Органическая химия Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович профессор кафедры химии Белавин Иван Юрьевич профессор кафедры химии Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, г. Москва 1 Лекция 10 Соединения с гидроксильной группой и их производные. Спирты, фенолы, простые эфиры Исходный уровень к лекции 10 – Спирты, фенолы, простые эфиры (школьный курс) Исходный уровень к лекции 11 – Амины (школьный курс) 2 Соединения с группой ОН и их производные. Спирты, фенолы, простые эфиры ● Спирты ○ Основы реакционной способности спиртов ○ Кислотно-основные свойства o Реакции с участием нуклеофильного центра o Реакции с участием электрофильного центра o Реакции элиминирования • Фенолы ○ Примеры реакций нуклеофильного замещения ○ Механизмы реакций нуклеофильного замещения • Простые эфиры ● Приложение: справочный и дополнительный материал к лекции 10 3 Соединения с гидроксильной группой и их производные R O H спирты Ar O H фенолы R O R' простые эфиры Спирты Спирты – производные алифатических углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены гидроксильной группой ОН. Спиртовая группа ─ одна из наиболее распространенных функциональных групп. Функциональная группа – атом или группа атомов, определяющая принадлежность органического соединения к определенному классу и одновременно его химические свойства. 4 Классификация спиртов по числу гидроксильных групп − одноатомные и многоатомные Одноатомные спирты C 2H 5 OH CH2 CH CH 2 OH Многоатомные спирты (C 6H 5)3C OH CH 2 CH2 CH2 CH CH2 OH OH OH OH OH этанол в зависимости от строения радикала − первичные, вторичные, третичные Первичный спирт CH3 CH3CHCH2OH Вторичный спирт Третичный спирт OH CH3CH2CHCH3 (CH3)3COH 5 Физические свойства • За счет межмолекулярных водородных связей спирты ассоциированы и гидратированы в водных растворах; низшие спирты (метанол, этанол, пропанолы) хорошо растворимы в воде. R O H … H R R O H … O H H R O H … O H … O H • Т. кип. этанола C2H5OH (78,3°С) значительно выше, чем у имеющего одинаковую с ним молекулярную массу диметилового эфира CH3OCH3 (–24°C), не ассоциированного за счет водородных связей. Основные способы получения – гидратация алкенов в присутствии кислотных катализаторов (лекция 06); – присоединение к алкенам H2SO4 с последующим гидролизом (лекция 06); – гидролиз галогенопроизводных углеводородов (лекция 09). 6 Основы реакционной способности спиртов 1 3 4 H β δδ+ δ+ C 5 1. 2. 3. 4. 5. 6. α δ+ C H 6 Hδ+ О 2 Основные свойства (протонирование). Кислотные свойства. Субстраты в SN реакциях (нуклеофильное замещение). Реагенты в SN реакциях (спирты как нуклеофилы). Реакции элиминирования (Е) (дегидратация). Атом Н, удаляемый при окислении. 7 Кислотно-основные свойства спиртов * Спирты как слабые ОН-кислоты • Нейтральность одноатомных спиртов. • Электроноакцепторные заместители в органическом радикале увеличивают кислотность, электронодонорные − уменьшают. (CH3)3COH CH3CH2OH 18.0 16.0 pKa CH3OH 15.5 (CF3)3COH 12 6.5 CH3COOH 4.76 R—ONa + H2O R—OH + NaOH спирт CCl3CH2OH алкоголят (алкоксид) натрия 2 C2H5OH + 2 Na 2 C2H5ONa + H2 этоксид натрия C2H5OH pKa 16.0 HOCH2CH2OH 14.8 HOCH2CH(OH)CH2OH 13.5 * О более высокой кислотности многоатомных спиртов и хелатообразовании с их участием см. Приложение 8 Cпирты как n-основания − при действии сильных минеральных кислот H+ R R OH при взаимодействии с кислотами Льюиса R R O H ион алкилоксония спирт − H OH OH + + BF3 ZnCl2 R O BF3 H R O ZnCl2 H Таким образом спирты, проявляя слабые кислотные и слабые основные свойства, являются амфотерными соединениями. 9 Реакции с участием нуклеофильного центра Спирты как реагенты–нуклеофилы в реакциях нуклеофильного замещения О-Алкилирование − синтез симметричных и несимметричных простых эфиров CH3OH + (CH 3)3C Br (CH 3)3C OCH3 + HBr метанол Спирты как нуклеофилы легко реагируют с наиболее активными третичными галогенопроизводными; в случае менее активных первичных алкилгалогенидов нужно использовать более сильные нуклеофилы – анионы спиртов (алкоксиды). 10 • Спирты как нуклеофилы в виде алкоксидов; алкилирующие средства − галогенопроизводные RHal, диалкилсульфаты (RO)2SO2, алкилсульфонаты ROSO2R’. RONa + алкоксид натрия CH3CH2O Na CH 3CH2ONa R'Hal алкилгалогенид R O R' простой эфир CH3CH2OCH2CH3 + NaBr + CH3CH2 Br + CH 3CH2CH 2CH 2Br бутилбромид этоксид натрия CH3CH2OH; 75 oC CH3CH2OCH2(CH 2)2CH3 NaBr бутилэтиловый эфир, 80% • Осложнение − образование продуктов элиминирования (т.е. алкенов) в случае вторичных и третичных алкилгалогенидов. CH3 CH3CH2CHONa втор-бутоксид натрия CH3 + CH3CH2CH2Br пропилбромид CH 3CH2CH(OH)CH3; t oC NaBr CH3CH2CHOCH2CH2CH3 втор-бутилпропиловый эфир 11 − использование диалкилсульфатов и алкилсульфонатов O O CH3 OH + HO S OH H 2O O O 2 CH3O S OH CH3(CH2)2CH2ONa бутоксид натрия CH3O H2SO4 + CH3O S изобутоксид натрия OH O метилгидросульфат SO3 OCH3 O диметилсульфат CH3 O CH3 диметиловый эфир SO2 CH3O диметилсульфат O (CH3) 2CHCH2ONa + CH3 S O t O метилгидросульфат CH3O S O O C2H5 t CH3C6H4SO2ONa 12 О-Ацилирование Реакции с карбоновыми кислотами и их производными (галогенангидридами и ангидридами). CH3OH + H C6H5COOH бензойная кислота CH3 CHOH CH3 изопропанол + CH3 O + OCH3 метилбензоат C6H5C H2O O CHC CH3 Cl изобутирилхлорид Реакции с неорганическими кислотами. * CH3CH2OH + H2SO4 0 oC * О реакциях многоатомных спиртов с минеральными кислотми см. Приложение 13 Реакции с галогенангидридами и ангидридами неорганических кислот (реагируют более активно, чем кислоты). O 2 CH3CH2OH + SO2Cl 2 CH 3OH 2 HCl C2H5O S + R R' R" + 2 CH3CH2OH O диэтилсульфат (C2H5O)3P P(O)Cl3 3 HCl OH OC2H5 + ClSO2OH 3 CH3CH2OH C SO3 SOCl2 бензол O триэтилфосфат R C Cl + R' R" 14 Реакции с участием электрофильного центра (реакции нуклеофильного замещения) • Связь С─О в спиртах полярна и способна к гетеролитическому разрыву. R─OH спирт δ+ C δ– X + R─Hal алкилгалогенид C Y Y + X • Типичный пример SN-реакции ─ синтез спиртов из алкилгалогенидов. R R─Hal R─OH алкилгалогенид спирт Cl + NaOH H2O R OH спирты + NaCl Как осуществить обратный процесс? 15 Синтез алкилгалогенидов из спиртов − взаимодействие спиртов с галогеноводородами или их концентрированными водными растворами R OH + HCl H+ R H+ R Cl + OH + H2O Cl H R O H H R O R Cl + H2O H НО− ─ ─ Н2 О ─ ─ плохая уходящая группа; сопряженная ей кислота Н2О слабая; хорошая уходящая группа; сопряженная ей кислота Н3О+ сильная. 16 Схемы механизма реакций спиртов с HHal (SN1 и SN2) при любом механизме первая стадия ─ протонирование спирта Бимолекулярное нуклеофильное замещение SN2 CH 3OH + HBr δ+ H3C OH H Br– + H δ+ C H H O H Br– H+ H+ быстро CH 3Br + H2O H δ+ H3C O H (1) H H H C O H Br CH3 + H2O H (2) переходное состояние Обращение конфигурации в случае оптически активных спиртов. 17 Примеры SN2 реакций спиртов CH3CH2CH2OH + пропанол-1 HBr (конц.) CH3(CH2)10CH2OH додециловый спирт CH3(CH2)10CH2OH H2SO4, кипячение H2O 1-бромопропан, 80% + HBr 100 oC (газ) CH3(CH2)10CH2Br + H2O додецилбромид, 99% ZnCl2 + HCl 160 додециловый спирт CH3CH2CH2Br + oC, 12 час CH3(CH2)10CH2Cl + H2O додецилхлорид, 80% 18 Мономолекулярное нуклеофильное замещение SN1 (CH 3)3COH + + (CH 3)3CBr HBr трет-бутиловый спирт трет-бутилбромид H+ H (CH3)3C OH быстро H (CH3) 3C O H2O (CH3) 3C O H (1) медленно H (CH3) 3C – H 2O Br– быстро (CH3)3C (2) (CH3)3C Br (3) карбокатион Рацемизация в случае оптически активных спиртов. 19 Примеры SN1 реакций спиртов CH2 CH + HCl CH2 OH H + (H 2SO 4) CH2 CH аллиловый спирт (CH3) 2CHOH CH2 Cl + H2O аллилхлорид + HBr кипячение (конц.) пропанол-2 (CH3) 2CHBr + H2O 2-бромопропан, 80% Перегрупировки карбокатионов CH3 CH3 C CH2 OH CH3 + HBr нагревание – H 2O неопентиловый спирт По механизму SN2 реагируют первичные спирты, третичные спирты, а также спирты аллильного и бензильного типов, − по механизму SN1, вторичные − по смешанному механизму. 20 Реакции с участием СН-кислотного центра (реакции элиминирования) Дегидратация спиртов * t°, H + H C C OH C C + H2O Реакции отщепления (элиминирования) могут протекать как по мономолекулярному E1, так и по бимолекулярному E2 механизму. − особенно легко по E1 По механизму Е1 протекает отщепление воды от третичных спиртов в сильнокислой среде (например в присутствии H2SO4 или H3PO4). * Особенности дегидратации многоатомных спиртов см. Приложение 21 Мономолекулярное элиминирование E1 H+ (CH3) 3COH трет-бутиловый спирт CH3 CH2 C CH3 2-метилпропен (изобутилен) + H2O схема механизма (три стадии) (CH3)3C OH H H+ быстро (CH3)3C O H CH3 медленно – H2O CH3 H CH2C CH3 быстро – H+ H CH2C CH3 CH3 CH2 C CH3 22 Бимолекулярное элиминирование E2 (идет в более жестких условиях) CH 3CH2OH H2SO4 (конц.), 175 оС CH 2 CH2 + H2O побочные продукты − простые и сложные эфиры Соблюдение правила Зайцева В реакциях отщепления воды от спирта наблюдается преимущественное отщепление водорода от атома углерода, содержащего минимальное число атомов Н, т. е. от «наименее гидрогенизированного» атома углерода. H OH 50% H 2SO4, 100 oC CH3CH2CH CHCH3 пентанол-2 CH3CH2CH CHCH3 + H2O пентен-2, 80% 23 Окисление спиртов Более мягкие условия окисления по сравнению с углеводородами (для первичных и вторичных спиртов). CH3CH2OH H2Cr2O7 этиловый спирт O CH3 H 2Cr2O 7 C H уксусный альдегид CH3COOH уксусная кислота При окислении первичных спиртов нужно быстро выделять альдегид для предотвращения его окисления в карбоновую кислоту. Дегидрирование − особый случай окисления; субстрат теряет два атома водорода. O катализатор R R CH2OH H альдегид первичный спирт R CH OH R' вторичный спирт C катализатор + H2 R R' C O + H2 Катализаторы − металлическая медь или смесь оксидов меди и хрома (330–350 °С). кетон * Об окислении спиртов в организме см. Приложение 24 Фенолы и их производные Фенолы – производные ароматических углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены гидроксильной группой ОН. − одноатомные фенолы OH OH OH CH3 фенол (карболовая кислота) β-нафтол о-, м-, п-крезолы ("трикрезол") антисептики (бактерицидное действие) − многоатомные фенолы OH HO OH HO OH OH 25 Кислотные свойства фенолов Фенолы по сравнению со спиртами более сильные кислоты. OH NaHCO3 ONa NaOH – H2O фенолят (феноксид) натрия фенол Уменьшение кислотности OH pK a OH OH NO2 п-нитрофенол фенол CH3 п-крезол 7,1 10,0 10,2 В отличие от спиртов фенолы фактически не проявляют основных свойств. 26 H O 2 H C Сравнение реакционной способности ОН-группы в спиртах и фенолах HHHH OOOO aaaa NNNN аааа )))) a N O H O 2 H C a N O 2 H C H O aaaa NNNN бббб ---ииии сссс кккк оооо рррр дддд ииии ГГГГ ---- аааа тттт ееее мммм )))) a N O тттт рррр ииии пппп сссс йййй ыыыы вввв оооо лллл ииии зззз нннн ееее бббб Хемоселективность – предпочтительность протекания реакции по одной из родственных функциональных групп. • реакция а) — хемоселективна; • реакция б) — нехемоселективна. 27 Реакции с участием нуклеофильного центра Фенолы − слабые нуклеофилы; в качестве нуклеофилов они обычно используются в виде феноксид-ионов ArO− . О-Алкилирование C6H5OH + NaOH CH 3CH2Br фенол + NaBr фенилэтиловый эфир O C6H5OH + CH3 C6H5OC2H 5 S O C2H5 NaOH, 100 oC C6H5OC2H5 + O О-Ацилирование Осуществляется под действием активных ацилирующих агентов − хлорангидридов или ангидридов кислот. C6H5OH + (CH3CO)2O H 2SO 4, 90 oC фенол 28 Реакции электрофильного замещения Галогенирование Br OH + 3 Br2 фенол • OH H 2O 3 HBr Br2 Br HBr Br 2,4,6-трибромофенол, 100% (осадок белого цвета) 2,4,4,6-тетрабромоциклогексадиен-2,5-он ("тетрабромфенол") осадок белого цвета Обнаружение фенола OH OH OH Cl + + SO 2Cl 2 нафтол-1 сульфурилхлорид Cl 4-хлоронафтол-1 (основной продукт) 2-хлоронафтол-1 29 Сульфирование OH OH OH SO3H 20 oC более высокая + H2SO4 температура SO3H 4-гидроксибензолсульфоновая кислота 2-гидроксибензолсульфоновая кислота Нитрование • Осложняется склонностью фенолов к окислению HNO3. OH 20% HNO3 0 5 фенол oC OH OH + NO2 о-нитрофенол, 40% O 2N п-нитрофенол, 12% 30 С-Алкилирование − спиртами и алкенами в присутствии H2SO4 или H3PO4 OH + (CH3) 2CHOH H 2SO4 CH3 SO3H Промежуточная стадия в синтезе антисептика тимола из м-крезола. С-Ацилирование Осложняется образованием нерастворимых фенолятов алюминия Обходной путь − перегруппировка Фриса (1908). OC(O)CH 3 AlCl 3 (1:1), 20 oC CH 3 м-толилацетат 4'-гидрокси-2'-метилацетофенон, 80% 31 Карбоксилирование реакция Кольбе (1860) ONa + CO 2 H2O, H+ 125 oC, 5 атм феноксид натрия салицилат натрия салициловая кислота Основной способ получения салициловой кислоты. Формилирование реакция Раймера− − Тимана (1876) OH + CHCl 3 NaOH, 70 oC OH CH фенол O салициловый альдегид, 30% Региоселективная реакция, приводящая к орто-изомерам. 32 Окисление фенолов OH O + K 2Cr 2O7, H H O п-бензохинон фенол (наряду с другими продуктами) Нафтолы окисляются легче фенолов. O OH CrO3 O Еще легче окисляются двухатомные фенолы − пирокатехин и гидрохинон. OH OH Ag2O O O 33 Восстановление фенолов OH + 3 H2 Ni, 130 150 oC, 5 OH 20 атм циклогексанол фенол OH + OH 3 H2 Ni, 120 150 oC OH OH пирокатехин 34 Простые эфиры − производные спиртов и фенолов Простые эфиры – соединения, в которых атом кислорода связан с двумя углеродными радикалами. – их можно рассматривать также как производные спиртов или фенолов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещен алкильным или арильным радикалом. RRRR OOOO OOOO O RRRR Ar HHHH R' OOOO O OOOO RRRR R R CCCC CCCC HHHH CCCC OOOO 2222 2222 HHHH CCCC HHHH OOOO RRRR OOOO HHHH CCCC 2222 HHHH CCCC OOOO CCCC 2222 HHHH HHHH CCCC гидропероксиды пероксиды (рассмотрены в лекции 03) Простые эфиры практически не смешиваются с водой. 35 Основы реакционной способности простых эфиров Простые эфиры – малореакционноспособные соединения, инертные к щелочам, большинству кислот и другим реагентам. Основные свойства простых эфиров Простые эфиры подобно спиртам – слабые n-основания. CH3 CH2 Образование оксониевых солей CH3 CH2 O CH2 CH3 + H2SO4 O H HSO4 CH3 CH2 диэтиловый эфир диэтилоксонийгидросульфат Образующиеся нестойкие оксониевые соли легко гидролизуются избытком воды. CH3CH2 CH3CH2 O H HSO4 + H2O H3O+ + HSO4 + CH3 CH2 O CH2CH3 Образование эфиратов с кислотами Льюиса (C 2H5)2O + BF3 (C2H 5)2O BF3 эфират трифторида бора 36 Расщепление эфирной связи по реакции нуклеофильного замещения * − жесткие условия (HBr, HI при кипячении) CH3 + OC 6H 5 H+ HBr метилфениловый эфир CH3 + Br метилбромид C 6H5OH фенол реакция SN2 типа H+ CH3 H O C6H5 CH3 O CH3 O C6H5 промежуточный ион метилфенилоксония плохая уходящая группа (CH3)C Br– CH 3 + трет-бутилметиловый эфир HBr CH3COOH, 20 oC Br + C6H5OH хорошая уходящая группа (CH3) 3CBr + CH 3OH трет-бутилбромид, 100% * Особенности нуклеофильных реакций 1,2-эпоксидов см. Приложение 37 Приложение (справочный и дополнительный материал) Особенности нуклеофильных реакций 1,2-эпоксидов RCH2CH2OH первичный спирт H2O, H+ 1) RMgX 2) H2O этиленгликоль ROH, H+ HOCH2CH2OH HOCH2CH2 O NaOH NH3 (1:1) NH3 (1:3) триэтаноламин эфиры этиленгликоля (целлозольвы) H C O этиленоксид H HCN H2O 2-аминоэтанол N(CH2CH2OH)3 H H диэтиленгликоль H2NCH2CH2OH ROCH2CH2OH C HOCH2CH2 HOCH2CH2OH HCl CH2 CHCN акрилонитрил ClCH2CH2OH 2-хлороэтанол 38 • Несколько более высокая кислотность полиолов по сравнению с одноатомными спиртами. HOCH2CH 2OH + Na H2 этиленгликоль HOCH 2CH 2ONa мононатрий-гликолят Образование внутрикомплексных (хелатных) соединений 2– 2 CH2 OH CH2 OH + Cu(OH)2 2 NaOH – 4 H2O 2 Na + 2 CH CH 2 OH OH OH глицерин O CH2 O CH2 O CH2 Cu CH2 O + O гликолят меди(II) (синее окрашивание) этиленгликоль CH 2 CH2 Cu(OH)2 2 NaOH – 4 H 2O 2 Na + CH O CH2 OH O CH 2 O CH Cu 2– HO CH 2 глицерат меди(II) (синее окрашивание) Качественные реакции на полиолы, содержащие виц-диольный фрагмент. 39 Реакции многоатомных спиртов с минеральными кислотами CH2 CH OH OH CH CH2 C OH OH OH OH OH цис-1,2-диол • • HO + B HO O O NO2 сосудорасширяющее средство; динамит − А. Нобель, 1861 NO2 CH2 O NO2 тринитрат глицерина (нитроглицерин) O CH2 O P OH CH2 OH O H 3PO4 OH CH OH + CH O P OH – H 2O OH CH2 OH CH2 OH α-глицерофосфат β-глицерофосфат глицерин C CH – 3 H 2O CH2 OH глицерин CH2 CH2 3 HNO 3 (H2SO4) OH + HO HO C C H 3 H2O C O C O + O C O C B боратный комплекс транс-Диолы подобных комплексов не образуют. Комплексы используются при хроматографировании и при электрофорезе полиолов. 40 Особенности дегидратации многоатомных спиртов Этиленгликоль CH2 OH CH2 OH O + HO CH2 H2SO4 HO CH2 – 2 H2O этиленгликоль этиленгликоль 6 OH CH2 OH O – 6 H2O этиленгликоль Cl 2 8 7 3 O 1,4-диоксан (диоксан) Cl Cl O 4 6 5 диоксин O O O 9 O Cl O CH2 10 1 O K+ O K+ O O O O O полиэфир 18-краун-6 комплекс полиэфира 18-краун-6 с ионом калия Глицерин CH2 CH OH OH t° – 2 H2O CH2 OH глицерин CH2 O C CH H CH2 CH C H O акролеин 41 Медико-биологическое значение спиртов, фенолов, простых эфиров Введение ОН-группы повышает растворимость вещества в воде и увеличивает его физиологическую активность. o Метанол CH3OH – сильный яд. o Этанол CH3CH2OH – антисептическое средство, используется в качестве обеззараживающего средства и для приготовления настоек. o Бутиловые и амиловые спирты – основные компоненты сивушных масел. Введение ОН-группы в ароматическое ядро приводит к появлению антисептических свойств. o Фенол (карболовая кислота) – применяется как дезинфицирующее средство (первый антисептик, введенный в хирургию) . o Крезолы (смесь 2-, 3- и 4-метилфенолов) – применяются как дезинфицирующие средства. 42 o Диэтиловый эфир (C2H5)2O – средство для ингаляционного наркоза, используется для приготовления настоек и экстрактов; при хранении на воздухе образует взрывчатый гидропероксид (см. лекцию 03). o Эпоксиды предполагаются в качестве промежуточных продуктов при ферментативном окислении кислородом связей С=С. o Бутилвиниловый эфир СН2=СН–О–С4Н9 используется для получения полимера, применяемого как ранозаживляющее средство (винилин, «бальзам Шостаковского»). CH2 CH n OC4H9 43 Окисление спиртов в организме Субстрат теряет два атома водорода, что эквивалентно потере двух протонов и двух электронов (2Н+ и 2е –) или протона и гидрид-иона (Н+ и Н–). НАД + + Н субстрат Н НАДН + восстановленная форма атом водорода, переносимый в виде гидрид-иона НАД+ + Н C субстрат + Н+ окисленная форма атом водорода, отщепляющийся в виде протона OH НАДН + C O + H+ 44