. P-D-Глюкопираноза подвергается окислению:
а) при действии бромной воды;
б) при действии разбавленной HNO3.
Какие продукты при этом образуются? Сделайте заключение об их оптической активно-
сти.
Задача 26.14. Изобразите открытую форму продукта окисления D-маннозы разбав-
ленной HNO3. Назовите этот продукт. Сделайте заключение о его оптической активности.
Задача 26.15. Изобразите проекционную формулу Фишера для продукта окисления
D-эритрозы разбавленной HNO3.
Задача 26.16. Какие продукты могут быть получены по схеме синтеза Килиани-Фишера
из следующих моносахаридов:
а) D-эритроза; б) D-треоза.
26.4. Обмен энергии в живом организме
499
Задача 26.17. D-Манноза может быть как правовращающей, так и левовращающей. Дай-
те объяснение этому факту.
Задача 26.18. Примените метод деградации Руффа к каждой из альдопентоз. Какие мо-
носахариды при этом получают?
Задача 26.19. Напишите формулы Хеуорса для следующих сахаридов:
а) a-D-галактопираноза; в) метил-Р-П-маннозид;
б) a-мальтоза; г) Р-целлобиоза.
Задача 26.20. D-Глюкоза, D-манноза и D-фруктоза реагируют с 3 моль фенилгидразина
с образованием одного и того же озазона. Напишите соответствующие реакции. Какое про-
странственное строение имеет озазон?
26.4. ОБМЕН ЭНЕРГИИ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ
В этой главе мы познакомились с химическим синтезом углеводов. В
природе углеводы синтезируются в зеленых растениях из углекислого газа
и воды под действием солнечной энергии (фотосинтез}. Суммарное урав-
нение фотосинтеза записывается следующим образом:
хСО2 + уН2О + hv (“"я^я хлорофилл> Ca.(H2O)v + хО2
Это уравнение показывает, что углеводы действуют как консерванты
солнечной энергии. Эта энергия высвобождается при расщеплении углево-
дов, например в животных организмах, до СО2 и Н2О.
СЛ(Н2О)У + хО2 -------► х СО2 + у Н2О + энергия.
Часть этой энергии выделяется в виде тепла, а другая часть расходуется
в процессе биосинтеза.
Использование выделяющейся энергии представляет для живого орга-
низма определенную проблему. В частности, организм человека может ак-
тивно перерабатывать только часть этой энергии, переводя ее, например, в
мышечную или умственную энергию. Оставшаяся часть энергии расходует-
ся пассивно - на синтез триглицеридов (жиры). Как только содержание
полисахаридов на 1 кг тканей достигает 50-60 г, энергия начинает исполь-
зоваться для образования жиров.
Один из путей «полезной» консервации энергии - синтез аденозинтри-
фосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфа-
та. Как показано ниже, аденозин состоит из фрагмента азотистого основа-
ния (аденин), фрагмента моносахарида (рибоза) и остатка ди (или три)фос-
форной кислоты.
500
Глава 26. Углеводы
фрагмент рибозы
АДФ
+ н20
Эта реакция протекает во всех живых организмах, как в растительных,
так и в животных. Энергия сохраняется в АТФ и используется в дальней-
шем во всех процессах, протекающих с расходованием энергии: сокращение
мышц, синтез макромолекул, умственная энергия и т. д.
АТФ + Н2О * АДФ + фосфат-ион, П о
АТФ // С! + R-C R-с п + АДф он о-р-о® 0е
Таким образом, биологическое окисление глюкозы идет в несколько
стадий, а высвобождаемая при этом энергия консервируется в виде макро-
эргических соединений. Как уже отмечено, ведущую роль среди этих соеди-
нений играет АТФ. Группа реакций, которые в конечном итоге дают АТФ,
26.4. Обмен энергии в живом организме
501
получила несколько названий: цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот,
цикл лимонной кислоты.
Этими реакциями завершается аэробное окисление (т. е. в присутствии
кислорода воздуха) органических молекул в живых организмах. Связь меж-
ду циклом Кребса и другими процессами превращения биологических моле-
кул показана схематически ниже.
Сахара
Глюкоза
Пировиноградная кислота
Жиры -'"'к.х Ацетилкофермент А' '
Цикл Кребса
цитохромная система
дыхательная цепь
Белки
Н2О
Одна из функций АТФ, таким образом, заключается в переносе фосфат-
ных групп (фосфорилирование). В живых системах экзергонический
гидролиз АТФ нередко сопряжен со второй эндергонической реакцией.
Энергия, которая высвобождается при гидролизе АТФ, «запускает» эндер-
гонический процесс.
Углеводы являются источником энергии человека в повседневной жиз-
ни. В частности, энергию, содержащуюся в гликогене, человек расходует в
течение одного дня. Энергия «длительного» хранения содержится в жирах.
Запасы жиров у человека таковы, что их энергию человек сможет израсхо-
довать не ранее чем через месяц. При этом следует иметь в виду, что био-
химическое расщепление 1 г жира до СО2 и воды дает в 2 раза больше энер-
гии, нежели расщепление 1 г углеводов или 1 г белков.
Однако, так как современный человек не нуждается в длительной
консервации энергии, его физиологическую потребность в жирах следует
признать невысокой. Это тем более справедливо, поскольку человеческий
организм и самостоятельно способен синтезировать все насыщенные гли-
цериды и часть ненасыщенных глицеридов. Глицериды лишь некоторых
ненасыщенных жирных кислот являются незаменимыми и должны быть
представлены в рационе питания.
Глава 27. АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ
И БЕЛКИ (ПРОТЕИНЫ)
Термин «протеины» происходит от греческого слова «proteios», которое
означает «первичный». Этим подчеркивается первостепенная значимость
протеинов для всех живых организмов. В частности, протеины составляют
не менее 50% сухой массы организма человека. В русском языке для обо-
значения протеинов широко распространен термин «белки».
Функции белков в организме чрезвычайно многообразны. Некоторые из
них (например, коллаген) составляют основу костно-мышечных тканей.
Другие белки включены в иммунную систему и выполняют защитные
функции против инфекций и возбудителей болезней. Наиболее важные
белки - ферменты (энзимы), которые катализируют химические реакции,
протекающие в организме, и гормоны, регулирующие все биохимические
процессы в организме.
Белки являются полимерами, в которых фрагменты а-аминокислот со-
единены амидными связями. Для построения белков природа использует 20
а-аминокислот. В состав белка может быть включено от 50 до 8000 моле-
кул аминокислот, а молекулярная масса белка может достигать 1 млн.
Этот раздел начинается с рассмотрения классификации, строения и
свойств природных а-аминокислот.
27.1. КЛАССИФИКАЦИЯ а-АМИНОКИСЛОТ
Все а-аминокислоты имеют следующую общую формулу:
Н О
I II . « Z ' > . 5 О/
h2n~c-c-oh
R -
В основе классификации лежат свойства боковой группы - заместителя
R. Этот заместитель может иметь нейтральную, полярную, основную или
кислотную природу. Ниже природные а-аминокислоты классифицированы
в зависимости от свойств заместителя R. Указаны также структурные фор-
мулы а-аминокислот, их полные и сокращенные названия, а также значе-
ния их изоэлектрических точек рН(. (см. разд. 27.4.1).
27.1. Классификация а-аминокислот
503
Многие аминокислоты могут быть синтезированы в живых организмах
(растительных или животных). Высшие животные, однако, не способны
синтезировать все аминокислоты, которые они используют в белковом син-
тезе. Организм человека, например, не может синтезировать восемь амино-
кислот. Эти аминокислоты называют незаменимыми. Они должны посту-
пать в организм человека с пищей. Незаменимые кислоты отмечены ниже
буквой «н».
Аминокислоты с неполярными боковыми группами R:
НО НО но
1 II h2n-c-c-oh сн3 Аланин, Ala (6,0) Н О 1 II h2n—с—с—он сн2-сн-сн3 сн3 Лейцин, Leu (6,0) н Н О 1 II h2n-c-c-oh сн2-^2^> Фенилаланин, Phe (5,5) н Н О 1 II h2n-c-c-oh сн2 ^x^NH Триптофан, Тгр (5,9) и 1 II 1 II h2n-c-c-oh h2n- с-с-он н сн-сн2сн3 1 Глицин, Gly (6,0) СН3 Изолейцин, Не (6,0) н о 1 II h2n-c-c-oh ch2ch2sch3 Метионин, Met (5,7) н ..НО 1 II N-C-C-OH Пролин, Pro (6,3) НО 1 II h2n-c-c-oh сн-сн3 сн3 ' Валин, Vai (6,0) ’ н
504
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
Аминокислоты с полярными нейтральными боковыми группами R:
Н О
I II - - -
H2N-C--('-OH
ch2ch2-c-nh2 ............
О . п'
Глутамин, Gin (5,7)
н о
I II
h2n-c-c-oh
ch2-c-nh2
о
Аспарагин, Asn (5,4)
н о
I II
h2n-c-c-oh
сн2-он
Серин, Ser (5,7)
н о
I II
h2n-c-c-oh
ch2-sh
Цистеин, Cys (5,0)
н о
I II
h2n-c-c-oh
СН-СНз
он
Треонин, Thr (5,6)
н
Н О
I II
h2n-c-c-oh
сн2
он
Тирозин, Туг (5,7)
Аминокислоты с кислотными боковыми группами R:
Н О
I II
h2n-c-c-oh
сн2-с-он
II
о
Аспарагиновая
кислота, Asp (3,0)
н о
I II
h2n-c-c-oh
сн2сн2-с-он
о
Глутаминовая
кислота, Glu (3,2)
Аминокислоты с основными боковыми группами R:
НО
I II
h2n-c-c-oh
сн2
но
I II
H2N-C-C-OH NH
ch2ch2ch2nh- c-nh2
Аргинин, Arg (10,8)
NH
Гистидин, His (7,6)
27.2. Способы получения а-аминокислот
505
н О
I II
h2n—с—с—он
ch2ch2ch2ch2nh2
Лизин, Lys (9,7)
н
В природных соединениях встречаются остатки и других а-аминокислот,
которые, однако, не принимают участия в белковом синтезе, а являются
продуктами превращений фрагментов соответствующих а-аминокислот. В
качестве примера можно назвать 4-гидроксипролин и цистин, образующие-
ся соответственно из фрагментов пролина и цистеина в природных белках.
HN-CH-COOH
ОН
соон .... соон
I I
h2n-ch-ch2-s-s-ch2-ch-nh2
цистин
4-гидроксипролин
В частности, 4-гидроксипролин содержится только в коллагене - белке,
который является основной составной частью костей и хрящей всех позво-
ночных.
27.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ а-АМИНОКИСЛОТ
Ниже приводится ряд методов, пригодных для препаративного синтеза
а-аминокислот в лабораторных условиях.
Аминирование а-галогензамещенных кислот
Нуклеофильное замещение галогена на аминогруппу в а-галогенкарбоно-
вой кислоте - один из наиболее известных методов синтеза а-аминокислот
(см. разд. 13.4.1).
R-CH-COOH
I
Hal
NH3 (изб.), H-.0 НС1, Н2О
-NH4Hal К \Н L \ pH-6.5
NH2 °S@NH4
ZO
R-CH-C(
nh2 oh
(Hal = Br, Cl)
Хотя этот метод применим для синтеза не только а-аминокислот, но и
аминокислот с любым удалением аминогруппы от карбоксильной, приме-
няется он сравнительно редко из-за невысоких выходов целевого продукта.
506
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
Аминирование эфиров а-галогензамещенных кислот
по методу Габриэля
Этот метод представляет собой модификацию известного метода синте-
за первичных аминов и обеспечивает получение а-аминокислот с высоким
выходом (см. разд. 20.4.4).
О
фталимид калия этиловый эфир
монохлоруксусной кислоты
Н2О, НС1
Г
^^.СООН
^^гоон
+ С2Н5ОН
сн2—сх
®NH3C1® 0Н
гидрохлорид
глицина (90%)
Получение по методу Штреккера-Зелинского
По этому способу альдегид обрабатывают водным раствором смеси циа-
нида калия и хлорида аммония (см. разд. 19.1.4).
NH4CI + KCN NH4CN + КС1
NH4CN NH3 + HCN
R-c( R-CH~C=N н2о(изб.) hci,»° R_CH_C00H
H nh2 ®NH3C1®
нитрил а-аминокислоты гидрохлорид
; а-аминокислоты
В результате нуклеофильного присоединения аммиака к альдегиду и по-
следующего отщепления воды образуется имин, который, реагируя с циа-
27.2. Способы получения «-аминокислот
507
новодородом, дает нитрил «-аминокислоты. Гидролиз нитрильной группы
приводит к «-аминокислоте.
альдегид
ОН
I
R—С—NH
I I
н н
R-CH-C^N
-н2о
имин
nh2
нитрил
а-аминокислоты
R—CH“COOH + NH4CI.
®NH3 Cl е
гидрохлорид
а-аминокислоты
Этот метод впервые был предложен А. Штреккером (1850 г.) и был ос-
нован на применении аммиака и синильной кислоты. В 1906 г. его усовер-
шенствовали Н.Д, Зелинский и Г.Л. Стадников.
Синтез на основе малонового эфира
а-Аминокислоты получают и через малоновый эфир. Этот метод пока-
зан ниже на примере получения фенилаланина (см. разд. 20.4.4).
СООС2Н5 СООС2Н5
СН2 СН—Вг
I z СС14 I
СООС2Н5 СООС2Н5
малоновый
эфир
броммалоновый
эфир
C2H50oNa®
(этанол)
N-фталимидомалоновый эфир
Na®
О
508
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
N-фталимидобензилмалоновый эфир
NaOH/H2O Н2О, НС1
СООН
+ 2С2Н5ОН + СО2 +
СООН
сн2-сн-соон
®NH3C1®
фталевая кислота
гидрохлорид
фенилаланина
Важно отметить, что все способы получения, описанные в этом разделе,
приводят к рацемическим смесям энантиомеров а-аминокислот.
27.3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗОМЕРИЯ
И ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
а-АМИНОКИСЛОТ
Все а-аминокислоты, кроме глицина, содержат асимметрический атом
углерода.
зеркальная плоскость
( "ООН ( ХЮН
h2n-ch-cooh н— nh2 h2n —н
R I J
аминокислота £>-ряда аминокислота Л-ряда
(R-конфигу рация) (S-конфигурация)
энантиомеры
Природные а-аминокислоты оптически активны, т. е. имеют строение
одного из двух энантиомеров. Установлено, что а-аминокислоты природно-
го происхождения имеют 5-конфигурацию, т. е. относятся к L-ряду.
СООН
HCWNH2
(У)-аланин
27.3. Пространственная изомерия и оптическая активность «-аминокислот
509
Природная аминокислота Л-треонин, содержащая два асимметрических
атома углерода, имеет следующую конфигурацию:
СООН
• h2n------н
н-----он
СНз . .
(25,3/?)-2-амино-
3-гидроксимасляная кислота
(L-треонин)
Обратите внимание! Отнесение а-аминокислот, содержащих два или бо-
лее хиральных атомов, к D- или L-ряду проводят по верхнему хиральному
атому в проекционной формуле Фишера.
Существует значительное число методов, позволяющих разделить раце-
мические формы аминокислот, которые получают перечисленными выше
способами. Один из таких методов приводится ниже.
Этот метод основан на применении фермента, называемого деацилазой.
Его функция состоит в том, чтобы катализировать гидролиз N-ациламино-
кислот в живых организмах. Поскольку активная часть фермента хиральна,
он катализирует гидролиз только N-ациламинокислоты, имеющей Л-кон-
фигурацию. . - .
D,L-R~СН-СОО® (СНзС0Ж D.L-R-CH-COOH деацилаза>
®NH3 CH3CONH
СОО® СОО®
----- H3N— Н + н NHCOCH3 + СНзСООН.
R-------------------------R
L-аминокислота O-N-ациламинокислота
Разделение смеси Л-амино- и O-N-ациламинокислот, получаемой после
гидролиза, как правило, не представляет трудностей.
Еще одна возможность получения энантиочистых а-аминокислот за-
ключается в применении асимметрического, или энантиоселективного,
синтеза. Например, специальный катализатор (хиральный комплекс родия)
позволяет гидрировать 2-ацетиламинопропеновую кислоту с высокой сте-
пенью энантиоселективности.
510
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
Щ/хиральный 'ООП ( 200®
СН2=С-СООН KOMnjieK(7Rh- CH3CONH— l)°OH/H2O,f° ® 11 2) Н3О® n3N —Н
NHCOCH3 ( Th •- ( 2Н3
2-ацетиламино- А-ацетил-Д-аланин L-аланин
пропеновая кислота
Подробнее об энантиоселективном синтезе см. в разд. 25.7.
27.4. РЕАКЦИИ а-АМИНОКИСЛОТ
27.4.1. Кислотно-основные свойства
Поскольку а-аминокислоты содержат и кислотную, и основную функ-
ции, они обладают амфотерными свойствами и существуют в растворах в
виде биполярных ионов (бетаины).
О
II
h2n-ch-c-oh
R
О
© II
H3N-CH-C-0
R
биполярный ион
(бетаин)
Более подробно кислотно-основные свойства а-аминокислот рассмот-
рим на примере аланина.
О О О
© II н® © н® II „
H3N-CH-C-OH H3N-CH-C-O0 h2n-ch-c-o®
СН3 СН3 СН3
катионная форма . биполярный ион анионная форма
Р^а(ОН) 2.35 Р^а(бет) 97
В сильнокислой среде, например при pH 0, аланин полностью существу-
ет в виде катиона. Значение p/Q карбоксильной группы в таком катионе
равно 2.35, что заметно ниже, чем рКа обычных карбоновых кислот (напри-
мер, рЛ'д пропионовой кислоты равно 4,89). Этот факт не должен вызывать
удивления, так как NH®-rpynna в катионной форме аминокислоты выступа-
ет в качестве сильного электроноакцептора.
В щелочной среде аланин находится в форме аниона. Таким образом, в
водных растворах существует равновесие между формами бетаина, аниона
и катиона. Положение этого равновесия зависит от pH раствора.
27.4. Реакции а-аминокислот
511
Каждая а-аминокислота имеет значение pH, при котором концентрация
биполярного иона максимальна; это значение обозначается pH и называет-
ся изоэлектрической точкой. Для аланина значение pH. равно 6.
Р^(ОН) + Р^(бет) . 2,3 + 9,7
2 2
Как уже отмечалось, значение pH для каждой из аминокислот указано
выше в скобках при их классификации (см. разд. 27.1).
При значении pH, характеризующем изоэлектрическую точку, амино-
кислота имеет ряд специфических свойств. Отметим следующие:
1) растворимость аминокислоты в воде при этом значении является
минимальной, поскольку биполярный ион, в котором два разноименных
заряда пространственно сближены, имеет менее благоприятные условия
для сольватации, нежели два отдельных иона (это свойство иллюстрирует-
ся ниже);
сольватация
биполярного иона
сольватация отдельных ионов
2) электропроводность раствора аминокислоты имеет минимальное
значение при pH, равном pH., так как суммарный заряд биполярного иона
равен нулю.
Поскольку бетаин, анион и катион а-аминокислоты находятся в равно-
весии, а-аминокислоты вступают в реакции, характерные и для аминов, и
для карбоновых кислот.
27.4.2. N-Ацилирование
Ацилирование аминогруппы протекает достаточно легко под действием
различных ацилирующих агентов.
СН2-СООН + (СН3СО)2О —°с ► СН2-СООН + СН3СООН,
nh2 . I .;Р
NH—С
глицин \СНз
N-ацетил глицин
512
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
сн2-соон
nh2
глицин
+ нсоон °— сн2-соон + Н2О,
I Г
NH- Сх
Н
N-формилглицин
муравьиная
кислота
сн2-соон
nh2
глицин
+ с6н5-с
С1
бензоилхлорид
NHaOnH ’ СН2-СООН + NaCl.
rbU I
I
NH—С
С6Н5
N-бензоилглицин
Получение N-ацильных производных используют для защиты амино-
группы. С этой целью часто применяют
бензилхлорформиат'. <-
С6Н5СН2ОН + С1-С-С1 _НС1
бензиловый
спирт
фосген
/О
~20°с- с6н5сн2-о-с'
С1
бензилхлорформиат
/°
с6н5сн2-о-с'
С1
бензилхлорформиат
СН2-СООН —
। —НСЛ
nh2
ГЛИЦИН
О
+
с6н5сн2-о-с
NH-CH2-COOH
N-бензилоксикарбонилглицин
(N-защищенный глицин)
и трет-бутоксикарбоксазид (Вос-защита):
<9
(СН3)3С-О-СЧ
N3
mpe/и-бутокси-
карбоксазид
(Boc-N3)
сн2-соон —
। — riiN3
nh2
глицин
сн2-соон
!
NH- Сч
О-С(СН3)3
N-mpem-бутоксикарбонилглицин
(ty-защнщенный глицин)
+
Преимущество бензилоксикарбонильной и трет-бутоксикарбонильной
групп заключается в легкости их удаления. Как правило, защитную бен-
зильную группу удаляют каталитическим гидрогенолизом или действием
раствора бромоводорода в уксусной кислоте.
27.4. Реакции а-аминокислот
513
Н2, Pd/СаСОз
/Z0
с6н5сн2-о-сх -
NH
I
сн2
соон
N-бензилоксикарбонилглицин
НВг/СН3СООН
с6н5сн3 + со2 + сн2-соо®
толуол ®NH3
глицин
С6Н5СН2Вг + СО2 + сн2-соон
бензилбромид ®NH3 Вг®
гидробромид
< глицина
трem-Бутоксикарбонильную группу можно легко удалить действием
1н. раствора хлороводорода в безводном метаноле.
Zz°
(СН3)3С-О-СХ
nh-ch2-cooh
на
(метанол)
N-mpem-бутоксикарбонилглицин
- сн2-соон + сн3-с=сн2 + со2
®NH3 Cl® СН3
гидрохлорид глицина изобутилен
27.4.3. N-Алкилирование
Моноалкилирование аминогруппы не всегда протекает избирательно.
Избирательность этой реакции зависит от характера алкилирующего аген-
та. Примером гладкого N-моноалкилирования может служить синтез
N-бензил аминокислот.
z°
С6Н5СН2С1 + сн2-с'
, I
бензилхлорид NH2 М Л’
К-соль глицина
Zz°
С6Н5СН2 -NH- СН2~ С
ОСН2С6Н5
N.O-дибензилглицин
c6h5ch2-nh-ch2-cooh ==
1. Н2О (КОН), г
2. Н2О, pH 6,5
с6н5сн2 -nh2-ch2-coo°
N-бензилглицин
514
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
27.4.4. Реакция этерификации
Реакцию осуществляют действием сухого хлороводорода на смесь без-
водного спирта и аминокислоты. Эфир аминокислоты получают в виде
хлоргидрата, который переводят в основание действием триалкиламина.
сн2-соон
nh2
с2н5он
НО (сухой), 25 “С
СН2-С\
®NH3 С1ЭОС^
(C2H5)3N
глицин
гидрохлорид
этилового эфира
глицина
сн2~с
NH2 0(’"'
этиловый эфир
глицина
Для получения бензиловых эфиров аминокислот в качестве катализато-
ра применяют бензолсульфоновую кислоту. Выделяющуюся воду отгоня-
ют в ходе реакции.
H3N~СН—СОО® + С6Н5СН2ОН С?й|о3-
J~>tt бензиловый ,
i спирт ;:
аланин
----- h3n-ch-cooch2c6h5 c6h5so3®
СН3
О-бензилаланинбензолсульфонат
Бензиловые эфиры аминокислот нашли особенно широкое применение,
поскольку О-бензильная защита легко снимается гидрированием в отсутст-
вие воды.
H3N-CH-COOCH2C6H5 Cl® -2/Pd > H3N-CH-COOH Cl® + С6Н5СН3 .
СН3 СН3 толуол
гидрохлорид гидрохлорид аланина
О-бензилаланина
27.4.5. Реакции дезаминирования
Свободные аминокислоты, как и первичные алифатические амины, реа-
гируют с азотистой кислотой с выделением азота.
27.4. Реакции а-аминокислот
515
сн2-соон hn°2> сн2-СООН + N2t + н2о.
N Н2 ОН
глицин гликолевая ,
кислота
Измерение количества выделившегося азота используется для количест-
венного определения аминокислоты.
Окислительное дезаминирование а-аминокислот под действием 1,2,3-ин-
дантриона - нингидрина - лежит в основе их качественного обнаружения.
При этом а-аминокислота претерпевает глубокие превращения, а продукт
реакции имеет характерную синюю окраску (нингидриновая реакция).
Синий цвет обусловлен образованием красителя «синий Руэмана»
нингидрин
(гидратная форма
1,2,3-индантриона)
> 2-амино-1,3-индандион
( ^-макс 570 нм)
В целом, для нингидриновой реакции характерна высокая чувствитель-
ность, поскольку отдельные ее стадии отличаются хорошими выходами и
воспроизводимостью. .
516
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
27.4.6. Отношение к нагреванию
При нагревании а-аминокислоты превращаются в циклические амиды,
называемые дикетопиперазинами. Например, аланин таким образом цик-
лизуется до 3,6-диметил-2,5-дикетопиперазина.
СНз о
NH-CH-C
н
• ' C-CH-NH
О
СНз
аланин
3,6-диметнл-2,5-дикето-
пиперазин
Гидролизом одной из пептидных связей в 3,6-диметил-2,5-дикетопипера-
зине легко получить соответствующий дипептид Ala-Ala.
27.4.7. Пептидный синтез
Аминокислоты в пептидах и белках связаны пептидной связью. Пептид-
ной связью называют амидную связь, которая связывает фрагменты двух
аминокислот.
Например,
/О
h2n-ch-cz
си он
zCn
СН3ЧСН3
валин
+ h2n-ch-c ------------
сн2 он
SH
цистеин
пептидная связь
о
о
h2n-ch-c-nh-ch-c-oh + Н2О.
ZCH
СНз ЧСН3
N-концевая
аминокислота
сн2
SH
С-концевая
аминокислота
дипептид
21 А. Реакции а-аминокислот
517
В общем, амидную связь получить несложно. Как показано выше, для
этого можно указать по крайней мере два пути:
а) через хлорангидрид
R-C
Cl
+ R'-NH2
Z/O
R- Сч + R'NH2 • НС1;
NH- R'
б) карбодиимидный метод, в основе которого лежит применение дицик-
логексилкарбодиимида (ДЦГКД)
//О
R-C4 + R'-NH2 + С6Нц-N=C=N-C6H11
ОН амин дициклогексил-
карбоновая карбодиимид
кислота
R-C-NH-R' + СбНц-NH-C-NH-CeHn
амид М,Ь1'-дициклогексилмочевина
Получение пептидной связи, которая формально также относится к числу
амидных связей, осложняется, однако, тем, что и аминогруппа, и карбокси-
группа находятся в одной и той же молекуле аминокислоты. Синтез целево-
го дипептида сопровождается поэтому образованием побочных дипептидов
при получении его как
по хлорангидридному методу.
a) H2N-CH-C + H2N-CH-C ---------------
R C1 R' 0H
x\. x\.
о о
II II
—- h2n-ch-c-nh-ch-c-oh +
R R'
целевой дипептид ,
О О
II II
+ h2n-ch-c-nh-ch-c-ci + НС1,
R' R
побочный дипептид : . ,,
518
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
так и по карбодишлидному методу.
б) h2n-ch-c* + H2N-CH-C\ + ДЦГКД---------------►
R 0Н R' 0Н
О О
II II
—- h2n-ch-c-nh-ch-c-oh +
R R’
целевой дипептид
О о
II II
+ h2n-ch-c-nh-ch-c-oh +
R R
побочный дипептид
0 0 о
II II II
+ H2N-CH-C-NH-CH-C-OH + CgHn-NH-C-NH-CgHn.
R1 R1 N.N'-дициклогексил мочевина
побочный дипептид
Защита N-и С-концевых групп ,
Задача препаративного синтеза целевого пептида решается путем пред-
варительной защиты аминогруппы первой аминокислоты прежде, чем бу-
дет проведена ее реакция со второй аминокислотой. Для этого первую ами-
нокислоту обрабатывают, например, бензилхлорформиатом.
II ® II d ®ОН НдО®
С6Н5СН2-О-С-С1 + H3N-CH-C-O°
бензилхлорформиат СН3
аланин
О о
II II
—- c6h5ch2-o-c-nh-ch-c-oh
сн3
N-бензилоксикарбонилаланин
(N-защищенный аланин)
Как уже отмечалось, такая защита удобна тем, что легко снимается дей-
ствием водорода над катализатором или бромоводорода в уксусной кислоте
27.4. Реакции а-аминокислот
519
О
c6h5ch2o-c-nh-ch-cooh H2/Pd>
СНз
----► h3n-ch-cooq + с6н5сн3 + со2.
СНз
Защита N-концевой группы может быть проведена и действием трет-
бутилхлорформиата (Вос-защита).
О
H3N-CH-COOS + (СН3)3С-О-С-С1 ----------►
трет-бутилхлорформиат
О
II '
-----► (CH3)3C-O-C-NH-CH-COOH
СН3
N-mpem-бутоксикарбонилаланин
(N-Boc-аланин)
mpem-Бутоксикарбонильная группа также легко снимается обработкой
защищенной аминокислоты или пептида трифторуксусной кислотой или
раствором хлороводорода в безводном метаноле.
Во второй аминокислоте должна быть защищена С-концевая
группа. Как правило, это низшая алкильная (СН3, С2Н5) или бензильная
группа. Бензильная группа особенно удобна, поскольку легко снимается
(см. выше).
@ с6н5сн2он, О
H3N-CH2-COO® -^н^°зН ► NH2-CH2-C-OCH2C6H5
глицин С-защищенный глицин
Предварительная защита двух концевых групп обеспечивает гладкое по-
лучение целевой пептидной связи.
О О О
c6h5ch2-o-c-nh-ch-c-oh + h2n-ch2-c-o-ch2c6h5 дцгкд>
QH3 С-защищенный глицин
N-защищенный аланин
520
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
ООО
II II II Ho/Pt
---► C6H5CH2-O-C-NH-CH-C-NH-CH2-C-O-CH2C6H5 2 >
СН3
целевая
пептидная связь
о о
II II
—► h2n-ch-c-nh-ch2-c-oh + 2 С6Н5СН3 + со2.
СН,
Ala-Gly
(целевой дипептид)
Целевой дипептид Ala-Gly получают после снятия защитных групп гидроге-
нолизом.
Автоматизированный пептидный синтез
В англоязычной литературе этот метод называют «Automated peptide
synthesis» или «Solid-phase peptide synthesis». Его особенность состоит в том,
что получение олиго- и полипептидов по этому методу проводят на твердом
полимере. Как правило, это шарики, изготовленные из полистирола, содер-
жащего активные СН2С1-группы. Первая стадия этого метода заключается
в пришивке N-защищенной аминокислоты к полимеру.
О О
II II
Полимер—СН2С1 + HO-C-CH2-NH-C-OCH2C6H5 -----
О О
— Полимер-CH2-O-C-CH2-NH-С~ОСН2С6Н5
- С6Н5СН3, - со2
О о сн3 о
„ _ Д гчт хттт c6h5ch2-o-c-nh-ch-c-oh
—- Полимер—сн2—о—с—сн2—NH2 — ---------------►
дцгкд
О О СН3 О
II II I II и/и
—► Полимер—СН2—О—С—СН2—NH—С—СН—NH~С—ОСН2С6Н5
- С.6Г15СПЗ,
-со2
О О СНз
II II I
—► Полимер—СН2—О—С—СН2—NH—С—СН-NH2 и т.д.
Ala-Gly
27.4. Реакции а-аминокислот
521
По окончании автоматизированного пептидного синтеза полипептид
снимают с полимера действием бромоводорода в CF3COOH.
Определение структуры полипептидов
Белки - это полиамиды, образованные самыми разнообразными сочета-
ниями природных а-аминокислот. Для нормальной «работы» белка в био-
логической системе исключительно важна последовательность аминокис-
лот в полипептидной цепи. Эта последовательность может быть определе-
на при применении различных методов.
Определение N-концевой группы проводят по методу Эдмана (1950 г.),
который основан на реакции N-концевой группы полипептида с фенилизо-
тиоцианатом.
П II о,,,.
C6H5-N=C=S + H2N-CH-C-NH-CH~C-^4/^w
фенилизотиоцианат р r1 полипептид
5© 5©
,/S'^ \o. о
41 \ll; II
----- C6H5-NH-C-NH-CH-C-NH-CH-C-^^w
I 5® I
R R'
HCl
(органический
растворитель)
По окончании реакции фенилтиогидантоин выделяют, идентифицируют
и таким образом устанавливают характер N-концевой группы в исходном
полипептиде.
Еще одним методом определения N-концевой аминокислоты в полипеп-
тиде является метод Сенгера (1945 г.).
Аминогруппа аминокислоты или пептида реагирует в этом случае с 2,4-
динитрофторбензолом с образованием №(2,4-динитрофенил)производного,
имеющего желтый цвет.
522
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
no2
02n
2,4-динитрофторбензол
F + H2N- СН- COOsNa®
СН3
Na-соль аланина
М-(2,4-динитрофенил)аланин
По окончании реакции Сенгера проводят полный гидролиз полипептида
и определяют, с какой аминокислотой связан остаток 2,4-динитробензола.
Эта аминокислота и является концевой в анализируемом полипептиде.
C-Концевую аминокислоту определяют, подвергая полипептид гидроли-
зу с помощью фермента карбоксипептидазы.. Этот фермент специфически
гидролизует С-концевую амидную связь в пептиде или белке. По заверше-
нии гидролиза первой амидной связи карбоксипептидаза гидролизует следу-
ющую амидную связь и т. д.
Н О R2 Н
N ^С^ /СН /СООН
N "С СН
I II I
Н О R1
трипептид
/С^ /СН +
СН N "СООН
I I
R3 Н
карбокси-
пептидаза
© О
Н3ГК /СОО°
сн
I
Ri
а-аминокислота
дипептид
Имеется ряд и других ферментов, называемых протеазами, которые ка-
тализируют гидролиз пептидной цепи, как правило, в ее специфическом
участке. Белок при этом подвергается частичному гидролизу.
Например, серин-протеаза гидролизует белок в том месте, где находит-
ся фрагмент серина. Пепсин - фермент, действующий в желудке и имею-
щий максимальную активность при pH 1.0, принадлежит к группе карбокси-
протеазы. Ферменты этой группы гидролизуют амидные связи, в которых
участвуют карбоксигруппы аспарагиновой кислоты. Трипсин преимущест-
венно катализирует гидролиз пептидных связей, в которых карбоксигруппа
входит в состав лизина или аргинина. Химотрипсин избирательно расщеп-
27.4. Реакции а-аминокислот
523
ляет амидные связи, в которых участвуют карбоксильные группы лейцина,
фенилаланина, тирозина и триптофана. Обрабатывая крупный белок таким
образом трипсином и химотрипсином, можно расщепить его на небольшие
фрагменты, в которых концевые группы могут быть определены, напри-
мер, по методу Эдмана.
Применяя методы анализа аминокислотного состава полипептидов, хи-
мики смогли определить последовательность аминокислот во многих бел-
ках, выполняющих важнейшие физиологические функции в живых орга-
низмах. Некоторые из этих белков перечислены ниже.
Инсулин - гормон, регулирующий метаболизм глюкозы. Недостаток ин-
сулина в организме человека - причина серьезного заболевания, называе-
мого диабетом. Последовательность аминокислот в инсулине в 1953 г. уста-
новил Ф. Сенгер (Нобелевская премия, 1958 г.). На это ему потребовалось
около 10 лет работы. Инсулин содержит остатки 51 аминокислоты в двух
полипептидных цепях, связанных дисульфидными мостиками.
Гемоглобин - переносчик кислорода в организме человека. Этот белок
состоит из четырех пептидных цепей. Две идентичные a-цепи содержат по
141 аминокислотному остатку и две идентичные Р-цепи - по 146 остатков.
Гамма-глобулин - белок, ответственный за иммунные реакции организ-
ма. В целом, он содержит 1320 аминокислотных остатков. Эти остатки об-
разуют четыре цепи: две цепи, каждая из которых содержит 214 остатков,
и две цепи, содержащие по 446 остатков каждая.
Белок «р 53». Этот белок состоит из 393 аминокислотных остатков и
имеет в клетке целый ряд функций, важнейшая из которых - росторегули-
рующая. Этот белок препятствует аномальному развитию клеток и тем са-
мым — возникновению рака.
Превращения пищевых белков
Принимая во внимание исключительную важность биологических функ-
ций белков, необходимо хотя бы кратко остановиться на превращениях пи-
щевых белков в живом организме.
Белки, попадающие в организм в качестве продуктов питания, подверга-
ются гидролизу. Как уже отмечалось, они легко гидролизуются в кислой сре-
де с образованием отдельных аминокислот. Расщепление белков в организме
начинается в желудке под действием фермента пепсина и соляной кислоты.
При этом белки превращаются в смеси различных полипептидов. Гидролиз
в желудке - лишь одна из стадий переработки белков. Смесь пептидов посту-
пает из желудка в двенадцатиперстную кишку (верхний отдел кишечника), а
затем - в тонкий кишечник, где под действием специальных ферментов - пеп-
сидаз - завершается гидролиз полипептидов до свободных аминокислот. Об-
разовавшиеся таким образом аминокислоты всасываются из тонкого кишеч-
ника в кровеносную систему, чтобы принять участие в синтезе именно тех
белков, которые в данный период развития необходимы живому организму.
524
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
27.5. ВТОРИЧНАЯ, ТРЕТИЧНАЯ
И ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРЫ БЕЛКОВ
Последовательность аминокислот, ковалентно связанных между собой в
полипептиде, представляет собой первичную структуру белка.
Как уже отмечалось, роль белков в биохимических процессах чрезвы-
чайно разнообразна. Белковую природу имеют ферменты, катализирую-
щие различные реакции в организме: этерификация, гидратация двойной
связи, окисление и восстановление, декарбоксилирование, конденсация
Кляйзена и многие другие. Ряд белков выполняют транспортные и ионно-
обменные функции. Известны белки-гормоны как регуляторы биохимиче-
ских процессов. Способность белка выполнять ту или иную функцию опре-
деляется его структурой.
Физиологические функции белка в огромной мере определяются не
только его первичной структурой, но и его пространственной структурой, а
именно вторичной, третичной и четвертичной структурами.
Ниже последовательно рассмотрены взаимодействия, которые опреде-
ляют способность белков принимать и удерживать ту или иную высокоор-
ганизованную в пространственном отношении форму.
Водородные связи внутри полипептидной цепи. Пример этих связей по-
казан ниже при обсуждении структуры а-спирали.
Водородные связи между полипептидными цепями. Наличие амидных
функций во фрагментах аминокислот предопределяет их способность к об-
разованию сильных водородных связей и между соседними полипептидны-
ми цепями.
Именно такие водородные связи в первую очередь считаются ответствен-
ными за формирование вторичной структуры белков.
Водородные связи между боковой группой R и полипептидной цепью.
Эти водородные связи также следует принимать во внимание при оценке
структуры белка. В качестве примера на рис. 27.1 показано Н-связывание
между гидроксигруппой фрагмента тирозина и карбонильной группой по-
липептидной цепи.
гидрофобные
взаимодействия
ионная
связь
н
сн
сн
о
сн
сн
СН2СН
он
H3N водородные
связи
водородные связи
водородные
связи между
пептидными группами
Рис. 27.1. Взаимодействия, определяющие форму белка
СН3
СНСН2СН
СН3
=0
(CH2)4NH3
°0— ССН2
СН3
СН3
между пептидной
и боковой группами
coo0
н
сн3
сн3
гидрофобные
взаимодействия
СН2—S—S—СН2
СН2СН
СН?С—N—Н* • *0 —СН
водородные связи между
боковыми группами
дисульфидная
СВЯЗЬ
27.5. Вторичная, третичная и четвертичная структуры белков
526
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
Электростатические взаимодействия между ионными центрами боко-
вых групп R. Пример такого рода взаимодействий также показан на рис. 27.1.
Гидрофобные взаимодействия между боковыми группами R. Неполяр-
ные углеводородные фрагменты боковых групп R могут формировать ло-
кальные гидрофобные полости в пространственной структуре белка.
Ковалентные связи -S-S-. Пример этого структурного элемента дают по-
липептидные цепи, включающие фрагмент цистеина. При окислении две про-
странственно сближенные тиольные функции SH цистеиновых фрагментов
легко образуют дисульфидную связь -S-S-. Если цистеиновые фрагменты со-
держатся в различных полипептидных цепях, образующийся цистеиновый
мостик связывает эти цепи. Если фрагменты цистеина содержатся в одной и
той же полипептидной цепи, образование мостика -S-S- ведет к формирова-
нию нового макроцикла в этом полипептиде. Как выше уже отмечалось, ди-
сульфидные связи характерны, в частности, для инсулина: две полипептидные
цепи этого белка в нескольких участках связаны мостиками -S-S-.
Теперь, когда мы знаем природу сил, определяющих форму белка, рас-
смотрим подробнее особенности его вторичной, третичной и четвертичной
структуры.
Вторичная структура белка определяется как конформация полипептид-
ной цепи. Среди наиболее важных типов вторичной структуры назовем сле-
дующие.
а-Спираль (ci-helix). Эта конформация представляет собой спираль, об-
разованную единственной цепью и имеющую направление вращения по хо-
ду часовой стрелки. (Пример этой структуры показан на рис. 27.2.)
«-Спираль имеет шаг 0,54 нм и диаметр 1,05 нм. На каждый виток «-спи-
рали приходится в среднем 36 аминокислотных остатков. Один аминокис-
лотный остаток занимает 0,15 нм длины спирали.
Между атомами водорода в пептидной группировке и карбонильным
кислородом третьей по счету от нее аминокислоты возникают внутримоле-
кулярные водородные связи. Эти связи появляются после формирования
спирали и закрепляют ее.
один остаток водородная связь
аминокислоты
а-спирали
Складчатая ^-структура ф-pleated sheet) формируется плоскостями,
закрепленными водородными связями между параллельными цепями ами-
нокислот (рис. 27.3).
Третичная структура белка формируется способом складывания вторич-
ной структуры. Например, свиваясь в клубок, спирали образуют глобулы.
27.5. Вторичная.
белКОВ
527
Т’ис. 27.2. а-Спираль белка
528
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
Рис. 27.3. Складчатая P-структура белка
Основные термины
529
Именно такую форму имеют белки, выполняющие роль биологических
катализаторов и регуляторов, а также белки, имеющие транспортные
функции.
Полярные гидрофильные группы в глобуле расположены на ее внешней
поверхности, а неполярные гидрофобные группы обращены внутрь глобу-
лы. Благодаря этому наружная поверхность белка гидратируется, что по-
вышает растворимость белка и обусловливает возможность его участия в
биохимических реакциях, которые в физиологических условиях протекают
в водной среде.
Располагаясь рядом, спирали образуют нитевидные структуры, называе-
мые фибриллами. Фибриллярные белки являются основным строительным
материалом волос, кожи и мышечных тканей.
Третичная структура белка стабилизируется главным образом связями
между боковыми группами аминокислотных остатков: дисульфидные и во-
дородные связи, диполярные взаимодействия, силы ван-дер-ваальсова при-
тяжения, электростатические эффекты.
Четвертичная структура белка формируется как ансамбль двух или бо-
лее полипептидных цепей, каждая из которых имеет свою первичную, вто-
ричную и третичную структуры и называется субъединицей. Субъединицы
могут быть либо одинаковыми по составу и строению, либо различными.
Несколько таких субъединиц могут объединяться с образованием в резуль-
тате совместной упаковки четвертичной структуры.
Четвертичная структура белка не менее важна, поскольку некоторые бел-
ки выполняют свои биологические функции, находясь не в виде одинарной
полипептидной цепи, а в виде конгломерата (ансамбля) двух или более цепей.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Аминокислота - карбоновая или сульфоновая кислота, содержащая в качестве замести-
теля аминогруппу.
Белок (протеин) - полимер, в котором фрагменты а-аминокислот соединены амидными
(пептидными) связями.
Глобулярные белки - белки, имеющие выраженную сферическую форму. Глобулярны-
ми белками являются ферменты и многие гормоны.
Дипептид - соединение, в котором фрагменты двух аминокислот соединены пептидной
связью.
Изоэлектрическая точка - значение pH, обозначаемое рН;, при котором концентрация
биполярного иона данной аминокислоты является максимальной.
C-Концевая аминокислота - аминокислота на конце полипептидной цепи, несущая сво-
бодную карбоксильную группу и связанная с пептидным остатком посредством своей амино-
группы.
N-Концевая аминокислота - аминокислота на конце полипептидной цепи, несущая свобод-
ную аминогруппу и связанная с пептидным остатком посредством своей карбоксильной группы.
Незаменимые аминокислоты - а-аминокислоты, которые не синтезируются в организме
человека; известны восемь незаменимых кислот.
Олигопептид - олигомер, в молекуле которого пептидными связями соединены фрагмен-
ты от трех до десяти а-аминокислот.
Пептидная связь - амидная связь, которая связывает фрагменты двух аминокислот.
530
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
Полипептид - полимер, в молекуле которого пептидными связями соединены фрагмен-
ты свыше десяти а-аминокислот.
Сенгера метод - метод определения N-концевой аминокислоты в полипептидной цепи.
Действующим реагентом в методе является 2,4-динитрофторбензол.
а-Спираль - конформация пептида, в которой полипептидная цепь образует спираль.
Фермент (энзим) - биологический катализатор, как правило, белковой природы. По на-
званию фермента можно судить о типе реакции, которую он катализирует (оксидаза, редук-
таза, ацилаза, деацилаза и т. д.).
Фибриллярные белки - белки, имеющие форму волокон и более высокую молекуляр-
ную массу, чем глобулярные белки. Фибриллярными являются белки волос, костей, кожи и
т. д.
Штреккера-Зелинского метод - метод получения а-аминокислот, заключающийся в об-
работке альдегида смесью из цианида калия и хлорида аммония с последующим гидролизом
а-аминонитрила.
Эдмана реакция (деградация белков по Эдману) - метод отщепления от белка и иденти-
фикации N-концевой аминокислоты. Действующим реагентом в реакции является фенил-
изотиоцианат. :>
ЗАДАЧИ ь -
Задача 27.1. В какой форме находится каждая из следующих аминокислот в водном рас-
творе при pH 2, 6 и 12:
а) аланин; г) тирозин; •' '
б) лейцин; д) лизин;
в) валин; е) глутаминовая кислота?
Задача 27.2. Катионная форма аланина имеет значение рКа(0Н), равное 2.35, а бетаин ала-
нина pKa(6eT) 9.7. Какое значение имеет изоэлектрическая точка аланина?
Задача 27.3. Предложите схемы синтеза следующих аминокислот:
©
Г о
а) С6Н5СНСОО°
1™’ о
б) (СНзДСНСНСОСГ
©
NH3
г) СН3СН2ССООе
сн3
Задача 27.4. Аланин подвергается кислотно-катализируемой этерификации медленнее,
чем пропановая кислота. Предложите объяснение этому факту.
Задача 27.5. Объясните, почему ацетильная группа малопригодна в качестве N-защитной
группы в пептидном синтезе.
Задача 27.6. Напишите все стадии синтеза трипептида Ala-Glu-Рго (AGP).
Задача 27.7. £>,£-Глутаминовая кислота может быть получена из ацетамидомалонового
эфира и акрилонитрила. Напишите все стадии этого синтеза.
27.6. Компьютерная химия. Расчеты сложных молекул точнее эксперимента
531
Задача 27.8. На примере лейцина покажите применение бензильной защиты для амино-
и карбоксильной групп а-аминокислот. В чем заключается преимущество бензильной защи-
ты?
Задача 27.9. Напишите все стадии синтеза трипептида Leu-Phe-Ala (LPA).
Задача 27.10. Примените метод Сенгера для определения одной из концевых групп три-
пептида Leu-Phe-Ala. __ , . .
27.6. КОМПЬЮТЕРНАЯ ХИМИЯ.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА СЛОЖНЫХ
МОЛЕКУЛ ТОЧНЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Развитие методов квантовой химии, молекулярной механики и молеку-
лярного моделирования, а также огромные возможности современных
компьютеров способствовали созданию компьютерной химии
(вычислительной химии) как самостоятельного раздела химической на-
уки. Вычислительные возможности квантовой химии в настоящее время
практически неограничены. Рассчитаны не только самые сложные отдель-
ные молекулы мономерной структуры, но и олигомерные, и полимерные
структуры, в частности структуры-ряда белков. Например, опубликованы
результаты неэмпирических расчетов электронной плотности инсулина
коровы (содержит 773 атома), белка бактериофага (содержащего более
1000 атомов) и протеазы вируса ВИЧ.
Один из методов дает возможность рассчитывать малые фрагменты с
последующим формированием на основе полученных результатов элек-
тронной структуры целевой макромолекулы. Разрешение получаемых при
этом контуров электронной плотности на 2 порядка превышает разрешение
контуров, доступных на основе расчетов по данным рентгеноструктурного
анализа. Этот метод получил название MEDLA (molecular electron density
Lego assembler). Авторы назвали разработанный ими метод вычислитель-
ным микроскопом. Метод уникален, поскольку, несмотря на то, что попыт-
ки фрагментарного анализа сложных макромолекул неоднократно предпри-
нимались и ранее, столь совершенные результаты получены впервые. Он
перспективен для дизайна лекарств, в том числе для оценок электростатиче-
ских взаимодействий между молекулой лекарства и связывающим участком
соответствующего рецептора.
Конечно, расчеты электронной плотности неразрывно связаны с оцен-
кой структурных параметров биологических субстратов. Например, как
уже отмечалось, белки способны выполнять свои биологические функции
только тогда, когда цепь аминокислот, включенных в молекулу белка, свер-
нута в компактную трехмерную структуру. Многие годы химики пытаются
установить причины, по которым молекулы белков складываются тем или
иным образом, однако полного понимания этих причин еще не достигли.
Это объясняется тем, что экспериментальные методы (рентгеноструктурный
532
Глава 27. Аминокислоты, пептиды и белки (протеины)
анализ и спектроскопия ЯМР) или оказываются чрезмерно трудоемкими
(решение некоторых структурных задач требует нескольких месяцев или
даже лет), или пригодны только для сравнительно простых белков.
Применение вычислительных методов длительное время также не дава-
ло существенно лучших результатов даже и после установления того фун-
даментального факта, что процессы формирования белков являются обра-
тимыми. Постулат о том, что собственно последовательность аминокислот
в белке лежит в основе определения его пространственной структуры, а ре-
зультирующая конформация белка в целом должна соответствовать мини-
муму свободной потенциальной энергии, не облегчил в заметной мере вы-
числительную задачу. Неизмеримые трудности состоят в том, что вследст-
вие огромных размеров молекул белков имеется астрономически большое
число их возможных конформаций. Поэтому потребовались бы многие го-
ды компьютерного времени, чтобы сравнить их энергии. Решение вычисли-
тельной задачи стало возможным с разработкой программы LINUS. Эта
программа основана на гипотезе «иерархической конденсации». Согласно
этой гипотезе, соседние участки цепи белка взаимодействуют во время ее
складывания и образуют локальные фрагменты, которые затем ассоцииру-
ют в более крупные структуры. Процесс продолжается в иттерационном
режиме до формирования конечной третичной структуры. Фундаменталь-
ное отличие программы LINUS от предшествующих программ заключает-
ся в том, что, согласно гипотезе «иерархической конденсации», «сложен-
ный» белок необязательно достигает состояния глобального минимума
энергии (самое низкое из возможных состояний энергии), а оказывается в
состоянии локального минимума (самое низкое из достижимых состояний
энергии). Применение указанной программы позволяет объективно пред-
сказывать и вторичную, и третичную структуру белка.
Глава 28. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Необходимость этой главы при изучении основных групп биологически
активных соединений определяется исключительной важностью нуклеи-
новых кислот для живых организмов. Нуклеиновые кислоты ответственны
за хранение и воспроизведение генетической информации во всех живых
системах.
Известны нуклеиновые кислоты двух типов: дезоксирибонуклеиновые
кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Функция РНК состо-
ит в том, чтобы «запустить в работу» информацию, которая хранится в
ДНК.
До того как были расшифрованы загадки строения и функционирования
нуклеиновых кислот, проблемы воспроизведения живых организмов и пе-
редачи наследственных признаков в живых организмах биологическая на-
ука связывала с понятиями «хромосома» и «ген». Термин «хромосома» оз-
начал такую структурную единицу в ядре клетки, которая являлась носите-
лем наследственной информации. Под термином «ген» понимали часть
«хромосомы», которая контролирует передачу отдельных характерных на-
следственных признаков: цвет глаз, цвет волос и т. д.
В настоящее время термин «хромосома» относят к комплексу белка и
молекулы ДНК. Термином «ген» определяют фрагмент ДНК, который на-
правляет синтез индивидуальных полипептидов. Различные живые организ-
мы различаются числом хромосом и генов: лошадь имеет 64 хромосомы
(32 пары), кошка - 38 хромосом, а человек - 46 хромосом (23 пары). Пола-
гают, что в 23 парах хромосом человека содержится 100 000 генов.
28.1. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Подобно белкам и углеводам, нуклеиновые кислоты представляют со-
бой специфическую группу органических полимеров. Нуклеиновые кисло-
ты являются полинуклеотидами. Чтобы понять, как построены эти поли-
меры, рассмотрим строение индивидуального нуклеотида.
Каждый нуклеотид содержит три фрагмента: пятичленный цикл моноса-
харида (сахара), циклическое азотистое основание и фосфатную группу
ОРО|е, например:
534
Глава 28. Нуклеиновые кислоты
моносахарид
циклическое
азотистое
основание
(дезоксирибоза)
ДНК и РНК различаются типами сахара и основания в полинуклеотиц-
ных цепях.
28.1.1. Моносахарид
В РНК в качестве моносахарида содержится рибоза. В ДНК в качестве
моносахарида содержится 2-дезоксирибоза (что и определяет, в свою оче-
редь, термин «дезоксирибонуклеиновая кислота»).
2-дезокси-£>-рибоза
28.1.2. Циклическое азотистое основание
В составе нуклеиновых кислот содержатся пять гетероциклических ос-
нований.
Три из них - цитозин, тимин, урацил - относят к производным пиримидина:
пиримидин
цитозин (С)
(содержится
и в ДНК, и в РНК)
тимин (Т)
(содержится
в ДНК)
урацил (U)
(содержится
в РНК)
28.1. Строение нуклеиновых кислот
535
а два - аденин и гуанин - к производным пурина:
содержатся и в ДНК, и в РНК
В скобках даны буквы английского алфавита: С - cytosine, Т - thymine,
U - uridine, А - adenine, G - guanine.
Аденин, гуанин и цитозин присутствуют и в ДНК, и в РНК; тимин - толь-
ко в ДНК, урацил - только в РНК.
28.1.3. Нуклеозиды
Рибоза или дезоксирибоза и одно из перечисленных выше оснований да-
ют молекулу нуклеозида. Остатки моносахарида и циклического азотисто-
го основания соединяются связью между N-атомом основания и аномерным
С-атомом моносахарида. Остаток циклического азотистого основания в
структуре нуклеозида выступает таким образом в роли агликона (подроб-
нее об агликонах см. в разд. 26.1.3).
уридин
536
Глава 28. Нуклеиновые кислоты
Обратите внимание! Названия нуклеозидов образуют следующим обра-
зом: с окончанием -озин, если моносахарид связан с пуриновым основанием,
и с окончанием -идин, если моносахарид связан с пиримидиновым основани-
ем.
28.1.4. Нуклеотиды
Монофосфаты нуклеозидов называют нуклеотидами.
ОН
дезоксирибонуклеотид
<. -
Ниже даны примеры образования названий нуклеотидов.
аденозин-5'-монофосфат
(рибонуклеотид)
дезоксицитидин-
5'-монофосфат
(дезоксирибонуклеотид)
Каждый из нуклеотидов может присоединять дополнительные фосфат-
ные группы с образованием дифосфатов и трифосфатов. Образующиеся
при этом структуры имеют важнейшее значение в жизнедеятельности жи-
вых организмов. Как ранее уже отмечалось, роль аденозинтрифосфата
(АТФ) в биоэнергетическом цикле заключается в том, что при трансформа-
ции аденозинтрифосфата в аденозиндифосфат (АДФ) высвобождается
биохимическая энергия.
28.1. Строение нуклеиновых кислот
537
28.1.5. Нуклеиновые кислоты
В структурном отношении нуклеиновые кислоты являются полимерами
нуклеотидов. Фрагменты нуклеотидов соединены в нуклеиновых кислотах
фосфатно-эфирными связями. Такие связи образуются между гидроксилом
при атоме С3, одного нуклеотида и фосфатной группой при атоме С5.
другого нуклеотида. Ниже показано, как формируется структура динуклео-
тида. ,
Аналогично формируется молекула тринуклеотида и далее - полинуклео-
тида.
(5 '-концевая фосфат
группа) |
сахар— основание )
фосфат
сахар—основание
фосфат
(3 '-концевая |
группа) сахар — основание
538
Глава 28. Нуклеиновые кислоты
Аналогично тому, как структура и функция белка зависят от последова-
тельности аминокислот, строение и функция нуклеиновой кислоты зависят
от последовательности отдельных нуклеотидов. Следует обратить внима-
ние, что скелеты и белков, и нуклеиновых кислот состоят из систематичес-
ки повторяющихся звеньев.
Ri О R? О R3 О R4 О
I II Г II Г II Г II
Белок —NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-C—
основание, основаниег основаниез
Нуклеиновая , , I , , I , I
кислота — фосфат— сахар— фосфат— сахар— фосфат— сахар—
Переменными являются боковые цепи аминокислот в белках и основания
в нуклеиновых кислотах. В соответствии с этим структуру нуклеиновой кис-
лоты, как правило, представляют, лишь указывая последовательность осно-
ваний, присутствующих в связанных между собой нуклеотидах, например:
-T-A-G-G-C-T-.
28.1.6. Двойные спирали ДНК. Модель Уотсона-Крика
Молекула ДНК состоит из двух спиралей, закрученных одна относитель-
но другой в противоположных направлениях. Следует уточнить структуру
этих спиралей. Речь идет о полинуклеотидных спиралях, поскольку фос-
фатные и углеводные фрагменты располагаются снаружи двойной спирали.
Гетероциклические основания, формирующие собственно спираль, распо-
лагаются внутри. H-Связывание между фрагментами оснований обеспечи-
вает устойчивость двойной спирали. При этом Н-связи являются достаточ-
но прочными лишь между определенными парами оснований.
28.2. Нуклеиновые кислоты и наследственность
539
Соответствующие пары оснований называются комплементарными'.
если основание А находится в одной цепи, то основание Т должно оказать-
ся по соседству в другой цепи. Аналогично, если основание С находится в
одной цепи, то фрагмент основания G должен находиться по соседству в
другой цепи.
В ДНК человека встречаются лишь четыре основания: аденин, цитозин,
гуанин и тимин. Будучи расположены по английскому алфавиту, эти осно-
вания могут образовывать пары только как показано ниже.
I |
А С G Т
аденин || тимин
цитозин гуанин
Оказалось, что эти правила комплементарности азотистых оснований в
нуклеиновых кислотах лежат в основе передачи генетической информации
и управления синтезом белков. Авторами модели двойной спирали являют-
ся Дж. Уотсон и Ф. Крик, удостоенные за свои работы в 1962 г. Нобелев-
ской премии.
28.2. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
И НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Наследственные признаки всякого живого организма определяются
ДНК обоих родителей. Эти ДНК присутствуют соответственно в клетке
спермы и в клетке яйца. Каждая ДНК вносит в комбинацию клеток родите-
лей определенный набор генов.
Генетическая информация закодирована в последовательности основа-
ний, располагающихся вдоль цепи ДНК. При каждом делении клетки эта
информация копируется и переносится в дочернюю клетку. Далее на осно-
ве этой информации в клетках осуществляется синтез соответствующих
белков. Каждый ген в молекуле ДНК содержит «инструкции», необходи-
мые для синтеза одного белка.
540
Глава 28. Нуклеиновые кислоты
Центральное положение молекулярной генетики заключается в том, что
ДНК хранит генетическую информацию, РНК считывает эту информацию
и использует ее в синтезе белков. При этом реализуются три основных про-
цесса: репликация, транскрипция и трансляция. -
ДНК
репликация
ДНК транскрипция^ рнк трансляция Белок
Репликация - процесс, в котором в ходе деления клетки воспроизводит-
ся идентичная копия (реплика) ДНК. Две дочерние клетки имеют, таким
образом, одну и ту же ДНК.
Транскрипция - процесс, в ходе которого считываются генетические ко-
ды, содержащиеся в ДНК. Продуктами транскрипции являются рибонукле-
иновые кислоты, которые переносят заложенную в ДНК информацию к
месту синтеза белка.
Трансляция - процесс, в котором генетические коды, переносимые
РНК, декодируются и используются в пептидном синтезе.
28.2.1. Репликация ДНК
Репликация ДНК начинается в ядре клетки с раскручивания спирали
ДНК. По мере этого становятся доступными основания ДНК. К раскручен-
ному фрагменту ДНК приближаются фрагменты группы ДНК-полимеразы
и копируют соответствующий участок, используя при этом необходимые
нуклеозидтрифосфаты. Один за другим нуклеозиды встраиваются в расту-
щую цепь ДНК. Такое встраивание строго регулируется водородными свя-
зями, показанными выше на схеме. При этом только строго определенные
пары могут взаимодействовать: А <-> Т, G <-> С.
Темплатная
28.2. Нуклеиновые кислоты и наследственность
541
Поскольку каждая новая цепь комплементарна первоначальной
(темплатной) цепи, в ходе репликации производятся две идентичные копии
спирали ДНК. В каждой новой спирали ДНК одна цепь является, таким об-
разом, темплатной, а другая - вновь синтезированной.
Как показано на схеме, ДНК-полимераза катализирует реакцию между
5'-фосфатной группой встраиваемого нуклеозидтрифосфата и свободной
З'-ОН-группой растущего полинуклеотида. Таким образом, темплатная
цепь копируется в 3' —> 5'-направлении, а новая ДНК цепь при этом растет
в 5' —> З'-направлении.
28.2.2. Транскрипция. Синтез РНК
Рибонуклеиновые кислоты синтезируются в клетках в процессе транс-
крипции ДНК. Этот процесс в основных чертах подобен репликации.
В ходе транскрипции, как и при репликации, малый участок двойной спи-
рали ДНК раскручивается. Основания двух цепей ДНК становятся доступ-
ными для «подстраивания» комплементарных нуклеотидов. При этом воз-
можен синтез РНК трех типов:
репликационная РНК (р-РНК);
транспортная, или трансляционная РНК (т-РНК);
посыльная, или информационная РНК (п-РНК).
Только одна из двух цепей ДНК подвергается транскрипции в ходе РНК-
синтеза. Эту цепь называют темплатной цепью. Вторая комплементарная
цепь ДНК называется матричной цепью. Поскольку цепь n-РНК формиру-
ется на темплатной цепи ДНК, эти цепи оказываются, в конце концов, ком-
плементарными. Синтезированная n-РНК является поэтому копией мат-
ричной цепи ДНК и называется посыльной РНК (n-РНК): она имеет основа-
ния U (урацил) вместо оснований Т (тимин). Соответствующие отношения
между цепями ДНК и РНК иллюстрируются ниже.
Матричная цепь ДНК 5' ATG CCA GTA GGC CAC TTG TCA 3'
Темплатная цепь ДНК 3' ТАС GGT CAT CCG GTG AAC AGT 5'
и-РНК 5' AUG CCA GUA GGC CAC UUG UCA 3'
Следует обратить внимание, что основания каждой из цепей перечисле-
ны в виде триплетов. Такие триплеты, называемые кодонами, лежат в ос-
нове генетического кода.
Транскрипция ДНК для воспроизводства n-РНК включает следующие
стадии.
Процесс транскрипции начинается с того, что РНК-полимераза
«отыскивает» контрольный фрагмент {старт-кодон) в ДНК, предшеству-
ющий тому участку цепи ДНК, который должен быть «считан» РНК.
542
Глава 28. Нуклеиновые кислоты
РНК-полимераза двигается вдоль фрагмента ДНК, который подлежит
транскрипции, и встраивает в формируемую РНК комплементарные нуклео-
тиды.
Транскрипция заканчивается, когда РНК-полимераза достигает последо-
вательности нуклеотидов, которая выполняет функцию «стоп-команды»
(стоп-кодон).
В завершение транскрипции каждое основание молекулы РНК соответ-
ствует каждому основанию, которое имелось в информационной ДНК.
28.2.3. Трансляция. Биосинтез белка
Трансляция представляет собой процесс, в ходе которого нуклеотидная
последовательность (генетический код) посыльной РНК (n-РНК) определя-
ет расположение аминокислот в синтезируемом белке.
В процессе трансляции кроме посыльной РНК участвуют транспортная
РНК (m-РНК) и репликационная РНК (р-РНК), которая находится в соста-
ве комплекса с ферментом, катализирующим образование пептидной связи.
Такой комплекс называют рибосомой. Каждый из участников трансляции
имеет строго определенные функции. n-РНК последовательностью своих
кодонов определяет порядок присоединения тех или иных аминокислот в
синтезируемом белке. m-РНК доставляет необходимые аминокислоты к
месту синтеза. Для этого m-РНК использует собственный кодон (его назы-
вают антикодоном), который является комплементарным кодону и-РНК.
m-РНК, несущая соответствующую аминокислоту, может присоединиться,
таким образом, только к строго определенному участку и-РНК.
Например, триплет (кодон) U-U-G (урацил-урацил-гуанин) в цепи и-РНК
является кодоном, определяющим встраивание лейцина в растущую цепь бел-
ка. Чтобы такое встраивание оказалось возможным, в цепи т-РНК,
которая доставляет молекулу лейцина, должен присутствовать антикодон
А-А-С. Аналогично кодон А-А-А в цепи и-РНК специфичен для лизина.
m-РНК, которая доставляет молекулу лизина к месту синтеза, должна обла-
дать антикодоном U-U-U, чтобы присоединиться к указанному месту в цепи
и-РНК. Каждое присоединение m-РНК к и-РНК сопровождается фермента-
тивной реакцией (в составе рибосомы), в результате которой остаток еще од-
ной аминокислоты встраивается в растущую молекулу синтезируемого белка.
Этот процесс повторяется многократно. Рибосома двигается вдоль
и-РНК и обеспечивает образование необходимых пептидных связей. Когда
белковая цепь необходимых размеров синтезирована, рибосома достигает
участка U-A-A, который является стоп-кодоном. Рибосома отделяется от
и-РНК; то же происходит и с синтезированным белком.
Даже до окончания синтеза полипептидной цепи начинается формирова-
ние ее специфической вторичной и третичной структур. Время синтеза бел-
ковой молекулы зависит, конечно, от ее размеров, однако в среднем каждая
рибосома может образовать до 150 пептидных связей каждую минуту.
28.3. Молекулярное узнавание в химии и биологии
543
В заключение следует отметить, что четыре основания, участвующие в
составе соответствующих нуклеотидов в синтезе РНК, могут образовать
64 различных триплета. Из этих триплетов (кодонов) 61 триплет предназна-
чен для кодирования тех или иных аминокислот (некоторые аминокислоты
кодируются более чем одним кодоном), а три кодона являются стоп-кодо-
нами. Шестьдесят четыре генетических кодона являются универсальными
для всех живых организмов. .
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Двойная спираль ДНК - две полинуклеотидные спирали, закрученные одна относитель-
но другой в противоположных направлениях; одна цепь ДНК называется темплатной, дру-
гая — матричной.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - нуклеиновая кислота, в которой в качестве
сахара содержится 2-дезоксирибоза. ДНК хранит генетический код живого организма.
Кодон - последовательность трех нуклеотидов ДНК, которая кодирует определенную
аминокислоту.
Нуклеиновые кислоты - полимерные соединения, в которых остатки нуклеотидов соеди-
нены фосфатно-эфирными связями.
Нуклеозид - N-гликозид, моносахаридным компонентом которого является рибоза (или
дезоксирибоза), а агликоном - производное пиримидина или пурина.
Нуклеотид - монофосфат нуклеозида; основная повторяющаяся единица нуклеиновой
кислоты.
Репликация - процесс деления клетки, в ходе которого воспроизводится копия (реплика)
ДНК.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) - нуклеиновая кислота, в которой в качестве сахара со-
держится рибоза. РНК ответственна за воспроизведение генетической информации и пеп-
тидный синтез.
Транскрипция - процесс, в ходе которого считываются генетические коды, содержащи-
еся в ДНК. Продуктом транскрипции является рибонуклеиновая кислота, переносящая ин-
формацию, заложенную в ДНК, к месту синтеза белка.
Трансляция - процесс, в котором генетические коды, переносимые РНК, декодируются
и применяются в пептидном синтезе.
28.3. МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ
В ХИМИИ И БИОЛОГИИ
В этой главе мы познакомились с поразительными примерами специфи-
ческого взаимодействия органических макромолекул между собой:
- двойная спираль ДНК формируется за счет водородных связей между
строго определенными основаниями (комплементарные пары).
- все стадии воспроизведения ДНК имеют в своей основе специфическое
взаимодействие полинуклеотидных цепей.
Избирательность взаимодействия органических молекул в этих
примерах столь высока, что было предложено обозначать их термином
«молекулярное узнавание».
С аналогичными взаимодействиями мы уже встречались ранее
в разд. 13.6, когда обсуждали работу имунной системы. В ее основе лежат,
как мы видели, процессы специфического распознавания, связывания и
544
Глава 28. Нуклеиновые кислоты
удаления чужеродных соединений (антигенов) антителами, которые выра-
батывает для этой цели здоровый организм.
Не следует однако считать, что феномен «молекулярного узнавания» ха-
рактерен лишь для биоорганических субстратов и биохимических реакций.
В предыдущих главах мы не раз встречали примеры «узнавания» различ-
ных субстратов органическими молекулами.
Циклические полиэфиры обладают способностью «узнавать» неоргани-
ческие ионы: [18]-краун-6 «узнает» ион калия, [58]-краун-5 «узнает» ион на-
трия, а [12]-краун-4 избирательно включает во внутреннюю полость толь-
ко ион лития.
Способностью «узнавать» ионы натрия и калия, как мы видели, облада-
ют и макролиды. Например, нонактин способен включать в свою внутрен-
нюю полость и транспортировать через мембраны только ионы калия (см.
разд. 18.4).
В этих примерах речь идет об образовании соединений включения. Та-
кие реакции принято называть взаимодействием «хозяин-гость»-, молеку-
ла краун-эфира при этом как хозяин (host) включает во внутреннюю по-
лость ион металла, который считают гостем (guest).
Интересно, что краун-эфиры - «хозяева» - получены не только для свя-
зывания катионов. Ниже показан циклический тетрааммониевый ион, спо-
собный специфически связывать только ион хлора.
В основе механизмов вкуса и запаха, как и фармакологического дейст-
вия лекарств, лежат взаимодействия соответствующих органических моле-
кул с рецепторами. Эти взаимодействия также являются специфическими.
Эффект сладкого вкуса, например, обеспечивается, как мы видели, контак-
том «сладкой» молекулы и рецептора в восьми центрах. Именно благодаря
28.3. Молекулярное узнавание в химии и биологии
545
такому контакту рецептор узнает «сладкую» молекулу. Взаимодействия
такого рода называют взаимодействием «ключ-замок»: ключ («сладкая»
молекула) и замок (макромолекула соответствующего рецептора). Анало-
гичные взаимодействия отвечают и за фармакологический эффект ле-
карств.
Можно отметить несколько положений, которые являются общими как
для молекулярного узнавания, так и для взаимодействий типа «гость-хозяин»
и «ключ-замок».
В каждом случае две молекулы взаимодействуют между собой:
а) по крайней мере в двух и более центрах;
б) посредством водородных связей, электростатических эффектов, ван-
дер-ваальсовых сил притяжения;
в) без образования ковалентных связей.
Особый интерес представляют примеры, в которых молекулы взаимо-
действуют и дают соответствующие продукты не за счет водородных связей
и электростатических сил, а за счет ван-дер-ваальсовых сил.
Ниже показана структура соединения, в котором во внутреннюю гидро-
фобную полость «хозяина» включена гидрофобная молекула «гостя» -
перилена.
N\
м/® Me
546
Глава 28. Нуклеиновые кислоты
Как видно, в структурах «хозяина» и «гостя» в области связывания отсут-
ствуют фрагменты, способные обеспечить эффективное межмолекулярное
Н-связывание, а находятся лишь неполярные С-С- и С-Н-связи.
Тем не менее свободная энергия связывания в паре «хозяин-гость» оце-
нивается величиной 10 ккал/моль. В этой паре отсутствуют фрагменты,
способные к эффективному электростатическому взаимодействию. Най-
денную энергию связи следует отнести, таким образом, к ван-дер-ваальсо-
вым силам.
Говоря о соединениях включения, следует подчеркнуть их важную осо-
бенность: внедрение «гостя» в полость «хозяина» существенно изменяет
свойства молекулы «гостя».
Например, ввиду того, что внешний периметр краун-эфиров гидрофо-
бен, соответствующие неорганические вещества, в частности перманганат
или гидроксид калия, в присутствии 18-краун-6 приобретают растворимость
в органических растворителях (например, в бензоле). Поэтому добавление
тетрагидрофурана вместо 18-краун-6 никак не повышает растворимость со-
лей калия в бензоле.
Макроцикл, включающий молекулу перилена, напротив, по периферии
имеет гидрофильные фрагменты. Гидрофобный перилен в результате вза-
имодействия с таким макроциклом приобретает растворимость в полярных
растворителях, в том числе и в воде.
Важно подчеркнуть, что независимо от природы сил, связывающих вза-
имодействующие компоненты друг с другом, примеры молекулярного узна-
вания следует рассматривать как процессы комплексообразования, к
которым применимы общие законы термодинамики.
А + В <--> А-В
_ 1Д В1
^равн - [-А] •
Как и всякая другая константа равновесия, константа Кравн зависит от
стандартной свободной энергии связывания (AG0) молекулы «гостя» моле-
кулой «хозяина».
AG« = 2,3R74g Кр„.
Экспериментальное измерение константы равновесия и позволило,
таким образом, оценить указанное выше значение энергии взаимодействия
перилена с молекулой «хозяина».
ПРИЛОЖЕНИЯ
I. Результаты расчетов некоторых органических
молекул методом МОХ
Ниже приведены результаты расчетов ряда сопряженных органических
молекул методом МОХ. Эти результаты рекомендуются для применения
при ознакомлении учащихся с основными концепциями теории молекуляр-
ных орбиталей. Далее перечислены органические молекулы. Номера,
собственные энергии и коэффициенты молекулярных орбиталей даны по
строкам. Номера атомов в формулах соответствуют номерам столбцов
(подробнее о процедуре расчетов см. в разд. 1.8.2).
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
1 | 2 | 3 4 5 6
4 а-2,91303 -0,072 0,209 -0,677 0,702
Пропилен 3 а- 1,130(3 0,644 -0,728 -0,057 0,227
сн2=сн-сн3 2 а + 0,8093 -0,755 -0,611 0,111 0,211
1 а + 2,331(3 0,099 0,231 0,726 0,641
1 2 3 4 5 6
Этиленхлорид 3 а - 1,027(3 0,694 -0,713 0,094
СН2=СН-С1 2 а + 1,9283 -0,710 -0,659 0,246
1 2 3 1 а + 2,0993 0,113 0,238 0,965
1 2 3 4 5 6
Метоксиэтилен 3 а-1,1043 0,663 -0,731 0,160
сн2=сн-осн3 2 а+ 0,8313 -0,744 -0,618 0,256
1 2 3 1 а + 2,2733 0,088 0,289 0,953
1 2 3 4 5 6
Аминоэтилен 3 а- 1,1293 0,646 -0,730 0,222
ch2=ch-nh2 2 а + 0,6823 -0,723 -0,494 0,483
1 2 3 1 а+ 1,9473 0,243 0,473 0,847
548
Приложения
Таблица (продолжение)
„ Номер Энергия Соединение г ' МО МО Собственные коэффициенты МО
1 2 3 4 5 6
Винилборан 3 а- 1,545(3 СН2=СН-ВН2 2 а-0,577(3 12 3 1 а+1,122(3 0,370 -0,571 0,733 -0,668 0,385 0,637 0,646 0,725 0,239
1 2 3 4 5 6
Нитроэтилен 5 а- 1,490(3 £ 4 а-0,363(3 СН2=СН—N* 3 а+ 1’050Р 1 2 Зхо 2 а+ 1,400р 5 1 а + 4,403р -0,450 0,670 -0,457 0,264 0,264 -0,621 0,225 0,449 -0,426 -0,426 1 0,640 0,672 0,055 -0,260 -0,260 0,000 0,000 0,000 0,707 -0,707 0,050 0,220 0,766 0,426 0,426
1 2 3 4 5 6
Бутадиен 4 а-1,618р 1 2 3 а-0,618р СН2=СН 2 а + 0,618р 3СН=СН2 1 а+1,618Р -0,372 0,602 -0,602 0,372 -0,602 0,372 0,372 -0,602 -0,602 -0,372 0,372 0,602 0,372 0,602 0,602 0,372 . "
1 2 3 4 5 6
Гексатриен-1,3,5 6 а- 1,802р 1 2 5 а- 1,247Р СН2=СН 4 а-о,445р 3СН=СН 3 а + О,445Р 5ХН=ДН 2 « + 1.247Р 5СН СН2 j а+1,802р 0,232 -0,418 0,521 -0,521 0,418 -0,232 0,418 -0,521 0,232 0,232 -0,521 0,418 0,521 -0,232 -0,418 0,418 0,232 -0,521 0,521 0,232 -0,418 -0,418 0,232 0,521 0,418 0,521 0,232 -0,232 -0,521 -0,418 0,232 0,418 0,521 0,521 0,418 0,232
1 2 3 4 5 6
Бензол 6 а-2,000р 1 5 а- 1,000р 4 а- 1,000р Г |] 3 а+1,ооор 2 а+ 1,000Р 4 1 а + 2,000р 0,408 -0,408 0,408 -0,408 0,408 -0,408 0,577 -0,289 -0,289 0,577 -0,289 -0,289 0,000 -0,500 0,500 0,000 -0,500 0,500 0,000 0,500 0,500 0,000 -0,500 -0,500 0,577 0,289 -0,289 -0,577 -0,289 0,289 0,408 0,408 0,408 0,408 0,408 0,408
1 2 3 4 5 6
Нафталин Ю а-2,303Р 8 9 1 9 а-1,618Р 7 kill2 8 а - 1 .ЗОЗР 6L JI J3 7 а-1,000Р 6 а-0,618р 0,301 -0,231 0,231 -0,301 -0,301 0,231 -0,263 0,425 -0,425 0,263 0,263 0,425 0,400 -0,174 -0,174 0,399 0,399 -0,174 0,000 0,408 -0,408 0,000 0,000 -0,408 0,425 -0,263 -0,263 0,425 -0,425 0,263
I. Результаты расчетов некоторых органических молекул методом МОХ
549
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6
5 а + 0,618₽ 0,425 0,263 -0,263 -0,425 0,425 0,263
4 а + 1,000Р 0,000 -0,408 -0,408 0,000 0,000 -0,408
Нафталин 3 а+ 1,3030 -0,400 -0,174 0,174 -0,400 0,400 0,174
А-^А 2 а+ 1.618Р 0,263 0,425 0,425 0,263 -0,263 -0,425
1 а + 2,303р 0,301 0,231 0,231 0,301 0,301 0,231
6 С, 1
5 4 7 8 9 10
10 а-2,3030 -0,231 0,301 -0,461 0,461
9 а- 1,6180 -0,425 0,263 0,000 0,000
8 а - 1,3030 -0,174 0,399 -0,347 -0,347
7 а - 1,0000 0,408 0,000 -0,408 0,408
6 а-0,6180 0,263 -0,425 0,000 0,000
5 а+ 0,6180 -0,263 -0,425 0,000 0,000
4 а+ 1,0000 -0,408 0,000 0,408 0,408
3 а + 1,3030 -0,174 -0,400 -0,347 0,347
2 а + 1,618Р -0,425 -0,263 0,000 0,000
1 а + 2,303Р 0,231 0,301 0,461 0,461
1 2 3 4 5 6
10 а-2,0950 0,259 0,000 0,259 -0,335 0,160 0,000
9 а- 1,8690 -0,250 0,267 -0,250 -0,323 0,404 -0,433
8 а- 1,5790 -0,436 0,553 -0,436 0,084 -0,270 0,342
7 а-0,7380 0,299 0,000 -0,299 0,357 -0,484 0,000
6 а-0,4000 0,063 -0,316 0,063 -0,470 -0,102 0,511
5 а + 0,4770 -0,543 0,000 0,543 -0,160 -0,335 0,000
Азулен 4 а + 0,8870 0,259 0,583 0,259 -0,218 0,160 0,360
8 3 а+ 1,3560 -0,221 0,000 0,221 0,484 0,357 0,000
2 а+ 1,6520 0,268 0,324 0,268 -0,191 -0,433 -0,525
2\ 1 А 1 а + 2’310₽ 0,323 0,280 0,000 0,289 0,200 0,173
3 5
3 4 7 8 9 10
10 а-2,0950 -0,160 0,335 -0,543 0,543
9 а- 1,8690 0,404 -0,323 0,200 0,200
8 а- 1,5790 -0,270 0,084 0,136 0,136
7 а-0,7380 0,484 -0,357 -0,221 0,221
6 а-0,4000 -0,102 -0,470 0,290 0,290
5 а + 0,4770 0,335 0,160 -0,259 0,259
4 а+ 0,8870 0,160 0,218 -0,354 -0,354
3 а+ 1,3560 -0,357 -0,484 -0,299 0,299
2 а+ 1,6520 -0,433 -0,191 0,118 0,118
1 а+ 2,3100 0,200 0,289 0,467 0,467
550
Приложения
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
1 1 2 1 3 1 4 Is 1 6
Антрацен 14 а-2,414₽ 0,215 -0,152 0,152 -0,215 -0,215 0,152
8 9 1 13 а - 2,000Р -0,289 0,289 -0,289 0,289 -0,289 0,289
7|< <2 12 а - 1,414Р -0,250 0,049 0,181 -0,304 -0,304 0,181
II 11 а- 1,414(3 -0,212 0,420 -0,382 0,120 0,120 -0,382
6^ 10 а - 1,000Р 0,363 -0,019 -0,344 0,363 -0,363 0,344
11 14- 5 10 4 9 а - 1.000Р 0,188 -0,408 0,220 0,188 -0,188 -0,220
8 а-0,414р -0,311 0,220 0,220 -0,311 -0,311 0,220
7 а + 0,414р -0,311 -0,220 0,220 0,311 0,311 0,220
6 а + 1,000р 0,069 0,383 0,314 -0,069 0,069 -0,314
5 а + 1,000р 0,402 0,141 -0,261 -0,402 0,402 0,261
4 а + 1,414(3 -0,221 -0,421 -0,374 -0,108 -0,108 -0,374
3 а + 1,414Р -0,241 -0,032 0,196 0,309 0,309 0,196
2 а + 2,000Р 0,289 0,289 0,289 0,289 -0,289 -0,289
1 а + 2,414р 0,215 0,152 0,152 . 0,215 0,215 0,152
7 8 9 10 11 12
14 а-2,414р -0,152 0,215 0,304 -0,304 0,367 -0,367
13 а - 2,ОООР -0,289 0,289 0,000 0,000 0,289 -0,289
12 а - 1,414Р 0,049 -0,250 -0,430 -0,353 0,250 0,030
И а- 1,414Р 0,420 -0,212 0,170 -0,299 0,212 -0,120
10 а - 1,000Р 0,019 -0,363 0,000 0,000 0,019 0,334
9 а - 1,000Р 0,408 -0,188 0,000 0,000 0,408 -0,220
8 а-0,414р 0,220 -0,311 0,440 0,440 -0,091 -0,091
.7 а + 0,414р -0,220 -0,311 0,440 -0,440 -0,091 0,091
6 а+ 1,000(3 -0,383 -0,069 0,000 0,000 0,383 0,314
5 а+ 1.000Р -0,141 -0,402 0,000 0,000 0,141 -0,261
4 а + 1,414(3 -0,421 -0,221 0,153 0,313 0,221 0,108
3 а+ 1.414Р -0,032 -0,241 -0,473 0,341 0,241 -0,309
2 а + 2,000р -0,289 -0,289 0,000 0,000 -0,289 -0,289
1 а + 2,414Р 0,152 0,215 0,304 0,304 0,367 0,367
13 14
14 а-2,414р -0,367 0,367
13 а - 2,000р 0,289 -0,289
12 а- 1,414Р 0,030 0,250
И а- 1,414(3 -0,120 0,212
10 а - 1,000р -0,334 -0,019
9 а - 1.000Р 0,220 -0,408
8 а-0,414р -0,091 -0,091 ’
7 а + 0.414Р 0,091 -0,091
6 а+ 1,000Р -0,314 -0,383
5 а + 1,000р 0,261 -0,141
4 а + 1,414р 0,108 0,221
3 а + 1.414Р -0,309 0,241
2 а + 2,000Р 0,289 0,289
1 а + 2,414Р 0,367 0,367
I. Результаты расчетов некоторых органических молекул методом МОХ
551
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
1 1 2 1 3 1 4 I5 1 6
Толуол 8 а-2,935р 0,254 -0,102 0,045 -0,031 0,045 -0,102
2 1 7 а-2,014₽ -0,411 0,397 -0,389 0,387 -0,389 0,397
СНз 6 а - 1,084(3 0,571 -0,238 -0,313 0,577 -0,313 -0,238
5 а - 1.000Р 0,000 -0,500 0,500 0,000 -0,500 0,500
п 4 а + 0,861 Р 0,538 0,349 -0,238 -0,554 -0,238 0,349
7 3 а+ 1,000Р 0,000 -0,500 -0,500 0,000 0,500 0,500
6 2 а + 1,88бр 0,236 0,349 0,423 0,448 0,423 0,349
1 а + 2,385Р 0,309 0,178 0,115 0,096 0,115 0,178
7 8
8 а-2,935р -0,665 0,683 .
7 а-2,014р -0,130 0,214
6 а - 1.084Р 0,041 -0,176
5 а - 1,000Р 0,000 0,000
4 а + 0,861 р -0,104 -0,191
3 а+ 1.000Р 0,000 0,000
2 а+ 1,886(3 -0,261 -0,273
1 а + 2,385Р 0,678 , 0,588
1 2 3 4 5 6
8 а-2,13бр 0,144 -0,308 0,513 -0,394 0,329 -0,308
, 7 а-1,414р 0,354 -0,500 0,354 0,000 -0,354 0,500
6 а- 1,000р 0,000 0,000 0,000 -0,500 0,500 0,000
5 а- 0,662р 0,595 -0,394 -0,334 0,308 0,130 -0,394
4 а + 0,662р 0,595 0,394 -0,334 -0,308 0,130 0,394
Стирол 3 а+ 1,000р 0,000 0,000 0,000 0,500 -0,500 0,000
2 1 2 а+1,414р 0,354 0,500 0,354 0,000 -0,354 -0,500
СН=СН2 1 а + 2,13бР J3 0,144 0,308 0,513 0,394 0,329 0,308
if 7 8
4^5 8 а-2,13бр 0,329 -0,394
6 7 а-1,414Р -0,354 0,000
6 а- 1,000р -0,500 0,500
5 а - 0.662Р 0,130 0,308
4 а + 0,662р 0,130 -0,308
3 а+ 1,000р -0,500 -0,500
. - 2 а+1,414р -0,354 0,000
1 а + 2,13бр 0,339 0,394
552
Приложения
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6
7 а - 2,0073 0,042 -0,416 0,409 -0,405 0,404 -0,405
6 а- 1,0183 0,077 -0,577 0,278 0,294 -0,577 0,294
5 а - 1,0003 0,000 0,000 0,500 -0,500 0,000 0,500
4 а + 0,9053 0,212 -0,558 -0,307 0,266 0,560 0,266
С1 3 а+ 1,0003 0,000 0,000 0,500 0,500 0,000 -0,500
12 2 а+ 1,8743 -0,601 0,189 0,297 0,368 0,393 0,368
б7(д 1 а + 2,200(3 0,765 0,383 0,269 0,208 0,189 0,208
5 7
7 а-2,007(3 0,409
6 а- 1,0183 0,278
5 а - 1,0003 -0,500
4 а + 0,905(3 -0,307
3 а+ 1,0003 -0,500
2 а+ 1,8743 0,297
1 а + 2,200(3 0,269
1 2 3 4 5 6
7 а-2,029(3 0,087 -0,439 0,411 -0,394 0,389 -0,394
6 а - 1,0703 0,149 -0,574 0,247 0,309 -0,578 0,309
5 а - 1,0003 0,000 0,000 0,500 -0,500 0,000 0,500
4 а + 0,8273 0,347 -0,508 -0,349 0,219 0,531 0,219
Фенол 3 а + 1,0003 0,000 0,000 0,500 0,500 0,000 -0,500
1 2 а+ 1,8093 -0,483 0,115 0,297 0,423 0,468 0,423
ОН I2 1 а + 2,462(3 0,785 0,454 0,244 0,148 0,120 0,148
О — 7
7 а - 2,0293 0,411
5 6 а - 1,0703 0,247
5 а - 1,0003 -0,500
4 а + 0,8273 -0,349
3 а + 1,0003 -0,500
2 а + 1,8093 0,297
1 а + 2,4623 0,244
1 2 3 4 5 6
7 а-2,0333 0,100 -0,444 0,411 -0,392 0,385 -0,392
Анилин 1 6 а - 1,0833 0,177 -0,571 0,238 0,313 -0,577 0,313
nh2 5 а - 1,0003 0,000 0,000 0,500 -0,500 0,000 0,500
12 4 а + 0,7743 0,477 -0,451 -0,358 0,184 0,495 0,184
3 а+ 1,0003 0,000 0,000 0,500 0,500 0,000 -0,500
2 а+ 1,6433 -0,647 -0,116 0,164 0,384 0,468 0,384
6 \^4 5 1 а + 2,2293 0,560 0,510 0,345 0,259 0,232 0,259
I. Результаты расчетов некоторых органических молекул методом МОХ
553
Таблица (продолжение)
Соединение Номер MO Энергия MO Собственные коэффициенты МО
1 | 2 | J ' 4 5 ( 6
— 7
Анилин 7 a - 2,0330 0,411
1 ntj_t 6 a - 1,083(3 0,238
lNrt2 2 5 a - 1,000(3 -0,500
7/\з 4 a + 0,774(3 -0,358
3 a + 1,000(3 -0,500
6 4^4 2 a + 1,643p 0,164
5 1 a + 2,229(3 0,345
1 2 3 4 5 6
8 a-2,165(3 -0,168 0,326 -0,522 0,384 -0,309 0,286
7 a - 1,475(3 -0,312 0,535 -0,303 -0,044 0,368 -0,499
6 a - 1,000(3 0,000 0,000 0,000 0,500 -0,500 0,000
5 a-0,617(3 -0,416 0,485 0,350 -0,350 -0,134 0,433
4 a + 1,000(3 0,000 0,000 0,000 0,500 0,500 0,000
3 a + 1,022(3 0,326 -0,037 -0,547 -0,261 0,280 0,547
1 2 a + 1,917(3 -0,396 -0,182 0,269 0,349 0,400 0,417
Hx2^O C 1 a+ 2,518(3 0,661 0,559 0,376 0,194 0,112 0,089
7 8
8 4 T i 8 a-2,165(3 -0,309 0,384
7 a - 1,4750 0,368 -0,044
6 6 a - 1,0000 0,500 -0,500
5 a-0,6170 -0,134 -0,350
4 a + 1,0000 -0,500 -0,500
3 a + 1,0220 0,280 -0,261
2 a + 1,9170 0,400 0,349
1 a+ 2,5180 0,112 0,194
1 2 3 4 5 6
Нитробензол a 2,1150 -0,106 0,223 -0,106 -0,508 0,403 -0,345
3 j 8 a-1,3140 -0,229 0,371 -0,229 -0,452 0,074 0,355
O2/O 7 a- 1,0000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,500 -0,500
'f/ 6 a - 0,3980 -0,441 0,475 -0,441 0,199 -0,325 -0,070
J4 5 a+ 1,0340 0,000 0,000 0,000 0,000 0,500 0,500
4 a+ 1,0000 0,215 -0,047 0,215 -0,552 -0,257 0,286
II 1 3 a+ 1,4000 0,707 0,000 -0,707 0,000 0,000 0,000
2 a+ 1,9770 0,131 0,045 0,131 -0,374 -0,396 -0,411
7 1 a+ 4,4160 0,422 0,763 0,422 0,233 0,056 0,014
554
Приложения
Таблица (продолжение)
„ Номер Энергия Соединение r г МО МО Собственные коэффициенты МО
7 | 8 9 _
.. 9 а-2,235(3 Нитробензол 8 a l>213g О2О 7 а- 1,000(3 6 а - 0,688(3 L 5 а + 0,966(3 9X%s5 4 а+1,000(3 [1 J 3 а+ 1,628(3 2 а + 2,074(3 7 1 а + 4,468(3 0,326 -0,344 0,403 -0,540 0,355 0,074 0,000 0,500 -0,500 0,353 -0,070 -0,385 0,000 -0,500 -0,500 0,553 0,286 -0,257 0,000 0,000 0,000 -0,411 -0,411 -0,396 0,006 0,014 0,056
1 2 3 4 5 6
Пиррол 5 а-1,618(3 4 3 4 а - 1,0080 3 а+ 0,6183 2 а+1,1833 IN 1 I 1 1 а + 2,3203 Н 0,000 -0,372 0,602 -0,602 0,372 -0,374 0,587 -0,292 -0,292 0,587 0,000 -0,602 -0,372 0,372 0,602 -0,559 0,109 0,576 0,576 0,109 0,740 0,379 0,287 0,287 0,379
1 2 3 4 5 6
5 а-1,6183 фУРан 4 а-0,9483 £-4 3 а+ 0,6183 5(/ V 2 а+1,3143 ^Oi 1 а + 2,6333 0,000 -0,372 0,602 -0,602 0,372 -0,323 0,595 -0,306 -0,306 0,595 0,000 -0,602 -0,372 0,372 0,602 -0,444 0,190 0,605 0,605 0,190 0,836 0,331 0,203 0,203 0,331
1 2 3 4 5 6
6 а- 1,9343 Пиридин 5 а_1>ооор 4. 4 а-0,8413 3Г 3 а+ 1,0003 2L Jj6 2 а+ 1,1673 N 1 а+ 2,1073 1 -0,323 0,393 -0,437 0,452 -0,437 0,393 0,000 -0,500 0,500 0,000 -0,500 0,500 -0,546 0,366 0,238 -0,566 0,238 0,366 0,000 -0,500 -0,500 0,000 0,500 0,500 -0,571 -0,191 0,349 0,598 0,349 -0,191 0,521 0,419 0,361 0,343 0,361 0,419
1 2 3 4 5 6
„ 9 а-2,1583 ИндоЛ 8 а- 1,5003 7 а-1,1783 5 { \\ |Г 6 а-0,8633 /2 5 а+ 0,5343 7* N1 4 а+ 0,7963 Н 3 а+ 1,2803 2 а+ 1,6693 1 а+ 2,4193 0,100 0,085 -0,247 -0,383 0,320 -0,308 -0,245 0,506 -0,539 -0,090 -0,168 0,341 -0,290 0,187 0,041 -0,279 0,565 -0,385 -0,187 0,449 -0,219 0,505 -0,177 -0,353 -0,382 0,354 0,534 -0,414 -0,152 0,333 0,310 0,399 0,039 0,137 0,478 0,243 0,317 -0,124 -0,444 -0,348 -0,001 0,347 -0,481 -0,327 -0,013 0,374 0,487 0,438 0,486 0,303 0,297 0,245 0,177 0,184
I. Результаты расчетов некоторых органических молекул методом МОХ
555
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
7 1 8 1 9 1 1 1
Индол 9 а-2,158р 0,344 -0,436 0,506
4 8 а - 1,500(3 -0,344 0,175 0,302
,3 7 а-1,178|3 -0,111 0,516 -0,235
1 II Н9 6 а-0,863р 0,482 -0,062 -0,260
5 а + 0,5343 0,330 -0,157 -0,069
7 Г 4 а + 0,796р -0,284 -0,469 -0,368
н 3 а+ 1,280р 0,445 0,223 -0,445
2 а+ 1,669₽ 0,244 -0,304 0,138
1 а + 2,419р 0,267 0,463 0,415
1 2 3 4 5 6
10 а-2,267р 0,237 -0,205 0,228 -0,311 -0,321 0,250
9 а-1,593₽ 0,186 -0,409 0,465 -0,332 0,212 -0,401
8 а- 1,2323 -0,350 0,226 0,071 -0,314 -0,454 0,244
7 а- 1,0003 0,000 -0,408 0,408 0,000 0,000 0,408
6 а - 0,5273 -0,422 0,353 0,236 -0,477 0,389 -0,220
5 а + 0,7033 -0,395 -0,166 0,278 0,362 -0,464 -0,302
4 а+ 1,0003 0,000 0,408 0,408 0,000 0,000 0,408
3 а+ 1,3843 -0,393 -0,060 0,310 0,490 0,307 0,057
Хинолин 2 а+ 1,6693 0,376 0,425 0,333 0,131 -0,337 -0,447
5 4 1 а+ 2,3623 0,395 0,265 0,230 0,280 0,267 0,200
7^/4 7 8 9 10
8 9 Ю а-2,2673 -0,246 0,307 -0,451 0,478
9 а-1,5933 0,427 -0,280 0,018 0,064
8 а- 1,2323 0,154 -0,434 0,380 0,316
7 а- 1,0003 -0,408 0,000 0,408 -0,408
6 а-0,5273 -0,272 0,364 0,081 0,016
5 а + 0,7033 0,251 0,479 0,086 -0,024
4 а+ 1,0003 0,408 0,000 -0,408 -0,408
3 а+ 1,3843 -0,227 -0,372 -0,288 0,367
2 а+ 1,6693 -0,410 -0,237 0,015 -0,114
1 а + 2,3623 0,206 0,286 0,471 0,431
1 2 3 4 5 6
Изохинолин 10 а-2,2543 0,236 -0,139 0,196 -0,302 -0,331 0,261
5 4 9 а-1,5513 0,085 -0,344 0,492 -0,418 0,134 -0,365
8 а- 1,2463 -0,417 0,072 0,119 -0,220 -0,457 0,414
L II । 7 а- 1,0003 0,000 -0,447 0,447 0,000 0,224 0,224
; 6 а _ 0,4593 -0,513 0,396 0,075 -0,430 0,336 -0.277
556
Приложения
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
1 1 2 1 3 1 4 Is 1 6
5 а + 0,459₽ 0,513 0,396 -0,075 -0,430 0,336 0,277
4 а + 1,000р 0,000 -0,447 -0,447 0,000 0,224 -0,224
3 а+ 1,246₽ -0,417 -0,072 0,119 0,220 0,457 0,414
Изохинолин 2 а+ 1,551₽ 0,085 0,344 0,492 0,418 -0,134 -0,365
5 4 ‘ГТ4!3 1 а + 2,254р 0,236 0,139 0,196 0,302 0,331 0,261
7 8 9 10
9 2 8 1 10 а - 2,254р -0,257 0,319 -0,462 0,486
9 а —1,551(3 0,432 -0,305 0,041 0,157
8 а - 1,246р -0,059 -0,341 0,484 0,155
7 а - 1,000₽ -0,447 0,224 0,224 -0,447
6 а - 0,459р -0,209 0,373 0,038 0,123
5 а + 0,459₽ -0,209 0,373 0,038 -0,123
4 а+ 1,000р -0,447 -0,224 0,224 0,447
3 а + 1,246р 0,059 -0,341 0,484 0,155
2 а+ 1,551₽ -0,432 -0,305 -0,041 0,157
1 а + 2,254р 0,257 0,319 0,462 0,486
1 2 3 4 5 6
14 а-2,377р 0,228 -0,163 0,159 -0,216 -0,216 0,159
13 а - 2,000р 0,289 -0,289 0,289 -0,289 0,289 -0,289
12 а- 1,414р 0,000 0,289 -0,408 0,289 0,289 -0,408
11 а - 1,323Р 0,334 -0,322 0,091 0,201 0,201 0,091
10 а - 1,000р -0,246 -0,160 0,405 -0,246 0,246 -0,405
9 а - 1,000₽ -0,326 0,376 -0,050 -0,326 0,326 0,050
8 а - 0,325р 0,310 -0,182 -0,250 0,264 0,264 -0,250
Акридин 7 а + 0,514р -0,316 -0,257 0,184 0,351 0,351 0,184
8 ,9 ,, 1 6 а+ 1,0003 0,009 -0,349 0,358 -0,009 0,009 0,358
5 а+ 1,0003 -0,408 -0,212 0,196 0,408 -0,408 -0,196
4 а+ 1,4143 0,000 -0,289 -0,408 -0,289 -0,289 -0,408
3 а+ 1,5373 -0,320 -0,293 -0,130 0,093 0,093 -0,130
5 10 4 2 а + 2,000р 0,289 0,289 0,289 0,289 -0,289 -0,289
1 а + 2,473р 0,195 0,135 0,140 0,211 0,211 0,140
7 8 9 10 11 12
14 а - 2,377р -0,163 0,228 0,319 -0,246 0354 -0,379
13 а - 2,000р 0,289 -0,289 0,000 0,000 -0,289 0,289
12 а - 1,4143 0,289 0,000 0,408 0,000 0,000 -0,289
И а - 1,3233 -0,322 0,334 0,182 0,392 -0,357 -0,121
10 а - 1,0003 0,160 0,246 0,000 0,000 0,160 -0,405
9 а-1,0003 -0,376 0,326 0,000 0,000 -0,376 0,050
8 а - 0,325р -0,182 0,310 -0,501 -0,399 0,165 0,081
7 а + 0,5143 -0,257 -0,316 0,368 -0,448 -0,003 0,095
I. Результаты расчетов некоторых органических молекул методом МОХ
557
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
7 8 9 10 11 12
Акридин 8 9 1 6 а + 1,0003 5 а + 1,0003 4 а+1,4143 3 а+ 1,5373 2 а + 2,0003 1 а + 2,4733 0,349 -0,009 0,212 0,408 -0,289 0,000 -0,293 -0,320 -0,289 -0,289 0,135 0,195 0,000 0,000 -0,349 -0,358 0,000 0,000 -0,212 0,196 0,408 0,000 0,000 0,289 -0,260 0,526 0,273 -0,199 0,000 0,000 -0,289 -0,289 0,280 0,387 0,382 0,346
13 14
3 14 а - 2,377(3 5 (о 4 13 а-2,000(3 12 а-1,414(3 11 а- 1,323(3 10 а- 1,000(3 9 а-1,000(3 8 а-0,325(3 7 а+ 0,5140 6 а + 1,000(3 5 а+ 1,0000 4 а+1,414(3 3 а+ 1,5370 2 а + 2,000(3 1 а + 2,473(3 -0,379 0,354 -0,289 0,289 -0,289 0,000 -0,121 -0,357 0,405 -0,160 0,050 0,376 0,081 0,165 0,095 -0,003 0,358 0,349 -0,196 0,212 0,289 0,000 -0,199 0,273 0,289 0,289 0,346 0,382
1 2 3 4 5 6
Пиримидин 6 а— 1,857(3 4 5 а-0,912(3 4 а-0,7810 1 Н 3 а+ 1,0770 6<^N'>2 2 а+1,2810 1 1 а+ 2,193(3 -0,346 0,373 -0,346 0,443 -0,477 0,443 -0,302 0,662 -0,302 -0,236 0,517 -0,236 0,435 0,000 -0,435 0,557 0,000 -0,557 -0,264 -0,490 -0,264 0,338 0,627 0,338 -0,557 0,000 0,557 0,435 0,000 -0,435 0,468 0,427 0,468 0,366 0,333 0,366
1 2 3 4 5 6
г 8а- 2,272(3 n-Бензохинон „ , ,„,п j 7 а- 1,6240 О 6 а - 1,000р П2 5 а - 0,0063 4 а+ 1,0003 [1 || 3 а+ 1,0883 7\^4 2 а+ 2,4783 II 1 а+ 2,7363 0,203 -0,453 0,356 -0,356 0,453 -0,203 0,309 -0,560 0,213 0,213 -0,560 0,309 0,000 0,000 -0,500 -0,500 0,000 0,000 0,422 -0,326 0,328 0,328 0,326 -0,422 0,000 0,000 -0,500 -0,500 0,000 0,000 -0,462 0,033 0,378 0,378 0,033 -0,462 0,530 0,434 0,125 -0,125 -0,434 -0,530 0,437 0,431 0,248 0,248 0,431 0,437
6
558
Приложения
Таблица (продолжение)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
7 8 1 1 1 1
8 а - 2,2720 -0,356 0,356
7 а - 1,6240 0,213 0,213
6 а - 1,0000 0,500 -0,500
5 а - 0,0060 0,328 -0,328
4 а + 1,0000 0,500 0,500
3 а + 1,0880 0,378 0,378
2 а + 2,4780 -0,125 0,125
1 а + 2,7360 0,248 0,248
1 2 3 4 5 6
12 а-2,4610 0,162 -0,380 0,260 -0,260 0,380 -0,162
И а- 1,7280 0,128 -0,240 0,330 -0,330 0,240 -0,128
10 а-1,7120 -0,279 0,521 -0,192 -0,192 0,521 -0,279
9 а- 1,0000 0,000 0,000 -0,408 0,408 0,000 0,000
8 а-0,8650 0,150 -0,211 0,113 0,113 -0,211 0,150
7 а-0,1180 0,392 -0,331 -0,376 0,376 0,331 -0,392
6 а+ 1,0000 0,000 0,000 0,408 0,408 0,000 0,000
5 а+1,0130 0,177 -0,021 -0,011 0,011 0,021 -0,177
1,4-Нафтохинон 4 а + 1,0730 0,417 -0,034 -0,465 -0,465 -0,034 0,417
1 3 а+ 1,8990 -0,247 -0,111 -0,123 -0,123 -0,111 -0,247
О 2 а + 2,4950 0,522 0,433 0,124 -0,124 -0,433 -0,522
ЗЛпЛЗ 1 а+ 2,8050 ]0ЙГг L 0,401 0,413 0,229 0,229 0,413 0,401
7 8 9 10 И 12
8 ||5 12 а-2,4610 -0,423 0,238 -0,163 0,163 -0,238 0,423
О 11 а- 1,7280 0,115 -0,324 0,445 -0,445 0,324 -0,115
10 а-1,7120 -0,265 0,197 -0,073 -0,073 0,197 -0,265
9 а-1,0000 -0,408 0,000 0,408 -0,408 0,000 0,408
8 а-0,8650 -0,180 0,547 -0,293 -0,293 0,547 -0,180
7 а-0,1180 0,197 -0,157 -0,178 0,178 0,157 -0,197
6 а+ 1,0000 -0,408 0,000 0,408 0,408 0,000 -0,408
5 а+ 1,0130 0,287 0,556 0,276 -0,276 -0,556 -0,287
4 а+ 1,0730 -0,223 0,017 0,242 0,242 0,017 -0,223
3 а+ 1,8990 0,299 0,379 0,422 0,422 0,379 0,299
2 а + 2,4950 -0,142 -0,064 -0,018 0,018 0,064 0,142
1 а + 2,8050 0,303 0,135 0,075 0,075 0,135 0,303
1 2 3 4 5 6
Кумарин 11 а-1,2120 0,120 -0,238 0,109 0,260 -0,337 -0,342
6 5 10 а-1,7530 0,095 -0,577 0,305 0,460 -0,230 0,197
9 а- 1,2400 -0,088 0,384 -0,246 -0,023 -0,356 -0,191
L 11 L 8 а- 1,0520 -0,125 -0,068 0,047 0,098 -0,036 -0,447
8 7 а - 0,5010 -0,177 0,302 -0,277 0,422 -0,514 0,346
1 3
I. Результаты расчетов некоторых органических молекул методом МОХ
559
Таблица (окончание)
Соединение Номер МО Энергия МО Собственные коэффициенты МО
1 1 2 1 3 1 4 lS 1 6
6 а + 0,7033 -0,136 -0,118 0,370 -0,551 -0,270 0,186
5 а + 0,8093 -0,254 -0,007 0,036 0,141 0,133 -0,513
4 а + 1,4033 -0,018 0,031 0,241 -0,318 -0,477 0,002
Кумарин 3 а + 1,8593 0,603 -0,134 -0,317 -0,236 -0,305 -0,338
6 1, 1 2 а+ 2,1793 -0,246 0,328 0,523 0,097 -0,118 -0,269
1 а + 2,924(3 0,643 0,476 0,431 0,205 0,124 0,067
7 8 9 10 11
у 1 3 11 а- 1,2123 0,270 -0,255 0,295 -0,397 0,486
10 а-1,753₽ -0,288 0,308 -0,252 0,133 -0,057
9 а - 1,2403 -0,228 0,473 -0,359 -0,028 0,464
8 а - 1,0523 0,531 -0,111 -0,413 0,546 -0,061
7 а-0,5013 -0,009 -0,341 0,180 0,251 -0,164
6 а + 0,7033 -0,230 -0,348 -0,015 0,338 0,361
5 а + 0,8093 -0,434 0,127 0,547 0,360 -0,023
4 а + 1,4033 0,355 0,496 0,340 -0,018 -0,352
3 а + 1,8593 -0,270 -0,213 -0,100 0,027 -0,331
2 а+ 2,1793 -0,232 -0,237 -0,285 -0,383 -0,353
1 а + 2,9243 0,040 0,051 0,109 0,267 0,157
560
Приложения
II. Физиологическое действие
наиболее распространенных органических веществ
Аммиак и низшие алкиламины. Сильно действуют на слизистую оболочку, а также вы-
зывают слезотечение и воспаление глаз, сильный кашель, жжение в горле, тошноту и при-
ступы одышки и удушье. Первая помощь при отравлении - свежий воздух, кислород и пары
уксусной кислоты (вдыхание), при сильном отравлении - искусственное дыхание.
Амины ароматические - анилин, толуидины, хлоранилины, броманилины и нитроанили-
ны - являются сильными ядами для крови и нервной системы. Вдыхание паров аминов вы-
зывает головокружение, рвоту, приводит к потере сознания и явлениям паралича. Всасыва-
ются через кожу. Многие ароматические амины являются канцерогенами. При отравлении
необходимы свежий воздух и молоко.
Ацетон. Пары ацетона действуют раздражающим образом на верхние дыхательные пу-
ти; иногда имеет более ядовитые примеси, которые сильнее действуют на организм.
Бензилхлорид (бензилбромид) обладает лакриматорным действием, вызывает раздраже-
ние слизистых оболочек глаз и носа. При попадании на кожу жидкого хлористого бензила
возникает тяжелый воспалительный процесс.
Бензин, лигроин, керосин действуют одурманивающим образом и оказывают вредное
действие на здоровье человека. При легком отравлении нужен свежий воздух, при сильном -
искусственное дыхание и свежий воздух.
Бензоилхлорид в парообразном состоянии вызывает раздражение слизистых оболочек.
Бензол. Вдыхание паров бензола действует на нервную систему (головные боли, тошно-
та, наркотическое действие). Бензол обладает кумулятивным действием. При хроническом
отравлении является кровяным и сосудистым ядом (склонность к кровотечениям слизистой
оболочки, носовое кровотечение), а также обладает канцерогенным действием. Бензол
сильно раздражает кожу. При отравлении бензолом следует применить искусственное дыха-
ние и немедленно прибегнуть к врачебной помощи.
1,4-Бензохинон действует на нервную систему, на кровь, вызывает кислородное голода-
ние организма, обладает раздражающими свойствами, является причиной коньюктивита
глаз и роговицы.
Диметилсульфат очень ядовит, обладает канцерогенным и мутагенным действием. Сле-
дует избегать вдыхания его паров. Он впитывается кожей. При попадании на кожу надо сра-
зу обмывать это место раствором аммиака. Работу с диметилсульфатом проводить только в
вытяжном шкафу с хорошей вентиляцией.
Ди-и-бутиловый эфир оказывает раздражающее действие на глаза и слизистые оболоч-
ки носа и гортани.
Динитробензол очень ядовит; возможно отравление как при вдыхании его паров, так и
пыли. Вызывает синюшность, расстройство дыхания, учащенный слабый пульс, иногда - по-
терю сознания.
Диоксан является наркотиком, нервным ядом, ядом для печени и почек. Пары вызывают
раздражение слизистых оболочек. С воздухом образует взрывоопасные смеси, его содержа-
ние 1 мг/л представляет большую опасность.
Изопентилнитрит является сильным ядом, при работе с ним необходимы большие предо-
сторожности.
Изопропиловый спирт действует сходно с этанолом.
Метанол ядовит. Пары метанола при вдыхании действуют одурманивающим образом.
При приеме внутрь метанол вызывает отравление. Прием внутрь 30 мл смертелен. Может
привести к слепоте, судорогам, потере сознания, нарушениям сердечного ритма и смерти.
Муравьиная кислота. Вдыхание паров муравьиной кислоты вызывает сильное раздраже-
ние слизистых оболочек и слезотечение. При попадании на кожу появляются ожоги, трудно
подвергающиеся лечению.
Нитросоединения ароматические - нитробензол, нитрохлорбензол, нитроанилин - явля-
ются сильными ядами для крови и нервной системы. Вдыхание паров нитробензола вызыва-
И. Физиологическое действие наиболее распространенных органических веществ
561
ет синюшность, головокружение, рвоту, приводит к потере сознания и явлениям паралича.
Всасываются через кожу, при попадании на кожу их следует немедленно смывать большим
количеством спирта. При отравлении необходим свежий воздух.
Нитрометан - наркотик, обладающий резким судорожным действием.
Оксиды азота очень опасны, действие их проявляется не сразу, а лишь по истечении не-
которого времени. Действуют на слизистую оболочку и дыхательные пути, раздражают гла-
за, вызывают сухость в горле, кашель, иногда тошноту и рвоту, а также отек легких. При
длительной работе в атмосфере оксидов азота возникают различные хронические заболева-
ния. При отравлении оксидами азота необходимо вдыхание кислорода. При этом ввиду воз-
можного отека легких и нарушения кровообращения следует избегать всяких усилий, необ-
ходимо обеспечить полный покой. Пострадавшего нужно поместить в тепло и наложить ему
теплые компрессы.
Петролейный эфир. В большой концентрации пары эфира действуют одурманивающим
образом. При легком отравлении необходим свежий воздух, при сильном - искусственное
дыхание и свежий воздух, кислород.
Пиридин. Его пары вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и верхних дыхатель-
ных путей, першение в горле, кашель, воспаление кожи (дерматит) с сильным жжением.
Сероуглерод. При вдыхании небольших количеств паров он действует как сильный нерв-
ный яд, вызывает общее расстройство нервной системы с тяжелыми последствиями. Высо-
кая концентрация паров сероуглерода очень опасна. Сероуглерод проявляет наркотическое
действие.
Толуол обладает физиологическим действием, аналогичным действию бензола (см. бен-
зол). В целом, однако, менее ядовит.
Уксусная кислота. Пары раздражают слизистые оболочки и кожу. Ледяная уксусная кис-
лота сильно обжигает кожу, при попадании на кожу ее следует смывать большим количест-
вом воды.
Уксусноэтиловый эфир обладает в некоторой степени наркотическим действием. Его па-
ры при вдыхании одурманивают, раздражают слизистые оболочки. Первая помощь при от-
равлении - свежий воздух.
Фенол - яд, действующий на нервную систему и обладающий сильным раздражением ды-
хательных путей и глаз. При попадании на кожу вызывает ожоги. При несвоевременном об-
мывании пораженной части тела вызывает гангрену. Первая помощь - смывание фенола
спиртом.
Хлоруксусная кислота раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, вы-
зывает ожоги, сопровождающиеся обширным слущиванием кожи. Ожог проходит быстро и
рубцов после заживления не оставляет.
Хлороформ - наркотик, действует на внутренние органы, нарушает обмен веществ. При
работе с хлороформом иногда возможно отравление образующимся из него фосгеном. Хло-
роформ является причиной нарушения сердечного ритма и атрофии печени, обладает канце-
рогенным действием.
Четыреххлористый углерод - наркотик, попадание которого в организм ведет к более
тяжелым изменениям по сравнению с хлороформом.
Этанол - наркотик, вызывающий сначала возбуждение; его длительное воздействие при-
водит к тяжелым заболеваниям нервной системы, пищеварительного аппарата и сердечно-
сосудистой системы.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Общая литература
1. Чичибабин А.Е. Основные начала ор-
ганической химии. 7-е изд. / Под ред.
П.Г. Сергеева, А.Л. Либермана. М.: Госхим-
издат, 1963. Т. 1. 910 с.; Т. 2. 767 с.
2. Бокий Г.Б., Голубкова Н.А. Введение
в номенклатуру ИЮПАК: Как назвать
химическое соединение / Под ред. В.М. По-
тапова. М.: Наука. 1989. 183 с.
3. Марч Дж. Органическая химия: Пер. с
англ. М.: Мир, 1987. Т. 1. 381 с.; Т. 2. 504 с.;
Т. 3. 459 с.; 1988. Т. 4. 468 с.
4. Carey F.A., Sundberg R.J. Advanced
organic chemistry. 4 ed. N.Y.: Kluwer Acad.;
Plenum Publ. Pt. A. Structure and mechanisms,
2000. 823 p.; Pt. B. Reactions and synthesis,
2001.965 p.
5. Streitwieser A., Heathcook C.H., Kosower
Ed.M. Introduction to organic chemistry. 4 ed.
N.Y.: Mac Millan Publ. Comp., 1992. 1256 p.
6. Solomons T.W.G., Fryhle C.B. Organic
chemistry. 7 ed. N.Y.: John Wiley and Sons,
2000. 1258 p.
7. Сайкс П. Механизмы реакций в орга-
нической химии. 4-е изд.: Пер. с англ. М.:
Химия, 1991. 447 с.
8. Травень В.Ф. Электронная структура
и свойства органических молекул. М.:
Химия, 1989. 384 с.
9. Traven V. Frontier orbitals and properties
of organic molecules. Chichester.: Ellis
Horwood, 1992. 401 p.
10. Титце Л., Айхер T. Препаративная
органическая химия: Пер. с нем. / Под.ред.
Ю.Е. Алексеева. М.: Мир, 1999. 704 с.
11. Вейганд К., Хильгетаг Г. Методы
эксперимента в органической химии: Пер. с
нем. / Под ред. Н.Н. Суворова. М.: Химия,
1968.944 с.
12. Вацуро К.В., Мищенко ГЛ. Имен-
ные реакции в органической химии: Спра-
вочник. 1976. 528 с.
13. Глоссарий терминов, используемых в
физической органической химии // ЖорХ.
1995. Т. 31, вып. 7. С. 1097-1118.; вып. 8.
С. 1260-1278.; вып. 10. С. 1582-1598.; вып. 11.
С. 1733-1756.; вып. 12. С. 1874-1885.
14. Ball Ph. Designing the molecular world:
Chemistry at the frontier. N.Y.: Princeton Univ.
Press, 1997. P. 376.
15. Freemantle M. // Chem.Eng.News. 2002.
Jan 28. P. 53-61 (Nobel Jubilee).
Литература к главе 16
1. Уилкинсон С.Дж. И Общая органичес-
кая химия / Под. ред. Н.К. Кочеткова. М.:
Химия, 1982. Т. 2, ч. 4, гл. 4.2. С. 13-175.
Литература к главе 17
1. Уайтинг Д.А. // Общая органическая
химия / Под. ред. Н.К. Кочеткова. М.:
Химия, 1982. Т. 2, ч. 4, гл. 4.2. С. 175—289.
2. Honghton J. Ц J.Chem.Educ. 2001.
Vol. 78, N 2. Р. 175-184.
3. Cai L., Udeani G O., Slowing K.V. et al. //
Science. 1997. Vol. 275. P. 218.
Литература к главе 18
1. Баггетт Н. // Общая органическая
химия / Под. ред. Н.К. Кочеткова. М.: Хи-
мия, 1982. Т. 2, ч. 4, гл. 4.3. С. 289-364.
Литература к главе 19
1. Общая органическая химия/Под. ред.
Н.К. Кочеткова. М.: Химия, 1982. Т. 2. ч. 5;
Бреттль Р. // Там же. Гл. 5.ЕС. 488-570.;
Рекомендуемая литература
563
Уоринг А.Дж. //Там же. Гл. 5.2. С. 570-693;
Лэйрд Т. Ц Там же. Гл. 5.3. С. 693-765;
Лэйрд Т. И Там же. Гл. 5.4. С. 765-830;
Лэйрд Т. //Там же. Гл. 5.5. С. 830-848.
2. Poon Th., Mundy В.Р., Shattack Th.W. //
J.Chem.Educ. 2002. Vol. 79, N 2. P. 264-267.
Литература к главе 20
1. Общая органическая химия/Под. ред.
Н.К. Кочеткова. М.: Химия, 1983. Т. 4, ч. 9.
С. 11-595.
2. McCoy М. Ц Chem.Eng.News. 2000. Oct.
22. Р. 32-34.
Литература к главе 21
1. Андерсен К.К. // Общая органическая
химия / Под. ред. Н.К. Кочеткова. М.: Хи-
мия, 1982. Т. 5, ч. И, гл. 11.19. С. 508-553.
Литература к главе 25
1. Общая органическая химия/Под. ред.
Н.К. Кочеткова. М.: Химия, 1985. Т. 8, ч. 16,
гл. 16.1. С. 15-118; ч. 17, гл. 17.1. С. 332-388;
гл. 17.4. С. 488-588.
2. Там же. Т. 11, ч. 30, гл. 30.1.
С. 540-634.
3. Turro N.J., Cherry W.R. // J.Amer. Chem.
Soc. 1978. Vol. 100. P. 7431-7432.
4. Dolling Ulf-H., Davis P., Grabowski
Ed.J.J. // Ibid. 1984. Vol. 106. P. 446-447.
5. Kerrick S.T., Beak P. И Ibid. 1991.
Vol. 113. P. 9708-9710.
6. Stinson S.C. // Chem.Eng.News. 1994.
Sept. 19. P. 38-72.
7. Rouhi A.M. // Ibid. 2002. June 10.
P. 43-50.
8. Ault. // J.Chem.Educ. 2002. Vol. 79, N 5.
P. 572-577.
9. Risley J.M. // Ibid. N 3. P. 377-384.
Литература к главе 22
1. Кумбс Р.Дж. / Общая органическая
химия / Под. ред. Н.К Кочеткова. М.: Хи-
мия, 1982. Т. 3, ч. 7, гл. 7.2. С. 399-440.
Литература к главе 26
1. Общая органическая химия/Под.ред.
Н.К. Кочеткова. М.: Химия, 1986. Т. И,
ч. 26, гл. 26.1. С.127-202.
Литература к главе 23
1. Общая органическая химия / Под. ред.
Н.К. Кочеткова. М.: Химия, 1982. Т. 3, ч. 6.
С. 11-372.
Литература к главе 24
\. Аткинсон Р.С. // Общая органическая
химия/Под. ред. Н.К. Кочеткова. М.: Химия,
1982. Т .3, ч. 6, гл. 6.5. С. 300-313.
2. Гудман М., Морхауз Ф. // Органичес-
кие молекулы в действии. М.: Мир, 1977.
С. 194-206.
3. Sweeteners: Discovery, molecular design
and chemoreception / Ed. D.E. Walters,
P.T. Orthoefer, G.E. Du Bois. Washington: ACS,
1991. ACS Symp. Ser. 450.
4. Rouhi A.M. // Chem.Eng.News. 2002. Jan.
7. P. 24-29.
Литература к главе 27
1. Общая органическая химия/Под. ред.
Н.К. Кочеткова. М.: Химия, 1986. Т. 10,
ч. 23. С. 216-449.
2. Rose G.D., Srinivasan R. // Proteins:
Structure, function and genetics. 1995. Vol. 22.
P. 81.
3. Walker P.D., Mezey P.G. // J.Mathemat.
Chem. 1995. Vol. 17. P. 203.
4. Borman Stu. // Chem.Eng.News. 1995.
Aug. 14. P. 29.
5. Ganem B., Wood H.B. jr., Bach R.D.
et al. // Org. Lett. 2001. Vol. 3. P. 4137.
6. Wilson E.K. // Chem.Eng.News. 2000.
Apr. 24. P. 39-45.
7. Cox J.R. // J.Chem.Educ. 2000. Vol. 77.
N 11. P. 1424.
8. Hull LA. // Ibid. 2001. Vol. 78, N 3.
P. 420-421.
9. Eisenmesser E.Z., Boseo DA., Akke M.,
Kern D. // Science. 2002. Vol. 295. P. 1520.
564
Рекомендуемая литература
Литература к главе 28
1. Общая органическая химия/Под. ред.
Н.К. Кочеткова. М.: Химия, 1986. Т. 10,
ч. 22. С. 32-216.
2. Rouh М. // Chem.Eng.News. 2000.
Мау 8. Р. 15.
3. Dwek R.A., Butters T.D. // Chem. Rev.
2002. Vol. 102, N 2. P. 283-284.
4. Atwood R.A., Barboar L.J., Jerga A. //
Science. 2002. Vol. 296. P. 2367.
5. Zurer P.C. // Chem.Eng.News. 2002.
July 8. P. 27.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автоокисление альдегидов 150
Агликон 482, 535
Аденин 457, 535, 457
Аденозин-5'-монофосфат (рибонуклеотид)
536
Аденозиндифосфат (АДФ) 499, 536
Аденозинтрифосфат (АТФ) 499, 536
Адипиновая кислота 266
- ОН-кислотность 269
- поликонденсация с
гексаметилендиамином 275 ,
- получение 150, 267
- термолиз 270
Адреналин 406
Азетидин 433
Азин 148
Азиридин 433, 434
Азобензол, получение 353
Азоксибензол, получение 353
Акриловая кислота 283
- получение 284, 285
- присоединение НВг 284
Акриловый альдегид см. Акролеин
Акрилонитрил 193, 280, 285
Акролеин 172, 176
Аланин 503, 508. 510
L-Аланин 510
Ализарин 205
Алитам 431
Алкилтозилаты в реакциях алкилирования
21
Алкогольдегидрогеназа 55
Аллиловый спирт, окисление 39
о-Аллилфенол 80
Аллокоричная кислота 284
Аллоксим 360
Альдаровые кислоты 487
Альдегидокислоты 298
Альдегиды 116
-автоокисление 150
- а-галогенирование 160
- дейтерообмен 160
- енолизация 159
- реакция Канниццаро 154
- СН-кислотность и кето-енольная
таутомерия 155-157
- окисление 149
- основные свойства 125
- рацемизация 159
- реакции
— с галогеннуклеофилами 142
— с С-нуклеофилами 135
— с N-нуклеофилами 145
— с О-нуклеофилами 127
— с S-нуклеофилами 134
Альдогексоза 474
Альдоза 474
Альдольная конденсация 154, 163
Альдольное присоединение (альдольная
конденсация)163
Альдоновые (гликоновые) кислоты 486, 487
Альдотетроза 474
Альдотриоза 474
Амиды карбоновых кислот 245
- восстановление 249
- гидролиз 248
- основность и кислотность 246
- получение 245
Амилоза 495
Амилопектин 496
а-Аминоацетоуксусный эфир, реакция
Кнорра 437
м-Аминобензальдегид, получение 366
4-Аминобензойная (и-аминобензойная)
кислота 296
л-Аминобензойная кислота, бромирование 418
566
Предметный указатель
(25,3/?)-2-Амино-3-гидроксимасляная
кислота см. /.-Треонин
а-Аминокислоты 502
- N-алкилирование 513
- N-ацилирование 511
- изоэлектрическая точка 511
- кислотно-основные свойства 510
- классификация 502
- незаменимые 503
- оптическая активность 508
- отношение к нагреванию 516
- пространственная изомерия 508
- реакции
— дезаминирования 514
— этерификации 514
- способы получения 505
у-Аминомасляная кислота (ГАМК),
нейромедиатор 54
Аминометилирование по Манниху 163
2-Амино-2-метилпропанол, получение 351
3-Аминопентановая кислота, получение
281
2-Аминопиридин 454
4-Аминопиридин 456
Р-Аминопропионовая кислота 292
Аминосахара 475
3-Амино-2,4,6-трибромбензойная кислота
418
4-Амино-З-хлорфенол 186
Амины 361, 398
- алкилирование 376
- ацилирование 379
- кислотно-основные свойства 373
- классификация 361
- окисление аминов 384
- получение 363
- пространственно затрудненные амины 384
- реакции
— с азотистой кислотой 390
— с альдегидами и кетонами 381
- спектроскопический анализ 397
- физические свойства и строение 369
- электрофильное замещение
в ароматических аминах 389
- элиминирование по Коупу 384
Анабазин 465
Ангидрид глутаровой кислоты 272
(£)-Анизальдоксим 429
(2)-Анизальдоксим 429
и-Анизидин 362
Анизол 92
Анилин 362, 381, 390
- алкилирование 364
- ацилирование 233
- диазотирование 414
- основность замещенных анилинов 364
- получение 364, 352
Анилин-4-сульфокислота (сульфаниловая
кислота) 392
а-Аномер 477
Р-Аномер 477
Аномерный эффект 480
Антикодон 542
Антоцианы 89
Антраниловая кислота 296, 297
9,10-Антрахинон 185
Аргинин 504
Арилгидразины 419
Арндта-Эйстера реакция 426
Альдольная конденсация асимметричная
468
Аспарагин 504
Аспарагиновая кислота 504
Аспартам 431
Ацетали, получение 129, 131, 132
Ацетализация 133, 134
Ацетальдегид 117-119, 148, 192, 448
- бромирование 156
- гидратация 128
- кислотность 156, 259
- получение 118
- реакции
--CHCN136
— со спиртами 132
Ацетамид 245
2-Ацетамидо-2-дезокси-й-глюкоза 475
1-Ацетамидо-2-фенилэтан, получение 367
Ацетанилид 379
- бромирование 390
- гидролиз 257
- получение 235
ГАцетил-2-метилциклопентен 170
4-Ацетил-5-оксогексаннитрил, получение 280
N-Ацетил-Г-аланин 510
2-Ацетиламинопропеновая кислота 510
Ацетилацетон, кислотность 156, 280
N-Ацетилглицин 511
Ацетилен 285
N-Ацетилимидазол, получение и гидролиз
257
Предметный указатель
567
Ацетилкофермент А 501
Ацетилкоэнзим 462
Ацетилнитрат, нитрование пиррола 442
2-Ацетилпиррол, получение 443
Ацетилхлорид 231,259
Ацетилхолинбромид 406
Ацетилхолинэстераза 406
Ацетилциклогексан, реакция
Байера-Виллигера 152
2-Ацетилциклогексанон, получение 383
2-Ацетилциклопентанон, получение 301
Ацетоацетилкоэнзим А 463
Ацетон 117, 123, 192 :
- гидратация 127
- кислотность 156, 259
- получение 118
- реакция с HCN 137
Ацетонитрил, СН-кислотность 259
Ацетоуксусная кислота 298, 301
Ацетоуксусный эфир 299
- получение 263,299
- реакция Кнорра 437
- реакции
— с гидроксиламином 302
- - с HCN 302
Ацетофенон 118, 162
Байера-Виллигера реакция 151
Бакелит 71
Бактериофаг 531
Белки 502, 523; вторичная, третичная и
четвертичная структуры 524, 525
Бенедикта-Фелинга реагент, окисление
глюкозы 486
Бензальанилин 147, методика получения
381
Бензальацетон, получение 167
Бензальдегид 117
- восстановительное аминирование 367
- конденсация с нитросоединениями 355
- реакции
— Канниццаро 154
- - Перкина 264
— с бутиллитием 137
Бензамид 245, 250
Бензанилид, методика получения 233
Бензиламин
- методика получения 368
- получение 250, 274, 367
N-Бензилглицин 513
Бензилиденмалоновый эфир, получение 279
Бензил(п-метилбензил)кетон 470
Бензиловый спирт 40, 45, 154, 155, 244
Бензилоксикарбонилаланин 518
Бензилфталимид 368
N-Бензилфталимид, получение 274
Бензилхлорид 209
Бензилхлорформиат 512, 518
Бензилцианид 209
2-Бензилциклогексанон, получение 383
N-Бензоилглицин 512
Бензоилхлорид 231, 238
Бензойная кислота, получение 40,208, 222
Бензойный ангидрид 235
Бензолдиазоацетат 409, 417
Бензолдиазогидрат 409, 411
Бензолдиазонийгидроксид 411
Бензолдиазонийгидросульфат 413
Бензолдиазонийтетрафторборат 415
Бензолдиазонийхлорид 409, 411
анши-Бензолдиазотат-ион 412
сии-Бензолдиазотат-ион 412
Бензолдиазоцианид 409
.м-Бензолдисульфокислота 58,332
Бензолсульфоновая кислота 332, 334
Бензолсульфохлорид 335, 381
Бензонитрил 251, 254
Бензотиофен 445
Бензофенон 118
Бензофуран 445
1,2-Бензохинон 180,185
1,4-Бензохинон 185
- диоксим 189
- монооксим 189
- получение 186
- 1,2- и 1,4-присоединение 188
- реакция Дильса-Альдера 189
Бетаин 510
4,4-Бис(диметиламино)бензофенон 393
1,8-Бис(диметиламино)нафталин,
основность 388
1,8-Бис(диэтиламино)-2,7-диметокси-
нафталин, основность 389
Бис(М-Метил-М-нитрозоамид)
терефталевой кислоты 424
1,2-Бис(и-толил)этан 471
Бородина-Хунсдиккера реакция 217
Бороментол 45
Брозилаты 342
568
Предметный указатель
4-Броманизол, методика получения 96
4-Броманилин, получение 390
Бромацетальдегид, методика получения
160
4-Бромацетанилид 390
Бромацетилбромид 260
1-Бромбутан 216
Бромгидрохинон, получение 189
Бромметан, реакция с трифенилфосфином
141
4-Бром-3-нитро-К(,К[-диметиланилин 393
4-Бром-З-нитроанилин 362
Бромоформ 162
З-Бромпиридин, получение 452
1-Бромпропан, получение 24
З-Бромпропаналь 177
З-Бромпропаналь, ацетализации 133
З-Бромпропановая кислота 284
(7?)-2-бромпропановая кислота, гидролиз
295
З-Бромпропановая кислота, получение 287
2-Бромпропен, получение 141
а-Бромпропионовая кислота, получение
291, 292
а-Бромфенилуксусная кислота, получение
291
(7?,5)-1-Бром-1-фенилэтан, получение 27
2-Бромфенол, получение 337
6-Бромфенол-2,4-дисульфоновая кислота
337
Бромциклогексан, получение 24
2-(2-Бромэтил)-1,3-диоксолан, получение
133
Бромянтарная кислота 288
Буво-Блана реакция 14, 244
1,3-Бутадиен 286
Бутаналь 119, 279
2-Бутанамин 362, 362
Бутаннитрил , гидролиз 253
Бутановая кислота 207, 211
(5)-2-Бутанол 243
1-Бутанол
- дегидратация 35
- реакция с НВг 24
- физические свойства 15
2-Бутанол
- дегидратация 35
- физические свойства 15
(К)-2-Бутанол
- получение 241
- реакция с SOC12
- сохранение конфигурации 32
2-Бутанон 119, 123, 139
1-Бутансульфоновая кислота, получение
333
2-Бутен, озонолиз 118
шраис-2-Бутен, получение 35
2-Бутеналь см. Кротоновый альдегид
З-Бутен-2-он 176, 280
mpem-Бутил-1 -гидроксициклогексилаце-
тат, получение 260
З-шрет-Бутил-2,2,4,4-тетраметил-
3-пентанол, получение 139
Бутиламин, спектр ИК 397
и-Бутиламин, методика получения 364
Бутилацетат 216
(7?)-вшор-Бутилацетат
- гидролиз
- получение 21
(5)-втор-Бутилацетат, гидролиз 243
шреш-Бутилацетат, методика получения 233
и-Бутилбромид 364, методика получения 24
mpem-Бутиловый спирт 232
шреш-Бутилхлорид, методика получения 25
шреш-Бутилхлорформиат, применение
для Вос-защиты 519
втор-Бутилэтиловый эфир, масс-спектр
108
1-Бутин,гидратация 119
Бутиральдегид 122
шреш-Бутоксикарбоксазид (Вос) 512
Валидол 45
Валин 503, 516
Вильямсона реакция 66, 67
Винилуксусный альдегид 171
Винилэтиловый эфир 91
.иезо-Винная кислота 293
Виноградная кислота 315, 316
Витамин В12 459
Витамин К 205
Виттига реакция 139
Внутримолекулярный нуклеофильный
катализ 257
Вольфа перегруппировка 427
Восстановление
- по Кижнеру-Волъфу 153
- по Клемменсену 153
Предметный указатель
569
Габриэля метод 273, 368, 398
D-Галактозамин 475
D-Галактопираноза 477
4-0-(Р-0-Галактопиранозил)-Р-В-
глюкопираноза см. Р-Лактоза
4-0-(Р-0-Галактопиранозил)-а-0-
глюкопираноза см. а-Лактоза
Галогенангидриды карбоновых кислот 231
- ацилирование аминов 234
- ацилирование спиртов 232
- С-ацилирование 232 - .
- гидролиз 229
Галоформная реакция 162
Гамма-глобулин 523
Гексаметилендиамин 275
Гексаналь 122
2,5-Гександион 169, 436
Гексановая кислота 211
1-Гексанол 15
2-Гексанон 123
3-Гексанон, окисление 150
2-Гексеновая кислота, получение 280
и-Гексилацетат, получение 152
Гексит 488 . .
Гексоза 473
Гелля-Фолъгарда-Зелинского реакция 261
Гемоглобин 458, 523
Ген 533
Генетический код 539
Гептаналь 119, 122
Гептановая кислота 211
2-Гептанон 123
1-Гептин, гидроборирование 119
Гераниол 468
Гернандулцин 431
Героин 405, 460
Гетероциклические соединения 433—435,
460
Гигрин 464
Гидразобензол, получение 353
Гидразон 148
Гидридный сдвиг 46
4-Гидроксибензойная кислота 68, 296
З-Гидроксибутановая кислота 284, 287, 290
2-Гидрокси-З-бутеннитрил 176
5-Гидрокси-З-гексанон 169
З-Гидрокси-2-метилбутаналь 168
З-Гидрокси-З-метилбутановая кислота 293
Р-Гидрокси-Р-метилглутарилкоэнзим А 463
З-Гидрокси-2-метилпентаналь 165
4-Гидрокси-4-метил-2-пентанон 166
2-Гидрокси-2-метилпропаннитрил 137
2-Гидрокси-2-метилпропановая кислота 292
(5)-Р-Гидроксимасляная кислота 291
(25,35)-3-Гидрокси-2-метил-3-фенил-
пропановая кислота 468
2-Гидрокси-1-нафтойная кислота 70
4-Гидрокси-1-нафтойная кислота 207
З-Гидрокси-2-нафтойная кислота 70
4-Гидрокси-2-пентанон 177
4-Гидроксипролин 505
а-Гидроксипропаннитрил 134-136
(7?)-2-гидроксипропановая кислота,
получение 295
1-Гидроксипропансульфонат натрия,
получение 334
Р-Гидроксипропионовая кислота,
получение 292
3-Гидрокси-2,2,4-триметилпентаналь,
получение 166
Гидролиз жиров 42
Гидропероксиды 98
Гидрохинон (1,4-дигидроксибензол) 58, 186,
190
Гистидин 504
Гликоген 496
Гликолевая кислота 290, 294
Глиоксиловая кислота 298, 301
Глицерин 42, 46
D-Глицериновый альдегид 474
(7?)-Глицериновый альдегид 474
Глицерофосфорная кислота 23
Глицин 503, 512, 514
Глобула 525
Глутамин 504
Глутаминовая кислота 504
Глутаровая кислота 266, 267, 269, 270
Глюканы 494
D-Глюкаровая кислота 488
Глюкоза 462, 473
- ацилирование 484
- восстановление 488
- деградация по Руффу 490
- изомеризация 480
- мутаротация 478
- окисление 486
- получение гликозидов 481
- реакция с фенилгидразином 484
- Толленса формула 475
- удлинение углеродной цепи 489
570
Предметный указатель
- Фишера формула 475 '
- Хеуорса формула 476
Д-Глюкоза 429, 474,476, 479, 480
а-О-Глюкопираноза 476, 482, 476, 482
Р-Д-Глюкопираноза 476, 481, 476, 481
Д-глюкозамин (2-Амино-2-дезокси-
Д-глюкоза) 475
Глюкозиды 481
О-Глюконо-у-лактон 487
О-Глюконо-8-лактон 487
Глюконовая кислота 487
Д-Глюконовая кислота 487
Д-Глюкопираноза см. Д-глюкоза
4-0-(Р-Д-Глюкопиранозил)-а-Д-глюко-
пираноза см. а-Целлобиоза
4-0-(Р-Д-Глюкопиранозил)-Р-Д-глюко-
пираноза см. Р-Целлобиоза
4-О-(Р-Д-глюкопиранозил)-а-Д-глюко-
пираноза см. а-Мальтоза
4-0-(а-Д-Глюкопиранозил)-Р-Д-глюко-
пираноза см. Р-Мальтоза
а-Д-Глюкопиранозил-Р-Д-фрукто-
фуранозид см. Сахароза
Д-Глюцит 489
Гомберга-Бахмана реакция 419
Гомополисахариды 494
Гофмана реакция 248
Гуанин 457, 535
Двойная спираль ДНК 538
Деацилаза 509
2-Дезоксирибоза 534
2-Дезокси-Д-рибоза 475
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
474, 533
Дезоксирибонуклеозид 536
Дезоксирибонуклеотид 536
Дезоксисахара 474
Дезоксицитидин-5 '-монофосфат
(дезоксирибонуклеотид) 536
(£)-1 -Дейтеро-2-метил-1 -бутен, получение
385
(1R,2S)-1 -Дейтеро-М,М-2-триметил-
1-бутанаминоксид, термолиз 385
Деканаль 122
Декановая кислота 211
2-Деканон 123
5-Деканон, получение 119
Декстрин 495
Дельфинидин 90
Детергенты 345
5-Децин,гидратация 119
Диазоалканы 408
а-Диазокетоны 426
Диазометан 216, 423
Диазония соли 408
- получение 409
- реакции
— без выделения азота 419
— с выделением азота 412
- физические свойства и строение 411
Диазосоединения 408
Диастереомерный избыток 466
Диастереоселективность 466
2,3-Дибромбутановая кислота, получение
286
2,3-Дибромпропаналь 176
2,5-Дибромтиофен 443
Дибутиламин 370
Ди-шреш-бутилкетон, реакция с трет-
бутиллитием 139
Дибутиловый эфир 35
1,4-Дигидрокси-5,8-дигидронафталин 190
2,3-Дигидрокси-3-фенилпропановая
кислота, получение 286
(7а5)-7,7а-Дигидро-7а-метил-(6Н)-
индан-1,5-дион 469
Диглим (диметиловый эфир
диэтиленгликоля) 109
Диизопропилкетон, реакция
с метилмагнийбромидом 139
Диизопропиловый эфир, получение 92
Диизопропилэтиламин (ДИЭА) 386 ;
Дикарбоновые кислоты 265
- ОН-кислотность 269
- получение 266
— конденсационных полимеров 274
- реакции
— енолят-ионов кислот и их производных
275
— термические 270
- физические свойства 268
Дикмана конденсация 282
Дильса-Альдера реакция 189
Диметиламин 370, 374
3-(К(,К[-Диметиламинометил)индол,
получение 446
1-Диметиламино-2-метил-2-пропанол,
получение 106
Предметный указатель
571
Р-(К[,К[-Диметиламино)пропиофенон,
методика получения 163
М,К[-диметиланилин 387, 454
Диметилацетамид, СН-кислотность 259
Диметилацетоуксусный эфир, получение
308
КМ-Диметилбутанамид 245
2,3-Диметил-2-бутен 118
2,3-Диметилгексанамид, дегидратация 247
2,3-Диметилгексаннитрил, получение 247
3,6-Диметил-2,5-дикетопиперазин 516
Диметилизопропиламин 361
Диметилкетен 182-184
К[,М-Диметил-Р-нафтиламин 362
Диметиловый эфир 94
Диметиловый эфир диэтиленгликоля 94
цис-2,3-Диметилоксиран, получение 100
шраис-2,3-Диметилоксиран, получение 100
2,2-Диметилоксиран, реакция с аминами
106
2,4-Диметил-З-пентанол 138
2,2-Диметил-З-пентанон 158
2,5-Диметилпиррол 436
Диметилпропиламин 379
Диметилсульфат 22
2,5-ДиметИлтиофен 436
Диметил-2,4,6-триметил-1,4-дигидро-
3,5-пиридиндикарбоксилат 448
Диметилфталат, получение 272
2,5-Диметилфуран 436
2,2-Диметил-1-хлорциклопентан 29
3,3-Диметилциклогексанон 178
N.N-Диметилциклогексилметанамин,
окисление 384
КМ-Диметилциклогексилметанаминооксид
384, 385
(1/?,25)-1,2-Диметилциклопентанол,
получение 137
(15,25)-1,2-Диметилциклопентанол,
получение 137
Диметилэтиламин 379
З-Диметоксиметилнитробензол, получение
133
2,2-Диметоксипропан, гидролиз 134
1,2-Диметоксиэтан 94
.м-Динитробензол, восстановление 352
Динитрометан, СН-кислотность 353
К[-(2,4-Динитрофенил)аланин, получение 522
2,4-Динитрофенилгидразон ацетальдегида
148
2,4-Динитрофенилгидразоны 148
2,4-Динитрофенол 57, 72
2,4-Динитрофторбензол 522 -
2,4-Динитрохлорбензол, получение 72
1,4-Диоксан 99, 440
1,4-Диоксациклогексан 99
ге.м-Диолы, получение 127
Дипропиламин 370
Дипропиловый эфир, получение 92
Дисахариды 473, 486, 491
1,3-Дифенил-2-пропен-1-ол 178
Дифениламин 375
Дифениловый эфир 91
Дифенилсульфон, получение 340
2,2-Дифенилциклогексиламин, получение
367
1,2-Дифенилэтан 470
Дихинолиловый эфир хинина (ДХХЭ) 467
3,4-Дихлор-2-бутанон
а,«-Дихлорпропионовая кислота, гидролиз
299
Дициклогексилкарбодиимид (ДЦГКД) 517
Диэтиладипинат, конденсация Дикмана
282
Диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД)
460
Диэтиламин 370, 374, 379, 395
Р-(М,М-Диэтиламино)пропиофенон,
хлоргидрат 384
Диэтилацеталь, методика получения 132
N.N-Диэтилацетамид 250, 380
Диэтил-2,2-бис(3-оксобутил)малонат,
получение 280
Диэтил-1,2-диацетат, конденсация Дикмана
282
Диэтил-3,5-диметилпиррол-2,4-дикарбокси-
лат 437
Диэтиловый эфир 91, 94, 96, 98
Диэтил-2-(3-оксобутил)малонат, получение
280
Диэтил-2-(3-оксоциклогексил)малонат,
получение 280
(+)-(2/?,3/?)-Диэтилтартрат 470
(-)-(25,35)-Диэтилтартрат 470
Додекановая кислота 211
1-Додеканол 15
Додекансульфонат натрия 345
Доксорубицин 88
Дульцит 489
572
Предметный указатель
Енамины 381, 383, 398
Енолизация 157
Енолят-ионы 157 ч
Жиры 314
Замещение диазогруппы
- на гидроксигруппу 413
-на иод 414
Зандмейера реакция 416
Зинина реакция 352, 356 , .
Изоамил нитрит, бризантные
и фармакологические свойства 22
Изобутилацетоуксусный эфир 305
Изопротоновая кислота 283
Изолейцин 503
Изомасляная кислота, получение 308
N-Изопропилиденэтиламин, получение 381
Изопропилизобутират 237
Изопропиловый спирт 13, 44, 45, 92 =
4-Изопропилпиридин 448
Изопропилэтиловый эфир 92
Изофталевая кислота 266, 267
Изоэлектрическая точка 511
Имидазол 256, 435
(+)-Индакринон 466
Индиго 459
Индол 435, 445, 446
Индолилуксусная кислота 459
Инсулин 523
Иодбензол, получение 414
Иодциклогексан, реакция
с трифенилфосфином 140
Камфора 192
Канниццаро реакция 153, 154
Карбогидраты см. Углеводы
Карбоксипептидаза 522
Карбоновые кислоты 206
- восстановление 219
- декарбоксилирование 217
- замещение у ацильного атома углерода
220
- кислотно-основные свойства 213
- получение 208
- реакции
— карбоксилат-ионов 215
— нуклеофильного замещения 216
— с аммиаком 224
— с галогенидами фосфора и серы 223
— этерификации 221
- строение 212
- физические свойства 210
Р-Каротин 90
Кетали, получение 129, 131
Кетализация 133
Кетен 182-184, 246
Кетогексоза 474
Кето-енольная таутомерия 155-157
Кетокислоты 298
Кетоны 116
-восстановление 152
- а-галогенирование 160
-дейтерообмен 160
- енолизация 157
- СН-кислотность, кето-енольная
таутомерия 155-157
- основные свойства 125
- получение
— спиртов 152
— углеводородов 153
- рацемизация 159
- реакции
— с галогеннуклеофилами 142
— с С-нуклеофилами 135
— с N-нуклеофилами 145
— с О-нуклеофилами 127
— с S-нуклеофилами 134
- получение 120, 121
Килиани-Фишера метод 489
Клетчатка 496
Кляйзена
- внутримолекулярная конденсация 301
- перегруппировка 80
- реакция 301
Кляйзена-Шмидта реакция 167
Кнёвенагеля реакция 279
Кнорра реакция 437, 460
Кодон 541
Кокаин 405
Кольбе реакция 218
Кольбе-Шмитта реакция 68, 70
Комплементарные пары оснований 539
Компьютерная (вычислительная) химия
531
Конденсационные полимеры 274
Кониин 405
Предметный указатель
573
а-Константа заместителя 326
р-Константа реакции 325
Коричная кислота 264, 286
Коричный альдегид 167, 176
Коупа реакция 385
Кофеин 458
Коэнзим А 462 .
[12]-Краун-4 99, 107
[15]-Краун-5 107
[18]-Краун-6 106, 107
Краун-эфиры 99, 544 "
Крахмал 492, 494
Кребса цикл 501
Криптопиррол 458
Кротиловый спирт, реакция с НС1 29
Кротоновая кислота 180, 283, 284, 286
Кротоновая конденсация 164
Кротоновая самоконденсация 154
Кротоновый альдегид 171-173 ,
Ксилит 489
.м-Ксилол-4-сульфоновая кислота 337
Кумарин 89
Кумольный метод получения фенола 59, 60
а-Купаренон 471
Кучерова реакция 119
Лавсан 275
Лактиды 294
а-Лактоз а 492
Р-Лактоз а 493
Лактоны 295
Лейцин 503
Лецитин (фосфатид этаноламина) 346
Лизин 505
L-Лизин 465
Лимонная кислота 290
Литийдиизопропиламид, методика
получения 159
2,6-Лутидин (2,6-диметилпиридин) 448
Макролиды 544
Малеиновая кислота 288, 289
Малеиновый ангидрид, получение 289
Малонилкоэнзим А 463
Малоновая кислота 266, 267, 269, 270
Малоновый эфир 275, 287
а-Мальтоза 492
Р-Мальтоза 492
Маннозиды 481
а-£)-Маннопираноза 479
Р-О-Маннопираноза 480
Масла 314
Матричная цепь ДНК 541
Масляная кислота, получение 150
Мевалоновая кислота 463
Мезилаты 342
L-Ментол [(1/г,25,5/г)-5-метил-2-изопропил-
1-циклогексанол] 45
(-)-Ментол, окисление 120
(-)-Ментон, получение 120
2-Меркаптотиазол 121
Метакриловая кислота, получение 137
Метальдегид 133
Метанол 15, 18, 19, 44, 235, 397
18О-Метанол 222
Метилакрилат 286, 287
N-Метилаллоседридин 465
Метиламин 246, 370, 371, 374, 397, 398
N-Метиланилин 362
N-Метилацетамид, получение 246
Метилацетат 259
Метил ацетоацетат 448
Метилацетоуксусный эфир 304, 305
n-Метилбензальдегид, получение 234
Метилбензоат, получение 235
18О-Метилбензоат, получение 222
4-Метилбензойная кислота 207
Метилбензолсульфонат, получение 340
З-Метилбифенил 419
З-Метилбутаналь 117
(/?)-2-Метилбутанамид, перегруппировка
Гофмана 369, 398
(/?)-2-Метилбутанамин, получение 369
З-Метилбутаннитрил 251
2-Метилбутановая кислота 206; методика
получения 210
2-Метил-2-бутанол, дегидратация 35
З-Метил-2-бутанол, реакция с НС1 27
2-Метил-2-бутен, получение 35
2-Метил-2-бутеналь, окисление 208
2-Метил-2-бутеновая кислота, получение
208
З-Метилбутилацетат 237
Метилвинилкетон 180, 311
5-Метил-2-гексанон 305
N-Метилгептанамид, восстановление 250
Метилгептиламин, получение 250
(/г)-Метилглицидол 470
(5)-Метилглицидол 470
а-Метилглутаровая кислота 266
574
Предметный указатель
(а,Р)-Метил-£>-глюкопиранозид 481, 483
N-Метилдодециламин, методика получения
250
Метиленциклогексан 142, 385
Метиленциклогексаноксид 425
Метилизопропиловый эфир 91 г
З-Метилиндол (скатол) 446 *
Метилкетен 182
Метилметакрилат 193
Метил-3-( 1 -метил-2-оксоциклопентил)про-
паноат, получение 287
2-Метил-2-нитробутан 348
N-Метил-М-нитрозоанилин, получение 394
N-Метил-М-нитрозоамид и-толуолсульфо-
кислоты 423
N-Метил-М-нитрозокарбамат 423
2-Метил-2-нитропропанол, восстановление
351
Метиловый оранжевый, методика
получения 388
Метилоксиран 99
Метил-4-оксобутаноат, получение 233
2-Метил-2-(3-оксобутил)-1,3-циклогексан-
дион, получение 180
2-Метил-2-(3-оксобутил)циклопентан-
1,3-дион 469
N-Метил-З-пентанамин 362
4-Метилпентановая кислота, получение 278
2-Метилпентановая кислота, получение 278
З-Метилпентаноилхлорид 231
З-Метил-2-пентанон
- масс-спектр 192
- получение 305, 306
4-Метил-2-пентанон, получение 182
2-Метил-2-пентеналь, получение 165
4-Метил-3-пентен-2-он 166, 182
З-Метил-1-пентин-З-ол, получение 139
З-Метилпиридин 453
З-Метилпиридин-М-оксид 453
1-Метил-2-пиридинийальдоксимиодид 360
1 -Метил-4-пиридинийальдоксимйодид 360
N-Метилпиридинийиодид, получение 451
N-Метилпиррол 445
2-Метилпиррол 445
2-Метилпропаналь 119, 166
N-Метилпропанамид 245
2-Метил-1-пропанол, физические свойства 15
2-Метил-2-пропанол (mpem-бутиловый
спирт) 15, 18, 35
Метилсалицилат 88, 237
Метилсульфат, получение 21
Метил-и-толилсульфон, получение 341
N-Метил-и-толуолсульфамид 340
3-Метил-5-фенил-4-пентен-3-ол 178
М-Метил-2-фенилпиперидин, получение
368
.м-Метилфенол (.м-крезол) 57
о-Метилфенол (о-крезол) 57
n-Метилфенол (и-крезол) 57, 61, 64 7 •
Метилформиат 237
2-Метил-2-хлорбутан, получение 27
Метилцеллозольв, получение 103
1-Метилциклогексанон, дегидратация 141
2-Метил-1,3-циклогександион 180
2-Метилциклогексанон, дейтерирование
160
2,6,6-<13-2-Метилциклогексанон, получение
160
1-Метилциклогексен, получение 141
Метил-З-циклогексенкарбоксилат,
получение 286
З-Метил-2-циклогексенон 178
2-Метилциклопентанон
-реакция .
— с метилакрилатом 287
— с основаниями 159
(25)-2-Метилциклопентанон, реакция
с метиллитием 137
3-Метил-2-циклопентен-1-он 170
Метилциннамат 467
N-Метилэтаноламин, получение 105
Метилэтиламин 361
Метилэтилацетоуксусная кислота 306
Метилэтилацетоуксусный эфир 305
N-Метил-М-этилэтанамин 362
Метилянтарная кислота, получение 287
Метил-а-О-глюкопиранозид 481, 482
Метил-Р-О-глюкопиранозид 481, 482
Метионин 503
Метод MEDLA 531
n-Метоксибензойная кислота, кислотность
213
.м-Метоксибензойная кислота, кислотность
213
Метоксигидрохинон, получение 189
5-Метокси-6,7-дихлор-2-фенил-1 -инданон
466 '•/
2-Метоксинафталин 91
2-Метоксипентан 91
Михаэля реакция 179, 280
Предметный указатель
575
Молекулярное узнавание 543
Молочная кислота 290, 301, 462
D-, или (Л)-молочная кислота 293
L-, или (5)-молочная кислота 293
(/?,5)-Молочная кислота, получение 136
Монактин 114, 115
Моноанилид
- тетраметилянтарной кислоты, гидролиз
258
- янтарной кислоты, гидролиз 257
Моносахариды
- восстанавливающие 486
- невосстанавливающие 486
Моноэтилглутарат, получение 272
Моноэтиловый эфир этиленгликоля,
получение 105
Морфин 405, 406
Муравьиная кислота 207, 211, 213
Мутаротация глюкозы 478
Найлон-6,6, получение 275
1 -Нафталиндиазонийгидросульфат 409
Нафталин-2-сульфокислота, натриевая
соль, реакция щелочного плавления 59
1-Нафталинсульфоновая кислота,
получение 335
2-Нафталинсульфоновая кислота,
получение 335
Р-Нафтиламин 362
1-Нафтол (а-нафтол) 57
2-Нафтол (Р-нафтол) 57, 59
1,4-Нафтохинон 185
Нейромедиаторы 54
Нейроны 54
Неопентиловый спирт, реакция с НС1 28
Нервный импульс 54
Никотин 405, 406
Никотинамидадениндинуклеотид (НАДН)
55, 56, 462
Нингидрин 515
Нитрилы 251, 253
о-Нитроанилин 391
и-Нитроанилин 235, 391
.м-нитроанилин, получение 352
и-Нитроацетанилид 391, методика
получения 235
о-Нитроацетанилид, получение 391
З-Нитробензальдегид, ацетализация 133
.м-Нитробензальдегид, восстановление 366
n-Нитробензойная кислота, кислотность
213
.м-Нитробензойная кислота, кислотность
213
Нитробензол, восстановление 352, 356
л<-Нитробензолдиазонийгидросульфат 414
п-Нитробензолдиазонийтетрафторборат
409
и-Нитробензолдиазонийхлорид 420
1-Нитробутан, получение 350
1-Нитро-2-гексанол, получение 355
3-Нитро-М,М-диметиланилин 393
Нитрозобензол, получение 352
N-Нитрозодиметиламин 395
и-Нитрозо-М,М-диметиланилин, получение
394
N-Нитрозодиэтиламин 395
N-Нитрозонорникотин 395
n-Нитрозофенол, получение 78
Нитрометан 349, 355, 356
Нитронат-ион 356
4-Нитро-1-нафтол 57
З-Нитропиридин, получение 452
4-Нитропиридин 454
4-Нитропиридин-М-оксид 453
2-Нитропиррол, получение 443
1-Нитропропан, получение 349,350
2-Нитропропан 348, 349, 351, 353, 355
Нитросоединения 348, 354
- восстановление 351
- СН-кислотность 353
- получение 348
- строение 350
- физические свойства 350
Р-Нитростирол, получение 355
2-Нитротиофен, получение 443
4-Нитротолуол 348
.м-Нитрофениламмоний 391
и-Нитрофенилгидразин 420
n-Нитрофенилуксусная кислота, получение
254
n-нитрофенилэтаннитрил, гидролиз 254
2-Нитрофенол 61,74, 75
3-Нитрофенол 61, 64, 414
4-Нитрофенол, кислотность 59, 64, 74
Нитрофенолы, замещение гидроксигруппы
72
Нитро-форма 354
и-Нитрохлорбензол 59, 416
З-Нитро-4-хлорбензойная кислота 207
576
Предметный указатель
Нитроэтан 351, 353, 354
Нонактин 114, 115, 544
Нонаналь 122
Нонановая кислота 211
2-Нонанон 123
Нуклеиновые кислоты 533, 537
Нуклеозид 535
Нуклеотид 536
Нуклеофильное внутримолекулярное
замещение SNi 32, 33, 46
Нуклеофильное присоединение 126
Оксазол 435
Оксафосфетан 140
Оксациклобутан 99
Оксациклопентан 99
Оксациклопропан 99
Оксетан 99, 433, 434
Оксид азота 350, 360
Оксим 147
Оксим 2,2-дифенилциклогексанона,
восстановление 367
Оксиран 433, 434
З-Оксобутановая кислота 117
5-Оксогексановая кислота, получение 311
4-Оксо-2,4-дифенилбутаннитрил 178
Оксокислоты 298
Октаналь 122
2,7-Октандион 170
Октановая кислота 211
2-Октанон 123, реакция Байера-Виллигера
152
Олигосахариды 473
Опсопиррол 458
Орнитин 464
Основания Шиффа 147
Пааля-Кнорра реакция 436, 460
Паральдегид 133
Параформальдегид (параформ) 132
Пектиновые вещества 473
Пеларгонидин 90
Пента-О-ацетил-а-О-глюкопираноза 484
(а,Р)-Пентаметил-£)-глюкопиранозид 483
Пентаналь 122, 355
2-Пентанамин, получение 367
2,4-Пентандион 117
Пентаннитрил 251
Пентановая кислота 211
1-Пентанол, физические свойства 15
2-Пентанон 117, 123, 182, 208, 367
3-Пентанон 123, 151, 160
2,2,4,4-б4-3-Пентанон, получение 160
З-Пентен-2-ол 176
З-Пентен-2-он 177, 182
Пепсин 522
Пептидная связь 516
Пептиды 516
- автоматизированный синтез 520
- ащита N- и С-концевых групп 518
- некоторые полипептиды 521
- определение структуры 521
-синтез 516
Переалкилирование аминов 364
Перекрестные конденсации 166
Переэтерификация 243
Перилен 545
Перкина реакция 264
Пероксибензойная кислота 91
Пероксиды 98
Перфтор-трет-бутиловый спирт,
кислотность 18
Пивалевая кислота 246, 250
Пивалевый альдегид, получение 250
а-Пиколин (2-метилпиридин) 448
P-Пиколин (3-метилпиридин) 448
у-Пиколин (4-метилпиридин) 448
Пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол)
74, 356
Пиперидеин 465
Пиперидин 398, 435, 456
Пиразол 435
Пиран 475
Пираноза 475
Пиридин 434, 443, 448, 452, 454
- восстановление 456
- дипольный момент 450
- основность 451
- получение 443
- реакции 451
- строение 450
- физические свойства 449
Пиридин-М-оксид 453
Пиридин-З-сульфокислота, получение 452
Пиридинийхлорохромат
- окисление спиртов 39
- методика получения 39
3-Пиридинкарбоновая кислота 207
3-Пиридинсульфоновая кислота 332
Пиридинсульфотриоксид 442
Предметный указатель
577
2-Пиридон, получение 455
4-Пиридон, получение 456
Пиримидин 435, 534
Пиримидиновые основания 457
Пировиноградная кислота 298, 299, 301,
462, 501
Пирогаллол 83
Пирокатехин (1,2-дигидроксибензол) 58,
81, 185
Пироксим 360
Пиррол 435, 438, 441,443
- дипольный момент 439
- получение 435
- реакции 438
- строение 438, 444
- физические свойства 438, 444
Пирролидин 383, 438, 440
2-Пирролкарбоновая кислота 445
Пиррол-2-сульфокислота, получение 443
Полиамиды 275
Полисахариды 494
Полиэфирные волокна 274
Полуацетали, получение 129, 130, 131
Полукетали, получение 129, 131
Посыльная (информационная) РНК
(и-РНК) 541
Прилежаева реакция 101
Принцип линейности свободных энергий
329
1,2- Присоединение (прямое присоедине-
ние) 286
1,4- Присоединение ( сопряженное присое-
динение) 286
Проба Гинсберга 398
Проба Лукаса 30
Пролин 503
(5)-Пролин 469
Пропаналь 153, 165
Пропаннитрил 251
Пропановая кислота 207, 211, 213
Пропаноилбромид 231
1-Пропанол 13, 15, 24, 92
Пропаргиловый спирт (2-пропин-Нол) 45
Пропеналь см. Акролеин
Пропеновая кислота, кислотность 285
М-(н-Пропил)анилин, методика получения
365
Пропилацетат 232
н-Пропилацетоуксусный эфир 308
Пропилбензоат 237
1-Пропилбензол 153
Пропиновая кислота, кислотность 285
Пропиональдегид 122
Пропионовая кислота 150, 291
Пропиофенон 40, 153, 254
Простые эфиры 91
- классификация и номенклатура 91,92
- окисление кислородом воздуха 98
- основные свойства 96
- расщепление 96-98
- спектры ИК и масс-спектры 107, 108
- способы получения 92, 93
- строение 94
- физические свойства 93, 94
Протеаза 522
Протеины см. Белки ;
и-Толуиловый альдегид 117
Пурин 435, 457, 535
Раймера-Тимана реакция 71
Расщепление по Гофману ЗТ1, 398
Рацемизация альдегидов и кетонов 159
Реагент Джонса, окисление спиртов 37, 46
Реагент Саретта, окисление спиртов 38,
46
Реакционная серия 325
Реакция
- азосочетания 420, 421
- арилирования 418
- «серебряного зеркала» 149
- с фенилгидразином 302
- щелочного плавления 58
- этерификации 20, 221
Резвератрол 89
Резорцин (1,3-дигидроксибензол) 58
Репликационная РНК (р-РНК) 541
Репликация, синтез ДНК 540
Рецепторы вкуса, запаха 429
О-Рибоза 475, 534
Рибонуклеиновая кислота (РНК) 533
Рибосома 542
РНК-полимераза 541
Родионова реакция 281
Розенмунда-Зайцева реакция 121
Руффа метод 490
Сакроновая кислота 431
Салициловая кислота 68, 241,296
Салициловый альдегид 71, 117
Сахара см. Углеводы
578
Предметный указатель
Сахарин 429
Сахароза 429, 473, 491
Седамин 465
Семикарбазид, реакции с альдегидами и
кетонами 149
Семихинон 190
Сенгера метод 521
Серин 504
Серин-протеаза 522
Серотонин 459
Сигматропная перегруппировка 80
Синапс 54
Синтетическая шерсть, получение 275
Синтетические моющие средства (СМС)
343, 345
Сквален 464
Складчатая P-структура белка 526, 528
Скраупа реакция 460
Сложноэфирная конденсация Кляйзена 262
Сложные эфиры карбоновых кислот 236
- ацилирование спиртов 243
- восстановление 244
- гидролиз 238
- получение 237
а-Спираль 526, 527
Спирты 11 :
- восстановление 41
- дегидратация 34-36
- дегидрирование 40
- замещение гидроксигруппы на водород
41
- кислотность и основность 17-19
- нуклеофильное замещение
гидроксигруппы 23, 30
- окисление 37
- реакции
— с галогенидами фосфора и серы 30-33
— с галогеноводородами 24—27
— с неорганическими кислотами 21-23
- роль тозилатов 33, 34
- строение 16, 17
- физические свойства 15, 16
Спирты и алкоксид-ионы, нуклеофильные
реагенты 19
- реакции
— с аренсульфохлоридами 21
— с галогеналканами 19
— с карбонильными соединениями 20, 21
Старт-кодон 541
Стеарат калия 243, 344
Стеарат натрия 243, 344
Стоп-кодон 542
Сукцинимид 273
Сульфадимезин 342
Сульфаниламид (белый стрептоцид) 342
Сульфатиазол 342
Сульфолан (тетраметиленсульфон) 343
Сульфонамиды (сульфамиды) 342
Сульфоновые кислоты 332
- амиды 342
- кислотные свойства 336
- получение 333
- реакции
- сульфонилхлориды 339
- физические свойства 336
- щелочное плавление 338
- электрофильное замещение 337
- эфиры 341
Таутомерия 354
Темплатная цепь ДНК 541
Темплатный синтез 107
Теобромин 458
Терефталевая кислота 266, 268, 269, 274
Террамицин 88
1,2,3,4-Тетрагидрокарбазол, получение 446
Тетрагидрофуран 94, 99, 434, 440
Тетрадекановая кислота 211
и-(2-Тетрадецил)бензолсульфонат натрия
345
Тетраметиламмонийбромид 363, 364
Тетраметиламмонийгидроксид 377
Тетраметиламмонийиодид 377
Тетраметиленкетен, получение 183
М,М,2,2-Тетраметилпропанамид,
восстановление 368
М,М,2,2-Тетраметилпропанамин, получение
368
2,3,4,6-Тетра-О-метил-П-глюкопираноза
484
2,3,5,6-Тетрахлорбензохинон 186
Тимин 457, 534
Тимол 88
n-Тиокрезол, получение 415
Тиомочевина 121
Тиосемикарбазид, реакции с альдегидами и
кетонами 149
Тиофен 435, 438-441, 443
Тиофен-2-сульфокислота, получение 443
Тирозин 504
Предметный указатель
579
а-Токоферол 90
1-(и-Толил)-2-фенилэтан 470
5-(и-Толил)-О-этилксантогенат 415
Толленса формула 475
Толленса реактив 149, 486
о-Толуидин 362, 388
.м-Толуидин 362, 419
«-Толуидин 362, 415
и-Толунитрил 251
Толуол, окисление 208
и-Толуолдиазонийхлорид 394 . « ?
и-Толуолсульфамид 340
и-Толуолсульфинат натрия, получение 341
о-Толуолсульфоновая кислота 338
и-Толуолсульфоновая кислота 332, 334, 343
и-Толуолсульфохлорид 340
Транскрипция, синтез РНК 540
Транспортная (трансляционная) РНК Ст-
РНК) 541
Трансляция, биосинтез белка 540
О-Треоза 490
L-Треоза, (S )-Треоза 474
Треонин 504
Т-Треонин 509
2,4,6-Триброманилин 390, 418 •
1,3,5-Трибромбензол 418
Трибутил амин 370
Триметиламин 370, 374
2,М,М-Триметиланилин, основность 388
1,7,7-Триметилбицикло[2,2,1 ]гептанон-2
см. Камфора 192
2,3,4-Триметил-3-пентанол, получение 138
2,2,4-Триметил-З-пентанон, получение 158
2,4,6-Триметилпиридин (сюои-коллидин)
448, 449
Триметилпропиламмонийгидроксид 363
Триметилсилоксициклогексен, получение
159
Триметилфениламмонийбромид 363
Тринитроглицерин 22; бризантные
и фармакологические свойства 22, 23
Тринитрометан, СН-кислотность 353
Тринитротолуол, конденсация с
бензальдегидом 355
2,4,6-Тринитрофенол (пикриновая кислота)
61,73
Триоксан 133
Трипропиламин 370
Трипсин 522
Триптамин 447
Триптофан 459, 503
Трисахариды 473
Тристеарат глицерина 237, 243
Трифениламин 375
Трифенилметид лития 159
Трифенилфосфин 139
Трифенилфосфиноксид 140
Трифлаты 342, 343
Трифторметансульфонилоксидибутилбо-
ран 468
М-(п-Трифторметилбензил)цинхонинийбро-
мид 466
2,2,2-Трифторэтанол, кислотность 18
Трихлоруксусная кислота, кислотность 213
Триэтил-З-фенил-1,1,3-пропантрикарбокси-
лат, получение 287
Триэтиламин 250, 370, 377, 398
Тропин 464
О-Тубокураринхлорид 407
Убихиноны 204
Углеводы 473
Удриса-Сергеева метод 60
Уксусная кислота 207, 211, 213
Уксусный ангидрид 234
Уотсона-Крика модель 538
Урацил 457, 534
Фенетол 417, методика получения 93
Фенил(«-толил)амин 362
1-Фенил-1,3-бутадиен, получение 141
(5)-3-Фенил-2-бутанон, рацемизация 159
4-Фенил-2-гексанон 178
3-(Фенилазо)индол, получение 446
2-(Фенилазо)пиррол, получение 441
Фенилаланин 503, 507
О-Фенилаланин 430
Т-Фенилаланин 430
Фениламиногидрохинон, получение 189
Фенилацетамид
- методика получения 246
- получение, гидролиз 253
Фенилацетат 68, 238, 256
Фенилацетонитрил 246, 251, 253, 367
Фенилбензоат, получение 67, 238
N-Фенилбензолсульфамид 380
(/?)-3-Фенил-2-бутанон, рацемизация 159
Фенилгидразон 1,2-циклогександиона 437
Фенилгидразон ацетофенона, реакция
Фишера 446, 460
580
Предметный указатель
Фенилгидразон глюкозы 484
Фенилгидроксиламин, получение 352
и-Фенилендиамин 275
Фенилизотиоцианат 121, 521
2-Фенилиндол 446
Фенил-катион 413, 414
Фенилнитрометан 348
Фенилозазон 485
Фенилоксиран 99
1-Фенил-1-пентанол, получение 137
2-Фенилпиперидин 368
2-Фенилпиридин, получение 455
З-Фенилпропановая кислота 206
1-Фенил-1-пропанол, окисление 40
З-Фенилпропеналь см. Коричный альдегид
Р-Фенилпропионовая кислота, получение
286
Фенилтиогидантоин 521
Фенилуксусная кислота 253, 291, методика
получения 209
Фенилэтаналь 117
1-Фенил-1-этанол, дегидратация 36
О-Фенилэтаноламин, получение 250
Феноксиацетамид, восстановление 250
Феноксид-ион 65, 66, 68, 69
Фенол 58,413
- бромирование 74
- кислотность 63
- нитрование 74, 75 ’
- сульфирование 75, 76
- физические свойства 61
- хлорирование 73, 74
Фенол-2,4-дисульфоновая кислота 337
Фенол-о-сульфокислота, получение 75
Фенол-и-сульфокислота, методика
получения 75, 76
Фенолы 57, 58
- алкилирование 66, 67, 76
- ацилирование 67, 68, 76-78, 238
- восстановление 82
- галогенирование 73, 74
- кислотные свойства 63-65
- нитрование 74, 75
- нитрозирование 78
- нуклеофильные свойства фенолов и
феноксид-ионов 65, 66
- окисление 81, 82
- сульфирование 75, 76
- электрофильное замещение в феноксид-
ионе 68-72
Ферменты (энзимы) 502
Фибриллярные белки 530
Фишера
- формула 475
- реакция 445
Фишер—Шпайера реакция 219
Флавон 89
Флороглюцин (1,3,5-тригидроксибензол) 58
Формалин 123
Формальдегид 117, 118, 123, 124
аци-Форма 354, 356
Формамид 245
N-Формилглицин 512
2-Формилпиррол 443, 445 1 : <
Формилциклобутан 117
1-Формилциклогексен 176
Фосген 512
Фосфатид холина 346
Фосфатидные кислоты 346
Фосфатиды 346
Фосфолипиды 346
Фотосинтез 499
Фриса перегруппировка 79
/2-Фруктоза 429. 474
(/?)-Фруктоза 429, 474
а-О-фруктофураноза 478
Р-О-фруктофураноза 478
D-Фруктофураноза см. О-Фруктоза
Фталазин-1,4-дион, получение 274
Фталевая кислота 266, 267, 269, 270
Фталевый ангидрид 234, 268, 273
Фторбензол, получение 415
n-Фторфенол, кислотность 65
Фумаровая кислота 288
Фумигатин 205
Фуран 433, 434, 443, 438-440
Фурфурол 436, 459
Халкон (бензальацетофенон), методика
получения 168
Хемопиррол 458
Хеуорса формула 476
Химотрипсин 522
Хинин 405 .з
Хиноны 185
Хистрионикотоксин 407
Хлораль, гидратация 128
Хлоральгидрат, получение 128
Хлорамин Т (натриевая соль N-хлор-
n-толуолсульфон амида) 343
Предметный указатель
581
Хлорангидрид монометилсукцината,
восстановление 233
Хлорангидрид п-толуиловой кислоты,
восстановление 234
Хлорангидрид циклопентанкарбоновой
кислоты 183
и-Хлоранилин 416
2-Хлорбензойная кислота 207
и-Хлорбензолдиазонийхлорид 419
n-Хлорбензолсульфоновая кислота 338
2-Хлор-1,4-бензохинон, получение 186
2-Хлорбутан, реакция с магнием 210
(25,3/?)-3-Хлорбутанол, циклизация 100
а-Хлормасляная кислота
- кислотность 213
- методика получения 291
Р-Хлормасляная кислота, кислотность 213
у-Хлормасляная кислота, кислотность 213
2-Хлор-2-метилбутан, получение 28
Хлорофилл 458
1-Хлорпентан, методика получения 33
З-Хлорпропановая кислота 290
Р-Хлорпропионовая кислота, получение
292
Хлоруксусная кислота, кислотность 213
и-Хлорфенилгидразин 419
2-Хлорфенол 57
З-Хлорфенол 61
4-Хлорфенол 61, 64
2-Хлорэтанол, кислотность 18
Холестерин 45, 464
Холинэстераза 360
Хромосома 533
а-Целлобиоза 493
Р-Целлобиоза 494
Целлюлоза 496
Цианидин 90
2-Цианонафталин, получение 339
Циклобутилбутановая кислота 206
2-Циклобутил-2-пропанол, реакция с НС1
29
1,4-Циклогександикарбоновая кислота 207
Циклогексанол 24, 35, 153, 181
Циклогексанон 117, 133, 192
- восстановительное аминирование 367
- восстановление 153
- кетализация 133
- кислотность 156
- окисление 150
- получение 118
- реакция
— с диазометаном 425
— с фосфоранами 142
Циклогексен 101, 118;методика получения
35
Циклогексеноксид 101
2-Циклогексенол 181
2-Циклогексенон 181, 280
Циклогексенхлоргидрин 101
Циклогексиламин, получение 367
Циклогексилацетат, получение 342
Циклогексил-и-толуолсульфонат,
получение 341
Циклогексилтрифенилфосфонийиодид 140
Циклогептанон, получение 425
Циклопентиламин 361
Циклопропанкарбоновая кислота 207
Цистеин 504, 516
Цистин 505
Цитозин 457, 534
Четвертичные аммониевые соли 371
Чичибабина реакция 454, 460
Шотте-Баумана метод 67, 238
Штреккера-Зелинского метод 506
Щавелевая кислота 266, 269, 270
Эванса реакция 468
Эвгенол 88
Эдмана метод 521
Электронодефицитный гетероцикл 450
Электроноизбыточные гетероциклы 439
син-Элиминирование 385
Энантиомерный избыток 466
Энантиоселективность 462
Энзимы см. Ферменты
Эпимеры 477
Эпоксидирование асимметрическое
аллиловых спиртов 469
О-Эритроза 490
Эритромицин 295
Эскулетин 89
Эскулин 89
Этаналь 117
1,2-Этандисульфоновая кислота, методика
получения 334
Этаннитрил 251
582
Предметный указатель
Этанол 18, 244
- кислотность 18
- наркотические свойства 54, 55
- получение 13, 44
- реакции 19, 20, 24, 33, 34
- физические свойства 15, 44
18О-Этанол 243
Этаноламин, получение 105
Этансульфоновая кислота 332
Этил-2-ацетил-5-оксогексаноат, методика
получения 312
Этил-З-ацетокси-2-бутеноат, получение 303
Этил-2-инданонкарбоксилат, получение
282
Этил-2-метил-4,5,6,7-тетрагидро-1Н-индол-
3-карбоксилат 437
Этил-2-метилпропаноат 260, 264
Этил-З-метокси-2-бутеноат, получение 310
Этил-6-оксогептаноат 301
Этил-З-хлор-2-бутеноат, получение 303
Этил-2-циклопентанонкарбоксилат,
получение 282
Этилакрилат, конденсация с
ацетоуксусным эфиром 311
Этиламин 361, 363, 381
N-Этиланилин 365
Этил ацетат 237
- гидролиз 242
- дейтерирование 259
- конденсация 262
- получение 20
Этилбензоат, восстановление 244, 264
Этилбензоилацетат, получение 264
Этилбромид 139
Этилен 100
Этиленгликоль, получение 41, 105, 274
Этилендиамин 398
Этиленоксид 94, 100, 102, 105;
строение 102
Этиленхлоргидрин 100
Этилкротоноат 287
Этилмалоновая кислота 266
Этиловый эфир о-формилбензойной
кислоты, гидролиз 258
Этиловый эфир и-формилбензойной
кислоты, гидролиз 258
Этил ортоформиат 132
Этилпропаноат 151,260
18О-Этилпропаноат, гидролиз 243
Этилпропиловый эфир, получение 19
Этилтрифенилфосфонийбромид 139, 140
Этилформиат, конденсация 264
Этилформилацетат, получение 264
Этилциннамат 237
1-Этинилциклогексанол, методика
получения 139
Этоксициклогексан 91
Юглон 205
Юрьева реакция 436, 460
Яблочная кислота 288, 290
Янтарная кислота 266, 267, 269, 270, 309
Янтарный ангидрид 273
Учебное издание
Травень Валерий Федорович
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
(в 2-х томах)
Том 2
Зав. редакцией М.Р. Погосбекова
Редактор М.Л. Франк
Художник А. С. Скороход
Дизайнер обложки С.В. Машин
Дизайнеры О.Н. Белянина, М.В. Седенкова
Компьютерный дизайн и верстка О.Д. Эшлиман
Компьютерный набор Н.Е. Кизилова
ИД № 04284 от 15.03.2001
Подписано в печать 05.01.2004. Формат 70х100‘/16. Гарнитура Times.
Печать офсетная. Печ. л. 35,5. Тираж 5000 экз. (1-ый завод — 3000 экз.).
Тип. зак. 1926.
Международная академическая
издательская компания «Наука/Интерпериодика»
Издательско-книготорговый центр «Академкнига»
117997, Москва, Профсоюзная ул., 90
По вопросам поставок обращаться
в отдел реализации ИКЦ «Академкнига»
Тел./факс: (095) 334-73-18
e-mail: bookreal@maik.ru, web-site: http://www.maik.ru
Отпечатано с готовых диапозитивов в
ОАО «Ивановская областная типография»
153008, г. Иваново, ул. Типографская, 6.
E-mail: 091018@adminet.ivanovo.ru