А. Е. Щеголев ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ А.Е. Щеголев ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Рекомендуется (2008 г.) Учебно-методическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям: 060108 (040500) – Фармация, 060112 (040800) – Медицинская биохимия Издание переработанное 2016 2 УДК 547 (075.8) ББК 24.2я73 Щ 341 Рецензенты: д-р хим. наук, профессор М.С. Юсубов (Сибирский государственный медицинский университет); д-р хим. наук, профессор Б.А. Ивин (Санкт-Петербургская государственная химикофармацевтическая академия) Щеголев А.Е. Щ 341 Органическая химия: Учеб. пос.– СПб.: , 2016. – 679 с.: ил. ISBN 978-5-86279-169-3 В пособии систематически описаны органические соединения по классам. Дано представление об их строении и реакционной способности. Отражено современное состояние представлений об основных типах механизмов химических реакций в органической химии. Данное издание призвано ознакомить читателей с основными законами органической химии, дать представление о принципах построения многих природных соединений. В книге даются методические предпосылки для самостоятельной работы, для чего учебный материал изложен в виде логически обоснованных схем. Поэтому в отличие от большинства аналогичных изданий химические свойства веществ того или иного класса рассматриваются в непосредственной связи с электронным и пространственным строением. Особое построение курса способствует не столько запоминанию, сколько пониманию сущности процессов и позволяет применять имеющиеся уже знания при изучении нового материала. Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Фармация» «Химическая технология» и «Биотехнология». Может быть использовано студентами, обучающимися по специальностям химического и биологического профиля. УДК 547 (075.8) ББК 24.2я73 ISBN 978-5-86279-169-3 3 Щеголев А.Е., 2016 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ 18 ВВЕДЕНИЕ. Органическая химия как естественно-научная дисципли- 20 на 22 Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ 1.1. УЧЕНИЕ А.М. БУТЛЕРОВА 1.2. ТЕОРИЯ ГИБРИДИЗАЦИИ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ 1.3. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ 1.3.1. Образование ковалентных связей атомами углерода 1.3.2. Свойства ковалентной связи 1.3.3. Водородные связи 1.4. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СМЕЩЕНИЙ 1.5. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 1.5.1. Заместительная (систематическая) номенклатура 1.5.2. Радикало-функциональная номенклатура 1.5.3. «а»-Номенклатура (заменительная номенклатура) 1.5.4. Рациональная номенклатура 1.6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О КИСЛОТНО-ОСНÓВНЫХ СВОЙСТВАХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 1.7. ОСНОВЫ СТЕРЕОХИМИИ 1.7.1. Оптическая изомерия 1.7.2. Геометрическая изомерия 1.7.3. Конформационная изомерия 1.8. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ПОНЯТИЕ О МЕХАНИЗМЕ РЕАКЦИЙ. РАСТВОРИТЕЛИ И КАТАЛИЗАТОРЫ 1.9. МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ 1.10 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ДЕЙСТВИИ И МЕТАБОЛИЗМЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Вопросы и упражнения 22 23 27 27 29 31 33 Глава 2. АЛКАНЫ 83 2.1. НОМЕНКЛАТУРА. ИЗОМЕРИЯ 2.2. СТРОЕНИЕ 2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 83 86 87 4 38 40 48 49 51 54 60 60 67 68 71 76 79 81 2.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 2.4.1. Реакции радикального замещения 2.4.2. Реакции дегидрирования и разложения 2.4.3. Реакции изомеризации 2.5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ 2.6. ПРИМЕНЕНИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ Вопросы и упражнения 89 89 95 96 97 100 101 Глава 3. ПРОИЗВОДНЫЕ АЛКАНОВ 103 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. ОБЩНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 3.1.1. Реакции нуклеофильного замещения 3.1.2. Реакции отщепления (элиминирования) ГАЛОГЕНАЛКАНЫ 3.2.1. Классификация, номенклатура, изомерия 3.2.2. Строение и свойства 3.2.2.1. Примеры реакций нуклеофильного замещения 3.2.2.2. Пример реакции отщепления 3.2.2.3. Радикальные реакции 3.2.3. Способы получения 3.2.4. Полигалогеналканы 3.2.5. Физиологическая роль и важнейшие представители НАСЫЩЕННЫЕ СПИРТЫ 3.3.1. Классификация, номенклатура, изомерия 3.3.2. Строение и физические свойства 3.3.3. Химические свойства 3.3.3.1. Примеры реакций нуклеофильного замещения. 3.3.3.2. Пример реакции отщепления 3.3.3.3. Кислотно-оснόвные свойства 3.3.3.4. Нуклеофильность 3.3.3.5. Реакции окисления и восстановления 3.3.4. Способы получения 3.3.5. Многоатомные спирты 3.3.6. Физиологическое действие 3.3.7. Важнейшие представители ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ 3.4.1. Номенклатура и изомерия 3.4.2. Физические и химические свойства 3.4.3. Способы получения 3.4.4. Циклические простые эфиры 3.4.4.1. Особенности строения и свойств 1,2эпоксисоединений (оксиранов) 5 103 104 111 117 117 118 119 122 123 125 125 127 129 129 131 131 132 133 134 135 136 137 138 141 142 143 143 144 147 147 148 3.4.4.2. Способы получения 1,2-эпоксисоединений 3.4.4.3. Краун-эфиры 3.4.5. Физиологическая роль и важнейшие представители 3.5. ЭФИРЫ МИНЕРАЛЬНЫХ КИСЛОТ 3.5.1. Эфиры серной кислоты 3.5.2. Эфиры фосфорной кислоты 3.6. ТИОСПИРТЫ И ТИОЭФИРЫ 3.7. НАСЫЩЕННЫЕ АМИНЫ 3.7.1. Классификация, номенклатура, изомерия 3.7.2. Физические свойства 3.7.3. Строение и химические свойства 3.7.3.1. Кислотность 3.7.3.2. Основность 3.7.3.3. Нуклеофильность 3.7.3.4. Расщепление солей аммония 3.7.3.5. Взаимодействие с азотистой кислотой 3.7.3.6. Изонитрильная реакция 3.7.3.7. Окисление 3.7.4. Способы получения 3.7.5. Физиологическая роль и важнейшие представители 3.8. НИТРОАЛКАНЫ 3.8.1. Строение 3.8.2. Свойства 3.8.2.1. Кислотность 3.8.2.2. Нуклеофильные свойства 3.8.2.3. Реакции восстановления 3.8.2.4. Реакции гидролиза 3.8.3. Способы получения 3.8.4. Физиологическое действие и важнейшие представители 3.9. КРЕМНИЙ-, ФОСФОР- И МЫШЬЯКОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ 3.9.1. Кремнийорганические соединения 3.9.2. Фосфорорганические соединения 3.9.3. Мышьякорганические соединения Вопросы и упражнения Глава 4. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ 4.1. ОБЩНОСТЬ СТРОЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 4.1.1. Реакции электрофильного присоединения 4.1.2. Реакции радикального присоединения 4.1.3. Реакции радикального замещения 6 150 151 153 154 154 156 157 159 160 161 162 162 163 163 164 165 166 167 167 169 171 171 172 172 173 174 175 176 176 176 177 180 184 185 188 . 188 189 192 193 4.1.4. Другие реакции 4.1.4.1. Изомеризация 4.1.4.2. Полимеризация 4.1.4.3. Окисление 4.1.4.4. Комплексообразование и гидрирование 4.1.4.5. Гидроформилирование 4.2. ЭТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ 4.2.1. Номенклатура, изомерия 4.2.2. Физические свойства 4.2.3. Химические свойства 4.2.3.1. Реакции электрофильного присоединения 4.2.3.2. Реакции радикального присоединения 4.2.3.3. Реакции радикального замещения 4.2.3.4. Изомеризация 4.2.3.5. Реакции нуклеофильного присоединения 4.2.3.6. Теломеризация 4.2.3.7. Взаимодействие с солями платины 4.2.4. Способы получения 4.2.5. Физиологическое действие и важнейшие представители 4.3. ДИЕНОВЫЕ (И ПОЛИЕНОВЫЕ) УГЛЕВОДОРОДЫ 4.3.1. Классификация, номенклатура 4.3.2. Особенности строения и свойств алленов 4.3.3. Строение и свойства сопряжѐнных диенов 4.3.4. Особенности химического поведения диенов с изолированными двойными связями 4.3.5. Способы получения 4.3.6. Важнейшие представители 4.4. АЦЕТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ 4.4.1. Номенклатура, изомерия 4.4.2. Особенности строения и свойств 4.4.3. Способы получения 4.4.4. Физиологическое действие и важнейшие представители Вопросы и упражнения 194 194 195 195 199 200 201 201 203 203 203 207 208 208 208 209 209 210 210 211 212 213 214 219 220 220 221 221 222 226 227 228 Глава 5. ПРОИЗВОДНЫЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ 230 5.1. ОБЩНОСТЬ СТРОЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 5.1.1. Классификация 5.1.2. Субстраты винильного типа 5.1.3. Субстраты аллильного типа 5.2. ГАЛОГЕНАЛКЕНЫ 230 230 231 232 234 7 5.2.1. Винилгалогениды 5.2.2. Аллилгалогениды 5.2.3. Способы получения 5.2.4. Важнейшие представители 5.3. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ СПИРТЫ И ЭФИРЫ 5.3.1. Виниловый спирт и его эфиры 5.3.2. Аллиловый и пропаргиловый спирты 5.3.3. Способы получения 5.3.4. Важнейшие представители Вопросы и упражнения 234 234 235 235 236 236 238 239 239 239 Глава 6. АЛИФАТИЧЕСКИЕ АЛЬДЕГИДЫ, КЕТОНЫ И КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ 241 6.1. НАСЫЩЕННЫЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ 6.1.1. Изомерия, номенклатура 6.1.1.1. Номенклатура альдегидов 6.1.1.2. Номенклатура кетонов 6.1.2. Строение карбонильной группы 6.1.3. Физические свойства 6.1.4. Химические свойства. 6.1.4.1. Реакции нуклеофильного присоединения 6.1.4.2. Реакции замещения в радикале 6.1.4.3. Реакции окисления–восстановления 6.1.5. Способы получения 6.1.6. Физиологическая роль 6.1.7. Важнейшие представители 6.2. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ 6.2.1. Кетен 6.2.2. Непредельные карбонильные соединения с сопряжѐнными -связями 6.2.3. Важнейшие представители 6.3. ДИКАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 6.3.1. -Дикарбонильные соединения 6.3.2. -Дикарбонильные соединения 6.3.3. Важнейшие представители. 6.4. НАСЫЩЕННЫЕ МОНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 6.4.1. Номенклатура 6.4.2. Строение функциональной группы 6.4.3. Физические свойства 6.4.4. Химические свойства 6.4.4.1. Кислотно-оснόвные свойства 8 241 242 242 242 243 244 244 245 257 258 262 263 263 264 265 266 268 269 269 270 272 273 274 276 278 278 279 6.5. 6.6. 6.7. 6.8. 6.4.4.2. Реакции нуклеофильного замещения 6.4.4.3. Реакции с участием -водородных атомов 6.4.4.4. Декарбоксилирование кислот и их солей 6.4.4.5. Перегруппировка амидов по Гофману 6.4.4.6. Дегидратация амидов 6.4.4.7. Нуклеофильное присоединение к нитрилам 6.4.4.8. Восстановление сложных эфиров по БувоБлану 6.4.5. Способы получения 6.4.6. Пероксикарбоновые кислоты и ацилпероксиды 6.4.7. Физиологическая роль и важнейшие представители НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ МОНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ 6.5.1. Номенклатура, изомерия 6.5.2. Строение 6.5.3. Химические свойства 6.5.3.1. Кислотность 6.5.3.2. Реакции присоединения 6.5.3.3. Реакции радикального замещения 6.5.4. Способы получения 6.5.5. Физиологическая роль и важнейшие представители 6.5.6. Омыляемые липиды ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 6.6.1. Особенности химического поведения 6.6.1.1. Кислотность 6.6.1.2. Отношение к нагреванию 6.6.1.3. Свойства циклических ангидридов и имидов 6.6.1.4. Конденсация малоновой кислоты с альдегидами 6.6.2. Малоновый эфир и синтезы на его основе 6.6.3. Способы получения 6.6.4. Важнейшие представители ГИДРОКСИКИСЛОТЫ 6.7.1. Классификация, номенклатура, изомерия 6.7.2. Химические свойства 6.7.2.1. Кислотность 6.7.2.2. Свойства карбоновых кислот и спиртов 6.7.2.3. Отношение к нагреванию 6.7.3. Способы получения 6.7.4. Физиологическая роль и важнейшие представители ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ 6.8.1. Особенности химического поведения 6.8.2. Ацетоуксусный эфир и синтезы на его основе 9 280 288 289 290 291 291 292 292 294 296 299 300 302 302 302 302 303 303 304 305 309 310 310 312 313 315 315 319 320 321 321 323 323 324 324 326 326 328 329 330 6.8.3. Способы получения 6.8.4. Важнейшие представители 6.9. АМИНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ 6.9.1. Классификация, номенклатура, изомерия аминокислот 6.9.2. Строение, физические и химические свойства 6.9.2.1. Кислотно-оснόвные свойства 6.9.2.2. Свойства карбоновых кислот и аминов 6.9.2.3. Реакции с одновременным участием карбоксильной и аминогрупп. 6.9.3. Способы получения аминокислот 6.9.4. Важнейшие представители аминокислот 6.9.5. Пептиды 6.9.5.1. Строение, номенклатура 6.9.5.2. Свойства, способы установления структуры 6.9.5.3. Химический синтез Вопросы и упражнения 335 335 336 336 339 339 341 Глава 7. УГЛЕВОДЫ 355 МОНОСАХАРИДЫ 7.1.1. Изомерия, номенклатура 7.1.2. Химические свойства 7.1.2.1. Реакции открыто-цепных форм 7.1.2.2. Реакции циклических форм 7.1.2.3. Реакции дегидратации 7.1.2.4. Реакции удлинения и укорочения углеродной цепи 7.1.3. Важнейшие представители моносахаридов и их производных 7.2. ОЛИГОСАХАРИДЫ 7.2.1. Классификация и номенклатура дисахаридов 7.2.2. Химические свойства дисахаридов 7.2.3. Важнейшие представители дисахаридов 7.3. ПОЛИСАХАРИДЫ 7.3.1. Целлюлоза 7.3.2. Амилоза и амилопектин 7.3.3. Гликоген 7.3.4. Декстраны 7.3.5. Хитин 7.3.6. Пектовая кислота 7.3.7. Гетерополисахариды Вопросы и упражнения 355 356 362 362 366 369 7.1. 10 342 345 347 347 348 349 350 352 369 371 375 376 378 380 381 382 384 385 386 386 387 388 390 Глава 8. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 8.1. НОМЕНКЛАТУРА МОНО- И БИЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 8.2. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ И ИЗОМЕРИЯ ЦИКЛОАЛКАНОВ 8.2.1. Циклопропан 8.2.2. Циклобутан 8.2.3. Циклопентан 8.2.4. Циклогексан 8.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 8.3.1. Реакции циклопропана, циклопропена и их производных 8.3.2. Реакции циклобутана и его производных 8.3.3. Реакции средних циклов 8.3.4. Реакции изомеризации цикла 8.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИКЛОАЛКАНОВ 8.5. ТЕРПЕНЫ И ТЕРПЕНОИДЫ. КАРОТИНОИДЫ 8.5.1. Ациклические терпены и терпеноиды. 8.5.2. Моноциклические терпены и терпеноиды 8.5.3. Бициклические терпены и терпеноиды 8.5.4. Каротиноиды 8.6. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ 8.7. СТЕРОИДЫ Вопросы и упражнения 391 392 393 394 395 396 396 398 398 400 401 402 403 406 407 409 412 415 417 421 426 Глава 9. БЕНЗОЛ. АРОМАТИЧНОСТЬ. УГЛЕВОДОРОДЫ РЯДА БЕНЗОЛА 428 9.1. СТРОЕНИЕ БЕНЗОЛА 9.2. НОМЕНКЛАТУРА И ИЗОМЕРИЯ АРЕНОВ 9.3. СТРОЕНИЕ АРЕНОВ 9.3.1. Строение толуола 9.3.2. Строение винилбензола 9.4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 9.5. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 9.5.1. Химические свойства бензола 9.5.1.1. Реакции электрофильного замещения 9.5.1.2. Реакции присоединения 9.5.1.3. Фотохимическая изомеризация 428 432 433 434 435 436 437 437 437 446 447 11 9.5.1.4. Реакции окисления 9.5.2. Химические свойства аренов 9.5.2.1. Реакции электрофильного замещения 9.5.2.2. Восстановление бензольного кольца по Бѐрчу 9.5.2.3. Реакции боковых цепей 9.6. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 9.7. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ АРЕНОВ 9.8 НЕБЕНЗОИДНЫЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Вопросы и упражнения 448 450 450 454 454 458 Глава 10. ПРОИЗВОДНЫЕ БЕНЗОЛА 467 10.1. ОБЩНОСТЬ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ МОНОЗАМЕЩЁННЫХ БЕНЗОЛОВ 10.1.1. Электронные эффекты заместителей 10.1.2. Реакции электрофильного замещения 10.1.3. Реакции нуклеофильного замещения 10.2. ГАЛОГЕНАРЕНЫ 10.2.1. Классификация, номенклатура 10.2.2. Строение арилгалогенидов 10.2.3. Физические свойства 10.2.4. Химические свойства 10.2.4.1. Электрофильное замещение в ароматическом кольце арилгалогенидов 10.2.4.2. Нуклеофильное замещение в ароматическом кольце арилгалогенидов 10.2.4.3. Взаимодействие с металлами 10.2.4.4. Реакции галогенаренов с атомом галогена в боковой цепи 10.2.5. Способы получения 10.2.6. Важнейшие представители 10.3. АРОМАТИЧЕСКИЕ СУЛЬФОКИСЛОТЫ 10.3.1. Номенклатура 10.3.2. Строение 10.3.3. Физические и химические свойства 10.3.3.1. Электрофильное замещение атома водорода в ароматическом кольце 10.3.3.2. Электрофильное замещение сульфогруппы 10.3.3.3. Нуклеофильное замещение сульфогруппы в ароматическом кольце 10.3.3.4. Кислотные свойства 12 461 463 465 467 467 470 475 478 478 480 481 482 482 483 487 488 489 490 491 491 492 493 493 494 495 496 10.3.3.5. Нуклеофильное замещение в сульфогруппе 10.3.3.6. Реакции восстановления 10.3.4. Способы получения 10.3.5. Производные сульфокислот 10.3.5.1. Аренсульфохлориды 10.3.5.2. Эфиры аренсульфокислот 10.3.5.3. Аренсульфамиды 10.3.6. Медико-биологическое значение и важнейшие представители 10.4. АРОМАТИЧЕСКИЕ НИТРОСОЕДИНЕНИЯ 10.4.1. Строение нитробензола 10.4.2. Физические свойства 10.4.3. Химические свойства 10.4.3.1. Электрофильное замещение 10.4.3.2. Нуклеофильное замещение 10.4.3.3. Восстановление 10.4.3.4. Комплексообразование 10.4.3.5. Особенности нитросоединений с нитрогруппой в боковой цепи 10.4.4. Способы получения 10.4.5. Физиологическое действие и важнейшие представители 10.5 ФЕНОЛЫ. АРОМАТИЧЕСКИЕ СПИРТЫ. ХИНОНЫ 10.5.1. Классификация, номенклатура, изомерия фенолов и ароматических спиртов 10.5.2. Строение фенола и бензилового спирта 10.5.3. Физические и химические свойства фенолов 10.5.3.1. Кислотно-оснόвные свойства 10.5.3.2. Нуклеофильные свойства 10.5.3.3. Электрофильное замещение 10.5.3.4. Нуклеофильное замещение гидроксогруппы 10.5.3.5. Окисление и восстановление 10.5.4. Особенности свойств двухатомных фенолов 10.5.5. Особенности свойств ароматических спиртов 10.5.6. Способы получения фенолов и ароматических спиртов 10.5.7. Хиноны 10.5.8. Физиологическое действие и важнейшие представители 10.6 АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНЫ И ПРОДУКТЫ НЕПОЛНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИТРОСОЕДИНЕНИЙ 10.6.1. Классификация, номенклатура, изомерия ароматических аминов 10.6.2. Строение анилина 10.6.3. Физические и химические свойства ароматических 13 497 498 498 499 499 500 502 504 506 506 507 508 508 509 511 512 512 513 514 515 516 518 519 519 521 522 532 532 534 535 536 538 542 544 544 545 аминов 10.6.3.1. Электрофильное замещение 10.6.3.2. Кислотно-оснόвные свойства 10.6.3.3. Нуклеофильные свойства 10.6.3.4. Окисление 10.6.4. Способы получения ароматических аминов 10.6.5. Важнейшие представители ароматических аминов 10.6.6. Продукты неполного восстановления нитросоединений 10.6.6.1. Нитрозобензол 10.6.6.2. Фенилгидроксиламин 10.6.6.3. Гидразобензол 10.6.6.4. Азобензол и азоксибензол 10.7 АРОМАТИЧЕСКИЕ ДИАЗОСОЕДИНЕНИЯ 10.7.1. Номенклатура диазосоединений 10.7.2. Механизм образования солей арендиазония и строение катиона бензолдиазония 10.7.3. Амфотерность диазосоединений 10.7.4. Реакции солей арендиазония 10.7.4.1. Реакции с выделением азота 10.7.4.2. Реакции восстановления без выделения азота 10.7.4.3. Реакции азосочетания 10.8 АРОМАТИЧЕСКИЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ 10.8.1. Изомерия, номенклатура 10.8.2. Строение бензальдегида 10.8.3. Физические и химические свойства 10.8.3.1. Нуклеофильное присоединение 10.8.3.2. Диспропорционирование 10.8.3.3. Электрофильное замещение 10.8.3.4. Специфические реакции 10.8.4. Способы получения 10.8.5. Важнейшие представители 10.9. АРОМАТИЧЕСКИЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 10.9.1. Классификация, номенклатура 10.9.2. Строение бензойной кислоты 10.9.3. Физические и химические свойства 10.9.3.1. Кислотные свойства 10.9.3.2. Реакции в ацильной группе 10.9.3.3. Электрофильное замещение 10.9.4. Способы получения 10.9.5. Важнейшие представители 10.10 ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ 14 546 546 551 552 556 556 557 557 558 559 559 560 561 562 563 564 565 565 567 567 570 570 572 573 573 575 575 576 578 579 580 580 581 581 582 584 584 585 586 ПРОИЗВОДНЫХ БЕНЗОЛА Вопросы и упражнения 587 589 Глава 11. ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 591 11.1. КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ ЦИКЛАМИ 11.2. НАФТАЛИН 11.2.1. Строение, изомерия, номенклатура 11.2.2. Свойства 11.2.2.1. Электрофильное замещение 11.2.2.2. Реакции присоединения 11.2.2.3. Окисление 11.2.3. Способы получения 11.2.4. Важнейшие представители 11.3. АНТРАЦЕН 11.3.1. Строение, изомерия, номенклатура 11.3.2. Свойства 11.3.3. Способы получения 11.3.4. Важнейшие представители 11.4. ФЕНАНТРЕН 11.4.1. Строение, изомерия, номенклатура 11.4.2. Свойства 11.4.3. Способы получения 11.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ Вопросы и упражнения 592 592 593 595 595 599 600 601 602 603 603 605 608 610 610 610 612 613 614 Глава 12. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ 617 12.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА 12.2. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ 12.2.1. Номенклатура пиррола, фурана и тиофена и их производных 12.2.2. Строение пиррола, фурана и тиофена 12.2.3. Физические и химические свойства пиррола, фурана и тиофена 12.2.3.1. Кислотно-оснόвные свойства 12.2.3.2. Реакции электрофильного замещения 12.2.3.2. Реакции присоединения 617 15 615 620 620 621 623 622 623 627 12.2.3.2. Реакции замены гетероатома 12.2.4. Особенности индола 12.2.4.1. Строение 12.2.4.2. Кислотно-оснόвные свойства 12.2.4.3. Реакции с электрофилами 12.2.4.4. Реакции окисления 12.2.5. Способы получения пиррола, фурана, тиофена, индола 12.2.6. Важнейшие представители и медико-биологическое значение 12.3. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ГЕТЕРОАТОМАМИ 12.3.1. Номенклатура имидазола и пиразола 12.3.2. Строение имидазола и пиразола 12.3.3. Физические и химические свойства имидазола и пиразола 12.3.3.1. Кислотно-оснόвные свойства 12.3.3.2. Реакции алкилирования и ацилирования по атому азота 12.3.3.3. Реакции электрофильного замещения 12.3.4. Способы получения 12.3.5. Важнейшие представители и медико-биологическое значение 12.4. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ 12.4.1. Номенклатура пиридина и его производных 12.4.2. Строение пиридина 12.4.3. Химические свойства пиридина 12.4.3.1. Основность 12.4.3.2. Реакции алкилирования по атому азота 12.4.3.3. Реакции электрофильного замещения 12.4.3.4. Реакции нуклеофильного замещения 12.4.3.5. Реакции окисления и восстановления 12.4.4. Особенности химического поведения пиколинов и функциональных производных пиридина 12.4.5. Хинолин и изохинолин 12.4.5.1. Строение 12.4.5.2. Химические свойства 12.4.6. -Пиран и -пиран и их производные 12.4.7. Способы получения 12.4.8. Важнейшие представители и медико-биологическое значение 12.5. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ 16 628 629 630 630 631 632 633 636 640 640 641 642 642 644 644 646 648 650 651 652 653 653 653 654 656 658 658 662 662 663 665 667 670 СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ГЕТЕРОАТОМАМИ 12.5.1. Строение и свойства диазинов 12.5.1.1. Основность 12.5.1.2. Реакции алкилирования по атому азота 12.5.1.3. Реакции электрофильного замещения 12.5.1.4. Реакции нуклеофильного замещения 12.5.1.5. Реакции окисления и восстановления 12.5.2. Пурин 12.5.3. Способы получения 12.5.4. Важнейшие представители и медико-биологическое значение 12.5.5. Нуклеозиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты 12.6. АЛКАЛОИДЫ Вопросы и упражнения ЗАКЛЮЧЕНИЕ КРАТКИЙ СЛОВАРЬ ПЕРСОНАЛИЙ 17 671 672 673 673 674 675 676 676 679 681 683 687 694 ПРЕДИСЛОВИЕ Преподавание органической химии в настоящее время становится всѐ более ответственной задачей. Органическая химия — одна из фундаментальных естественных наук, практические результаты которой проникли без исключения во все отрасли народного хозяйства. Диапазон областей применения и круг потребителей продукции органического синтеза невероятно широки и непрерывно растут, что безусловно делает напряжѐнным, но очень интересным и связанным с жизнью вузовский курс этой дисциплины. Одновременно повышается уровень познания закономерностей строения и превращений органических веществ, что требует введения в курс новых представлений и обобщений. В свою очередь органическая химия является прародительницей таких чрезвычайно важных современных научных дисциплин, как биоорганическая химия, фармацевтическая химия, молекулярная биология и биоинженерия. Эти новые области химических и биологических наук теперь развиваются совершенно самостоятельно, с успехом используя богатейший опыт органической химии и еѐ новейшие достижения в теоретической и практической областях. Именно методами, принятыми в органической химии, были установлены структуры многих сложных биологически активных веществ, включая важнейшие биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Данное учебное пособие призвано ознакомить студентов с основными законами органической химии, дать представление о принципах построения многих природных соединений. В книге даются методические предпосылки для самостоятельной работы, для чего учебный материал изложен в виде логически обоснованных схем. Поэтому в отличие от большинства аналогичных изданий химические свойства веществ того или иного класса рассматриваются в непосредственной связи с электронным и пространственным строением. К тому же предварительно на основе рассмотрения строения молекул анализируются возможные направления превращений и механизмы, по которым могут протекать эти реакции. И таким образом огромное множество химических превращений органических соединений сводится к небольшому числу их типов с одинаковыми или очень близкими механизмами, то есть основное внимание уделяется нахождению соответствия между структурой вещества и химическим содержанием его превращений. Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов фармацевтических и химико-технологических высших учебных заведений, в частности обучающихся по специальностям «фармация», «химическая технология» и «биотехнология». Оно соответствует Государственным общеобразовательным стандартам высшего профессионального образования и Пример18 ной программе по органической химии для этих специальностям. Книга может быть использована студентами других специальностей химического, биологического и медицинского профиля. В книге изложен учебный материал полного курса органической химии, приводятся объяснения закономерностей органических молекул, протекания химических реакций. Главное внимание уделено важнейшим классам органических соединений, основным типам реакций и их механизмам. Пособие может быть использовано для самостоятельного изучения студентами органической химии. Во введении даѐтся краткая характеристика органической химии, еѐ история, понятие предмета органической химии и определяется еѐ место среди других химических дисциплин. Первая глава посвящена основам теоретических представлений в органической химии. В ней излагаются важнейшие принципы и понятия, на которых базируется изучение всех остальных разделов курса. В последующих главах даѐтся характеристика органических веществ по их классам, причѐм выбрана наиболее удобная для восприятия система изложения материала. Так, сначала рассматриваются вещества, молекулы которых имеют только -связи. В последующих главах речь идѐт о соединениях с кратными связями и затем — об ароматических системах. В конце каждой главы предложены задания для самостоятельной работы. В оглавлении жирным шрифтом выделены названия классов органических соединений. В конце книги помещѐн краткий словарь персоналий, в котором даны некоторые сведения об упоминающихся химиках, в том числе и тех, по имени которых названы отдельные химические реакции. В тексте рядом с именем химика (при первоначальном упоминании) стоит знак «*». В основу данного издания положен курс лекций по органической химии, читавшийся автором в Поморском государственном университете имени М.В. Ломоносова (ныне Северный Арктический федеральный университет имени М.В. Ломоносова, г. Архангельск), Северном государственном медицинском университете (г. Архангельск) и ныне читаемый в СанктПетербургской химико-фармацевтической академии. Автор глубоко признателен рецензентам и коллегам за тщательный просмотр рукописи и ценные советы, немало способствовавшие улучшению книги. Все замечания и предложения по дальнейшему совершенствованию учебного пособия просьба присылать по адресу: [email protected]. 19 ВВЕДЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ КАК ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНАЯ ДИСЦИПЛИНА Органическая химия относится к наукам с хорошо развитым теоретическим фундаментом, включающим строгие представления об электронном строении веществ и принципах их взаимодействия. Как самостоятельная химическая дисциплина она оформилась в начале XIX века. Это, прежде всего, связано с деятельностью знаменитого шведского химика Йенса Берцелиуса*. Он впервые в 1808 году ввѐл понятие «органическое вещество» и разделил ранее единую область химических знаний на две самостоятельные науки: химию органическую и неорганическую. В 1824 году ученик Берцелиуса, Фридрих Вѐлер*, получил известное органическое соединение, щавелевую кислоту, из неорганических веществ, а затем и мочевину получил из цианата аммония — вещества неорганического. Вскоре в обычных лабораторных условиях были получены и другие органические соединения — карбоновые кислоты, жиры, углеводы. Таким образом, к середине XIX века были синтезированы различные вещества, свойства которых были близки к свойствам продуктов, выделенных из природных источников. В связи с этим их считали органическими веществами. Критерием деления химии на неорганическую и органическую стал состав веществ. Было замечено, что все вещества, отнесѐнные к органическим, содержат углерод. Поэтому Фридрих Август Кекуле* определил органическую химию как химию соединений углерода. Однако это определение если и можно принимать, то с довольно-таки большими оговорками, так как существует обширная группа соединений, содержащих углерод, но не относящихся к органическим. Это угольная кислота, еѐ некоторые производные, некоторые оксиды углерода, карбиды и т.д. К тому же определение, данное Кекуле, не учитывает принципы образования органических соединений. Более точное определение органической химии было дано Карлом Шорлеммером* в 1889 году: «Органическая химия — это химия углеводородов и их производных». Это определение не только более точно в классификационном отношении, но и более правильно в трактовке природы органических веществ, поскольку относит их не к производным какого-то одного элемента, а к специфическим по своей природе молекулярным системам. Известно, что из-за особенностей электронной конфигурации атомы углерода легко образуют устойчивые ковалентные связи между собой и с другими атомами. Поэтому углерод образует устойчивые цепи атомов, характери20 зующиеся различной протяжѐнностью и разветвлѐнностью. Такие цепи, являющиеся скелетами молекул, не только легко образуются, но и часто сохраняются при разнообразных реакциях органических веществ. Вследствие этого в настоящее время (2016 г.) изучено более 100 млн органических соединений. Для сравнения заметим, что число известных неорганических соединений измеряется сотнями тысяч. Определение, данное Шорлеммером, также не проводит резкой границы между органической и неорганической химией. Так, например, оксиды углерода могут считаться не только неорганическими, но и органическими веществами (как производные метана); элементорганические соединения — это одновременно и неорганические (соединения какого-то конкретного элемента), и органические (производные соответствующего углеводорода) соединения. Но это ни в коей мере не является недостатком такого определения, а лишь говорит о многообразии свойств тех веществ, которые можно отнести и к органическим, и к неорганическим. Важным вопросом в определении органической химии как науки является вопрос о предмете органической химии. Можно утверждать, что предмет органической химии составляют органические вещества. Но данное утверждение не будет корректно. Ведь органические вещества и в целом, и по отдельности изучаются в той или иной мере различными химическими науками, и не только химическими (химическая технология, биологическая химия, аналитическая химия, микробиология, физика и др.). Органическая химия, изучая органические вещества, также решает свои специфические задачи. Они и отражаются в предмете. Предмет органической химии — это, прежде всего, принципы и законы, определяющие строение органических соединений, их синтез и превращения. И только после этого можно утверждать, что предмет органической химии лишь включает важные в практическом отношении свойства веществ и другие элементы действительности. Поэтому при изучении органической химии необходимо главным образом обращать внимание на закономерности строения и свойств веществ, общность физических и химических свойств для веществ, имеющих сходное строение (как внутри определѐнного класса, так и для веществ, относящихся к разным классам). Структура книги в максимальной степени способствует этому. Строение и свойства рассматриваются на наиболее простых для понимания, но в то же время характерных примерах. Все частные, конкретные свойства определѐнных органических соединений есть лишь отражение тех принципов и законов, по которым построены их молекулы, и подтверждение строгой логичности органической химии. Это относится и к веществам, участвующим в процессах жизнедеятельности и представляющим предмет изучения такой смежной дисциплины, как биоорганическая химия. 21 Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Теоретическими основами органической химии являются теория строения органических соединений и теория реакционной способности. Поэтому данная глава посвящена учению о соединении атомов в молекуле, о взаимном влиянии атомов в молекуле и о протекании реакций. Помимо этого в главе рассмотрены вопросы классификации, номенклатуры и идентификации органических соединений. Без этих вопросов представление об органической химии было бы неполным и невозможно было бы дальнейшее рассмотрение характеристики веществ по классам. 1.1. УЧЕНИЕ А.М. БУТЛЕРОВА По мере накопления знаний о веществах химическая наука в XIX столетии разделилась на два магистральных направления — неорганическую и органическую химию. Большую роль в становлении и развитии последней сыграла теория строения органических соединений А.М. Бутлерова*. Она создана на основе обобщения полученного к тому времени экспериментального материала по химии органических веществ. Химическое строение, по Бутлерову, — это порядок химического взаимодействия атомов, или, другими словами, последовательность соединений атомов в молекуле. Бутлеров пришел к выводу, что химическое строение может быть строго отражено в формулах и экспериментально установлено химическими методами. Он считал, что атомы в молекуле оказывают влияние друг на друга; это их взаимное влияние проявляется в свойствах веществ. Так, атомы водорода в веществах НСl, H2O, NH3, Н2 имеют совершенно разные свойства. В хлороводороде они легко замещаются на многие металлы, в воде замещение происходит лишь под действием активных металлов, в аммиаке же такая реакция осуществляется только в особых условиях, и совершенно иные свойства они проявляют, образуя молекулярный водород. Следовательно, атомы кислорода, хлора и азота оказывают влияние на атом водорода, связанный с ними, и это влияние различно. Множество разнообразных примеров имеется среди органических веществ. Бутлеров пришѐл к выводу, что в органических соединениях могут различаться даже такие связи, как С–Н и С–С, в зависимости от характера их химического окружения. Теория Бутлерова позволила химикам познать строение органических молекул, понять сущность химических процессов, предсказать новые пути синтеза соединений углерода. Еѐ создание относится к 60-м годам XIX сто22 летия. Основные положения теории в современной интерпретации заключаются в следующем. * Атомы в молекуле соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентности. Эта последовательность называется химической структурой. * Атомы оказывают взаимное влияние друг на друга. * Химические свойства веществ определяются составом и химическим (пространственным) строением. * Химическое строение веществ можно изучить при помощи их химических превращений, и, наоборот, по строению данного вещества можно судить о его химических свойствах. Например, молекулярной формуле С4Н10 соответствуют два вещества с разной структурой, обладающие различными физическими и химическими свойствами: CH3 CH3 CH CH3 СН3-СН2-СН2-СН3 и н-бутан (Т кип. = -0.5С) изобутан (Т кип. = -12С) Эта теория способствовала развитию направленного органического синтеза. К 1865 году было известно около 3000 органических веществ, а к 1880 году — уже 15 000. В настоящее время их более 100 млн. Новый качественный период развития органической химии начался с введения в неѐ в XX столетии электронных и квантово-химических представлений, что явилось дальнейшим развитием классической теории строения А.М. Бутлерова. 1.2. ТЕОРИЯ ГИБРИДИЗАЦИИ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ Известно, что в большинстве органических соединений атом углерода четырѐхвалентен. Однако электронная конфигурация его внешнего электронного слоя — 2s22p2, и образование четырѐх ковалентных связей возможно при переходе атома углерода в возбуждѐнное состояние. При этом происходит «распаривание» электронов на s-подуровне, и один из них переходит на близкую по энергии р-орбиталь: С 2s22p2 + 400 кДж/моль С* 2s12p3 Четыре неспаренных электрона внешнего электронного слоя заселяют разные по энергии орбитали: один электрон находится на s- и три электрона — на р-орбиталях. 23 E h 2s2 2s1 2px1 2p1y 2p1z 2px1 2py1 2p0z Из свойств соединений углерода известно, что если в молекуле атом углерода образует четыре ковалентные связи с четырьмя одинаковыми заместителями, то такие связи между собой абсолютно одинаковы. Например, в метане СН4 все четыре связи равноценны. В 1931 году Л. Полинг* выдвинул гипотезу, согласно которой атомные орбитали углерода в возбуждѐнном состоянии как бы смешиваются, выравниваются по форме и энергии, то есть усредняются — гибридизуются. Из одной s- и трѐх р-орбиталей образуется четыре равноценных гибридных орбитали. Из четырѐх разных орбиталей образуется четыре одинаковых по энергии и по форме атомных орбитали, при этом тип гибридизации здесь sp3, так как в гибридизации участие принимают одна s- и три рорбитали. Для гибридизации, как и для возбуждения атома углерода, требуются затраты энергии. одна s + три р четыре sp3 + + + Это первое валентное состояние углерода. Геометрическая форма sp3-гибридных орбиталей — вытянутые объѐмные «восьмѐрки», расположение в пространстве — на максимальном удалении друг от друга, то есть оси этих орбиталей должны быть направлены к вершинам правильного тетраэдра, и валентный угол (угол между осями ор24 биталей) соответствует такому пространственному их расположению и составляет 10928. Этим можно объяснить способность атома углерода образовывать четыре равноценные ковалентные связи с четырьмя другими одинаковыми атомами (как, например, с атомами водорода в молекуле метана). При смешении, гибридизации трѐх орбиталей: одной s- и двух рорбиталей образуются три равноценные гибридные орбитали sp2-типа: одна s + две р три sp2. Геометрическая форма и расположение в пространстве sp2-гибридных орбиталей — объѐмные «восьмѐрки». Эти орбитали — менее вытянутые, чем орбитали sp3-типа, так как доля p-орбиталей в гибридной орбитали здесь меньше, и sp2-гибридная орбиталь менее похожа на p-орбиталь, чем орбиталь sp3-типа. Оси их лежат в одной плоскости и направлены под углом 120 друг к другу. o 120 + + Это второе валентное состояние углерода. В том случае, когда гибридизации подвергаются одна s- и одна рорбиталь, образуются две sp-гибридные орбитали: одна s + одна р две sp , оси которых находятся под углом 180, то есть лежат на одной прямой. Это ещѐ менее вытянутые орбитали, чем sp2-гибридные. o 180 + Это третье валентное состояние углерода. Характеристика валентного состояния углерода и образуемых им связей приведена в табл. 1.1. 25 Таблица 1.1 Характеристика углерод-углеродных связей в молекулах этана, этилена и ацетилена Соединение Гибридизация Вклад sорбитали, % Относ. э/отриц. атома С Характеристика связи СН3–СН3 sp3 25.0 СН2=СН2 sp2 СНСН sp связь длина, нм энергия, кДж/моль энергия на одну связь, кДж/моль 2.50 С–С 0.154 348 348 33.3 2.76 С=С 0.134 607 304 50.0 3.20 СС 0.120 829 276 H H Но данные типы гибридизации характерны лишь для небольшого числа соединений. Для соединений с неодинаковыми заместителями у атома углерода имеются отклонения от классической схемы. В пропане CH3 CH3 СН3-СН2-СН3, например, из-за того, что центральный атом углерода образует две С–С- и две С–Н-связи, орбитали, участвующие в образовании этих связей, будут по-разному отталкиваться и валентные углы искажаются: НСН = 107; ССС = 112. В данном случае говорится о нестрогой гибридизации. По Полингу, степень гибридизации атомных орбиталей связана с валентным углом уравнением: 1 + ijcosij = 0 или 1 + 2cos = 0 , где i(j) — коэффициент смешения орбиталей, а 2 — степень гибридизации (здесь количество р-орбиталей, принимающих участие в гибридизации с одной s-орбиталью); ij — валентный угол (угол между i-ной и j-ной атомными орбиталями). Например, для sp-гибридных орбиталей 2 = 1, cos = –1, = 180; для sp2-гибридных — 2 = 2, cos = –1/2, = 120; для sp3-гибридных — 2 = 3, cos = –1/3, = 109.47 (или 10928). Но в общем случае степень гибридизации может быть и дробной, так как валентные углы между разными связями в различных соединениях могут сильно отличаться от приведенных выше. В этих случаях необходимо помнить, что степень гибридизации — это лишь формальное число р-орбиталей, приходящихся в гибридизации на одну s-орбиталь. 26 1.3. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ Как уже говорилось во введении, структурную основу всех органических веществ составляют молекулярные системы, в которых атомы углерода образуют устойчивые ковалентные связи между собой и с другими атомами. За счѐт этого углерод образует устойчивые цепи атомов, характеризующиеся различной протяжѐнностью и разветвлѐнностью. Этим и обусловлено многообразие органических соединений. 1.3.1. ОБРАЗОВАНИЕ КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ АТОМАМИ УГЛЕРОДА Химическая связь, образованная однократным перекрыванием орбиталей по прямой, связывающей центры атомов, с максимумом перекрывания на этой прямой, получила название -связи. Это ординарная (простая) связь двухэлектронная и двухцентровая. Перекрываться могут две s-орбитали, две p-орбитали, s- и p-орбитали или гибридные орбитали. Примеры: s-s p-p s-p В общем случае возможны и другие варианты образования -связей. Как правило, углерод на образование -связи предоставляет гибридные орбитали. Например, в метане -связь возникает за счѐт перекрывания sp3гибридных орбиталей атома углерода и s-орбиталей атома водорода: В молекулах алканов имеются также -связи и между углеродными атомами. -Связь образуется в результате бокового перекрывания негибридных («чистых») р-орбиталей с максимумом перекрывания по обе стороны от прямой, связывающей ядра атомов. 27 -Связь (или «банановая» связь) может быть образована чистыми рорбиталями или гибридными орбиталями, но максимум электронной плотности не находится на линии, связывающей центры атомов. Оси перекрывающихся орбиталей не параллельны, они находятся под тупым углом. Такой тип связи наблюдается в некоторых циклических углеводородах и их производных. Это можно объяснить напряжением в цикле, связанным с большим отклонением валентного угла от тетраэдрического (10928). Так, в циклопропане угол между орбиталями, образующими С–С-связи составляет 104 (а валентный угол, равный внутреннему углу правильного треугольника, 60); гибридизация атомных орбиталей углерода близка к sp3: Углерод-углеродные связи возникают в результате перекрывания sp3гибридных орбиталей вне линии, соединяющей ядра атомов углерода, то есть по характеру своего образования они занимают промежуточное положение между -связью и -связью. При этом область перекрывания орбиталей мала по сравнению с перекрыванием в -связях молекул алканов. Отсюда и меньшая прочность образующейся связи C–C. Аналогичная ситуация и в циклобутане, только отклонение области перекрывания орбиталей от линии, связывающей центры атомов, здесь меньше: 28 Так как образование ковалентной связи предполагает наличие общей электронной пары на перекрывающихся орбиталях, то возможны два способа образования общих электронных пар. Первый способ — каждый атом предоставляет по одному электрону: H + Cl H:Cl H3C + CH3 H3C : CH3 Второй способ — один атом даѐт электронную пару, а второй предоставляет незаполненную орбиталь: H3C: + H3N: + H+ H3+N:H + CH3 H3C:CH3 Этот способ называется координацией или донорно-акцепторным способом образования ковалентной связи. Более показателен пример образования Nоксидов аминов: : : + (CH3)3N:O: - : : (CH3)3N: + O: В данном случае возникает координационная связь между атомами азота и кислорода. При этом азот предоставляет электронную пару для образования связи и приобретает положительный заряд, а атом кислорода, являясь акцептором, — отрицательный. Обозначения такой связи могут быть различны: O:- : : + (CH3)3N или (CH3)3N O 1.3.2. СВОЙСТВА КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ Энергия (прочность) связи. Энергия -связи соответствует количеству тепла, которое выделяется при образовании этой связи из соответствующих свободных радикалов (или поглощается при еѐ гомолитическом распаде). Чем больше степень перекрывания орбиталей при образовании ковалентной связи, тем выше еѐ энергия, тем она прочнее. Прочность связи C–H зависит от типа гибридизации углерода и кратности связи. Для этана, этилена и ацетилена она составляет 411, 444 и 503 кДж/моль соответственно. Длина связи. Атомы в молекуле всѐ время претерпевают колебания. Однако с помощью дифракционных методов удаѐтся определить равновесные расстояния между ними, то есть длину связи. Длина связи рассчитывает29 ся как сумма ковалентных радиусов образующих еѐ атомов. Если связь образована двумя одинаковыми атомами (H–H, C–C и др.), то принимают, что еѐ длина как бы состоит из двух равных частей. Эти части называются ковалентными радиусами атомов. Например, ковалентные радиусы F, Cl, Br, I и S равны соответственно 0.064, 0.099, 0.114, 0.133, 0.104 нм. Для атома углерода ковалентный радиус составляет в зависимости от гибридизации 0.077, 0.067 или 0.060 нм (для Сsp3, Сsp2 и Сsp соответственно). Ковалентный радиус водорода принимают равным 0.030 нм, хотя половина длины связи H–H в молекуле H2 равна 0.037 нм. Сумма ковалентных радиусов разных атомов должна быть равна длине ковалентной связи между ними. Для связи C–H — это сумма ковалентных радиусов атомов водорода и углерода (0.030 нм + 0.077 нм = 0.107 нм), и действительно во многих органических молекулах длины C–H-связей у насыщенного атома углерода примерно равны этому значению. Длины кратных связей (двойной и тройной), образованных атомом углерода, меньше длин ординарных связей. Эти связи образованы sp2- и spорбиталями углерода, а чем больше s-характер гибридной орбитали, тем она меньше. Это относится и к углерод-углеродным связям, и к связям С–H, С–O, C–N и другим связям атома углерода во втором и третьем валентном состояниях. Полярность связи — это смещение области перекрывания атомных орбиталей в сторону более электроотрицательного атома. Полярность связи можно охарактеризовать количественно через еѐ дипольный момент , выражаемый в Дебаях (D). Для двухатомных молекул дипольный момент определяется по формуле: = q l, где q — частичный положительный или отрицательный заряд, l — расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов. Чем значительнее смещены валентные электроны к одному из атомов, тем более полярны молекулы и тем больше . В случае более сложных молекул дипольный момент связи вычисляется из экспериментально найденного дипольного момента молекулы. Вклад s-орбитали в гибридную орбиталь сильно влияет на величину относительной электроотрицательности элемента углерода, а следовательно, и на полярность связи С–Н. Она возрастает в соединениях при изменении гибридизации углерода от sp3 к sp2 и sp. Ацетилен в отличие от этилена и этана проявляет отчетливо выраженные кислотные свойства. В нѐм атом водорода способен замещаться (как и в кислотах) на атом металла. Важной характеристикой химической связи является еѐ поляризуемость, то есть способность к перераспределению электронной плотности на 30 связанных атомах под действием внешних факторов, в том числе и в ходе реакции. Степень поляризуемости зависит от интенсивности внешних факторов и от подвижности электронов. Так, чем больше радиус орбиталей поляризующихся электронов, тем легче они поляризуются. Например, рэлектроны поляризуются легче, чем s-электроны. В соответствии с этим легче поляризуется электронная оболочка атома серы, чем атома кислорода, и атома хлора, чем атома фтора. При анализе поляризуемости иногда выделяют поляризуемость вдоль связи (продольную) и перпендикулярную ей (поперечную). В последнем случае -связь как бы набухает и начинает напоминать -связь. При переходе от ординарной к двойной и тройной углерод-углеродной связи эта величина сильно возрастает. Порядок (кратность) связи определяется числом пар электронов, связывающих два атома. Для иллюстрации укажем, что порядки связей между атомами углерода в этане, этилене и ацетилене составляют соответственно один, два и три. В органической химии возможна ситуация, когда из-за внутримолекулярных взаимодействий некоторые связи имеют нечѐтное число электронов. В этом случае говорят о дробных порядках связи, например полуторном. Направленность в пространстве. Ковалентные связи образуются в результате перекрывания атомных орбиталей, имеющих определенную ориентацию относительно других орбиталей своего атомного остова. Следовательно, эти связи имеют пространственную направленность. 1.3.3. ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ Присутствие в молекулах атомов сильно электроотрицательных элементов (таких, как фтор, кислород, азот), связанных с атомом водорода, приводит к значительному возрастанию дефицита электронной плотности на этом атоме водорода и увеличению положительного заряда на нѐм. Такой атом водорода способен принимать неподелѐнную пару электронов на частично вакантную орбиталь. В результате возникает слабая связь особого типа, называемая водородной связью. Например, для фтороводорода и воды: H F: . . . . H F : . . . . H F : H H O: H H O: H H O: Аналогично воде для спиртов характерно образование межмолекулярных водородных связей. В результате такого взаимодействия из молекул 31 спирта, как и из молекул воды, образуются димеры, тримеры и, в конечном итоге, полимеры: R R H O: H O: R H O: Водородная связь менее прочна, чем обычные ковалентные связи. Энергия образования водородной связи обычно не превышает 20 30 кДж/моль. Образование водородных связей, например, ответственно за аномально высокие температуры кипения спиртов по сравнению с соответствующими алканами и галогеналканами. Так, например, все спирты с числом атомов углерода от 1 до 11 — жидкости, а высшие спирты — твѐрдые вещества. Спирты, содержащие в молекулах не более 3 атомов углерода, смешиваются с водой в любых соотношениях, что является следствием образования водородных связей между молекулами спиртов и воды. Для карбоновых кислот характерно образование прочных межмолекулярных водородных связей: R-C O: . . . . H O O C-R H . . . . :O Поэтому температуры кипения и плавления у них более высоки по сравнению с соответствующими альдегидами и спиртами. За счѐт таких связей димеры карбоновых кислот существуют даже в парáх. В молекулах таких соединений, как альдегиды, кетоны, простые эфиры, отсутствуют сильно полярные связи С–Н, но за счѐт наличия атомов с неподелѐнными парами электронов возможно образование водородных связей, например, между молекулами эфира и воды: R' H R O: H O: Это влияет на их растворимость в воде — простые эфиры значительно лучше растворимы, чем незамещѐнные углеводороды. Водородная связь может возникать между атомами одной и той же молекулы. Например, для салицилового альдегида или этиленгликоля: 32 O H H O O O H H2C C H салициловый альдегид CH2 этиленгликоль Это влияет не только на свойства соединений (физические и химические), но и на конформацию молекулы (гл.1.7.3) и должно благоприятствовать одной из нескольких возможных различных конформаций. 1.4. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СМЕЩЕНИЙ Реакционная способность веществ, механизм и направление реакции в значительной степени зависят от распределения электронной плотности в реагирующих молекулах. Химическая реакция по существу сводится к перераспределению электронной плотности. По полярности ковалентной связи все вещества можно разделить на две группы: с неполярными связями типа А:А и с полярными связями типа А:В. В соединениях с полярными связями нарушается симметрия распределения зарядов из-за различной электроотрицательности атомов в молекуле. На одном из атомов возникает частичный положительный (+) заряд, а на другом — частичный отрицательный (-). Такое распределение зарядов в молекуле обычно обозначают А+:B-. Индуктивный (индукционный) эффект — смещение поделенной пары электронов -связи. Вызван различием в электроотрицательности атомов. Смещение происходит в сторону более электроотрицательного атома или от более электроположительного (отсюда название от латинского inductio – наведение). Например: H H C H H Cl H C Li H По отношению к атому углерода более электроотрицательные, чем углерод, атомы и атомные группировки вызывают электроноакцепторный (или просто акцепторный, или отрицательный) индуктивный эффект. Он обозначается буквой I со знаком «–» (минус), то есть «–I-эффект». И наоборот, менее электроотрицательные, чем углерод, атомы и атомные группировки вы- 33 зывают электронодонорный (положительный) индуктивный эффект; обозначается «+I-эффект». C C A –I-эффект D +I-эффект Индуктивный эффект, вызываемый атомом водорода, принят равным нулю. Индуктивный эффект насыщенных углеводородных заместителей считается поэтому положительным по отношению к рассматриваемому атому углерода. C H C I=0 R +I-эффект Чем больше электроотрицательность заместителя, тем сильнее выражен его акцепторный эффект, тем больше величина отрицательного индуктивного эффекта этого заместителя (по модулю). По силе акцепторного индуктивного эффекта заместители можно расположить в следующий ряд: -NО2 > -CN > -F > -Cl > -Br > -I > -COOH > -ОН > -NH2 И, наоборот, чем меньше электроотрицательность заместителя, тем сильнее выражен его электронодонорный эффект, тем больше величина положительного индуктивного эффекта заместителя. По силе донорного индуктивного эффекта заместители можно расположить в следующий ряд: -CH3 < -C2H5 < н-С3H7 < изо-С3H7 < трет-С4Н9 < -M (Li, Na, K, -MgBr) Положительный индуктивный эффект вызывает увеличение на атоме углерода электронной плотности и, соответственно, возникновение частичного отрицательного (-) заряда, а отрицательный индуктивный эффект вызывает уменьшение электронной плотности и возникновение частичного положительного (+) заряда. 34 ' C CH2 CH3 ' C CH2 Cl Индуктивный эффект обладает двумя важными свойствами. 1. Он распространяется по всем -связям молекулы, и его величина быстро ослабевает вдоль цепи (примерно в 3 раза при передаче через один атом углерода), так что на четвертом—пятом атоме углерода он почти не чувствуется. 2. Индуктивный эффект обладает способностью к суммированию (аддитивности). Например, суммарный индуктивный эффект заместителя -C(CH3)3 равен CH3 Iобщ = 3 I(CH3) K + I(CH3), C C то есть общий индуктивный эффект равен сумме инCH3 дуктивных эффектов концевых метильных групп CH3 (3I(CH3)), умноженной на коэффициент затухания (K), и эффекту самой метильной группы, через которую происходит передача. Другой пример. В хлорметане атом хлора оказывает индуктивное воздействие на углерод в силу большей электроотрицательности: CH3Cl. В дихлорметане ClCH2Cl суммарный индуктивный эффект, оказываемый двумя атомами хлора, будет значительно больше, чем в хлорметане (но не в два раза). И положительный заряд на атоме углерода во втором случае будет больше почти в 2 раза, но не в 2 раза. Мезомерный эффект – это смещение -электронов сопряжѐнных связей или неподелѐнных пар в сторону атомов с недостроенной до октета электронной оболочкой. При этом сопряжением связей называется чередование простых и кратных связей или кратных связей и атомных центров с одним электроном, неподелѐнной электронной парой или вакантной орбиталью. В зависимости от структурной и электронной природы различают несколько типов сопряжѐнных систем. 1. Полярная --сопряжѐнная система. Происходит сопряжение двух -связей за счѐт взаимодействия рорбиталей. Одна из этих -связей поляризована наличием гетероатома (например, кислорода), и происходит смещение -электронов в сторону более электроотрицательного атома. При крайнем (полном) смещении пары электронов к атому кислорода на нѐм локализуется отрицательный заряд и, соответственно, на другом конце сопряжѐнной системы — положительный заряд (р-орбиталь остаѐтся пустой, вакантной). Такая структура (с разделенными 35 целочисленными зарядами) является граничной (или предельной, или резонансной): C C C O C C C O Для обозначения взаимосвязи между каноническими формами используется двухсторонняя стрелка, которую не следует путать с совокупностью двух противоположно направленных стрелок. Последние используются для обозначения взаимосвязи между двумя структурами, находящимися в равновесии, а резонансные формы не существуют по отдельности и не находятся в равновесии одна с другой. 2. Неполярная --сопряжѐнная система. Здесь также происходит сопряжение двух -связей. Такие системы могут быть легко поляризуемы. При этом под воздействием растворителя или другого внешнего фактора электронная плотность смещается либо на один конец сопряжѐнной системы, либо на другой. Это можно описать при помощи граничных структур: C C C C C C C C C C C C 3. р--Сопряжѐнная система. В образовании такой сопряжѐнной системы принимают участие электроны -связи и неподелѐнная пара электронов на р-орбитали соседнего атома. При перекрывании этой р-орбитали с р-орбиталями -связи происходит перераспределение электронной плотности (более равномерное еѐ распределение между р-орбиталями). При полном смещении неподелѐнной пары электронов от гетероатома и образовании за еѐ счѐт новой -связи (граничная структура) на гетероатоме возникает положительный заряд, а на другом конце сопряжѐнной системы — отрицательный заряд: C C + C C Cl Cl 4. --Сопряжѐнная система. Здесь происходит сопряжение р-орбиталей -связи с орбиталями связи С–Н соседнего атома углерода (тетраэдрического). Под влиянием трѐх -связей С–Н -связь подвергается поляризации, становится более полярной. В свою очередь, атомы водорода в метильной группе приобретают бóльшую 36 подвижность, то есть связи С–Н также поляризуются. Этот процесс в предельном случае завершается полным переносом электронной пары как связи, так и -связи: H C C C C H H C C H H+ H Но так как в образовании таких связей принимают участие sp3-гибридные орбитали углерода, то оси этих орбиталей не могут быть параллельны осям р-орбиталей -связи, и поэтому перекрывание орбиталей не может быть полным. Такое сопряжение значительно менее эффективно, чем другие виды сопряжения (рассмотренные ранее). 5. -р-Сопряжѐнная система. В этом случае в сопряжении участвуют -связь С–Н и р-орбиталь соседнего атома углерода, не принимающая участие в образовании -связи. Например, для свободного радикала: H H C C H H C C H H В общем случае в -- и -р-сопряжении принимает участие -связь С–Н по причине малого размера атома водорода и высокой поляризуемости этой связи. Такие виды сопряжения называются сверхсопряжением (или гиперконъюгацией). Однако известны случаи -- и -р-сопряжения, в которых принимают участие не С–Н-связи, а связи С–F. В этих случаях под влиянием сильно электроотрицательного фтора наблюдается эффект обратного сверхсопряжения (обратной гиперконъюгации). Например, для -р-сопряжения: F F C C F C C F - F F Мезомерный эффект присутствует в большинстве рассмотренных сопряжѐнных систем. Он может быть отрицательным («–М-эффект») и, например, вызван влиянием электроноакцепторной группы (атом кислорода или вся С=О группа) в системе: 37 C C C O Примером положительного мезомерного эффекта («+М-эффекта») является взаимодействие электронодонорных групп, способных к частичной или полной передаче пары электронов в общую сопряжѐнную систему: C = C - Cl При этом во всех случаях мезомерный эффект обладает важным свойством – он передаѐтся по цепи углеродных атомов практически без изменений, то есть он не ослабевает. 1.5. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Органические соединения можно разделить на: углеводороды RH и их производные RX, представляющие собой продукты замещения атомов водорода в углеводородах на характеристическую группу X. Характеристическими группами называют группы атомов, входящие в состав органических соединений и придающие им определѐнные химические свойства. Это галоген, OH, OR, NH2, NO2, CHO, COOH и т.д. Характеристическая группа определяет принадлежность данного соединения к тому или иному классу органических веществ. Очень важно, что характеристическая группа определяет многие свойства соответствующего класса веществ. При этом все характеристические группы делятся на функциональные и нефункциональные. Для соединений, содержащих функциональные группы, возможны превращения с изменением структуры этих групп. Для нефункциональных групп такие превращения не возможны. Производные RX делятся на классы в зависимости от природы X: галогенопроизводные RHal, спирты ROH, простые и сложные эфиры ROR и RCOOR, амины RNH2, нитросоединения RNO2, оксосоединения — альдегиды и кетоны RCHO и RC(O)R, карбоновые кислоты RCOOH и др. Углеводороды и их производные принято классифицировать по признаку их молекулярного скелета. В связи с этим было предложено разделить все вещества на четыре ряда: алифатический, алициклический, ароматический и гетероциклический. К алифатическим, или жирным, относятся такие вещества, в основе молекул которых находятся цепи атомов углерода — линейные и разветвлѐнные. Например: 38 CH3 O CH3-CH-C = H CH3-CH2-CH3 пропан 2-метилпропаналь Алициклические (циклоалифатические) вещества родственны алифатическим с точки зрения химических свойств, однако в отличие от них имеют циклические скелеты, например: H2C H 2C CH2 CH OH H2C H 2C циклопропан циклопропанол В основе молекул ароматических соединений находятся специфические углеродсодержащие циклы, имеющие замкнутую систему -электронов. Чаще всего это шестичленные циклы бензола. Таким образом, бензол как бы является базовой моделью для ароматических веществ. Например: CH3 COOH толуол (метилбензол) бензойная кислота Гетероциклические соединения в составе молекул также содержат циклические скелеты, но в состав этих скелетов входят не только атомы углерода, но и гетероатомы, то есть атомы всех других химических элементов, кроме углерода и водорода. Например: N O пиридин CHO фурфурол Рассмотренная система не вполне совершенна. Действительно, известно много важных соединений, молекулы которых имеют длинные линейные цепи, с которыми связаны функциональные и нефункциональные группы и бензольные циклы. В этих (и подобных) случаях строгое отнесение вещества к какому-то определѐнному ряду невозможно. Такие соединения часто выделяют в специфические общности веществ, например углеводы, аминокислоты, антибиотики, алкалоиды и др. Имеются различные способы наименования индивидуальных органических веществ. Все они объединены термином «номенклатура органических 39 соединений». В практике, в научной и технической литературе широко используются тривиальные названия. Это общеупотребительные названия соединений, возникшие более или менее случайно, а не на основе какого-либо научного принципа номенклатуры. Первой полусистематической номенклатурой была рациональная номенклатура. С развитием органической химии постоянное внимание уделялось созданию принципов систематической номенклатуры, которая была разработана и ныне совершенствуется Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC, или общепринятая русская аббревиатура ИЮПАК). В настоящее время наименования соединений могут быть даны на основе использования нескольких систем, нескольких наборов различных правил, которые существуют как различные номенклатуры, известные под общим названием систематическая номенклатура ИЮПАК. Наиболее широко используемыми номенклатурами являются заместительная (за ней также закрепилось название систематическая) и радикало-функциональная. Но для таких классов соединений, как простые эфиры, тиоэфиры, а также вторичные и третичные амины, удобно применение «а»-номенклатуры (или заменительной номенклатуры). Существуют и другие номенклатуры ИЮПАК, такие как аддитивная, субтрактивная, объединительная, номенклатура гетероциклических соединений, но они нашли широкое применение лишь для отдельных классов и групп органических соединений. 1.5.1. ЗАМЕСТИТЕЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА Это наиболее универсальная и часто применяемая номенклатура, которая отражает замещение атома водорода в родоначальном соединении группой атомов или другим атомом. Для того, чтобы назвать органическое соединение, необходимо: 1) выявить все имеющиеся в нѐм функциональные группы, 2) установить, какая группа является в нѐм старшей (см. табл. 1.2), 3) выбрать родоначальную структуру и пронумеровать атомы углерода в ней, 4) перечислить все приставки в алфавитном порядке, 5) пронумеровать главную цепь, 6) составить полное название. Если в молекулу входит несколько функциональных групп, то для составления названия определяют старшую группу. Она входит в полное название соединения в виде суффикса; остальные, более младшие, группы, входят в название в виде приставок (префиксов). О старшинстве групп судят по их положению в таблице 1.2 (более старшей является та, которая упоминается в таблице раньше). 40 Таблица 1.2 Функциональные группы, приведѐнные в порядке убывающего старшинства Класс соединений Название группы в виде приставки суффикса Формула . Катионы замещѐнного аммония и диазония -+NR3 -+NN аммониодиазонио- -аммоний -диазоний - СООН карбокси- -карбоновая или -овая кислота -SO3H сульфо- -сульфоновая кислота алкоксиоксо- -(о)ат галогенооксо- -оил галогенид аминооксо- -амид цианоформил- или оксо- -карбонитрил -карбальдегид или -аль оксо- -он -ОН гидрокси- -ол -SH меркапто- -тиол -NH2 амино- -амин . Карбоновые кислоты . Сульфокислоты Производные карбоновых кислот: сложные эфиры -COOR O галоген= -C ангидриды X O амиды -C = NH2 нитрилы -СN O Альдегиды -C = H O Кетоны -C = . Спирты и фенолы . Тиоспирты . Амины . Группы (заместители), приведенные в таблице 1.3, упоминаются в названии только в виде префиксов. Все префиксы в названии перечисляются в алфавитном порядке. Положение заместителя у того или иного атома в молекуле обозначается локантом, то есть цифрой или буквой (-, -, м-, п-, N- и 41 т.д.). Локант, относящийся к данному префиксу или суффиксу, ставится всегда перед этим префиксом или суффиксом. Таблица 1.3 Заместители, называемые в виде отделяемых приставок Формула Название приставки . -F -Cl -Br -I -NO2 -NO -R -Ar -OR -OAr -SR -N=N-R фторхлорбромйоднитронитрозоалкил- (метил-, этил- и т.д.) арил- (фенил-, п-толил- и т.д.) алкилокси- (метокси-, этокси- и т.д.) арилокси- (фенокси-, п-толилокси- и т.д.) алкилтиоалкилазо- . Определить родоначальную структуру в соединении — это значит найти главную цепь или главную циклическую (или гетероциклическую) систему, по которой дается родоначальное название. Родоначальные названия могут быть как систематическими, так и тривиальными. Если существует несколько возможностей выбора главной цепи, то последовательно применяют следующие критерии: 1) цепь, содержащая наибольшее число старших групп (см. табл. 1.2). Например: COOH HO - CH2 - CH2 - CH - COOH Здесь карбоксильные группы являются старшими, следовательно, главная цепь обязательно должна включать их. Нельзя в качестве главной выбрать цепь, содержащую гидроксильную и карбоксильную группы, так как гидроксильная группа младше карбоксигруппы; 2) максимальная протяжѐнность цепи. Например: CH2=CH CH2=CH - C C - CH - CH2 - CH2 - CH3 42 3) максимальное число кратных связей (в сумме). Например: CH2 CH CH2 = CH - CH - C C C CH Цепь, выбранная главной, содержит одну двойную и две тройные связи. Любой другой вариант выбора родоначальной структуры содержал бы меньшее число кратных связей; 4) максимальное число двойных связей. Например: CH2=CH CH2=CH - CH - C CH Одна цепь содержит одну двойную и одну тройную связь, другая — две двойных, в сумме число кратных связей в обоих случаях одинаково, но главной является цепь с двумя двойными связями; 5) максимальное число заместителей, обозначаемых приставками. Например: CH2 - CH3 CH2 CH3 - CHCl - CHCl - CH - CH - CH3 CH2 CH3 6) при равном числе заместителей, обозначаемых приставками, предпочтение отдается первому заместителю по алфавиту. Например: CH2Cl CH - CH2 - CH3 CH2Br В русском алфавите буква «б» (первая буква приставки бром-) стоит перед буквой «х» (хлор-), следовательно, главной является цепь, содержащая атом углерода, связанный с бромом. 43 Для определения старшинства циклических систем применяются следующие критерии: 1) все гетероциклические соединения старше карбоциклических: старше, чем N H 2) среди гетероциклов старшими являются циклы, содержащие азот, затем кислород, серу, фосфор, кремний; 3) старшими являются компоненты, содержащие наибольшее число циклов: старше, чем 4) при равном числе циклов наличие в циклической системе большего цикла даѐт право старшинства: старше, чем 5) старшими являются компоненты с максимальным числом общих атомов у соседних колец: старше, чем После того, как выбрана главная цепь или главная циклическая система, определяют и придают название приставкам. 1. Отделяемые приставки указывают на замещение водорода в родоначальном соединении (табл. 1.3). В названии соединения отделяемые приставки располагаются перед родоначальной структурой в алфавитном порядке. 2. Неотделяемые приставки обозначают изменение звеньев цикла или относятся к структуре углеродной цепи, всегда присоединяются непосредственно к родоначальному соединению. Неотделяемые приставки могут указывать на образование циклов (цикло-, бицикло-, спиро- и т.д.), из44 менение размеров циклов (нор-, гомо-), конденсацию двух или более циклов (бензо-, имидазо-, нафто- и т.д.), изменение положения звеньев в цикле или цепи (изо-, втор-, трет-), образование мостиков (этано-, эпокси-). 3. Числовые приставки обычно применяют со значениями от 1 до 12: моно-, ди-, три-, тетра-, пента-, гекса-, гепта-, окта-, нона-, дека-, ундека-, додека-. В сложных случаях, когда простые приставки уже использованы, применяются более сложные: бис-, трис-, тетракис- и т.д. Нумерация главной цепи в ациклическом соединении осуществляется арабскими цифрами. Направление выбирается так, чтобы ближайший к концу цепи заместитель получил меньший номер. Например: 7 6 4 5 3 2 1 CH3 - CH2 - CH - CH2 - CH2 - CH - CH3 CH2 - CH3 — 2-метил-5-этилгептан CH3 Наличие нескольких простых заместителей указывают числовыми приставками: ди-, три-, тетра- и т.д. Если два заместителя присоединены к одному атому углерода, то локант, указывающий место присоединения, повторяется дважды. Например: 7 6 CH3 CH3 CH3 5 4 3 2 1 — 2,2,3,4-тетраметилгептан CH3 - CH2 - CH2 - CH - CH - C - CH3 CH3 В соединениях, содержащих функциональные группы, старшая функциональная группа выражается суффиксом и должна получить наименьший локант. Например: 7 6 5 4 3 1 2 CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH - CH2 - CH3 — 6-метилгептан-3-ол OH CH3 Кратные связи получают наименьшие локанты, причѐм двойные связи имеют преимущество перед тройными. Например: 1 2 3 4 СH2=CH–CCH — бут-1-ен-3-ин Наименьшие локанты придаются заместителям, обозначаемым приставками, которые следуют в названии первыми (приставки перечисляются в алфавитном порядке). Например: 45 1 2 3 4 СH3–CHBr–CHCl–CH3 — 2-бром-3-хлорбутан Названия радикалов образуют от названия алканов, присоединяя дополнительный суффикс -ил. Но в наиболее простых случаях допускается применение тривиальных названий суффиксов, в которых суффикс -ан заменѐн на -ил: -CH2-CH3 -CH2-CH2-CH3 — этил — пропил и т.д. Заместители, имеющие свободную валентность в конце цепи, нумеруются начиная от атома, несущего свободную валентность, которому приписывается номер «1». Например: 1 2 3 - CH2 - CH - CH3 — 2-метилпропил CH3 Для радикалов, имеющих свободную валентность у одного из внутренних атомов цепи, существуют два правила: 1) нумерацию начинают с атома углерода, связанного с родоначальной структурой: 1 2 3 4 - CH - CH2 - CH2 - CH3 — 1-этилбутил CH2 - CH3 2) нумерацию начинают с первого атома углерода (сохраняется целостность радикала), локантом указывается радикальный атом: 3 4 5 6 - CH - CH2 - CH2 - CH3 2 — гексан-3-ил 1 CH2 - CH3 Если родоначальной структурой является моноциклическая система, то нумеруются арабскими цифрами только атомы кольца. Атом углерода, при котором имеется наиболее старшая функциональная группа, получает номер «1». Направление нумерации выбирается так, чтобы сумма локантов, указывающих положение заместителей или боковых цепей, была наименьшей. Например: 46 COOH HO 1 2 6 — 2,5-дигидроксибензолкарбоновая кислота 5 3 OH 4 CH3-CH2-CH2 3 2 — 3-пропилциклопент-1-ен 1 Для бициклических систем нумерация начинается с одного из узловых атомов углерода, независимо от наличия у него функциональных групп. В первую очередь нумеруются атомы наибольшего по размеру цикла от одного узлового атома к другому по наиболее длинной углеродной цепи, затем — следующей по длине цепи, возвращаясь к началу нумерации. В последнюю очередь получают номера атомы углерода, оказавшиеся между узловыми атомами в наиболее короткой углеродной цепи. Например: 8 1 5 6 H3C O= 2 3 3 4 7 — бицикло[3.2.1]октан 2 7 CH3 1 CH3 — 1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гептан-2-он 6 4 5 После того, как выбрана старшая группа, которая обозначается суффиксом, определена родоначальная структура, расставлены по алфавиту отдельные приставки, проведена нумерация, объединяют эти части в полное название. Пример 1. 1 2 3 4 5 CH3 - CH - CH - CH2 - CH2Cl OH CH3 Группа -ОН, являющаяся старшей, обозначается суффиксом «-ол», в качестве родоначальной структуры выбирается пентан, приставки метил- и хлоррасполагаются по алфавиту. Нумерация проводится так, чтобы гидроксильная группа получила наименьший локант. Полное название соединения: «3метил-5-хлорпентан-2-ол». 47 Пример 2. 5 4 3 2 1 CH3 - CH - CH - CH2 - COOH OH CH3 Группа -СООН в этом соединении является старше группы -ОН (см. табл. 1.2), поэтому карбоксильная группа обозначается суффиксом с окончанием -овая (кислота), а гидроксильная группа — приставкой гидрокси-. Родоначальная структура — пентан. Соединение содержит два заместителя, которые выражаются приставками: гидрокси- и метил-, расположенными в названии по алфавиту. Наименьший локант получает атом углерода карбоксильной группы. Полное название соединения: «4-гидрокси-3метилпентановая кислота». 1.5.2. РАДИКАЛО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА Радикало-функциональная номенклатура использует те же приѐмы, что и заместительная, но в отличие от последней в ней никогда не используют суффиксы. Вместо этого функциональная группа выражается названием функционального класса (табл. 1.4). Таблица 1.4 Функциональные группы, используемые в радикало-функциональной номенклатуре Группа Функциональный класс . -F, -Cl, -Br, -I -OH, -SH -NH2 -CN, -NC -OO = -C Фторид, хлорид, бромид, йодид Спирт, меркаптан Амин Цианид, изоцианид Эфир SO Сульфид, сульфоксид, сульфон S , , SO2 Кетон Если старшая группа одновалентна, то название остатка молекулы, присоединѐнного к этой группе, выражают в радикальной форме. В некоторых случаях вместо названия радикала используют название образованного от него прилагательного (например, «этил» — «этиловый»): СН3-СN — метилцианид, С2Н5ОН — этиловый спирт, 48 СН3СН2СН2СH2SН — бутилмеркаптан. Если старшая группа двухвалентна, то радикалы перечисляются в алфавитном порядке и название пишется одним словом: = O — диэтилкетон, CH3CH2-C-CH2CH3 СН3-О-СН2-СН2-СН3 — метилпропиловый эфир, СН3-S-СН3 — диметилсульфид. 1.5.3. «а»-НОМЕНКЛАТУРА (ЗАМЕНИТЕЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА) Данная номенклатура используется в тех случаях, когда построение названий по другим системам номенклатур затруднено. «а»-Номенклатура выражает замену атома углерода в цепи или кольце на гетероатом или объединение нескольких углеродных цепей (колец) в одну структуру за счѐт гетероатомов и применяется для названия структур, в которых гетероатом формально разрывает углеродную цепь, то есть для названия простых эфиров, тиоэфиров, вторичных и третичных аминов и т.п. В гетеросоединении с неразветвлѐнной структурой нумеруют соединение так, чтобы гетероатом получил наименьший локант. В качестве родоначального соединения выбирают углеводород, полученный мысленной заменой гетероатома в исходном соединении атомом углерода. Перед названием этого углеводорода ставят приставку, обозначающую название гетероатома, оканчивающееся на букву «а» («а»-термины), и цифровой локант, показывающий, какой из атомов углерода заменен на гетероатом. Приставки перечисляются согласно их положению в табл. 1.5. Таблица 1.5 Старшинство основных элементов и названия «а»-терминов F Cl Br I O S N P Si — фтора — хлора — брома — йода — окса — тиа — аза — фосфа — сила 49 Например: 1 2 3 4 СН3-О-СН2-СН3 — 2-оксабутан 7 6 5 4 3 2 1 СН3-СН2-O-СН2-СН2-O-СН3 — 2,5-диоксагептан Если в гетеросоединении имеются один старший гетероатом и несколько младших, то нумеруют цепь, отдавая предпочтение последним: 9 8 7 6 5 4 3 2 1 СН3-NH-СН2-S-СН2-СН2-NH-NH-СН3 — 6-тиа-2,3,8-триазанонан Если остаѐтся выбор, то наименьшие локанты следует дать более старшим гетероатомам: 1 2 3 4 5 6 СН3-О-СН2-СН2-S-СН3 — 2-окса-5-тиагексан В заменительной номенклатуре сохраняются такие же правила, какие существуют в заместительной номенклатуре (гл. 1.5.1). Следует запомнить, что сначала перечисляются заместительные приставки в алфавитном порядке, а затем «а»-термины в порядке убывающего старшинства, например: «оксатиа-», «тиаза-», «оксаза-» (буква «а» на стыке двух приставок опускается). Нумерация цепи определяется по расположению в ней гетероатомов, а не заместительных приставок. Например: 8 7 6 5 4 3 2 1 ClСН2-NH-СНCl-СН2-СН2-S-СН2-СН3 — 6,8-дихлор-3-тиа-7-азаоктан. Если в цепи присутствуют функциональные группы, обозначаемые суффиксами, то они и определяют нумерацию цепи: 7 6 5 4 3 2 1 СН3-О-СН2-СН2-СН2-СН2-СООН — 6-оксагептановая кислота. Для гетеросоединений с разветвленной структурой принципы отбора главной цепи те же, что и по заместительной номенклатуре, но вводятся дополнительные критерии. Так, например, согласно критериям выбора главной цепи в заместительной номенклатуре родоначальная структура должна содержать, прежде всего, наибольшее число старших групп. Этот критерий сохраняется в «а»-номенклатуре. Однако, согласно второму критерию в этой номенклатуре, цепь должна включать максимальное число гетероатомов. Кроме названий органических соединений с использованием различных номенклатур ИЮПАК и кроме тривиальных названий широко используется также рациональная номенклатура — одна из наиболее старых, но до 50 сих пор применяющихся, особенно для названия несложных по структуре веществ. 1.5.4. РАЦИОНАЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА За основу рациональной номенклатуры обычно берут укоренившиеся тривиальные названия простейших соединений соответствующих классов, а более сложные рассматриваются как продукты замещения атомов водорода в соединении, принятом за основу, различными атомами или группами. Для наименования многих соединений сложного строения принципы рациональной номенклатуры недостаточны. В формуле алкана, который требуется назвать, за основу берут один из атомов углерода (обычно тот, вокруг которого сгруппировано наибольшее число наиболее простых заместителей), принимая его за углерод молекулы метана. Название составляют из наименований радикалов, соединенных с центральным атомом углерода, добавляя слово «метан». Количество одинаковых радикалов обозначают с помощью греческих числительных «ди-», «три-», «тетра-». Например, ниже приведены рациональные названия изомерных гексанов: CH3 — диметилпропилметан CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH3 CH3 — метилдиэтилметан CH3 - CH2 - CH - CH2 - CH3 — диметил-втор-пропилметан (диметилизопропилметан) CH3 CH3 CH3 - CH - CH - CH3 CH3 — триметилэтилметан CH3 - C - CH2 - CH3 CH3 Этиленовые углеводороды рассматривают как производные простейшего в данном гомологическом ряду углеводорода этилена, указывая названия радикалов, соединѐнных с этиленовой группировкой >C=C< . Количество одинаковых радикалов обозначают с помощью греческих числительных «ди-», «три-», «тетра-». При наличии двух одинаковых или разных радикалов указывают, симметрично (симм-) или несимметрично (несимм-) они расположены по отношению к этиленовой группировке. 51 Если с этиленовой группировкой связаны три или четыре неодинаковых радикала, образующие еѐ атомы углерода можно обозначить греческими буквами , , и таким образом обозначить положения радикалов. Например: — этилэтилен CH2=CH-CH2-CH3 — симм-диметилэтилен CH3-CH=CH-CH3 CH3 CH2=C-CH3 — несимм-диметилэтилен CH3 CH3-CH2-CH=C-CH3 — ,-диметил--этилэтилен CH3 CH3-CH2-C=CH-CH3 — ,-диметил--этилэтилен. Ацетиленовые углеводороды рассматривают как производные простейшего в данном гомологическом ряду углеводорода ацетилена, указывая названия радикалов, соединенных с ацетиленовой группировкой -CC- . Одинаковые радикалы обозначают с помощью греческого числительного «ди-». Например: — метилацетилен CH3-CCH — метилэтилацетилен CH3-CC-CH2-CH3 — диметилацетилен CH3-CC-CH3 Первичные, вторичные, третичные спирты можно рассматривать как производные простейшего спирта — метилового, или карбинола, в котором водородные атомы замещены на один, два или три радикала. Название составляют из наименований радикалов, добавляя слово «карбинол». Количество одинаковых радикалов обозначают с помощью греческих числительных «ди-», «три-». Например: — пропилкарбинол CH3-CH2-CH2-CH2-OH CH3 CH3-CH2-CH-OH — метилэтилкарбинол CH3 CH3-CH-CH2-OH — изопропилкарбинол 52 CH3 CH3-C-OH CH3 — триметилкарбинол Все альдегиды рассматриваются как производные уксусного альдегида, в котором атомы водорода замещены на углеводородные радикалы. Например: — пропилуксусный альдегид CH3-CH2-CH2-CH2-CHO CH3-CH2-CH-CHO CH3 — метилэтилуксусный альдегид CH3 CH3-C-CHO CH3 — триметилуксусный альдегид Кетоны рассматриваются как производные ацетона, в котором атомы водорода замещены на углеводородные радикалы. Количество одинаковых радикалов обозначают с помощью греческих числительных «ди-», «три-», «тетра-» и т.д. При наличии двух одинаковых или разных радикалов указывают, симметрично (симм-) или несимметрично (несимм-) они расположены по отношению к кетонной группировке. Например: — этилацетон O CH3-CH2-C-CH2-CH3 — симм-диметилацетон = O CH3-C-CH2-CH2-CH3 = Аналогично альдегидам карбоновые кислоты рассматриваются как производные уксусной кислоты, в которой атомы водорода замещены на углеводородные радикалы. Например: — этилуксусная кислота CH3-CH2-CH2-CООH CH3-CH2-CH-CH2-COOH CH3 — втор-бутилуксусная кислота CH3 CH3-C-COOH CH3 — триметилуксусная кислота 53 1.6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О КИСЛОТНО-ОСНÓВНЫХ СВОЙСТВАХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Существует несколько определений кислоты и основания. Они отличаются широтой охвата круга веществ, относящихся к кислотам и основаниям. 1. После появления теории электролитической диссоциации сформировалась первая научная теория кислот и оснований (С. Аррениус*, В. Оствальд*, 1890 год). Согласно этой теории, кислоты в водных растворах повышают концентрацию катионов водорода Н+ и поэтому могут рассматриваться как это источники протонов. Например: HCl H+ + Cl кислота Основания — источники гидроксид-ионов ОН в водных растворах. Например: NaOH Na+ + OH основание 2. Теория Й. Брѐнстеда* и Т. Лоури* (20-е годы ХХ в.) охватывает огромное число кислотно-основных взаимодействий не только в водных, но и в неводных растворах. По этой теории кислоты рассматриваются как источники протонов, а основания — как вещества, способные связывать протоны. В результате реакции основание превращается в сопряжѐнную кислоту, а кислота — в сопряжѐнное основание: NR3 + H+ HN+R3 основание сопряжѐнная кислота HCl H+ + Cl кислота сопряжѐнное основание ROH + NR3 RO + HNR3+ кислота основание основание кислота По Брѐнстеду–Лоури амфотерными могут быть и вещества, являющиеся типичными кислотами Аррениуса, т.е. диссоциирующие в водном растворе с образованием H+. Например: H2SO4 + HNO3 HSO4 + [H2NO3]+ кислота основание основание 54 кислота 3. И, наконец, Г. Льюис* одновременно с Й. Брѐнстедом и Т. Лоури предложил определение, по которому участие протона не обязательно для определения кислоты. Кислоты являются акцепторами электронной пары, а основания — донорами электронной пары. В этом случае к кислотам относятся катион водорода Н+, ионы металлов (например, Ag+, Hg2+), нейтральные молекулы (такие как ZnCl2, FeBr3, Al2O3) и т.д. Основаниями являются гидроксид-ион ОН, амины, простые эфиры и т.д. По Льюису, образование комплекса C2H5-O-C2H5 + BF3 (C2H5)2O+–BF3 — это кислотно-основное взаимодействие. Различие между этим комплексом и солью NaCl заключается только в разной жѐсткости связи между партнѐрами. В настоящее время эти две теории господствуют в органической химии как бы раздельно, взаимно дополняя друг друга. Согласно Брѐнстеду–Лоури, для того чтобы быть кислотой, соединение должно иметь водород. За редким исключением почти все органические соединения отвечают этому условию. Поэтому все они являются потенциальными брѐнстедовскими кислотами. А вот сила этих кислот определяется конкретной структурой соединений и главным образом природой атома, с которым связан водород. Элемент и связанный с ним атом водорода называют кислотным центром. По природе кислотного центра большинство брѐнстедовских кислот, относящихся к органическим соединениям, может быть представлено четырьмя типами: ОН-кислоты (карбоновые кислоты, фенолы, спирты), SНкислоты (тиолы), NН-кислоты (амины, амиды, имиды), CH-кислоты (углеводороды и их производные). Чем больше электроотрицательность атома, с которым связан водород, и больше его размер, тем выше кислотные свойства данного соединения. Поэтому можно было бы ожидать, что кислотность будет снижаться при переходе от SН- к ОН-, NН- и CH-кислотам. Если примыкающие к кислотным центрам радикалы одинаковы или близки по природе (например, алкильные группы), то такая закономерность действительно соблюдается: R-SН > R-ОН > R-NН2 > R-CH3 Если с кислотным центром связаны разные по природе заместители, то однозначную оценку кислотности соединений разных типов сделать очень трудно. Влияние примыкающего к кислотному центру радикала может стать более существенным, чем природа центрального атома в кислотном центре. 55 Например, нитрометан CH3NO2 (CH-кислота) по кислотности находится на уровне тиолов (SН-кислоты). В ряду кислот одного типа природа радикала у кислотного центра сильно влияет на кислотные свойства органических соединений. Например, в ряду ОН-кислот кислотные свойства убывают в следующем порядке: карбоновые кислоты > фенолы > спирты. Это связано с разным влиянием на кислотный центр окружающих его атомов и атомных группировок. В фенолах по сравнению со спиртами атом кислорода, являющийся кислотным центром, участвует в р--сопряжении за счѐт неподелѐнной электронной пары. Вследствие этого электронная плотность стягивается с кислорода на бензольное кольцо, что приводит к увеличению полярности связи О–Н. : O H Гетеролитический разрыв такой связи (отрыв катиона H+) протекает легче, и поэтому кислотные свойства у фенолов выражены сильнее, чем у спиртов. У карбоновых кислот кислотные свойства выражены ещѐ сильнее по причине сильного акцепторного эффекта С=О-группы, передаваемого тоже посредством р--сопряжения. R C O : O H В пределах одного класса соединений кислотные свойства изменяются в зависимости от длины и разветвлѐнности углеводородного радикала и наличия в нѐм заместителей (донорных или акцепторных). Например, в ряду спиртов RОН с увеличением длины и разветвлѐнности радикала R повышается величина суммарного электронодонорного эффекта, оказываемого им на кислотный центр, что приводит к возрастанию эффективного отрицательного заряда на атоме кислорода и уменьшению полярности связи О–Н, а значит, и к уменьшению способности катиона водорода к отрыву от атома кислорода. CH3 CH2 CH2 O H Следствием этого является понижение кислотных свойств. Однако если в углеводородном радикале имеются электроноакцепторные заместители, то это приводит к возрастанию кислотных свойств, уже независимо от длины углеводородного радикала. 56 В целом электроноакцепторный эффект, передаваемый заместителями на кислотный центр, приводит к увеличению кислотных свойств, а электронодонорный — к их уменьшению. Сила брѐнстедовских оснований, так же как и сила кислот определяется природой оснόвного центра и заместителями, с которыми он связан. Влияние природы атома, являющегося оснόвным центром, так же как и заместителей на оснόвные свойства органических соединений противоположно их влиянию на кислотные свойства. Так, например, амины являются более сильными основаниями, чем спирты, за счѐт того, что атом азота менее электроотрицателен, чем кислород, и слабее притягивает неподелѐнную пару электронов, посредством которой может происходить образование связи с протоном. : R NH2 + + H + R NH3 Поэтому катион водорода легче взаимодействует с атомом азота, чем с кислородом. В пределах одного класса электронодонорные заместители увеличивают оснόвные свойства, а акцепторные заместители, наоборот, понижают их. Например, в ряду тех же спиртов RОН с увеличением длины и разветвлѐнности радикала R повышается величина суммарного электронодонорного эффекта, оказываемого им на оснόвный центр, что приводит к возрастанию эффективного отрицательного заряда на атоме кислорода. В результате этого катион водорода из среды притягивается легче, что означает повышение оснόвных свойств. В целом, электронодонорный эффект, передаваемый заместителями на основный центр, приводит к увеличению оснόвных свойств, а электроноакцепторный — к их уменьшению. Количественную оценку кислотных и оснόвных свойств разных брѐнстедовских кислот и оснований можно дать, сравнивая концентрацию катионов водорода в их растворах (а в случае водных растворов — и концентрацию гидроксид-ионов). Для разных брѐнстедовских кислот HA концентрация катионов водорода зависит от положения равновесия: + HА H + А Равновесие, в свою очередь характеризуется константой, в данном случае — константой кислотности Ка (индекс «а» от английского acid – кислота): [ H ] [ A- ] Ка = [ HA] 57 Для оценки силы оснований В (в водных растворах) BH+ + ОН B + H2О можно привести константу равновесия [ BH ] [OH - ] К= [ B] [ H 2O] А основность характеризуют константой основности Кb («b» от английского base – основание) или константой кислотности его сопряжѐнной кислоты Ка: [ BH ] [OH - ] Кb = [ B] [ B] [ H ] Ка = [ BH ] Вместо величин Ка и Кb по аналогии с водородным показателем рН чаще используют соответствующее значение рК = –lgK. Следовательно, для водных растворов рК Н 2 О = рКа + рКb или рКа = 14 – рКb. Протонная (или протолитическая) теория Брѐнстеда–Лоури и электронная теория Льюиса не противоречат друг другу, а лишь взаимно дополняют одна другую. И поэтому в общем случае кислотно-основные отношения можно охарактеризовать как взаимодействие частиц, содержащих заполненную и вакантную орбитали. Однако лѐгкость протекания кислотно-основных реакций зависит не только от силы кислоты и основания, но и от другого свойства, учитывающего соответствие друг другу взаимодействующих (граничных) орбиталей. В связи с этим Р. Пирсоном* было введено представление о жѐстких и мягких кислотах и основаниях (принцип ЖМКО, или принцип Пирсона). Общий подход к делению кислот и оснований на жѐсткие и мягкие может быть охарактеризован следующим образом. Жѐсткие кислоты — это кислоты Льюиса, содержащие акцепторные атомы малого размера с большим положительным зарядом, большой электроотрицательностью и низкой поляризуемостью. Молекулярная орбиталь жѐстких кислот, на которую переходят электроны донора, имеет низкий уровень энергии. Это, например, катион водорода, катионы щелочных и щелочноземельных металлов, а также магния, бора, алюминия и их соединения. Мягкие кислоты — это кислоты Льюиса, содержащие акцепторные атомы большого размера с малым положительным зарядом, с небольшой электроотрицательностью и высокой поляризуемостью. Молекулярная орбиталь мягких кислот, принимающая электроны донора, имеет высокий уровень энергии. Это прежде всего катионы переходных, легко поляризуемых металлов, например, Cu+, Ag+, Au+, Hg+, Pt2+ и т.д. 58 Жѐсткие основания — это донорные частицы, в которых атомыдоноры имеют высокую электроотрицательность и низкую поляризуемость, они трудно окисляются (валентные электроны удерживаются прочно). Занятые граничные орбитали имеют низкую энергию. Это, прежде всего F, Cl, кислородосодержащие молекулы и анионы (Н2О, ОН, С2Н5ОН, С2Н5О, СН3СООН, СН3СОО, SО42, PО43, NО3, ClО4), аммиак, амины и их производные (NН3, NН2, R2NH и т.д.). Мягкие основания — это донорные частицы, в которых атомы-доноры имеют низкую электроотрицательность и высокую поляризуемость, они легко окисляются (валентные электроны удерживаются слабо). Занятые граничные орбитали имеют высокую энергию. Донорными атомами в мягких основаниях являются атомы углерода, серы, йода, фосфора. Это, например, I, RS, R2S, HS, S2О32, PR3, P(OR)3, R2С=СR2, С6Н6 . С учѐтом плавного изменения свойств атомов и взаимного влияния атомов в молекулах значительная группа кислот и оснований Льюиса занимает промежуточное положение. Это, например, кислоты Cu2+, Fe2+, Zn2+, R3C+, NO+, основания Br, С6Н5NH2, NО2. Понятия «жѐсткие» и «мягкие» кислоты и основания неравноценны понятиям «сильные» и «слабые» кислоты и основания. Это две независимые характеристики кислот и оснований. Например, слабое основание — вода и сильное основание — алкоксид-анион оба попадают в группу жѐстких оснований, а сильные основания RO и R3C надо отнести соответственно к жѐстким и мягким основаниям. Деление кислот и оснований на жѐсткие и мягкие позволяет руководствоваться простым правилом: жѐсткие кислоты преимущественно взаимодействуют с жѐсткими основаниями, а мягкие кислоты — с мягкими основаниями (принцип ЖМКО). При «жѐстком» взаимодействии реакция протекает в условиях зарядового контроля, так как маленькие по размеру атомы жѐсткой кислоты и жѐсткого основания имеют высокие значения локализованных положительного и, соответственно, отрицательного зарядов. Наоборот, при «мягком» взаимодействии реакция протекает в условиях орбитального соответствия. При этом взаимодействующие орбитали, близкие по размеру и энергии, образуют более прочные связи, чем орбитали, имеющие разную энергию. Принцип ЖМКО помогает не только объяснить конкретные экспериментальные результаты из области кислотно-основных взаимодействий, но и в значительной степени обладает предсказательным характером. Так, если в молекуле имеется несколько реакционных центров, то в зависимости от характеристики реагента (его жѐсткости или мягкости) можно прогнозировать направление реакции. 59 1.7. ОСНОВЫ СТЕРЕОХИМИИ Стереохимия — это учение о пространственном расположении атомов в молекуле. Оно исследует пространственное строение молекул и влияние его на физические и химические свойства веществ. Поэтому различают статическую стереохимию, занимающуюся проблемами стереоизомерии, и динамическую. Динамическая стереохимия изучает пространственные закономерности химических реакций. Здесь имеют значение размеры атомов, длины и углы связей. В настоящее время эта область развивается особенно плодотворно, и при рассмотрении химических свойств веществ каждого класса органических соединений необходимо учитывать пространственные возможности молекул. Но основу стереохимии составляет прежде всего статическая стереохимия. Поэтому далее необходимо рассмотреть пространственную изомерию (то есть стереоизомерию). Явление изомерии состоит в том, что могут существовать несколько отличных друг от друга по свойствам веществ, имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу. Эти вещества называют изомерами. Явления структурной изомерии довольно-таки подробно изучаются в школьном курсе органической химии. Там рассматриваются еѐ разновидности — скелетная изомерия (или изомерия углеродного скелета), например, бутан и изобутан, и позиционная изомерия (или изомерия положения функциональной группы или кратной связи), например, 1-хлорпропан и 2-хлорпропан. Стереоизомерия — изомерия, вызванная различиями в пространственном расположении атомов в молекулах. Выделяют два вида пространственной изомерии: конфигурационную и конформационную. Конфигурация — закономерность или порядок расположения в пространстве атомов или атомных группировок относительно другого атома, двойной связи и некоторых других структурных элементов. Для превращения одного конфигурационного изомера в другой необходим разрыв химических связей и образование новых связей в молекуле. Конформация — порядок пространственного расположения атомов в молекуле, обусловленный их внутренним вращением вокруг одинарных связей. Конфигурационную изомерию подразделяют на оптическую и геометрическую. 1.7.1. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ Многие органические соединения, в том числе и алканы, начиная с изомеров гептана, проявляют оптическую активность, то есть способность вращать плоскость поляризации света. Свет представляет собой электромагнитные волны, колебания которых перпендикулярны направлению их рас60 пространения. В естественном свете такие колебания происходят в разных плоскостях, а в поляризованном — только в одной плоскости. поляризованный свет неполяризованный свет (стрелками обозначена плоскость электромагнитных колебаний) При прохождении луча плоскополяризованного света через раствор оптически активного вещества плоскость поляризации этого луча отклоняется на некоторый угол , то есть происходит поворот луча плоскополяризованного света. Оптическая активность веществ связана с наличием в их молекулах атомов углерода, имеющих четыре разных заместителя и называющихся асимметрическими или хиральными (от греческого — рука). Оптическая изомерия обусловлена различным расположением в пространстве заместителей при асимметрическом атоме углерода. Например, в молекуле H X C Y Z атом углерода связан -связями с четырьмя различными заместителями, то есть он находится в центре тетраэдра. Но такой структурной формуле могут соответствовать две разных пространственных: H X H Y Z Y и Z X Они не идентичны друг другу, поскольку их невозможно совместить, но они являются зеркальным отображением друг друга. Молекулы, имеющие такие пространственные формулы, называются энантиомерами или зеркальными изомерами, или антиподами. Энантиомеры поворачивают луч плоскополяризованного света на один и тот же угол, но в разные стороны. Для обозначения правовращающего изомера используют знак (+), левовращающего — знак (–). 61 Хиральный атом углерода в составе молекулы иногда обозначают звѐздочкой «*», например, C*HXYZ. Молекулы, имеющие в своем составе хиральный атом углерода, также называются хиральными. Итак, необходимым условием появления таких пространственных изомеров является наличие четырѐх различных заместителей у тетраэдрического углерода. Если среди окружения атома углерода будут хотя бы две одинаковые атомные группировки H Y X H , то молекула не будет хиральна, так как зеркальное изображение еѐ в пространстве можно совместить с оригиналом, оптическая изомерия отсутствует. Для различия названий пространственных изомеров Р. Кан*, К. Ингольд* и В. Прелог* в 1951 году разработали удобную систему обозначения конфигурации хиральных центров молекул. В этой системе первоначально определяют порядок старшинства заместителей у хирального центра. Чем больше порядковый номер химического элемента в Периодической таблице, тем старше заместитель. Затем располагают модель молекулы так, чтобы самый младший заместитель был удалѐн от наблюдателя, а остальные три — приближены к нему. Если атомные номера этих трѐх заместителей убывают по часовой стрелке, конфигурацию обозначают буквой R (от латинского rectus – правый), если против часовой стрелки — буквой S (от латинского sinister – левый). Например, для энантиомеров бромфторхлорметана CHBrFCl это будет выглядеть так: F F H H Cl Br Br (R)-бромфторхлорметан Cl (S)-бромфторхлорметан В случае более сложных заместителей их старшинство определяется порядковым номером первого атома (т.е. непосредственно связанного с хиральным центром). Если же первые атомы одинаковы, то старшинство между этими заместителями устанавливается по сумме вторых атомов и т.д. Таким образом, по системе Кана–Ингольда–Прелога можно установить R- или S-конфигурацию любого оптического изомера, в том числе и среди углеводородов. Например, для простейшего из алканов, молекулы которого 62 обладают хиральностью, пространственное расположение заместителей вокруг асимметрического атома углерода может быть таким: CH2CH2CH3 H CH3 CH3CH2 (S)-3-метилгексан Данная система определения конфигурации (R- или S-) является абсолютной. Существует ещѐ система определения относительной конфигурации (D- или L-) по конфигурации соответственно D- или L-глицеринового альдегида. Но она пригодна далеко не для всех веществ и широко применяется для аминокислот, сахаров, гидроксикислот, родственных им соединений, природных веществ, обладающих оптической активностью. Для этого строение молекулы данного оптического изомера изображают при помощи проекционных формул, предложенных в 1890 году немецким химиком Э. Фишером* первоначально для углеводов. Для перевода тетраэдрических изображений в плоскостные руководствуются следующими правилами. Наиболее длинную углеродную цепь молекулы (но обязательно содержащую хиральный центр) располагают вертикально, при этом наиболее окисленный атом углерода должен быть наверху, или более строго — чтобы нумерация атомов в этой цепи по заместительной номенклатуре осуществлялась сверху вниз. Два других заместителя хирального атома углерода, находящиеся в тетраэдрическом изображении на переднем плане, располагают горизонтально. Тетраэдр проецируют на плоскость, то есть как бы сплющивают. Применим эти правила для изображения проекционной формулы одного из оптических изомеров молочной кислоты CH3-*CHOH-COOH COOH COOH * CH3 H COOH OH H * OH OH H CH3 CH3 Для отнесения к D- или L-ряду сравнивают расположение атома водорода и гидроксигруппы у хирального центра с расположением этих же групп 63 в молекуле D- или L-глицеринового альдегида, взятого за своеобразный стандарт: HC=O * H HC=O OH * HO CH2OH H CH2OH D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид В нашем примере, таким образом, оптический изомер молочной кислоты относится к D-ряду. Соответственно, может существовать и другой оптический изомер, имеющий иное расположение атома водорода и ОН-группы относительно асимметрического центра: COOH H * COOH HO OH CH3 и D-молочная кислота * H CH3 L-молочная кислота Формулы Фишера можно как угодно поворачивать в плоскости листа, но нельзя вынимать из плоскости и переворачивать. Этим они отличаются от обычных структурных формул. Смесь равных количеств двух энантиомеров называется рацемической смесью или рацематом. Рацемат, в отличие от антиподов, не обладает оптическими свойствами, то есть он оптически не активен; можно представить, что оптическая активность одного антипода нейтрализуется противоположной оптической активностью другого. При наличии в молекуле нескольких асимметрических атомов число оптических изомеров увеличивается. При этом при числе асимметрических центров n максимальное количество оптических изомеров N вычисляется по формуле: N = 2n. В качестве примера оптически активного соединения с несколькими хиральными атомами углерода можно взять 2,3-дигидроксибутановую кислоту CH3-*CHOH-*CHOH-COOH. Здесь два хиральных центра и, следовательно, должно быть четыре оптических изомера. Изобразим их с помощью проекционных формул Фишера. 64 COOH COOH COOH H * OH HO * H H * OH H * OH HO * H HO * H CH3 CH3 (1) (2) COOH HO * H H * OH CH3 CH3 (3) (4) Изомеры 1 и 2 по отношению друг к другу, а также 3 и 4 по отношению друг к другу являются антиподами, то есть зеркальным отображением друг друга. А оптические изомеры 1 и 3, 1 и 4, 2 и 3, 2 и 4 не являются оптическими антиподами. Такие оптические изомеры называются диастереомерами. Диастереомеры – это оптические изомеры, содержащие хотя бы одну пару асимметрических атомов с одинаковой конфигурацией, в отличие от энантиомеров, в молекулах которых конфигурации всех хиральных атомов противоположны. В отличие от антиподов диастереомеры имеют различные между собой физические свойства, так как в их молекулах отдельные фрагменты по-разному располагаются относительно друг друга, и их взаимное влияние различно. Для различия стереоизомеров, содержащих два хиральных центра, используют также названия эритро-форма и трео-форма. Эритро-изомерами называются те, в проекционных формулах которых боковые неводородные заместители находятся на одной стороне; трео-изомеры имеют боковые заместители на разных сторонах проекционных формул. Так, из вышеприведѐнных примеров стереоизомерных 2,3-дигидроксибутановых кислот формулы 1 и 2 относятся к эритро-изомерам, a формулы 3 и 4 — к треоизомерам. Поскольку диастереомеры различаются по физическим свойствам, разделение их смесей обычно не вызывает затруднений. Для этого используют различия в растворимости (разделение кристаллизацией), различие в температурах кипения (разделение перегонкой), различия в адсорбционной способности (разделение с помощью различных хроматографических методов). В отличие от этого энантиомеры различаются только направлением вращения луча плоскополяризованного света, ни по каким другим свойствам они не различимы и, следовательно, никакими обычными физическими методами разделить пару оптических антиподов непосредственно нельзя. В основе почти всех современных методов разделения рацематов лежат классические работы Л. Пастера. Эти работы дали следующие основные методы разделения рацемических смесей: 65 1. Механический способ применим, если при кристаллизации энантиомеры образуют кристаллы различной формы. Разделение проводят при помощи лупы и пинцета. Путѐм механического отбора кристаллов Пастер в 1848 году впервые выделил оптически активное вещество. 2. Биологический способ заключается в преимущественном разрушении микроорганизмами только одного из оптических антиподов. При этом если действию микроорганизмов подвергается рацемат, то за счѐт разрушения одного антипода другой энантиомер остаѐтся в чистом виде. В 1857 году Пастер наблюдал поглощение D-винной кислоты плесневым грибком Penicillum glaucum. 3. Химический способ заключается в образовании диастереомеров или, как вариант, молекулярных комплексов. Практически наиболее важным является способ разделения через диастереомеры. Сущность этого метода может быть выражена схемой: D1 . D2 D1 . L1 + D2 L1 . D2 Рацемическая смесь D1L1 подвергается действию оптически активного реагента D2. При этом образуется новая пара веществ D1D2 и L1D2, являющихся диастереомерами по отношению друг к другу. Диастереомеры можно разделить на основании различия их физических свойств (см. выше). Примером может служить расщепление рацемической смеси D- и Lмолочных кислот с помощью оптически активного амина: COO- COOH H * OH CH3 COOH HO H CH3 + H * NH 2 C2H5 * H HO * OH H + * NH 3 CH3 C2H5 COO- CH3 * H CH3 CH3 CH3 H + * NH 3 C2H5 Образующиеся соли диастереомерны, обладают разной растворимостью, на основании чего и могут быть разделены. 66 1.7.2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ Геометрическая изомерия — разновидность стереоизомерии, которая определяется различием пространственного расположения в молекулах пары заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла. Геометрическая изомерия возможна только в том случае, когда каждый из атомов углерода, образующих двойную связь (или цикл), имеет разные между собой заместители. Так, в структуре бут-2-ена у каждого из двух атомов углерода двойной связи разные заместители (СН3 и Н): СН3-СН=СН-СН3 Геометрическая изомерия ещѐ называется цис-транс-изомерией. В наиболее простых случаях цис-изомером является соединение, в котором оба атома водорода располагаются по одну сторону плоскости двойной связи, а транс-изомером — соединение с расположением атомов водорода по разные стороны двойной связи. Например, для стереоизомеров бут-2-ена CH3 CH3 C=C C=C H CH3 H H CH3 цис-бут-2-ен H транс-бут-2-ен Однако в общем случае, например, H Cl C=C CH3 C2H5 , для того, чтобы определить, является ли данное соединение цис- или трансизомером, необходимо использовать систему старшинства заместителей Кана–Ингольда–Прелога (см. оптическую изомерию — гл. 1.7.1). Если старшие заместители расположены по разные стороны плоскости двойной связи, то это — транс-изомер или конфигурацию называют Е (Entgegen — напротив), а если по одну сторону — цис-изомер или Z-конфигурация (Zusammen — вместе). В приведѐнном примере изображѐн транс-изомер (транс-2хлорпент-2-ен или Е-2-хлорпент-2-ен), так как старшими заместителями являются заместители Cl (старше, чем СН3) и С2Н5 (старше, чем Н). В молекулах геометрических изомеров атомы по-разному расположены в пространстве относительно друг друга. Этим обусловлены различия их физических и химических свойств. 67 1.7.3. КОНФОРМАЦИОННАЯ ИЗОМЕРИЯ В молекулах отдельные структурные элементы (атомы и атомные группировки) совершают вращательные и колебательные движения относительно друг друга, в том числе возможно свободное вращение вокруг углерод-углеродных -связей. Таким образом, молекулы алканов могут иметь множество положений атомов в пространстве, что является следствием такого вращения. Конформационная изомерия как вид стереоизомерии связана с различным пространственным расположением атомов в молекуле, обусловленным таким вращением. Поэтому конформационная изомерия характерна для всех органических соединений (за исключением наиболее простых), в том числе и для насыщенных углеводородов, начиная с этана C2Н6. Различные положения атомов и атомных группировок в пространстве, возникающие в результате их вращения вокруг -связей, называются конформациями данной молекулы. Те состояния, которые отвечают минимумам (а иногда считается, и максимумам) на энергетической диаграмме, именуются конформационными изомерами или конформерами. Их взаимные переходы обозначаются как конформационные переходы. В реальности жидкие и газообразные вещества существуют в виде смесей конформеров, среди которых преобладают энергетически более выгодные. Для лучшего рассмотрения этих конформаций модели молекул проецируются на плоскость (проекции Ньюмена*). На рисунке наблюдатель смотрит вдоль оси связи C–C (относительно которой рассматриваются конформации) и видит, что один атом углерода находится за другим. Ближайший к наблюдателю атом углерода изображают точкой; от него идут три связи к трѐм другим атомам. Более удаленный атом углерода изображают в виде круга; принадлежащие ему заместители как бы «высовываются» из-за круга. Рассмотрим внутримолекулярное вращение этана H3C–CH3 вокруг связи C–C. В этом процессе одна из метильных групп молекулы может занимать относительно другой метильной группы множество положений, из которых два (А и В) (А) (В) представляют особый интерес. Изобразим их проекционными формулами Ньюмена: 68 H H H HH H H H H H H H (А) (В) Угол поворота одной атомной группировки относительно другой обозначается и называется торсионным углом. При значениях = 0° (360°), 120° и 240° (–120°) атомы водорода находятся один за другим (максимально сближены в пространстве). Такую конформацию (В) называют заслонѐнной. За счѐт ван-дер-ваальсового отталкивания атомов и отталкивания спаренных электронов химической связи эта конформация обладает максимальной конформационной энергией (наименее стабильна). При значениях = 60°, 180° и 300° (–60°) атомы водорода максимально удалены один от другого. Эта конформация (А), которую называют заторможенной, скошенной или гошконформацией, обладает минимальной конформационной энергией (наиболее стабильна). В случае этана три энергетические ямы при заторможенной конформации и три энергетических барьера при заслонѐнной конформации одинаковы. Между двумя экстремальными случаями существуют промежуточные конформации. Вращение от устойчивой и до неустойчивой конформации требует определѐнной энергии. Величина энергетического барьера, затрудняющего превращение заторможенного конформера в заслонѐнный, называется поворотной или торсионной энергией, или торсионным напряжением. Для этана эта энергия составляет 12 кДж/моль, что при обычных условиях соответствует частоте перехода из одной гош-конформации в другую, равной 1010 с-1 (каждую секунду происходит 1010 переходов). В то же время на 10 000 молекул этана, обладающих заторможенной конформацией, приходится лишь одна, обладающая заслонѐнной конформацией. Энергетическая диаграмма внутримолекулярного вращения этана изображена на рисунке 1.1. Сложнее обстоит дело с соединениями типа RCH2-CH2R. Рассмотрим конформации бутана (R = CH3), возникающие при его внутримолекулярном вращении относительно центральной C–C связи (рис.1.2). 69 Энергия Энергия Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма внутримолекулярного вращения этана Рис.1.2. Энергетическая диаграмма внутримолекулярного вращения бутана относительно связи С2–С3 Зависимость конформационной энергии от торсионного угла 1,2-дизамещѐнных этанов в принципе схожа с энергетической кривой незамещѐнного этана. Однако глубина энергетических ям и высота энергетических барьеров в этом случае различны. Самый глубокий минимум принято называть глобальным, остальные — локальными. Свободному вращению вокруг -связи препятствуют громоздкие заместители у атомов углерода. Таким об70 разом, барьеры вращения для поворота вокруг связи C2–C3 в н-бутане больше, чем в этане. Несмотря на этот энергетический барьер, конформеры н-бутана не могут быть разделены. В общих чертах величина энергетического барьера должна быть около 80100 кДж/моль, чтобы предотвратить быстрое взаимное превращение и выделить конформеры при комнатной температуре. При удлинении молекулы (увеличении числа связей, вокруг которых возможно вращение) число конформеров растет в геометрической прогрессии. С другой стороны, замыкание цепи в цикл накладывает ограничения на вращение вокруг связей. Атомы уже не могут совершать полный оборот 360°, что приводит к резкому уменьшению числа возможных конформеров. 1.8. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ПОНЯТИЕ О МЕХАНИЗМЕ РЕАКЦИЙ. РАСТВОРИТЕЛИ И КАТАЛИЗАТОРЫ Реакции в органической химии можно классифицировать несколькими способами в зависимости от выбранных критериев. Однако органическими реакциями принято называть реакции, протекающие по атому углерода в органической молекуле и сопровождающиеся разрывом и/или образованием химических связей с участием углеродных атомов. Поэтому строго к органическим реакциям не относятся, например, кислотно-оснόвные взаимодействия с участием спиртов, фенолов, карбоновых кислот, аминов, диазотирование аминов и некоторые другие. При классификации по структурным изменениям в исходных веществах можно выделить следующие типы реакций. 1. Реакции замещения. Обозначаются буквой S (Substitution). Это реакции, протекающие с разрывом -связи и образованием новой -связи. Реакции данного типа очень распространены. В общем виде их можно представить так: A–B + X A–X + B Пример: CH3Br + OH CH3OH + Br 2. Реакции присоединения. Обозначаются Аd (Addition). Это реакции, сопровождающиеся разрывом -связей в исходном веществе и образованием новых -связей в продукте реакции. Данный тип реакций характерен только для веществ, имеющих -связи. В общем виде: A = B + X-Y A X 71 B Y CH2=CH2 + HBr CH3–CH2Br Пример: 3. Реакции отщепления (или элиминирования). Обозначаются буквой Е (Elimination). Это реакции, в которых из молекулы удаляются два атома или две группы без замещения другими атомами или группами, сопровождающиеся образованием -связей в продукте реакции. Они обратны реакциям присоединения. В общем виде: A X B Y - XY A=B Элиминирование водорода называют дегидрированием, а отщепление воды — дегидратацией. Пример: CH2 = CH2 CH2 - CH2 -H O 2 H OH Другие реакции отщепления — это дегидрогалогенирование (отщепление галогеноводорода), декарбоксилирование (отщепление диоксида углерода), декарбонилирование (отщепление монооксида углерода). 4. Реакции перегруппировок. Это реакции, связанные с изменением скелета молекулы. Их часто можно представить в виде одной или нескольких реакций замещения. Это реакции, протекающие по схеме: A-B A-B C C Кроме того, существуют окислительно-восстановительные реакции. Выделение данных реакций в отдельную группу условно. Образование новых веществ всегда сопровождается разрушением старых молекул: разрываются старые связи и образуются новые. В зависимости от того, как разрывается химическая связь и образуется атакующая частица, реакции можно разделить на два типа: ионные и радикальные. Помимо этого существует небольшая группа согласованных (синхронных) реакций. Радикальные реакции осуществляются при участии частиц, которые называются радикалами (или свободными радикалами), а сами реакции с их участием — радикальными. Радикальные частицы образуются при гомолитическом разрыве ковалентной связи. В образующихся фрагментах остается по одному неспаренному электрону А : В А + В Например: Cl : Cl Cl + Cl 72 Ионные реакции осуществляются при участии заряженных частиц, которые образуются при гетеролитическом разрыве ковалентной связи. Общая электронная пара при этом остаѐтся на одном из фрагментов: А : В А+ + электрофил Примеры: :В нуклеофил HBr H+ + :Вr Br : Br Br+ + :Вr Если в гетеролитических реакциях реагент отдаѐт пару электронов для образования новой связи, он является нуклеофилом, а реакции называются нуклеофильными. Нуклеофильная частица может быть заряжена отрицательно (Вr, OH, C2H5O) или может быть электронейтральна (H2Ö, C2H5ÖH, : NH3). Если же в реакциях при образовании новой связи реагент принимает пару электронов на вакантную (или частично вакантную) орбиталь, он является электрофилом, а реакции называются электрофильными. Электрофильная частица может быть заряжена положительно (H+, NO2+, Br+), или она может быть электронейтральна (BH3, Br2, H2CO). Таким образом, в зависимости от природы атакующей частицы все органические реакции можно разделить на радикальные (R), нуклеофильные (N) и электрофильные (E). Поэтому перечень типов реакций весьма многообразен, для каждого из них имеется своя аббревиатура. Вот некоторые типичные случаи: AdR — радикальное присоединение, AdN — нуклеофильное присоединение, AdE — электрофильное присоединение, SR — радикальное замещение, SN — нуклеофильное замещение, SE — электрофильное замещение, E — отщепление. Согласованные, или синхронные, реакции отличаются от радикальных, нуклеофильных и электрофильных тем, что разрыв старых связей и образование новых происходят практически одновременно в переходном состоянии при взаимодействии двух молекул (без участия радикальных или ионных частиц). Примером может служить реакция диенового синтеза, для которой наиболее вероятным является синхронный механизм (гл. 4.3.3). Многие химические реакции органических соединений могут идти в нескольких возможных направлениях, подчиняясь термодинамическим и кинетическим закономерностям. Направление процесса определяется, как правило, термодинамической устойчивостью продуктов возможных реакций, а скорость — кинетическими факторами. Реакция называется селективной, если приводит к преимущественному образованию одного продукта. Если же в результате реакции образуется только один продукт, то такая реакция называется специфической. 73 Необходимо различать химическую селективность, региоселективность и стереоселективность. Химическая селективность обусловлена различной реакционной способностью разных функциональных групп или протеканием реакций разного типа. В случае проявления региоселективности происходит протекание реакции по данной функциональной группе, приводящее к образованию разных структурных изомеров. В свою очередь стереоселективность обусловлена преимущественным образованием одного из стереоизомеров. Здесь можно выделить также понятие энантиоселективности, которое подразумевает преимущественное образование одного из энантиомеров. С примерами проявления селективности и специфичности разных химических превращений мы ознакомимся позже, по ходу изучения фактического материала в свойствах различных классов органических соединений. Большинство химических реакций органических соединений включает несколько последовательных стадий. При этом механизмом реакции называется детальное описание пути, ведущего от исходного вещества к продуктам реакции, включающее описание промежуточных соединений и переходных состояний (активированных комплексов). Промежуточное соединение (или интермедиат) — это вполне определѐнное химическое соединение, которое в принципе может быть выделено и охарактеризовано. Промежуточные соединения образуются на отдельных этапах процесса. В условиях реакции они обычно превращаются дальше с образованием конечного продукта. В отличие от исходных веществ и конечных продуктов они обладают большим запасом энергии и, соответственно, высокой реакционной способностью. Переходное состояние — это совсем иное. Это именно мгновенное состояние реагирующей системы, которое возникает при столкновении частиц и имеет период жизни, соответствующий периоду двух межатомных колебаний (10 13с). После этого переходное состояние распадается на исходные или новые вещества. Оно в принципе не может существовать в статическом режиме, так как характеризуется максимумом энергии; в свою очередь, энергия, необходимая для его достижения, есть энергия активации. Применение катализатора приводит к снижению энергии активации и соответственно к увеличению скорости химической реакции. Другими словами, влияние катализатора состоит в том, что он направляет реакцию по другому пути, что часто сопровождается образованием более устойчивых промежуточных соединений. К процессам кислотно-оснόвного катализа в органической химии относятся многочисленные реакции, протекающие по нуклеофильному и электрофильному механизмам, многие реакции изомеризации, каталитического крекинга и др. Типичные катализаторы этих процессов — вещества, способные отдавать или принимать протон от реагентов или же способные к гетеролитическим взаимодействиям с реагентами. Среди этих веществ — про74 тонные (H2SO4, CH3COOH, HF) и апротонные (BF3, AlCl3) кислоты, аморфные и кристаллические алюмосиликаты, оксид алюминия, фосфаты, сульфаты. Активными центрами в них является протонный центр H+ (центр Брѐнстеда) или акцептор электронной пары, например атом алюминия (центр Льюиса). Применяются и катализаторы оснόвного характера (растворѐнные основания, твѐрдые CaO, MgO и др.). В случае полифункциональных катализаторов отдельные этапы сложных каталитических процессов протекают на разных составных частях многокомпонентной многофазной системы. Типичными катализаторами здесь являются переходные металлы и их соединения. Это многочисленные реакции гидрирования C=C, CC, C=O, NO2-групп. Растворители могут оказывать решающее влияние на ход органических реакций. Природа растворителей может влиять на тип реакций, еѐ направление (селективность), стереохимию реакции (стереоселективность) и скорость реакции. Это влияние обусловлено физическими свойствами растворителя (температурой кипения, дипольным моментом, диэлектрической проницаемостью), химическими свойствами растворителя (кислотным или оснόвным характером) и его растворяющей способностью. Эти разнообразные свойства могут влиять одновременно. Обычно растворимость данного соединения тем выше, чем больше его сходство с растворителем. Можно выделить два типа растворителей: углеводороды (гексан, бензол) и воду. Вещества растворяются в углеводородах тем лучше, чем лучше выражен у их молекул гидрофобный (или липофильный) характер, то есть чем бóльшая часть молекулы вещества имеет углеводородный характер. Например, октан-1-ол CH3(CH2)6CH2OH лучше растворяется в углеводородах, чем метанол CH3OH. Напротив, вещество тем лучше растворимо в воде, чем больше в составе еѐ молекул гидроксильных групп (гидрофильного характера) или, в общем случае, полярных групп. Поэтому все применяемые в органической химии растворители различаются по полярности на сильнополярные, малополярные и неполярные. Кроме того, полярные растворители делятся на две большие группы: протонные и апротонные. Молекулы протонных растворителей содержат в своѐм составе подвижные атомы водорода, например, вода, спирты ROH, аммиак, кислоты. Молекулы апротонных растворителей подвижных атомов водорода не содержат, например, простые эфиры ROR, ацетон CH3COCH3. Протонные растворители обладают одновременно нуклеофильными и электрофильными свойствами. Нуклеофильные свойства определяются наличием атомов с неподелѐнными электронными парами, а электрофильные — способностью образовывать водородные связи за счѐт подвижных атомов водорода, то есть они сольватируют и катионы, и анионы. Апротонные полярные растворители — это растворители с нуклеофильными свойствами, так как содержат атомы с неподелѐнными парами 75 электронов. При этом катионы сольватируются, а анионы остаются относительно свободными. Проведению реакций часто благоприятствует то, что реагирующие соединения находятся в реакционной среде в растворѐнном состоянии. Однако в отдельных случаях выгодно проводить реакцию в двух несмешивающихся растворителях, например в воде и бензоле. Применение растворителя с высокой температурой кипения позволяет проводить реакцию при высокой температуре без использования повышенного давления (в автоклаве). 1.9. МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ Успешному развитию теоретической и синтетической органической химии содействовали химические и физико-химические методы анализа веществ. В случае синтеза нового соединения необходимо подтвердить или установить его состав и строение. Первоначально определяют его качественный состав. Обычно в состав органических соединений входят углерод, водород, кислород, часто азот, сера, хлор, бром, а в ряде случаев и другие элементы. Для определения качественного состава органических соединений широко используют деструктивные реакции, например деструктивное окисление. Так, для определения углерода и водорода испытуемый образец нагревают с избытком окислителя, чаще всего с порошком оксида меди (II). Выделение СО2 указывает на наличие углерода, а Н2О — водорода. Для определения азота небольшую порцию органического вещества сплавляют с кусочком натрия, при этом образуется цианид натрия, который легко обнаруживается по появлению синего окрашивания после добавления солей железа вследствие образования Fe4[Fe(CN)6]3. Для определения остальных элементов используют другие аналитические методы. Количественный анализ органических соединений основан на термической деструкции взвешенных проб препарата в среде окислителя или восстановителя. Например, для микроопределения углерода и водорода нагревают навеску вещества до 1170 К в токе кислорода; при этом выделяются CO2 и H2O, количественно поглощающиеся в специальных трубках. Чтобы установить молекулярную формулу вещества, необходимо знать молекулярную массу, а еѐ определяют обычно методом эбуллиоскопии или криоскопии. Однако установление молекулярной формулы химического вещества часто является недостаточным, чтобы приписать ему необходимую структуру. Так, например, этанол C2H5OH и диметиловый эфир CH3OCH3 имеют одну и ту же молекулярную формулу C2H6O. Поэтому необходимо 76 дополнительное проведение функционального анализа на гидроксигруппу спирта или эфирную группировку C–O–C. Из физических методов определения строения органических веществ широко используют оптическую спектроскопию, ИК-, УФ-спектроскопию, масс-спектрометрию, ядерный магнитный резонанс, хроматографию, рентгеноструктурный анализ и др. Рентгеноструктурный анализ химического соединения является уникальным методом, позволяющим получить данные о пространственном расположении атомов в молекуле этого соединения, о длине связей между атомами и о валентных углах. Он основан на дифракции рентгеновских лучей в кристалле вещества. При анализе органических соединений часто используют оптическую спектроскопию, в основе которой лежит исследование зависимости поглощения света от длины волны. При пропускании света — ультрафиолетового, видимого или инфракрасного — через раствор органических веществ обычно происходит ослабление его интенсивности. В результате этого с помощью спектроскопа получают спектр поглощения, характерный для того или иного вещества. Видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение отличаются длиной волны электромагнитного колебания: 1 4102 нм для ультрафиолетового, 4 8102 нм для видимого и 103 105 нм для инфракрасного. Молекула из основного энергетического состояния с энергией Е1 переходит в возбуждѐнное состояние с энергией Е2. Поглощѐнная молекулой энергия Е расходуется на возбуждение электронов, колебания атомов и вращения молекулы. Широкое распространение получила инфракрасная (ИК) спектроскопия. Молекулы в данной области спектра поглощают свет. Это поглощение связано с возбуждением колебательного и вращательного движений частиц. ИК-спектр является вращательно-колебательным. Колебания атомов в молекуле происходят с определѐнными частотами и похожи на колебательные движения шариков на пружинах в модели молекулы. Эти собственные колебания определяются массой атомов, формой молекулы и силой химических связей, соединяющих атомы в молекулы. ИК-спектроскопия позволяет идентифицировать имеющиеся в соединениях функциональные группы и структурные элементы. Каждой химической связи соответствует вполне определѐнная полоса поглощения (длина волны), так как на возбуждение еѐ колебаний расходуется определѐнная энергия. По положению в спектре максимумов поглощения можно точно установить, какие связи имеются в исследуемом веществе. Атомные группы и определѐнные связи характеризуются значениями частот, мало отличающимися в различных соединениях. Такие частоты получили название характеристических. 77 Однако в настоящее время наиболее информативным методом для идентификации органических соединений является спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод основан на измерении поглощения веществом радиоизлучения определѐнной частоты вследствие энергетических переходов атомных ядер в сильном магнитном поле с одного магнитного энергетического уровня на другой. Сигнал ЯМР могут вызвать только ядра со спиновым квантовым числом, отличным от нуля. Наиболее удобны для ЯМР-спектроскопии ядра, имеющие полуцелый спин, например, 1Н, 13С, 15N. Наиболее широко применяют протонный магнитный резонанс (ПМР) как разновидность ядерного магнитного резонанса. В спектре ПМР по оси абсцисс откладывается так называемый химический сдвиг сигнала. В принципе, можно откладывать напряжѐнность магнитного поля или частоту радиоволн. Сигналы ПМР очень чувствительны к структурным изменениям в молекуле, к окружению атома. Поэтому почти каждый атом водорода в молекуле или группа водородных атомов одного типа даѐт свой сигнал в спектре ПМР. Этим методом можно изучать не только структуру, но и межмолекулярное взаимодействие, кинетику реакций. Температура плавления. Чистые кристаллические вещества переходят из твѐрдого состояния в жидкое при строго определѐнной температуре, называемой температурой плавления. Она является важнейшей физической константой органических соединений, широко привлекаемой для их идентификации и контроля степени чистоты. Для каждого индивидуального соединения обычно характерна определѐнная величина температуры плавления. Температура плавления зависит как от молекулярной массы соединения, так и от характера и количества функциональных групп, входящих в состав молекулы. Кроме того, существенное влияние оказывает характер углеродного скелета, его разветвлѐнность и наличие циклов. В кристаллическом состоянии расстояния между частицами вещества близки к их размерам; вещество имеет упорядоченную, однородную структуру с жѐстко закреплѐнными в пространстве частицами в кристаллической решѐтке. Для разрушения такой решѐтки необходимы более или менее значительные энергетические затраты, зависящие от характера взаимодействий между частицами. Чем прочнее кристаллическая решѐтка, тем выше температура плавления вещества. Твѐрдые вещества могут существовать в аморфном (бесформенном) состоянии. Межмолекулярные взаимодействия в них слабее, чем в кристаллических веществах, и температуры плавления не строго фиксированы. Температура кипения. Переход из жидкого состояния в газообразное характеризуется определѐнной температурой, при которой парциальное давление данной жидкости становится равным общему давлению газовой среды, в которой эта жидкость находится. Поэтому температура кипения зависит от давления. Температура кипения при нормальном атмосферном давлении 78 (1 атм или 101325 Па, или 760 мм рт. ст.) является константой, характерной для каждого соединения. Температура кипения более закономерно зависит от строения, чем температура плавления. Общим правилом является повышение температуры кипения с увеличением молекулярной массы, так как в этом случае более сильны взаимодействия между молекулами жидкости. Однако следует особо выделить соединения, которые в жидком состоянии ассоциированы вследствие образования межмолекулярных водородных связей. К их числу относятся все соединения, молекулы которых содержат гидроксильные группы, амино- и иминогруппы. Эти соединения характеризуются более высокой температурой кипения, чем этого следовало бы ожидать, исходя из их молекулярной массы. Относительная плотность вещества. Плотность вещества является одним из показателей плотности упаковки молекул. Поэтому для соединений с нормальной (неразветвлѐнной) углеродной цепью плотность будет выше, чем для разветвлѐнных аналогов. Относительная плотность вещества также зависит от температуры. Поэтому необходимо обязательно указывать температуру, при которой проводились измерения. Верхний и нижний индексы при обозначении плотности d420 показывают соответственно, что плотность данного вещества измерена при 20С (293 К) и отнесена к плотности воды при 4С (277 К) (плотность воды при этой температуре точно равна 1 г/мл). Молекулярная рефракция. Эта величина представляет собой меру молярной поляризуемости данного соединения. Чем она больше, тем меньшее внешнее электрическое поле требуется для вызова данного искажения в распределении электронного заряда. Молекулярная рефракция имеет аддитивные свойства, то есть молекулярная рефракция молекулы может быть получена суммированием рефракций составных частей этой молекулы. Такими составными частями являются химические связи и совокупности атомов и связей. Эти рефракции вычислены на основе исследований многих органических соединений и могут быть найдены в справочниках. Для установления структуры соединения экспериментально определяют молекулярную рефракцию и сравнивают с рефракцией, полученной суммированием рефракций связей по предполагаемой структурной формуле. 1.10. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ДЕЙСТВИИ И МЕТАБОЛИЗМЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В организме человека протекает множество химических реакций, в которых участвуют разнообразные химические вещества. Эти вещества в большинстве своѐм являются естественными составляющими организма. Но 79 в процессе жизнедеятельности в организм из внешней среды попадают также чужеродные данному организму вещества. Эти вещества называются ксенобиотиками. В одних случаях ксенобиотики могут не обладать выраженной биологической активностью и не вызывать никаких видимых изменений в организме. В других же случаях, когда ксенобиотики, взаимодействуя с биологическими субстратами, изменяют течение биохимических процессов в организме, они называются биологически активными веществами. Среди биологически активных веществ выделяют физиологически активные вещества — соединения, нормализующие функционирование организма, и лекарственные вещества — соединения, обладающие терапевтическим или профилактическим действием. По химическим механизмам действия различные вещества можно разделить на две группы. В первую группу входят вещества, биологический эффект которых возникает в результате образования с биологическими макромолекулами (компонентами клеток) надмолекулярных комплексов, стабилизированных нековалентными связями (взаимодействие лиганд – рецептор). Во вторую — входят вещества, образующие с биологическими молекулами ковалентные связи. В первом случае взаимодействие обратимо и взаимодействующие молекулы остаются неизмененными, во втором случае происходит необратимое изменение взаимодействующих молекул. Действие данного вещества на организм, вызываемые им эффекты, их длительность и интенсивность определяются химической структурой его молекулы. При этом проникновение, распределение и выведение вещества определяются в первую очередь его способностью растворяться в жирах и воде, что обусловлено балансом липофильных и гидрофильных свойств вещества. Поэтому химические свойства и химическое строение определяют поведение и судьбу органического вещества в организме и вызываемые ими биологические эффекты. Метаболизм (или биотрансформация) органических соединений — это изменение их химической структуры под действием различных биохимических систем организма. В результате биотрансформации ксенобиотиков (в т.ч. лекарственных веществ) образуются их производные, называемые метаболитами. Как правило, метаболиты представляют собой более полярные и более гидрофильные соединения. Более высокая растворимость в воде метаболитов по сравнению с исходным ксенобиотиком способствует их ускоренному выведению из организма. Метаболизм ксенобиотиков (и лекарственных веществ) осуществляется в основном в печени и в меньшей степени в других внутренних органах (желудочно-кишечном тракте, легких, почках и некоторых других). Например, основное направление метаболизма углеводородов в организме человека и животных — это окисление (гл. 2.6). Скорости реакции 80 окисления алканов незначительны. Конечными продуктами реакции являются соответствующие спирты, альдегиды (или кетоны) и далее кислоты. Таким образом, метаболизм ксенобиотиков является функцией химической защиты организма, способствующей быстрому выведению не свойственных организму веществ. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Объясните различие современных понятий «химическая структура» и «пространственное строение» молекулы. 2. Будет ли в молекуле этилена CH2=CH2 строгая sp2-гибридизация атомных орбиталей углерода? Приведите хотя бы один пример углеводорода из школьного курса химии, в молекуле которого была бы строгая sp2гибридизация. 3. Каково пространственное строение молекул пропена СН2=СН-СН3 и пропина СНС-СН3 ? 4. Объясните малую прочность -связи. Сравните еѐ с прочностью -связи. 5. Какие атомы или атомные группировки обладают положительным, а какие — отрицательным индуктивным эффектом: 1) -CH2F, 2) -Li, 3) -NH2, 4) -CHF2, 5) -CF3, 6) -I, 7) -PH2, 8) -CH3, 9) -Na, 10) -CH2OH, 11) -CCl3, 12) -SH, 13) -NO2, 14) -+PH3, 15) -MgBr, 16) -CHCl2, 17) -Cl, 18) -BH2, 19) -CH=O, 20) -OH, 21) -C2H5, 22) -CdCl, 23) -CH2Cl, 24) -CH2CH2CH2CH3 ? 6. Будет ли частичный положительный заряд на атоме углерода в трихлорметане СНCl3 в три раза больше, чем в хлорметане СН3Cl ? Поясните. 7. Как вы понимаете смысл устоявшихся химических терминов «брѐнстедовская кислота» и «кислота Льюиса»? Существует ли между ними различие? В чѐм оно заключается? 8. Какие атомы углерода являются хиральными центрами в следующих структурах: 1) СН3-СНF-СН2F; 2) СН3-СНFBr; 3) СН3-СНF-СН2-СН3; 4) СН2Br-СНF-СН3 ? 9. Изобразите при помощи формул Фишера оптические изомеры, соответствующие следующим структурным формулам:1) CH3-CH(OH)-CH2OH, 2) ClCH2-CHOH-CH2Br, 3) HOCH2-CH(NH2)-CH(OH)-COOH. Определите их абсолютную конфигурацию. 10.В каких случаях общее число оптических изомеров может быть меньше определяемого по формуле N = 2n ? Изобразите с помощью проекционных формул Фишера все оптические изомеры винной кислоты HOOC-CHOH-CHOH-COOH. 81 11.Дайте названия для следующих углеводородов с учѐтом их стереоизомерии: а) б) CH=CH2 CH=CH2 H3C HC C C C C C CH3 H2C C H C2H5 CH CH3 CH3 12.При помощи формул Ньюмена изобразите конформеры вещества СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 относительно связи С2–С3 . Сравните их устойчивость. 13.Изобразите проекции Ньюмена наиболее стабильных конформаций следующих соединений: а) (3R,4R)-3,4-диметилгексан, б) (3R,4S)-3,4диметилгексан. 82 Глава 2. АЛКАНЫ Синонимы — предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины. Это углеводороды, содержащие линейные и разветвлѐнные, но не циклические цепи атомов углерода и только -связи. 2.1. НОМЕНКЛАТУРА. ИЗОМЕРИЯ Для названия предельных углеводородов преимущественно применяется заместительная номенклатура ИЮПАК, хотя возможно применение и других номенклатур (например, рациональной). Применяются также и тривиальные названия некоторых широко употребительных соединений: изобутан, изооктан, триптан и некоторые другие. Например: CH3-CH-CH3 CH3 изобутан CH3 CH3 CH3-C-CH2-CH-CH3 CH3 изооктан CH3 CH3 CH3-C-CH-CH3 CH3 триптан Само наименование «алканы» — это название данного класса по заместительной номенклатуре. Углеводороды, содержащие от одного до четырех атомов углерода, имеют исторически сложившиеся названия: CH4 — метан, C2H6 — этан, C3H8 — пропан, C4H10 — бутан. Названия следующих представителей по заместительной номенклатуре образованы от греческих числительных с добавлением суффикса -ан: C5H12 — пентан, C6H14 — гексан, C7H16 — гептан, C8H18 — октан, C9H20 — нонан, C10H22 — декан и т.д. Для разветвлѐнных углеводородов названия строятся по общим правилам заместительной номенклатуры (гл. 1.5.1). Например: CH3-CH-CH3 CH3 CH3 CH2 CH3-CH2-CH2-CH-CH-CH3 CH3 2-метилпропан 2-метил-3-этилгексан Для названия насыщенных углеводородов по рациональной номенклатуре за основу берут один из атомов углерода в формуле углеводорода, который требуется назвать (обычно тот, вокруг которого сгруппировано наибольшее число наиболее простых радикалов), принимая его за углерод молекулы метана. Название составляют из наименований радикалов, соединѐн83 ных с центральным атомом углерода, добавляя слово «метан». Количество одинаковых радикалов обозначают с помощью греческих числительных «ди-», «три-», «тетра-». Например, ниже приведены рациональные названия изомерных гексанов: CH3 CH3-CH-CH2-CH2-CH3 — диметилпропилметан CH3 CH3-CH2-CH-CH2-CH3 — метилдиэтилметан — диметил-втор-пропилметан (диметилизопропилметан) CH3 CH3 CH3-CH-CH-CH3 CH3 CH3-C-CH2-CH3 CH3 — триметилэтилметан Для насыщенных углеводородов характерна структурная изомерия, точнее, еѐ разновидность — скелетная изомерия, или изомерия углеродного скелета; также характерны различные виды стереоизомерии (конформационная и конфигурационная). Структурная изомерия начинается с углеводородов состава C4H10 . Это бутан и изобутан. В зависимости от числа других углеродных атомов, с которыми непосредственно связан рассматриваемый углеродный атом молекулы, различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные углеродные атомы: CH3 CH3 CH3 CH3 - CH2 - CH2 - CH - CH - C - CH3 CH3 первичный вторичные третичные четвертичный При отнятии от молекулы алкана одного водородного атома получаем остаток алкана (-CH3, -CH2CH3 и т.д.). Обычно его называют алкильной группой, алкильным заместителем, алкильным радикалом. В тривиальных названиях углеводородных радикалов, образованных из алканов, суффикс -ан заменяется суффиксом -ил, например: -CH3 — метил, -C2H5 — этил. Общеупотребительными являются названия следующих разветвлѐнных радикалов низших алканов: -СН2-СН2-СН3 — пропил 84 CH3 -CH-CH3 — втор-пропил (или изопропил) -СН2-СН2-СН2-СН3 — бутил (или н-бутил) CH3 -CH-CH2-CH3 — втор-бутил CH3 -CH2-CH-CH3 — изобутил CH3 -C-CH3 CH3 — трет-бутил -СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 — амил (или н-амил) CH3 -CH-CH2-CH2-CH3 — втор-амил CH3 -CH2-CH2-CH-CH3 — изоамил CH3 CH3 -CH-CH-CH3 — втор-изоамил CH3 -C-CH2-CH3 CH3 — трет-амил CH3 -CH2-C-CH3 CH3 — неопентил Приставка н- означает, что углеродная цепь нормального, неразветвлѐнного строения, изо- — углеродная цепь разветвлѐнного строения, втор- — вторичный, по количеству углерод-углеродных трет- — третичный связей атома углерода, имеющего свободную валентность. Для систематического названия радикалов суффикс -ил добавляется к названию углеводорода с указанием с помощью локанта атома, имеющего свободную валентность, например: (С2Н5)2СН- — пентан-3-ил. Конформационная изомерия алканов рассмотрена в главе 1.7.3 на примере этана и бутана. Для других алканов этот вид изомерии также характе- 85 рен, причѐм конформационные изомеры могут быть относительно каждой С–С связи. Конфигурационная изомерия (в данном случае оптическая) появляется с углеводорода, имеющего асимметрический атом углерода, то есть для 3-метилгексана (см. гл. 1.7.1): CH3 * CH3-CH2-CH-CH 2-CH2-CH3 Конечно же, она характерна и для более сложных молекул. 2.2. СТРОЕНИЕ В молекуле метана атом углерода образует четыре равноценных связи с четырьмя атомами водорода. Образование равноценных связей объясняют гибридизацией атомных орбиталей углерода. Здесь наблюдается sp3гибридизация. Как уже ранее отмечалось, на возбуждение атома углерода и на гибридизацию требуется 400 + 255 кДж/моль. Образование молекулы метана из атомов сопровождается выделением такого количества энергии, которое с избытком компенсирует первоначально затраченную. С (sp3) + 4 H (s) CH4 + 2317 кДж/моль Выигрыш энергии составляет 2317 – 655 = 1662 кДж/моль или на каждую связь С–Н 1662 : 4 = 415.5 кДж/моль. Этот энергетический выигрыш стабилизирует sp3-гибридное состояние углерода. Образование связей С–Н в молекуле метана происходит в направлении 3 sp -гибридных орбиталей атома углерода путѐм их перекрывания с sорбиталями атомов водорода: Для метана это правильный тетраэдр, в центре которого находится ядро атома углерода. В молекулах этана, пропана и более высших алканов каждый атом углерода образует четыре -связи, но в общем случае они неравноценны, так 86 как это связи с разными атомами, и валентные углы неодинаковы. Углы между связями центрального атома пропана составляют: H H НСН = 107 ССС = 112 CH3 CH3 Тем не менее, каждый из атомов находится в центре тетраэдра, и углеродная цепь не может быть прямолинейной, она изогнута в пространстве. Это видно уже на примере бутана: H3C H2 C CH3 CH2 CH2 H3C CH2 CH3 2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Это неполярные или малополярные соединения, поэтому хорошо растворимы в неполярных растворителях; нерастворимы в воде и других полярных растворителях. Первые четыре представителя — газы; углеводороды, имеющие от 5 до 15 атомов углерода, — жидкости; высшие — твѐрдые тела. Газы не имеют вкуса, цвета и запаха. Жидкости — бесцветны, подвижны, с плотностью 0.80.9 г/мл. Твѐрдые вещества — белого цвета, жирны на ощупь. Агрегатное состояние алканов во многом определяется межмолекулярным взаимодействием типа ван-дер-ваальсового. Это взаимодействие увеличивается с ростом углеродной цепи и количеством соприкасающихся атомов. Поэтому температуры кипения и плавления возрастают от низших алканов к высшим, причѐм разветвлѐнные изомеры кипят и плавятся при более низкой температуре, чем изомеры нормального строения. Причина – в более нерегулярной структуре и меньшей поверхности (меньше ван-дер-ваальсовы силы). Неполярные молекулы, как, например, метан, неопентан и гексаметилэтан (2,2,3,3-тетраметилбутан), у которых строение близко к сферическому, имеют точки плавления и кипения сравнительно близкие друг к другу. Температуры плавления нормальных алканов с чѐтным числом атомов углерода сравнительно выше, чем алканов с нечѐтным числом атомов углерода. Это является следствием упаковки в кристаллической решѐтке, которая плотнее для алканов с чѐтным числом углеродных атомов. Плотность и вязкость жидкостей по этой же причине также должна возрастать с увеличением числа углеродных атомов в молекуле: 87 Температура кипения,C Число атомов углерода в н-алкане Температура плавления, C Число атомов углерода в н-алкане Плотность, г/мл Число атомов углерода в н-алкане 88 2.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Один из синонимов названия насыщенных углеводородов — парафины. Это название они получили из-за нейтральности к большинству химических реагентов (от латинского parum мало + affinis сродный). Парафины имеют в своих молекулах неполярные и малополярные связи, поэтому эффективные заряды на атомах углерода невелики и эти атомы не подвергаются атаке нуклеофилами или электрофилами. К тому же гетеролитическое расщепление связей С–Н или С–С (с образованием ионов, например, из метана СН3+, Н или Н+, СН3) энергетически значительно менее выгодно, чем гомолитическое. Энергия диссоциации связи С–H, то есть энергия, необходимая для гомолитического расщепления этой связи с образованием свободных радикалов (например, из метана СН3 и Н), в алканах составляет 410435 кДж/моль. А для гетеролиза требуется примерно в 3 раза бóльшая энергия. Гомолитическое расщепление происходит при взаимодействии только со свободными радикалами. А так как все связи в молекулах алканов — это -связи, то после разрыва этих -связей образуются новые -связи, в результате будет наблюдаться замещение одних атомов (или атомных группировок) на другие. Например: R–H + X HX + R R + X2 RX + X Из всего этого следует, что для алканов должны быть характерны реакции радикального замещения (SR). 2.4.1. РЕАКЦИИ РАДИКАЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ Это, прежде всего галогенирование, сульфохлорирование, сульфоокисление, окисление, нитрование. Галогенирование — это взаимодействие с галогенами. Осуществляется по вышеприведѐнной схеме, в которой X2 — молекула галогена (Cl2 или Br2). Активность в ряду галогенов уменьшается сверху вниз в периодической таблице химических элементов. Йодирование не осуществляется, так как атом йода — довольно устойчивый радикал и равновесие реакции йодирования смещено влево. Фторирование также не имеет препаративного значения, но по совершенно противоположной причине: из-за высокой активности молекулярного фтора F2 и большого тепловыделения обычного замещения не 89 происходит, разрываются не только связи C–H, но и C–C, при этом из алканов образуются не только полифторалканы, но и полифторметаны. Хлорирование и бромирование протекают по обычному механизму радикального замещения. Рассмотрим протекание реакции для метана. Она начинается с диссоциации молекулы галогена (например, хлора) на атомы. Это инициирование, или зарождение цепи: Cl : Cl Cl + Cl Образование радикалов возможно чаще всего фотохимически или термически. Вслед за инициированием следует цикл цепной реакции. Образовавшийся атом, являющийся свободным радикалом, отрывает атом водорода от молекулы метана, при этом образуется метил-радикал, который затем взаимодействует с новой молекулой метана. Цикл повторяется. Cl + H–CH3 HCl + CH3 CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl Cl + H–CH3 HCl + CH3 Эту стадию ещѐ называют стадией продолжения или роста цепи, так как образовавшийся радикал может реагировать с другой молекулой, давая новый радикал, и т. д. до тех пор, пока два радикала не встретятся друг с другом и не произойдѐт обрыв цепи. Реакции обрыва цепи очень быстрые; скорость взаимодействия радикалов превосходит скорость стадии инициирования цепи, но, поскольку в ходе реакции концентрации атомов хлора Cl и радикалов CH3 чрезвычайно малы, цепи при хлорировании очень длинные. Длина цепи может составлять несколько тысяч и более элементарных стадий. Данные реакции относятся к цепным реакциям. За исследование механизма цепных реакций Н.Н. Семѐнов* и С.Н. Хиншелвуд* в 1956 г. были удостоены Нобелевской премии по химии. Образование молекулы галогеноводорода (особенно хлороводорода) — процесс энергетически очень выгодный, поэтому при взаимодействии метана с атомом хлора (или брома) процесс протекает, как показано выше, а не наоборот: H CH3 + Cl CH3 + HCl CH3Cl + H В метил-радикале атомные орбитали, образующие три -связи, находятся в sp2гибридном состоянии; значит, -связи рас90 p sp2 2 sp sp2 CH3 120 o положены в одной плоскости, а неспаренный электрон находится на чистой (негибридной) р-орбитали. Радикал неустойчивый и высокореакционноспособный. Поэтому легко протекает следующая стадия — взаимодействие этого радикала с молекулой галогена. Однако образовавшийся в результате хлорметан может сам вступать с хлором в реакцию замещения оставшихся у него атомов водорода, в результате чего образуются продукты более глубокого замещения: СН4 СН3Сl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 Таким образом, реакция хлорирования метана не селективна, хотя в настоящее время разработаны условия для промышленного получения из метана монохлорметана и тетрахлорметана. Для высших алканов схема реакции хлорирования аналогична. Однако следует обратить внимание на то, что всегда разрывается связь С–Н, но не С–С, несмотря на то, что энергия связи С–Н больше, чем С–С. CH3 - CH3 + Cl CH 2CH3 + HCl CH3Cl + CH3 При образовании молекулы HCl выделяется значительно больше энергии, чем при образовании связи C–Cl (как и в случае галогенирования метана), образуются термодинамически более стабильные продукты. За счет этого происходит компенсация энергии на разрыв связи С–Н. Кроме того, начиная с пропана углеводороды содержат разные по природе атомы водорода. Поэтому возможны (для пропана) два направления протекания реакции замещения водорода: CH3-CH2-CH3 . CH -CH -CH 2 2 3 + .X + HX . CH3-CH2-CH3 + HX , что приводит к образованию двух разных изомерных продуктов: X X CH2 - CH2 - CH3 и CH3 - CH - CH3 Преимущественное направление замещения в общем случае определяется влиянием нескольких факторов. 1. Учитывая статистический фактор, можно было ожидать, что реакция преимущественно пойдѐт по метильным группам, так как в молекуле пропана шесть метильных атомов водорода и только два метиленовых. Так и происходит на самом деле в реакции хлорирования при высокой температу91 ре, когда хлор-радикал очень активен и реагирует с любым атомом, с которым он сталкивается. В этих условиях образуется 75% 1-хлорпропана и 25% 2-хлорпропана. 2. Однако при низкой температуре, когда активность атакующих радикальных частиц в реакции хлорирования значительно ниже, главенствующую роль играет стабильность образующихся углеводородных радикалов. Относительная устойчивость углеводородных радикалов связана с проявляющимися электронными эффектами. Для первичного пропильного радикала смещение электронной плотности к радикальному атому и за счѐт индуктивного эффекта, и за счѐт эффекта сверхсопряжения меньше, чем для вторичного пропильного радикала. H H H CH2 C CH3 C CH C H H H H H Поэтому при низкой температуре при хлорировании пропана образуется 55% 2-хлорпропана и 45% 1-хлорпропана: CH3-CH2-CH3 + Cl2 h CH3-CH2-CH2Cl 45% + HCl CH3-CHCl-CH3 55% + HCl В общем случае относительная устойчивость насыщенных углеводородных радикалов уменьшается в ряду: третичные > вторичные > первичные. Но присутствие электроноакцепторных атомов или групп оказывает ингибирующее действие на процесс радикального галогенирования. Например, для 1-хлорбутана Cl-CH2CH2CH2CH3 вероятность замещения водорода (т.е. введения второго атома хлора в молекулу бутана) у третьего углеродного атома в 3 раза выше, чем у второго, и в 17 раз выше, чем у первого. Но в наибольшей степени этот фактор (устойчивость образующихся углеводородных радикалов) проявляется при взаимодействии алканов с бромом. Эта реакция в принципе аналогична хлорированию, но протекает менее энергично, что связано с очень низкой активностью бром-радикалов, и более избирательно. CH3-CH2-CH3 + Br2 h 92 CH3-CH2-CH2Br 3% + HBr CH3-CHBr-CH3 97% + HBr 3. Ещѐ один фактор, определяющий направление (и скорость) реакций радикального замещения, — это доступность реакционного центра алкана для атаки реагентом. Однако этот фактор обычно не играет существенной роли, и только в пространственно сильнозатруднѐнных субстратах она может либо значительно замедлить скорость реакции замещения, либо определить иное направление еѐ протекания. Среди других случаев радикального замещения, характерных для насыщенных углеводородов, можно отметить реакции нитрования и сульфохлорирования. Нитрование алканов в газовой фазе при температуре 450С или в жидкой фазе по М.И. Коновалову* при температуре 100–150С осуществляется разбавленной азотной кислотой (1220%-й), содержащей диоксид азота NO2 R-H + HNO3 R-NO2 + H2O , а механизм реакции с участием стабильного радикала NO2 можно представить следующим образом: R-H + NO2 R + HNO2 HNO2 + HNO3 2 NO2 + H2O R + NO2 R-NO2 нитроалкан Таким образом, функция азотной кислоты заключается в том, чтобы быть источником диоксида азота. Жидкофазное нитрование достаточно селективно: из гексана при 150С образуется 2-нитрогексан с выходом 63%. Сульфохлорирование алканов протекает по схеме: RH + SO2 + Cl2 RSO2Cl + HCl Эта реакция по механизму похожа на хлорирование, за исключением того, что здесь имеются две главные стадии роста цепи: R RSO2 O R-S O + SO2 + Cl2 RSO2Cl + Cl алкансульфохлорид 93 И сульфохлорирование осуществляется преимущественно по первичным, наиболее доступным, атомам углеродной цепи (из-за большого пространственного объѐма частицы SO2). Возможно также сульфоокисление алканов, приводящее к образованиию алкансульфокислот и протекающее по схеме: RH + SO2 + ½ О2 RSO3Н В общем случае с учѐтом направления радикального замещения все эти реакции могут использоваться для получения разнообразных функциональных производных углеводородов: галогеналканов, нитроалканов, алкансульфокислот и их производных. Окисление алканов по связи C–H под действием атмосферного кислорода — реакция крайне медленная. Молекула кислорода, хоть и является бирадикалом, но слишком малореакционноспособна, чтобы быть той частицей, которая отрывает водород. Но если за счѐт какого-либо процесса инициирования образуются следы свободного радикала X, он реагирует с кислородом, давая X–O–O, и последний действительно отрывает водород, поэтому цепная реакция имеет вид: X–O–O + RH R + X–O–OH R + O2 R–O–O R–O–O + RH R + R–O–OH и т.д. Напротив, веществами, замедляющими или предотвращающими окисление органических соединений, являются антиоксиданты (антиокислители, ингибиторы окисления). Антиоксиданты добавляют в количестве от 0,001% до 3%; при этом окисление замедляется в десятки раз. Действие антиоксидантов основано на их способности обрывать разветвлѐнное цепное окисление. При этом возможны два механизма: 1) молекула антиоксиданта, содержащего подвижный атом водорода (Z–Н), реагирует с пероксирадикалом ROO с образованием малоактивного радикала (Z): ROO + ZH Z + R–O–OH ; 2) молекула антиоксиданта взаимодействует с промежуточным продуктом окисления — гидропероксидом ROOH, в результате чего образуются стабильные продукты: ROOH + ZH ROH [+ ZOH]. По первому механизму действуют производные вторичных ароматических аминов и фенолов, по второму — органические производные фосфитов и сульфидов. Промышленное окисление высших алканов используется в ограниченном масштабе. Процесс осуществляется кислородом воздуха при 100150С в присутствии солей марганца (II) как катализатора. Окисление происходит при продувании тока воздуха через расплавленный парафин, содержащий 94 соль марганца. Реакция протекает с разрывом углерод-углеродной связи, и образуется смесь карбоновых кислот: RCH2CH2R + O2 R-COOH + R-COOH 2.4.2. РЕАКЦИИ ДЕГИДРИРОВАНИЯ И РАЗЛОЖЕНИЯ Дегидрирование обычно протекает при температуре 500600С на поверхности таких металлов, как платина, палладий, никель, или на оксиде хрома (III) по схеме: R-СH2-СН3 R-CH=CH2 + H2 Механизм включает в себя адсорбцию алкана на поверхности катализатора, взаимодействие электронов -связей с вакантными d-орбиталями металла и, таким образом, внедрение атома металла в -связь С–Н : H R C CH2 H R C H H Me . . . . . . Me CH2 Me Me H - Me - H2 R C H CH2 H При этом при отщеплении одной молекулы водорода от молекулы высшего алкана обычно образуется смесь алкенов, являющихся изомерами как структурными, так и геометрическими. Каталитическое дегидрирование алканов часто используют в промышленности. Этот процесс может сопровождаться разрывом С–С-связей (крекингом, пиролизом). При этом образуется смесь непредельных и предельных углеводородов с меньшей молекулярной массой: CH3CH2CH2CH3 CH 3 + CH 2CH2CH3 CH3CH2 + CH2CH3 CH 4 + CH2=CHCH3 CH 3CH 3 + CH2=CH2 Промежуточными частицами являются свободные радикалы. Они образуются в результате гомолиза алканов как по связям С–С, так и по связям С–Н. H CH3 - CH - CH2CH3 H + CH3CHCH2CH3 Алкильные радикалы (обычно разветвлѐнного строения) не только диспропорционируют с образованием алкана и алкена, но и претерпевают расщеп95 ление с разрывом углерод-углеродной связи (как правило, у разветвлѐнного атома углерода): CH3 CH3 - CH - CH2 CH 3 + CH3CH=CH2 (Такое превращение иногда называют -распадом, так как осколочный радикал отрывается от -углеродного атома по отношению к радикальному центру.) Радикалы также способны рекомбинировать, изомеризоваться или отщеплять атомы водорода от углеводородов. В таких реакциях образуется, как правило, смесь продуктов. В промышленности крекингу (термическому или каталитическому) подвергают нефть, получая из неѐ топливо для двигателей внутреннего сгорания и другие ценные соединения. 2.4.3. РЕАКЦИИ ИЗОМЕРИЗАЦИИ Металлы некоторых переходных элементов способствуют отщеплению гидрид-ионов от алканов при повышенных температурах. H CH3-CH-CH2CH3 + Pt H + CH3CHCH2CH3 Образующийся карбокатион, отщепляя катион водорода, превращается в бут-2-ен. Такой процесс имеет место при каталитическом дегидрировании. Однако наряду с этим направлением реакции может происходить нуклеофильная перегруппировка — перемещение метильной группы с электронной парой связи из -положения к положительному атому углерода этого карбокатиона: CH3 CH3-CH-CH2 + CH3 + CH3-CH-CH2 H CH3 CH3-CH-CH3 Получающийся изобутил-катион, присоединяя гидрид-ион, превращается в изобутан. При отщеплении от данного карбокатиона катиона водорода образуется в качестве побочного стабильного продукта изобутилен: H + CH3-C-CH2 CH3 + CH3-C=CH2 + H CH3 96 В данном случае процесс изомеризации бутана в изобутан сопровождается дегидрированием алканов. В зависимости от условий проведения реакции можно осуществить изомеризацию и (или) дегидрирование алкана, что широко используется в промышленном органическом синтезе. 2.5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ Важнейшими природными источниками алканов являются нефть и природный газ. Нефть — не только топливо, но и ценное химическое сырьѐ для органического синтеза. Однако она относится к невозобновляемым ресурсам. Кроме того, алканы входят в состав природного горючего газа, попутного нефтяного газа, озокерита, горючих сланцев. При разгонке нефти получаются различные смеси алканов, которые используются в виде следующих фракций: бензин (углеводороды С5—С11), лигроин (углеводороды С8—С14), керосин (углеводороды С12—С18), дизельное топливо (углеводороды С14—С25), смазочные масла (углеводороды С20— С34), вазелин, твѐрдый парафин, гудрон. Высшие фракции разгонки нефти подвергают крекингу для получения высокосортных бензинов. Попутными нефтяными газами являются, главным образом, растворѐнные в нефти метан, этан, пропан, бутан и пентан примерно в равных количествах, но обычно с преобладанием метана (иногда до 50%). Метан встречается в природе также в виде болотного газа и рудничного газа. Наибольшее содержание метана в природном горючем газе (от 60% до 99%), а этан, пропан и бутан встречаются в нѐм в качестве примеси. Перспективным источником получения метана и ряда других веществ, представляющих интерес как топливные материалы, является микробиологический способ переработки, в том числе и биоотходов. Ежегодный прирост биомассы на Земле составляет более 200 млрд т. При воздействии анаэробных микробов (развивающихся без доступа кислорода), например на целлюлозу, образуется в качестве одного из продуктов метан: (C6H10O5)n + n H2O 3n CO2 + 3n СН4 Алканы могут быть получены из метана, который подвергают конверсии с водяным паром на никелевом катализаторе при температуре 700750С. CH4 + H2O CO + 3 H2 Образующийся при этом синтез-газ в более мягких условиях (в присутствии никелевого или кобальтового катализатора при температуре 200250С) превращается в углеводороды и водяной пар: 97 n CO + (2n+1) H2 CnH2n+2 + n H2O Этот метод используется в технике для получения синтетического бензина. Другими синтетическими способами получения алканов являются: восстановлением йодоводородом при нагревании производных алканов (йодалканов, спиртов — гл. 3.2.2.3, 3.3.3.1): R–I + HI RH + I2 R–OH + 2 HI RH + I2 + H2O из галогеналканов (гл. 3.2.2.3): а) через магнийорганические соединения R–Br + Mg R–MgBr их гидролизом с сохранением углеродного скелета: R–MgBr + H2O RH + Mg(OH)Br или по реакции Вюрца*Гриньяра* с удлинением углеродного скелета: R–MgBr + R’–Br RR’ + MgBr2 б) по реакции Вюрца (с удвоением углеродного скелета) 2 R–Br + 2 Na R–R + 2 NaBr При этом использование реакции Вюрца возможно только для селективного получения симметричных алканов, в противном случае (при использовании смеси исходных галогеналканов) образуется трудноразделимая смесь трѐх алканов. Другая особенность получения алканов реакцией Вюрца заключается в невозможности использования для этих целей третичных алкилгалогенидов — вместо алкана с удвоенным числом атомов углерода образуется смесь алкана и алкена с исходным углеродным скелетом, например, для трет-бутилбромида: CH3 CH3 CH3 2 CH3 C Br + 2 Na CH3 CH + CH2 C - 2 NaBr CH3 CH3 CH3 при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочами в лабораторных условиях можно получить метан: O o C = CH3 - C + NaOH 200-300 ONa 98 CH4 + Na2CO3 , но эта реакция может быть использована и для получения других низших алканов (подробнее будет рассмотрена в свойствах карбоновых кислот — гл. 6.4.4.4); гидролиз карбида алюминия удобный способ получения метана в лаборатории: Al4C3 + H2O CH4 + Al(OH)3 электролиз натриевых и калиевых солей монокарбоновых кислот по Кольбе* способ получения алканов с чѐтным числом атомов углерода в молекуле: - RCOO - e - RCOO R + CO 2 R + R R–R ; из альдегидов и кетонов а) по реакции Кижнера*Вольфа*: O R-C = R' + H2N - NH2 N - NH2 OH,- Pt R-C= - N2 R' R - CH2 - R' б) по реакции Клемменсена* (восстановление альдегидов и кетонов амальгамой цинка в соляной кислоте): Zn/ Hg / HCl R–CH –R R–CO–R 2 (эти реакции также будут рассмотрены позже, в свойствах карбонильных соединений — гл. 6.1.4.1 и 6.1.4.3). 99 2.6. ПРИМЕНЕНИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ Алканы используются, главным образом, как топливо и сырьѐ для химической промышленности. Кроме того, твердые углеводороды используются как сырьѐ для производства белково-витаминных концентратов, которые добавляют в корм животным. При этом любые алканы могут служить питательной средой для некоторых одноклеточных организмов, вырабатывающих кормовой белок. Использование микроорганизмов для получения сложных органических веществ из алканов является перспективным направлением, обеспечивающим дальнейший прогресс человечества. Алканы физиологически малоактивны, но обладают наркотическим действием. Углеводороды с С5—С8 оказывают умеренное раздражающее действие на дыхательные пути; высшие члены гомологического ряда более опасны при действии на кожу. Длительный контакт с алканами вызывает вегетативные нарушения — гипотонию, брадикардию, повышенную утомляемость, бессонницу. Отмечаются гормональные нарушения у женщин. Углеводороды, не содержащие в молекулах заместителей, из-за отсутствия выраженной фармакологической активности почти не используются в медицинской практике. Некоторые алканы обладают наркотическим действием. Основное направление метаболизма углеводородов в организме человека и животных — это окисление. Скорости реакции окисления алканов незначительны. Конечными продуктами реакции являются соответствующие спирты, альдегиды (или кетоны) и далее кислоты, при этом кислород внедряется в молекулу алкана обычно по концевому атому углерода углеводородной цепи. Поэтому этот процесс носит название «алифатическое гидроксилирование». В стремлении подчеркнуть тот факт, что окисляется обычно концевая группа, его называют также -окислением, или -гидроксилированием, так как на первой стадии концевая метильная группа окисляется до гидроксиметильной. Однако на этом метаболизм алканов не останавливается. Образующиеся в этой реакции первичные спирты (так же, как и введѐнные в организм извне) подвергаются дальнейшему окислению до альдегидов и кислот: R-СН3 R-CH2OH R-CHO R-COOH В молекулах алканов окисление может идти и по метиленовой группе. Образующиеся в этой реакции вторичные спирты в дальнейшем окисляются до кетонов: R-CH2-R' R-CHОH-R' R-CO-R' 100 В медицинской практике применяется смесь высших (твѐрдых) парафиновых углеводородов. Она может образовываться в природе в результате частичного осмоления и полимеризации парафинистых масел нефти (земляной воск, озокерит, горный воск). Высокоочищенные высшие углеводороды (под названием «твѐрдый парафин») используются в качестве основы для мазей, а также благодаря их низкой теплопроводности — для лечения теплом при невралгиях, невритах и т. п. Одна из фракций нефти, остающаяся после отгонки керосина, используется во врачебной практике под названием «вазелиновое масло». Таким образом, насыщенные углеводороды, являясь родоначальными соединениями для всех органических веществ, в своѐм строении и свойствах отражают важнейшие, характерные для этих веществ, принципы и законы. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК: C2H5 CH3 - C - CH - CH3 H3C CH3 CH3 - CH - CH - CH2 - CH - CH3 CH3 CH3 C2H5 CH3 CH3 - CH CH3 CH3 - CH2 - C - CH2 - C - CH3 CH3 - CH2 CH2 - CH3 H3C CH2 - CH3 CH2CH2CH3 CH3 - C - C2H5 CH2CH3 C2H5 CH3 C2H5 CH3 - C - CH - C - CH H5C2 CH3 CH3 CH3 CH3 - C - CH - CH - CH3 H3C CH - CH3 CH3 C2H5 CH3 - CH - C - CH2 CH3 C2H5 C2H5 2. Назовите по рациональной номенклатуре: CH3 - CH - CH - CH3 H3C CH3 CH3 CH3 - C - CH3 CH3 CH3 - CH - CH3 CH2 - CH3 3. Сравните устойчивость 1) двух радикалов: СН3 и С2Н5; 2) метилрадикала и трет-бутил-радикала; 3) первичного и вторичного радикалов 101 4. 5. 6. 7. 8. н-бутана; 4) радикалов изобутана; 5) двух первичных радикалов 2-метилбутана; 6) двух разных вторичных радикалов С5Н11; 7) третичных радикалов C4H9 и С5Н11 . Определите преимущественное направление реакций бромирования и жидкофазного нитрования 2-метилпентана; 2,2-диметилбутана; 2,5-диметилгексана; 4,4-диметилгептана; 2,4-диметилпентана; 2,2,3-триметилбутана; 2-метилгексана. Приведите механизм реакции. Каково будет ожидаемое соотношение продуктов монохлорирования 2,3-диметилбутана при 300С? Какой будет основной продукт реакции бромирования этого углеводорода? Объясните, почему реакции хлорирования и бромирования алканов замедляются в присутствии молекулярного кислорода. Какие непредельные углеводороды можно получить при дегидрировании 2-метилпентана? Сравните реакционную способность двух изомеров: бутана и изобутана в различных реакциях. Насколько селективны эти реакции для данных изомеров? 102 Глава 3. ПРОИЗВОДНЫЕ АЛКАНОВ В этой главе рассматриваются производные алканов с одной или несколькими характеристическими группами X. Общая формула таких монозамещѐнных алканов R–X, где группировка X представлена гетероатомом или их совокупностью. Это атомы галогенов (-F, -Cl, -Br, -I), гидроксильная и алкоксильная группы (-OH, -OR), меркапто- и алкилтиогруппы (-SH, -SR), аминогруппы (в т.ч. замещенные: -NH2, -NHR, -NR2), нитрогруппа (-NO2) и др. Таким образом, общий структурный фрагмент, присутствующий в этих соединениях, можно представить в виде: C X , где заместитель Х — это -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -OR, -SH, -SR, -NH2, -NHR, -NR2, -NO2 и другие. 3.1. ОБЩНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Молекулы, содержащие фрагмент С–Х, в которых атом углерода связан с атомами галогена, кислорода, серы или азота, объединяет то, что это, прежде всего электроотрицательные атомы, а значит, связь С–Х полярна, причѐм во многих случаях — сильно полярна. Группа Х может взаимодействовать с соседним атомом углерода посредством индуктивного эффекта, и этот эффект всегда акцепторный. При этом на соседнем атоме углерода наблюдается дефицит электронной плотности (возникает частичный положительный заряд): C X Наличие в молекулах электрофильного центра (С+) создаѐт условия для нуклеофильной атаки по этому атому углерода с возможным разрывом -связи С–Х и образованием новой -связи между углеродом и нуклеофильной частицей. Таким образом, в результате возможно замещение одних атомов акцепторов или атомных группировок (Х) на другие. Это свидетельству103 ет о том, что для таких соединений должны быть характерны реакции нуклеофильного замещения (SN). Кроме того, электроноакцепторный эффект, передаваясь по цепи углеродных атомов, поляризует и С–Н-связи, в том числе и С–Н-связь соседнего (-углеродного) атома: " H ' C CH2 X Этот атом водорода также может быть подвергнут атаке основания, что приводит к протеканию реакций отщепления (Е). Рассмотрим более подробно реакции нуклеофильного замещения и реакции отщепления. 3.1.1. РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ Наиболее активны в реакциях нуклеофильного замещения должны быть галогеналканы RF, RCl, RBr и RI, так как в их молекулах при замещении образуется стабильный анион уходящей группы Х, представляющий собой один из галогенид-ионов, то есть анион сильной кислоты. Это подтверждается многочисленными примерами замещения атомов галогена в галогеналканах, например, на гидрокси-, алкокси-, амино-, циано-, нитрогруппу. Напротив, амины должны обладать наименьшей реакционной способностью, так как аммиак и амины — очень слабые кислоты и, соответственно, сопряжѐнные им основания, то есть анионы NH2, NHR, NR2, высокореакционноспособны и потому неустойчивы (легко присоединяют протон). Гидроксильная группа в спиртах также может замещаться в реакциях со многими нуклеофилами, однако, в более жѐстких условиях, чем галогены. Алкоксильная группа труднее замещается, чем гидроксильная, причѐм и та, и другая замещаются только в кислой среде, в которой уходящей частицей является не анион, а молекула (соответственно воды или спирта). Аминогруппа достаточно устойчива к замещению, случаи еѐ нуклеофильного замещения редки, реакции протекают в очень жѐстких условиях и только для аммониевых солей. В связи с этим наиболее многочисленны SNреакции именно для галогеналканов (гл. 3.2). Общая схема реакции может быть представлена в следующем виде: R X + R-Y :Y 104 + :X Атакующий агент Y, называемый нуклеофилом, за счѐт неподелѐнной пары электронов атакует в молекуле субстрата положительно заряженный центр. Реакция сопровождается гетеролитическим разрывом -связи в молекуле субстрата, заместитель X уходит вместе с парой электронов. Новая ковалентная связь образуется за счѐт пары нуклеофильного реагента координационным путем. Нуклеофильными реагентами могут быть самые разнообразные частицы, но они должны обязательно иметь неподелѐнную электронную пару. Это, например, анионы HО, RO, NH2, F, Cl, Br, I, CN, H, CH2-R и нейтральные молекулы H2O, ROH, NH3, RNH2, RRNH, H2S, RSH. Нуклеофильными свойствами обладают и такие соединения, как непредельные и ароматические углеводороды. Субстратами могут быть полярные молекулы, имеющие атом углерода с эффективным положительным зарядом и замещаемую группу X. Атом углерода здесь называется электрофильным центром. Группа X, называемая также уходящей группой, или нуклеофугом, обладает высокой электроотрицательностью и может уходить как в виде аниона, так и в виде незаряженной молекулы. В реакциях нуклеофильного замещения в зависимости от природы субстрата, нуклеофила, уходящей группы и от условий реакции могут реализоваться несколько различных механизмов. Для таких реакций наиболее распространѐнными являются механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения, обозначаемый SN2, и мономолекулярного нуклеофильного замещения, обозначаемый SN1. Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения Реакция бимолекулярна, потому что протекает при столкновении двух частиц: нуклеофила и молекулы субстрата. Скорость реакции при этом зависит от концентрации субстрата и от концентрации атакующих нуклеофильных частиц. Нуклеофил атакует положительно заряженный центр молекулы субстрата с более выгодной «тыльной» стороны, так как в этом случае на него не действует одноимѐнный заряд нуклеофуга. Реакция представляет собой одностадийный процесс. Связь C–Y образуется одновременно с разрывом C–X связи. Y: C X ' Y...C...X 105 Y C + :X - Энергия, необходимая для разрыва C–X-связи, поставляется за счѐт синхронного процесса образования связи C–Y. Как только группа Y включается в переходное состояние, группа Х должна уйти, поскольку атом углерода может образовывать только 4 ковалентные связи. В переходном состоянии исходная sp3-гибридизация атома углерода изменяется на sp2гибридизацию с примерно перпендикулярной р-орбиталью, а нуклеофильный реагент, центральный атом углерода и нуклеофуг находятся на прямой линии. Три нереагирующие группы субстрата и центральный атом углерода лежат в одной плоскости. Поэтому, если подход нуклеофила со стороны, противоположной уходящей группе, невозможен, то бимолекулярная реакция также становится невозможной. Стереохимию процесса бимолекулярного нуклеофильного замещения легко наблюдать на примере гидролиза оптически активного субстрата. Три нереагирующие группы при атаке как бы «выворачиваются» внутрь. Поэтому иногда говорят и про атом углерода, что он «выворачивается», но чаще всего пользуются термином «обращение конфигурации» атома углерода, имея в виду изменение пространственного расположения присоединѐнных к нему групп. Этот процесс сравнивают с выворачиванием зонтика на ветру. Такое изменение конфигурации известно ещѐ под названием вальденовское* обращение. Вальденовское обращение — это обращение конфигурации асимметрического атома, сопровождающееся изменением знака оптического вращения. Все реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения сопровождаются вальденовским обращением независимо от строения субстрата. Механизм мономолекулярного замещения Идеальный вариант механизма SN1 включает две стадии: 1) R X - R+ + :X - + 2) R + :Y R-Y Первая стадия — это медленная ионизация субстрата, и именно она определяет скорость реакции. Диссоциации молекул на свободные ионы предшествует переходное состояние, в котором происходит увеличение длины связи С–Х и постепенное перемещение электронной пары к уходящей группе. Затем образуется ионная пара. Распад еѐ на ионы происходит при участии молекул полярного растворителя. Вторая стадия — это быстрое взаимодействие промежуточного карбокатиона с нуклеофилом. Таким образом, скорость всей реакции в целом зависит только от скорости наиболее медленной первой стадии, в которой принимают участие только молекулы субстрата. Поэтому реакция мономолекулярна, а еѐ скорость зависит только от концентрации исходного субстрата. 106 Образующаяся в результате протекания процесса замещения частица Х может снижать скорость реакции из-за еѐ обратимости. Поэтому во многих случаях можно добавками солей, содержащих анионы Х, замедлить реакцию. В общем случае для SN1-реакций скорость не должна зависеть от природы нуклеофила и его концентрации. Стереохимия мономолекулярного нуклеофильного замещения менее однозначна, чем замещения SN2-типа. В идеальном случае образующийся на первой стадии карбокатион должен иметь плоскую конфигурацию, соответствующую sp2-гибридизации орбиталей. Нуклеофил должен с одинаковой скоростью атаковать карбокатион с обеих сторон плоскости, что приведѐт к образованию двух новых молекул субстрата, являющихся зеркальными изомерами по отношению друг к другу. В результате образуется рацемическая смесь. Для многих реакций довольно легко утверждать, что при данных условиях они следуют по механизму либо SN1, либо SN2. Однако в некоторых случаях механизм реакции охарактеризовать значительно труднее. Существуют промежуточные случаи, так называемая пограничная область механизмов, то есть механизм реакции не является ни «чистым» SN1, ни «чистым» SN2, а относится к промежуточному типу. Это можно представить следующей схемой: R-X I + + R X R II III X + R + X IV V, где II — тесная ионная пара, III — рыхлая ионная пара, IV и V — диссоциированные ионы, каждый из которых окружѐн молекулами растворителя. Таким образом, SN1- и SN2-реакции могут быть объяснены ион-парным механизмом. Субстрат диссоциирует с образованием промежуточной ионной пары, которая затем превращается в продукты. Различие между механизмами SN1 и SN2 заключается в том, что в первом случае нуклеофильной атаке подвергаются диссоциированные ионы (IV), а во втором случае нуклеофил атакует системы I, II и, возможно, III. Так как в общем случае нуклеофильной атаке субстрат может подвергаться на любой стадии превращения по приведѐнной схеме, то чаще всего можно лишь утверждать, что тот или иной механизм близок к SN1 или SN2. Факторы, влияющие на механизм и скорость нуклеофильного замещения Одни и те же факторы могут совершенно различным образом влиять на скорость реакций, протекающих по «чистому» SN1- или SN2-механизму. Поэтому какие-то из них способствуют протеканию реакций по мономолекулярному механизму, а какие-то — по бимолекулярному. 107 1. Влияние структуры субстрата. Увеличение пространственного объѐма заместителей при реакционном центре субстрата уменьшает скорость бимолекулярного замещения, так как реакционный центр становится менее доступным атаке нуклеофила. При этом при переходе от бромметана к бромэтану скорость SN2-реакции уменьшается в 145 раз, а к 2-бромпропану — в 18 000 раз. H3C Br H3C-H2C Br бромметан бромэтан CH3 H3C-HC Br 2-бромпропан Однако скорость SN1-реакции в этом ряду будет возрастать, так как влияние электронных эффектов заместителей в субстрате в большинстве случаев значительно сильнее проявляется в реакциях мономолекулярного замещения. При переходе от первичных систем к вторичным и третичным увеличивается стабильность алкильных катионов: H + CH2 C H H H H H C + CH H C H H + H3C C CH3 CH3 , зависящей, в частности, от количества метильных групп вокруг положительно заряженного атома углерода, которые обладают электронодонорным индуктивным эффектом и поэтому компенсируют заряд реакционного центра. В этом же ряду возрастает и величина эффекта сверхсопряжения р-орбитали карбокатионного атома углерода с электронами С–Н-связей. В результате, скорость реакции по механизму SN1 должна увеличиваться в этом ряду. Поэтому в целом, высокая скорость реакций нуклеофильного замещения может быть характерна и для первичных, и для третичных алкилгалогенидов. В первом случае — за счѐт лѐгкости взаимодействия по SN2механизму (свободный доступ реакционного центра, нет стерических препятствий), во втором — по SN1-механизму (лѐгкость диссоциации субстратов, стабильность образующегося карбокатиона). Вторичные алкилгалогениды в большинстве случаев должны реагировать по смешанному механизму, причѐм скорость реакций у них будет относительно небольшой, так как есть препятствия для протекания и мономолекулярного, и бимолекулярного замещения. Введение заместителей в молекулу субстрата по-разному будет влиять на скорость мономолекулярной и бимолекулярной реакций. Электронодонорные заместители должны ещѐ более стабилизировать образующийся катион и, следовательно, увеличивать скорость SN1-реакции. 108 Влияние электронных эффектов заместителей на скорость бимолекулярной реакции не столь однозначно. Но большинство SN2-реакций ускоряется электроноакцепторными заместителями — в этих случаях скорость реакции определяется лѐгкостью взаимодействия нуклеофильной частицы с положительно заряженным реакционным центром субстрата. В других случаях скорость бимолекулярной реакции зависит от способности нуклеофугной группы отщепляться от реакционного центра, и влияние природы заместителей будет противоположным — таким же, как и в мономолекулярных реакциях. 2. Влияние природы нуклеофила. В реакциях нуклеофильного замещения практически любая нейтральная или отрицательно заряженная частица, имеющая неподелѐнную пару электронов, может быть нуклеофилом. Скорости мономолекулярных реакций не зависят от природы нуклеофила, так как он не принимает участия в лимитирующей стадии, поэтому нуклеофильность реагента, то есть способность предоставлять электронную пару для образования ковалентной связи при взаимодействии с положительно заряженным центром в субстрате, влияет только на скорость SN2-реакций. Для этих реакций, протекающих в растворе, можно отметить несколько основных принципов, которые определяют влияние нуклеофила на скорость. Во-первых, нуклеофильность аниона всегда выше, чем у соответствующей нейтральной молекулы. Так, OH сильнее, чем H2O; NH2 сильнее, чем NH3, и т.д. Во-вторых, при сравнении нуклеофилов, атакующие атомы которых находятся в одном периоде Периодической системы, порядок нуклеофильности приблизительно совпадает с порядком основности. Поэтому R3C>R2N>RO>F Электронодонорные заместители увеличивают нуклеофильность реагента, так, у RO нуклеофильность выше, чем у HO; у RSH — чем у H2S, и т.д. Высокой нуклеофильностью обладают неустойчивые анионы, в частности карбанионы, так как образование аниона для атома углерода энергетически невыгодно (из-за его низкой электроотрицательности). В-третьих, нуклеофильность возрастает сверху вниз в группах Периодической системы (с увеличением радиуса атома), хотя основность в этом ряду падает. Так, обычный порядок нуклеофильности галогенидов выглядит следующим образом: I>Br>Cl>F. Аналогично любой серосодержащий нуклеофил сильнее соответствующего кислородсодержащего аналога. Это объясняется лѐгкостью поляризации атомов и ионов большего размера и меньшей энергией сольватации этих ионов. В-четвѐртых, чем свободнее нуклеофилы, тем больше скорость; сольватация снижает скорость реакции. Так, протонные растворители (см. ниже) снижают нуклеофильную силу реагента за счѐт образования водородных свя109 зей, если нуклеофильным центром является сильно электроотрицательный элемент (F, O, N). Однако эти правила не могут учесть всех факторов, влияющих на нуклеофильность реагента. Так, часто определѐнную роль играют стерические препятствия. Например, трет-бутилат-ион (CH3)3CO — более сильное основание, чем HO или C2H5O, но значительно менее сильный нуклеофил, так как его большой пространственный объѐм затрудняет близкий подход к субстрату. Таким образом, активность наиболее распространѐнных нуклеофилов уменьшается в ряду (для SN2-реакций в протонных растворителях): RS>C2H5S>I>CN>HO>Br>C2H5O>Cl>CH3COO>H2O 3. Влияние растворителей и катализаторов. В мономолекулярном замещении на первой стадии из нейтральной молекулы субстрата образуются ионы, они легко сольватируются молекулами полярных растворителей, особенно протонных. Поэтому протонные высокополярные растворители будут способствовать протеканию реакции по механизму SN1. Применение протонного растворителя для проведения реакции по механизму SN2 приведѐт к дезактивации нуклеофильной частицы за счѐт образования водородных связей этой частицы с атомами водорода растворителя и, как результат, замедлению реакции. В апротонных растворителях нуклеофильные реагенты сохраняют высокую реакционную способность. Кроме того, сольватируя катионы, апротонные растворители способствуют диссоциации молекул реагента на ионы и, следовательно, увеличивают нуклеофильную силу реагента. Таким образом, полярные апротонные растворители способствуют SN2-реакции. Поэтому кислая среда, как правило, не способствует протеканию бимолекулярных реакций, и для этих реакций предпочтительна нейтральная или щелочная среда, так как сильные нуклеофилы — это обычно сильные основания. В качестве катализаторов в реакциях нуклеофильного замещения используются кислоты Льюиса, то есть галогениды бора, алюминия, железа, цинка, кадмия, ртути, меди и другие. Эти вещества способны акцептировать анионы из раствора за счѐт валентных орбиталей металла, и их применение может лишь замедлить процесс бимолекулярного замещения, но способствует протеканию SN1-процесса, так как облегчает диссоциацию субстрата. 4. Влияние природы уходящей группы. В ходе реакции уходящая группа отщепляется вместе с парой электронов. В реакциях, осуществляемых по механизму мономолекулярного замещения, чем легче будет уходящая группа отщепляться, тем быстрее пойдѐт реакция, так как именно разрыв связи С–Х и является лимитирующей стадией реакции, осуществляемой по механизму SN1. На лѐгкость же отщепле110 ния влияет не только энергия диссоциации связи, но и стабильность нуклеофугной группы как свободной частицы. Так, при отрыве галогенид-ионов стабильность этих анионов уменьшается в ряду I>Br>Cl>F. Однако этот порядок соблюдается в апротонной среде. Напротив, в протонных растворителях или в присутствии кислотных катализаторов легче всего отщепляются анионы слабых кислот, поэтому порядок отщепления будет обратный (HF самая слабая кислота из всех галогеноводоводных кислот). Для этих реакций не требуются сильные нуклеофилы, но необходимо, чтобы субстраты имели хорошие уходящие группы, поэтому большинство мономолекулярных реакций протекает в кислой среде. Для SN2-реакций природа уходящей группы заметного влияния на скорость не оказывает, так как лимитирующая стадия здесь — образование переходного состояния, а отщепление замещаемой группы происходит, как правило, быстро. Но такие группы, как OH, OR, NH2 удаляются с трудом, так как связь углерод–кислород или углерод–азот достаточно прочная. Таким образом, влияние различных факторов на направление и скорость реакций нуклеофильного замещения можно свести к следующим основным положениям. Факторы, способствующие протеканию SN1-реакции: 1) образование стабильного карбокатиона, 2) применение высокополярного протонного растворителя и кислотных катализаторов, 3) стабильность уходящей группы. Нуклеофильность атакующей частицы существенного значения не имеет. Факторы, способствующие протеканию SN2-реакции: 1) доступность электрофильного центра субстрата, 2) применение апротонного растворителя, 3) высокая нуклеофильность реагента. Природа уходящей группы существенного значения не имеет. 3.1.2. РЕАКЦИИ ОТЩЕПЛЕНИЯ (ЭЛИМИНИРОВАНИЯ) В большинстве реакций отщепления атомы или группы уходят от двух соседних атомов углерода, причѐм очень часто от одного из них отщепляется катион водорода Н+, а от другого — нуклеофуг :Х или :X, а между атомами углерода образуется кратная связь: H-C-C-X - HX 111 C=C Реакции отщепления могут протекать как по моно-, так и по бимолекулярному механизму. Их обозначают соответственно Е1 и Е2, по аналогии с механизмами реакций нуклеофильного замещения SN1 и SN2, которые, в свою очередь, часто сопровождаются реакциями отщепления. К тому же реакции отщепления являются конкурирующими для реакций нуклеофильного замещения, так как протекают в сходных условиях. Для проведения реакции с галогеналканами используется твѐрдая щѐлочь или еѐ спиртовый раствор (но не водный), так как в этих условиях повышается основность реагента, но не нуклеофильность. Для спиртов и аминов, напротив, необходимо присутствие кислоты, которая протонирует молекулы исходного субстрата ROH или RNH2, превращая их в оксониевые или аммониевые ионы, в которых все связи, в том числе и С–Н-связи, становятся более полярными. Это способствует отрыву протона и протеканию реакции отщепления. Щѐлочь не способствует реакции отщепления спиртов и аминов, так как, с одной стороны, в этих соединениях, помимо полярных С–Н-связей, имеются ещѐ более полярные О–Н или N–Н-связи. Присутствие воды (как растворителя) вредно сказывается на протекании реакции отщепления. Это во всех случаях уменьшает основность реагента и не способствует отщеплению протона от молекулы субстрата. А в случаях галогеналканов и спиртов, когда в ходе реакции образуется вода, еѐ присутствие в реакционной массе замедляет прямую реакцию отщепления. Реакции отщепления всегда требуют нагревания, так как для преодоления энергетического барьера разрыва С–Н-связи необходима повышенная температура. Механизм мономолекулярного отщепления Механизм Е1 представляет собой двухстадийный процесс, в котором лимитирующей стадией является ионизация субстрата с образованием карбокатиона; последний быстро отдаѐт протон основанию: R R' R H - C - C+ H-C-C-X R" R"' R R' + X R" R"' R R' H - C - C+ R" R"' -H + R' C=C R" R"' Действительно, первая стадия в механизме Е1 в точности совпадает с первой стадией механизма SN1. Вторая стадия отличается тем, что отрыв 112 протона от соседнего углеродного атома осуществляется быстрее, чем происходит атака по положительно заряженному атому углерода. Если атакующие агенты действуют как нуклеофилы, то есть как доноры электронной пары по отношению к углеродному атому, то суммарным результатом реакции будет замещение, так как центр электрофильности карбокатиона относится к числу мягких. Скорость нуклеофильной атаки по этому центру определяется в основном поляризуемостью нуклеофила и сравнительно мало зависит от основности последнего. Если же указанные агенты действуют как основания, то есть как доноры электронной пары по отношению к водороду, то в этом случае результатом реакции будет отщепление протона с образованием алкена. Поэтому применение жѐстких сильнооснόвных реагентов создает благоприятные условия для доминирования процесса Е1. Схематично это можно показать так: R R' H - C - C+ R" R"' C2H5OH (SN1) -H + R R' H - C - C - O - C2H5 R" R"' C2H5O (E1) -C2H5OH R R' C=C R" R"' Кроме природы атакующего агента, на результаты конкуренции между процессами SN1 и Е1 влияет и строение карбокатиона. Так, разветвление при -углеродном атоме (соседнем с карбокатионным) способствует отщеплению по механизму Е1. Например, для таких алкилгалогенидов, как 2-метил-2хлорбутан и 2,3-диметил-2-хлорбутан реакции, протекающие в сходных условиях в первом случае дают только 34% алкена, тогда как во втором — 62%. CH3 CH3-CH2-C-Cl CH3 CH3 CH3 CH3-CH-C-Cl CH3 2-метил-2-хлорбутан 2,3-диметил-2-хлорбутан Такой эффект частично можно объяснить пространственными причинами, но это объяснение, наверное, не будет полным. Существенное значение здесь может иметь и такой эффект, как сверхсопряжение. В данном случае это -сопряжение в образующихся алкенах: 113 CH3 CH3-CH2-C-Cl CH3 CH3 CH3 CH3-CH-C-Cl CH3 CH3 - HCl CH3 - CH = C CH3 CH3 - HCl CH3 C=C CH3 CH3 Во втором случае у более разветвлѐнного алкена он выражен сильнее. Эффектом сверхсопряжения объясняется и предпочтительное образование одного из нескольких возможных алкенов при отщеплении Н+ по правилу Зайцева*, требующему преимущественного образования более устойчивого алкена, несущего большее число алкильных групп при двойной связи (или формально — отщепление протона происходит от менее гидрированного атома углерода). Так, например, для 2-метил-2-хлорбутана возможен отрыв протона от разных -углеродных атомов, что может привести к разным алкенам: CH3 CH3-CH2-C-Cl CH3 CH3 CH3-CH=C CH3 - HCl CH3-CH2-C=CH2 CH3 Но преимущественно будет образовываться более разветвлѐнный алкен, в котором эффект --сопряжения проявляется сильнее. Одной из распространѐнных методик проведения реакций отщепления, протекающих по механизму Е1, служит обработка галогеналканов гидроксидом калия в спиртовой среде. В этих условиях за счѐт наличия равновесия OH + C2H5OH H2O + C2H5O образуется очень основный жѐсткий нуклеофил С2Н5O¯ в количествах, достаточных для атаки по С–Н-связи и отщепления протона. Механизм бимолекулярного отщепления В реакциях бимолекулярного элиминирования все группы могут отщепляться одновременно, при этом протон выталкивается основанием. Реакция 114 идѐт в одну стадию без образования промежуточного соединения. Это синхронный Е2-механизм: R Y + R' R H-C-C-X R' ' Y... H...C-C...X R" R"' R" R"' R R' C=C -X R"' -HY R" Она аналогична реакциям, протекающим по механизму SN2, и часто обе эти реакции конкурируют друг с другом. Применительно к субстрату разница между нуклеофильным замещением и отщеплением заключается в направлении атаки реагентом: либо на углерод (как нуклеофил), либо на водород (как основание). Однако в том случае, когда не наблюдается одновременного отщепления обеих групп, а сначала происходит отщепление протона, а только затем разрыв связи С–Х, в качестве промежуточной частицы образуется карбанион, и механизм таких реакций часто называют карбанионным механизмом отщепления: R R R' H-C-C-X R" R"' R + R' C-C-X R" R"' R' H + C-C-X R" R"' R R' C=C R" + X R"' Он характерен для всех случаев, когда образующийся карбанион достаточно стабилен. Однако в общем случае при бимолекулярном отщеплении (при любом механизме — синхронном или карбанионном) разрыв связи С–Н приводит к появлению на -атоме углерода заполненной р-орбитали, а разрыв связи С–Х — вакантной р-орбитали на -углеродном атоме. Перекрываясь, они образуют -связь. Таким образом, происходит перегибридизация атомов углерода из состояния sp3 в sp2. Связь между атомами углерода в переходном состоянии частично имеет характер двойной связи, а отрицательный заряд локализован главным образом на -углеродном атоме. На скорость и направление реакций, протекающих по механизму Е2, оказывают влияние следующие факторы. 1. Структура субстрата. Скорости реакций отщепления, проходящих по механизму Е2, как правило, весьма чувствительны к электронным эффектам заместителей. В большинстве случаев реакция сильно ускоряется при введе115 нии электроноакцепторных заместителей, таких как -NO2, -CN, -CRO и др., что говорит о карбанионном характере (хотя бы частично) большинства бимолекулярных реакций отщепления, так как акцепторные заместители должны стабилизировать образующийся анион. С другой стороны, возрастание числа алкильных групп способствует отщеплению, а не замещению, поскольку происходит замедление реакций бимолекулярного замещения из-за пространственной затруднѐнности переходного состояния и ускорение реакций отщепления из-за стабилизации образующегося алкена за счѐт эффекта сверхсопряжения и меньшей пространственной затруднѐнности переходного состояния (при отщеплении). Другими словами, скорость Е2-процесса уменьшается в ряду: третичный > вторичный > первичный, то есть в обратной последовательности по сравнению со скоростью SN2-процесса. Отщепление протона может происходить преимущественно из положения, соответствующего наибольшей кислотности, то есть отщепляется протон наиболее полярной С–Н-связи. Это положение закреплено правилом Гофмана*, согласно которому атом водорода отщепляется формально от наиболее гидрированного атома углерода. Правило Гофмана удовлетворительно соблюдается для аммониевых солей и других субстратов, содержащих сильно электроноакцепторные уходящие группы, обладающие большим отрицательным индуктивным эффектом. За счѐт этого повышается способность С–Н-связи -углеродных атомов к гетеролитическому разрыву. Например: CH3 CH2-H + CH3 CH3-CH-CH=CH2 +OH - H2O CH3-CH-CH-N(CH3)3 + (CH3)3N Отщепление по Гофману протекает по карбанионному механизму Е2. Однако в других случаях, когда отрицательный индуктивный эффект уходящих групп не столь велик, решающим фактором при отрыве протона становится эффект сверхсопряжения в молекуле образующегося алкена. Здесь работает правило Зайцева (см. выше). 2. Природа реагента. Очевидно, что скорость отщепления по механизму Е2 зависит от основности, но не от нуклеофильности реагента. Увеличение же размера иона основания приводит к увеличению вероятности отщепления по правилу Гофмана. Например, в реакции CH3 CH3-CH2-C-Br CH3 - HBr CH3-CH2-C=CH2 CH3 116 выход продукта отщепления по правилу Гофмана будет увеличиваться при действии на субстрат следующих реагентов: CH3 CH3-CH2-O этилат-ион < CH3-C-O CH3 CH3 < CH3-CH2-C-O CH3 трет-бутилат-ион трет-амилат-ион < CH3CH2 CH3-CH2-C-O CH3CH2 1,1-диэтилпропилат-ион 3. Другие факторы. Значительное влияние на скорость отщепления оказывает также способность нуклеофугной группы уходить вместе с электронной парой. Таким образом, наиболее легко отщепляемыми группами являются анионы сильных кислот. Температура — фактор, действие которого может увеличить выход продукта реакции отщепления за счѐт уменьшения доли продукта нуклеофильного замещения. Это вызвано большей энергией активации реакций элиминирования по сравнению с замещением, и при нагревании реакции Е2 ускоряются сильнее, чем реакции SN2. 3.2. ГАЛОГЕНАЛКАНЫ Галогеналканы, или алкилгалогениды, — это галогенопроизводные предельных углеводородов (алканов), то есть это продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле алкана атомом (или атомами) галогена. 3.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ В зависимости от числа атомов галогена и от их природы галогеналканы можно разделить на 1) моногалогеналканы и 2) ди-, три- и полигалогеналканы. Моногалогеналканы классифицируют на первичные, вторичные и третичные в зависимости от природы атома углерода, у которого находится галоген. Среди дигалогеналканов выделяют геминальные, в которых атомы галогена находятся у одного атома углерода, и вицинальные с расположением атомов галогена у соседних углеродных атомов, например, CH3-CH2-CHCl2 CH3-CHCl-CH2Cl 1,1-дихлорпропан (геминальный) 1,2-дихлорпропан (вицинальный) 117 В зависимости от природы атомов галогена различают фторалканы, хлоралканы, бромалканы и йодалканы. (А такие полигалогеналканы, как, например, CClF3, могут быть одновременно отнесены и к фторалканам, и к хлоралканам.) Для названия галогеналканов применяются как заместительная, так и радикало-функциональная номенклатуры ИЮПАК. Для низших и наиболее распространѐнных представителей приемлемыми являются и тривиальные названия, например, фтороформ, хлороформ, бромоформ, йодоформ, фторотан. В заместительной номенклатуре наличие атома галогена в молекуле обозначается приставкой, например, хлор-. Пример: 1 2 3 4 CH3-CH-CH2-CH3 2-хлорбутан Cl По радикало-функциональной номенклатуре к названию углеводородного радикала добавляется название галогена в анионной форме. Например, название этого же соединения по радикало-функциональной номенклатуре — втор-бутилхлорид. Принципиального отличия в существовании того или иного вида изомерии у галогеналканов от алканов нет. Так, структурная изомерия галогеналканов представлена изомерией углеродного скелета и изомерией положения атома галогена. При этом среди дигалогенопроизводных вицинальные изомерны геминальным. Стереоизомерия связана как с наличием асимметрического атома углерода (в упомянутом выше 2-хлорбутане такой атом углерода есть, а значит, существуют оптические изомеры), так и с возможностью существования различных конформеров (относительно каждой углерод-углеродной связи). 3.2.2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА В молекулах галогеналканов связь атома углерода с галогеном полярна: C Hal В зависимости от природы галогена от фтора к йоду полярность связи C–Hal уменьшается (так как уменьшается электроотрицательность галогена), но 118 возрастает еѐ поляризуемость и увеличивается длина (так как увеличивается радиус атома галогена), а прочность связи при этом уменьшается (табл. 3.1). Таблица 3.1 Характеристика связей C–Hal в молекулах галогеналканов Связь C—F C—Cl C—Br C—I Длина, нм 0.142 0.177 0.191 0.213 Энергия диссоциации, кДж/моль 448 326 285 213 Поскольку в молекулах имеются центры с повышенной и пониженной электронной плотностью, межмолекулярное притяжение галогеналканов сильнее, чем межмолекулярное притяжение алканов, поэтому температуры кипения галогенопроизводных в целом выше, чем незамещѐнных углеводородов. Среди моногалогенопроизводных только фтор-, хлор- и бромметаны — газы, остальные — жидкости и твѐрдые вещества. Температуры кипения зависят от природы галогена и увеличиваются от фторпроизводных к йодпроизводным, так как с увеличением геометрических размеров молекул и их поляризуемости возрастают силы сцепления между молекулами. Температуры кипения зависят также от строения углеводородного радикала и уменьшаются от первичных к третичным по той причине, что молекулы становятся более компактными и уменьшается возможность для взаимодействия между их отдельными атомами и группами. Так как поляризуемость связи C–I наибольшая, то при растворении йодалканов в полярных растворителях эта связь легко поляризуется вплоть до гетеролитического разрыва, то есть до гетеролитической диссоциации йодалкана: R–I R+ + I. При этом химические свойства соединений сильно зависят от их поляризуемости. Галогеналканы бесцветны (только полийодпроизводные имеют жѐлтую окраску), со своеобразным сладковатым запахом, нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях, а некоторые из них сами являются прекрасными растворителями. Химическая активность галогеналканов обусловлена взаимодействием структурных составляющих молекулы. Реакции нуклеофильного замещения и отщепления являются важнейшими среди химических свойств галогеналканов, хотя далеко не единственными среди них. Рассмотрение химических свойств начнѐм с примеров наиболее характерных SN- и Е-реакций. 3.2.2.1. Примеры реакций нуклеофильного замещения 1) Гидролиз галогеналканов — это превращение их в спирты по схеме: 119 R-Х + H2O R-OH + HХ Возможно протекание реакции как в нейтральной, так и в кислой и щелочной средах. Механизм реакции: SN1 или SN2 — определяется, в основном, структурой субстрата, а также другими факторами. Например, щелочной гидролиз бромэтана (SN2-механизм): CH3-CH2 Br + OH CH3 HO . . . CH 2 . . . Br - Br CH3-CH2-OH Кислотный гидролиз 2-бром-2-метилпропана (SN1-механизм): CH3 + CH3-C-Br + H CH3 CH3 CH3-C + H2O CH3 + CH3 CH3-C + + HBr CH3 CH3 + CH3-C-O-H CH3 H CH3 -H + CH3-C-OH CH3 2) Алкоголиз галогеналканов — это взаимодействие галогеналканов с алкоголятами металлов (реакция Вильямсона*), приводящее к образованию простых эфиров: R-Х + R-ONa+ R-O-R + NaХ Реакция осуществляется по одному из механизмов нуклеофильного замещения. В ней нуклеофильной частицей является алкоголят-анион R-O. При этом при синтезе смешанных эфиров (с разными R и R) необходимо осуществить правильный выбор галогеналкана и алкоголята (RХ и R-O или RХ и R-O — в зависимости от структуры углеводородных радикалов) для того, чтобы реакция протекала с наибольшей скоростью. При этом протекание конкурирующей реакции отщепления, приводящее к образованию алкена, должно быть сведено к минимуму (гл. 3.1.2). 3) Аммонолиз галогеналканов — это взаимодействие галогеналканов с аммиаком, приводящее к получению аминов (или их солей): R-Х + NН3 [R-NН3]+Х 3 R-NН2 + NН4Х NH Это также типичная SN-реакция. Образовавшийся первичный амин R-NН2 также является нуклеофилом и может вступать в реакцию с галогеналканом 120 R-Х с образованием вторичного амина R2NН и далее — до третичного амина R3N и солей четвертичного аммония [R4N]+Х. (Такие превращения аминов ещѐ известны как алкилирование аминов по Гофману — см. также свойства аминов в главе 3.7.3.3.) 4) Замена одного атома галогена на другой. При реакции галогеналканов с галогеноводородами или их солями происходит превращение одного галогеналкана в другой, например: R-Br + I R-I + Br Скорость и направление реакции сильно зависят от природы обменивающихся атомов галогена и условий проведения реакции (в частности, природы растворителя), так как нуклеофильность галогенид-ионов уменьшается в ряду I>Br>Cl>F (гл. 3.1.1). Кислая среда и протонные растворители в большей степени способствуют замещению атома фтора, а высокополярные апротонные растворители, наоборот, атома йода. 5) Взаимодействие с цианидами — это взаимодействие галогеналканов с солями синильной кислоты, приводящее к образованию органических цианидов (нитрилов) или изоцианидов. Цианид-ион является амбидентным нуклеофилом, то есть, способен проявлять свои нуклеофильные свойства, как за счѐт атома углерода, так и за счѐт атома азота: :CN :C=N: В SN1-реакции с карбокатионом преимущественно взаимодействует реакционный центр с наибольшей электронной плотностью (т.е. реакция осуществляется по наиболее электроотрицательному атому). При SN2-процессе реагирует атом с бóльшей нуклеофильностью (т. е. в данном случае с наибольшей поляризуемостью). Таким образом, изменяя механизм реакции, можно изменять относительную реакционную способность двух реакционных центров. В данном случае азот является более жѐстким, а углерод — более мягким нуклеофильным центром. Следовательно, азот будет предпочтительно взаимодействовать с сильно полярным (жѐстким) кислотным центром (положительно заряженный атом углерода в карбокатионе) — механизм SN1. Это приводит к образованию изоцианидов (изонитрилов): R+ + :C=N: R-N=С: Углерод, как относительно мягкий центр нуклеофильной частицы, будет предпочтительно взаимодействовать с атомом углерода значительно менее поляризованной молекулы субстрата (механизм SN2): 121 R R-CH2 Hal + NC . . . CH2 . . . Hal CN - Hal R-CH2-CN При этом образуются цианиды (нитрилы). 6) Взаимодействие с нитритами. Нитрит-анион, так же как и рассмотренный выше цианид-анион, является амбидентным нуклеофилом. Поэтому его взаимодействие с галогеналканами может привести либо к нитросоединениям, либо к эфирам азотистой кислоты: 1/2- RHal + O N 1/2- O R-NO2 a b R-O-N=O в зависимости от того, с каким нуклеофильным центром в нитрит-анионе происходит взаимодействие галогеналкана. Если внешние факторы способствуют протеканию реакции по SN2-механизму, то субстрат реагирует преимущественно с мягким нуклеофильным центром — атомом азота; это приводит к образованию нитросоединений (путь а). Если же в субстрате достаточно полярная связь С–Hal и возможна его диссоциация по условиям проведения процесса (механизм SN1), то карбокатион субстрата будет взаимодействовать с более жѐстким нуклеофильным центром — атомом кислорода; это приводит к образованию алкилнитритов (эфиров азотистой кислоты) (путь b). Определѐнную роль при этом может играть также и катион металла. Так, катион Ag+ способствует отщеплению галогенид-иона, то есть диссоциации исходного галогеналкана и образованию карбокатиона. Таким образом, применение нитрита серебра в качестве реагента повышает вероятность образования эфиров азотистой кислоты. Катион Na+, напротив, не способствует отщеплению галогенид-иона. Поэтому замена нитрита серебра на нитрит натрия в этой реакции приведѐт к уменьшению доли алкилнитрита и увеличению доли нитросоединения в качестве продукта реакции. Рассмотренные здесь реакции нуклеофильного замещения галогеналканов могут использоваться для получения других функциональных производных алканов: спиртов, простых эфиров, аминов, органических цианидов и изоцианидов, нитроалканов и алкилнитритов. 3.2.2.2. Пример реакции отщепления Дегидрогалогенирование галогеналканов. Взаимодействие галогеналканов с твѐрдой или спиртовой щѐлочью протекает по схеме: R-CH2-CH2Cl + KOH R-CH=CH2 + KCl + H2O 122 Возможен как механизм Е1, так и Е2. Нуклеофильное содействие может осуществляться и другими нуклеофильными реагентами. Возможна реакция отщепления для галогеналканов при действии, например, алкоголятионов. При этом для вторичных и третичных алкилгалогенидов наблюдается отщепление как по правилу Зайцева (с образованием термодинамически наиболее устойчивого алкена), так и по правилу Гофмана (с разрывом наиболее полярной С–Н-связи). Для реакций галогеналканов это зависит от основности атакующего нуклеофила и его пространственного объѐма (гл.3.1.2). Данная реакция может применяться как способ получения алкенов. Помимо SN- и Е-реакций, для галогеналканов характерны некоторые радикальные реакции, такие как, например, образование металлорганических соединений, и реакции восстановления. 3.2.2.3. Радикальные реакции 1. Образование литийорганических соединений: R-Cl + 2 Li R-Li + LiCl Реакция начинается с одноэлектронного переноса, то есть с передачи атомом лития одного валентного электрона алкилхлориду: ־ RCl + Li [RCl] + Li+ Образовавшийся анион-радикал распадается на хлорид-ион и алкил-радикал, который затем взаимодействует со вторым атомом лития: [RCl] R + Cl R + Li R-Li 2. Образование реактива Гриньяра. Реактивами Гриньяра называют магнийорганические соединения — галогениды алкилмагния, которые получают в среде диэтилового эфира, являющегося для них хорошим растворителем, например, по схеме: R-Cl + Mg R-MgCl хлорид алкилмагния Реактивы Гриньяра нашли широкое применение в синтезе представителей различных классов органических соединений. Например, их гидролиз приводит к образованию алканов R-MgCl + H2O R-H + Mg(OH)Cl 123 и может в некоторых случаях использоваться как способ получения предельных углеводородов; окисление с последующим гидролизом может использоваться как способ получения первичных спиртов: ] + RMgHal 2ROMgHal + HOH R-MgHal [O [R-O-O-MgHal] 2ROH + 2Mg(OH)Hal; карбоксилирование с последующим гидролизом — как способ получения карбоновых кислот: + O H2O, H R-C = O-MgBr - Mg,2+- Br - R: MgBr + :O = C = O O R-C = OH Французский химик В. Гриньяр за открытие магнийорганических соединений, названных впоследствии его именем, был удостоен Нобелевской премии по химии в 1912 г. 3. Реакция Вюрца. Здесь по радикальному механизму протекает образование натрийорганического соединения (аналогично литийорганическому), а дальнейшее его взаимодействие со следующей молекулой галогеналкана с образованием алкана — это уже нуклеофильное замещение: (SR) R-Cl + 2Na R-Na + NaCl - (SN) R:Na + + RCl R-R + NaCl Поэтому в ряде случаев реакция Вюрца используется как способ получения алканов, в частности симметричных. При использовании смеси алкилгалогенидов образуется трудно разделимая смесь углеводородов. Легче всего в реакцию вступают иодалканы (затем бромалканы и хлоралканы). Легко реагируют первичные алкилгалогениды. Основная побочная реакция — образование алкенов, особенно при использовании третичных галогеналканов (гл.2.5). 4. Восстановление йодоалканов йодоводородом. Реакция происходит при нагревании йодоалканов с йодоводородной кислотой: R-I + HI RH + I2 Вследствие высокой поляризуемости связь C–I может претерпевать гомолитический разрыв, и реакция с йодоводородом протекает по радикальному механизму: R-I R + I R + H-I RH + I 124 Йодоводородом можно восстанавливать и другие галогеналканы, но в этом случае сначала происходит нуклеофильное замещение: R-X + HI R-I + HX, а затем уже восстановление. 3.2.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Одним из способов получения галогеналканов является прямое галогенирование предельных углеводородов, например: R-H + Br2 R-Br + HBr Закономерности протекания этих реакций были рассмотрены в свойствах алканов (гл. 2.4.1). 2. Галогеналканы могут быть получены из спиртов и других галогеналканов с помощью реакции замещения, например: R-Х + НBr R-Br + HX Эти реакции, относящиеся к нуклеофильному замещению в спиртах и галогеналканах, рассмотрены в главе 3.1.1. К эффективным реагентам для получения галогеналканов относятся PCl3, POCl3, PCl5, PBr3, PBr5, PI3, SOCl2. 3. Может быть использовано гидрогалогенирование алкенов, например: СН2=СН2 + HBr СН3-СН2Br Подробнее эти реакции будут рассмотрены в свойствах этиленовых углеводородов (гл. 4.2.3). 3.2.4. ПОЛИГАЛОГЕНАЛКАНЫ Это производные предельных углеводородов, в молекулы которых входят два или несколько атомов галогена (одинаковых или разных). Закономерности строения, физических и химических свойств, способов получения, являющиеся общими с моногалогеналканами, рассмотрены выше. К особенностям физических свойств, химического поведения и способов получения соединений с несколькими атомами галогена можно отнести следующее. 1. Необычными физическими свойствами обладают полифторированные алканы. Температуры кипения соединений состава CnF2n+2 близки тем125 пературам кипения алканов с таким же числом атомов углерода, хотя молекулярная масса их существенно больше. Это объясняется незначительными ван-дер-ваальсовыми силами во фторорганических соединениях из-за их малой поляризуемости. Поэтому такие полифторуглеводороды (точнее, фторуглероды), как полимер тефлон (-CF2-CF2-)n, обладают высокой химической устойчивостью и низкой адгезией. 2. Реакционная способность геминальных полихлороалканов в SNреакциях, как правило, ниже, чем монохлороалканов из-за меньшей полярности связей C–Cl. Но в сильнокислой среде реакционная способность таких соединений может быть повышена, так как избыточная концентрация катионов Н+ способствует протонированию хлора и увеличению полярности связи C–Cl. 3. Геминальные ди- и тригалогенопроизводные при гидролизе образуют альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты: + R - CH Cl + H2O + H Cl + - - Cl R-CH=OH + R-CH-OH2 - HCl Cl + R - C Cl + H2O + H - HCl Cl Cl - - Cl O R-C=OH + -H R-CH-OH Cl R-CH=O - H+ Cl + + -H R C Cl Cl + R-C-OH2 Cl H2O - HCl Cl R-C-OH Cl + -H O R C OH Щелочной гидролиз в этих случаях менее предпочтителен, так как затруднѐн подход нуклеофила к реакционному центру из-за его экранирования атомами галогена. Наиболее вероятный механизм реакции здесь — SN2. 4. Геминальные дигалогеналканы могут быть получены из альдегидов и кетонов действием на них таких хлорирующих агентов, как PCl5, SOCl2, PBr3. Эти реакции относятся к химическим свойствам соответствующих карбонильных соединений и будут рассмотрены позже (гл. 6.1.4.1): R R Cl C Cl R(H) C=O + PCl5 R(H) + POCl3 Или гидрогалогенированием алкинов, например (см. также гл. 4.4.2): 126 СНСН + 2HCl СН3-СНCl2 5. Накопление у атома углерода атомов галогена приводит к повышению полярности связи C–H, что способствует отрыву протона от атома углерода и в конечном итоге приводит к образованию дихлоркарбена: Cl Cl Cl2 C H + OH C: + H2O + Cl Cl - дихлоркарбен В дихлоркарбене у атома углерода имеются два электрона, которые теоретически могут располагаться либо на двух орбиталях одинаковой энергии (триплетная форма), либо на одной орбитали (синглетная форма). Основным состоянием дигалокарбенов :CСl2 является синглетное (как и для других карбенов с заместителями, содержащими неподелѐнную электронную пару), хотя энергия синглет-триплетного перехода для дихлоркарбена невелика и составляет 56.5 кДж/моль. Дихлоркарбен за счѐт вакантной орбитали синглетной формы легко присоединяет воду: Cl ... C: + H2O Cl HCOO 6. Вицинальные дигалогеналканы под действием цинковой пыли подвергаются дегалогенированию: R-CНBr-CН2Br + Zn R-CН=CН2 + ZnBr2 Эта реакция часто служит одним из способов получения алкенов. 7. Для получения вицинальных дигалогеналканов может быть использовано галогенирование алкенов, например: СН2=СН2 + Br2 СН2Br-СН2Br Подробнее эти реакции будут рассмотрены в свойствах этиленовых углеводородов (гл. 4.2.3). 3.2.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Метиленхлорид (хлористый метилен, дихлорметан) — бесцветная жидкость со сладковатым запахом, малорастворим в воде. Обладает наркотическими свойствами. В промышленности получают хлорированием метана. 127 Метиленхлорид применяют в качестве растворителя для полимерных материалов (поливинилхлорида, полистирола, хлоркаучуков и др.). Хлороформ (трихлорметан) — бесцветная жидкость со сладковатым запахом, малорастворим в воде. Обладает наркотическими и анестезирующими свойствами, применяется в медицине. В промышленности получают хлорированием этанола хлорной известью или гипохлорита кальция. Схема превращения с использованием гипохлорита выглядит следующим образом: CH3CH2OH Ca(OCl)2 -CaCl2 O H3C C H Ca(OCl)2 -Ca(OH)2 O Cl3C C Ca(OH)2 H CHCl3 + (HCOO)2Ca . Хлороформ хорошо растворяет жиры, смолы, каучук. Его используют также в промышленном органическом синтезе для получения фреонов. При контакте с воздухом, особенно на свету, хлороформ постепенно окисляется с образованием фосгена COCl2. Йодоформ — антисептическое средство. Тетрахлорметан (тетрахлорид углерода, четырѐххлористый углерод) CCl4 — бесцветная тяжѐлая негорючая жидкость со сладковатым запахом. Малорастворим в воде. С водой образует азеотропную смесь, кипящую при 66С и содержащую 96% CCl4 и 4% H2O. В промышленности тетрахлорметан получают хлорированием метана или сероуглерода. Используют его в качестве растворителя, особенно для растворения жиров, масел, смол. Тетрахлорметан является исходным сырьѐм для промышленного синтеза фреонов. Ядовит, вызывает повреждение печени и почек. Дихлорэтан (1,2-дихлорэтан) — бесцветная жидкость со сладковатым запахом. Малорастворим в воде. С водой образует азеотропную смесь, кипящую при 71.5С и содержащую 83% дихлорэтана. В промышленности дихлорэтан получают хлорированием этилена. Он широко используется в качестве растворителя и исходного сырья в органическом синтезе (винилхлорид, этилендиамин и др.). Дихлорэтан обладает наркотическими свойствами, но ядовит, вызывает тяжѐлые поражения печени. Фреоны (хладоны) — фторхлоралканы представляют собой бесцветные газы или низкокипящие жидкости и вследствие своих специфических термодинамических свойств применяются в качестве хладагентов в холодильных машинах. Фреоны получают из соответствующих хлороалканов. Перфторуглеводороды — продукты исчерпывающего фторирования углеводородов — обладают способностью растворять и переносить кислород 128 по кровеносным сосудам. Являются химической основой для создания кровезаменителей. 3.3. НАСЫЩЕННЫЕ СПИРТЫ Насыщенные (или предельные) спирты — это гидроксильные производные алканов, то есть это продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле алкана гидроксогруппой или гидроксогруппами (-ОН). 3.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ Классификация предельных спиртов возможна по следующим признакам. 1. В зависимости от числа гидроксильных групп в молекуле спирты разделяют на одноатомные и многоатомные. Под атомностью понимают количество гидроксогрупп в молекуле спирта, например: CH3-CH2ОН CH2ОН-CH2ОН одноатомный многоатомный (двухатомный) 2. По взаимному расположению гидроксогрупп в двухатомных спиртах иногда выделяют геминальные диолы (или гем-диолы) и вицинальные диолы (или виц-диолы), но гем-диолы неустойчивы и существуют только в водном растворе в равновесии с соответствующим карбонильным соединением (гл. 3.3.5). 3. Среди одноатомных спиртов в зависимости от природы атома углерода, с которым связана гидроксогруппа, различают первичные, вторичные и третичные спирты. Для названия низших одноатомных спиртов широко используется радикало-функциональная номенклатура, по которой название соединения состоит из прилагательного, образованного от названия углеводородного радикала, и существительного «спирт». Например: CH3-ОН — метиловый спирт C2H5-ОН — этиловый спирт CH3 CH3-C-OH CH3 — третичнобутиловый спирт (трет-бутиловый спирт) 129 Реже применяется рациональная номенклатура (применительно к спиртам она ещѐ называется «карбинольная»). По этой номенклатуре все спирты рассматриваются как производные родоначального соединения — CH3-ОН, называемого карбинолом. Для этого перечисляются все заместители у атома углерода, связанного с гидроксогруппой, и добавляется слово «карбинол». Например: СН3-CH2-ОН — метилкарбинол СН3CH2-CH2-ОН — этилкарбинол CH3 CH3-C-OH CH3 — триметилкарбинол Но радикало-функциональная и рациональная номенклатуры малопригодны для названия соединений, имеющих длинный и разветвлѐнный углеводородный радикал, и для названия многоатомных спиртов. Значительно более универсальной является заместительная номенклатура ИЮПАК. В отсутствие более старших функциональных групп ОН-группа называется суффиксом -ол, добавляемым к названию углеводорода, а в присутствии старших групп — приставкой гидрокси-. Например: СН3CH2CH2ОН — пропан-1-ол НОСН2CH2CH2ОН — пропан-1,3-диол НОСН2CH2CООН — 3-гидроксипропановая кислота Применяются также и тривиальные названия некоторых широкоупотребительных соединений: древесный спирт, винный спирт и др. В названиях металлических производных спиртов (алкоголятов) ROMe в радикало-функциональной номенклатуре суффикс -ат добавляется к названию радикала, а в заместительной номенклатуре тот же суффикс -ат(ят) добавляется к полному названию спирта. Например: СН3ONa — метилат натрия, метанолят натрия; (С2Н5O)3Al — этилат алюминия, этанолят алюминия. Изомерия предельных спиртов, аналогично галогеналканам, — структурная, оптическая, конформационная. Среди конформационных изомеров полифункциональных соединений, например галогеноспиртов, заслуживают внимания молекулы, в которых атом галогена и водородный атом гидроксогруппы пространственно сближены, так что между ними возможно образование водородной связи. Это, например, наблюдается в 2-хлорэтан-1-оле. Поэтому для этой молекулы наиболее устойчивой будет скошенная конформация (гош-конформация): 130 H O H Cl O Cl CH2 CH2 H 60o H H H 2-хлорэтан-1-ол 3.3.2. СТРОЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Спирты — соединения, полярные из-за наличия сильнополярных связей C–О и О–Н, с одной стороны, и, с другой стороны, из-за '+ наличия валентного угла C–О–Н, близкого к 106. (Спирты H можно рассматривать как производные воды, в молекуле ко R O торой, как известно, угол между связями равен 104.5.) Аналогично воде для спиртов характерно образование межмолекулярных водородных связей (гл. 1.3.3): R H O: R H O: R H O: Образование водородных связей ответственно за аномально высокие температуры кипения спиртов по сравнению с соответствующими алканами и галогеналканами. Так, например, все спирты с числом атомов углерода от 1 до 11 — жидкости, а высшие спирты — твѐрдые вещества. Соединения с разветвлѐнной углеродной цепью кипят при более низких температурах, чем их изомеры нормального строения. Спирты, содержащие в молекулах не более трѐх атомов углерода, смешиваются с водой в любых соотношениях, что объясняется образованием водородных связей между молекулами спиртов и воды. Растворимость спиртов уменьшается по мере усложнения углеводородного радикала. Спирты — бесцветные соединения. Низшие спирты обладают характерным алкогольным запахом и жгучим вкусом, бутиловые и амиловые спирты — сивушным запахом, а высшие спирты имеют ароматный запах. 3.3.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Химические свойства спиртов обусловлены наличием функциональной группы -ОH, а значит, полярных связей С–О и О–H. Как и для галогеналка- 131 нов, для спиртов должны быть характерны реакции нуклеофильного замещения и отщепления. Но для спиртов характерны и другие свойства. 3.3.3.1. Примеры реакций нуклеофильного замещения 1. Межмолекулярная дегидратация спиртов — это реакция образования простых эфиров из спиртов. Она протекает при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты, которая является и катализатором, и акцептором отщепляющейся молекулы воды. Одна молекула спирта в этой реакции является субстратом, а другая — нуклеофилом: R-CH2-OH + H + R'-O: + CH2 OH2 H + + R-CH2-OH2 R'-O: . . . CH2 . . . :OH2 H R R + - H2O -H+ R'-O-CH2-R Реакция нуклеофильного замещения здесь сопровождается элиминированием с образованием алкена (см. далее), роль которого усиливается при увеличении разветвлѐнности углеводородного радикала, то есть при увеличении стабильности карбокатиона. 2. Взаимодействие спиртов с галогеноводородами. В этих реакциях также используется предварительная активация спиртов путѐм их протонирования чаще всего концентрированной серной кислотой или взаимодействием с кислотами Льюиса: R - O: + H H R - O: + ZnCl2 H + R + O-H H + HCl R - Cl R O: ZnCl2 H В зависимости от структуры субстрата механизм реакции SN1 или SN2. При этом скорость реакции по SN2-механизму (для первичных спиртов) значительно ниже, чем скорость реакции по SN1-механизму (для вторичных и для третичных спиртов), так как протеканию реакции по мономолекулярному механизму способствуют кислая среда и кислотный катализатор (гл. 3.1.1). Различия в скоростях реакций нуклеофильного замещения первичных, вторичных и третичных спиртов позволяют легко распознать природу спирта с использованием пробы Лукаса. Для этого спирт взбалтывают на холоду с раствором хлорида цинка в концентрированной соляной кислоте. Первичные спирты реагируют очень медленно (при нагревании), вторичные — в течение 132 нескольких минут, а третичные — моментально. Об образовании хлоралкана свидетельствует сильное помутнение раствора. 3. Взаимодействие спиртов с тионилхлоридом. Эта реакция также приводит к получению хлоралканов, часто используется в лабораторной практике. При этом на первой стадии образуется алкилхлорсульфит, который в силу своей малой стабильности легко превращается в соответствующий хлороалкан. R-OH Cl S=O + Cl R-O-S O H Cl + Cl - HCl Cl R-O-S O Cl R + O S O RCl + SO2 4. Взаимодействие спиртов с аммиаком с образованием аминов протекает уже значительно труднее. Проведение реакции требует высокой температуры (300400С) и применения кислотных катализаторов (Н+, Al2O3, WO3, MgO) для активирования молекулы спирта, но катализатор частично и дезактивирует молекулу аммиака, превращая еѐ в катион аммония. Реакция протекает по схеме: R-OH + Н+ R-OН2+ R-OН2+ + NH3 R-NН3+ + H2O R-NH2 Рассмотренные здесь реакции нуклеофильного замещения спиртов могут использоваться для получения других функциональных производных алканов: простых эфиров, галогеналканов, аминов. 3.3.3.2. Пример реакции отщепления Внутримолекулярная дегидратация спиртов. Эта реакция, как и реакция межмолекулярной дегидратации, протекает в присутствии концентрированной серной кислоты. R-CH2-CH2OH + Н+ R-CH2-CH2-OН2+ R-CH2-CH2-OН2+ R-CH2-CН2+ + H2O R-CH2-CН2+ R-CH=CH2 + Н+ 133 Механизм реакции — только Е1, поэтому первичные спирты дегидратируются с трудом, в жѐстких условиях, а третичные — напротив, уже при небольшом нагревании с концентрированной серной кислотой с хорошим выходом превращаются в алкен. Поэтому данная реакция может быть использована как способ получения алкенов. Отщепление происходит по правилу Зайцева. 3.3.3.3. Кислотно-оснόвные свойства Присутствие в молекулах спиртов сильно полярной связи О–H отражается, в первую очередь на наличии у них кислотных свойств. Это связано с возможностью отрыва катиона H+ под действием основа ' ний. Спирты являются менее сильными кислотами, чем R O H вода. Причина этого — электронодонорный индуктивный эффект углеводородного радикала, увеличивающий эффективный отрицательный заряд на атоме кислорода и уменьшающий полярность связи О–H. Однако кислотность метанола близка к кислотности воды. Следовательно, со щелочами спирты не взаимодействуют: ROН + NaOH (RONa + H2О); а если этот процесс рассматривать как равновесный с возможным образованием алкоголята RONa и воды H2О, то такое равновесие будет полностью смещено влево, то есть в сторону образования менее сильной кислоты ROH: ROН + NaOH RONa + H2О Кислотные свойства уменьшаются в гомологическом ряду насыщенных спиртов и по мере разветвления углеводородного радикала: H2О CH3OH > C2H5OH > CH3CH2CH2OH > (CH3)2CHOH > (CH3)3COH Значение рКа для CH3OH составляет 15.1, рКа(C2H5OH) = 15.9, рКа((CH3)3СОH) 19. Положительный индуктивный эффект радикала в этом ряду увеличивается, а полярность связи O–Н поэтому уменьшается, значит, уменьшаются и кислотные свойства. Однако с активными металлами спирты, как и все протонные кислоты, взаимодействуют, давая алкоголяты: ROН + Na RONa + 1 2 H2 Примером проявления кислотных свойств спиртами является и реакция Чугаева*–Церевитинова*, в которой происходит отщепление протона от молекулы спирта и образование более слабой кислоты — метана: RO-Н + CH3-MgI RO-MgI + CH4 134 С ослаблением кислотных свойств в ряду спиртов усиливаются оснóвные свойства, так как, с одной стороны, с возрастанием положительного индуктивного эффекта увеличивается полярность связи С–О, что способствует отщеплению иона OН, а, с другой стороны, на атоме кислорода увеличивается эффективный отрицательный заряд и, таким образом, облегчается присоединение протона при взаимодействии с кислотой. В действительности диссоциация в отсутствие кислотных катализаторов, то есть с образованием гидроксид-иона, практически не наблюдается даже для третичных спиртов и в сильнополярном растворителе. Как проявление оснóвных свойств более вероятно для спиртов протонирование. В целом спирты — слабые основания, но, например, с концентрированными кислотами, сухим хлороводородом могут довольно легко, особенно третичные, образовывать оксониевые (алкилоксониевые) соли. Например, пентан-1-ол, не растворяющийся в воде, растворяется в концентрированной соляной кислоте вследствие образования оксониевой соли: СН3СН2СН2СН2СН2-ОH + HCl [СН3СН2СН2СН2СН2-OH2]+Cl Таким образом, возможность проявления и кислотных, и оснóвных свойств говорит об амфотерности спиртов. Амфотерность можно проиллюстрировать и в межмолекулярном протонном обмене, например: С2Н5-ОH + Н-О-С2Н5 С2Н5-ОH2+ + Такой процесс называется автопротолизом. О-С2Н5 3.3.3.4. Нуклеофильность Нуклеофильные свойства связаны с наличием электроотрицательного атома кислорода с неподелѐнной парой электронов. Сюда относятся рассмотренные в главе 3.3.3.1 реакция межмолекулярной дегидратации спиртов, в которой одна из спиртовых молекул является нуклеофилом, а другая — субстратом, а также первая стадия взаимодействия спиртов с тионилхлоридом с образованием алкилхлорсульфитов. Это также реакции образования сложных эфиров при взаимодействии спиртов с карбоновыми кислотами, которые будут рассмотрены позже (гл. 6.4.4.2). Спирты в целом более нуклеофильны, чем вода. Но ещѐ более нуклеофильны алкоголят-ионы RO за счѐт большей локализации электронной плотности и, значит, отрицательного заряда на атоме кислорода. Электронодонорная способность такой частицы, то есть еѐ нуклеофильная активность, выше, чем у незаряженной и чем у частиц, не имеющих донорных заместителей у атома кислорода. 135 3.3.3.5. Реакции окисления и восстановления Реакции окисления по-разному протекают для первичных, вторичных и третичных спиртов, и отличить эти спирты можно по продуктам окисления. 1. Первичные спирты окисляются (дегидрируются) до альдегидов и далее до карбоновых кислот: R-CH2-OH R-CH=O R-COOH Процесс дегидрирования осуществляют при пропускании нагретых паров спирта над металлическими катализаторами (Cu, Pt или Pd): CH3-CH=O + H2 CH3-CH-O H H Или возможно окисление кислородом при строгом температурном контроле: R-CH2-OH + 1 2 О2 R-CH=O + H2О и применении таких катализаторов, как Cu, CuО 2. Вторичные спирты окисляются до кетонов R-CH(OH)-R R-CO-R В лабораторной практике окисление первичных и вторичных спиртов проводят соединениями хрома (VI) в кислой среде. 3. Третичные спирты в обычных условиях устойчивы к окислителям, но могут быть окислены в жѐстких условиях, что приводит к разрыву углеродной цепи и окислению фрагментов исходной молекулы: R-COOH + CH3-C-CH3 O = CH3 R-CH2-C-CH3 OH Все предельные спирты могут быть восстановлены до алканов; это можно осуществить с помощью йодоводорода: R-OH + 2HI RH + I2 + H2O Этот процесс включает в себя две реакции. Первая — это обычное нуклеофильное замещение с образованием йодоалкана: R-OH + HI R-I + H2O ; а вторая — взаимодействие йодоалкана с избытком йодоводорода (гл. 3.2.2.3): R-I + HI RH + I2 136 3.3.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Одним из способов получения спиртов является гидролиз галогеналканов: R-Х + Н2О R-ОН + HX Эти реакции, относящиеся к нуклеофильному замещению в галогеналканах, рассмотрены в главе 3.2.2.1. 2. Может быть использована гидратация алкенов: R-СН=СН2 + Н2О R-СНOH-СН3, осуществляющаяся в присутствии кислотных катализаторов (Н2SО4, Н3PО4, Al2О3 или др.). Подробнее эти реакции будут рассмотрены в свойствах алкенов (гл. 4.1.1, 4.2.3.1). В промышленности присоединение воды осуществляется в газовой фазе при пропускании смеси алкена и воды над катализатором. 3. Спирты могут быть получены восстановлением альдегидов, кетонов, и производных карбоновых кислот: R-СН=О R-СН2-OH R-СО-R R-СНOH-R R-СОOR R-СН2-OH + R-OH Реакция может протекать как каталитическое гидрирование водородом карбонильных соединений на Ni, Pt или Pd. Восстановление может осуществляться и мягкими реагентами гидрирования, такими как NaBH4 или LiAlH4. И, наконец, возможно использование атомарного водорода (водород в момент выделения), образующегося при растворении металлического натрия в спиртах. Подробнее эти реакции также будут рассмотрены в свойствах соответствующих классов соединений (гл. 6.1.4, 6.4.4.8). 4. Для получения вторичных и третичных спиртов из карбонильных соединений может быть использован реактив Гриньяра (гл. 6.1.4.1, п.6). 5. Для получения первичных спиртов реактивы Гриньяра подвергают окислению с последующим гидролизом: RMgX HOH 2 ROH R-MgX [R-O-O-MgX] + 2 ROMgX + 6. Этанол в промышленности получают из природных объектов, содержащих полисахариды (древесина, картофель, зерна хлебных злаков и др.), которые предварительно гидролизуют до моносахаридов (т.е. до глюкозы), а затем подвергают брожению. Химизм процесса можно свести к схеме: С6Н12O6 2 С2H5ОН + 2 Н2О 137 7. Метанол в промышленности получают из монооксида углерода и водорода: СO + 2 Н2 СH3ОН Реакцию проводят при повышенных давлении (530 МПа) и температуре (250380С) в присутствии катализатора (обычно оксиды цинка, хрома). При изменении условий (температуры, катализатора, соотношения реагентов) может получаться смесь различных спиртов. 3.3.5. МНОГОАТОМНЫЕ СПИРТЫ Многоатомными спиртами называют соединения, в молекулах которых содержится несколько гидроксильных групп. Для таких соединений справедливы все основные положения номенклатуры, изомерии, строения и свойств, что и для одноатомных спиртов, но у них есть и свои особенности. 1. Двухатомные спирты по радикало-функциональной номенклатуре именуют гликолями. Тогда для полного названия такого спирта необходимо назвать двухвалентный углеводородный радикал. В общем случае это достаточно затруднительно, и поэтому такие названия применимы только для гликолей, имеющих наиболее простое строение. Например: CH2-CH2 OH OH этиленгликоль CH3-CH-CH2 OH OH CH2-CH2-CH2-CH2 OH OH пропиленгликоль тетраметиленгликоль Из тривиальных названий наиболее распространѐнными являются гликоль, глицерин и пинакон: CH2-CH2 CH2-CH-CH2 OH OH OH OH OH гликоль глицерин CH3 CH3 CH3-C-C-CH3 HO OH пинакон 2. Двухатомные и трѐхатомные спирты с геминальным расположением гидроксогрупп неустойчивы и существуют только в водном растворе в равновесии с соответствующим карбонильным соединением: R OH R C=O + H2O R(H) C OH R(H) 138 R OH R C OH OH C=O + H2O OH Это связано лѐгкостью отрыва катиона водорода от одной из гидроксильных групп под действием электроноакцепторного влияния соседней ОН-группы, то есть кислотные свойства этих соединений выражены сильнее, чем у одноатомных спиртов. 3. По физическим свойствам многоатомные спирты — это вязкие жидкости или кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (из-за образования большего числа водородных связей как между самими молекулами спирта, так и между спиртом и водой). 4. Для вицинальных диолов характерен специфический метод окисления — йодной кислотой или периодатами по схеме: R R' C OH + C OH R" R"' R - C - R' + O R O I O R' C O C O R" R"' OH R" - C - R"' + OH I O OH OH [H3IO4] O O 5. При нагревании этиленгликоля с кислотами происходит межмолекулярная дегидратация и образуется циклический эфир — диоксан: HO OH CH2 CH2 OH CH2 + O H + CH2 CH2 CH2 CH2 O CH2 HO + 2 H2O диоксан 6. Гликоли способны подвергаться внутримолекулярной дегидратации. При этом в зависимости от взаимного расположения гидроксильных групп и структуры углеродного скелета возможно образование соединений различных классов (альдегидов, кетонов, циклических простых эфиров). Например: а) для - и -гликолей дегидратация — это внутримолекулярное нуклеофильное замещение: 139 CH2-CH2 CH2-CH2-CH2-CH2 :OH OH + H2O CH2 CH2 O тетраметиленгликоль тетраметиленоксид (тетрагидрофуран) б) -гликоли (вицинальные диолы) могут, дегидратируясь, претерпевать секстетные перегруппировки: R-CH2-C-R' + H2O O = R-CH-CH-R' OH OH Реакция начинается с протонирования одной из гидроксогрупп (более оснóвной), затем отщепляется молекула воды. Образовавшийся карбокатион обладает малой стабильностью и перегруппировывается в другой, более стабильный. При этом происходит перемещение гидрид-иона от одного атома углерода к другому, имеющему секстет электронов: R-CH-CH-R' OH OH + R-CH-CH-R' + HOH OH +H + R-CH2-C-O-H R' + - H2O R-CH-CR'-OH H R - CH2 - C=O R' + -H Возможность такой перегруппировки определяется лѐгкой делокализацией положительного заряда в образующемся катионе благодаря р-р-взаимодействию атома кислорода, с одной стороны, и положительно заряженного углерода, с другой стороны. После отрыва протона замыкается -связь C–O и образуется карбонильное соединение. Особенно интересно аналогичное превращение пинаконов (двутретичных -гликолей). В этом случае перемещение гидрид-иона невозможно, и карбокатион претерпевает скелетную перегруппировку: CH3 CH3 CH3-C - C-CH3 HO OH + +H CH3 CH3 CH3-C - C-CH3 + - H2O HO OH2 пинакон CH3 -H + CH3-C - C-CH3 O CH3 = CH3 CH3-C - C-CH3 HO: CH3 + пинаколин 140 CH3 CH3 CH3-C - C-CH3 + HO В результате реакции образуется кетон — пинаколин, а перегруппировка такого типа называется пинаколиновой. 7. Качественная реакция на многоатомные спирты — это взаимодействие с Cu(OН)2 с образованием устойчивых к гидролизу алкоголятов меди, имеющих хелатное строение; например, для этиленгликоля: H 2 CH2-OH CH2-OH + Cu(OH)2 CH2-O - 2H2O Cu CH2-O H O-CH2 O-CH2 Аналогичные комплексные соединения могут образовывать и другие поливалентные металлы. Благодаря хелатированию они имеют глубокую окраску, цвет которой зависит от природы металла. 3.3.6. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ Введение гидроксильной группы в молекулу углеводорода увеличивает наркотические свойства вещества. Однако увеличение числа гидроксильных групп в молекуле приводит к уменьшению этих свойств. Например, у этилового спирта эти свойства явно выражены, а у этиленгликоля и глицерина они практически отсутствуют. Физиологическое действие и токсичность нормальных первичных спиртов возрастает с увеличением длины углеродной цепи до 68 атомов, а затем падает. Особая токсичность метилового спирта объясняется образованием из него в организме ядовитых формальдегида и муравьиной кислоты. Метиловый спирт является сильным нервным и сосудистым ядом с резко выраженным кумулятивным действием. Предельно допустимая концентрация для метилового спирта 0.05 мг/л. Смертельная доза при приѐме внутрь 30 мл. Этиловый спирт является наркотиком, вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич центральной нервной системы. При длительном хроническом воздействии этиловый спирт может вызвать тяжѐлые органические заболевания нервной системы, сердечно-сосудистые заболевания и т.д. Пропиловые спирты действуют на организм сходно с этиловым, но при равной концентрации паров сильнее его. Физиологическая активность спиртов усиливается с удлинением углеродной цепи. Вторичные спирты обладают более сильным наркотическим действием, чем первичные, а третичные — более сильным, чем вторичные. Спирты, имеющие в молекуле кратные связи, обладают, как правило, более сильным наркотическим действием, но при этом увеличивается и токсичность спирта. 141 3.3.7. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Метанол (метиловый спирт, древесный спирт) — бесцветная жидкость со слабым своеобразным запахом, смешивается с водой. Метанол сильно ядовит. Метанол в промышленности получают из монооксида углерода и водорода — см. выше (гл. 3.3.4). Используется метанол в качестве хорошего растворителя и исходного вещества для синтеза других растворителей (простых и сложных эфиров). Большие количества его используют для получения формальдегида. В больших количествах метанол используется также в газодобывающей промышленности как ингибитор гидратообразования природного газа в газопроводах. Перспективы применения метанола — для производства белкововитаминных концентратов (которые используются как кормовой белок в животноводстве), а также в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Этанол (этиловый спирт) — один из самых дешѐвых растворителей. Древнейшим методом его получения является сбраживание раствора сахаров, которые или содержатся в различных фруктовых соках, или образуются при ферментативном расщеплении более сложных углеводов. Этанол в промышленности получают из природных объектов, содержащих полисахариды (древесина, картофель, зерна хлебных злаков и др.), которые предварительно гидролизуют до моносахаридов (т.е. до глюкозы), а затем подвергают брожению. Химизм процесса можно свести к схеме: С6Н12O6 2 С2H5ОН + 2 Н2О При фракционной перегонке жидкости сбраживания получают смесь этилового спирта с водой, так называемый спирт-ректификат, который содержит около 95.5% этанола и 4.5% воды. Этанол применяют для изготовления лаков, косметических продуктов, медикаментов, для проведения синтезов. Этанол является также исходным сырьѐм в промышленном органическом синтезе для получения бутадиена, ацетальдегида, этилацетата и других соединений. В медицинской практике этиловый спирт используется как наружное антисептическое и раздражающее средство для обтираний и компрессов. Этиловый спирт обладает хорошими дезинфицирующими свойствами и применяется для дезинфекции рук и хирургических инструментов. Пропан-2-ол (изопропиловый спирт) — бесцветная жидкость с характерным запахом. Смешивается с водой; образует азеотропную смесь, кипящую при 80.2С и содержащую 87.4% пропан-2-ола. 142 В промышленности пропан-2-ол получают каталитической гидратацией пропена в газовой фазе. Изопропиловый спирт широко используется в качестве растворителя вместо метанола и этанола и как исходное вещество в органическом синтезе. Большие количества пропан-2-ола используются для производства ацетона. Гликоль (этиленгликоль, этан-1,2-диол) — бесцветная, умеренно вязкая жидкость сладкого вкуса. С водой смешивается; безводный гликоль гигроскопичен. Гликоль получают в промышленности в больших масштабах и используют главным образом для получения полимеров (лавсан). Большие количества гликоля используют для получения растворителей. Смеси гликоля с водой имеют низкую температуру замерзания, поэтому их применяют для охлаждения автомобильных и тракторных двигателей (антифризы). Глицерин (пропан-1,2,3-триол) — бесцветная, очень вязкая жидкость сладкого вкуса. Безводный глицерин кристаллизуется очень трудно, образуя переохлаждѐнную жидкость. При температуре кипения (290С) глицерин постепенно разлагается. Смешивается с водой. Безводный глицерин гигроскопичен. Глицерин применяется для производства взрывчатых веществ (нитроглицерин, динамит) и синтетических высокомолекулярных соединений. В меньших количествах он применяется в текстильной и кожевенной промышленности и как составная часть косметических препаратов. В медицинской практике глицерин находит применение как основа для мазей и растворитель для некоторых лекарственных веществ. 3.4. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ В молекулах простых эфиров два углеводородных радикала соединены через атом кислорода: R-O-R. Другими словами, их можно рассматривать как органические производные воды, в молекуле которой оба атома водорода замещены углеводородными радикалами. Если эти углеводородные радикалы неодинаковы (R R), то такие эфиры называют смешанными. 3.4.1. НОМЕНКЛАТУРА И ИЗОМЕРИЯ Для названия простых эфиров применяются обычно радикалофункциональная и заместительная номенклатуры ИЮПАК, но могут применяться и другие виды номенклатур (например, «а»-номенклатура — гл. 1.5.3). 143 Название соединения по радикало-функциональной номенклатуре состоит из прилагательного, образованного от названий углеводородных радикалов, и существительного «эфир». Например: CH3-О-СН3 — диметиловый эфир, C2H5-О-СН3 — метилэтиловый эфир. В заместительной номенклатуре в качестве родоначальной структуры выбирается одна из двух углеродных цепей, связанных с атомом кислорода (подробнее о выборе родоначальной структуры — гл. 1.5.1). Атом кислорода с другим углеводородным радикалом (-О-R) является заместителем, название которого присутствует в названии эфира в виде приставки. Названия таким заместителям даются по общим правилам заместительной номенклатуры. Примеры: СН3CH2-ОCН3 CH3-CH-CH2-OCH2CH2CH3 CH3 — метоксиэтан, — 2-метил-1-пропоксипропан, — 3-метил-2-метоксибутан. 1 CH3 2 3 4 CH3O-CH-CH-CH3 CH3 Из тривиальных названий для широко распространѐнных насыщенных эфиров с одной эфирной группой общеупотребительными являются тривиальные названия только одного из них. Это серный, или медицинский, эфир С2Н5ОС2Н5. Среди ди- и полиэфиров используются следующие тривиальные названия: СН3ОСН2СН2ОСН2СН2ОСН3 — диглим (диметиловый эфир диэтиленгликоля), а моноэфиры этиленгликоля имеют общее название — целлозольвы (метилцеллозольв СН3ОСН2СН2ОН, этилцеллозольв С2Н5ОСН2СН2ОН). Все виды изомерии, характерные для рассмотренных выше соединений с -связями, существуют и для насыщенных простых эфиров. Кроме того, здесь встречается метамерия — разновидность межклассовой структурной изомерии. Другими словами, простые эфиры изомерны одноатомным спиртам. (Их брутто-формулы одинаковы — СnН2n+2О). Так, диметиловый эфир СН3ОCН3 изомерен этиловому спирту, а упомянутый выше 2-метокси-3метилбутан изомерен гексиловым спиртам С6Н13ОН. 144 3.4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Простые эфиры — полярные соединения. Валентный ' R угол СОС составляет 109–112. Это влияет на их раствори мость в воде — простые эфиры значительно лучше раствоR O римы, чем незамещѐнные углеводороды. Это объясняется и возможностью образования водородных связей между молекулами эфира и воды: R' R O: H H O: . Но температуры кипения их мало отличаются от температур кипения соответствующих углеводородов, так как водородные связи между самими молекулами эфира невозможны (нет подвижных атомов водорода). Простые эфиры в обычных условиях — инертные химические соединения. Но они могут в жѐстких условиях вступать в реакции нуклеофильного замещения. Это, например, ацидолиз простых эфиров — реакция Цейзеля*: при повышенном давлении и высокой температуре простые эфиры расщепляются под действием HI, хотя возможно использование H2SO4 или HBr: R-O-R + HI R-I + R-OH Если один из углеводородных радикалов R — третичный, то образуется третичный алкилйодид, механизм реакции — SN1: CH3 CH3 - C - O-R +H CH3 CH3 + CH3 + CH3 - C O-R - ROH H CH3 CH3 - C + + I CH3 CH3 CH3 - C - I CH3 В остальных случаях реакция протекает преимущественно по SN2-механизму, и, значит, при ацидолизе метилалкиловых эфиров образуется йодметан и соответствующий спирт: CH3- O-R +H + + CH3 O-R H + I- I: . . . CH3 . . . :O-R H - ROH CH3-I При этом йодоводородная кислота значительно реакционноспособнее, чем бромоводородная, а хлороводородная для этих целей не применяется вовсе из-за еѐ низкой активности. Реакцию с йодоводородной кислотой проводят в среде ледяной уксусной кислоты. Расщепление метил- и этилалкиловых эфиров посредством HI используют для количественного определения метокси- и этоксигрупп (метод Цейзеля). Для этого алкоксиалкан нагревают с концентрированной йодоводо145 родной кислотой до 100С — образуется CH3I или C2H5I. Метод основан на определении йода либо по количеству осаждѐнного AgI при пропускании йодметана (или йодэтана) через раствор AgNO3, либо по количеству выделившегося I2 при окислении. Метод используют для определения алкоксигрупп в углеводах и алкалоидах. Среди реакций расщепления связи C–О, кроме ацидолиза, можно отметить ещѐ и взаимодействие со щелочными металлами: R-О-R + 2Na R-O-Na + R-Na Механизм реакции, скорее всего, радикальный. Так же как и спирты, простые эфиры обладают оснóвными свойствами — могут образовывать с кислотами оксониевые соли: + R-O-R' Cl H R-O-R' + HCl хлорид диалкилоксония При этом электронодонорные свойства у эфиров выражены сильнее, чем у спиртов из-за влияния двух алкильных групп вместо одной при атоме кислорода. Но в целом эфиры, как и спирты, — основания слабые, и поэтому оксониевые соли в присутствии воды полностью гидролизованы. Например, диэтиловый эфир начинает протонироваться в ощутимых количествах только в растворе 3050%-й серной кислоты. Простые эфиры могут вступать в радикальные реакции по -углеродному атому. Это могут быть реакции хлорирования. Но более значимы для практики реакции окисления: H O-O + O 2 R-O-CH-R' + Y R-O-CH-R' R-O-CH-R' - HY инициирующая частица O-O R-O-CH-R' O-OH H + R-O-CH-R' R-O-CH-R' + R-O-CH-R' Свободные алкоксиалкильные радикалы более стабильны, чем алкильные, вследствие делокализации неспаренного электрона при взаимодействии с неподелѐнной электронной парой кислорода. И так как в молекулах простых эфиров имеется два -углеродных атома (с разных сторон от атома кислорода), то реакция идѐт по тому направлению, которое приводит к образованию более стабильного радикала. Продуктами окисления являются гидропероксиды — нестабильные и взрывчатые соединения. При хранении диалкиловых эфиров с доступом воз146 духа, особенно на солнечном свету в прозрачных бутылках, всегда образуется примесь гидропероксидов. Гидропероксиды представляют собой малолетучие маслянистые жидкости с острым запахом. Поэтому перед использованием эфиров необходимо делать пробу на наличие в них пероксидных соединений, добавляя сульфат железа (II) и роданид калия (или аммония). Пероксидные соединения разрушают (за счѐт восстановления) при обработке эфиров натрием, солями железа (II) или марганца (II). 3.4.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Важнейшие способы получения простых эфиров связаны с нуклеофильными реакциями спиртов и их производных (алкоголятов) — гл. 3.3.3.1 и 3.2.2.1. Этими способами являются: 1. Межмолекулярная дегидратация спиртов: 2 R-ОН R-O-R Однако такой способ в наибольшей степени подходит для получения симметричных эфиров, так как при попытке получить смешанный эфир ROR из спиртов R-ОН и R-ОН в реакционной смеси будут обнаружены значительные количества примесей эфиров состава ROR и RОR. 2. Реакция Вильямсона — способ, пригодный для получения как симметричных, так и смешанных эфиров: R-X + R-ONa+ R-O-R + NaX 3. Для получения метилалкиловых эфиров применяют метилирование спиртов, для чего используется диметилсульфат (гл. 3.5.1) или диазометан. R-ОН + (СH3)2SO4 + NaOH R-O-CH3 + NaCH3SO4 + H2O диметилсульфат R-OH + + CH2-N=N H R-O-CH2-N=N - + диазометан R-O-CH2 N=N R-O-CH3 + N2 H 3.4.4. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ Циклические простые эфиры содержат внутримолекулярную эфирную связь и по структуре представляют собой гетероциклические кислородсо147 держащие соединения. Они могут быть классифицированы в зависимости от размера цикла и числа кислородных атомов. Для названия циклических простых эфиров применяются заместительная, радикало-функциональная, заменительная номенклатуры и номенклатура гетероциклических соединений. При этом для полиэфиров, т. е. для соединений, содержащих несколько атомов кислорода, применяются как заменительная номенклатура (гл. 1.5.3), так и номенклатура гетероциклических соединений (гл. 12.1). По заместительной номенклатуре используется неотделяемая приставка эпокси- с указанием цифровыми локантами атомов углерода, связанных с кислородным мостиком. По радикало-функциональной номенклатуре к названию двухвалентного углеводородного радикала, связанного с кислородным атомом, прибавляют используемое здесь название функционального класса «оксид». Основой названия по заменительной номенклатуре является циклический углеводород (гл. 8.1) и используется заменительная приставка окса-. По номенклатуре гетероциклических соединений название первого представителя циклических простых эфиров (трѐхчленного цикла) оксиран. Примеры циклических простых моноэфиров и их названий: H2C CH2 H2C O H2C CH2 CH C2H5 H2C O 1,2-эпоксиэтан, этиленоксид, оксиран O CH2 . 1,4-эпоксибутан, тетраметиленоксид, тетрагидрофуран 1,2-эпоксибутан, бутиленоксид, этилоксиран 3.4.4.1. Особенности строения и свойств 1,2-эпоксисоединений (оксиранов) Эпоксиэтан представляет собой почти правильный треугольник со значительно деформированными валентными углами (60), сильно отличающимися от углов в обычных простых эфирах. Напомним, что в диалкиловых эфирах СОС составляет 109–112, а валентные углы насыщенного атома углерода также близки к 109. H H H 61 O 148 o Å 1,50 Å 1,4 5 H Химические свойства оксиранов определяются наличием в молекуле полярных связей С–О, атома кислорода с неподелѐнными парами электронов и угловым напряжением в трѐхчленном цикле. Принципиальное отличие их превращений лишь в том, что реакции, характерные для простых эфиров, здесь протекают легко и сопровождаются раскрытием цикла, т.е. образуются продукты присоединения. Реакции могут протекать и со слабыми нуклеофилами без катализатора, например с водой, но при повышенной температуре; с сильными нуклеофилами (амины, металлорганические соединения) взаимодействие протекает легко: + R HC +H2O / T R HC +NH2R" R HC +R"-MgBr R HC CH R' OH OH '+ CH R' O CH R' OH NHR" CH R' OMgBr R" Кислотный катализ значительно увеличивает реакционную способность эпоксидов за счѐт увеличения полярности связи С–О в исходном субстрате: 2+ 1+ R HC CH R' + H R CH CH R' + O O 2 >> 1 H настолько, что присоединение воды и спиртов протекает легко. В тех случаях, когда R и R являются разными углеводородными радикалами, направление расщепления эпоксидного цикла определяется механизмом реакции. Если механизм бимолекулярный, то нуклеофил атакует менее экранированный (замещѐнный) атом углерода. Это закреплено в эмпирическом правиле Красуского: эпоксидный цикл раскрывается преимущественно по связи между атомом кислорода и менее замещѐнным (или несущим меньший заместитель) углеродным атомом. Раскрытие цикла по правилу Красуского происходит под действием различных соединений (H2O, NH3, HCN, H2S, ROH, RSH, RCOOH и др.) Если же в присутствии кислот (Н+, AlCl3, BF3 и др.) может образоваться стабильный карбокатион, то реакция протекает по мономолекулярному механизму, первой стадией которой является разрыв одной из С–О-связей суб149 страта, и нуклеофил затем присоединяется по карбокатионному центру. Например: H3C H3C CH3 H3C C CH2-OCH3 OH CH3OH / CH3ONa C CH2 O CH3 CH2-OH H 3C C + H+ CH3OH CH3 H3C C CH2-OH OCH3 Кислоты Льюиса в безводных средах вызывают димеризацию, олигомеризацию и полимеризацию 1,2-эпоксисоединений: R HC CH R' O + '+ +BF3 R CH CH R' R' R CH CH-O-CHR + O CHR' O R HC CH R' + O - BF3 BF3 R' HC R HC O O CH R CH R' R HC CH R' O HCR CHR' OH ... O-CHR-CHR' OCHR-CHR' OH n 3.4.4.2. Способы получения 1,2-эпоксисоединений Оксираны можно получить внутримолекулярным алкилированием -галогенозамещѐнных спиртов (галогенгидринов) и прямым окислением алкенов. Кислотные свойства галогенгидринов повышены вследствие акцепторного влияния галогена, и в присутствии сильных оснований происходит образование аниона, в котором протекает нуклеофильное замещение: Cl R HC - CH R' OH OH -H2O Cl R HC + 150 CH R' O - -Cl R HC CH R' O Прямое окисление алкенов протекает по схеме: R'' R' C=C R [O] O R' C R'' C R R"' R"' Например, эпоксиэтан образуется при окислении этена кислородом воздуха на серебряном катализаторе при 250С: CH2=CH2 O2/Ag CH2 - CH2 O Эта реакция имеет большое промышленное значение. Мировое производство этиленоксида составляет 5 млн т в год. Эпоксипроизводные других алкенов можно получить применением органических пероксикислот (RCOOOH) в качестве окислителя — это реакция Прилежаева* (гл. 4.1.4.3, 6.4.6). 3.4.4.3. Краун-эфиры Краун-эфиры — циклические полиэфиры, содержащие 960 атомов в цикле, в том числе от 3 до 20 эфирных атомов кислорода. Они открыты Чарльзом Педерсеном в 1960-х годах, за что ему в 1987 году (совместно с Дональдом Крамом и Жан-Мари Лѐном) была присуждена Нобелевская премия. Эти макроэфиры представляют собой бесцветные кристаллические или маслообразные вещества, устойчивые к действию кислот и оснований. Ч. Педерсеном была предложена также и номенклатура краун-эфиров, общие правила которой заключаются в следующем. Название краун-эфира включает: 1) общее число атомов макроцикла, 2) термин «краун», 3) число атомов кислорода, то есть число эфирных звеньев в кольце краунсоединения. Имеющиеся в этой молекуле ароматические или циклогексановые кольца обозначают приставками бензо- и циклогексил-. Например: O O O O O O дибензо-18-краун-6 151 Эти номенклатурные правила не всегда точно могут описать тип связей в соединении и положение заместителей, однако они очень удобны для обычных краун-эфиров с симметричными и сравнительно простыми структурами. Самое важное свойство краун-эфиров — образование комплексов с металлами. Полость внутренней части, например, такой молекулы: O O O O O O достаточна по размеру для того, чтобы там разместился ион калия, а наличие шести атомов кислорода обеспечивает возможность образования прочной системы координационных связей: + O O O K O O O Чем ближе ионный диаметр металла к диаметру полости макроцикла, тем устойчивее комплекс. Так, 18-краун-6 больше подходит для ионов калия, а 15-краун-5 — для ионов натрия. Поэтому комплексы такого типа достаточно хорошо растворимы в органических растворителях. В общем случае наличие полости в центре макроциклической полиэфирной системы обусловливает способность таких соединений поглощать неорганический катион, размер которого соответствует размеру этой полости, и удерживать его там за счѐт сильных ион-дипольных взаимодействий положительного заряда иона с неподелѐнными электронными парами шести атомов кислорода, обрамляющих полость. Применение краун-эфиров в органических реакциях связано с образованием таких катионных комплексов, что делает возможным растворение неорганических солей в неполярных растворителях и способствует образованию несольватированного аниона. Это приводит к возрастанию основности аниона и, кроме того, за счѐт малого размера несольватированный анион в качестве нуклеофила способен атаковать пространственно затруднѐнные реакционные центры. 152 В определѐнной степени краун-эфиры моделируют действие некоторых природных веществ (например, антибиотика пептидной природы валиномицина), облегчающих транспорт ионов через клеточные мембраны. Синтезируют краун-эфиры алкилированием этиленгликоля, диэтиленгликоля НОСН2СН2ОСН2СН2ОН, триэтиленгликоля НОCН2СН2ОСН2СН2ОСН2СН2ОН подходящими реагентами, например, 2,2-дихлордиэтиловым эфиром O(CH2CH2Cl)2. 3.4.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Простые эфиры применяются для ингаляционного наркоза. Как анестетики, они во многом похожи на галогенопроизводные алифатического ряда. С увеличением длины углеродной цепи в алкильных группах эфиров наркотическое действие их на организм и токсичность возрастают. Из простых эфиров в медицинской практике применяется только этиловый эфир. Природные соединения типа краун-эфиров играют большую роль в биологических системах — они осуществляют транспорт ионов через биологические мембраны. Метаболическое отщепление О-алкильных групп из молекул эфиров (О-дезалкилирование) — не простая замена алкоксигруппы гидроксилом, а процесс окисления. Под действием ферментов образуется -оксид, который и распадается спонтанно до альдегида (в случае первичной алкоксигруппы) или кетона (в случае вторичной алкоксигруппы): R R' CH-O R" O-R" C R' O: H R R C=O + H-O-R" R' В эфирах с более длинными алкильными группами, чем этильные, вначале окисляется алкильная цепь (-гидроксилирование) как в случае метаболизма алканов (гл. 2.6), а процессы дезалкилирования для них вторичны. Диэтиловый эфир — бесцветная жидкость со своеобразным эфирным запахом, очень летуч, его пары тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде, а вода плохо растворима в эфире. Диэтиловый эфир хорошо растворяет различные органические вещества, поэтому его широко применяют в качестве растворителя для экстракции и для металлорганического синтеза. В медицине диэтиловый эфир применяют для общего наркоза. Целлозольвы — моноалкиловые эфиры гликоля, являются хорошими растворителями, особенно для растворения сложных эфиров целлюлозы. 1,2-Диметоксиэтан (диметиловый эфир этиленгликоля) и 153 Диглим (диметиловый эфир диэтиленгликоля) — хорошие растворители, растворяют также некоторые неорганические соли за счѐт сильной сольватации ионов металлов. Этиленоксид — бесцветный газ с эфирным запахом, хорошо растворимый в воде и в органических растворителях; температура кипения 11С. Широко применяется в органическом синтезе, особенно для получения ценных растворителей и поверхностно-активных веществ. Тетрагидрофуран (1,4-эпоксибутан, тетраметиленоксид) — бесцветная жидкость с запахом эфира, растворима в воде и органических растворителях; температура кипения 66С. Хорошо сольватирует ионы различных металлов. Широко применяется в качестве растворителя. 3.5. ЭФИРЫ МИНЕРАЛЬНЫХ КИСЛОТ Это такие, как эфиры неорганических кислот (серной, фосфорной и др.), которые имеют общую формулу R–O–Z, где Z в отличие от углеводородного радикала простых эфиров — остаток минеральной кислоты, обладающий сильным акцепторным эффектом. 3.5.1. ЭФИРЫ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ Серная кислота может образовывать как кислые, так и полные эфиры. При этом кислые эфиры могут быть названы и как замещѐнная серная кислота. O R-O S OH O алкилгидросульфат (алкилсерная кислота) O R-O S OR O диалкилсульфат Связь С–О в молекулах этих соединений в значительной степени поляризована, в связи с чем атом углерода является высоко реакционноспособным электрофильным центром: + R'-CH2 O O S OH O Поэтому эфиры серной кислоты легко вступают в различные реакции нуклеофильного замещения сульфатной группы, превращаясь в другие производные алканов. На этом основано их применение в качестве эффективных 154 алкилирующих агентов (главным образом для алкилирования спиртов, фенолов): O R-CH2-O S OH O - + + R'-OH OH R'-O-CH2-R - + H2O + HSO4 , в частности, диметилсульфат применяется для метилирования, диэтилсульфат — для этилирования. Образование кислых эфиров протекает легко при растворении спиртов в концентрированной серной кислоте. Механизм реакции здесь близок к SN1 или пограничный между SN1 и SN2 даже в случае первичных спиртов, так как диссоциации субстрата способствуют эффективное протонирование и дегидратация, осуществляющиеся концентрированной серной кислотой, а нуклеофильность гидросульфат-иона крайне низка. Все эти факторы свидетельствуют о преобладании мономолекулярного механизма данной реакции. + CH3-CH2-O CH3-CH2-OH + H2SO4 + CH3-CH2 - + HSO4 H H - HSO4 H2SO4 -H2SO4 .H2O O CH3CH2-O S OH O Диалкилсульфаты образуются при взаимодействии спиртов с хлорсульфоновой кислотой или с олеумом, например: 2 R-OH + O R-O S OR + H2O + HCl O O Cl S OH O Диметилсульфат — бесцветная жидкость, малорастворим в воде, но хорошо — в органических растворителях; температура кипения 189С. Очень ядовит, проникает в организм через кожу и через дыхательные пути. Получают диметилсульфат из метанола и олеума. Широко применяется в качестве метилирующего агента, в частности, для получения целого ряда лекарственных препаратов (триметина, анальгина, метилкофеина и т.д.). Диэтилсульфат — бесцветная жидкость, нерастворим в воде; температура кипения 210С. Очень ядовит. Получают диэтилсульфат из этанола и олеума или при насыщении концентрированной серной кислоты этиленом. Широко применяется в качестве этилирующего агента. 155 3.5.2. ЭФИРЫ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ В соответствии со структурой ортофосфорной кислоты возможно образование и существование еѐ алкиловых эфиров: R-O R-O HO P O HO алкилдигидрофосфат R-O R-O P O HO диалкилгидрофосфат R-O P O R-O триалкилфосфат Эфиры фосфорной кислоты в обычных условиях — достаточно стабильные соединения, но в кислой или щелочной среде могут подвергаться гидролизу. Эти реакции являются типичным нуклеофильным замещением у атома углерода эфирной связи, причѐм гидролиз кислых фосфатов обычно ускоряется в кислой, а полных — в щелочной среде: O OH H3C-H2C-O P OH + H2O / H CH3-CH2OH + H3PO4 + H3C-H2C-O + H3C-H2C-O P O + H3C-H2C-O - - OH 3 CH3-CH2OH + PO43 Это, по-видимому, связано со способностью кислых эфиров к диссоциации с образованием соответствующего аниона, который не взаимодействует с гидроксид-ионом. Но в целом в щелочной среде гидролиз протекает необратимо вследствие стабильности аниона уходящей группы (фосфат-анион) и невозможности осуществления по нему нуклеофильной атаки. Эфиры фосфорной кислоты получают главным образом из галогенидов фосфора и спиртов. Например: POCl3 + 3 C2H5OH O=P(OC2H5)3 + 3 HCl триэтилфосфат Кислые фосфаты получают также взаимодействием спиртов с оксидом фосфора (V). Эфиры фосфорной кислоты в живых организмах играют две ключевые роли. Во-первых, они служат структурными компонентами клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Основу клеточных мембран составляют фосфолипиды (гл. 6.5.6). Остов нуклеиновых кислот состоит из рибозо- и дезокси156 рибозофосфатных цепей (гл. 12.5.5). Во-вторых, эфиры фосфорной кислоты, точнее полифосфорных кислот, в организме аккумулируют и переносят энергию (гл. 7.1.3). 3.6. ТИОСПИРТЫ И ТИОЭФИРЫ Названия этих классов соединений означают, что они являются тиоаналогами соответственно спиртов и эфиров. С другой стороны, их можно рассматривать как органические производные сероводорода, в которых один или два атома водорода замещены предельными углеводородными радикалами: R-SH и R-S-R соответственно. Сами соединения называют обычно по заместительной и радикалофункциональной номенклатурам ИЮПАК. Например: CH3-CH-CH2-CH3 SH CH3-SH метантиол, метилмеркаптан бутан-2-тиол, втор-бутилмеркаптан CH3-S-CH-CH2-CH3 CH3 2-метилтиобутан, метил-втор-бутилсульфид Тиоспирты (меркаптаны, алкантиолы, или просто тиолы) во многом отличаются от своих кислородных аналогов. Так, их первые представители, в отличие от спиртов, плохо растворяются в воде и кипят при значительно более низких температурах. Например, метилмеркаптан при обычных условиях — газ (температура кипения 6С), а метиловый спирт — жидкость (температура кипения 64С). Эти различия определяются способностью к образованию водородных связей за счѐт ОН-групп в спиртах и SH-групп в меркаптанах. Меркаптаны обладают неприятным запахом, который обнаруживается в чрезвычайно малых концентрациях. Например, запах метилмеркаптана чувствуется уже при содержании его в воздухе 2.510-7%. Тиоэфиры (сульфиды) — это также бесцветные соединения с неприятным запахом. Их температуры кипения выше, чем у аналогичных простых эфиров. Низшие представители являются жидкостями. Тиоспирты обладают слабокислыми свойствами (для этантиола рКа = 10.6), и кислотность их выражена сильнее, чем спиртов (на 45 порядков) за счѐт большей поляризуемости атома серы по сравнению с кислородом (подобно тому, что H2S является более сильной кислотой, чем H2O). Поэтому с водными растворами щелочей они образуют соли, например: С2Н5-SH + NaOH С2Н5-SNa+ + H2O этантиол, этилмеркаптан этантиолят натрия, этилмеркаптид натрия 157 Тиоляты являются сильными нуклеофилами и легко алкилируются. Это типичная реакция нуклеофильного замещения, в которой субстратом обычно является галогеналкан: R-SNa+ + R-X R-S-R + NaX Образующиеся тиоэфиры могут алкилироваться дальше. Продуктом исчерпывающего алкилирования является соль триалкилсульфония: R S R' - + + R" X R S R' R" + - X- Например, горчичный газ (или иприт), ClCН2CН2SCН2CН2Cl может самопроизвольно превращаться с образованием хлорида тризамещѐнного сульфония. Это внутримолекулярная SN2-реакция: Cl-H2C-H2C S CH2 + Cl ClCH2-CH2-S CH2 CH2 Cl - CH2 Наличие трѐхчленного малого цикла придаѐт ему высокую реакционную способность. Он легко подвергается нуклеофильной атаке аминогруппами, входящими в состав белковых молекул, что приводит к алкилированию белка. В этом состоит причина кожно-нарывного действия горчичного газа и поражения слизистых оболочек. Как тиоспирты, так и тиоэфиры являются очень слабыми основаниями, значительно слабее, чем их соответствующие кислородные аналоги. Тиолы и сульфиды легко окисляются до различных продуктов. Тиоспирты при окислении йодом образуют дисульфиды R-S-S-R, более энергичные окислители могут их окислить до алкансульфоновых кислот R-SO3H: I2 R-S-S-R R-SH KMnO4 R-SO3H Тиоэфиры окисляются до сульфоксидов и сульфонов (например, пероксикислотами R-COOOH — гл. 6.4.6): R-S-R' [O] O R-S-R' 158 [O] O R-S-R' O Тиоспирты и тиоэфиры могут быть получены взаимодействием галогеналканов с кислыми и средними солями сероводородной кислоты: Na+ SH + R-X R-SH + NaX Na2+ S 2- + R-X R-S-R + 2NaX Это типичные реакции нуклеофильного замещения галогеналканов. Тиоэфиры могут быть получены также из тиоспиртов, как было показано выше. В промышленности для получения меркаптанов и сульфидов используют каталитическое алкилирование сероводорода спиртами в газовой фазе (при 330400С): o ThO2, t R-OH + H2S Al2O3, to R-SH + H2O R-S-R + H2O Диметилсульфид — бесцветная летучая жидкость с неприятым запахом. Получают каталитически из метанола и сероводорода. Используют для производства диметилсульфоксида. Горчичный газ, иприт — бесцветная жидкость; температура кипения 215С. Очень токсичное вещество кожно-нарывного действия. Получают взаимодействием этилена с хлоридами серы. Некоторые поли- и гетерофункциональные тиолы образуют прочные комплексы с ионами тяжѐлых металлов, на чѐм основано их использование в качестве противоядий (антидотов) при отравлении соединениями ртути, свинца, кадмия, сурьмы, мышьяка. Одним из первых антидотов был 2,3-димеркаптопропан-1-ол (британский антилюизит, БАЛ). Позже нашли применение такие тиолы, как 2-амино-3-меркапто-3-метилбутановая кислота (пеницилламин) и 2,3-димеркаптопропансульфонат натрия (унитиол). CH2-CH-CH2 CH3 CH3-C-CH-COOH SH SH OH SH NH2 БАЛ пеницилламин CH2-CH-CH2 SH SH SO3Na унитиол 3.7. НАСЫЩЕННЫЕ АМИНЫ Насыщенные амины можно рассматривать как производные предельных углеводородов, то есть это продукты замещения одного или нескольких 159 атомов водорода в молекуле алкана одной или несколькими аминогруппами (-NН2) или же — как производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены углеводородными радикалами. 3.7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ Если рассматривать амины как производные аммиака, то в зависимости от числа углеводородных радикалов у атома азота их можно разделить на первичные, вторичные и третичные: R-NН2 R-NН-R R" R-N-R' первичный вторичный третичный По количеству аминогрупп в молекуле можно выделить моноамины (например, C2H5-NН2), диамины (например, NН2-CH2CH2-NН2) и т.д. Для названия аминов применяются как радикало-функциональная, так и заместительная номенклатуры ИЮПАК, однако могут применяться и другие виды номенклатур (например, «а»-номенклатура). По радикало-функциональной номенклатуре перечисляются названия углеводородных радикалов и добавляется слово «амин». Например: CH3-NН2 C2H5-NH-СН3 CH3-N-C2H5 C2H5 — — — метиламин, метилэтиламин, метилдиэтиламин. Однако по радикало-функциональной номенклатуре удобно называть только моноамины или другие несложные по структуре соединения. Для веществ, молекулы которых содержат несколько функциональных групп, применение радикало-функциональной номенклатуры часто бывает затруднительно, но в отдельных случаях она может использоваться, например: NH2-CH2CH2CH2-NH2 — триметилендиамин Заместительная номенклатура более универсальна. При названии первичных аминов функциональная группа (-NH2) называется суффиксом «-амин», добавляемым к названию углеводорода, а в присутствии старших групп — приставкой «амино». Например: NH2-CH2CH2CH2-NH2 — пропан-1,3-диамин, СН3CH2-NHCН3 — N-метилэтанамин, 160 CH3-CH-CH2-N-CH2CH3 CH3 CH3 1 CH3 3 2 4 CH3-N-CH-CH-CH3 CH3 CH3 — N-метил-N-этил-2-метилпропан-1-амин, — 3,N,N-триметилбутан-2-амин, — 3-аминопропан-1-ол. NH2-CH2CH2CH2-ОH Однако для вторичных и третичных аминов допускаются и другие названия. Углеродная цепь одного из углеводородных радикалов выбирается за основу, а атом азота с имеющимися у него другими углеводородными радикалами является заместителем, название которого присутствует в названии амина в виде приставки. СН3CH2-NHCН3 — метиламиноэтан, CH3-CH-CH2-N-CH2CH3 CH3 CH3 — 1-(N-метил-N-этиламино)-2-метилпропан, — 2-(N,N-диметиламино)-3-метилбутан. 1 CH3 2 3 4 CH3-N-CH-CH-CH3 CH3 CH3 Тривиальные названия насыщенных аминов не столь широко распространены, однако можно отметить: NH2CH2CH2CH2CH2NН2 — путресцин, NH2CH2CH2CH2CH2CH2NН2 — кадаверин, (CН3)3N — рыбный газ. Для аминов характерны те же виды изомерии, что и для спиртов. Однако солям третичного и четвертичного аммония присуща и оптическая изомерия, когда хиральным центром является тетраэдрический атом азота. Например, для катиона третичного аммония: H CH3 N + C2H5 — метилпропилэтиламмоний или N-метил-N-этилпропан-1-аммоний CH2CH2CH3 3.7.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Низшие предельные амины представляют собой газы или жидкости с запахом, похожим на аммиак; с увеличением длины углеводородного радикала запах изменяется и напоминает запах рыбы. Амины с бóльшим числом углеродных атомов или двумя первичными или вторичными аминогруппами 161 могут быть также кристаллическими веществами; такие амины запахом не обладают. Температуры кипения насыщенных аминов выше, чем неполярных соединений, но ниже, чем спиртов и кислот. Это связано с ассоциацией молекул аминов из-за образования водородных связей, однако эти связи менее прочны, чем в воде или спиртах. Амины хорошо растворимы как в воде (особенно низшие), так и в органических растворителях. 3.7.3. СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Атом азота в молекулах насыщенных аминов имеет гибридизацию атомных орбиталей, близкую к sp3. Валентные углы при атоме азота равны 106108. На одной из таких гибридных орбиталей находится неподелѐнная электронная пара азота, а за счѐт трѐх остальных N образованы -связи. Таким образом, атом азота имеет пирамиR R' R" дальное строение, а связи C–N — полярны. За счѐт неподелѐнной пары электронов азота амины могут проявлять оснóвные и нуклеофильные свойства. А в том случае, когда хотя бы вместо одного углеводородного радикала у атома азота присутствует атом водорода, то есть имеется сильно полярная связь N–Н, амины могут проявлять и кислотные свойства. 3.7.3.1. Кислотность Первичные и вторичные амины проявляют слабые кислотные свойства, немного уступая в этом аммиаку и сильно — спиртам. Так, для метанола pKa = 15.2, а для метиламина рKa 36. Так же как и в случае спиртов, кислотные свойства уменьшаются в гомологическом ряду аминов и по мере разветвления углеводородного радикала. По той же причине первичные амины обладают самыми высокими кислотными свойствами из первичных и вторичных. (В третичных аминах подвижный атом водорода у азота отсутствует). Поэтому со щелочными металлами даже первичные амины взаимодействуют очень медленно: R-NН2 + Na R-NHNa + 1 2 H2 алкиламид натрия Кислотные свойства проявляются и в реакциях аминов с металлорганическими соединениями (реакция Чугаева–Церевитинова, в которой происходит отщепление протона от молекулы амина и образование более слабой кислоты — метана): R2N-Н + CH3-MgI R2N-MgI + CH4 162 3.7.3.2. Основность Амины легко протонируются кислотами R-NН2 + Н+ R-NН3+ значительно легче, чем спирты. Высокие оснóвные свойства аминов объясняются тем, что атом азота в аминах отдаѐт свою неподелѐнную электронную пару протону или другому акцептору значительно легче, чем соответствующий атом кислорода, из-за меньшего заряда ядра (и, соответственно, меньшей электроотрицательности). За счѐт +I-эффекта алкильных групп в целом все амины будут превосходить по основности аммиак, а основность самих аминов должна увеличиваться от первичных к вторичным и третичным. Однако приведѐнный ряд основности действителен только для газовой фазы и растворов в неполярных растворителях. В случае водных растворов отмечена другая закономерность: наиболее оснóвными являются вторичные амины, а основность третичных может быть ниже даже первичных: R2NН > R-NН2 > R3N Образующиеся при протонировании катионы третичного аммония R3NН+ хуже гидратируются, чем катионы вторичного аммония R2NH2+, так как имеют только одну N–Н-связь. И поэтому соли вторичного аммония более устойчивы в водных растворах, чем третичного. Пример образования соли: R3N + HCl [R3NH]+Cl — хлорид триалкиламмония 3.7.3.3. Нуклеофильность Нуклеофильные свойства связаны с наличием атома азота с неподелѐнной парой электронов. Это проявляется во взаимодействии их с галогеналканами (см. алкилирование аминов по Гофману – гл. 3.2.2.1, п.3). Возможно и взаимодействие спиртов с аминами. Галогеналканы и спирты реагируют с аминами по той же схеме и в целом легче, чем с аммиаком, из-за более высоких нуклеофильных свойств первичных и особенно вторичных аминов (влияние +I-эффекта алкильных групп у азота, увеличивающих на нѐм эффективный отрицательный заряд): R+-Hal- + :NН2-R [R-NН2-R]+Hal¯ Образуется аммониевая соль, которая с избытком первичного амина, выступающего в качестве акцептора галогеноводорода, даѐт молекулу вторичного амина, являющегося продуктом реакции: 163 [R-NН2-R]+Hal + NН2-R R-NН-R + [NН3-R]+Hal Вторичные амины могут алкилироваться галогеналканами дальше с образованием третичных аминов и солей четвертичного аммония: R" R-N-R' R''' + Hal Таким образом, алкилирование аминов по Гофману приводит обычно к смеси вторичных и третичных аминов и солей четвертичного аммония. На практике этим способом можно получить лишь третичные амины из вторичных. Во всех других случаях образуется неразделимая смесь продуктов. Примерами проявления аминами нуклеофильных свойств являются их реакции с производными карбоновых кислот (нуклеофильное замещение у sp2-гибридизованного углерода) и с альдегидами, кетонами и ацетиленовыми производными (нуклеофильное присоединение к кратной связи). Эти реакции, относящиеся также к свойствам соответствующих соединений, будут рассмотрены позже, в соответствующих главах. Насыщенные амины в целом более нуклеофильны, чем аммиак. Но ещѐ более нуклеофильны амид-анионы RNH и R2N за счѐт большей локализации электронной плотности и, значит, отрицательного заряда на атоме азота. Электронодонорная способность такой частицы, то есть еѐ нуклеофильная активность, выше, чем у незаряженной и чем у частиц, не имеющих донорных заместителей у атома азота. Однако для образования таких нуклеофильных частиц в реакционной среде необходимо создание специальных условий, например, реакцию проводить в среде жидкого аммиака (то есть при температуре -33С), так как в присутствии воды или спирта амид-ионы неминуемо превращаются в соответствующие нейтральные молекулы. 3.7.3.4. Расщепление солей аммония Это пример реакций нуклеофильного замещения и отщепления в субстратах типа R-X, где акцепторной группой X является аммонийный атом азота. Нуклеофильное замещение протекает в жѐстких условиях (при сильном нагревании), нуклеофилом при этом является анион соли: [R3N+-CH2-R]Cl R3+N CH2-R + Cl R3N + Cl-CH2-R Наиболее вероятный механизм — SN2. Однако при высоких температурах с нуклеофильным замещением конкурирует реакция отщепления и доля продукта реакции отщепления здесь 164 достаточно существенна, а для более разветвлѐнных субстратов образуется исключительно продукт E2-реакции. Относительно легко деструктурируются гидроксиды четвертичного аммония, получаемые при обработке соответствующих солей гидроксидом серебра: R4N+Сl + [AgOH] R4N+OH + AgСl Такая деструкция (расщепление по Гофману) приводит к образованию третичного амина и алкена. Атака гидроксид-аниона происходит по -водородному атому алкильного радикала и исключительно по правилу Гофмана (с отрывом наиболее подвижного атома водорода), например: CH2 H R3N H2C: . . . H . . . :OH : + CH2 + OH CH2-CH3 R3N R 3N: . . .+CH - H2O CH2-CH3 + CH2=CH-CH2-CH3 Метильная группа у атома азота обычно не затрагивается. Однако при взаимодействии тетраметиламмонийгалогенидов (т.е. аммонийных солей, не имеющих -углеродных атомов) с такими сильными основаниями, как литийорганические соединения, нуклеофильное замещение не протекает, вместо этого образуются «илиды»: CH3 + H3C N CH3 Br + Li+ :CH2CH2CH2CH3 CH2-H - C4H10 - LiBr CH3 + H3C N CH3 - CH2 метилилид триметиламмония Долгое время расщепление по Гофману с образованием алкенов проводили при упаривании водных растворов (при температуре 100С и выше). В настоящее время эти реакции проводят в несольватирующих растворителях при 2030С. Они могут использоваться как способ получения алкенов. 3.7.3.5. Взаимодействие с азотистой кислотой Взаимодействие аминов с азотистой кислотой — это реакция нитрозирования аминов. Азотистая кислота неустойчива, поэтому реакцию проводят в момент еѐ выделения при смешении водных растворов нитритов с минеральными кислотами. Продукты нитрозирования зависят от природы атома азота в исходном амине. При этом разные по природе амины ведут себя поразному. 165 Первичные амины на первой стадии нитрозируются нитрозонийкатионом NO+, нитрозацидий-катионом H2ONO+, нитрозилхлоридом NOCl или оксидом азота (III) N2O3, которые могут возникать в растворе азотистой кислоты в момент еѐ получения: HO-N=O + Н+ H2O+-N=O +N=O + H2O + + N=O + Cl NOCl N=O + NO2 N2O3 Рассмотрим реакцию нитрозирования с участием нитрозоний-катиона: H + + R-NH-N=O R-NH2 + N=O + R-N=N-OH +H -H + H R-N-N=O + + R-N=N-OH2 R-N=N-OH - H2O R-N N Образующийся катион алкандиазония малоустойчив и быстро разлагается с образованием спирта и выделением азота: R-+NN + H2O R-OH + H+ + N2 Вторичные амины тоже подвергаются нитрозированию, но реакция заканчивается на стадии образования N-нитрозоамина: R2N-H + +N=O R2NH+-N=O R2N-N=O + H+ При реакции азотистой кислоты с третичными аминами происходит только их протонирование и образуются растворимые в воде соли. Таким образом, по отношению к взаимодействию с азотистой кислотой можно различить первичные, вторичные и третичные амины. 3.7.3.6. Изонитрильная реакция При взаимодействии хлороформа со щѐлочью образуется дихлоркарбен, который затем присоединяется к первичному амину. Полученный аддукт дважды дегидрохлорируется с образованием нового производного четырѐхвалентного азота, называемого изонитрилом или изоцианидом: Cl Cl Cl2C H + OH C: + Cl + H2O Cl 166 Cl + oo R-NH2-CCl2 C: + NH2-R Cl - 2HCl R-N C: Общая схема реакции: RNH2 + CHCl3 + 3 OH R-NC + 3 H2O + 3 Cl Это качественная реакция на первичные амины. Протекание реакции обнаруживается по неприятному запаху. 3.7.3.7. Окисление Амины склонны к окислению. Так, в контролируемых условиях первичные амины дают N-алкилгидроксиламины, оксимы, нитрозоалканы и нитроалканы: 1) R-CH2-NН2 R-CH2-NH-OH и N-алкилгидроксиламин R-CH=N-OH гидроксииминоалкан 2) R-CH2-NН2 R-CH2-NO нитрозоалкан 3) R-CH2-NН2 R-CH2-NO2 нитроалкан В качестве окислителей могут использоваться в первых двух случаях пероксисерная кислота (кислота Каро*) H2SO5, а при окислении до нитроалканов — трифторпероксиуксусная кислота CF3COOOH. Вторичные амины окисляются до N,N-диалкилгидроксиламинов: R2N-H R2N-OH Третичные амины окисляются до N-оксидов: R3N R3N+-O 3.7.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Распространѐнным способом получения аминов является аммонолиз галогеналканов и, как продолжение его, алкилирование аминов по Гофману — эти реакции рассмотрены в химических свойствах (гл. 3.2.2.1 и 3.7.3.3). Однако данным способом обычно получается смесь первичных, вторичных и третичных аминов. 167 2. Амины могут быть получены и при алкилировании аммиака спиртами — эта реакция также рассмотрена в химических свойствах (гл. 3.3.3.1). Она лежит в основе промышленного метода получения аминов. 3. Одним из способов получения насыщенных аминов является полное восстановление нитросоединений (или других азотсодержащих соединений) по схеме: R-NO2 R-NH2 R-CH=NH R-CH2-NH2 R-NH-OH R-NH2 R-CN R-CH2-NH2 R-CO-NH2 R-CH2-NH2 Однако такой способ пригоден только для получения первичных аминов, но образующиеся амины всегда загрязнены продуктами неполного восстановления нитросоединений (оксимы, азо- и гидразосоединения и др.). 4. Другим способом получения чистых первичных аминов является синтез Габриэля: O C = = O C N K + R-Cl - KCl + H2O/HCl N-R C O = = C O фталимид калия N-алкилфталимид COOH + + [H3N-R] Cl COOH ; + [H3N-R] Cl - OH - H2O - Cl H2N-R фталевая кислота Первая стадия здесь — взаимодействие галогеналкана с фталимидом калия, являющимся нуклеофилом, — типичная реакция SN в ряду галогеналканов. За ней следует гидролиз образовавшегося N-алкилфталимида, который обычно проводят в солянокислой среде. Подробнее о закономерностях протекания таких реакций — см. в свойствах карбоновых кислот и их производных (гл. 6.4.4.2, 10.9.3.2). 5. Ещѐ одним способом получения чистых первичных аминов является перегруппировка Гофмана (называемая ещѐ, расщепление амидов по Гофману): 168 O R C NH2 +Br2, +4NaOH, t -2NaBr, -Na2CO3, -2H2O R NH2 Механизм этой реакции, относящейся к свойствам амидов карбоновых кислот, рассмотрен в главе 6.4.4.5. 6. Один из способов получения чистых вторичных аминов из первичных заключается в использовании аренсульфохлоридов (гл. 10.3.5.1). Первая стадия — превращение аренсульфохлоридов в N-алкиларенсульфамиды: R-NH2 + R-NH-SO2 Ar Cl-SO2 Ar где Ar – ароматический углеводородный радикал Вторая стадия — образование сульфамидом соли при взаимодействии со щѐлочью: OH Ar SO2-N-R Ar SO2-N-R - H2O H И затем — алкилирование этого сульфамид-аниона галогеналканом (например, бромоалканом) по атому азота, то есть нуклеофильное замещение атома галогена в галогеналкане сульфамидной группой: Ar SO2-N-R + R'-Br - Br - Ar SO2-N-R R' И, наконец, кислотный гидролиз образовавшегося диалкилсульфамида: + Ar SO2-N-R + H2O(H ) Ar SO2-OH + R-NH-R' R' 3.7.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Среди алифатических аминов особое значение для медицинской практики имеют производные бис(-хлорэтил)амина, которые применяются в качестве противоопухолевых веществ. Злокачественные опухоли — это заболевания, связанные с усиленным размножением клеток, приводящим к быстрому росту новообразованной опухолевой ткани, которая давит на соседние органы, прорастая сквозь ткани и дезорганизуя работу организма. Большую роль в возникновении злокачественных опухолей играет нарушение обмена 169 нуклеиновых кислот. Различные производные бис(-хлорэтил)амина оказывают тормозящее действие на размножение клеток, блокируя их митотическое деление. Механизм действия лекарственных веществ этой группы основан на их алкилирующем действии и способности легко реагировать с нуклеиновыми кислотами, белками и ферментами. Эти вещества также легко взаимодействуют с нуклеопротеидами (белок и нуклеиновая кислота) клеточных ядер кроветворных тканей. Высокой чувствительностью к производным бис-(-хлорэтил)-амина обладают ядра клеток опухолевой ткани. Таким образом, вещества этой группы, с одной стороны, способны тормозить рост опухолевой ткани, с другой — угнетают процесс кроветворения и являются токсичными веществами. Метиламин — бесцветный газ с острым запахом, подобным запаху аммиака. Хорошо растворяется в воде. Хлорид метиламмония образует бесцветные кристаллы с температурой плавления 225С. В промышленности метиламин получают каталитическим гидрированием циановодорода или при взаимодействии метанола и аммиака над катализатором при повышенной температуре. Метиламин применяется в органическом синтезе для получения лекарственных веществ, красителей и поверхностно-активных веществ. Диметиламин — газ с неприятным запахом, хорошо растворимый в воде. Хлорид диметиламмония — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 171С. Диметиламин получают каталитическим алкилированием аммиака метанолом. Его используют в синтезе лекарственных веществ и растворителей. Триэтиламин — бесцветная жидкость с характерным запахом аминов. В промышленности его получают каталитическим алкилированием аммиака этанолом. Триэтиламин используют в органическом синтезе в качестве исходного вещества, растворителя и оснóвного катализатора. Этилендиамин — бесцветная жидкость с запахом аммиака, хорошо растворяется в воде. Его получают из дихлорэтана и аммиака. Этилендиамин является важным исходным веществом для синтеза аналитических реагентов (комплексонов) и фунгицидов. Соли этилендиамина с высшими карбоновыми кислотами применяются в текстильной промышленности в качестве мягчителей. Тетраметилендиамин (путресцин) — кристаллическое вещество с температурой плавления 2728С и пентаметилендиамин (кадаверин) — жидкость с температурой кипения 178С. Растворимы в воде. Образуются при гнилостном разложении трупов. Относятся к группе трупных ядов. 170 Гексаметилендиамин — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 315 К и температурой кипения 204С. Растворим в воде. В промышленности получают из динитрила адипиновой кислоты NC-(CH2)4-CN. Используют для получения полиамидов и синтетического волокна (найлон). Этаноламины H2NCH2CH2ОH, HN(CH2CH2ОH)2, N(CH2CH2ОH)3 — бесцветные вязкие жидкости, при низких температурах — кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Этаноламины используют в органическом синтезе для получения эмульгаторов, моющих средств и косметических препаратов как адсорбенты кислых газов и как ингибиторы коррозии. Холин [(CH3)3N+CH2CH2ОH]ОH — бесцветное гигроскопичное кристаллическое вещество. По свойствам ему более соответствует строение внутренней соли (CH3)3N+CH2CH2О H2О. Холин широко распространѐн в животных и растительных тканях, высоко его содержание в нервной ткани. Холин играет важную роль в обмене веществ, входит в состав фосфолипидов. См. также далее, гл. 6.4.7. 3.8. НИТРОАЛКАНЫ Нитроалканы — это производные предельных углеводородов, в молекуле которых один или несколько атомов водорода замещены нитрогруппой -NO2. В названиях нитросоединений по заместительной номенклатуре нитрогруппа, как заместитель, всегда присутствует в виде приставки нитро-. Радикало-функциональная номенклатура для названия нитросоединений не используется. Примеры: CH3-NO2 CH3-CH2-CH-CH3 CH2-CH2-CH-CH2-CH-CH3 NO2 NO2 NO2 CH3 нитрометан 2-нитробутан 5-метил-1,3-динитрогексан 3.8.1. СТРОЕНИЕ В нитрогруппе атом азота находится в состоянии sp2-гибридизации: его три -связи образованы за счѐт двух валентных электронов и неподелѐнной пары, которую атом азота предоставляет одному из атомов кислорода. Такая связь является семиполярной. В результате атом азота приобретает положительный заряд, а кислородный атом — отрицательный заряд. Электрон, 171 находящийся на негибридной рz-орбитали атома азота, участвует в образовании -связи с другим атомом кислорода. Нитрогруппа является сопряжѐнной системой, в которой обе связи N–O выравниваются, кислородные атомы становятся одинаковыми: O + R-N O + R-N O + R-N O O /2 1 - 1 - O /2 Нитрогруппа содержит сильно электроотрицательные атомы (N, O) и поэтому обладает значительным электроноакцепторным эффектом. 3.8.2. СВОЙСТВА Нитроалканы — бесцветные или желтоватые жидкости со слабым запахом или кристаллические вещества. Это высокополярные соединения ( = 3.173.7 D), однако обладают плохой растворимостью в воде, что можно объяснить их склонностью к самоассоциации. Химические свойства нитроалканов определяются как реакциями нитрогруппы (восстановление, гидролиз), так и реакциями с участием -углеродного атома. 3.8.2.1. Кислотность В молекулах первичных и вторичных нитроалканов -атомы водорода обладают большой подвижностью и могут отщепляться в виде протона из-за акцепторного влияния нитрогруппы. Эти соединения полностью растворяются в водных растворах щелочей, образуя соли: R + C N R' R O O + NaOH -H2O R' H O C N O Na+ При нейтрализации щелочных растворов соли нитроалканов превращаются в так называемые аци-формы — нитроновые кислоты. Аци-формы быстро переходят в классические структуры. Такое явление называется динамической изомерией или таутомерией. R R' O C N O + Na H + R R' 172 + C N OH R O R' + CH N O O Таутомерную систему характеризуют константой таутомерного равновесия или иногда содержанием одного из таутомеров (в процентах). В растворах равновесие R O R O R' + CH N R' + C N OH O обычно практически полностью сдвинуто в сторону С-формы; при 0С доля аци-формы для нитрометана 10-5%, для нитропропана 0.3%. Ацинитроалканы — более сильные кислоты (рКа 35), чем соответствующие нитроалканы (рКа 810). При отрыве протона образуется анион, обладающий сопряжѐнной системой, и заряд в нѐм делокализован между кислородными и углеродным атомами: R R' + C N O R O R' O C N O Такой анион имеет три реакционных центра, и протон может присоединиться в двух принципиально разных положениях — к одному из атомов кислорода или к атому углерода. При присоединении протона к атому углерода образуется связь C–Н — кислота значительно менее сильная, менее способная к диссоциации, чем ОН-кислота, образующаяся при протонировании атома кислорода. Константы кислотности этих двух реакционных центров различаются примерно на 5 порядков, и поэтому эти соединения существуют преимущественно в классической форме нитросоединения. 3.8.2.2. Нуклеофильные свойства Таким образом, в молекуле нитроалкана и в его анионе существует два центра нуклеофильности, то есть, он способен проявлять свои нуклеофильные свойства как за счѐт атома кислорода, так и за счѐт атома углерода, например, по отношению к галогеналканам. При этом образуются два ряда производных: эфиры нитроновых кислот (продукты О-алкилирования) и С-алкилированные нитросоединения: R R' O C N O Na+ + R'' Hal - NaHal O R + R' C N O R'' R R' 173 + C N OR" O Это типичные реакции нуклеофильного замещения в ряду галогеналканов. Обычно алкилирование приводит к С-алкилпродуктам, но можно найти условия, в которых преимущественно образуются эфиры нитроновых кислот. Нуклеофильные свойства могут проявляться и по отношению к галогенам, и к нитрозирующим частицам. Галогенирование (хлорирование, бромирование, йодирование) в щелочной среде протекает легко, с образованием -галогенозамещѐнных нитроалканов: R R' O C N O + Na + Cl2 - NaCl Cl R-C-NO2 R' Нитрозирование первичных нитроалканов приводит к нитроловым кислотам, вторичных — к псевдонитролам, а третичные нитроалканы в эту реакцию не вступают. R-CH2-NO2 R' R-CH-NO2 HNO2 / H+ R-CH-NO2 N=O R-C NO2 N-OH нитроловые кислоты R' R-C-NO2 N=O HNO2 / H+ псевдонитролы Поэтому реакцию нитрозирования можно применять для различия первичных, вторичных и третичные нитросоединений, так как растворы псевдонитролов (в эфире, хлороформе) окрашены в интенсивный синий цвет, а щелочные растворы нитроловых кислот — в тѐмно-красный. 3.8.2.3. Реакции восстановления Реакции восстановления нитроалканов могут приводить к различным продуктам. При полном восстановлении образуются алифатические амины: R-NO2 [H] R-NH2 Промежуточными соединениями могут быть нитрозоалканы R-N=O, азосоединения R-N=N-R, азоксисоединения R-N=N(O)-R, гидразосоединения R-NH-NH-R. Для восстановления нитросоединений до аминов используют железные опилки, олово или цинк в присутствии кислот, каталитическое гидрирование (катализаторы: никель Ренея, палладий на активированном угле и др.), а также тетрагидроалюминат лития LiAlH4 и тетрагидроборат натрия NaBH4 в присутствии палладия, амальгамы натрия и алюминия. 174 3.8.2.4. Реакции гидролиза Гидролиз первичных нитроалканов может приводить к образованию разных продуктов. В растворе 8095%-й серной кислоты образуются карбоновые кислоты и соли гидроксиламина: R-CH2-NO2 + H2SO4 + H2O RCOOH + [NH3OH]+ HSO4 Реакция протекает, вероятнее всего, по следующему механизму: O + R-CH2-N OH H+ R-CH=N O + O R-CH=N + OH2 + R-CH=N R-CH=N-OH -H2O H+ OH 2+ OH OH + + H2O R-CH=N=O + -H H + R-CH-N=O + OH2 + R-CH-N=OH OH R-C N-OH OH + -H + OH2 R-C NH-OH OH + + R-C=N-OH OH H OH + R-C NH2-OH OH R-C-NH-OH OH H2O OH R-C + O + R-C + NH3-OH OH + NH2-OH OH А в разбавленных водных растворах кислот образуются карбонильные соединения (альдегиды или кетоны) и оксид азота (I) (реакция Нефа*): R + CH N R' O R O R' R R' OH R C N OH OH2 R' + R C O + + C N + OH O R OH H2O C N OH R' OH C NH OH OH [N-O-H]; + H -H2O, -H+ (2 NOH R' 175 + R R' C N=O OH N2O + H2O). 3.8.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Нитроалканы получают нитрованием алканов, нуклеофильным замещением галогена в галогеналканах или окислением других азотсодержащих соединений. 1. Нитрование алканов рассмотрено подробно в свойствах алканов (гл. 2.4.1). Жидкофазное и парофазное нитрование алканов применяется в промышленности. Объѐм мирового производства важнейших алифатических нитросоединений — десятки тысяч тонн. 2. Замещение атома галогена при взаимодействии галогеналканов с неорганическими нитритами — типичное нуклеофильное замещение в молекулах галогеналканов — гл. 3.2.2.1. 3. Окисление аминов (гл. 3.7.3.7) также может быть использовано для получения нитроалканов. Однако для получения геминальных ди- и тринитросоединений нашѐл применение способ окисления оксимов: R-CH=NOH N2O4 R-CH-NO2 H2O2 / HNO3 N=O R-CH(NO2)2 + R-C(NO2)3 3.8.4. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Нитроалканы обладают сильным местным раздражающим действием и являются токсичными веществами. Они относятся к клеточным ядам общего действия и особенно опасны для печени. Хлорированные и непредельные в 510 раз токсичнее. Нитрометан — бесцветная жидкость, малорастворим в воде; температура кипения 84С. Ядовит. В промышленности получают парофазным нитрованием пропана. Используется в качестве растворителя и как исходное вещество для дальнейших синтезов. 3.9. КРЕМНИЙ-, ФОСФОР- И МЫШЬЯКОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Органические соединения кремния, фосфора, мышьяка и других элементов относятся к элементорганическим соединениям. Здесь рассмотрены только некоторые из них. 176 3.9.1. КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Кремний и углерод расположены в одной группе Периодической таблицы. По сравнению с углеродом кремний менее электроотрицателен, он не образует многих типов соединений, известных для углерода. Кратные связи Si=Si, Si=C, Si=O, Si=S для него неизвестны. Атомы кремния могут соединяться между собой, образуя цепи небольшой длины, но связи Si–Si чрезвычайно непрочны и легко могут претерпевать как гомолитическое, так и гетеролитическое расщепление. Все кремнийорганические соединения могут быть представлены в виде следующих групп веществ: замещѐнные силаны, например: Cl H3C Si Cl Cl метилтрихлорсилан C2H5 H Si C2H5 H CH3 H3C Si CH2-Cl CH3 диэтилсилан хлорметилтриметилсилан органосилоксаны — соединения, включающие структурный фрагмент Si–O–Si, например, CH3 CH3 H3C Si O Si CH3 CH3 CH3 CH3 Si O CH3 n гексаметилдисилоксан диметилполисилоксан органосилазаны — соединения, имеющие связи Si–N–Si, например: CH3 CH3 H3C Si NH Si CH3 CH3 CH3 и другие. Кремнийорганические соединения являются бесцветными жидкостями, реже — кристаллическими веществами. Обычно они не имеют запаха, не растворяются в воде. По отношению к большинству реагентов в обычных условиях алкилсиланы проявляют химическую инертность. В этом они обнаруживают большое сходство с углеводородами. Однако их молекулах атом кремния + является электронодонорным заместителем, и на атоме углерода, C Si связанном с кремнием, возникает частичный отрицательный заряд. Поэтому алкилсиланы отличаются от рассмотренных ранее производных 177 алканов распределением электронной плотности в молекулах и, конечно же, химическим поведением. Связь Si–Cl сильнополярна, и поэтому алкилхлорсиланы легко реагируют с водой, спиртами, аминами, металлорганическими соединениями и другими основными реагентами. Гидролиз протекает энергично, причѐм образующиеся силанолы нестойки, легко теряют воду и образуют силоксаны. Например: 2(CH3)3Si-Cl +2H2O 2(CH3)3Si-OH (CH3)3Si-O-Si(CH3)3 + H2O 2HCl триметилсиланол триметилхлорсилан CH3 n H3C Si Cl + 2nH2O Cl диметилдихлорсилан гексаметилдисилоксан CH3 n H3C Si OH OH -2nHCl диметилсиландиол -nH2O CH3 Si O CH3 n диметилполисилоксан Алкоголиз хлорсиланов приводит к алкоксисиланам, аминолиз — к силазанам, а взаимодействие с реактивами Гриньяра — к алкилсиланам. Например: CH3 H3C Si Cl CH3 CH3 H3C Si OC2H5 CH3 C2H5OH - HCl CH3 CH3 H3C Si NH Si CH3 CH3 CH3 NH3 - NH4Cl CH3 H3C Si C2H5 - MgBrCl CH3 C2H5MgBr Некоторые особенности имеет нуклеофильное замещение атома галогена в галогенометилтриалкилсиланах X-CH2 R" Si-R' R Эти реакции наиболее полно изучены для тех случаев, в которых замещаемой группой Х является атом хлора. Схема реакции для этих соединений, например, при взаимодействии с вторичными аминами, такая же, как и в общем случае: 178 R2NH + Cl CH2 R" Si-R' - HCl H2N CH2 R'" R" Si-R' R'" хлорметилтриалкилсилан Механизм реакции здесь, как и следовало ожидать, близок механизму бимолекулярного замещения, но первоначальная атака нуклеофила происходит по атому кремния, и образование переходного состояния происходит не сразу, а через промежуточный комплекс, который затем претерпевает перегруппировку с переносом реакционного центра на атом углерода: R2NH + Cl CH2 R' R" Si CH2 R"' NHR2 R" Si-R' R H H R2HN C R' Si R'" R" Cl R" R2NH Cl - R2NH2Cl - H2N CH2 Si-R' R'" Координационная связь силанов с нуклеофилом осуществляется за счѐт вакантных d-орбиталей кремния и наиболее вероятна для соединений, содержащих небольшие по объему алкильные (и алкоксильные) заместители у кремния (-CH3, -C2H5, -OCH3, -OC2H5). При этом промежуточный комплекс нуклеофила с кремнием образуется быстро, а лимитирующей стадией является его перегруппировка и превращение в продукты реакции. Из-за образования этого комплекса реакция нуклеофилов с низшими хлорметилсиланами протекает почти в 10 раз быстрее, чем с соответствующими углеродными аналогами, и ускоряется электроноакцепторными заместителями у атома кремния, способствующими образованию этого комплекса. Однако наличие двух и трѐх алкоксильных групп у кремния приводит к значительному увеличению электронной плотности на нѐм, вызванному положительными мезомерными эффектами алкоксигрупп за счѐт взаимодействия неподелѐнных электронных пар кислорода с вакантными орбиталями кремния, и электростатическому отталкиванию молекул нуклеофила атомами кислорода заместителей. Поэтому скорость взаимодействия с нуклеофилом ди- и триалкоксихлорметилсиланов почти не отличается от скорости аминирования моноалкоксихлорметилсиланов. 179 Из всех кремнийорганических соединений наиболее широкое применение получили полисилоксаны. Они представляют собой бесцветные вязкие жидкости или эластичные массы. Они термически и химически очень стабильны. Полисилоксаны («силиконы») используют в качестве смазочных масел, каучуков (силиконовые эластомеры), тормозных жидкостей и др. Резины на основе кремнийорганических каучуков применяются преимущественно как электроизоляционные материалы, и благодаря биоинертности, тромборезистентности и хорошей тканесовместимости их используют в медицине для изготовления различных эндопротезов (суставов, мягких тканей) длительного пользования. 3.9.2. ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ К фосфорорганическим соединениям, в отличие от эфиров фосфорной (гл. 3.5.2) и фосфористой кислот, принято относить такие, в молекулах которых содержится хотя бы одна фосфор-углеродная связь (Р–С). Таковыми являются: 1) алкилфосфины, например: СН3РН2 (СН3)2РН метилфосфин диметилфосфин (С2Н5)3Р триэтилфосфин 2) фосфонистые и фосфинистые кислоты, например: СН3Р(ОН)2 (СН3)2РОН метилфосфонистая кислота диметилфосфинистая кислота 3) катионы алкилфосфония, например: [(С2Н5)4Р]+Cl хлорид тетраэтилфосфония 4) фосфоновые, фосфиновые кислоты и фосфиноксиды, например: CH3 HO P HO CH3 O CH3 CH3 P HO 180 O CH3 P CH3 O метилфосфоновая кислота диметилфосфиновая кислота триметилфосфиноксид Фосфины, за исключением газообразного метилфосфина, представляют собой бесцветные жидкости или низкоплавкие твѐрдые вещества с неприятным запахом. Они нерастворимы в воде и чрезвычайно ядовиты. Молекулы триалкилфосфинов имеют пирамидальную конфигурацию. По свойствам они похожи на амины. Обладают оснóвными свойствами (для триметилфосфина рКb = 5.3) — при взаимодействии с кислотами образуют соли замещѐнного фосфония: R3P + H+ R3PH+ Фосфины легко алкилируются с образованием солей фосфония, окисляются кислородом или другими окислителями, например, пероксикислотами R-COOOH (гл. 6.4.6): R - R'-X R P R' X R R R P R + [O] R R P O R Исходными веществами для получения фосфинов являются трихлорид фосфора PCl3 и металлорганические соединения: PCl3 RMgCl - MgCl2 RPCl2 RMgCl - MgCl2 R2PCl RMgCl - MgCl2 R3P Фосфониевые соли в целом аналогичны солям замещѐнного аммония. Они представляют собой белые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Большинство солей первичного и вторичного фосфония при комнатной температуре неустойчиво; в растворах существует равновесие, например: RPH2 + HX [RPH3]+X Наиболее устойчивы четвертичные соли, многие из которых разлагаются при температурах выше 200С. Своеобразно поведение фосфониевых солей, содержащих -водородный атом, при действии на них литийорганических соединений — образуются алкилиденфосфораны: 181 + R3P-CH-R' + R"-Li X- R3P=CH-R' + R"H + LiX H Фосфониевые соли легко образуются, как было указано выше, при алкилировании фосфинов. Фосфиноксиды — это обычно бесцветные жидкости без запаха, малорастворимы в воде. Пространственное строение близко к тетраэдрическому. Это стабильные соединения, не гидролизуются, трудно восстанавливаются до фосфинов. Являются слабыми основаниями: R3P=О + H+ R3P+-ОH Фосфиноксиды легко образуют комплексы с ионами различных тяжѐлых металлов, поэтому применяются в качестве экстрагентов для выделения из растворов лантаноидов и актиноидов: R 2 R P O R R R P O R n+ + M n+ M R O P R R Фосфиноксиды получают окислением из фосфинов (см. выше) или алкилированием оксохлорида фосфора POCl3 металлорганическими соединениями: POCl3 RMgCl - MgCl2 Cl RMgCl R P O - MgCl2 Cl R RMgCl R P O - MgCl2 Cl R3P=O Фосфонистые и фосфинистые кислоты являются бесцветными жидкостями или кристаллическими веществами; умеренно растворимы в воде, легко растворяются в щелочах с образованием солей. Эти соединения относятся к слабым кислотам. Фосфонистые и фосфинистые кислоты существуют в двух таутомерных формах, которые переходят друг в друга через образование аниона: OH R P OH O R P алкилфосфонистая кислота OH R P R OH O R P + H O R P OH + H O R P R + H + H R 182 диалкилфосфинистая кислота Получают фосфонистые и фосфинистые кислоты из алкилхлорфосфинов гидролизом: RPCl2 + 2 H2O RP(OH)2 R2PCl + H2O R2P-OH Фосфоновые и фосфиновые кислоты — бесцветные жидкости или кристаллические вещества; растворимы в воде. Фосфоновые, а также фосфиновые кислоты являются сильными кислотами (для фосфоновых кислот рКа1 22.5, а для фосфиновых — рКа 3). Они образуются при окислении фосфонистых и фосфинистых кислот. Распространѐнным способом получения является частичное алкилирование оксохлорида фосфора и последующий гидролиз полупродуктов: POCl3 RLi - LiCl Cl R R RLi H2O R P O R P O R P O - LiCl - HCl Cl Cl HO диалкилфосфиновая кислота HO 2H2O R P O - 2HCl HO алкилфосфоновая кислота Производные фосфоновых кислот (сложные эфиры, тиоэфиры, амиды) используются в качестве пестицидов, лекарственных веществ, экстрагентов и боевых отравляющих веществ. Как лекарственные вещества отдельные представители эфиров фосфоновых кислот применялись в качестве миотических средств для снижения внутриглазного давления при глаукоме (фосфакол, пирофос, армин, хлорофтальм и др.). Однако они вызвали слишком длительный и сильный миоз, нарушение аккомодации, оказывали раздражающее действие. В номенклатуре лекарственных средств в настоящее время сохранился лишь армин, являющийся эфиром этилфосфоновой кислоты. O C2H5 P O OC2H5 армин 183 NO2 Из боевых отравляющих веществ известны зарин и зоман. Это вещества, обладающие нервно-паралитическим действием, вызывают поражение при любом способе воздействия, особенно быстро — при ингаляции. CH3 O H3C P O CH CH3 F CH3 CH3 O H3C P O CH C CH3 CH3 F зарин зоман 3.9.3. МЫШЬЯКОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Мышьяк, подобно фосфору, в составе органических веществ образует несколько групп соединений. Это арсины, арсиноксиды, арсиновые кислоты и др. Закономерности в изменениях свойств этих соединений обусловлены сходством и различием природы атома мышьяка по сравнению с фосфором, находящихся в одной группе Периодической таблицы. Арсины очень ядовиты; некоторые из них применялись в качестве боевых отравляющих веществ. Среди них наиболее ядовитым является люизит. Cl As CH=CHCl Cl люизит (-хлорвинилхлорарсин) Люизит — маслянистая жидкость, в малых концентрациях обладает запахом, напоминающим запах герани. Он относится к группе отравляющих веществ кожно-нарывного и общетоксического действия. Арсиновые кислоты аналогичны фосфиновым кислотам, например: CH3 CH3 As O HO диметиларсиновая кислота (какодиловая кислота) Арсиновые кислоты гораздо менее ядовиты, чем арсины. На их основе была создана группа лекарственных препаратов для лечения сифилиса, а натриевая соль какодиловой кислоты применялась в дерматологии. Однако в настоящее время препараты мышьяка применяют редко. В номенклатуре лекарственных средств остался лишь осарсол (в составе препарата осарбон), относящийся к арсоновым кислотам: 184 OH As O OH HO O H3C-C-HN осарсол и такие производные арсенобензола, как новарсенол и миарсенол. As As HO OH H2N новарсенол HO NH-CH2-SO2Na As As OH NaO3S-CH2-HN NH-CH2-SO3Na миарсенол Однако исторически первым наиболее известным органическим соединением мышьяка была «окись какодила» – тетраметилдиарсиноксид. Это вещество было открыто в 1760 году при нагревании оксида мышьяка (III) с ацетатом калия: As2O3 + 4 CH3COOK H3C As-O-As H3C CH3 + 2 K2CO3 + 2 CO2 CH3 тетраметилдиарсиноксид («окись какодила») Реакция может служить для открытия уксусной кислоты (гл. 6.4.7): сильный, отвратительный запах тетраметиларсиноксида делает еѐ чрезвычайно чувствительной. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК: 185 CH3 - CH - Br CH3 - CH - CH2Cl BrCH2 - CH2 - CF - CH2Br CH3 - CH - CH3 CBr3 - CFCl2 CH3 OH HO - C - CH2 - C - CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 - C - NH2 CH3 HOCH2 - CH - OC2H5 CH2CH2CH3 CH3 - N CH2CH3 CH3 CH3 CH3 - CH - OH CH3O - CH - OH N - CH2 - NH - CH3 CH3 . Какие из приведѐнных соединений могут быть названы по радикалофункциональной номенклатуре, по «а»-номенклатуре? Дайте эти названия. 2. Изобразите проекции Фишера: а) (S)-2-метилбутан-1-ол, б) (2R,3R)-2бром-3-хлорпентан. 3. Изобразите проекции Ньюмена наиболее стабильных конформаций следующих соединений: а) (2R,3S)-бутан-2,3-диол, б) (2S,3S)-бутан-2,3-диол. 4. Сравните кислотные свойства следующих спиртов: метанол; пропан-2ол; бутан-2-ол; неопентиловый спирт; 2,2,3,4,4-пентаметилпентан-3-ол; бутан-2,3-диол; бутан-1,4-диол; глицерин. 5. Сравните оснόвные свойства следующих аминов: изобутиламин; бутан-1амин; 2-метилбутан-2-амин; этан-1,2-диамин; 2-метилпропан-1,2-диамин; диметиламин; метилэтиламин; диэтиламин; диметилэтиламин; трипропиламин. 6. Какие из органических реакций наиболее типичны и являются общими для галогеналканов, спиртов, простых эфиров и аминов? Охарактеризуйте реакции нуклеофильного замещения и отщепления. По каким механизмам могут протекать эти реакции? От чего это зависит? 7. Приведите наиболее вероятные механизмы реакций взаимодействия каждого из соединений: неопентилбромида, трет-амилбромида, изоамилбромида, 3-метил-3-бромпентана с водным раствором КОН. 8. Для н-пропилового спирта приведите механизм реакции образования в присутствии концентрированной серной кислоты простого эфира (симметричного). 9. Получите по реакции Вильямсона втор-бутил-трет-бутиловый эфир. Приведите механизм реакции. Почему для этой цели нельзя использовать трет-бутилгалогенид и втор-бутилат натрия? 10. Приведите наиболее вероятные механизмы реакций взаимодействия каждого из соединений: 1-бром-2-метилбутана и 2-бром-2-метилбутана с твѐрдым гидроксидом натрия. 186 11. Какой из изомерных хлорпентанов при дегидрохлорировании региоселективно превращается в пент-2-ен? Приведите наиболее вероятный механизм этой реакции. 12. Для изоамилового спирта приведите механизм реакций образования алкена в присутствии концентрированной серной кислоты. 13. Приведите механизмы реакций внутримолекулярной дегидратации следующих спиртов: а) 2-метилпентан-3-ола, б) 2,3-диметилбутан-2-ола, в) 3-метилбутан-1-ола, г) 2,2-диметилпентан-1-ола. Приведите все возможные направления и укажите преимущественное в зависимости от выбранных условий. 14. Приведите механизмы реакций взаимодействия с азотистой кислотой следующих аминов: метилэтиламин, метиламин, трет-бутиламин, метилэтилпропиламин. 187 Глава 4. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Непредельные, или ненасыщенные, углеводороды содержат в своѐм составе кратные углерод-углеродные связи, то есть двойные и тройные связи между атомами углерода. Это значит, что помимо -связей в молекулах имеются -связи между атомами углерода. Такими углеводородами являются этиленовые, содержащие одну двойную связь >C=C< ; ацетиленовые — с одной тройной связью -СС- ; а также углеводороды с несколькими кратными связями, среди которых наиболее распространены диеновые — с двумя двойными связями. 4.1. ОБЩНОСТЬ СТРОЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Образование -связи между атомами углерода в молекулах непредельных углеводородов происходит за счѐт бокового перекрывания негибридных р-орбиталей. Оси этих р-орбиталей перпендикулярны осям -связей. При этом в молекуле этилена между атомами углерода имеется одна -связь, а в молекуле ацетилена — две -связи (за счѐт перекрывания двух пар рорбиталей): этилен ацетилен В молекуле этилена все пять -связей (одна связь C–C и четыре связи C–Н) образованы sp2-гибридными орбиталями (гл. 1.2), оси которых лежат в одной плоскости. Поэтому и все шесть атомов, образующих молекулу этилена (два атома углерода и четыре атома водорода), тоже лежат в одной плоскости. Максимум электронной плотности -связи находится по обе стороны этой плоскости. Длина C=C-связи в этилене меньше, чем длина C–C-связи в этане (табл. 1.1), так как sp2-гибридные орбитали, за счѐт которых происходит образование -связей, менее протяжѐнны, чем sp3. 188 В молекуле ацетилена все три -связи (одна связь C–C и две связи C–Н) образованы sp-гибридными орбиталями, оси которых расположены под углом 180, то есть лежат на одной прямой. Поэтому и все четыре атома молекулы (два атома углерода и два атома водорода) также располагаются на одной прямой. Максимум электронной плотности обеих -связей находится вокруг этой прямой. Длина CC-связи в ацетилене ещѐ меньше, чем длина углерод-углеродной связи в этилене (табл. 1.1), так как sp-гибридные орбитали, за счѐт которых происходит образование -связей, менее протяжѐнны, чем sp2. Таким образом, атомы углерода, образующие -связи, в молекулах непредельных углеводородов экранированы -электронной плотностью. Это препятствует взаимодействию этих атомов с нуклеофильными реагентами, но становится возможной электрофильная атака (за счѐт электростатического притяжения -электронной плотностью углерод-углеродной связи катиона электрофила или положительного полюса молекулы, проявляющей электрофильные свойства) и, как мы увидим позднее, атака радикальных частиц. Так как прочность -связи меньше, чем -связи, то при взаимодействии непредельного углеводорода с атакующей частицей в первую очередь должна разрываться именно -связь, что приведѐт к образованию новых -связей атомов углерода с частицами реагента: R R' + X-Y C=C R" R R R" - C - C - R"' R"' X Y Возможность реакции с электрофильными и радикальными частицами с образованием продуктов присоединения может означать, что для данных соединений должны быть характерны реакции электрофильного и радикального присоединения (AE , AR). 4.1.1. РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ Первой стадией электрофильного присоединения (AE) является атака электрофильной частицей субстрата, содержащего кратную связь. Пара электронов -связи более диффузна, слабее удерживается ядрами атомов углерода и поэтому является хорошим объектом для атаки электрофилом. Первоначально образуется -комплекс, затем происходит гетеролитическое расщепление -связи и образование новой -связи (C–Y): 189 R R' C=C R" +X-Y R X-Y R' R X + C=C R" R"' R"' C - C - R' - -Y R" -комплекс +Y R"' - Y X R - C - C - R' R" R"' -комплекс При этом атакующая частица должна быть либо катионом, либо положительной частью диполя. На последней стадии образующийся карбокатион соединяется с частицей, несущей неподелѐнную пару электронов, обычно это ион (Y). Установлено, что в ряде случаев (при присоединении галогенов, например) образующийся карбокатион имеет мостиковую структуру: C X + C В этих случаях атака нуклеофила на заключительной стадии осуществляется со стороны, противоположной вступлению электрофила. Разрыв -связи, то есть превращение -комплекса в карбокатион, является наиболее медленной, лимитирующей стадией этого процесса, поэтому скорость реакции в целом будет зависеть от концентрации и субстрата, и электрофила. Стереохимия электрофильного присоединения бывает различной. В случаях существования интермедиата (промежуточного соединения) исключительно в виде мостикового иона подход нуклеофила может осуществляться только с противоположной стороны плоскости молекулы субстрата, что приводит к анти-присоединению: X-Y C=C +X-Y C=C -Y - C X + C +Y X - -C-CY Но для реакций, идущих без образования мостикового иона, предсказать стереохимию не так легко. Если этот ион имеет относительно большое время жизни, то нуклеофил будет атаковать с любой стороны. Если же существует какой-либо фактор, стабилизирующий определѐнную конфигурацию катиона, то тогда нуклеофильная частица будет присоединяться либо с той же, либо с противоположной стороны, в зависимости от конфигурации. 190 Влияние строения субстрата на скорость и направление реакции В реакциях электрофильного присоединения электронодонорные заместители повышают реакционную способность -связи, электроноакцепторные группы снижают еѐ. Например, реакционная способность бут-1-ена (этилэтилена, CH2=CH-С2H5) в 100 раз выше, чем этилена CH2=CH2, а циспент-2-ена (цис-метилэтилэтилена, CH3-CH=CH-С2H5) — в 4300 раз, тетраметилэтилена (CH3)2C=C(СH3)2 — в 106 раз выше, чем у незамещѐнного этилена в сходных условиях. Это объясняется увеличением электронной плотности -связи по причине присутствия электронодонорных заместителей. Однако, если атомы углерода двойной связи соединены с акцепторными группами, то происходит уменьшение электронной плотности и снижение реакционной способности. При этом если таких акцепторных групп много (три или четыре), то реакция либо не пойдет вовсе, либо механизм еѐ будет иной. Это относится прежде всего, к полигалогено- и полицианозамещѐнным этиленовым углеводородам. При сравнении субстратов с двойными и с тройными связями наиболее активными в реакциях электрофильного присоединения оказываются вещества с двойными связями, что можно объяснить несколькими причинами: 1) -электронная плотность тройной связи сильнее притягивается spгибридизованными атомами углерода из-за меньшего расстояния между ними, и потому атакующему электрофилу труднее оторвать пару электронов от такой связи; 2) катион, образующийся в результате присоединения электрофильной частицы к тройной связи, менее устойчив, так как не может быть стабилизирован ни сверхсопряжением, ни каким-либо другим видом сопряжения: R - C C - R' + E + + R' R - C=C E ; 3) превращение образовавшегося катиона в нейтральную молекулу продукта должно произойти при его взаимодействии с анионом из реакционной среды, однако этому препятствует наличие -электронной плотности в катионе. Ещѐ более активны в AE-реакциях вещества с несколькими двойными связями, в частности диеновые углеводороды с сопряжѐнными двойными связями. Здесь присоединение электрофила протекает легко за счѐт образования карбокатиона, стабилизированного р--сопряжением: C=C-C=C + + E + C=C-C-CE 191 Направление реакции присоединения в общем случае может быть различным, так как при превращении -комплекса в -комплекс электрофильная частица может присоединиться либо к одному, либо к другому атому углерода двойной связи. Так, например, при присоединении Н+ к пропилену (в реакциях с галогеноводородами, водой и аналогичными реагентами) из двух возможных направлений реакции реализуется лишь одно: + CH3 CH = CH2 + H CH3 CH CH3 + + CH3 - CH2 CH2 Это объясняется распределением электронной плотности в молекуле исходного углеводорода и большей устойчивостью образующегося вторичного карбониевого иона за счѐт индуктивных эффектов и эффектов -рсопряжения. Во многих случаях при таком присоединении к непредельным углеводородам применимо эмпирическое правило Марковникова*: протон из кислот присоединяется к более гидрированному атому углерода кратной связи. 4.1.2. РЕАКЦИИ РАДИКАЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ Реакции присоединения с участием свободных радикалов возможны для непредельных углеводородов в неполярных растворителях в присутствии пероксидов или при инициировании светом. Взаимодействие уже образовавшихся радикалов с другими частицами протекает менее избирательно, чем это имеет место в случае карбониевых ионов. Это взаимодействие включает образование - и -комплексов: X : Y X + Y R X C=C R" R R' R"' X R' R C - C - R' C=C R" -комплекс X R"' R" R"' -комплекс Образование -комплекса является лимитирующей стадией большинства ARреакций (так же, как и АЕ-реакций). Затем -комплекс, представляющий свободный радикал, взаимодействует с молекулой реагента X-Y, отрывая от неѐ частицу Y. 192 R X C - C - R' R" Y + X-Y X R - C - C - R' R"' + X R" R"' Помимо типичных для непредельных углеводородов АЕ- и АR-реакций, общими для них являются реакции радикального замещения, а также другие реакции, протекание которых связано с наличием в структуре углеводорода непредельного фрагмента. Некоторые из них здесь будут рассмотрены. 4.1.3. РЕАКЦИИ РАДИКАЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ Реакции радикального замещения (SR), аналогичные алканам (гл. 2.4.1), наблюдаются для непредельных углеводородов только при высоких температурах (400500С) и, как правило, с активными радикальными частицами. Типичным примером протекания такой реакции является взаимодействие с хлором по схеме: R-CH2-CH2-CH=CH2 + Cl2 R-CH2-CHCl-CH=CH2 + HCl Несмотря на то, что -связь является значительно менее прочной, чем любая -связь в непредельном углеводороде, молекулы этих углеводородов, начиная с пропена, при высоких температурах образуют с хлором исключительно продукты замещения с сохранением кратной связи. Реакция идѐт только по атому углерода, ближайшему к кратной связи. (Этот атом углерода здесь называется -углеродным атомом, а атомы водорода, с ним связанные, — -водородными атомами). Такое направление реакции (предпочтительное замещение, а не присоединение) объясняется образованием очень устойчивого радикала, стабилизированного р--сопряжением: . . R - CH2 - CH - CH = CH2 R - CH2 - CH = CH - CH2 При высокой температуре легко преодолевается энергетический барьер разрыва как -связи, так и -связи C–H, и реакция идѐт через образование данного радикала. При этом мезомерный радикал, реагируя с молекулой хлора, может давать два изомерных продукта: Cl Cl R - CH2 - CH - CH = CH2 и 193 R - CH2 - CH = CH - CH2 Ацетиленовые и некоторые диеновые углеводороды ещѐ легче должны вступать в реакции радикального замещения вследствие более полной мезомерной стабилизации промежуточного радикала: R-CH2-CCH + Cl R-ĊH-CCH + HCl CH2=CH-CH2-CH=CH2 + Cl CH2=CH-ĊH-CH=CH2 + HCl Эта реакция лежит в основе пероксидного окисления липидов, одного из наиболее важных окислительных процессов в организме, которому подвергаются их непредельные структурные фрагменты (высшие ненасыщенные карбоновые кислоты). Он инициируется (в организме) гидроксил-радикалами и начинается как типичная реакция радикального замещения с участием -углеродного атома и молекулярного кислорода: R-CH2-CH=CH2 . . OH -H2O R-CH-CH=CH2 R-CH CH=CH2 R-CH O O OH R C O H + H3C C O H O2 + R C O2 HO . R-CH-CH=CH2 2 -HO O-O . CH=CH2 O H O O + H3C C OH OH 4.1.4. ДРУГИЕ РЕАКЦИИ 4.1.4.1. Изомеризация Структурной изомеризации подвергаются непредельные углеводороды с концевым расположением кратной связи. Под действием сильных оснований происходит отщепление протона от -углеродного атома. Образуются мезомерные анионы, которые и будут в дальнейшем присоединять протон, но с образованием более устойчивого углеводорода — с внутренним расположением кратной связи. Для алкенов эта реакция протекает при температуре выше 400С по схеме: RCH2-CH=CH2 -H + - + RCH=CH-CH2 + H RCH=CH-CH3 RCH-CH=CH2 194 Для алкинов обычно требуется значительно меньшая температура (до 180С) при использовании спиртовой щѐлочи. Реакция протекает через образование алкилаллена: R-CH2-CCH [R-CH=C=CH2] R-CC-CH3 4.1.4.2. Полимеризация Полимеризация — это процесс последовательного присоединения молекул непредельных соединений друг к другу за счѐт разрыва -связей с образованием вещества того же состава, но с большей молекулярной массой. Молекулы алкенов называют мономерами, продукты полимеризации — полимерами. В общем виде схему полимеризации можно представить так: R' R'' R' R'' -C-CR' R''' n C=C R''' R R n R - C =C - R' n R' C=C n где n — степень полимеризации В зависимости от структуры непредельного соединения и примененного инициатора полимеризация может осуществляться по ионному (катионному и анионному) и радикальному механизмам. Катионная полимеризация непредельных соединений инициируется протонными кислотами и кислотами Льюиса. Анионная полимеризация, то есть полимеризация в присутствии оснований, возможна для тех непредельных соединений, которые могут образовывать относительно стабильный карбанион. Для радикальной полимеризации необходимо наличие небольшого количества кислорода или пероксида, которые легко образуют свободные радикалы. 4.1.4.3. Окисление Непредельные углеводороды окисляются легко, с участием -электронов кратных связей. В зависимости от условий проведения реакции и природы субстрата образуются различные продукты, и поэтому данные реакции могут использоваться как способы получения представителей разнообразных классов органических соединений. 1. Окисление кислородом воздуха без катализатора и окисление диоксидом селена. Это реакция радикального замещения по -углеродному ато195 му. В зависимости от условий образуются непредельные спирты или карбонильные соединения. Например: CH2=CH-CH3 [O] CH2=CH-CH2OH аллиловый спирт CH2=CH-CH=O акролеин Механизм реакции при окислении диоксидом селена может быть представлен в следующем виде: CH2 CH2 O O HC HC Se Se CH2=CH-CH3 + SeO2 H2C H2C OH H O HC H2C CH2 OH Se CH2 HC CH O Se OH CH2=CH-CH=O + Se O H CH2=CH-CH2OH [+ SeO] (2SeO SeO2 + Se) 2. Образование эпоксисоединений: R'' R' C=C R [O] O R' C R'' C R R"' R"' При этом при окислении этилена кислородом воздуха на серебряном катализаторе при 250С образуется эпоксиэтан (этиленоксид): CH2=CH2 O2/Ag CH2 - CH2 O Эпоксипроизводные других алкенов можно получить применением органических пероксикислот RCOOOH (реакция Прилежаева, гл. 6.4.6). При этом алкильные группировки при двойной связи облегчают окисление пероксикислотами, а сопряжѐнные двойные связи, а также тройные связи окисляются труднее. 3. Реакция Вагнера*. Это окисление этиленовых углеводородов разбавленным (1%-м) раствором KMnO4 в щелочной среде с образованием гликолей. 196 R R' C + C O O Mn O O R"' R" R - R' C O C O R" R"' O Mn R' R" C-R"' R-C -[MnO3-] OH OH H2O O- (2MnO3- MnO2 + MnO42-) Ацетиленовые углеводороды тоже окисляются раствором перманганата калия. Окраска реакционной смеси меняется от фиолетовой до бурой, в связи с чем, эта реакция используется как качественная на кратную углеродуглеродную связь. Тот же продукт окисления образуется и при окислении алкенов тетраоксидом осмия. Последний токсичен и дорог, но даѐт лучшие выходы и используется только в тонком органическом синтезе. Механизм реакции окисления тетраоксидом осмия аналогичен механизму окисления перманганатом калия, но благодаря отсутствию побочных процессов выходы достигают 90%. R R' C + C R" O O Os O R"' R' C O R C O R" R"' O O Os O H2O R' R" C-R"' R-C OH OH 4. Окисление в жѐстких условиях. При действии концентрированного раствора перманганата калия или раствора дихромата калия кратная связь в молекулах непредельных углеводородов разрывается полностью. Из этиленовых углеводородов в этих условиях образуются альдегиды или кетоны и карбоновые кислоты: R' C = CH - R'' R' [O] C=O R R + R'' - COOH . Ацетиленовые углеводороды превращаются в соответствующие карбоновые кислоты: O O R - C - C - R' = = R - C= C - R' [O] [O] R - COOH + R'- COOH . 5. Озонирование (озонолиз). Действие озона на непредельные углеводороды приводит к образованию озонидов, которые легко гидролизуются до карбонильных соединений: 197 R' R' O3 C = CH - R'' R C=O + R'' - COOH R = = O O R - C - C - R' O3 R - C =C - R' Механизм озонолиза на примере этиленовых углеводородов: R C=C R" R"' + R' O R' O O- + R"' C R C R" R"' O + O - C R' O R C R" O O O 1,2,3-триоксолан (первичный озонид) R"' O R"' C O R' + R' + O R" O O O C R C C R R" 1,2,4-триоксолан (вторичный озонид) Такие озониды неустойчивы и гидролизуются: O R"' C R' O R" C O +H2O -H2O2 R"' R" C O + R' C O R R Если озонирование заканчивается расщеплением озонида, то говорят об озонолизе. Часто расщепление озонида проводят в присутствии слабых восстановителей (например, сульфитов) — при этом образуются альдегиды и кетоны. Это способ получения альдегидов (и кетонов) и способ установления структуры исходного алкена. Такой озонолиз ещѐ называют восстановительным. В отсутствие восстановителей протекает окислительный озонолиз с образованием карбоновых кислот вместо альдегидов. 198 4.1.4.4. Комплексообразование и гидрирование Этиленовые и ацетиленовые углеводороды являются мягкими основаниями (по Р. Пирсону, гл. 1.6), так как атом углерода имеет небольшую электроотрицательность и слабо удерживает валентные электроны. Поэтому непредельные углеводороды легко взаимодействуют с катионами переходных металлов, образуя комплексные ионы. Общую схему на примере соединений с двойной связью можно представить следующим образом: + K2[PtCl4] - KCl C C = = C C PtCl3 K + Гидрирование непредельных углеводородов ускоряется в присутствии металлов VIII группы и их солей. В этих реакциях в качестве интермедиатов образуются комплексные ионы, и гидрирование протекает в координационной сфере металла. Реакции гидрирования протекают при температуре 100200С R-CH=CH2 + Н2 R-CH2-CH3 H H 2 2 R-CCН R-CH=CH2 R-CH2-CH3 и в ряде случаев могут быть использованы в качестве способа получения как предельных, так и других непредельных углеводородов. Применение катализаторов сильно снижает энергию активации реакций за счѐт образования комплексов с металлом (см. выше) и позволяет проводить реакции в более мягких условиях. Механизм гидрирования можно представить следующим образом: H Me . . . . . Me . . . . . Me C=C + H2 H Me . . . . . Me . . . . . Me C-C H Me . . . . . Me . . . . . Me H Me + C-C H H Сначала происходит адсорбция молекулы водорода на поверхности катализатора с последующим еѐ гомолитическим разрывом. Затем алкен взаимодействует с катализатором своей наименее пространственно-затруднѐнной стороной. Реакция присоединения протекает в две стадии, то есть происходит поочерѐдное присоединение двух атомов водорода, адсорбированных на поверхности катализатора. Лѐгкость гидрирования зависит от пространст199 венной доступности -связи. Тетразамещѐнные этилены гидрируются труднее всего; транс-изомеры гидрируются труднее цис-изомеров. Впервые прямое жидкофазное гидрирование этилена в присутствии мелкораздробленного никеля было осуществлено П. Сабатье* (совместно с Ж.Б. Сандераном) в 1897 году. Тройная связь также может быть восстановлена молекулярным водородом в присутствии катализаторов. Реакцию можно остановить на стадии образования алкена, используя катализатор Линдлара, который представляет собой палладий, нанесѐнный на карбонат кальция, частично отравленный ацетатом кальция и хинолином. Использование этого катализатора приводит к образованию исключительно цис-продуктов, то есть двойная связь С=С в образовавшихся алкенах имеет цис-конфигурацию. 4.1.4.5. Гидроформилирование Углеводороды с двойными и тройными связями при обработке монооксидом углерода и водородом в присутствии кобальтовых или никелевых катализаторов образуют новую углеродуглеродную связь и превращаются в альдегиды. При этом из этиленовых углеводородов (в присутствии кобальта на пористом носителе) образуются насыщенные альдегиды, а из ацетиленовых — непредельные соединения. Из соединений с тройной связью для гидроформилирования чаще всего используется ацетилен на никелевом катализаторе. При этом образуется акролеин, а в общем случае — акриловая кислота и еѐ производные. Примеры: CH2=CH2 + СО + Н2 CH3-CH2-CH=О HCCH + СО + Н2 CH2=CH-CH=О Реакцию проводят при повышенных давлении и температуре: для превращения этилена необходимо давление 1030 МПа и температура 90 150С. Катализаторами служат тетракарбонилгидрид кобальта НСо(СО)4 или тетракарбонил никеля Ni(СО)4, которые образуют с непредельными углеводородами -комплексы, аналогично рассмотренному выше. В присутствии воды или спирта из ацетиленовых углеводородов образуются вместо альдегида непредельные кислоты или их эфиры. В общем случае, при гидроформилировании высших непредельных углеводородов нет строгой избирательности и могут образовываться как линейные, так и разветвлѐнные альдегиды. Таким образом, в противоположность насыщенным углеводородам непредельные углеводороды могут быть охарактеризованы с помощью хими200 ческих реакций. Так, они на холоду обесцвечивают щелочной раствор перманганата калия или раствор брома в хлороформе. 4.2. ЭТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Синонимы — олефины, алкены. Этиленовые углеводороды содержат в своѐм составе одну двойную связь >C=C< . Другими словами, в их молекулах между атомами углерода, помимо -связи, имеется одна -связь. 4.2.1. НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ Первыми представителями гомологического ряда этиленовых углеводородов являются CН2=CН2 — этилен, CН2=CН-СН3 — пропилен. Здесь приведены тривиальные названия, и они применяются обычно только для названия низших углеводородов. Так, следующий член гомологического ряда представлен в виде трѐх структурных изомеров: CН2=CН-СН2-СН3 — бутилен CH2=C - CH3 — изобутилен CH3 СН3-CН=CН-СН3 — псевдобутилен Другие применяющиеся тривиальные названия этилена и некоторых его гомологов — это, например, маслородный газ, диизобутилен: CH3 CH2=C-CH2-C-CH3 CH3 CH3 CН2=CН2 маслородный газ диизобутилен Для названия этиленовых углеводородов применяются заместительная номенклатура ИЮПАК и рациональная номенклатура. По рациональной номенклатуре любой представитель олефинов называется как замещѐнный этилен, например: CH2=CH-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH3 CH3-CH2-CH=C-CH3 CH3 — этилэтилен, — симм-диметилэтилен, — ,-диметил--этилэтилен. По заместительной номенклатуре названия углеводородов ряда этилена производятся от названий соответствующих алканов заменой суффикса 201 -ан на суффикс -ен (поэтому сами углеводороды имеют общее название алкены); цифровым локантом указывается атом углерода, от которого начинается двойная связь. Например: CH2=CH-CH2-CH3 — бут-1-ен, CH3-CH=CH-CH3 — бут-2-ен, CH2=C-CH3 CH3 — 2-метилпропен. При отнятии от молекулы алкена одного водородного атома образуется одновалентный непредельный радикал, название которого по заместительной номенклатуре даѐтся прибавлением суффикса -ил к названию алкена, от которого этот радикал образован, например: CН2=CН- — этенил, СН3-CН=CН— проп-1-енил, CН2=CН-СН2- — проп-2-енил. Для некоторых из них применяются тривиальные названия. Например: CН2=CН- — винил, CН2=CН-СН2- — аллил, СН3-CН=CН-СН2- — кротил. Двухвалентные радикалы с обеими свободными валентностями у одного атома углерода, то есть при отнятии от одного из атомов углерода алкена двух атомов водорода, имеют суффикс -иден. Например, среди тривиальных названий — CН2=C< — винилиден. Ввиду наличия двойной связи в молекулах алкенов эти углеводороды имеют определѐнные особенности строения, с этим же связано наблюдаемое здесь явление геометрической изомерии. Все молекулы алкенов содержат плоский структурный фрагмент, включающий атомы углерода двойной связи (этот фрагмент обычно называют этиленовым). Относительно двойной связи невозможны свободные конформационные переходы, поэтому для алкенов с «внутренним» расположением двойной связи, например R-CН=CН-R, возможны стереоизомеры (геометрическая изомерия — гл. 1.7.2). R R' C=C C=C H R' H R H цис-изомер, или Z-изомер H транс-изомер, или E-изомер Для алкенов характерны также обе разновидности структурной изомерии, как скелетная, так и позиционная (в данном случае это изомерия положения двойной связи). Например: бут-1-ен и бут-2-ен (см. выше). 202 4.2.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА По физическим свойствам алкены близки к алканам, однако их температуры кипения несколько ниже, а плотности несколько выше, чем у соответствующих предельных углеводородов. Бóльшая плотность объясняется пространственным строением алкенов, у которых этиленовый фрагмент является плоским, а -связи sp2-гибридизованных углеродных атомов имеют меньшую длину, чем -связи атомов углерода в sp3-гибридизации алканов. Поэтому алкены имеют более плотную упаковку молекул, чем алканы. Но при такой плотной упаковке происходит сближение электронов -связей, и силы межмолекулярного отталкивания возрастают. Этим можно объяснить их более низкую температуру кипения, чем для алканов. Первые три члена гомологического ряда — газы; углеводороды, имеющие от 5 до 15 атомов углерода, — жидкости; высшие — твѐрдые вещества. Газы и жидкости имеют характерный резкий запах, в воде растворимы плохо, но лучше, чем алканы (более поляризуемы). 4.2.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Химическое поведение алкенов во многом определяется наличием в их молекулах двойной связи, поэтому наиболее типичными для этих углеводородов являются рассмотренные в главе 4.1 реакции электрофильного и радикального присоединения, а также радикального замещения. Однако особенности строения, отличающие эти углеводороды, например, от ацетиленовых (плоское расположение атомов углерода этиленового фрагмента), могут быть причиной некоторых свойств, не характерных для углеводородов с тройной связью. 4.2.3.1. Реакции электрофильного присоединения 1. Присоединение галогенов — это один из наиболее типичных случаев электрофильного присоединения. Br2 и Cl2 присоединяются к алкенам по схеме: R-CH=CH-R + X2 R-CHX-CHX-R Эта реакция представляет собой ступенчатый процесс, и механизм еѐ не противоречит общей схеме реакций электрофильного присоединения. Покажем это на реакции присоединения брома. 203 Молекула брома поляризуется в результате приближения к -электронному облаку двойной связи: R R R' R R' R' + C=C R" C=C + Br2 R" R"' Br -Br- R"' C-C R"' R" Br Br R R' C-C + R" Br +Br R"' R' Br R C-C R" R"' Br Как уже упоминалось, лимитирующей стадией AЕ-реакций является образование карбокатиона, а последующая атака бромид-ионами осуществляется очень быстро (электростатическое взаимодействие). Поэтому при проведении реакции в присутствии других нуклеофилов возможно присоединение не только бромид-ионов, но и других анионов из реакционной среды и образование, таким образом, смеси продуктов: R R' +Br C-C R" + Br R"' R C-C R" +H2O -H + Br R +Cl C-C Br R" R"' R' Cl R R"' R' OH R" - R' Br C-C Br R"' и т.д. Присоединение хлора к разветвлѐнным алкенам имеет свои особенности. Так, реакция изобутилена с хлором не укладывается в общую схему. Карбокатион, образовавшийся на первой стадии, выбрасывает протон, и в результате преимущественно образуется непредельное соединение: 204 H2C C CH3 CH3 Cl2 - Cl изобутилен (2-метилпропен) + H2C C Cl CH3 + Cl-CH2 -H CH3 H3C C CH2 3-хлор-2-метилпроп-1-ен 2. Присоединение галогеноводородов — другой пример АЕ-реакций. К двойным связям присоединяются все галогеноводороды. Электрофильный механизм этой реакции наблюдается только в отсутствие пероксидов. Чаще всего мостиковый интермедиат (см. выше) здесь не образуется, а реакция идѐт только через образование открытого карбокатиона. Лѐгкость взаимодействия алкенов с галогеноводородами возрастает в ряду: HF < HCl < HBr < HI (то есть по мере увеличения кислотных свойств). Схему присоединения к углеводородам с концевым расположением двойной связи можно представить следующим образом: R-CH=CH2 + НХ R-CHX-CH3 Здесь формально соблюдается правило Марковникова (гл. 4.1.1). Если в исходном соединении присутствует электроноакцепторный заместитель (например, -CN, -COOH, -CF3), то происходит поляризация кратной связи в обратном направлении: X CH = CH2 Но эти соединения относятся не к алкенам, а лишь к их производным, поэтому и правило Марковникова к таким соединениям неприменимо. 3. Присоединение воды к двойной углерод-углеродной связи алкенов протекает в присутствии кислотных катализаторов. Таким образом, первой стадией является электрофильная атака протона, и, значит, механизм этой реакции фактически тот же, что и для присоединения галогеноводородов; различия наблюдаются только на стадии взаимодействия карбокатиона с нуклеофильной частицей (в данном случае это молекула воды): H O 2 R-CH=CH2 + Н+ R-CH+-CH3 R-CHОН-CH3 + Н+ При промышленной гидратации этилена в качестве катализатора используют систему Н3PO4 / SiO2 при температуре около 300C и давлении 7 МПа. 4. Гидроборирование — это реакция присоединения бороводорода. Она имеет препаративное значение, так как этим способом можно получать из алкенов первичные спирты. Бороводород существует в виде димера B2Н6, но схему реакции присоединения можно представить так: 205 R-CH=CH2 + BН3 R-CH2-CH2-BH2 алкилборан Возможно дальнейшее превращение в избытке алкена с образованием триалкилборана, который легко окисляется и затем подвергается гидролизу: R-CH2-CH2-BH2 + 2 R-CH=CH2 (R-CH2-CH2-)3B O / H2O (R-CH2-CH2-)3B H R-CH2-CH2OH 22 (R-CH2-CH2-О-)3B H3BO3 Механизм взаимодействия алкена с бораном — типичное электрофильное присоединение, в котором электрофильной частью реагента (борана) является атом бора как более электроположительный по отношению и к водороду, и к углероду. При этом, вероятно, образуется четырѐхцентровое переходное состояние: R CH = CH2 + BH3 R CH=CH2 H H R CH CH2 B H R - CH2 - CH2 - BH2 H BH2 Взаимодействие алкилборана со следующей молекулой алкена осуществляется аналогично: в этой реакции электрофилом является молекула алкилборана: R-CH2-CH2 BH2 Реакция гидроборирования ненасыщенных органических соединений была открыта в 1959 году Гербертом Чарльзом Брауном, за что он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1979 году. Аналогично рассмотренным примерам протекает кислотнокатализируемое присоединение спиртов (электрофилом является Н+) и присоединение хлорноватистой и бромноватистой кислот (реакция гипогалогенирования). В последних случаях электрофилами являются катионы галогенов Cl+ и Br+, образующиеся в присутствии сильной кислоты по схеме: HOCl + Н+ H2O+-Cl Cl + + H2O 206 Реакции электрофильного присоединения нашли широкое применение в препаративной органической химии как способы получения из алкенов галогеналканов и спиртов (первичных, вторичных и третичных). 4.2.3.2. Реакции радикального присоединения Наиболее распространѐнной из реакций радикального присоединения является взаимодействие алкенов с бромоводородом: R O O R R-CH=CH2 + HBr R-CH2-CH2-Br Эта реакция идѐт по радикальному механизму только в присутствии пероксидов. На стадии инициирования данного радикального процесса образуется атом брома: R-O-O-R 2 R-O R-O + H:Br R-OH + Br , являющийся свободным радикалом и атакующий молекулу алкена с образованием -комплекса (см. механизм в гл. 4.1.2). В результате при присоединении к несимметричным алкенам атом брома образует связь с менее замещѐнным атомом углерода, и правило Марковникова здесь не применимо. Формально это закреплено как перекисный эффект Караша*: присоединение бромоводорода по кратным связям непредельных углеводородов в присутствии инициаторов радикальных реакций идѐт по гомолитическому механизму против правила Марковникова. Например: Br CH3-CH-CH2 CH3 CH=CH2 + Br CH3-CH-CH2 Br Это направление присоединения объясняется влиянием нескольких факторов: образованием более стабильного радикала, доступностью менее замещѐнного атома углерода, большей величиной электронной плотности на этом атоме. При этом основное влияние, по-видимому, оказывает стерический фактор. Устойчивость радикальных интермедиатов обычно изменяется в том же порядке, что и катионных: третичный > вторичный > первичный, но этот фактор оказывает меньшее влияние на направление реакции, чем стерический. Присоединение других галогеноводородов нехарактерно для алкенов. Эта реакция с галогеноводородами (кроме HBr) энергетически невыгодна. Присоединение хлороводорода протекает в редких случаях. При обычных 207 температурах эта цепная реакция не выдерживает конкуренции с АЕреакцией. Радикальное присоединение HF и HI никогда не наблюдается. В случае фтороводорода для образования радикала F требуется слишком большое количество энергии на стадии взаимодействия радикального интермедиата с HF, а в случае присоединения йодоводорода, хотя радикал I образуется легко, однако он недостаточно реакционноспособен. 4.2.3.3. Реакции радикального замещения В эти реакции могут вступать как пропен, так и другие гомологи этена, имеющие хотя бы один -водородный атом. Как рассматривалось в главе 4.1.3, замещение идѐт только по -атому. Пример: CH-CH-CH=CH2 +Cl -HCl H3C CH3 H3C H3C H3C Cl2 CH-C-CH=CH2 -Cl CH3 H3C H3C Cl CH-C-CH=CH2 CH3 4.2.3.4. Изомеризация Реакция изомеризации, характерная только для углеводородов с двойной связью, — это цис-транс-изомеризация, то есть превращение одного геометрического изомера в другой. Данная реакция протекает при действии света, хотя не исключены какие-либо другие воздействия. При этом в молекулах алкенов разрываются -связи и образуются бирадикалы. Это создаѐт возможность свободного вращения обеих частей молекулы вокруг -связи. После прекращения облучения -связь вновь образуется, однако в полученной смеси резко преобладают транс-изомеры: H H C=C R R R R' R' H C C C C R' R' H H H C=C H R H 4.2.3.5. Реакции нуклеофильного присоединения Этиленовые углеводороды не вступают в реакции нуклеофильного присоединения из-за высокой электронной плотности -связи, однако соединения, содержащие этиленовый фрагмент и несколько сильных электроноакцепторных групп, например, -CN или -CF3, могут вступать во взаимодействие с нуклеофилами. При этом -электронная плотность сильно уменьшена как за счѐт индуктивного, так и за счѐт мезомерного эффектов заместителей (в случае трифторметильной группы это обратное сверхсопряжение): 208 H :NH3 + CF3 CF3 H + H2N - CH - C CF3 CF3 C=C CF3 CF3 CF3 H2N - CH - CH CF3 CF3 4.2.3.6. Теломеризация Кроме реакций полимеризации, для алкенов получили распространение реакции теломеризации, которые протекают с участием веществ — переносчиков цепи, называемых телогенами, в результате образуется смесь низкомолекулярных гомологов — теломеров. Наиболее распространена радикальная теломеризация. Например, взаимодействие этилена с тетрахлоридом углерода протекает по схеме: n CН2=CН2 + CCl4 Cl3C-(-CН2-CН2-)n-Cl Здесь телогеном является тетрахлорметан, который на первой стадии распадается на радикалы: CCl4 Cl + CCl3. Образовавшийся трихлорметильный радикал является инициатором полимеризации, а обрыв цепи происходит за счѐт отрыва атома хлора от новой молекулы тетрахлорметана: CН2=CН2 + CCl3 Cl3C-CН2-ĊН2 . Cl3C-CH2-CH2 . CCl4 Cl3C-CH2-CH2Cl + CCl3 + CH2=CH2 . +CCl4 . Cl3C-CH2-CH2-CH2-CH2 -CCl3 Cl3C-(CH2)4-Cl 4.2.3.7. Взаимодействие с солями платины Как указывалось в главе 4.1.4.4, непредельные углеводороды способны к взаимодействию с катионами переходных металлов. Так, например, этилен легко взаимодействует с комплексными солями платины, как мягкое основание с мягкой кислотой (в соответствии с принципом Р. Пирсона), образуя устойчивую соль. Например: 209 CH2 CH2 = = CH2 + K2[PtCl4] - KCl CH2 PtCl3 K + Таким образом, алкены могут быть охарактеризованы с помощью химических реакций. С тетранитрометаном они образуют окрашенные в жѐлтый цвет комплексы с переносом заряда. Для доказательства строения алкенов можно использовать окисление до двухатомных спиртов с последующим расщеплением гликоля, а также озонолиз. Кроме того, как все непредельные углеводороды, они на холоду обесцвечивают щелочной раствор перманганата калия или раствор брома в хлороформе. 4.2.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Алкены можно получать по реакции элиминирования из галогеналканов, спиртов и солей замещѐнного аммония. Эти реакции были рассмотрены в главах 3.1.2, 3.2.2.2, 3.3.3.2, 3.7.3.4. 2. Алкены могут быть получены из других углеводородов дегидрированием или крекингом алканов (гл. 2.4.2), частичным гидрированием ацетиленовых и диеновых углеводородов. Эти реакции являются общими для всех непредельных углеводородов и рассматривались в главе 4.1.4.4. 3. Одним из способов получения алкенов является также дегалогенирование вицинальных дигалогеналканов (под действием цинковой пыли): R-CНBr-CН2Br + Zn R-CН=CН2 + ZnBr2 Однако существуют и другие способы получения алкенов. Эти реакции будут рассмотрены позднее, при характеристике других классов соединений. 4.2.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Алкены по своим свойствам сходны с соответствующими алканами и действуют по типу наркотических средств. У низших алкенов этот эффект выражен сильнее, чем у соответствующих алканов, из-за их большей растворимости в воде. Высшие члены ряда обладают также судорожным действием и раздражают слизистые дыхательных путей. Длительное воздействие этилена и пропилена вызывает полиневриты, понижение чувствительности, нарушение кровообращения, головные боли, потемнение в глазах вплоть до временной слепоты, нарушения деятельности вестибулярного аппарата. Большинство алкенов, содержащих одну или более ненасыщенных двойных связей углерод–углерод, метаболизируют в организме животных и человека до 1,2-диолов через промежуточное образование эпоксидов. На210 пример, гексадец-1-ен окисляется до гексадекан-1,2-диола через 1,2эпоксипроизводное: CH2=CH-(CH2)13-CH3 CH2-CH-(CH2)13-CH3 O CH2-CH-(CH2)13-CH3 OH OH Этилен — бесцветный газ со слабым запахом. Незначительно растворяется в воде, лучше — в этаноле; хорошо растворим в диэтиловом эфире, горит коптящим пламенем. В промышленности получают из газов пиролиза и крекинга нефти, которые содержат до 20% этилена. Этилен служит исходным сырьѐм для множества синтезов (например, для синтеза этанола, этиленгликоля, уксусного альдегида, полиэтилена и др.). Полиэтилен (-СН2-СН2-)n, получающийся при полимеризации этилена, — простейший углеводородный полимер. Полимеризацией под высоким давлением получают полиэтилен низкой плотности. Он нерастворим в большинстве органических кислот, устойчив к действию кислот и щелочей. Обладает большой эластичностью, плавится в интервале 110125С. Плѐнку из полиэтилена низкой плотности используют для упаковки медикаментов, пищевых продуктов, для литья бутылок; из полиэтилена данной модификации изготавливают шприц-тюбики для упаковки глазных капель. Пропилен — бесцветный газ со слабым запахом. В промышленности получают из газов крекинга и пиролиза при переработке нефтяных продуктов, которые содержат 58% пропилена. Чистый пропен получают при дегидрировании пропана. Используется в органическом синтезе для получения изопропилового спирта, глицерина, ацетона, полипропилена и др. Полипропилен получают при полимеризации пропилена. CH CH2 CH3 n Он превосходит полиэтилен по химической стойкости, прочности на разрыв и теплостойкости. Из него изготавливают детали и узлы аппаратов искусственного кровообращения, упаковочные плѐнки, волокна, трубопроводы, резервуары для хранения жидкостей. 4.3. ДИЕНОВЫЕ (И ПОЛИЕНОВЫЕ) УГЛЕВОДОРОДЫ Синоним диеновых углеводородов — алкадиены. Диеновые углеводороды содержат в своѐм составе две двойные связи, в молекулах полиеновых 211 углеводородов — несколько двойных связей. Строением и свойствами очень похожи на этиленовые углеводороды, однако из-за различного взаимного расположения двойных связей у них имеются и особенности. 4.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Диеновые углеводороды в зависимости от взаимного расположения двойных связей делятся на несколько групп: 1) диены с кумулированными двойными связями (кумулированные диены, аллены) — углеводороды, в молекулах которых один из атомов углерода образует две двойные связи. Первым представителем этой группы является аллен Н2C=C=CН2 ; 2) диены с --сопряжѐнными двойными связями (сопряжѐнные диены) — углеводороды, в молекулах которых двойные связи разделены только одной -связью. Родоначальником ряда сопряжѐнных диенов является дивинил Н2C=CH-CH=CН2 ; 3) диены с изолированными двойными связями — углеводороды, в молекулах которых двойные связи разделены более чем одной -связью. В таких молекулах между атомами углерода двойных связей может быть один или несколько sp3-гибридизованных атомов углерода, например: Н2C=CH-CН2-CH=CН2 пент-1,4-диен Н2C=CH-CН2-CН2-CH=CН2 гекс-1,5-диен Тривиальные названия некоторых диеновых и полиеновых углеводородов применяются достаточно широко. Это аллен (см. выше), эритрен, дивинил, изопрен, пиперилен и др. Н2C=CH-CH=CН2 эритрен, дивинил CH3 CH2=C-CH=CH2 изопрен Н2C=CH-CH=CН-CH3 пиперилен Среди систематических названий наибольшее распространение получила заместительная номенклатура ИЮПАК. Для кумулированных диенов распространены названия и по рациональной номенклатуре — как производные аллена. При этом названия любых диеновых (и полиеновых) углеводородов строятся аналогично этиленовым; для обозначения нескольких двойных связей в молекуле используются суффиксы -диен, -триен и т.д., где ди-, три- — числовые приставки. 212 4.3.2. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ АЛЛЕНОВ В аллене у центрального атома углерода атомные орбитали sp-гибридизованы. Все три атома углерода находятся на одной прямой, а плоскости -связей взаимно перпендикулярны. Длина C=C-связи меньше, чем в алкенах, и это объясняется меньшей протяжѐнностью sp-гибридной орбитали центрального атома углерода, за счѐт которой образуется эта связь. Благодаря такому строению для замещѐнных алленов характерна стереоизомерия. Например, приведѐнные ниже структуры являются зеркальными отображениями друг друга: H H CH3 C=C=C CH3 C=C=C H CH3 H CH3 В молекулах таких алленов нет центров хиральности. Их асимметрия определяется характером расположения заместителей относительно оси C—C—C, называемой осью хиральности. Из-за образования одним атомом углерода двух -связей в молекулах алленов возникает дополнительное напряжение, делающее их менее стабильными по сравнению с другими диеновыми углеводородами. По этой причине реакции, являющиеся общими для углеводородов с двойными связями, для алленов протекают несколько легче. Гидратация приводит к получению кетонов: H CH2 = C = CH2 + H2O H O: + O CH3 - C - CH3 = CH2 = C - CH3 Здесь наблюдается быстрая изомеризация непредельного спирта (енола) в ацетон. Изомеризация Под действием оснований аллены изомеризуются в ацетиленовые углеводороды — более устойчивые соединения: H RO R-C=C=CH2 -ROH - - ROH R-C=C-CH2 - R-C=C=CH2 -RO 213 R-C C-CH3 4.3.3. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СОПРЯЖЁННЫХ ДИЕНОВ Электронное строение сопряжѐнных диенов является примером неполярного --сопряжения, которое было рассмотрено ранее (гл. 1.4). В связи с этим сопряжѐнный фрагмент в молекулах этих углеводородов планарен, двойные связи имеют бóльшую длину, чем углерод-углеродная связь в этилене, а связь между вторым и третьим атомами углерода в этом сопряжѐнном фрагменте, напротив, короче обычной ординарной связи: Сравните с длинами связей в этилене и этане (гл. 1.2). Кроме того, энергетический барьер вращения вокруг связи С2–С3 в бут1,3-диене (21 кДж/моль) значительно больше, чем в этане (12.6 кДж/моль). Поэтому бут-1,3-диен по сравнению с этаном может дольше находиться в форме энергетически выгодных конформеров. Химические реакции сопряжѐнных диенов, как правило, затрагивают общую систему -связей. Поэтому при протекании реакций, являющихся общими для непредельных углеводородов, необходимо учитывать некоторые особенности, обусловленные наличием сопряжѐнного фрагмента. Гидрирование Присоединение водорода на катализаторах (гл. 4.1.4.4) приводит к получению насыщенных углеводородов (гидрируются сразу две двойных связи), при этом выделяется значительно меньше тепловой энергии в расчѐте на одну связь, чем при гидрировании этилена, что говорит о низкой потенциальной энергии таких молекул и, соответственно, их стабильности вследствие сопряжения. Восстановление атомарным водородом (водородом в момент выделения), то есть при использовании для восстановления металлического натрия в спирте или цинка в серной кислоте, протекает более избирательно. Взаимодействие диена здесь происходит не с атомом водорода, как это иногда представляют, а с активным металлом: 214 CH2=CH-CH=CH2 - - + CH2-CH=CH-CH2 Na2 . . CH2-CH=CH-CH2 2ROH -2RONa 2Na . CH3-CH=CH-CH3 Аналогично происходит восстановление сопряжѐнных триенов. Так, при взаимодействии гекс-1,3,5-триена с цинком в серной кислоте первоначально образуется сопряжѐнный диен, который затем гидрируется до этиленового углеводорода: Zn / H SO 2 4 Н2C=CH-CН=СН-CH=CН2 Н3C-CH=CН-СН=СН-CH3 Zn / H SO 2 4 Н3C-CH2-CН=СН-CH2-CН3 Электрофильное присоединение Направление присоединения электрофилов к сопряжѐнным диенам имеет некоторые особенности. В качестве примера рассмотрим взаимодействие бут-1,3-диена с бромоводородом. Реакция начинается с атаки протоном одной из связей субстрата и после -комплекса образуется -комплекс, представляющий собой карбокатион аллильного типа (от назв. соответствующего радикала «аллил»), стабилизированный р--сопряжением: Н2C=CН-СН=СН2 + Н+ Н3C-+CH-СН=СН2 Однако вследствие сопряжения возможна и другая граничная структура такого катиона с переносом положительного заряда: [Н3C-+CH-СН=СН2 Н3C-CH=СН-+СН2] Поскольку в карбокатионе положительный заряд распределѐн главным образом между двумя атомами углерода, то карбокатион может атаковаться бромид-ионом по двум направлениям: Br 4 1 2 3 a 1/2+ 1/2+ CH3 - CH - CH=CH2 CH3-CH CH CH2 + Br 3 4 1 2 b 4 3 1 2 CH3 - CH=CH - CH2Br Первое направление (а) именуют 1,2-присоединение, так как реагент (бромоводород) присоединяется к первому и второму атомам в сопряжѐнном фрагменте диенового углеводорода; второе направление (b) называют 1,4-присоединение — в этом случае реагент (бромоводород) присоединяется к первому и четвѐртому атомам в сопряжѐнном фрагменте. В общем случае реакция может идти как по направлению а, так и по направлению b. Однако 1,2-присоединение протекает легче, с большей скоростью, но при этом образующийся продукт малоустойчив и может распадаться на исходные вещества. В противоположность этому 1,4-при215 Энергия соединение протекает медленнее, но продукт реакции термодинамически более стабилен. На энергетической диаграмме показана потенциальная энергия субстрата при превращении по пути а и по пути b (см. рис. 4.1). Рис. 4.1. Энергетическая диаграмма реакции бут-1,3-диена с бромоводородом Таким образом, при низких температурах, когда равновесие ещѐ не достигнуто, образуется преимущественно продукт 1,2-присоединения (его называют кинетически контролируемым), а при обычных или повышенных температурах, то есть при установлении равновесия (чем выше температура, тем быстрее устанавливается равновесие) — продукт 1,4-присоединения (его называют термодинамически контролируемым). Образовавшийся 1,2-продукт постепенно, через стадию образования карбокатиона, превращается в более устойчивый 1,4-продукт. Аналогично присоединению бромоводорода преимущественное направление 1,4-присоединения характерно и для других реакций электрофильного присоединения. При использовании избытка реагента реакция присоединения может идти дальше до полного насыщения кратных связей. Образование стабильных аллильных катионов при протонировании сопряжѐнных диенов даѐт возможность протекания реакций алкилирования непредельных углеводородов (алкенов, алкадиенов) и их производных, приводящих к наращиванию углеродной цепи. Этот процесс важен в биосинтезе 216 терпенов и стероидов (о терпенах и стероидах — гл. 8.5, 8.7). Механизм реакции можно рассматривать как типичное электрофильное присоединение: H3C H3C + C CH CH2 + H2C C CH2-CH2-X CH3 H3C H3C + C CH CH2CH2-C-CH2CH2X C CH CH2CH2-C=CHCH2X + -H H3C H3C CH3 CH3 Радикальное присоединение Присоединение галогенов, галогеноводородов и других реагентов в условиях гомолитического разрыва ковалентной связи, а значит, по механизму AR, также сопровождается преимущественным образованием продукта 1,4-присоединения. Например: h R-CН=CН-СН=СН2 + Br2 R-CHBr-СН=СН-CH2Br Избыток брома приводит к полному насыщению кратных связей. Диеновый синтез Реакции диенового синтеза часто называют реакциями Дильса*– Альдера* по имени учѐных, внѐсших существенный вклад в их изучение. Эти реакции представляют также 1,4-присоединение к диеновым углеводородам с образованием циклических систем. В роли реагента здесь выступает другой непредельный углеводород или, что чаще бывает, его функциональное производное с электроноакцепторными группами. Такие реагенты, взаимодействующие с диенами, в этой реакции называются диенофилами. Наиболее вероятным здесь является синхронный механизм. Реакция протекает через образование циклического переходного состояния, в котором происходит частичное перекрывание р-орбиталей диена и диенофила: X HC CH + CH HC CH2 Y CH2 = = = = = диенофил CH2 = HC HC = диен CH2 CH CH X HC CH CH HC CH2 Y CH2 X Y 217 X CH2 CH HC CH HC Y CH2 Удаѐтся осуществить диеновый синтез и с этиленом, но при повышенных температуре и давлении: = + HC CH2 CH2 CH2 = = HC CH2 = HC HC CH2 CH2 CH2 CH2 Реакция Дильса–Альдера применяется на первых стадиях синтеза морфина (гл. 12.6), разработанного М. Гейтсом: O O CH2 O CN OCH3 + CH2=CH-CH=CH2 CN CH2 OCH3 O OCH3 OCH3 За открытие и развитие метода диенового синтеза К. Альдер и О. Дильс были удостоены Нобелевской премии по химии в 1950 году. Реакция Дильса–Альдера может использоваться для характеристики 1,3-диенов. Реакции полимеризации также протекают преимущественно по направлению 1,4-присоединения. При этом образуются ненасыщенные полимерные углеводороды, обладающие многими ценными качествами, в том числе эластичностью. При полимеризации бут-1,3-диена образуется эластичный материал, по многим характеристикам близкий к натуральному каучуку; он был назван бутадиеновым синтетическим каучуком. Возможно образование как цис-, так и транс-структур: H H C=C CH2- n -CH2 цис- n CH2=CH-CH=CH2 H CH2C=C -CH2 H транс- 218 n Полимеризация изопрена также может приводить к получению разных стереоизомерных продуктов. В процессе полимеризации по радикальному механизму образуются полимеры с нерегулярной структурой. Однако в присутствии катализаторов Циглера*–Натта* (алюминий- и титанорганические соединения) образуются почти исключительно продукты цис-1,4присоединения: CH3 CH3 n CH2=C-CH=CH2 R3Al/TiCl4 H CH3 C=C C=C CH2-CH2 ... -CH2 H CH2-CH2 CH2-... C=C CH3 H Такой полимер почти идентичен натуральному каучуку. Высокая его эластичность определяется цис-конфигурацией. В природе также встречается транс-полиизопрен, называемый гуттаперчей, который имеет худшие механические свойства, в частности, не проявляет высоких эластических свойств. Дж. Натта и К. Циглер за открытия в области химии и технологии полимеров в 1963 году удостоены Нобелевской премии. 4.3.4. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ДИЕНОВ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ДВОЙНЫМИ СВЯЗЯМИ В молекулах диеновых (и полиеновых) углеводородов с изолированными двойными связями отсутствует сколько-нибудь существенное взаимодействие между кратными связями (по причине их разделения друг от друга насыщенными атомами углерода). Поэтому в преобладающем большинстве реакций эти углеводороды ведут себя как этиленовые. Однако особенности поведения могут проявляться в реакциях радикального замещения, и прежде всего для тех из них, в молекулах которых двойные связи разделены только одним тетраэдрическим атомом углерода. Для таких углеводородов легче протекают SR-реакции вследствие более полной мезомерной стабилизации промежуточного радикала. Например, для пент-1,4-диена: CH2=CH-CH2-CH=CH2 + Cl CH2=CH-ĊH-CH=CH2 + HCl 219 4.3.5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Способы получения диеновых (и полиеновых) углеводородов аналогичны этиленовым. Это каталитическое дегидрирование алканов (а значит, и алкенов), дегидратация спиртов (многоатомных), дегидрогалогенирование и дегалогенирование полигалогеналканов и некоторые другие. Так, например, аллен можно получить из пропилена по схеме: Cl / 500 С Cl / CCl4 CН2=CН-СН3 2 CН2=CН-СН2Сl 2 NaOH / ROH Zn CН2Cl-CНCl-СН2Сl CН2=CCl-СН2Сl CH2=C=CH2 Один из промышленных способов получения изопрена заключается в димеризации пропилена с последующим отщеплением молекулы метана: CH2= CH + CH3 CH2=CH CH3 CH2=C-CH=CH2 CH3 + (C3H7)3Al CH2=C-CH-CH2 H3C H CH3 CH4 4.3.6. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Дивинил (эритрен, бут-1,3-диен) — бесцветный газ со слабым запахом. Незначительно растворяется в воде, растворим в этаноле, в диэтиловом эфире, хлороформе, ацетоне. В промышленности получают из бутана и по методу С.В. Лебедева дегидратацией и дегидрированием этанола при температуре 430450С на катализаторе Al2O3+ZnO. Основное количество вырабатываемого дивинила расходуется на получение искусственного каучука и резины. Изопрен — жидкость со слабым запахом и температурой кипения 34С. Растворим в этаноле, в диэтиловом эфире. Используется в производстве каучука и резины. В промышленности получают дегидрированием изопентанизопентеновой фракции нефти, а также димеризацией пропилена (см. выше). Каучуки — полимеры сопряжѐнных диенов. Они обладают высокой эластичностью. В промышленности производится много видов искусственных каучуков, и они применяются повсеместно. 220 В медицине на основе натурального и синтетического вулканизированных каучуков изготавливают лейкопластыри, эластичные зонды, катетеры, хирургические перчатки и др. 4.4. АЦЕТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Синоним — алкины. Ацетиленовые углеводороды содержат в своѐм составе тройную связь -CC- . Другими словами, в их молекулах между двумя атомами углерода, помимо -связи, имеются две -связи. 4.4.1. НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ Для названия ацетиленовых углеводородов применяются заместительная номенклатура ИЮПАК и рациональная номенклатура. Тривиальное название широко распространено только для родоначальника ряда: НСCН — ацетилен. По заместительной номенклатуре названия алкинов производятся от названий соответствующих алканов заменой суффикса -ан на суффикс -ин; цифровым локантом указывается атом углерода, от которого начинается тройная связь (гл. 1.5.1). Например: НСC-СН2-СН3 — бут-1-ин СН3-CC-СН3 — бут-2-ин По рациональной номенклатуре углеводороды этого ряда называются как замещѐнные ацетилены, например: НСC-СН2-СН3 — этилацетилен СН3-CC-СН3 — диметилацетилен При отнятии от молекулы алкина одного водородного атома образуется одновалентный радикал, название которого по заместительной номенклатуре даѐтся прибавлением суффикса -ил к названию алкина, от которого этот радикал образован, например: CНC- — этинил, СН3-CC- — проп-1-инил, CНC-СН2- — проп-2-инил. Для некоторых из них применяются тривиальные названия. Например: CНC- — ацетиленил, CНC-СН2- — пропаргил. Для алкинов характерны те же виды структурной изомерии, что и для алкенов. В отличие от последних для них невозможна геометрическая изо221 мерия, так как все три -связи в ацетиленовом фрагменте (атомы углерода sp-гибридизованы) лежат на одной прямой. Среди алкинов выделяют группу углеводородов, содержащих тройную связь в конце углеродной цепи, то есть алк-1-ины. Они имеют название терминальные алкины. В этих углеводородах у одного из атомов тройной связи имеется водород, что определѐнным образом отражается на свойствах этой группы соединений. 4.4.2. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ Особенности строения, отличающие ацетиленовые углеводороды от соединений, например, с двойными связями, связаны прежде всего с наличием линейного фрагмента тройной связи, еѐ меньшей длиной и большей поляризуемостью, чем двойная связь, более электроотрицательными атомами углерода в sp-гибридном состоянии. Это объясняет более высокие температуры кипения и плотности по сравнению с соответствующими этиленовыми углеводородами, а также является причиной некоторых химических свойств, характерных только для углеводородов с тройной связью (например, проявление ими кислотных свойств, способность вступать в реакции AN и SE). Ацетилен, пропин и бутины являются бесцветными газами; углеводороды, имеющие от 5 до 15 атомов углерода, — жидкости; высшие — твѐрдые вещества. Ацетилен имеет характерный резкий запах, хорошо растворяется в ацетоне. Как и для всех непредельных углеводородов, для алкинов характерны реакции электрофильного и радикального присоединения (AE и AR) и радикального замещения (SR). Реакции электрофильного присоединения Алкины присоединяют бром, причѐм реакция проходит в две раздельные стадии: Br Br 2 2 R-CC-R R-CBr=CBr-R R-CBr2-CBr2-R , и вторая стадия, как правило, осуществляется быстрее первой, так как она представляет собой присоединение по двойной связи. Возможно также присоединение галогеноводородов (1 или 2 молей): НBr НBr R-CC-R R-CH=CBr-R R-CH2-CBr2-R 222 Алкины хуже протонируются, поэтому гидратацию тройных связей обычно проводят с применением в качестве катализаторов солей двухвалентной ртути (обычно сульфатов) — реакция М.Г. Кучерова*: Hg 2 R-CCН + H2О R-CО-CH3 Механизм реакции включает участие катиона Hg2+ на первой стадии: Hg2 + + Hg Hg + R C CH(R') Hg + +H2O : RC CH(R') 2+ Hg+ R-C CH(R') H2O+ - H+ : H + +H R-C CH(R') R-C CH(R') O H O H R-C CH(R') H-O: R-C CH(R') 2 - Hg + O H Продуктами гидратации алкинов являются кетоны (только в случае ацетилена образуется ацетальдегид). Поэтому данной реакцией можно удобно получать соответствующие карбонильные соединения. Возможно проведение селективной гидратации тройной связи в присутствии двойной: Hg 2 CН2=CН-CCН + H2О CН2=CН-CО-CH3 Реакции радикального замещения Ацетиленовые углеводороды легче должны вступать в реакции радикального замещения, чем этиленовые, вследствие более полной мезомерной стабилизации промежуточного радикала: R-CH2-CCH + Cl R-ĊH-CCH + HCl Кислотные свойства: металлические производные алкинов В молекулах терминальных алкинов связь С–Н, образованная spгибридизованным атомом углерода, значительно полярнее, чем С–Н-связи в других углеводородах. Поэтому кислотные свойства ацетилена и его гомологов существенно сильнее выражены, чем, например, этиленовых углеводородов, и характеризуются значениями рКа 22 против рКа 40 для этиленовых. Кислотность алкинов выше и по сравнению с аммиаком, однако ниже, чем у воды и спиртов. Кислотные свойства можно проиллюстрировать реакциями со щелочными металлами, их амидами, реактивами Гриньяра: 223 R-СC-Н + Na R-СC-Na + 1 2 H2 R-СC-Н + KNH2 R-СC-K + NH3 R-СC-Н + C2Н5MgBr R-СC-MgBr + C2Н6 Образующиеся в последней реакции алкинид-галогениды магния называют реактивами Иоцича*. В молекуле самого ацетилена могут одновременно замещаться оба атома водорода. Так, при взаимодействии с гидроксидом диамминсеребра (реактивом Толленса*) образуется ацетиленид серебра, выделяющийся в виде нерастворимого осадка: Н-СC-Н + 2 [Ag(NH3)2]OH Ag-СC-Ag + 4 NH3 + 2 H2O Металлические производные ацетиленовых углеводородов — солеобразные продукты. Они проявляют сильные основные свойства и при действии даже слабых кислот, например, спирта или воды, превращаются в алкины: R-СC Na+ + C2Н5OH R-СC-H + C2Н5ONa В то же время они являются эффективными нуклеофилами и могут в этом качестве принимать участие в большинстве реакций SN и AN. Примером таких реакций является взаимодействие нуклеофилов с галогеналканами, которое широко используется для получения алкинов из ацетилена: R-СC Na+ + C2Н5Br R-СC-C2Н5 + NaBr (Со спиртами аналогичная реакция не может пойти, так как с ней конкурирует кислотно-основное взаимодействие, протекающее со значительно большей скоростью — см. предыдущую реакцию). Реакции нуклеофильного присоединения ацетиленидов к альдегидам и кетонам, а также реакция Репе*, рассмотрены в главе 6.1.4.1, посвящѐнной свойствам этих классов соединений. Нуклеофильное присоединение В отличие от этиленовых углеводородов к алкинам могут присоединяться реагенты по нуклеофильному механизму. Схему реакции можно представить следующим образом: : R-C=CH + OC2H5 OC2H5 R-C=CH : : - C2H5OH -C2H5O- OC2H5 R-C=CH2 Механизм нуклеофильного присоединения включает две стадии: 224 C CH(R') + Y : Y R-C=CH(R') + X + Y R-C=CH(R') : : R - Y X R-C=CH(R') На первой стадии нуклеофил отдает свою пару электронов для образования связи с атомом углерода. -Электроны при этом смещаются к соседнему атому углерода, образуется карбанион, который далее, на второй стадии, взаимодействует с положительно заряженной частицей Х+ или с нейтральной молекулой HY, от которой может быть оторван катион Н+ (как в приведѐнном примере). Бóльшая активность алкинов по отношению к нуклеофилам в сравнении с алкенами обусловлена теми же причинами, какими объясняется их меньшая реакционная способность в реакциях электрофильного присоединения (гл. 4.1.1): 1) большей локализацией -электронной плотности тройной связи, что увеличивает доступность атомов углерода для нуклеофильной атаки, 2) присоединение нуклеофила сопровождается возникновением р-сопряжѐнного фрагмента в карбанионе. Тем не менее, нуклеофильная атака по ацетиленовому фрагменту протекает в жѐстких условиях, и для алкинов более характерно электрофильное присоединение, а не нуклеофильное. Электрофильное замещение Реакции электрофильного замещения не являются наиболее характерными для ацетиленовых углеводородов, однако терминальные алкины с некоторыми реагентами могут взаимодействовать по электрофильному механизму с замещением атома водорода при тройной связи: Br2 / NaOH R-CC-Н R-CC-Br Электрофильной частицей является поляризованная молекула брома Br+... :Br-, которая атакует алкилацетиленид-анион R-CC. Подробно механизм электрофильного замещения рассмотрен в главах 9.5.1.1, 9.5.2.1, 10.1.2 на примере ароматических соединений. Циклотримеризация (ароматизация) Ацетилен и его гомологи в результате этой реакции превращаются в ароматические углеводороды: 225 3 CH CH R 3 R C CH R R Поэтому циклотримеризация может служить способом получения этих соединений. Однако ацетилен в эту реакцию вступает труднее, чем алкины. Для него реакция протекает в присутствии металлорганических катализаторов (соединений хрома, никеля, кобальта). Циклотримеризация алкинов осуществляется при нагревании в присутствии концентрированной H2SO4 , но легче — в присутствии соединений хрома, никеля, кобальта. Роль катализаторов заключается в активации тройной связи и пространственной ориентации алкинов в реакциях циклизации. Взаимодействие с солями платины Алкины, подобно алкенам, образуют различные -комплексы с металлами. При их образовании линейные молекулы алкина сильно искажаются из-за растяжения углерод-углеродной связи и приобретения цис-подобной конфигурации. Например, взаимодействие ацетилена с комплексной солью платины можно представить в виде схемы: H C CH + PtCl3 K + K2[PtCl4] C - KCl CH H Таким образом, терминальные алкины можно идентифицировать химически, получая в аммиачном растворе ацетилениды меди (I) или серебра. Алкины, в отличие от алкенов, не реагируют с тетранитрометаном. 4.4.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Ацетилен получается при пиролизе метана или этана (или этена): 2 CН4 1500 С H-CC-H + 2 H2 226 СH3-СH3 СH2=СH2 + H2 HСCН + 2 H2 2. Гидролизом карбидов металлов можно получать этин и пропин. Дикарбид кальция при реакции с водой образует ацетилен: СaС2 + 2 H2O HСCН + Сa(OH)2 Аналогично реагируют SrС2 и BaС2. Трикарбид димагния Mg2С3 с водой образует пропин: Mg2С3 + 4 H2O CH3-СCН + 2 Mg(OH)2 3. Алкины могут быть получены реакцией отщепления (дегидрогалогенирования) из дигалогеналканов, например: КОН NaNH2 СH3-CHBr-CHBr-СH3 СH3-CH=CBr-СH3 СH3-СC-CН3 Для проведения первой стадии обычно достаточно использования спиртового раствора щѐлочи при обычных условиях, а второй — более сильных оснований (гл. 5.2.1). 4. Возможно проведение дегалогенирования вицинальных тетрагалогеналканов цинковой пылью — эта реакция аналогична реакции дегалогенирования дигалогеналканов с образованием алкенов (гл. 4.2.4): 2Zn СH3-CBr2-CBr2-СH3 СH3-CC-СH3 . 5. Одним из способов получения алкинов является реакция алкилирования ацетилена через образование его металлических производных — это реакция нуклеофильного замещения в ряду галогеналканов, в которой нуклеофилом является ацетиленид металла; эта реакция была рассмотрена в химических свойствах (гл. 4.4.2). 4.4.4. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Алкины также действуют по типу наркотических средств, при этом действие нарастает с увеличением числа атомов в молекуле. Средние члены ряда вызывают судорожный эффект. Первый член ряда — ацетилен в смеси с воздухом вызывает удушье из-за уменьшения содержания кислорода. Длительный контакт с ацетиленом вызывает функциональные нарушения нервной системы. 227 Ацетилен является бесцветным газом с эфирным запахом, обладающим наркотическим действием. Горит ярким, коптящим пламенем. Малорастворим в воде, спирте, хорошо растворим в ацетоне и диметилформамиде (в одном объѐме ацетона растворяется до 300 объѐмов ацетилена). Хорошая растворимость его в ацетоне (особенно под давлением) используется для хранения и транспортировки в баллонах. Сжиженный газ без разбавителя взрывоопасен. Получают реакцией карбида кальция с водой (это как лабораторный, так и промышленный способ получения) СaС2 + 2 H2O HСCН + Сa(OH)2 и крекингом метана (крупнотоннажный способ производства) — см. выше (гл. 4.4.3). Для промышленного органического синтеза используется около 70% произведѐнного ацетилена (главным образом как сырьѐ для получения уксусного альдегида и винилхлорида) и около 30% — для сварки и резки металлов. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК и по рациональной номенклатуре следующие соединения: C2H5 CH3 CH3 - C=C - CH2 - CH=CH2 CH3-C=CH-C CH CH3 2. Приведите механизм реакции взаимодействия бут-1-ена и 2-метилбут-1ена с водой в присутствии кислотного катализатора. Какое из этих соединений легче будет вступать в реакцию? В чѐм различие взаимодействия бут-1-ена с концентрированной HCl и с очень разбавленной HCl ? 9. Приведите механизм реакции взаимодействия каждого из соединений: а) 2-метилбут-2-ена; б) пент-1-ена; в) 2,4-диметилпент-2-ена; г) 2-метилпропена; д) 3-метилбут-1,2-диена; е) 2,3-диметилбут-1,3-диена; ж) пент-1,3-диена; з) 2-метилпент-2,3-диена — со следующими реагентами: 1) избытком воды в присутствии кислотного катализатора, 2) избытком концентрированного водного раствора бромоводородной кислоты в отсутствие пероксидов, 3) бромоводородом в апротонном растворителе в присутствии пероксидов, 4) избытком бромной воды, 5) этанолом в присутствии кислотного катализатора, 6) бромноватистой кислотой. Ка228 кой из исходных непредельных углеводородов будет легче вступать в реакцию в каждом случае? 10. При гидратации 3-метилбут-1-ена образуется смесь спиртов 3-метилбутан-2-ола и 2-метилбутан-2-ола. Приведите механизм этой реакции. Поясните. 11. Какие продукты образуются при взаимодействии изобутилена а) с пропан-2-олом в присутствии серной кислоты, б) с хлоридом йода (I) ICl, в) с раствором брома в водном растворе KCl? Приведите механизмы реакций. 12. Какие непредельные углеводороды: алкены или алкины легче вступают в реакции электрофильного присоединения? Поясните. 13. Приведите механизм реакции взаимодействия каждого из соединений: а) 3-метилбут-1-ина; б) пент-2-ина; в) 4-метил-3-этилпент-1-ина; г) пент1-ен-4-ина; д) гекс-2-ина — со следующими реагентами: 1) водой в присутствии Hg2+, 2) избытком концентрированного водного раствора бромоводородной кислоты в отсутствие пероксидов, 3) бромоводородом в апротонном растворителе в присутствии пероксидов, 4) избытком бромной воды, 5) метанолом (1:1) в присутствии кислотного катализатора, 6) метанолом в присутствии метилата натрия, 7) хлором при 500С. Какие из них протекают по AЕ-, AR- и SR-механизмам? Как влияют условия на направление протекания реакций? 14. Приведите пример реакции радикального замещения для 5-метилгекс-1ена. Каковы условия и направление протекания таких реакций? 15. Приведите механизм AE- и SR-реакций взаимодействия с хлором для каждого из следующих углеводородов: а) 2,4-диметилгекс-1-ена; б) 4-метилпент-1-ена; в) 2,2,5,5-тетраметилгекс-3-ена; г) 3-метилбут-1,2диена; д) гепт-2,4-диена; е) гепт-1,6-диена. Укажите условия. 16. Для каждого из следующих диеновых углеводородов пент-1,3-диена и пент-1,4-диена приведите механизмы реакций взаимодействия со следующими реагентами: а) раствором, содержащим 1 моль брома в тетрахлорметане при -40С, б) раствором, содержащим 1 моль брома в тетрахлорметане при +40С, в) избытком хлороводорода. 17. Приведите механизм озонолиза для 2-метилбут-2-ена, пент-2-ена, 3-метилбут-1,2-диена и 2,3,4-триметилпент-1,3-диена. 18. Какой продукт преимущественно образуется при присоединении акрилонитрила CH2=CH-CN к изопрену по Дильсу–Альдеру? 19. Какие из перечисленных ниже соединений: а) 3-метилбут-1-ин; б) пент-2ин; в) 4-метил-3-этилпент-1-ин; г) 3,4-диметилпент-1-ин; д) 4-метилпент1-ин; е) гекс-2-ин — могут взаимодействовать со следующими реагентами: 1) реактивом Толленса, 2) амидом натрия? Приведите схемы реакций. 229 Глава 5. ПРОИЗВОДНЫЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В этой главе рассматриваются соединения, содержащие одновременно кратную связь в углеводородном радикале и характеристические группы -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -OR. Это галогенопроизводные непредельных углеводородов, непредельные спирты и эфиры. 5.1. ОБЩНОСТЬ СТРОЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Для этих соединений распределение электронной плотности и пространственное строение молекул определяется природой атомов углерода в них и взаимодействием заместителя с углеводородной частью молекулы. Химические свойства производных непредельных углеводородов зависят от взаимодействия заместителей с углеводородным радикалом. Но прежде всего, это должны быть рассмотренные ранее реакции, аналогичные непредельным углеводородам и производным алканов. 5.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ В зависимости от взаимного расположения двойной связи и функциональной группы среди функциональных производных непредельных углеводородов можно выделить три группы. К первой группе относятся соединения, называемые производными винильного типа. Их можно представить общей формулой R-CН=СН-X (имеющиеся в этой формуле атомы водорода также могут быть заменены углеводородными радикалами). Здесь гетероатом (галоген или кислород) непосредственно связан с sp2-гибридизованным атомом углерода двойной связи. Если вместо заместителя R — атом водорода, то функциональная группа X связана с винильным радикалом CН2=СН- — отсюда и название данного типа производных. Ко второй группе относятся соединения, называемые производными аллильного типа. Они могут быть представлены общей формулой R-CН=СН-CН2-X (в этой формуле тоже вместо атомов водорода могут быть углеводородные радикалы). Кислород или галоген, входящий в состав группы X не может непосредственно взаимодействовать с двойной связью за счѐт своей неподелѐнной пары электронов, этому мешает наличие насыщенного атома углерода группировки -CН2-. Радикал R-CН=СН-CН2- является произ230 водным от аллильного CН2=СН-CН2-, поэтому такое же название и у соединений данного типа. К третьей группе относятся соединения, в молекулах которых характеристическая группа X и двойная связь разделены цепью из нескольких насыщенных атомов углерода; между группой X и двойной связью не возможен ни один из видов сопряжения. Химическое поведение данного соединения определяется свойствами, с одной стороны, кратной связи и, с другой стороны, самой группы X. Так, для соединений типа R-CН=СН-(CН2)n-X должны быть характерны, например, реакции SN, как и для галогеналканов, и, например, реакции AE, как и для алкенов. 5.1.2. СУБСТРАТЫ ВИНИЛЬНОГО ТИПА Строение Гетероатомы характеристической группы X (галогены или кислород) имеют неподелѐнную электронную пару, за счѐт которой могут участвовать в р--сопряжении: R-CH=CH-X - R-CH-CH=X + R CH CH X Благодаря +М-эффекту возникает частичная двоесвязанность гетероатома с углеродом. Кроме того, в этих соединениях длина связи С–Х меньше, чем в соответствующих предельных производных (галогеналканах, спиртах, эфирах), так как эта связь образована здесь за счѐт sp2-гибридной орбитали атома углерода (а в предельных аналогах — за счѐт sp3-гибридной орбитали). Из-за сопряжения повышается электронная плотность на -связи. Поэтому субстраты винильного типа по сравнению с этиленом должны проявлять бóльшую склонность вступать в электрофильное присоединение. Реакции электрофильного присоединения Повышение электронной плотности на -связи (за счѐт сопряжения) приводит к увеличению реакционной способности субстратов винильного типа по отношению к электрофилам (в частности, к протону). При этом наблюдается чѐткая ориентация присоединения, объясняемая как статическим фактором (распределением электронной плотности в исходной молекуле субстрата), так и динамическим (устойчивостью образующегося карбокатиона): 231 + R-CH2-CH-X + R-CH=CH X + H + R-CH-CH2-X Реакции нуклеофильного замещения Нуклеофильное замещение затруднено по любому из механизмов, описанных для галогеналканов. Можно сказать, что вообще нуклеофильное замещение для субстратов данного типа нехарактерно. Диссоциация субстрата по механизму SN1 невозможна из-за высокой прочности связи С–Х и еѐ частичной двоесвязанности (см. строение), а атака субстрата нуклеофилом по механизму SN2 также маловероятна, потому что хотя реакционный центр пространственно доступен, но он экранирован -электронной плотностью, которая создаѐт электростатические препятствия атаке. 5.1.3. СУБСТРАТЫ АЛЛИЛЬНОГО ТИПА Строение В этих соединениях невозможно р--сопряжение между гетероатомом функциональной группы и кратной связью. Однако может наблюдаться -сопряжение (обратное сверхсопряжение) — взаимодействие -связи С–Х с связью С=С : X H + R - CH = CH - C X R - CH - CH = C H - H H В связи с этим группировка Х должна обладать повышенной склонностью к нуклеофильному замещению. Величина -электронной плотности на кратной связи несколько понижена по сравнению с этиленом из-за влияния электроноакцепторной группировки -СН2-Х. Реакции нуклеофильного замещения Таким образом, нуклеофильное замещение должно проходить легко для данного типа субстратов. Кроме возможности отщепления аниона функциональной группы (см. строение), здесь следует обратить внимание на, возможно, ещѐ более существенную причину этого явления. При диссоциации субстрата образуется карбокатион, стабилизированный -р-сопряжением: 232 + + R-CH=CH-CH2 R-CH-CH=CH2 Это способствует протеканию реакции по механизму SN1. При этом нуклеофил с примерно равной вероятностью присоединяется к обоим крайним атомам углерода сопряжѐнного фрагмента по схеме: + R-CH=CH-CH2 - :Y + R-CH=CH-CH2 Y R-CH-CH=CH2 Y R-CH-CH=CH2 Если же по условиям процесса диссоциация невозможна, то протекает бимолекулярное замещение, которое всѐ равно идѐт аномально легко. При этом вероятна перегруппировка (которая называется аллильной): Y-CH-CH=CH2 + X R Y + CH=CH-CH2-X R Реакции электрофильного присоединения Наличие акцепторной группы -СН2-Х в молекуле непредельного углеводорода должно несколько замедлить электрофильную атаку и скорость присоединения в целом, а также направить еѐ по другому пути, например, против правила Марковникова: CH2=CH CH2 X + H + + CH2-CH2-CH2X Однако в реакционной среде присутствуют не только катионы, но и анионы и полярные молекулы, которые способны проявлять нуклеофильные свойства (анионы кислотных остатков, молекулы полярного растворителя). Поэтому реакции нуклеофильного замещения и электрофильного присоединения могут конкурировать — при проведении реакций присоединения необходимо учитывать возможность замещения группы Х на другую функциональную группу. 233 5.2. ГАЛОГЕНАЛКЕНЫ Галогеналкены — это галогенопроизводные этиленовых углеводородов. Можно выделить (гл. 5.1.1) галогеналкены винильного типа, или винилгалогениды, и галогеналкены аллильного типа, или аллилгалогениды. 5.2.1. ВИНИЛГАЛОГЕНИДЫ Строение и свойства этих соединений приведено в главе 5.1.2. Но для галогенопроизводных могут быть характерны и другие свойства. Образование магнийорганических соединений Винилгалогениды образуют с магнием галогениды винилмагния, называемые реактивами Нормана: R-CН=СН-Cl + Mg R-CН=СН-MgCl Образование реактивов Нормана протекает в среде тетрагидрофурана (1,4-эпоксибутан, гл. 3.4.4, 12.2.3.3) — органического растворителя, применяющегося здесь вместо диэтилового эфира из-за лучшей растворимости в нѐм продукта реакции. Реакции отщепления Винилгалогениды могут вступать в реакции отщепления, но в жѐстких условиях, с очень сильными основаниями (амидами металлов или, иногда, концентрированными растворами щелочей). При этом образуются алкины: H R-C=CH-Br + OH - H2O R-C=CH + Br R-C=CH Br 5.2.2. АЛЛИЛГАЛОГЕНИДЫ Субстраты аллильного типа, содержащие атом галогена в качестве группы Х, обладают всеми типичными свойствами, описанными в главе 5.1.3. Кроме того, аллилгалогениды проявляют высокую активность и в радикальных процессах, что можно объяснить высокой устойчивостью аллильных радикалов (гл. 4.1.3): . . CH2=CH-CH2 CH2-CH=CH2 234 Примером одной из таких реакций, протекающих по радикальному механизму, может служить образование магнийорганических соединений: R-CН=СН-СН2-Cl + Mg R-CН=СН-СН2-MgCl 5.2.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Для получения винилгалогенидов применяют реакцию отщепления — дегидрогалогенирование дигалогеналканов под действием спиртового раствора щѐлочи, например: KOH R-СН2-CHBr2 R-CН=СН-Br 2. Аллилгалогениды можно получить либо прямым галогенированием алкенов при высокой температуре (гл. 4.1.3), либо нуклеофильным замещением другой функциональной группы в субстрате аллильного типа R-CH=CH-СН2-X (обычно ОH-группы). 3. Замещѐнные ацетиленилгалогениды, например R-CC-Br, могут быть получены прямым галогенированием в щелочной среде, как было описано в главе 4.4.2. 5.2.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Винилхлорид (хлорвинил, хлорэтен) — бесцветный газ со слабым запахом хлороформа; температура кипения -14С. Нерастворим в воде, но растворяется в органических растворителях. В промышленности получают: а) присоединением хлороводорода к ацетилену в газовой фазе над катализатором при 120190С, б) дегидрохлорированием дихлорэтана в газовой фазе при 400500С, в) дегидратацией 2-хлорэтанола. Поливинилхлорид, продукт полимеризации винилхлорида, широко используется для получения полимерных материалов и синтетического волокна. В медицинской практике он широко используется для изготовления катетеров, воздуховодов, дренажей и других трубчатых изделий. Трихлорэтилен — бесцветная жидкость с запахом хлороформа. Нерастворим в воде, но образует азеотропную смесь, кипящую при 74С и содержащую 5.4% воды. В промышленности получают исчерпывающим хлорированием ацетилена с последующим дегидрохлорированием при 400500С. 235 Трихлорэтилен хорошо растворяет жиры, масла, смолы, каучук. Его используют для обезжиривания тканей, кожи, поверхности металла, для экстракции жиров и масел из природных продуктов, для химической чистки одежды. Тетрафторэтилен — бесцветный газ без запаха. Нерастворим в воде. Тетрафторэтилен получают в крупных масштабах пиролизом дифторхлорметана. При полимеризации тетрафторэтилена в присутствии пероксидов получают политетрафторэтилен (фторопласт, тефлон), который используется для изготовления различных изделий, особенно для нужд химической промышленности, а в медицинской практике — для протезирования клапанов сердца и изготовления ответственных деталей медицинской аппаратуры. Он устойчив к действию кислот, щелочей, окислителей, элементарного фтора. Хлоропрен (2-хлорбут-1,3-диен) — бесцветная жидкость со своеобразным запахом. Нерастворим в воде. В промышленности получают из винилацетилена и хлороводорода. Хлоропрен легко полимеризуется, образуется хлоропреновый каучук — исходное сырьѐ для кабельной и шинной промышленности. Аллилхлорид (3-хлорпроп-1-ен) — бесцветная жидкость с резким запахом, вызывает слезотечение. Получают при высокотемпературном хлорировании пропена. Используют для получения 2-хлорэтанола, глицерина, аллиловых эфиров карбоновых кислот. 5.3. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ СПИРТЫ И ЭФИРЫ Среди непредельных спиртов и простых эфиров также заслуживают особого внимания винильные и аллильные субстраты, обладающие особенностями строения и свойств. 5.3.1. ВИНИЛОВЫЙ СПИРТ И ЕГО ЭФИРЫ Виниловый спирт (и замещѐнные виниловые спирты) имеет в своѐм составе гидроксильную группу у атома углерода двойной связи. Это существенным образом отражается на кислотных свойствах таких соединений и на возможности других превращений, обусловленных наличием данного структурного фрагмента: 236 R'' R' C=C R OH В связи с этим такие непредельные спирты получили название енолов. Однако сами енолы существуют только в растворах в незначительной концентрации в равновесии с изомерными им карбонильными соединениями: R'' R' R' C C=C R R'' R O H C O H Енолы не удаѐтся выделить из реакционной смеси в чистом виде, так как (по правилу Эльтекова*–Эрленмейера*) они изомеризуются в альдегиды и кетоны. Переход енола в карбонильное соединение происходит за счѐт миграции водородного атома, обычно в виде протона. Но в то же время принципиально возможен переход карбонильного соединения в соответствующий енол. Таким образом, для рассматриваемого класса соединений характерна таутомерия, называемая кето-енольной таутомерией, хотя здесь таутомерное равновесие практически полностью сдвинуто вправо. В зависимости от структуры соединения и природы растворителя содержание енола в равновесной смеси от 10-2 до 10-6 %. Положение равновесия определяется сравнительной термодинамической стабильностью енола и карбонильного соединения. Енолы, подобно предельным спиртам, являются слабыми кислотами, при этом кислотность енолов больше вследствие эффекта р--сопряжения (их рКа 1112 против 1519 для насыщенных спиртов). При отрыве протона образуется алкоголятион, который в отличие от аниона предельного спирта обладает сопряжѐнной системой, поэтому енолят-ион является сопряжѐнным ионом, и заряд в нѐм делокализован между кислородным и углеродным атомами: R'' R' R' C=C R '- C O - R R'' C O Енолят-ион имеет два реакционных центра, и протон может присоединиться в двух положениях — к атому кислорода или к атому углерода. При присоединении протона к атому углерода образуется связь C–Н — кислота значительно менее сильная, менее способная к диссоциации, чем ОНкислота, образующаяся при протонировании атома кислорода в еноле. Кон237 станты кислотности этих двух реакционных центров различаются на 58 порядков, и поэтому эти соединения существуют преимущественно в карбонильной форме. Простые эфиры енолов не содержат подвижного водородного атома, и в обычных условиях они не перегруппировываются в производные карбонильных соединений, например винилэтиловый эфир: H H C=C H O C2H5 Общие закономерности химического поведения виниловых эфиров те же, что и для всех субстратов винильного типа, и рассмотрены в главе 5.1.2. Однако особенности их свойств могут быть связаны с протеканием реакций по связи О–Сsp3 — в частности, ацидолиз простых эфиров здесь должен проходить легче из-за влияния сопряжѐнного фрагмента, поляризующего -связь между атомом кислорода и насыщенным атомом углерода: H2C=CH-O CH2-CH3 5.3.2. АЛЛИЛОВЫЙ И ПРОПАРГИЛОВЫЙ СПИРТЫ Аллиловый CH2=CH-CН2OH и пропаргиловый HCС-CН2OH спирты (и субстраты, содержащие фрагменты этих спиртов) так же, как и другие производные непредельных углеводородов аллильного типа, должны легко подвергаться нуклеофильной атаке с протеканием нуклеофильного замещения по мономолекулярному механизму по причине высокой устойчивости катиона аллильного типа (гл. 5.1.3). По этой же причине спирты аллильного типа должны обладать высокой основностью и легко протонироваться, например: CH2=CH-CH2-OH HC C-CH2 OH H + H + CH2=CH-CH2 OH2 + HC C-CH2 238 + -H2O CH2=CH-CH2 -H2O HC =C-CH2 + + OH2 5.3.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Для получения спиртов аллильного типа применяются те же методы, что и для получения насыщенных спиртов (гл. 3.3.4). В частности, их легко можно получать нуклеофильным замещением галогена в аллилгалогенидах (гл. 5.1.3, 5.2.2). Некоторые алкинолы (например, пропаргиловый спирт) получают нуклеофильным присоединением ацетилена к карбонильным соединениям: KOH H-СC-H + H2C=O HCС-CН2OH 5.3.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Аллиловый спирт — бесцветная жидкость с острым запахом. С водой смешивается; образует азеотропную смесь с температурой кипения 289С, которая содержит 72.3% аллилового спирта. В промышленности получают из аллилхлорида. Используют в производстве синтетического глицерина и для получения аллиловых эфиров карбоновых кислот. Пропаргиловый спирт представляет собой бесцветную жидкость с запахом герани. С водой смешивается; образует азеотропную смесь с температурой кипения 97С, которая содержит 45% пропаргилового спирта. Его получают из ацетилена и формальдегида. Используют в органическом синтезе. Поливиниловый спирт (-СН2-СНОН-)n — твѐрдое вещество, в отличие от многих полимеров растворимое в воде. Он является хорошим стабилизатором коллоидных систем и широко используется для стабилизации водных эмульсий и суспензий. Поливиниловый спирт совместим со многими лекарственными веществами и консервантами. Волокна, изготовленные из него, могут служить заменителями хлопкового волокна. Получают поливиниловый спирт гидролизом его сложных эфиров (гл. 6.4.4.2), в частности поливинилацетата. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Изобразите все конфигурационные изомеры ниже названных структур. Дайте им полные названия. Какие из стереоизомеров оптически активны: а) 1-бром-2-метилбут-1-ен; б) 3-бром-2-метилбут-1-ен; в) 1,3-дибромбут1,2-диен? 2. Приведите SN1- и SN2-механизмы реакций взаимодействия каждого из соединений: а) 4-метил-1-хлорпент-2-ена, б) 3-бром-2-метилпроп-1-ена, 239 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. в) 3-метилбут-2-ен-1-ола — со следующими реагентами: 1) с аммиаком, 2) с йодоводородной кислотой, 3) с водой. Приведите AE-механизм реакции взаимодействия 2-бромпроп-1-ена и 3-метил-1-хлорбут-1-ена со следующими реагентами: 1) с водой, 2) с бромоводородной кислотой, 3) с бромной водой, 4) с метанолом в присутствии кислотного катализатора. В чѐм различие взаимодействия винилхлорида и аллилхлорида с йодоводородной кислотой, с аммиаком? Какое соединение образуется при взаимодействии винилбромида с водой в кислой среде? Чем отличается взаимодействие с галогеноводородными кислотами 3-бром-2-метилпроп-1-ена и 1-бром-2-метилпроп-1-ена? По каким механизмам протекает взаимодействие каждого из бромалкенов с галогеноводородными кислотами? Приведите SR-механизм реакции хлорирования каждого из соединений: а) 4-метил-1-хлорпент-1-ена, б) 4-метил-1-хлорпент-2-ена, в) 3-бром-2метилпроп-1-ена, г) 3-метил-1-хлорпент-1-ена. Укажите условия проведения этой реакции. Почему не существует виниловый спирт (не удаѐтся выделить его в чистом виде), но известны его простые и сложные эфиры? В чѐм причины высокой основности аллилового спирта? 240 Глава 6. АЛИФАТИЧЕСКИЕ АЛЬДЕГИДЫ, КЕТОНЫ И КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ В данной главе рассматриваются соединения, содержащие общий структурный фрагмент, — карбонильную группу >C=О. В зависимости от того, с какими атомами или атомными группировками связана карбонильная группа, возможно различное еѐ электронное взаимодействие со своим окружением. Поэтому соединения, содержащие карбонильную группу, могут относиться к разным классам и проявлять отличающиеся химические свойства. Такими соединениями являются: 1) кетоны, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами (R); 2) альдегиды, в молекулах которых вместо одного или обоих углеводородных радикалов — атомы водорода. Альдегиды и кетоны имеют общее название — карбонильные соединения. В зависимости от количества карбонильных групп альдегиды и кетоны подразделяются на монокарбонильные соединения, дикарбонильные и т.д. Общую формулу монокарбонильных соединений, относящихся и к альдегидам, и к кетонам, можно представить так: O R C R'(H) 3) карбоновые кислоты и их производные. Это: O R C O O R C OH кислоты R C N X ацильные производные нитрилы R C - O Me+ соли Наиболее простым для рассмотрения случаем являются насыщенные соединения. Особенности строения и химического поведения непредельных альдегидов, кетонов и карбоновых кислот рассматриваются отдельно. 6.1. НАСЫЩЕННЫЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ Наличие общей функциональной группы в молекулах карбонильных соединений сказывается и на их строении, и на свойствах. Но есть и различия в поведении этих соединений, обусловленные присутствием атома водорода при карбонильной группе. 241 6.1.1. ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Для карбонильных соединений характерны обе разновидности структурной изомерии: как скелетная, так и позиционная (в данном случае это изомерия положения карбонильной группы). При этом альдегиды являются структурными изомерами кетонов. Пространственная изомерия определяется особенностями строения углеродного скелета молекул. 6.1.1.1. Номенклатура альдегидов Для названия альдегидов применяются заместительная, рациональная номенклатуры и используются тривиальные названия. По заместительной номенклатуре к названию углеводорода с тем же числом атомов углерода, что и у данного альдегида, добавляется суффикс -аль. Если альдегидная группа находится в боковой цепи, то радикал -CН=О называется формил. По рациональной номенклатуре любой альдегид называется как замещѐнный уксусный (табл. 6.1). Таблица 6.1 Примеры названий первых членов гомологического ряда альдегидов Название Формула НСНО СН3СНО СН3СН2СНО СН3СН2СН2СНО CH3-CH-CHO CH3 тривиальное рациональное муравьиный — по заместительной номенклатуре ИЮПАК метаналь уксусный уксусный этаналь пропионовый метилуксусный пропаналь масляный этилуксусный бутаналь изомасляный диметилуксусный 2-метилпропаналь 6.1.1.2. Номенклатура кетонов Кетоны могут быть названы по заместительной, рациональной и радикало-функциональной номенклатурам. Из насыщенных кетонов только для ацетона используется тривиальное название. По заместительной номенклатуре к названию углеводорода с тем же числом атомов углерода, что и у данного кетона, добавляется суффикс -он. 242 Кетонная функциональная группа младше альдегидной, поэтому в присутствии альдегидной группы (или другой, более старшей) она называется путѐм добавления приставки оксо-. По рациональной номенклатуре любой кетон может быть назван как замещѐнный ацетон (табл. 6.2). При использовании радикало-функциональной номенклатуры к названию углеводородных радикалов, с которыми связана карбонильная группа, добавляется слово «кетон» (табл. 6.2). Таблица 6.2 Примеры названий простейших представителей ряда кетонов Название Формула рациональное по радикалофункциональной номенклатуре ИЮПАК по заместительной номенклатуре ИЮПАК СН3-СО-СН3 ацетон диметилкетон пропанон СН3-СО-С2Н5 метилацетон метилэтилкетон бутанон этилацетон метилпропилкетон пентан-2-он CH3-C-CH-CH3 O CH3 ,-диметилацетон метилизопропилкетон 3-метилбутанон С2Н5-СО-С2Н5 ,-диметилацетон диэтилкетон пентан-3-он СН3-СО-СН2СН2СН3 = 6.1.2. СТРОЕНИЕ КАРБОНИЛЬНОЙ ГРУППЫ Связь между атомами углерода и кислорода в карбонильной группе — двойная, образована двумя парами валентных электронов, то есть кроме -связи C–О имеется -связь, обусловленная боковым пере крыванием негибридных р-орбиталей этих атомов. Атом угC = O лерода образует три -связи за счѐт sp2-гибридных орбиталей, оси которых лежат в одной плоскости. Двойная связь C=О сильнополярна, поэтому на атомах углерода и кислорода карбонильной группы локализуются соответственно значительные положительный и отрицательный заряды. Электроны -связи подвижны, поэтому возможно изображение карбонильной группы в виде одной из двух граничных структур: 243 + C=O - C O 6.1.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Альдегиды и кетоны — полярные соединения из-за наличия сильнополярной связи C=О. Поэтому первые представители этих соединений хорошо растворяются в воде. По этой же причине, ввиду наличия диполь-дипольных взаимодействий, температуры кипения альдегидов и кетонов выше, чем у углеводородов с такими же молекулярными массами, но ниже, чем у соответствующих спиртов, так как между молекулами карбонильных соединений отсутствуют водородные связи. Кроме того, кетоны кипят при более высокой температуре, чем изомерные им альдегиды. Альдегиды и кетоны — бесцветные соединения; многие из них обладают резким запахом. 6.1.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Наличие в молекулах альдегидов и кетонов карбонильной группы является причиной проявления ими общих свойств, связанных с особенностями строения этой функциональной группы. 1. Высокая полярность связи С=О вызывает на карбонильном атоме углерода значительный дефицит электронной плотности (C+), и по этому атому углерода возможна нуклеофильная атака. При этом, взаимодействие с нуклеофилами приводит к разрыву -связи и образованию более прочной связи. Поэтому наиболее характерным типом реакции альдегидов и кетонов должны быть реакции нуклеофильного присоединения (AN). 2. Кроме того, высокая полярность связи С=О вызывает на атоме углерода, соседнем с карбонильной группой (-углеродном атоме), значительный электроноакцепторный эффект и, как следствие O этого, повышенную полярность связи С–Н -углеR CH C родного атома. Это характеризует данные соединения R'(H) как СН-кислоты, анионы которых могут проявлять H сильные нуклеофильные свойства. Также для альдегидов и кетонов характерны и другие, в том числе связанные с особенностями строения некоторых из них. 244 6.1.4.1. Реакции нуклеофильного присоединения Реакции нуклеофильного присоединения — большая группа реакций альдегидов и кетонов. Эти реакции могут начинаться либо непосредственным взаимодействием атома углерода с нуклеофильной частицей, либо предварительным протонированием по атому кислорода. При этом быстрое и обратимое протонирование R R C=O + + C OH +H (H)R' (H)R' предшествует, как правило, более медленной нуклеофильной атаке по атому углерода (вместо протонных кислот могут использоваться кислоты Льюиса): R + C OH + :Y (H)R' Таким образом, реакции присоединения по карбонильной группе могут катализироваться кислотами. Но многие активные нуклеофилы являются анионами слабых кислот, и в кислой среде диссоциация этих кислот будет подавлена, например: HCN Н+ + СN В этом случае в присутствии кислотного катализатора концентрация анионов СN будет ничтожна, а молекулы HCN, в свою очередь, не обладают нуклеофильными свойствами. В таких случаях используют катализ основаниями. Для нуклеофилов, представленных молекулами аммиака и его производных, применение кислотных катализаторов вообще может быть неэффективно, так как сильные кислоты превращают молекулу в катион, не обладающий нуклеофильными свойствами: R-NH2 + Н+ R-NH3+ Поэтому взаимодействие с такими нуклеофилами проводят в нейтральной или слабокислой среде, в которой концентрация нейтральных молекул реагента остаѐтся достаточной для осуществления нуклеофильной атаки. Взаимодействие карбонильных соединений с нуклеофилами в отсутствие кислотных катализаторов осуществляется по схеме: 245 R R Y C O R'(H) + :Y C=O (H)R' Дальнейшее превращение с образованием продукта присоединения требует наличия в среде хотя бы слабой кислоты, то есть в данном случае соединения, способного отщепить протон: R Y C O R'(H) R Y C OH R'(H) +HY -Y - Таким образом, нуклеофильное присоединение к альдегидам и кетонам в отсутствие кислотных катализаторов включает две стадии: 1) взаимодействие карбонильного соединения с нуклеофилом с образованием аниона, протекающее через переходное состояние: '- R Y + :Y C=O Y C O C R (H)R' (H)R' O- R (H)R' 2) превращение аниона в нейтральную молекулу: Y Y C R (H)R' O- +HY -Y - C OH R (H)R' При кислотном катализе на первой стадии происходит быстрое протонирование с образованием карбокатиона. Затем следует лимитирующая стадия взаимодействия этого карбокатиона с нуклеофилом (анион или молекула) — образуется продукт присоединения: R Y + C OH + :Y - C R (H)R' (H)R' 246 OH При сравнении реакционной способности альдегидов и кетонов необходимо учесть 2 фактора: электронный и пространственный, но в любом случае альдегиды оказываются более реакционноспособны, чем кетоны. Кетоны реагируют обычно в более жѐстких условиях, чем альдегиды, а в некоторые реакции не вступают вовсе. Электронный фактор связан с величиной эффективного положительного заряда на карбонильном атоме углерода и влиянием на него электронодонорных эффектов заместителей R и R. Легкость взаимодействия с нуклеофилом должна зависеть от величины этого положительного заряда. Электронодонорные заместители будут снижать, а электроноакцепторные, наоборот, — повышать реакционную способность карбонильных соединений. В молекулах кетонов на карбонильный атом углерода действуют индуктивные эффекты двух углеводородных радикалов R и R, а в молекулах альдегидов (R = Н) — только одного (R), поэтому в случае кетонов величина положительного заряда на этом атоме меньше. O R C = R'(H) Поэтому взаимодействие кетонов с нуклеофилами протекает труднее. Пространственный фактор связан с доступностью реакционного центра + (C ) для нуклеофильной атаки, а это зависит от размеров заместителей R и R. В молекулах альдегидов (они содержат только один радикал R) карбонильный атом углерода оказывается более доступен по сравнению с кетонами — нуклеофильные реакции для альдегидов протекают легче, чем для кетонов. Наиболее типичными примерами нуклеофильного присоединения по карбонильной группе являются реакции взаимодействия с водой, со спиртами, с аммиаком и его производными, с синильной кислотой, с гидросульфитом натрия, с реактивом Гриньяра. 1. Гидратация альдегидов и кетонов протекает в водных растворах карбонильных соединений по схеме: + R C=O OH : OH2 + H2O R - C - R'(H) O- (H)R' R - C - R'(H) OH В нейтральных водных растворах формальдегид практически полностью гидратирован (на 99.99%), для ацетальдегида эта величина составляет 58%, а для ацетона концентрация гидратной формы пренебрежительно мала. Одна- 247 ко гидратация кетонов в значительной степени катализируется кислотами и основаниями: + +H R + C=O : R + C OH R' + H2O R' R C=O OH R C R' O + HO - : OH2 R C R' OH R' -H +H2O -OH - OH R C R' OH + OH R C R' OH Электроноакцепторные заместители в алкильных группах облегчают гидратацию и стабилизируют образующиеся гидраты. Так, например, трихлоруксусный альдегид (хлораль) гидратирован практически полностью. Продукт этой реакции, хлоральгидрат Cl3C-CH(OH)2, представляет собой устойчивое кристаллическое соединение, способное отщеплять воду только при нагревании с водоотнимающими веществами (конц. H2SO4 и др.). 2. Присоединение спиртов приводит к образованию полуацеталей и полукеталей. Эта реакция аналогична гидратации альдегидов и кетонов. Например: + C=O : H3C + CH3OH H3C HO CH3 H3C C CH3 O OCH3 H3C C CH3 OH метилкеталь ацетона Реакция катализируется как кислотами, так и основаниями (аналогично гидратации). Однако в присутствии кислотных катализаторов реакция идѐт дальше, образующийся полуацеталь (полукеталь) вступает в нуклеофильное замещение и образуются полные ацетали и, соответственно, кетали. Механизм превращения полуацеталя (полукеталя) в ацеталь (кеталь) мономолекулярный, так как образующийся промежуточный карбокатион стабилизирован сопряжением с участием неподелѐнной электронной пары соседнего атома кислорода: OCH3 + +H H3C C CH3 OH метилкеталь ацетона (полукеталь) OCH3 H3C C CH3 + OH2 248 H3C - H2O + C OCH3 H3C +CH3OH + CH3OH H3C C CH3 OCH3 -H + OCH3 H3C C CH3 OCH3 диметилкеталь ацетона Эти реакции обратимы — ацетали и кетали гидролизуются под действием кислоты. Основания не катализируют нуклеофильное замещение (превращение полуацеталей в ацетали) ни в прямом, ни в обратном направлениях, поэтому в щелочной среде образуются только полуацетали. Большинство альдегидов легко превращается в ацетали. Для кетонов процесс протекает значительно медленнее. 3. Взаимодействие с производными аммиака (аминами, гидразином NH2-NH2 и замещѐнными гидразинами, гидроксиламином NH2-ОH и т.д.) обычно не требует катализатора, хотя часто реакцию проводят в слабокислой среде (рН = 35). Если центром нуклеофильности атакующей молекулы является вторичный атом азота (например, во вторичных аминах), то сначала протекает обычное присоединение с образованием аминоспирта, который затем отщепляет воду, и образуется непредельный амин винильного типа (енамин), стабилизированный р--сопряжением, например: - R CH2 CH3 C = O + :NH (H)R' CH3 + OH2 OH R-CH2-C-R'(H) R-CH2-C-R'(H) + NH(CH3)2 H+ N(CH3)2 H -H2O : N(CH3)2 R-CH-C-R'(H) + -H+ N(CH3)2 R-CH=C-R'(H) : R-CH2-C-R'(H) O N(CH3)2 Если же нуклеофильная атака производится первичным атомом азота, то присоединение также сопровождается последующим отщеплением, но протон отщепляется от атома азота. При взаимодействии с первичными аминами это приводит к образованию иминов, а при взаимодействии с гидроксиламином — к образованию оксимов. Для этих случаев можно привести общую схему: R C=O (H)R' - + :NH2-X O R C R'(H) + NH2-X 249 OH H+ R C R'(H) NH-X + OH2 R C R'(H) NH-X R -H2O R + C=NH-X -H+ (H)R' C=N-X (H)R' При взаимодействии карбонильных соединений с одним из производных аммиака — гидразином — образуются гидразоны, широко использующиеся в органическом синтезе. R R C=O + NH2-NH2 R'(H) - H2O C=N-NH2 R'(H) Их нагревание в присутствии катализатора приводит к разложению с образованием алканов — реакция Кижнера–Вольфа. Катализатором служит гидроксид калия в присутствии платины. Вместо КОН могут быть использованы NaОН или NaОC2Н5. Механизм реакции при действии КОН и Pt можно представить в следующем виде: H R R - C=N-NH R - C=N-NH + :OH R'(H) R'(H) R CH-N=N-H R'(H) Pt - N2 - C-N=NH R'(H) H2O - OH - R-CH2-R' Данная реакция может применяться как способ получения предельных углеводородов (гл. 2.5). При взаимодействии карбонильных соединений с гидроксиламином образуются оксимы соответствующих альдегидов и кетонов: R R C=O + NH2-OH - H2O R'(H) C = N - OH R'(H) При этом оксимы кетонов могут претерпевать перегруппировку Бекмана* — превращение в замещѐнные амиды кислот под действием кислотных катализаторов: H2SO4, полифосфорная кислота, кислоты Льюиса, а также бекмановская смесь (CH3COOH + (CH3CO)2O + HCl). 250 RR’C=N-OH R-CO-NH-R’ Реакция стереоспецифична: мигрирует радикал, находящийся в антиположении к ОН-группе. Ещѐ один пример – взаимодействие с семикарбазидом с образованием семикарбазонов соответствующих альдегидов или кетонов: R R O + NH2-NH-C-NH2 C=O O C = N - NH-C-NH2 - H2O R'(H) R'(H) 4. Присоединение синильной кислоты приводит к образованию циангидринов. Например: H3C C=O + CN H3C CH O :CN: H +HCN -CN - CN H3C CH OH циангидрин ацетальдегида Эта реакция обратима. Присоединение катализируется основаниями, лимитирующей стадией является атака цианид-ионами. 5. Присоединение гидросульфита натрия даѐт бисульфитные производные альдегидов и кетонов. Бисульфитные производные образуются при взаимодействии гидросульфита преимущественно с альдегидами и метилкетонами. Большинство других кетонов в реакцию не вступает по пространственным причинам. Механизм присоединения: R C=O H O + :S-OH - - O: R CH SO3H OH R CH SO3 O Реакция обратима. В обратную сторону она протекает при обработке продукта либо кислотой, либо основанием. 6. Взаимодействие с реактивами Гриньяра, называемое реакцией Гриньяра, приводит к образованию алкоголятов, а последующий гидролиз — к получению первичного, вторичного или третичного спирта в зависимости от структуры исходного карбонильного соединения. Реактивы Гриньяра (галогениды алкилмагния — гл. 3.2.2.3) обладают нуклеофильностью за счѐт полярной связи С-Mg+ и, таким образом, локализацией на атоме углерода частичного отрицательного заряда. Присоедине- 251 ние к альдегидам и кетонам, например, бромида метилмагния к ацетальдегиду, протекает через образование четырѐхцентрового переходного состояния: C = O: : H3C H C CH3 Mg-Br O Mg-Br H3C CH3 + H CH3-CH-CH3 O-Mg-Br бромид-изопропилат магния Гидролиз продукта присоединения даѐт изопропиловый спирт: CH3 CH-O-MgBr (CH3)2CH-OH + H2O + MgOHBr CH3 Данная реакция может рассматриваться как способ получения спиртов из альдегидов и кетонов. 7. Восстановление гидридами металлов. Наиболее типичными реагентами, применяемыми для восстановления карбонильной группы, являются комплексные соединения — тетрагидроалюминат лития (алюмогидрид лития, Li[AlH4]) и тетрагидроборат натрия (борогидрид натрия, Na[BH4]). В качестве примера приведѐм взаимодействие алюмогидрида лития с кетонами. От молекулы алюмогидрида отщепляется гидрид-ион, проявляющий нуклеофильные свойства: R C=O R' - H - + R C O AlH3Li R' + + AlH3 Li H За счѐт оставшихся трѐх атомов водорода у алюминия также может происходить нуклеофильная атака R C=O R' - + ... + RR'CH-O-AlH2 Li - + (RR'CHO)4Al Li H И затем при гидролизе образовавшегося комплексного алюмината лития получается вторичный спирт H O (RRCHO)4Al¯ Li+ 2 RRCHOH 252 Если в качестве исходного карбонильного соединения был взят альдегид, то при восстановлении алюмогидридом лития получится первичный спирт. 8. Взаимодействие с пентахлоридом фосфора. Пентахлорид фосфора PCl5 димеризован, и его можно условно представить в виде ионной пары [PCl4]+ [PCl6]. Первой стадией реакции является электрофильное содействие нуклеофильной атаке в виде взаимодействия атома кислорода альдегида или кетона с катионом [PCl4]+ R R + C=O + C-O-PCl4 + PCl4 R'(H) R'(H) Образовавшийся карбокатион подвергается нуклеофильной атаке анионом [PCl6] R Cl R C O PCl4 R'(H) + C-O -PCl4 R'(H) + PCl5 Cl - PCl5 - Продукт присоединения малоустойчив, и далее происходит внутримолекулярное нуклеофильное замещение, механизм которого похож на механизм бимолекулярного замещения, но атака нуклеофила осуществляется с той же стороны, где находится нуклеофугная группа. Такой механизм ещѐ называют внутримолекулярным нуклеофильным замещением (SNi). R Cl C R'(H) :Cl Cl R C O-PCl3 Cl R'(H) + POCl3 Конечный продукт представляет собой геминальное дигалогенопроизводное алкана, а рассматриваемая реакция может служить способом получения этих соединений. Вместо PCl5 могут быть использованы, например, PBr3, SF4 и др. 9. Присоединение ацетилена и его металлических производных. В свойствах ацетиленовых углеводородов отмечалось, что замещѐнные ацетилениды металлов являются эффективными нуклеофилами (гл. 4.4.2). Поэтому взаимодействие альдегидов и кетонов с ацетиленидами — это также один из примеров реакций нуклеофильного присоединения. Продуктами реакций являются непредельные спирты: 253 R - + H2O R''-C =C-C-O R'(H) R R''-C=C: + C = O R'(H) - R R''-C =C-C-OH R'(H) Однако эта реакция возможна не только с алкинидами металлов, но и с самими ацетиленовыми углеводородами в присутствии щѐлочи. Например, реакция Фаворского*: CH3 HC=CH + C=O KOH CH3 CH3 HC=C-C-OH CH3 2-метилбут-3-ин-2-ол Механизм реакции тот же, так как нуклеофилом является алкинид-анион. Частным случаем такого присоединения является реакция Реппе: Cu C / p, T 2 2 НCCН + 2 СН2O НОCН2-CС-CН2OН Другим примером может служить взаимодействие ацетилена с формальдегидом в присутствии хлорида меди (I): H С O CuCl HCCH HCC 2 HCC–CH2OH пропаргиловый спирт 10. Альдольная и кротоновая конденсации характерны для альдегидов и кетонов, имеющих -водородные атомы. При альдольной конденсации происходит присоединение одной молекулы карбонильного соединения к другой молекуле; образуется альдегидоспирт (альдоль) или кетоноспирт (кетол). Например: OH O CH3-CH-CH2-C = H O 2 CH3-C = H 3-гидроксибутаналь При кротоновой конденсации из двух молекул карбонильного соединения образуется молекула непредельного альдегида или кетона; процесс сопровождается выделением молекулы воды. Так как в наиболее простом случае конденсации (уксусного альдегида) образуется кротоновый альдегид, то и конденсация получила такое же название: O 2 CH3-C = H O CH3-CH=CH-C = H - H2O бут-2-еналь (кротоновый альдегид) 254 Реакции обычно проводят в присутствии оснований, однако возможен и кислотный катализ. В качестве оснований для катализа используют 5 10%-й раствор щѐлочи. Реакция начинается с отрыва протона от -углеродного атома: O R-CH-C = H H -:OH - H2O O R-CH-C= H При этом образуется карбанион, стабилизированный р--сопряжением. Дальнейшее превращение происходит за счѐт проявления им нуклеофильных свойств по отношению ко второй молекуле альдегида: - O R-CH2-C = H O O R-CH2-C -CH-C = H H R O + :CH-C = H R Образовавшийся анион отрывает протон от молекулы воды, сам превращаясь в молекулу альдоля: - O O R-CH2-C -CH-C = H H R H2O - OH OH O = R-CH2-CH-CH-C H R - При повышенной температуре может идти дальнейшее превращение альдоля за счѐт отрыва второго -водородного атома под действием щѐлочи, а затем отщепления гидроксид-иона аниона, что приводит к продукту кротоновой конденсации: OH O = R-CH2-CH - C - C H R - - OH - O R-CH2-CH =C-C = H R Из кетонов по аналогии получаются кетолы, однако при применении оснóвного катализатора происходит депротонирование по наиболее полярной C–Н-связи: O R-CH2-C = CH2 H :OH - H2O O = R-CH2-C CH2 255 O R-CH2-C = CH3 - R-CH2 OH O R-CH2-C -CH2-C-CH3 = = O O R-CH2-C -CH2-C-CH3 H2O - OH - R-CH2 (Возможно также дальнейшее превращение кетола в непредельный кетон.) При применении кислотного катализатора промежуточным соединением является термодинамически более стабильный енол, образованный за счѐт более разветвлѐнного -углеродного атома: O + R-CH2-C = + H CH3 R-CH=C-CH3 + C = O CH3-C-CH-C-CH3 R CH3 R-CH=C-CH3 OH O CH3-C-CH-C-CH3 = = R-CH2 :OH OH + OH R-CH-C = + CH3 - H H + OH O CH2-R R CH2-R Таким образом, использование того или иного катализатора приводит к разным изомерным непредельным кетонам. 11. Олиго- и полимеризация. Между молекулами альдегидов возможны реакции нуклеофильного присоединения, в которых нуклеофильной частью реагента является карбонильный атом кислорода каждой из реагирующих молекул. Такие реакции осуществляются в кислой среде, и они обычно приводят к тримеризации, тетрамеризации или полимеризации исходных веществ. Например: O= O= OH R C-R OH C-R + O + + H + H H R-C = R-C R-C-O-C H H H H H + HO: R + R-C-O-C-O-C-R H H H R O R CH CH O O R -H O R CH CH O O + CH CH R R В частности, такая реакция характерна для ацетальдегида. При этом в зависимости от условий может получиться паральдегид (тример) или метальдегид (тетрамер): 256 o 20 C H2SO4 O CH3-C = H o 0 C H2SO4 CH3 O CH3 CH CH CH3 CH3 O CH CH O O O O CH CH CH3 O CH3 паральдегид CH-CH3 метальдегид Формальдегид легко образует не только три- и тетрамеры, но и линейные полимеры: H O n CH2=O 2 HO-(-CH2-O-)n-H полиформальдегид При упаривании водных растворов формальдегида в вакууме образуется параформ (или параформальдегид) НО-(CH2O)n-Н (n = 812). 6.1.4.2. Реакции замещения в радикале Примером реакций замещения, протекающих по углеводородному радикалу, является галогенирование. Эти реакции осуществляются в присутствии как кислотного, так и оснóвного катализатора и протекают по -углеродному атому (в случае кетонов — по одному из -углеродных атомов, в зависимости от рН среды). В присутствии основания происходит отщепление протона от молекулы альдегида или кетона. При этом в случае кетонов разрывается более полярная C–Н-связь (часто наименее разветвлѐнного -углеродного атома), образуется карбанион, который затем подвергается электрофильной атаке молекулой галогена: :OH - H2O O O Br ...:Br = R-CH2-C = R-CH -C 2 CH2 - Br CH2Br : O R-CH2-C = CH2 H В избытке галогена реакция протекает дальше, причѐм реакция введения каждого последующего атома брома протекает с нарастающей скоростью, так как депротонирование галогенозамещѐнных кетонов происходит легче из-за акцепторного влияния галогена: 257 OH R-CH2-C = CH Br :OH - H2O O R-CH2-C = CBr3 ... = При этом реакция протекает по одному и тому же -углеродному атому до полного, исчерпывающего галогенирования. При использовании в качестве карбонильного соединения алкилметилкетона (как в приведенном примере) после образования тригалогенозамещѐнного кетона происходит его щелочной гидролиз: O O :OH RCH2-C :CBr3 RCH2-C RCH2COO + HCBr3 CBr3 :O H В результате образуются тригалогенометаны — галоформы (в данном случае — бромоформ). Поэтому реакция называется галоформной пробой и является качественной реакцией на метилкетоны. В кислой среде (кислотный катализ) повышается активность электрофила (молекулы галогена), который может взаимодействовать с енольной формой карбонильного соединения: Br ... :Br R-CH=C-CH3 + Br ... :Br Br+ + HBr Br :OH + R-CH-C-CH3 - Br - Br O R-CH-C-CH3 = :OH + H+ - H+ В отличие от основно-катализируемой реакции в кислой среде происходит галогенирование, как правило, по более разветвлѐнному -углеродному атому, так как доля именно такой енольной формы (см. схему) в среде выше ввиду еѐ большей стабильности. В общем случае важной особенностью галогенирования альдегидов и кетонов является независимость скорости процесса от природы галогена. Скорость реакции зависит только от концентрации катализатора, определяющего скорость лимитирующей стадии процесса. 6.1.4.3. Реакции окисления-восстановления Окисление альдегидов до соответствующих кислот (или их солей) протекает легко за счѐт наличия подвижного атома водорода в альдегидной группе. В качестве окислителей обычно применяют влажный оксид серебра, раствор перманганата калия или фелингову жидкость. Качественной реакцией на альдегиды (для отличия их от кетонов) обычно считается реакция се258 ребряного зеркала — взаимодействие альдегидов с гидроксидом диамминсеребра (реактивом Толленса): O R-C = H O R-C = + O NH4 [Ag(NH3)2]OH - Ag, - NH3, - H2O Этот реактив является настолько мягким окислителем, что при его применении не происходит окисления ни каких-либо других функциональных групп, ни кратных связей. Поэтому окисление реактивом Толленса непредельных альдегидов приведѐт к соответствующим непредельным кислотам. Аналогично этому окисление некоторых альдегидов происходит и свежеосаждѐнным гидроксидом меди (II) (иногда для этих целей используют реактив Фелинга* — комплекс катиона Cu2+ с винной кислотой): O R-C = H Cu(OH)2, t - Cu2O, - H2O o O R-C = OH Однако эту реакцию не даѐт, например, уксусный альдегид. В отличие от альдегидов кетоны подвергаются действию окислителей только в жѐстких условиях. Так, диоксид селена окисляет -метиленовую группу до карбонильной: SeO2 - H2O, - Se O O R-C-C = R' = O R-CH2-C = R' А действие сильных окислителей (например, хромовой смеси) при нагревании приводит к окислению одного из -углеродных атомов (не селективно) и разрыву C–C-связи по обе стороны от карбонильной группы: O K2Cr2O7 + H2SO4 R-CH2- C = CH2-R' R-CH2-COOH + R'-COOH R-COOH + R'-CH2-COOH При этом из каждого осколка образуется молекула карбоновой кислоты. По правилу Попова*, окисление несимметричных ациклических кетонов осуществляется с разрывом углеродной цепи по обе стороны от карбонильной группы, что приводит в общем случае к образованию смеси четырѐх кислот. Окисление кетонов проходит в жѐстких условиях: щелочной раствор KMnO4, горячая концентрированная HNO3, K2Cr2O7 в H2SO4. Легче расщепляется связь карбонильного углерода с третичным атомом углерода; связь с четвертичным углеродом не расщепляется, поэтому кетоны, содержащие третичный или четвертичный атом углерода, окисляются более однозначно, чем этого требует правило Попова, например: 259 R2CH-CO-CH2-R’ R2CO + R’-CH2-COOH R3C-CO-CH3 R3C-COOH + CO2 + H2O Карбонильные соединения могут быть восстановлены до соответствующих спиртов или углеводородов. Восстановление гидридами металлов было рассмотрено выше. В реакциях каталитического гидрирования альдегиды и кетоны превращаются в спирты: O R C R'(H) H2 / kat. OH R-CH-R'(H) Катализаторами обычно являются никель, палладий, платина или комплексные соединения переходных металлов. Восстановление протекает в более жѐстких условиях, чем гидрирование двойной связи в алкенах. При восстановлении металлическим натрием образуются двухатомные спирты (гликоли) с удвоенным количеством атомов углерода. Механизм реакции радикальный: O R C R'(H) ONa 2 R C R'(H) ONa R C R'(H) + Na NaO ONa R-C-C-R (H)R' R'(H) H + HO OH R-C-C-R (H)R' R'(H) Восстановление альдегидов и кетонов амальгамой цинка в соляной кислоте (реакция Клемменсена*) приводит к получению алканов: Zn/ Hg / HCl R–CH –R R–CO–R 2 Поэтому данная реакция может использоваться как способ получения алканов. Альдегиды вступают в реакцию диспропорционирования (реакция Канниццаро*), в которой одна молекула окисляется до кислоты, а другая восстанавливается до спирта: 50 % р р NaOH R–COONa + R–CH2OH 2 R–CHO 40 Реакция протекает при участии концентрированного (4050%-го) водного раствора щѐлочи и характерна для альдегидов, не содержащих -водородных атомов. В противном случае в этих условиях будет проходить аль260 = дольная (и кротоновая) конденсация с участием -водородных атомов (см. выше). Реакция начинается с обратимого присоединения гидроксид-иона по двойной связи C=О, а затем от образовавшегося аниона происходит отрыв гидрид-иона и его взаимодействие с карбонильным атомом углерода другой молекулы альдегида: O OH O OH R R-C-H R-C-O R-C=O + R-C-H C = O + OH H H H По завершении нуклеофильной атаки происходит быстрая миграция протона от молекулы карбоновой кислоты к алкоголят-иону: R–COOH + R–CH2O R–COO + R–CH2OH Реакция может протекать и для смеси двух альдегидов («перекрѐстная» реакция Канниццаро). При этом окисляться будет альдегид, более реакционноспособный по отношению к нуклеофилам, так как именно этот альдегид подвергается атаке гидроксид-анионом на первой стадии (см. механизм). Так, если одним из альдегидов является метаналь H2С=O, то гидроксид-ион взаимодействует с карбонильным атомом углерода именно этого альдегида за счѐт значительного положительного заряда на этом атоме: H2С=О + OH НО-Н2C–O Гидрид-ион отщепляется именно от этого аниона, и в итоге формальдегид превращается в анион муравьиной кислоты, а молекула второго альдегида присоединяет гидрид-ион к карбонильному атому углерода: НО-Н2C–O + R3C–CH=O HO-HС=О + R3C–CH2–O HCOO + R3C–CH2-OH Реакция Тищенко*, или сложноэфирная конденсация Тищенко, — это тоже окислительно-восстановительная реакция, в которой одна молекула альдегида окисляется до кислоты, а другая восстанавливается до спирта, но в результате образуется молекула сложного эфира. Реакция протекает при участии алкоголята алюминия в безводной среде. В роли катализатора используется алюминиевое производное того же спирта, который должен получиться в результате восстановления исходного альдегида. В отличие от реакции Канниццаро в реакцию Тищенко вступают все альдегиды. Механизм включает гидридный перенос в шестичленном циклическом комплексе: 261 O 2R C + Al(OCH2R)3 H OCH2R + Al OCH2R -O O C R R C H H OCH2R O R C + Al(OCH2R)3 OCH2R Перекрѐстная реакция Тищенко происходит при использовании смеси различных альдегидов: R-CHO + R’-CHO R-COOCH2R’ + R’-COOCH2R Если реакционная способность RCHO существенно выше, чем у R'CHO, то можно с высокими выходами получить RCOOCH2R'. 6.1.5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Альдегиды и кетоны можно получать при помощи реакций, уже известных из рассмотрения других классов соединений. К ним относятся: 1. Гидролиз геминальных дигалогеналканов (гл. 3.2.4). 2. Окисление одноатомных спиртов (гл. 3.3.3.5) и -гликолей (гл. 3.3.5). 3. Секстетные перегруппировки -гликолей (гл. 3.3.5). 4. Гидратация ацетиленовых углеводородов (гл. 4.4.2). 5. Озонолиз этиленовых углеводородов (гл. 4.1.4.3). 6. Гидроформилирование алкенов (гл. 4.1.4.5). Однако некоторые другие способы получения подробно будут рассмотрены в последующих главах, в свойствах соответствующих соединений. 7. Получение альдегидов и кетонов из хлорангидридов карбоновых кислот: O = R-C Cl O = R-C Cl [H] - HCl + Cd(C2H5)2 O R-C= H - CdCl2 O R-C = C2H5 8. Пиролиз бариевых или кальциевых солей карбоновых кислот: = 262 O R - C - R' = O O = R-C C - R' O - Ba - O - BaCO3 6.1.6. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ У альдегидов сохраняются присущие спиртам наркотические свойства. Удлинение алкильного радикала приводит к увеличению токсичности параллельно с увеличением физиологической активности. Наркотические свойства существенно возрастают при введении в молекулу альдегида галогена или при переходе к ненасыщенным соединениям. Введение в молекулу альдегида карбоксильной группы резко снижает токсичность. Относительно малая токсичность наблюдается также у альдегидов, способных к образованию гидратной формы. Примером может служить хлоралгидрат (гл. 6.1.4.1, п. 1), который является успокаивающим и снотворным средством, поэтому нашѐл применение в психиатрической практике. В больших дозах он действует как наркотическое средство. Паральдегид (гл. 6.1.4.1, п. 11) также нашѐл применение в медицине как успокаивающее средство. Формальдегид применяется в виде 3537%-го водного раствора. Вследствие высокой токсичности, обусловленной способностью формальдегида свѐртывать белки, он может использоваться лишь в качестве наружного дезинфицирующего средства, а за счѐт способности придавать тканям упругость он применяется для консервации анатомических и биологических препаратов. Гексаметилентетрамин (уротропин) представляет собой продукт взаимодействия формальдегида с аммиаком. Уротропин не является альдегидом, но в сильнокислой среде при нагревании распадается с образованием формальдегида: N N N + 6 H2O + H2SO4 6 CH2O + (NH4)2SO4 N Гексаметилентетрамин способен давать комплексные соединения с неорганическими солями, например с AgNO3, CaCl2. Его используют в медицине в качестве дезинфицирующего средства при заболевании мочевых путей. Ацетон (пропанон) содержится в моче больных диабетом. 6.1.7. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Формальдегид (метаналь) — бесцветный газ с острым запахом, хорошо растворимый в воде и органических растворителях; 3537%-й водный 263 раствор, содержащий 515% метанола для стабилизации, называют формалином. В промышленности получают каталитическим окислением метанола. В водных растворах легко присоединяет воду, олигомеризуется, полимеризуется; при нагревании — деполимеризуется. Используют для получения различных полимеров (фенолоформальдегидные смолы, карбамидные смолы) и в синтезе для введения группировок -СН2ОН , -СН2Cl и для восстановления. Ацетальдегид (уксусный альдегид, этаналь) — легколетучая (температура кипения 20С) бесцветная жидкость со своеобразным запахом. В промышленности получают гидратацией ацетилена, каталитическим окислением этанола или этилена. Используют для получения уксусной и пероксиуксусной кислот, бутадиена и других соединений. Ацетон (пропанон) — бесцветная жидкость со своеобразным запахом и температурой кипения 56С. Смешивается с водой и с органическими растворителями. В промышленности получают из пропена двумя способами: гидратацией в пропан-2-ол с последующим каталитическим окислением и кумольным способом. 6.2. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ Веществом с наименьшим числом атомов углерода и относящимся к непредельным карбонильным соединениям является кетен: CH2=C=О В то же время кетенами называют соединения, содержащие карбонильную группу в системе кумулированных связей >C=C=О. В молекулах прочих непредельных альдегидов и кетонов карбонильная группа и кратная углерод-углеродная связь (двойная или тройная) может быть разделена либо только одной -связью, и в таких молекулах имеется -сопряжѐнный фрагмент C=С–C=О, либо несколькими -связями и, значит, несколькими насыщенными атомами углерода, например винилуксусный альдегид CН2=СН–CН2–CН=О. Свойства соединений, в молекулах которых имеется --сопряжение, во многом определяются взаимодействием между собой двойных связей C=С и C=О. Наиболее интересно строение и химическое поведение кетена и непредельных альдегидов и кетонов с сопряжѐнными -связями. 264 6.2.1. КЕТЕН Хотя в молекуле кетена нет характерной альдегидной группы, вещество может быть формально отнесено к альдегидам, так как карбонильная группа >C=О соединена в нѐм лишь с одним (двухвалентным) радикалом (CН2=). Однако карбонильная группа в кетенах принципиально отличается от карбонильной группы в обычных карбонильных соединениях, так как гибридизация атомных орбиталей карбонильного атома углерода здесь другая — sp. Строение молекулы кетена аналогично рассмотренному ранее для аллена (гл. 4.3.2). Молекула плоская, концевой атом углерода находится в состоянии sp2-гибридизации, а плоскости -связей взаимно перпендикулярны: Сопряжение между -связями невозможно, вследствие чего на карбонильном атоме углерода возникает значительный положительный заряд: CH2 = C = O Кетены в реакциях ведут себя как электрофильные реагенты. Они малостабильны и высокореакционноспособны. Для кетенов наиболее характерны реакции присоединения, в частности — нуклеофильных реагентов (воды, спиртов, карбоновых кислот), реакции димеризации и циклоприсоединения. Реакции присоединения должны легче проходить по более полярной C=O-связи, однако более устойчивым оказывается продукт присоединения по C=С-связи так как он обладает значительно меньшей кислотностью, а значит, его образование практически необратимо. Например: O: CH2=C=O + C2H5OH CH2=C + H O C2H5 CH2=C O H OC2H5 H O = CH2-C OC2H5 265 Таким образом, при действии на кетен спиртов образуются сложные эфиры карбоновых кислот. Аналогично протекает реакция с водой — образуется уксусная кислота. При взаимодействии с карбоновыми кислотами образуются ангидриды кислот. Кетен в жидком состоянии легко димеризуется, образуя дикетен: ' + CH2=C=O ' CH2=C-O-C-O CH2 = CH2=C=O: ' O CH2=C C=O CH2 Получают кетен обычно пиролизом ацетона по схеме: t СН3–СО–СН3 СН2=С=О + СН4 , o а общим методом получения кетенов является отщепление хлороводорода от хлорангидридов карбоновых кислот в присутствии сильного органического основания по схеме: O = RR'C - C Cl H :N(C2H5)3 RR'C = C = O + + [HN(C2H5)3] Cl - 6.2.2. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ КАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ С СОПРЯЖЁННЫМИ -СВЯЗЯМИ Примерами соединений с сопряжѐнными -связями являются CН2=СН–CН=О CН3–CН=СН–CН=О = O CH3 CH3 C=CH-C-CH=C CH3 CH3 — акролеин, — кротоновый альдегид, — форон. Названия по заместительной номенклатуре строятся обычным образом (гл. 1.5.1). При этом необходимо учитывать замену суффикса -ан на суффикс -ен и преимущество карбонильной группы в выборе родоначальной структуры и еѐ нумерации. Например, название акролеина по заместительной номенклатуре — проп-2-еналь. 266 Непредельные альдегиды и кетоны, содержащие сопряжѐнный фрагмент -связей, например акролеин: O CH2 = CH - C = H, пространственным строением похожи на сопряжѐнные диены (гл. 4.3.3). А наличие этиленового фрагмента, кроме всего прочего, обуславливает и возможность существования различных геометрических изомеров (например, для кротонового альдегида). Альдегиды и кетоны с сопряжѐнными -связями, аналогично сопряжѐнным диенам, должны легко вступать в реакции присоединения за счѐт образования стабильного -комплекса. Однако присоединение к непредельным альдегидам и кетонам идѐт преимущественно по нуклеофильному пути по причине полярного --сопряжения и возникновения значительного положительного заряда на концевом атоме углерода сопряжѐнного фрагмента (как показано на примере акролеина). Реакция может начинаться при электрофильном содействии, например, протонированием по атому кислорода. Так, присоединение бромоводородной кислоты к акролеину можно представить следующим образом: O + H+ CH2 = CH - C = H Br - + + + CH2 = CH - C CH2 - CH = CH OH + CH2 - CH = C H :O H Br OH OH CH2 - CH = CH H O CH2Br-CH2-C = H 3-бромпропаналь А присоединение аммиака начинается сразу с нуклеофильной атаки молекулы реагента по концевому атому углерода сопряжѐнного фрагмента: H :O O + NH2 - CH2 - CH = CH NH3 + CH2 = CH - C = H :O H O NH2-CH2-CH2-C = H NH2 - CH2 - CH = CH 3-аминопропаналь Однако реакции со слабыми или пространственно затруднѐнными нуклеофилами, которые могут проходить только по карбонильной группе, на первом этапе протекают без участия C=C-связей, например, с гидросульфи267 том натрия. К образовавшемуся продукту может присоединяться вторая молекула гидросульфита. Это становится возможным из-за усилившейся поляризации C=C-связи в бисульфитном производном. Схема превращений на примере акролеина: O CH2=CH-C= H CH2=CH CH OH + NaHSO3 CH2=CH-CH OH OH CH2-CH2-CH SO3Na SO3Na NaHSO3 SO3Na SO3Na (Механизм образования бисульфитного производного приведен ранее, в главе 6.1.4.1). = Альдегиды и кетоны с сопряжѐнными -связями (акролеин, кротоновый альдегид, форон и др.) могут быть получены кротоновой конденсацией из соответствующих насыщенных карбонильных соединений (гл. 6.1.4.1). Кроме того, акролеин получают окислением пропена при использовании специальных катализаторов (CuO) или без катализаторов (гл. 4.1.4.3). Возможна также и дегидратация глицерина по схеме: CH2-OH CH-OH HC=O HC=O CH2-OH - H2O CH CH2 CH2-OH CH2-OH - H2O CH = CH-OH CH2 6.2.3. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Кетен — бесцветный газ (температура кипения -41С), очень ядовит. Он устойчив при температуре ниже -80С, выше этой температуры димеризуется в дикетен. Получают пиролизом ацетона. Используют для разнообразных синтезов. Акролеин (пропеналь) — бесцветная жидкость с температурой кипения 53С, с острым запахом, вызывает слезотечение. Растворяется в воде и в органических растворителях. В промышленности получают каталитическим окислением пропена. Используют для получения аллилового спирта, глицерина и других соединений. 268 6.3. ДИКАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Представителями соединений, содержащих две карбонильные группы, являются: O H O — глиоксаль, C C H O O H3C C C CH3 O H — диацетил, O C CH2 C — малоновый альдегид, H O O H3C C CH2 C H — формилацетон, O O H3C C CH2 C CH3 — ацетилацетон, O H C CH2 CH2 C O — янтарный альдегид, H O O H3C C CH2 CH2 C CH3 — ацетонилацетон. При этом в зависимости от взаимного расположения карбонильных групп эти соединения можно разделить на: 1) -, или 1,2-дикарбонильные соединения — к ним из перечисленных относятся глиоксаль и диацетил; 2) -, или 1,3-дикарбонильные соединения — к ним относятся малоновый альдегид, формилацетон, ацетилацетон; 3) -, или 1,4-дикарбонильные соединения — к ним относятся янтарный альдегид, ацетонилацетон; и другие с более удалѐнным положением карбонильных групп друг от друга. 6.3.1. -ДИКАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В молекулах -дикарбонильных соединений стоящие рядом карбонильные группы значительно влияют друг на друга, в результате чего эффективные заряды на углеродных атомах карбонильных ' O ' O групп больше, чем в монокарбонильных соединениях. C-C = R' R 269 = Для 1,2-дикарбонильных соединений характерны все реакции карбонильной группы (AN), и эти соединения более реакционноспособны, чем монокарбонильные. Реакции с нуклеофилами протекают ступенчато: сначала реагирует одна карбонильная группа, затем другая. 6.3.2. -ДИКАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ -Дикарбонильные соединения представляют собой таутомерные системы: одна из карбонильных групп перегруппировывается в енол. В цисенольной форме образуется прочная внутримолекулярная водородная связь: H .... O C = R H O C C R' H = = O C R C H O =C R' Енол представляет собой сопряжѐнную поляризованную систему, включающую 4-электрона C=О- и C=C-связей и неподелѐнную электронную пару атома кислорода. В результате повышается электронная плотность на карбонильном атоме кислорода и центральном углеродном атоме: H = O C .... R O: =C C' R' H -Дикарбонильные соединения обладают высокой реакционной способностью, они могут взаимодействовать как с нуклеофилами, так и с электрофилами. К особым их свойствам можно отнести СН-кислотность и связанную с ней енолизацию. Константы кислотности в зависимости от строения и природы растворителя меняются в широких пределах: в водных растворах рКа 410. Дикарбонильная форма является CH-кислотой, енольная форма — ОHкислотой. Например, дикарбонильная форма ацетилацетона в водном растворе имеет значение рКа = 8.9, а енольная форма ацетилацетона в тех же условиях 8.2; то есть в водном растворе преобладает дикетоформа ацетилацетона, так как еѐ кислотность меньше. При замене растворителя доля енольной формы может достигать 85% (в метаноле, например, 72% енола). -Дикарбонильные соединения в цис-енольной форме образуют соли, в которых ион металла может быть координирован с обоими атомами кисло270 рода. Такие соединения относятся к внутрикомплексным соединениям, или хелатам. Например: R O C M + '- C O C R' H . Анион -дикарбонильного соединения является сопряжѐнной 6--электронной системой с делокализованным отрицательным зарядом. -Дикарбонильные соединения, как и монокарбонильные, вступают в реакции нуклеофильного присоединения. Однако при взаимодействии с сильными нуклеофилами, которые часто являются и сильными основаниями, а значит, и при проведении реакции в присутствии оснóвного катализатора, происходит образование аниона (см. выше) и дальнейшая нуклеофильная атака по карбонильному атому углерода становится невозможной. Слабонуклеофильные и слабоосновные реагенты (например, вода, спирты) взаимодействуют с -дикарбонильными соединениями только в присутствии кислотного катализатора. Например: O O R-C-CH2-C-R +H O + OH + +H2O O R-C-CH2-C-R R-C-CH2-C-R O OH + OH2 -H + OH R-C-CH2-C-R OH Как само -дикарбонильное соединение, так и его анион могут взаимодействовать также и с электрофилами как за счѐт атома кислорода, так и за счѐт -углеродного атома. К таким реакциям относятся, например, реакции алкилирования (по атому углерода или кислорода): R R C H C O = O = R H O - C C = = O C C R R' R C H + O C = = O C O: =C R' X -X - R R 271 O - R' C C = R H В общем случае получается смесь продуктов C- и О-алкилирования, однако преимущественно алкилирование протекает по атому углерода, так как атомы кислорода в большей степени сольватированы или блокированы ионом металла, если в реакцию вступает анион -дикарбонильного соединения. -Дикарбонильные соединения обычно получают реакциями окисления диолов, гидроксикетонов или монокарбонильных соединений. -Дикарбонильные соединения часто получают ацилированием кетонов. Для ацилирования используют ангидриды или сложные эфиры карбоновых кислот — это реакции нуклеофильного замещения в ацильных производных карбоновых кислот (гл. 6.4.4). 6.3.3. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Глиоксаль (этандиаль) — жидкость жѐлтого цвета со своеобразным запахом, с температурой кипения 50С. Легко растворяется в воде с образованием гидрата. Получают каталитическим окислением гликоля. Используют в органическом синтезе для получения гетероциклических соединений и красителей. Диацетил (бутандион) — жидкость жѐлтого цвета со своеобразным запахом, с температурой кипения 88С. Содержится в некоторых природных веществах и продуктах их переработки (эфирные масла, сливочное масло). Используется в пищевой промышленности. Его диоксим (диметилглиоксим) является реагентом для аналитического определения никеля, так как образует с ионами никеля (II) красный, трудно растворимый комплекс и используется под названием реактива Чугаева. - H O O + N C CH3 H3C C N Ni + C C N CH3 N H3C O O H Ацетилацетон (пентан-2,4-дион) — бесцветная жидкость с приятным запахом, ограниченно растворимая в воде. В промышленности получают ацетилированием ацетона ацетилхлоридом или ацетангидридом. 272 Используют в органическом синтезе, в том числе для получения гетероциклических соединений. Хелаты ацетилацетона с некоторыми металлами используют в качестве катализаторов различных реакций. 6.4. НАСЫЩЕННЫЕ МОНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ В молекулах карбоновых кислот карбонильная группа связана с гидроксильной (такой структурный фрагмент представляет новую функциональную группу — карбоксильную группу -COOH): O R C OH Производными карбоновых кислот называют соединения, в молекулах которых вместо фрагмента -OH в функциональной группе другой структурный фрагмент -X (атом галогена, аминогруппа и др.) или вместо карбоксильной группы тройная связь азотом -CN. При этом производные карбоновых кислот, имеющие в своѐм составе структурный фрагмент R-CO-, называют также ацильными производными, а производные, содержащими вместо карбоксильной группы COOH цианогруппу CN, — нитрилами кислот. Производными карбоновых кислот являются и их соли, имеющие в своѐм составе ацилатную группу R-COO-. В общем случае, предельные монокарбоновые кислоты и их ацильные производные можно представить структурными формулами O R C O H O R C X , соли — общей формулой O = R C O- M , а нитрилы карбоновых кислот — формулой R–CN. В ацильных производных атом в группировке Х, непосредственно связанный с С=О-группой, — это атом электроотрицательного элемента, обладающий неподелѐнной электронной парой. Такими атомными группировками могут быть (приведены классы соответствующих соединений): Х = галоген (-F, -Cl, -Br, -I) — галогенангидриды 273 — ангидриды -O-R — сложные эфиры -NH2, -NHR, -NRR — амиды, в т.ч. замещѐнные = O -O-C-R' 6.4.1. НОМЕНКЛАТУРА Среди карбоновых кислот и их производных широко распространены тривиальные и полутривиальные названия. Тривиальные названия некоторых предельных монокарбоновых кислот приведены в табл. 6.3. В этой же таблице приведены тривиальные названия ацилов (радикалов R-CO-) и ацилатов (радикалов R-CO-O- или ионов R-CO-O), использующиеся для составления названий производных кислот. Таблица 6.3 Тривиальные названия некоторых предельных монокарбоновых кислот, их ацилов и ацилатов Формула кислоты HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2CH2COOH CH3 CH3-CH-COOH CH3CH2CH2CH2COOH CH3 CH3-CH-CH2-COOH CH3-(CH2)4-СOOH CH3-(CH2)14-COOH CH3-(CH2)16-COOH Названия кислоты Названия ацила O R-C = Названия ацилата O R-C= O муравьиная уксусная пропионовая масляная формил ацетил пропионил бутирил формиат ацетат пропионат бутират изомасляная изобутирил изобутират валериановая валерил валерат изовалериановая изовалерил изовалерат капроновая пальмитиновая стеариновая капронил пальмитил стеарил капронат пальмитат стеарат Названия кислот по рациональной номенклатуре аналогичны соответствующим им альдегидам: монокарбоновая кислота называется как замещѐнная уксусная. Например: 274 СН3-СООН СН3-СН2-СООН СН3СН2-СН2-СООН CH3 CH3-CH-COOH — уксусная кислота, — метилуксусная кислота, — этилуксусная кислота, — диметилуксусная кислота. При этом все производные карбоновых кислот так и называются, как соответствующие производные данной кислоты. Например: СН3СН2CO-Cl — хлорангидрид метилуксусной кислоты, СН3СН2CO-О-СО-СН2СН3 — ангидрид метилуксусной кислоты, СН3СН2COОСН3 — метиловый эфир метилуксусной кислоты, СН3СН2CO-NH2 — амид метилуксусной кислоты, СН3СН2-CN — нитрил метилуксусной кислоты, СН3СН2COОNa — метилацетат натрия. По заместительной номенклатуре для названия монокарбоновой кислоты к названию углеводорода, лежащего в основе родоначальной структуры, добавляется суффикс с окончанием -овая и слово кислота: НСООН СН3-СООН CH3 CH3-CH-COOH — метановая кислота, — этановая кислота, — метилпропановая кислота. Для составления названий ацильных производных кислот используются названия ацилов и ацилатов. Название ацила получается при прибавлении к названию углеводорода суффикса -оил, а название ацилата — суффикса -оат. Например: O CH3-C = O = CH3-C O O = CH3-CH2-CH-C CH3 O = CH3-CH2-CH-C O CH3 этаноил этаноат 2-метилбутаноил 2-метилбутаноат Соответственно, названия производных кислот: O CH3-C = Cl этаноилхлорид O O O = = CH3-CH2-CH-C CH3-CH2-CH-C CH3-C = Cl O-CH3 O-CH3 CH CH 3 метилэтаноат 2-метилбутаноилхлорид 275 3 метил-2-метилбутаноат Названия нитрилов строятся прибавлением суффикса -нитрил к названию соответствующего углеводорода, например: СН3СН2-CN — пропаннитрил. Для некоторых производных карбоновых кислот широко используются и названия по радикало-функциональной номенклатуре. Например, для сложных эфиров: СН3СООСН3 — уксуснометиловый эфир; для нитрилов: СН3СН2-CN — этилцианид. 6.4.2. СТРОЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ГРУППЫ В молекулах карбоновых кислот функциональной группой является карбоксильная группа -COОН, представляющая собой комбинацию карбонильной группы >C=O и гидроксильной -OН. Гибридизация атомных орбиталей углерода, за счѐт которых образуются -связи, близка к sp2. Неподелѐнная электронная пара атома кислорода гидроксильной группы вовлекается в сопряжение с -связью C=O. В результате возникает p--сопряжѐнная система, за счѐт чего упрочняется связь между углеродом и гидроксогруппой, а связь O–Н ещѐ сильнее поляризуется: O C = O H Аналогичные электронные взаимодействия происходят и в молекулах всех ацильных производных, только в них может принимать участие не только атом кислорода, но и другой гетероатом группировки Х, имеющий неподелѐнную пару электронов: O C = x Во всех случаях атом в группировке Х, связанный с карбонильным углеродом, обладает акцепторным индуктивным эффектом (так как более электроотрицателен, чем углерод) и донорным мезомерным эффектом (так как обладает неподелѐнной парой электронов, участвующей в сопряжении). От соотношения этих электронных эффектов (донорного и акцепторного) зависит реакционная способность ацильных производных (и самой кислоты по сравнению с ацильными производными). В пространстве структурный фрагмент карбоксильной группы, а также аналогичный структурный фрагмент в молекуле производных кислот 276 O C= O O C= x (где вместо гидроксильного атома кислорода находится гетероатом группировки Х) лежат в одной плоскости. Это во многом, наряду с электронными эффектами, определяет свойства ацильных производных. Такое электронное и пространственное строение реакционных центров молекул кислот и их производных определяет активность этих соединений, прежде всего в реакциях нуклеофильного замещения. Общим в строении молекул карбоновых кислот и их производных является то, что карбонильная группа в ацильном радикале связана с атомной группировкой Х, где первый атом проявляет –I и +М-эффекты: O C = : X В кислотах Х — это гидроксильная группа ОН, за счѐт которой и возможно проявление кислотных свойств. Наличие здесь подвижного атома водорода обуславливает образование водородных связей между молекулами карбоновых кислот (гл. 6.4.3). В производных кислот в группировке Х также могут быть атомы водорода, например в амидах (также образуются межмолекулярные водородные связи), а могут и отсутствовать, например в ангидридах, галогенангидридах или сложных эфирах: O C= O-R : O C= Cl : : O H C= N H Поэтому характер группировки Х отражается на свойствах (физических и химических) ацильных производных кислот. Функциональная группа нитрилов карбоновых кислот представлена атомами углерода и азота, соединѐнными тройной связью: C=N Атом углерода здесь находится в sp-гибридном состоянии и образует две -связи с азотом. Функциональная группа линейна и сильно полярна (- и -электронная плотность смещена к атому азота). 277 6.4.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Карбоновые кислоты — полярные соединения, но с увеличением длины углеводородного радикала полярность постепенно уменьшается. Это определяет закономерности увеличения температур плавления и кипения кислот в гомологическом ряду и уменьшения их растворимости в воде. Хорошо растворимы в воде первые четыре представителя гомологического ряда. Это связано также с образованием водородных связей между молекулами воды и карбоновых кислот. Монокарбоновые кислоты хорошо растворяются также во многих органических растворителях. Низшие монокарбоновые кислоты представляют собой бесцветные жидкости с неприятным резким запахом. С увеличением числа атомов углерода в молекулах кислот температура кипения увеличивается, запах ослабевает и исчезает. В целом температуры кипения и плавления у них более высоки по сравнению с соответствующими альдегидами и спиртами. Это связано с наличием прочных межмолекулярных водородных связей: O: . . . . H O = C R R C :O O H.... = За счѐт таких связей димеры карбоновых кислот существуют даже в парáх. Амиды аналогичны карбоновым кислотам по физическим свойствам, так как они примерно в той же степени полярны, а между молекулами возможно образование водородных связей. Однако наличие двух подвижных атомов водорода приводит к образованию большего количества водородных связей, чем в кислотах. Поэтому по сравнению с кислотами они кипят при более высоких температурах, а большинство амидов (кроме низших) — твѐрдые вещества со слабым запахом. В отличие от кислот и их амидов такие производные как ангидриды, галогенангидриды, сложные эфиры и нитрилы в большинстве своѐм представляют жидкие, легколетучие вещества, малорастворимые в воде. Ангидриды и галогенангидриды обладают едким запахом, а сложные эфиры имеют приятный цветочный или фруктовый аромат. 6.4.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Общим в химических свойствах карбоновых кислот и их ацильных производных являются реакции в ацильной группе, так как электронное строение функциональной группы кислот и их ацильных производных близкó и различается только величиной электронных эффектов. 278 Принципиальные различия в строении карбоновых кислот и их ацильных производных связаны с наличием подвижных атомов водорода у электроотрицательного атома (как в случае карбоновых кислот и их амидов) и проявлением ими кислотных свойств. 6.4.4.1. Кислотно-оснόвные свойства Кислотные свойства карбоновых кислот связаны с наличием сильнополярной связи O–Н. Кроме того, из рассмотрения граничных структур молекулы карбоновой кислоты следует, что возможна миграция протона от одного атома кислорода к другому. А так как природа этих атомов идентична, то состояние реальной молекулы будет описываться некоторой промежуточной формулой, в которой катион водорода в равной мере принадлежит каждому атому кислорода: - = R C O: R C + O H 1/2- O O-H R C = O R C= O H O O1/2- H + При отщеплении от молекулы катиона водорода образуется карбоксилат-анион, стабилизированный p--сопряжением: O R C= O H - H+ - 1/2- O O R C= O R C= O O R C 1/2- O Электроноакцепторные заместители способствуют делокализации отрицательного заряда в этом анионе, повышают его стабильность и, значит, увели1/2чивают силу кислот. Донорные заместители, наоборот, десO табилизируют анион и уменьшают силу кислот. Поэтому в A C 1/2гомологическом ряду предельных монокарбоновых кислот O кислотные свойства будут уменьшаться (из-за возрастания донорного эффекта радикала R): рКа для муравьиной, уксусной и пропионовой кислот равны 3.75, 4.76 и 4.87, соответственно. Однако введение в углеводородный радикал электроноакцепторных заместителей приведѐт к возрастанию кислотных свойств. Примером проявления кислотных свойств является образование солей при растворении карбоновых кислот в водных растворах щелочей (известно, что спирты со щелочами не взаимодействуют): R-COOH + NaOH R-COO Na+ + H2O 279 Однако карбоновые кислоты являются слабыми электролитами и их соли в водных растворах частично гидролизованы. Оснóвные свойства карбоновых кислот проявляются у них по отношению к сильным кислотам. В смеси карбоновой кислоты с концентрированной серной кислотой или при растворении газообразного хлороводорода в карбоновой кислоте происходит еѐ протонирование. Существование образующегося при этом катиона можно описать при помощи граничных структур: O R C = OH + + H O-H R C = O-H + + O-H R C O-H Кислотно-основные свойства, кроме самих карбоновых кислот, присущи также амидам карбоновых кислот. В этих соединениях аминогруппа эффективно сопряжена с карбонильной: O = H R C N H При этом азот принимает sp2-гибридное состояние и вместе со своим окружением располагается в одной плоскости с карбонильной группой. В такой конформации и происходит эффективное р--сопряжение р-орбитали атома азота с -связью С=О. В связи с этим, атом азота в амидах теряет оснóвные свойства, но при этом для них становятся характерны кислотные свойства: O H R C= N H -H + O = R C NH O - R C NH 6.4.4.2. Реакции нуклеофильного замещения Карбоновые кислоты и их ацильные производные аналогично альдегидам и кетонам могут подвергаться нуклеофильной атаке по карбонильному атому углерода. Однако эта реакция для них может быть затруднена из-за +М-эффекта заместителя Х, возникающего в результате р--сопряжения (см. выше). Поэтому реакционная способность этих соединений по отношению к нуклеофилам будет сильно зависеть от природы заместителя Х. В отличие от альдегидов и кетонов карбоновые кислоты и их ацильные производные реагируют с нуклеофилами с образованием продуктов замещения, а не присоединения. Это связано с бóльшей устойчивостью продукта 280 замещения по сравнению с промежуточной частицей и с устойчивостью аниона уходящей группы Х: + Y Y R-C-O - - O : R C : O X -X X - R C Y Нуклеофилами здесь обычно являются аммиак, амины, спирты, вода, их анионы, а также могут быть анионы карбоновых кислот, галогениды фосфора и серы. В целом для карбоновых кислот и их производных замещение протекает легче, чем нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода (в галогеналканах, спиртах, эфирах, аминах). Это происходит по двум причинам: 1) большей доступностью sp2-гибридизованного атома углерода в карбоксильной (или ацильной) группе по сравнению с sp3-гибридизованным в насыщенных соединениях; 2) более легким разрывом -связи в карбоксильной (или ацильной) группе по сравнению с разрывом -связи С–Х при SN2механизме у sp3-гибридизованного атома углерода. На скорость реакций замещения в большинстве случаев оказывают влияние кислотные катализаторы (протонные кислоты и кислоты Льюиса). При этом механизм катализа будет зависеть от типа кислоты: + : или O R C = X : O = R C X + H +BF3 R C O-H R C= X + O BF3 R C X O-H + R C + O BF3 X X + R C O BF3 X Но производные карбоновых кислот между собой могут сильно различаться по своей реакционной способности. На это влияют два фактора: величина донорного мезомерного эффекта заместителя X и устойчивость аниона уходящей группы Х. В меньшей степени мезомерный эффект проявляется для галогенов. Фтор наиболее электроотрицателен, и донорный эффект его O незначителен. Электроотрицательность от хлора к йоду = C R уменьшается, но в том же ряду сильно увеличиваются размеX ры орбиталей внешнего энергетического уровня (на котором находится неподелѐнная пара электронов), поэтому уменьшаются по модулю –I и +М-эффекты, и влияние галогенов мало зависит от их природы. 281 Напротив, наибольшим донорным эффектом обладает аминогруппа, так как азот менее электроотрицателен, чем фтор и кислород. (Ещѐ больше +М-эффект в анионах солей 1/2O O O R C= R C= R C 1/2O O O , так как на частице делокализуется целочисленный отрицательный заряд. Это практически исключает взаимодействие с нуклеофилами таких частиц, и поэтому нуклеофильное замещение в анионах солей карбоновых кислот обычно не рассматривается.) Устойчивость аниона уходящей группы для галогенов является наиболее высокой (галогенид-ионы — это анионы сильных кислот), а в противоположность им амид-ион малостабилен, так как является анионом слабой кислоты — аммиака. Таким образом, все ацильные производные и сами кислоты можно расположить в следующий ряд уменьшения реакционной способности в реакциях нуклеофильного замещения: галогенангидриды, ангидриды, кислоты, сложные эфиры, амиды. В этих реакциях замещения в преобладающем числе случаев одни ацильные производные превращаются в другие. Галогенангидриды будут легко превращаться как в сами кислоты, так и в другие их производные. А наоборот, амиды с большим трудом вступают в эти реакции: в жѐстких условиях и в присутствии кислотного или основного катализатора. Превращение галогенангидридов в кислоты, ангидриды, сложные эфиры, амиды, а также в кетоны представлено на схеме: 282 O R-C = OH H2O - HCl O = R-C Cl = R'COO Na - NaCl O O + = - R - C - O - C - R' O R-C = OR' R'OH - HCl NH3 - NH4Cl O R-C= NH2 Cd(C2H5)2 - CdCl2 O R-C= C2H5 Реакции идут легко, энергично, с большим тепловыделением. Применения катализатора не требуется. Последнее из приведѐнных превращений может использоваться в качестве одного из способов получения кетонов. Механизм реакции, как и в случаях взаимодействия с нуклеофилами других ацильных производных, SNАс. (Точнее, SN2 в ацильной группе). Например: + R'O H O R-C= + O-R' Cl H R-C-O - - Cl+ -H Cl O R-C= OR' Однако для галогенангидридов (только!) возможен и SN1-механизм. На первой стадии образуется ацилий-катион, который дальше взаимодействует с нуклеофильной частицей: O R C - + R-C=O + Cl Cl + R - C=O + O-R' H O R-C = + O-R' H 283 -H + O R-C= O-R' Такой механизм наблюдается обычно в сильнокислой среде (концентрированная серная кислота, а также кислоты Льюиса), которая способствует диссоциации связи С–Х в молекулах галогенангидридов. Ангидриды кислот — тоже высокореакционноспособные соединения и легко превращаются в кислоты и другие ацильные производные, кроме галогенангидридов, и по сравнению с галогенангидридами реагируют медленнее: H2O = = O O R - C - O - C - R' R'OH 2 NH3 + O R' - C = OH O R-C = + OR' O R' - C = OH O R-C= + NH2 O R' - C = - + O NH4 O R-C = OH Нуклеофильной атаке подвергается один из карбонильных атомов углерода — тот, который более доступен и на котором бóльший эффективный положительный заряд. Сами карбоновые кислоты в большинство SN-реакций вступают в присутствии катализатора и/или при сильном нагревании. Так, для получения из кислот ангидридов обычно используется оксид фосфора (V) или оксид алюминия при нагревании, а галогенангидриды из кислот можно получить только при использовании таких мощных галогенирующих средств, как галогениды фосфора и серы (например, PCl5, SOCl2). Механизм реакции с тионилхлоридом возможно такой : Cl + S=O - HCl :Cl Cl R C O-S=O O = O: R C= O H + :Cl - R-C=O O-S=O O R C + O=S=O Cl Общую схему превращения кислот в ацильные производные можно представить следующим образом: 284 PCl5/SOCl2 - HCl - HPO3/SO2 O = R-C OH O R-C = Cl O O = = P2O5 R-C-O-C-R - HPO3 + O R-C = OR' NH3 t o - H2O O R-C = NH2 R'OH, H - H2O Превращение карбоновых кислот в сложные эфиры (т.е. реакция этерификации) всегда протекает в присутствии кислотного катализатора в виду их низкой активности по отношению к спиртам, еѐ механизм: + + O H : O +H R C= OH OR' R C R'OH + R C +H O H R C OH + - H2O OH + +R'OH OH OR' R C OH R C - OH -H + OH O = R C OR' OH Такие ацильные производные, как сложные эфиры, ненамного отличаются по реакционной способности от карбоновых кислот, если реакцию проводят в присутствии кислотного катализатора. Кислотный гидролиз сложных эфиров является реакцией обратной этерификации, и все стадии его механизма осуществляются в обратном порядке: + + O +H R C = OR' OH R C OH OH R C = OR' H O R' - R'OH + + + OH +HOH R C R C - OR' OR' + R C 285 OH + OH OH HOH OH R C OH -H + O R C= OH Однако для третичных алкиловых эфиров (R = трет-алкил) механизм кислотного гидролиза может быть несколько иным: + O +H R C= O-C(CH3)3 + H3C C CH3 CH3 + H2O O R C =+ O H C(CH3)3 CH3 O + R C = + C CH3 OH CH3 OH H3C C CH3 CH3 -H+ В этом случае наблюдается разрыв связи O–Csp3, а механизм реакции можно классифицировать как SN1 у насыщенного атома углерода. При оснóвном же катализе сложные эфиры даже более реакционноспособны, так как кислоты в щелочной среде превращаются в малоактивные карбоксилат-ионы, и реакция становится необратимой. К тому же нуклеофильной частицей здесь является более активный гидроксид-ион: O O O + :OH R C R C - OH R C + :OR' OR' OH OR' O R C - + R'OH O = : Общую схему превращений сложных эфиров по ацильной группе можно представить так: + O H2O, H /OH = O R C - R'OH R-C= OH OR' + O R''OH, H /OH R-C= - R'OH OR'' NH3 - R'OH O = R''MgBr - R'OH O = R-C NH2 R - C - R'' 286 R''MgBr OH R - C - R'' R'' Взаимодействие с молекулой другого спирта ROH и образование нового сложного эфира (это реакция переэтерификации) протекает по механизму, аналогичному гидролизу сложных эфиров. А взаимодействие с реактивами Гриньяра сначала даѐт кетоны (как показано в схеме), а затем избыток реактива Гриньяра превращает кетоны в третичные спирты (гл. 6.1.4.1, п. 6). Образование кетонов — это тоже реакция нуклеофильного замещения, которая в этом случае протекает через образование четырѐхцентрового переходного состояния: O: R C + MgBr O R C R" OR' O R C O MgBr R" MgBr R C R" OR' R" O: MgBr O OR' R C R" + R"OMgBr R" Амиды карбоновых кислот труднее всего вступают в нуклеофильное замещение по ацильной группе, и единственной реакцией, имеющей практическое значение, здесь является гидролиз в кислой или щелочной среде с образованием карбоновой кислоты (или карбоксилат-иона). Например, для N,N-дизамещѐнных амидов: O R-C= N R' R'' H+ H2O -OH O R-C= OH + H2N O R-C= O + HN R' R'' + R' R'' Соли карбоновых кислот в реакции замещения по карбонильному атому углерода не вступают (см. строение карбоксилат-аниона), но в кислой среде они превращаются в карбоновые кислоты, и реакция замещения протекает как с карбоновыми кислотами: O O + + ... H R C + M R C - + + O M OH 287 6.4.4.3. Реакции с участием -водородных атомов Одна из таких реакций — это бромирование (или иногда хлорирование) карбоновых кислот в присутствии красного фосфора (реакция Гелля– Фольгарда–Зелинского*), протекающее по схеме: Pкр. 2 / R–СН2–COОH Br R–СНBr–COОH Роль фосфора сводится к образованию на первой стадии трибромида фосфора, который, вступая в реакцию с молекулой кислоты, превращает еѐ в галогенангидрид (см. выше): P + Br2 PBr3 O = R-CH2-C OH O = R-CH2-C Br PBr3 -H3PO3 Образовавшийся бромоангидрид в енольной форме подвергается дальнейшему бромированию, а при взаимодействии со второй молекулой карбоновой кислоты происходит замещение в ацильной группе: O R-CH2-C = Br - +Br - HBr O R-CH-C = Br: Br :OH R-CH = C Br . . . :Br Br O R-CH2-C = OH - Br - :O H + R-CH - C Br Br O O + R-CH2-C = R-CH-C = Br OH Br В результате образуется молекула -галогенозамещѐнной карбоновой кислоты и молекула галогенангидрида, которая дальше вступает в реакцию бромирования в енольной форме. Использование избытка брома может привести к получению дибромзамещѐнных кислот: Pкр. 2 / R–СНBr–COОH Br R–СBr2–COОH Хлорирование так же, как и бромирование, протекает по электрофильному механизму, но возможно хлорирование и по радикальному механизму. В этом случае реакция будет проходить не только по -углеродному атому, например: O Cl-CH2-CH2-COOH CH3-CH2-C = + Cl2 h -HCl OH CH3-CH-COOH Cl Помимо галогенирования для рассматриваемых соединений возможны и другие реакции с участием -водородных атомов. Эти реакции, вызванные 288 проявлением CН-кислотности данного структурного фрагмента, в бóльшей степени характерны для сложных эфиров, чем для кислот и амидов, которые обладают ОН- и NН-кислотностью. К таким реакциям относится конденсация Кляйзена*, в которую вступают две молекулы сложного эфира: ОС Н 5 R-СН -СО-СНR-COОС Н + С Н ОН 2 R-СН2-СООС2Н5 2 2 2 5 2 5 . Механизм реакции включает в себя отрыв протона от -углеродного атома под действием алкоголятов с образованием новой нуклеофильной частицы, которая атакует вторую молекулу сложного эфира: -OC H O R-CH-C = OC2H5 H 2 5 -C2H5OH O R-CH-C = OC2H5 O R-CH2-C = OC2H5 ... = Далее реакция развивается так же, как и при любом другом нуклеофильном замещении в ацильной группе. Заканчивается реакция отрывом алкоголятаниона и образованием оксоэфира: O O + -OC2H5 ... R-CH2-C-CH-C= OC2H5 R К реакциям с участием -водородных атомов можно отнести также образование кетенов при действии сильных органических оснований на галогенангидриды кислот. При этом протекает реакция отщепления и замыкается -связь (гл. 6.2.1). 6.4.4.4. Декарбоксилирование кислот и их солей Декарбоксилирование может наблюдаться при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочами (при 200300С). Эта реакция используется для получения низших алканов. Здесь в условиях сильного нагревания происходит нуклеофильное замещение алкильного радикала: - O R C - + O Na - + Na+OH Na2+ O R: C O H R-H + Na2CO3 O Пиролиз бариевых или кальциевых солей карбоновых кислот также приводит к декарбоксилированию и служит одним из лабораторных способов получения кетонов: 289 O R - C - R' = O O = R-C C - R' O - Ba - O = - BaCO3 Декарбоксилирование может наблюдаться и при электролизе натриевых и калиевых солей карбоновых кислот (реакция Кольбе): RCOO RCOO R + CO2 (на аноде) - e- R + R R-R Реакция проводится в водном или водно-метанольном растворе. При этом образуются алканы с чѐтным числом атомов углерода в молекуле, и поэтому электролиз является одним из лабораторных способов получения предельных углеводородов (гл. 2.5). По радикальному механизму также происходит декарбоксилирование серебряных солей карбоновых кислот при обработке их хлором или бромом (реакция Бородина*): O = R-C O : Br O Br2 = R-C - + O Ag - AgBr - CO2 R + Br O = R:C O + Br R - Br 6.4.4.5. Перегруппировка амидов по Гофману Эта реакция является одним из способов получения чистых первичных аминов: амид при действии на него брома (или хлора) в щелочной среде (или растворами гипогалогенитов NaOBr или NaOCl) превращается в амин с уменьшением углеродной цепи на один атом. Механизм можно представить следующим образом: O H R C= N H OH - - H2O O R C= N Br - Br O R C= NH - Br + O H R C= N Br - OH - H2O + R N C=O R N=C=O (Отщепление бромид-иона и карбанионное перемещение происходят синхронно.) Образовавшийся в результате перегруппировки алкилизоцианат затем гидролизуется: 290 :OH R N=C=O R N=C O C O - H-OH R-NH2 + HCO3 = R-NH R N C - O- O H - = OH - O 6.4.4.6. Дегидратация амидов В результате под действием фосфорного ангидрида происходит отщепление молекулы воды и образование другого производного кислоты — нитрила. Реакция протекает через таутомерное превращение, связанное с большой подвижностью атомов водорода при азоте: OH O R-C = NH2 P2O5 R - C=N - H - H O 2 R - C= N 6.4.4.7. Нуклеофильное присоединение к нитрилам Нитрилы карбоновых кислот вследствие строения их функциональной группы (гл. 6.4.2) должны вступать в реакции нуклеофильного присоединения (AN) аналогично альдегидам. Среди наиболее распространѐнных примеров — реакции присоединения воды, спиртов, хлороводорода с образованием соответственно амидов кислот, иминоэфиров и хлориминов: + H2O/H /OH R - C=N R'OH/H HCl + - NH R-C= O H O R-C = NH2 NH R-C= OR' NH = R-C Cl Присоединение воды возможно как в кислой, так и в щелочной среде. Механизм реакции: 291 + : + +H R - C =N: + +H2O R - C = NH O H -H + R-C=N - O R-C= NH2 +H2O - R - C = NH - OH : R - C =N NH2 OH : +HO - R - C = NH2 O OH : R-C= + R - C = NH : : + R - C - NH2 OH : OH2 Спирты присоединяются в кислой среде в отсутствие воды. Механизм реакции: + R - C =N: +H + : + R - C = NH +R'OH R'OH R - C = NH OR' -H + R - C = NH 6.4.4.8. Восстановление сложных эфиров по Буво*Блану* Восстановление эфиров алифатических карбоновых кислот в соответствующие спирты протекает при кипячении под действием металлического натрия в этиловом (или бутиловом) спирте (реакция БувоБлана): RCOOR' Na/C2H5OH, t o R-CH2OH + R'-OH 6.4.5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Предельные монокарбоновые кислоты и их производные можно получать при помощи уже упоминавшихся реакций. Так, кислоты можно получать: 1. Окислением одноатомных спиртов (гл. 3.3.3.5). 2. Окислением альдегидов и кетонов (гл. 6.1.4.3). 3. Окислением непредельных углеводородов (гл. 4.1.4.3). 4. Гидролизом геминальных тригалогеналканов (гл. 3.2.4). 5. Гидролизом своих ацильных производных (галогенангидридов, ангидридов, сложных эфиров, амидов) — гл. 6.4.4.2. 6. Кроме того, карбоновые кислоты можно получать, используя металлорганический синтез, — карбоксилированием реактивов Гриньяра или литийорганических соединений: 292 R: MgBr + :O = C = O R: Li + :O = C = O + O H2O, H = R-C O-MgBr - Mg,2+- Br - O R-C= O-Li H2O, H + - Li O R-C = OH O R-C = OH + 7. Промышленным способом получения карбоновых кислот является карбонилирование спиртов, галогеналканов, простых и сложных эфиров, алкенов монооксидом углерода в присутствии водяных паров и катализаторов при повышенной температуре (100200С) и под давлением (до 20 МПа). Процесс протекает по схеме: Кат., р,t R–COOH R–Х (R-CH=CН2) + CО + Н2О В качестве катализаторов применяют карбонилы кобальта и родия. Многие ацильные производные, а также нитрилы могут быть получены исходя из других производных кислот. Эти реакции описаны в химических свойствах. Так, галогенангидриды могут быть получены из кислот при использовании галогенидов фосфора и серы (PCl5, SOCl2) — свойства кислот. Ангидриды кислот могут быть получены из кислот (при действии на них оксидов фосфора (V) или алюминия) или из галогенангидридов (при взаимодействии их с солями карбоновых кислот). Сложные эфиры и амиды получаются также из других ацильных производных или из самих кислот. При этом нужно иметь в виду, что образование амидов (в том числе Nзамещѐнных) из кислот протекает через стадию образования аммонийной соли этой кислоты: + OH R C OH NH-R' O: H R-C = - + O NH2-R' O-H R C NH-R' = O R-C = + NH2-R' OH O H O R-C = + H 2O NH-R' ... Но амиды могут быть получены и при гидратации нитрилов (гл. 6.4.4.7). Такие производные кислот, как нитрилы, к ацильным производным не относятся и поэтому не могут быть получены реакциями нуклеофильного замещения из других производных (ацильных). Нитрилы получают либо дегидратацией амидов, либо изначально из карбоновых кислот (через амиды) по одной из этих двух схем: 293 O R-C = NH2 O = R-C OH +NH3 , t - H2O o P2O5 R - C =N - H2O O P2O5 = R-C NH2 - H2O R - C =N Другой способ получения нитрилов как органических цианидов — из галогеналканов при их взаимодействии с цианидами металлов (глава 3.2.2.1): R–Cl + CN R–CN + Cl 6.4.6. ПЕРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И АЦИЛПЕРОКСИДЫ Своеобразными производными карбоновых кислот являются их пероксиды — пероксикарбоновые кислоты и ацилпероксиды. O O R C O-O C R O R C O-O-H пероксикарбоновая кислота ацилпероксид Эти соединения являются бесцветными жидкостями или кристаллическими веществами; они нестабильны и взрывчаты. В молекулах пероксикарбоновых кислот образуется внутримолекулярная водородная связь: - O R C O H O Это является одной из причин значительно меньшей кислотности пероксикарбоновых кислот по сравнению с карбоновыми. Другой, более существенной причиной их низких кислотных свойств является меньшая полярность связи О–Н, и в анионе невозможна такая делокализация отрицательного заряда, как в карбоксилат-ионе: O R C O R C O-O-H O-O + H+ При нагревании пероксикарбоновых кислот и ацилпероксидов происходит их быстрое разложение, иногда со взрывом. Разложение начинается с 294 гомолитического разрыва кислород-кислородной связи и образования свободных радикалов: O R C t O o R C O-O-H O O R C O-O C R t + . OH . O O o 2 R C O., которые претерпевают дальнейшие превращения. В частности, ацилоксирадикал может декарбоксилировать, как в реакции Кольбе (гл. 6.4.4.4), с образованием алканов, сложных эфиров. Гидроксил-радикал может быть источником выделения кислорода, а при взаимодействии с продуктом декарбоксилирования ацилокси-радикала могут образовываться спирты, он может также вызывать реакции окисления по углеводородному фрагменту исходных веществ и т.д. В присутствии воды ацилпероксиды также разлагаются с образованием пероксикарбоновой и карбоновой кислот: O O R C O-O C R O R C + H2O + O-O-H O R C O-H Реакция протекает, вероятно, по механизму, аналогичному гидролизу ангидридов карбоновых кислот. Очень часто в реакциях пероксикарбоновые кислоты выступают в роли окислителя. Для алкенов известна реакция Прилежаева (гл. 4.1.4.3) — окисление до эпоксисоединений, протекающее под действием пероксикислот. Эта реакция начинается как радикальное присоединение, за которым следует ионная перегруппировка: R R O C R C C O H R R O R H C=C + R' C O R R O R C O C R R R . R C + . O C R' C OH R R R 295 + R'COOH O O R R R R O C C C O H R R O Кроме этого, пероксикарбоновые кислоты окисляют сульфиды до сульфонов, амины до N-оксидов и азосоединений, фосфины до фосфиноксидов и др. Ацилпероксиды широко используются для инициирования реакций с участием свободных радикалов — радикальное присоединение к алкенам, радикальная полимеризация и т. п. в связи с тем, что легко подвергаются гомолитической диссоциации — см. выше. Получают пероксикарбоновые кислоты и ацилгалогениды при действии на ангидриды или галогенангидриды карбоновых кислот пероксида водорода по следующим схемам: O R C O R C X X + O + H-O-O-H R C + HX O O R C O-O C R O R C O-O-H O-O-H + HX Кроме того, пероксикарбоновые кислоты могут быть получены окислением альдегидов сухим кислородом при пониженных температурах (-10 -20С): O R C O O2 R C H O-O-H 6.4.7. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Введение карбоксильной группы в молекулу вещества, как правило, снижает его физиологическую активность и токсичность. Применение самих органических кислот в качестве лекарственных веществ крайне ограничено вследствие их малой биологической активности. Производные алифатических карбоновых кислот широко распространены в природе и входят в состав пищевых продуктов, в частности — жиров. Физиологическая активность кислот с разветвлѐнной цепью выше, чем у кислот нормального строения. Карбоновые кислоты находят применение в фармацевтическом анализе. В медицинской практике используются некоторые соли органических кислот (ацетат калия, лактаты кальция и железа, цитраты натрия и меди, глюконат кальция), их эфиры и амиды. Большое значение имеют эфиры дифенилуксусной и дифенилпропионовой кислот с алкиламиноспиртами. На их основе созданы многочисленные спазмолитические средства (спазмолитин, апрофен и др.). 296 Муравьиная кислота (метановая) — бесцветная жидкость с острым запахом. В промышленности еѐ получают из гидроксида натрия и монооксида углерода нагреванием под давлением (102С, 0.51.0 МПа): H SO 4 HCOОН NaOH + CO HCOONa 2 В молекуле муравьиной кислоты, в отличие от молекул других кислот, имеется структурный фрагмент, общий для всех альдегидов: O H C В связи с этим для муравьиной кислоты характерны некоторые свойства альдегидов, в частности качественная реакция на альдегидную группу (гл. 6.1.4.3). Особенностью химического поведения муравьиной кислоты является и еѐ разложение при взаимодействии с концентрированной серной кислотой: H SO 4 CO + Н О HCOOН 2 2 Муравьиная кислота содержится в крапиве и выделениях муравьѐв; оказывает раздражающее действие на кожу, может вызвать ожоги. Используют для получения формамида, диметилформамида, щавелевой кислоты и других продуктов органического синтеза. Уксусная кислота — бесцветная жидкость с температурой кипения 108С и острым запахом; неограниченно смешивается с водой. В промышленности получают каталитическим окислением бутана или этилена, или каталитической гидратацией ацетилена, или карбонилированием метанола. Применяется в качестве растворителя и в качестве исходного вещества для синтеза многих своих производных. Используется для консервирования пищевых продуктов. В медицине применяется в виде солей: CH3COOK — диуретическое средство, (CH3COO)2Pb3H2O — вяжущее средство, применяющееся при воспалении кожи и слизистых оболочек. Для обнаружения уксусной кислоты используют какодиловую пробу: при нагревании ацетата калия с оксидом мышьяка (III) образуется тетраметилдиарсиноксид («окись какодила»), представляющий собой жидкость с отвратительным характерным запахом: As2O3 + 4 CH3COOK H3C As-O-As H3C CH3 CH3 тетраметилдиарсиноксид («окись какодила») 297 + 2 K2CO3 + 2 CO2 Масляная кислота — бесцветная жидкость с температурой кипения 164С и острым неприятным запахом. Получают окислением бутан-1-ола или карбонилированием пропан-1ола. Применяется для получения сложных эфиров с ароматным запахом. Изовалериановая кислота — бесцветная жидкость с температурой кипения 177С и острым своеобразным запахом (валерианы). Получают окислением изоамилового спирта или карбонилированием изобутилового спирта. Применяется для синтеза веществ, используемых в фармацевтической и парфюмерной промышленности. Пальмитиновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Широко распространена в природе, в виде сложных эфиров входит в состав жиров. Получают щелочным гидролизом жиров. Еѐ производные используются в качестве моющих средств. Стеариновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество со слабым запахом стеарина, нерастворимое в воде. В виде сложных эфиров входит в состав жиров. Получают щелочным гидролизом жиров. Используют в производстве свечей, мыла, других поверхностно-активных веществ. Мыла представляют натриевые или калиевые соли (твѐрдые или жидкие соответственно) высших карбоновых кислот С12–С18 (главным образом стеариновой и пальмитиновой). Мыла и другие поверхностно-активные вещества (ПАВ) в воде образуют коллоидные растворы, в которых гидрофобные остатки молекул направлены внутрь растворѐнных частиц, а гидрофильные участки — наружу, т.е. обращены к окружающей данную частицу воде. Частицы жира и других гидрофобных загрязнений входят в такую растворѐнную в воде частицу мыла, увлекаются ею и удаляются. Это происходит в процессе мытья посуды, других поверхностей, стирки белья и проч. Ацетилхлорид — бесцветная жидкость с резким запахом, на воздухе дымит, кипит при 52С. Используют в органическом синтезе для введения ацетильной группы. Уксусный ангидрид — бесцветная жидкость с острым запахом, кипит при 139С. Реагирует с водой с образованием уксусной кислоты. В промышленности получают взаимодействием кетена с уксусной кислотой или каталитическим окислением ацетальдегида. Используют в качестве ацетилирующего реагента. Этилацетат — бесцветная жидкость с приятным запахом. Температура кипения 77С. Ограниченно растворим в воде. 298 В промышленности получают из уксусной кислоты и этанола. Широко применяют в качестве растворителя, для изготовления лаков. Используют в парфюмерной промышленности. Бутилацетат — бесцветная жидкость с приятным запахом. Температура кипения 126С. Малорастворим в воде. Получают из уксусной кислоты и бутан-1-ола. Используют в лакокрасочной промышленности. Ацетилхолин [(CH3)3NCH2CH2OCOCH3]+OH — уксуснокислый эфир холина (гл. 3.7.5). Он играет важную роль в физиологии, поскольку является нейрогормоном, отвечающим за передачу импульсов от нервных окончаний к мышечным волокнам. Формамид — бесцветная гигроскопическая жидкость. Температура кипения 211С. Смешивается с водой и спиртами. Получают из метилформиата и аммиака. Применяют в качестве растворителя и исходного в органическом синтезе. N,N-Диметилформамид (ДМФА) — бесцветная жидкость со слабым запахом. Температура кипения 153С. Смешивается с водой и органическими растворителями. В промышленности получают в больших количествах из диметиламина и монооксида углерода. Применяют в качестве растворителя. Ацетонитрил — бесцветная жидкость со слабым запахом. Температура кипения 82С. Смешивается с водой и органическими растворителями. В промышленности получают из уксусной кислоты и аммиака. Применяют в качестве растворителя. Пероксиуксусная кислота (перуксусная, надуксусная кислота) — бесцветная жидкость, хорошо растворимая в воде и органических растворителях. При 110С разлагается со взрывом. Еѐ используют в качестве сильного и специфического окислителя. Пероксиуксусную кислоту получают окислением уксусного альдегида кислородом, а еѐ растворы в уксусной кислоте получают взаимодействием уксусного ангидрида с 30%-м раствором Н2О2. 6.5. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ МОНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ В молекулах непредельных монокарбоновых кислот углеводородный радикал содержит одну или несколько кратных связей. Так же, как и предельные кислоты, эти соединения образуют производные (соли, сложные эфиры, ангидриды, нитрилы и др.), свойства которых соответствуют свойствам их предельных аналогов. Поэтому здесь будут рассмотрены только особенности строения и химического поведения непредельных кислот, вызванные наличием в их молекулах кратных связей. 299 6.5.1. НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ Тривиальные названия известны для многих низших ненасыщенных кислот. Для некоторых из них эти названия приведены в табл. 6.4. Здесь же имеются и тривиальные названия ацилов и ацилатов, использующиеся для составления названий производных кислот. Рациональная номенклатура используется редко: непредельные кислоты называются как замещѐнные уксусные, акриловые или пропиоловые кислоты. В названиях кислот по заместительной номенклатуре название ненасыщенного углеводорода, лежащего в основе родоначальной структуры, должно содержать суффиксы -ен или -ин: СН2=СН-СООН — пропеновая кислота, СН3-СН=СН-СООН — бут-2-еновая кислота, CHC-COOH — пропиновая кислота. Для непредельных кислот, содержащих в своих молекулах одну или несколько двойных связей, характерно явление геометрической изомерии. Так, кротоновой кислоте (транс-изомер) изомерна изокротоновая (цисизомер), а олеиновая (цис-изомер) изомерна элаидиновой (транс-изомер). 300 Таблица 6.4 Тривиальные названия непредельных монокарбоновых кислот и их производных Формула кислоты СH2=СН-COOH Название кислоты Название ацила O R C Название ацилата R-CОО акриловая акрилоил акрилат метакриловая метакрилоил метакрилат кротоновая кротоноил кротоноат изокротоновая изокротонил изокротонат CHC-COOH пропиоловая пропиоил пропиолат H H C=C (H2C)7 (CH2)7-COOH олеиновая олеил олеат элаидиновая элаидиноил элаидиноат линолевая линолеил линолеат линоленовая линоленоил линоленоат арахидоновая арахидоноил арахидоноат CH3 CH2=C-COOH H3C H C=C COOH H H H C=C COOH H3C CH3 CH3 (H2C)7 H C=C H (CH2)7-COOH H H C=C (CH2)7-COOH H 2C (CH2)4-CH3 C=C H H C H H H C=C CH2 (CH2)7-COOH C CH 2 C2H5 H C=C H H H H C=C (CH2)3-COOH H CH2 C H3C-(H2C)4 H C C CH2 H CH2 C H C=C H H 301 6.5.2. СТРОЕНИЕ В молекуле акриловой кислоты O = CH2 = CH C O H , так же, как и в молекулах других ,-ненасыщенных карбоновых кислот (например, метакриловой, кротоновой, пропиоловой), имеется --сопряжѐнная система. За счѐт этого происходит поляризация C=С-связи. У непредельных кислот, в которых кратная углерод-углеродная связь отделена от карбоксильной группы насыщенным атомом углерода, сопряжения не происходит, и взаимодействие C=С-связи и СООН-группы возможно только посредством индуктивного эффекта. 6.5.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Непредельные кислоты, в которых кратная связь удалена от карбоксильной группы, обладают всеми свойствами алкенов (алкинов) и карбоновых кислот. Наличие сопряжѐнного фрагмента в молекулах ,-ненасыщенных кислот приводит к некоторым особенностям химического поведения таких соединений. 6.5.3.1. Кислотность Кислоты с --сопряжѐнным фрагментом являются более сильными кислотами по сравнению с насыщенными. Значение рКа для акриловой кислоты 4.25 (сравните: для пропионовой — 4.87, для уксусной — 4.76). Это объясняется устойчивостью аниона кислотного остатка непредельной кислоты, в котором отрицательный заряд делокализован с участием -электронов двойной (или тройной) углерод-углеродной связи: 1/21/2 O CH2=CH C = O O CH2=CH C O -CH 2 O. CH=C O. 6.5.3.2. Реакции присоединения Реакции присоединения непредельных кислоты аналогичны непредельным альдегидам и идѐт преимущественно по нуклеофильному пути, хотя реакция может начинаться при электрофильном содействии протона. Таким 302 образом, они легко взаимодействуют со многими полярными системами, при этом отрицательная часть реагента присоединяется к -углеродному атому. Например: O CH2=CH C = OH O = BrCH2-CH2-C OH HBr O = HO-CH2-CH2-C OH H2O C2H5OH O C2H5O-CH2-CH2-C = OH O H2N-CH2-CH2-C = OH NH3 6.5.3.3. Реакции радикального замещения В реакции радикального замещения должны легко вступать полиненасыщенные карбоновые кислоты, в молекулах которых двойные (или тройные) связи разделены одним насыщенным атомом углерода. К таким соединениям относятся и некоторые высшие непредельные кислоты, имеющие очень большое значение для жизнедеятельности организмов, такие как линолевая, линоленовая, арахидоновая (табл. 6.4). В результате отрыва атома водорода от метиленовой группы, расположенной между двойными связями, образуется свободный радикал, стабилизированный -р--сопряжением (подчѐркнуто). Например: CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH + X CH3-(CH2)4-CH=CH-ĊH-CH=CH-(CH2)7-COOH + HX Образование таких радикалов связано с регулированием биологического окисления в организмах. 6.5.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Для получения ненасыщенных карбоновых кислот можно использовать такие же способы, что и для насыщенных кислот, а также способы образования кратной связи в молекулах насыщенных соединений. 303 В частности, ,-ненасыщенные кислоты легко образуются при нагревании замещѐнных карбоновых кислот, содержащих у -углеродного атома такие функциональные группы, как -ОН, -Cl, -Br, -NH2. Эти реакции являются обратными по отношению к рассмотренным в свойствах (в предыдущей главе) реакциям присоединения. Относительная лѐгкость протекания реакции связана с большей подвижностью -водородного атома по сравнению с незамещѐнными кислотами за счѐт влияния электроноакцепторной группы Х и образованием сопряжѐнной системы -связей в конечном продукте. Поэтому механизм реакции можно представить следующим образом: H2C X: O = CH C OH H CH2 + O = CH-C OH - - HX O CH2=CH-C = OH XH 6.5.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Биологическая активность непредельных карбоновых кислот значительно выше, чем у предельных кислот, как и у всех непредельных соединений. Среди ненасыщенных высших алифатических кислот три кислоты (линолевая, линоленовая и арахидоновая) не синтезируются в организме человека, но являются необходимыми для его нормальной жизнедеятельности. Эти кислоты называют незаменимыми жирными кислотами и иногда относят к группе витаминов под названием витамина F. Незаменимые жирные кислоты участвуют в животном организме в окислении насыщенных жирных кислот, принимая участие тем самым в процессе усвоения жиров и в жировом обмене кожных покровов. Биологическая активность арахидоновой кислоты выше биологической активности линолевой и линоленовой кислот в 10 раз. Линолевая и линоленовая кислоты содержатся в растительных маслах в виде триглицеридов, а в некоторых животных продуктах в виде фосфолипидов (гл. 6.5.6). Арахидоновая кислота встречается только в животных жирах. Полноценная пища должна иметь в своѐм составе 0.1% арахидоновой кислоты или 1% линолевой и линоленовой кислот. Акриловая кислота — бесцветная жидкость с острым запахом, хорошо растворима в воде. Температура кипения 141С. Еѐ получают каталитическим окислением пропена или карбонилированием ацетилена в присутствии воды и карбонилов никеля. 304 Акриловая кислота и еѐ производные применяются в промышленности полимерных материалов, в частности, полиакрилонитрил — основа волокна нитрон, используемого для производства лечебного белья -CH2-CHCN n полиакрилонитрил, а также как исходные вещества для разнообразных органических синтезов. Метакриловая кислота — бесцветная жидкость с температурой кипения 160С. В промышленности метакриловую кислоту и еѐ производные получают присоединением циановодорода к ацетону. В промышленности полимерных материалов применяется еѐ метиловый эфир для получения полиметилметакрилата (плексигласа). Полиметилметакрилат — прозрачный пластический материал, обладающий значительной механической прочностью и устойчивостью к действию химических реагентов. Его мировое производство превышает 1 млн т в год и будет в дальнейшем существенно расти. Олеиновая кислота — маслянистая бесцветная жидкость с температурой кипения 223С при 13.3 кПа; в виде сложных эфиров глицерина входит в состав растительных масел (особенно много в оливковом). Получают гидролизом растительных масел. Сложные эфиры олеиновой кислоты используют в производстве лаков и красок. Линолевая кислота — бесцветная маслянистая жидкость с температурой кипения 230С при 2.13 кПа; в виде сложных эфиров глицерина входит в состав растительных масел (в соевое и конопляное). Получают гидролизом растительных масел. Сложные эфиры линолевой кислоты используют в производстве лаков, красок, эмалей. Линоленовая кислота — бесцветная маслянистая жидкость с температурой кипения 503 К при 2.27 кПа; в виде сложных эфиров глицерина входит в состав растительных масел (в льняное). Получают гидролизом растительных масел. Сложные эфиры линоленовой кислоты используют в производстве лаков и красок. 6.5.6. ОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ Липиды — большая группа веществ природного происхождения, не растворимых в воде и растворимых в малополярных растворителях. Липиды 305 играют большую роль в жизнедеятельности различных организмов: они являются основной составной частью клеточных мембран, играют защитную роль и служат формой, в виде которой организм запасает энергию. По способности к гидролизу липиды делят на омыляемые и неомыляемые. Неомыляемые липиды являются представителями негидролизующихся классов соединений: стероидов (гл. 8.7), терпенов и каротиноидов (гл. 8.5). Омыляемые липиды могут быть простыми и сложными в зависимости от структурного состава их молекул. Простые омыляемые липиды представляют собой сложные эфиры высших карбоновых кислот и либо высших одноатомных спиртов (вóски), либо глицерина (жиры). Сложные липиды в своѐм составе могут содержать структурные компоненты фосфорной кислоты, аминоспиртов и некоторых других соединений. Воски — смесь сложных эфиров с общей формулой R-COO-R, где R = от С15Н31 до С35Н71, R = С12Н25 до С46Н93. Это пчелиный воск, шерстяной (шерстный) воск, ланолин, спермацет и др. Они образуют защитную смазку на коже человека и животных и предохраняют растения от высыхания. Жиры представляют собой смесь сложных эфиров предельных и непредельных карбоновых кислот и глицерина, общая формула таких триацилглицеринов O CH2 O C R O HC O C R' O CH2 O C R" В жирах животного происхождения преобладают остатки насыщенных кислот (главным образом пальмитиновой и стеариновой). Они, как правило, являются твѐрдыми веществами. Напротив, растительные жиры (их чаще называют маслами) содержат в основном остатки ненасыщенных кислот (олеиновой, линолевой, линоленовой и арахидоновой). Однако в состав природных жиров и масел могут входить остатки карбоновых кислот с более короткой цепью (табл. 6.5). В систематических названиях жиров допускается использование тривиальных названий остатков карбоновых кислот и глицерина, например, глицерин-1-олеат-2,3-дипальмитат. Применяются также и полутривиальные названия жиров как триацилглицеринов, например, 1-олеил-2,3дипальмитилглицерин. 306 Таблица 6.5 Содержание высших карбоновых кислот в природных жирах Жиры и масла Говяжий Бараний Свиной Сливочное Подсолнечное Оливковое Кукурузное Соевое Льняное Конопляное Кедровое Хлопковое Пальмовое пальмитиновая 24–29 23–30 27–30 24–29 4–9 7–20 7–11 2–7 6–10 6–10 — 20–25 39–47 стеариновая 21–25 20–32 13–18 9–13 2–5 2–3 2–5 4–7 — 2–6 — 2 — Кислоты (масс. доля, %) линолеолеиновая линолевая новая 41–42 2–5 <1 35–41 3–4 — 37–44 6–9 1 10–34 2–5 — 24–40 46–72 1 54–81 7–15 — 44–45 40–56 — 20–30 44–60 3–6 13–29 15–30 44–61 6–16 36–60 15–28 11–22 53–59 17–25 30–35 40–48 — 37–43 5–18 — другие 5–6 14–16 2 12–21 2 0,5 до 2 до 12 — — — 1 — Жирам присущи все химические свойства сложных эфиров, а при наличии в их молекулах остатков ненасыщенных кислот — и свойства непредельных соединений. Своеобразным показателем ненасыщенности природных жиров является йодное число — масса йода, способного присоединиться к 100 г вещества. В связи с тем, что твѐрдых жиров не хватает для пищевых и технических целей, большое промышленное значение приобрело каталитическое гидрирование (гидрогенизация) ненасыщенных связей более дешѐвых жидких жиров (никелевый катализатор, 160200С, 0.21.5 МПа). При этом жидкие ненасыщенные жиры переходят в твѐрдые насыщенные. Например, остаток линолевой кислоты превращается во фрагмент стеариновой: O CH2 O C (CH2)7-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)4-CH3 O HC O C R' O CH2 O C R" O CH2 O C (CH2)16-CH3 O HC O C R' O CH2 O C R" 307 + 2H2 / p, T Реакция гидрирования сопровождается изомеризацией цис-изомерных природных ненасыщенных кислот в транс-изомеры (например, олеиновой кислоты в элаидиновую), а также миграцией двойной связи, приводящей к превращению, например, олеиновой кислоты в изоолеиновые кислоты: СН3-(СН2)10-СН=СН-(СН2)4-СООН октадец-6-еновая кислота СН3-(СН2)5-СН=СН-(СН2)9-СООН октадец-11-еновая кислота Продукты гидрогенизации жиров (саломасы) представляют собой смеси твѐрдых триглицеридов насыщенных и ненасыщенных кислот. В небольших количествах саломасы содержат в себе свободные высшие карбоновые кислоты, продукты их распада, моно- и диглицериды, неомыляемые вещества и др. Пищевые саломасы применяют для выработки маргаринов, кондитерских и кулинарных жиров; технические — для получения туалетного и хозяйственного мыла, стеарина и др. Омыляемые сложные липиды представлены тремя большими группами: фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды. Фосфолипиды — это главным образом глицерофосфолипиды, т.е. производные 1,2-диацилглицеро-3-фосфата (природные глицерофосфолипиды имеют L-конфигурацию). Как правило, в природных глицерофосфолипидах в положении 1 глицериновой цепи находится остаток насыщенной, в положении 2 — остаток ненасыщенной кислот, а один из гидроксилов фосфорной кислоты этерифицирован многоатомным спиртом или аминоспиртом (X — спиртовый остаток). Природными фосфолипидами являются фосфатидилэтаноламин (кефалин), фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилсерин и некоторые другие: O O H2C O C R 2 R' C O 3 * H O H2C O P O X HO 1 X = -CH2CH2NH2 — кефалин -CH2CH2N(CH3)3— лецитин -CH2-CH-NH2 COOH — фосфатидилсерин Они являются главным липидным компонентом клеточных мембран. В результате межмолекулярных взаимодействий, удерживающих друг возле друга углеводородные радикалы, образуется внутренний гидрофобный слой мембраны. Гидрофильные фрагменты, расположенные на внешней поверхности мембраны, образуют гидрофильный слой. 308 Сфинголипиды — структурные аналоги глицерофосфолипидов, в молекулы которых вместо глицерина входит сфингозин — ненасыщенный двухатомный аминоспирт. CH2OH H NH2 H OH CH=CH-(CH2)12-CH3 сфингозин Гликолипиды содержат остатки углеводов и не содержат фосфорную кислоту. Некоторые сфинголипиды и гликолипиды (такие, как сфингомиелины, цереброзиды, ганглиозиды) входят в состав нервных тканей. 6.6. ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ Молекулы карбоновых кислот могут содержать несколько карбоксильных групп. Количество карбоксильных групп определяет их основность. Встречаются одно-, двух-, трѐх- и т.д. основные кислоты. В молекулах дикарбоновых кислот имеется две карбоксильные группы. Их общую формулу можно представить следующим образом: HООC-R-CООH где R — двухвалентный углеводородный радикал Поэтому эти соединения могут образовывать два ряда производных: как по одной, так и по другой карбоксильной группе. В табл. 6.6 приведены тривиальные названия нескольких первых представителей дикарбоновых кислот, а также названия ацилов и ацилатов, использующиеся для составления названий производных кислот. Малеиновая и фумаровая кислоты являются геометрическими изомерами и заметно различаются по своим физическим и химическим свойствам. Заместительная номенклатура дикарбоновых кислот аналогична номенклатуре монокарбоновых кислот. Однако необходимо учитывать старшинство функциональных групп (гл. 1.5.1) при названии смешанных производных (соли, кислые и средние, называются аналогично неорганическим солям). Например: HООC–СН2–CООNa — 3-гидрокси-3-оксопропаноат натрия (или пропандиоат натрия-водорода), HООC–СН2–СН2–CОCl — 4-оксо-4-хлорбутановая кислота. 309 Таблица 6.6 Тривиальные названия некоторых дикарбоновых кислот и соответствующих ацилов и ацилатов Формула кислоты HООС-COOH HООC-СН2-CООH HООC–(СН2)2–CООH HООC–(СН2)3–CООH HООC–(СН2)4–CООH H H C=C Название ацилата ООС-R-COO щавелевая малоновая янтарная глутаровая адипиновая оксалил малонил сукцинил глутароил адипиноил оксалат малонат сукцинат глутарат адипинат малеиновая малеинил малеинат фумаровая фумароил фумарат COOH COOH HOOC H C=C HOOC Название ацила O O C-R-C = = Название кислоты H 6.6.1. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ Дикарбоновые кислоты проявляют те же химические свойства, что и монокарбоновые кислоты, то есть их можно превратить в соли, галогенангидриды, ангидриды, амиды, сложные эфиры, нитрилы. Однако в отличие от монокарбоновых кислот дикарбоновые кислоты могут образовывать функциональные производные с участием одновременно обеих карбоксильных групп (внутренние соли, циклические ангидриды, имиды и др.). Поэтому в ряду дикарбоновых кислот производные можно получить как по одной, так и по обеим карбоксильным группировкам. 6.6.1.1. Кислотность Двухосновные кислоты, особенно первые представители, проявляют более выраженные кислотные свойства, чем монокарбоновые кислоты. Они диссоциируют в две стадии и характеризуются двумя константами кислотности: HOOC-R-COOH K a1 -H - + HOOC-R-COO 310 - K a2 -H + - OOC-R-COO Константы диссоциации этих кислот по первой ступени Ка1 выше, чем Ка монокарбоновых кислот (или, что то же самое, рКа1 дикарбоновых кислот меньше рКа монокарбоновых). Это объясняется присутствием второй карбоксильной группы, проявляющей электроноакцепторные свойства: –I-эффект второй карбоксильной группы увеличивает подвижность протона на первой стуO O пени диссоциации, а также стабилизирует карбоксилатC C= анион. Эта стабилизация увеличивается ещѐ и благодаря O :O возможности образования внутримолекулярной водородH ной связи, что особенно характерно для щавелевой и малоновой кислот. Однако величина индуктивного эффекта быстро падает по мере того, как карбоксильные группы оказываются разделѐнными более чем одним насыщенным атомом углерода. Для щавелевой кислоты рКа1 1.26, рКа2 4.27, для малоновой — рКа1 2.87, рКа2 5.7, для янтарной — рКа1 4.16, рКа2 5.61. Кислотность таких непредельных кислот, как малеиновая и фумаровая, являющихся геометрическими изомерами, сильно различается. Так, малеиновая кислота (цис-изомер), являясь аналогом янтарной (насыщенной) кислоты, значительно превосходит еѐ по кислотным свойствам уже на первой ступени диссоциации. Более того, она легче диссоциирует по первой ступени, чем такие кислоты, как фумаровая (транс-изомер) и малоновая (насыщенная). Однако на второй стадии процесса диссоциации фумаровая кислота оказывается сильнее малеиновой: отрыв второго протона от молекулы малеиновой кислоты сильно затруднѐн. = HC = CH HOOC pK a1=1,92 -H COOH + HC = CH C=O O=C HC = CH pK a2= 6,23 -H - + OOC - O-H :O малеиновая кислота HOOC HC = CH pK a1=3,09 -H - COO + - OOC HOOC HC = CH pK a2= 4,38 - COO COOH фумаровая кислота -H + HC = CH - COO Значительное различие в кислотности малеиновой и фумаровой кислот связано с возникновением в моноанионе малеиновой кислоты внутримолекулярной водородной связи, приводящей к его дополнительной стабилизации. Это затрудняет отрыв протона от этого моноаниона, это также уменьшает стабильность дианиона. Бóльшая по сравнению с насыщенными аналогами кислотность непредельных кислот (как малеиновой, так и фумаровой) связана с наличием в мо311 ноанионе более длинного сопряжѐнного фрагмента, включающего двойную углерод-углеродную связь и способствующего более полной делокализации отрицательного заряда. 6.6.1.2. Отношение к нагреванию Поведение дикарбоновых кислот при нагревании определяется взаимным положением карбоксильных групп в молекуле: а) щавелевая и малоновая кислоты при нагревании претерпевают декарбоксилирование с образованием одноосновных кислот: 180 С НСООН + СО НООС-CООН 160 2 муравьиная кислота 160 С СН СООН + СО НООС-СН2-CООН 140 3 2 уксусная кислота Механизм процесса связан с образованием устойчивого пяти- или шестичленного цикла, в рамках которого происходит перенос электронов. Например, для малоновой кислоты: = O C HO .... H CH2 O: C=O OH - CO2 HOOC - CH3 HO - C=CH2 . Однако щавелевая кислота при нагревании в присутствии концентрированной серной распадается дальше, в результате образуются оксиды углерода: НООС-CООН H SO4 2 СО2 + СО + Н2О А малоновая кислота при нагревании с фосфорным ангидридом образует диоксид триуглерода С3О2 — соединение, известное под тривиальным названием «недокись углерода» и относящееся к кетенам, но по химической природе его можно считать внутренним ангидридом малоновой кислоты: НООС-СН2-CООН P2O5 О=С=С=С=О + Н2О б) при нагревании янтарной и глутаровой кислот получаются внутренние циклические ангидриды. Например, для янтарной кислоты: CH2 COOH o t - H2O 312 O CH2 C = O CH2 C O = CH2 COOH Причинами этого являются пространственное сближение реагирующих групп и образование в качестве конечных продуктов устойчивых (пяти- и шестичленных) циклов с -р--сопряжѐнным фрагментом. Поэтому механизм реакции можно представить в следующем виде: O C - OH CH2 CH2 O = C OH - CH2 C + O + H O = H CH2 C CH2 C O O: - H2O CH C CH2 C 2 O O O OH O CH2 C - = O-H = = O Аналогично протекает и ангидридизация малеиновой кислоты; при нагревании эта кислота легко отщепляет воду: = = CH COOH t - H2O O = CH C O CH C O = CH COOH o в) адипиновая и высшие кислоты подвергаются одновременно дегидратации и декарбоксилированию, превращаясь в циклические кетоны: CH2-CH2-COOH CH2-CH2-COOH o t - H2O - CO2 CH2 CH2 C=O CH2 CH2 Механизм дегидратации, а затем декарбоксилирования такой же, как и в аналогичных процессах, рассмотренных выше для янтарной и малоновой кислот. 6.6.1.3. Свойства циклических ангидридов и имидов Циклические ангидриды дикарбоновых кислот — это, прежде всего, ангидриды янтарной и глутаровой (а также малеиновой) кислот. Циклические ангидриды обладают всеми свойствами ангидридов карбоновых кислот, но при этом могут наблюдаться некоторые особенности их поведения. Так, при эквимолекулярном соотношении реагентов образуются новые ацильные производные по одному из карбонильных атомов углерода. Взаимодействие со спиртами или аммиаком приводит соответственно кислые эфиры или неполные амиды (на примере янтарного ангидрида): 313 O CH2 C = O CH2 C O C2H5OH H5C2OOC-CH2-CH2-COOH NH3 H2N-CO-CH2-CH2-COOH = Взаимодействие протекает аналогично ангидридам монокарбоновых кислот (гл. 6.4.4). Механизм реакции — такой же, как и для всех ацильных производных карбоновых кислот. При использовании избытка нуклеофильных реагентов образуются новые ацильные производные по обоим карбонильным атомам углерода, например: O = CH2 C O CH2 C O 2C2H5OH /H 2NH3 + H5C2OOC-CH2-CH2-COOC2H5 + H2N-OC-CH2-CH2-COO NH4 = А при нагревании с аммиаком (достаточно эквимолярного соотношения) янтарный ангидрид может быть превращѐн в сукцинимид — имид янтарной кислоты: :NH3 CH2 O C - NH2 C - OH- = = = = CH2 t o + NH3 CH2 C O CH2 C O O O CH2 C = + H N H CH2 C OH :O O H CH2 C = + NH2 CH C - O:2 = O = CH2 C O CH2 C O - O O CH2 C = NH CH2 C O = O Сукцинимид обладает кислотными свойствами благодаря увеличению полярности связи N–Н за счѐт сопряжения неподелѐнной пары электронов азота с двумя -связями C=О-групп и уменьшения электронной плотности на атоме азота. Кислотные свойства проявляются в образовании солей со щелочами на холоду, а при нагревании с водными щелочами протекает гидролиз с образованием соответствующих солей дикарбоновой кислоты: 314 CH2 KOH CH2 = KOH, t = O CH2 C = :N H CH2 C O O = C - + N K C O o KOOC-CH2-CH2-COOK Подвижность имидного атома водорода проявляется в реакции с бромом, приводящей к образованию N-бромсукцинимида: O Br2 CH2 C = NH - HBr CH2 C O O CH2 C = N-Br CH2 C O = = 6.6.1.4. Конденсация малоновой кислоты с альдегидами Атомы водорода метиленовой группы СН2 под влиянием электроноакцепторных эффектов двух карбоксильных групп обладают большей подвижностью, чем в одноосновных, и могут вступать в реакции конденсации (типа альдольной) и замещения: R H COOH H C=O + :CH COOH OH COOH R-CH-CH COOH COOH - H2O R-CH=C COOH COOH H :CH COOH - H2O HOOC R COOH CH-CH-CH HOOC COOH Механизм первой реакции — нуклеофильное присоединение к альдегиду. Затем, если реагенты взяты в эквимолярных соотношениях, то сразу же протекает отщепление молекулы воды с образованием алкилиденмалоновой кислоты (конденсация Кнѐвенагеля*), а если взаимодействие протекает в избытке малоновой кислоты, то наблюдается нуклеофильное замещение гидроксильной группы с образованием тетракарбоновой кислоты. 6.6.2. МАЛОНОВЫЙ ЭФИР И СИНТЕЗЫ НА ЕГО ОСНОВЕ Малоновый эфир — это тривиальное название диэтилового эфира малоновой кислоты. Присутствие двух электроноакцепторных этоксикарбо315 COOC2H5 - C2H5O Na - C2H5OH CH2 COOC2H5 + COOC2H5 - - O C-OC2H5 Na :CH = = нильных групп в малоновом эфире увелиO H O чивает подвижность атомов водорода метиC C леновой группы, так же как и в малоновой C OC2H5 H5C2O кислоте, и в рассмотренном ранее ацетилH ацетоне (гл. 6.3.2). Малоновый эфир и малоновая кислота относятся к -дикарбонильным соединениям. Но в отличие от молекулы малоновой кислоты в эфире отсутствуют легко диссоциирующие карбоксильные группы, поэтому при действии натрия или алкоголята натрия происходит замещение -водородных атомов металлом — образуется натриймалоновый эфир: + CH COOC2H5 Na + O C-OC2H5 Образующийся анион малонового эфира стабилизирован делокализацией отрицательного заряда с участием двух -связей C=O-групп. Именно поэтому малоновый эфир является более сильной кислотой, чем этанол. Анион малонового эфира обладает высокой нуклеофильностью и вступает в реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода. Это свойство используется для получения разнообразных алкил- и диалкилзамещѐнных малоновых эфиров: COOC2H5 Na + R Br - NaBr HC: Na + R-C: - + C2H5O Na - C2H5OH CH-R COOC2H5 COOC2H5 COOC2H5 COOC2H5 COOC2H5 R' Br - NaBr R-C-R' COOC2H5 COOC2H5 , что лежит в основе синтеза Конрада*, широко применяемого для превращения малонового эфира в моно- и дикарбоновые кислоты. Синтез монокарбоновых кислот Синтез одноосновной кислоты из малонового эфира может быть представлен следующей схемой: 316 С H ONa H5C2OOC-CH2-COOC2H5 2 5 [H5C2OOC-CH-COOC2H5]¯ Na+ С H ONa RBr H5C2OOC-CHR-COOC2H5 2 5 [H5C2OOC-CR-COOC2H5]¯ Na+ R'Br H5C2OOC-CRR’-COOC2H5 С H O / H , t RR’CH-COOH + CO2 2 HOOC-CRR’-COOH 130 Для решения задачи необходимо представить название целевой кислоты по рациональной номенклатуре как замещѐнной уксусной, например: диалкилуксусная кислота. Поскольку фрагмент уксусной кислоты в целевой кислоте вносится из малонового эфира, то, следовательно, достроить углеродную цепь до необходимой длины нужно введением соответствующих алкильных группировок R и R : R CH COOH H5C2OOC CH2 COOC2H5 R' Реакционная способность галогеналканов в SN-реакциях снижается в ряду R-I > R-Br > R-Cl > R-F , поэтому для алкилирования предпочтительно пользоваться йодидами или бромидами. Синтез дикарбоновых кислот Синтез двухосновных кислот может проводиться тремя методами: а) с использованием двух молей малонового эфира и дигалогенопроизводного. В этом случае целесообразно в синтезируемой дикарбоновой кислоте выделить по два концевых атома углерода, приходящих в неѐ из малонового эфира, например: HOOC CH2 CH CH CH2 COOH R R' Центральная часть углеводородной цепи достраивается с помощью соответствующего дигалогенопроизводного Br–CHR–CHR–Br. Схема синтеза дикарбоновой кислоты из двух молей малонового эфира приобретает следующий вид: 2С H ONa 5 2 2 H5C2OOC-CH2-COOC2H5 Br CHR CHR Br ' 2 [H5C2OOC-CH-COOC2H5]¯ Na+ 317 H5C2OOC COOC2H5 CH-CH-CH-CH H5C2OOC R R' COOC2H5 HOOC COOH CH-CH-CH-CH HOOC R R' COOH H2O, H to + HOOC-CH2-CHR-CHR'-CH2-COOH - CO2 б) с использованием одного моля малонового эфира и эфира -галогенкарбоновой кислоты (этот метод применяется, в частности, для синтеза -замещѐнных янтарных кислот). Для решения задачи в конечном соединении выделяется фрагмент уксусной кислоты: HOOC CH2 CH COOH R Остальная часть углеродной цепи вводится с помощью соответствующего эфира -галогенкарбоновой кислоты Br–CHR–COOC2H5. Тогда схема синтеза целевой кислоты будет следующей: С H ONa H5C2OOC-CH2-COOC2H5 2 5 [H5C2OOC-CH-COOC2H5]¯ Na+ Br-CHR-COOC2H5 H5C2OOC CH-CH-COOC2H5 H5C2OOC R HOOC CH-CH-COOH HOOC R t H2O, H + o HOOC-CH2-CHR-COOH - CO2 в) с использованием двух молей малонового эфира и молекулярного йода (этот метод применяется для синтеза янтарной кислоты и еѐ ,-симдизамещѐнных гомологов). Для этого в целевой дикарбоновой кислоте необходимо выделить по два концевых атома углерода, вводимых в неѐ из малонового эфира, например: HOOC CH CH COOH R R Тогда легко видеть, что прежде чем «сшить» между собой молекулярным йодом два моля натриймалонового эфира, его необходимо проалкилировать, 318 введя радикал R. Следовательно, схема синтеза ,–диалкилянтарной кислоты приобретает вид: 2С H ONa 5 2 2 H5C2OOC-CH2-COOC2H5 2 [H5C2OOC-CH-COOC2H5] Na+ 2RBr 2С H ONa 5 2 2 H5C2OOC-CHR-COOC2H5 2 [H5C2OOC-CR-COOC2H5] Na H2O, H + HOOC COOH R-C-C-R HOOC COOH + I2 to H5C2OOC COOC2H5 R-C-C-R H5C2OOC COOC2H5 HOOC-CHR-CHR-COOH - CO2 6.6.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Дикарбоновые кислоты и их производные можно получать при помощи методов, описанных для монокарбоновых кислот. Это такие, как окисление спиртов, альдегидов, кетонов, например: ] НOCН2-(CH2)n-СН2OH [O НOOC-(CH2)n-СOOH =O [O] HOOC-CH2CH2CH2-COOH гидролиз ацильных производных, гидратация нитрилов и другие реакции по ацильной группе (для получения производных кислот), например: HO Н5С2OOC-(CH2)n-СOOC2H5 2 НOOC-(CH2)n-СOOH HO NC-(CH2)n-CN 2 НOOC-(CH2)n-СOOH металлорганический синтез — карбоксилирование реактивов Гриньяра или литийорганических соединений, например: HO 2CO 2 ClMg-OOC-(CH ) -СOO-MgCl 2 ClMg-(CH2)n-MgCl 2 n НOOC-(CH2)n-СOOH 319 Существуют и другие как общие, так и специфические способы получения дикарбоновых кислот. Это карбонилирование спиртов, синтез Конрада, щелочное плавление формиата натрия и дегидрирование формиата натрия, протекающее при 410420С (для щавелевой кислоты), окисление бензола на ванадиевом катализаторе (для малеиновой и янтарной кислот — гл. 9.5.1.4). Общим методом получения является также вариант метода Кольбе — в данном случае это электролиз щелочных растворов моноэфиров дикарбоновых кислот: 2 ROOC-(CH2)n-СOO - 2 ROOC-(CH2)n-СOO 2 е CO 2 2H O 2 HOOC-(CH ) -COOH ROOC-(CH2)2n-COOR 2 2n 6.6.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Щавелевая кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 189С. Растворяется в воде, спиртах, трудно растворима в углеводородах. Еѐ получают из формиата натрия. Используют в качестве протравы при крашении тканей и как аналитический реагент. Малоновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, температура плавления 134С (с разложением). При нагревании выше 133135С или при кипячении водных растворов легко декарбоксилируется. В промышленности малоновую кислоту получают из хлоруксусной кислоты. Применяется в органическом синтезе для получения аминокарбоновых кислот и лекарственных веществ. Широко применяется малоновый эфир. Янтарная кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 183С; растворяется в воде, спиртах. В промышленности янтарную кислоту получают гидрированием малеиновой кислоты и карбонилированием этиленгликоля. Из природных продуктов найдена в буром угле и янтаре. Широко применяется в органическом синтезе и полимерной промышленности. Адипиновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, температура плавления 149С, малорастворима в воде, лучше — в спиртах. В промышленности получают окислением циклогексанона разбавленной азотной кислотой или карбонилированием тетрагидрофурана или бутан1,4-диола. 320 Адипиновая кислота является исходным веществом для производства синтетического волокна найлон. Малеиновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, температура плавления 131С, легко растворяется в воде и спиртах. В промышленности получают окислением бензола и последующим растворением в воде малеинового ангидрида. Еѐ используют для промышленного получения янтарной, яблочной и винной кислот. Фумаровая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, температура плавления 287С, но обычно легко возгоняется без плавления, плохо растворима в воде. Синтетически фумаровую кислоту получают термической изомеризацией малеиновой кислоты. В природе встречается во многих растениях. Ацетилендикарбоновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, температура плавления 188С, растворима в воде. При кипячении водных растворов происходит декарбоксилирование и образуется пропиоловая кислота. Ацетилендикарбоновую кислоту получают дегидрогалогенированием дибромянтарной кислоты. Еѐ и особенно еѐ диметиловый эфир широко используют в органическом синтезе в качестве активного диенофила. 6.7. ГИДРОКСИКИСЛОТЫ Молекулы гидроксикислот, кроме карбоксильной группы (одной или нескольких), в углеводородном радикале содержат гидроксильные группы -ОН. 6.7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ Гидроксикислоты различают по основности (т.е. по количеству групп -СOОН) и атомности (по общему количеству ОН-групп, в том числе и входящих в карбоксильные группы). Другой способ классификации основан на отдельном подсчѐте гидроксильных и карбоксильных групп. В этом случае к гидроксикислотам относятся гидроксикарбоновые, гидроксидикарбоновые, гидрокситрикарбоновые, дигидроксикарбоновые, дигидроксидикарбоновые и т.д. Гидроксикислоты также классифицируют на -гидроксикислоты, -гидроксикислоты и т.д. в зависимости от взаимного расположения карбоксильной и гидроксильной групп (обычно это применяется для моногидроксимонокарбоновых кислот). 321 Среди низших гидроксикислот широко употребительными являются тривиальные и полутривиальные названия. Но можно давать названия и по заместительной номенклатуре. Примеры классификации и названий: а) гидроксикарбоновые кислоты (одноосновные двухатомные): HO-CH2-СOOH CH3-CH-COOH OH — гликолевая (гидроксиэтановая, оксиуксусная) — молочная (2-гидроксипропановая, -оксипропионовая) К гидроксикарбоновым кислотам можно отнести и угольную кислоту H2CO3, однако, вследствие особенностей еѐ строения, она не одноосновна, а двухосновна; б) дигидроксикарбоновые кислоты (одноосновные трѐхатомные): CH2-CH-COOH OH OH — глицериновая (2,3-дигидроксипропановая, ,-диоксипропионовая) в) гидроксидикарбоновые кислоты (двухосновные трѐхатомные): HOOC-CH2-CH-COOH OH — яблочная (2-гидроксибутандиовая, оксиянтарная) г) дигидроксидикарбоновые кислоты (двухосновные четырѐхатомные): ' HOOC-CH-CH-COOH OH OH — винная (2,3-дигидроксибутандиовая, ,-диоксиянтарная) д) гидрокситрикарбоновые кислоты (трѐхосновные четырѐхатомные): COOH HOOC-CH2-C-CH2-COOH OH — лимонная (3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая, или 2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая) Помимо структурных видов изомерии, в том числе изомерии положения OН-группы относительно карбоксильной (иллюстрацией тому служит существование -гидроксикислот, -гидроксикислот и т.д.), важной для понимания строения, свойств и биологической роли гидроксикислот является стереоизомерия. Молекулы всех -гидроксикислот, кроме гликолевой кислоты, содержат асимметрический атом углерода (один или несколько), поэтому возможно наличие как минимум двух оптических изомеров, описываемых данной 322 структурной формулой. Эти соединения могут быть причислены к R- или Sряду, исходя из определения их абсолютной конфигурации (гл. 1.7.1). Однако часто для различия оптических изомеров гидроксикислот определяют их относительную конфигурацию, то есть отнесение к D- или L-ряду. Для классификации оптических изомеров гидроксикислот используют совпадение пространственного расположения заместителей у асимметрического атома углерода с расположением заместителей в D- или L-изомере глицеринового альдегида. Это можно изобразить проекционными формулами Фишера: HC=O H * HC=O OH * HO CH2OH H CH2OH D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид Например, левовращающая и правовращающая изомерные молочные кислоты будут иметь следующую относительную конфигурацию: COOH * H COOH * HO OH CH3 H CH3 D(-)-молочная кислота L(+)-молочная кислота 6.7.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Гидроксикислоты обладают всеми химическими свойствами карбоновых кислот и спиртов, что обусловлено наличием в их молекулах карбоксильной и гидроксильной групп. Однако в поведении этих соединений есть свои особенности, что вызвано взаимодействием этих групп. 6.7.2.1. Кислотность Гидроксикислоты являются более сильными кислотами по сравнению с незамещѐнными карбоновыми кислотами из-за электроноакцепторного индуктивного эффекта гидроксильной группы: HO CH2 C O HO CH2 CH2 C O: H 323 O O: H Однако при дальнейшем удалении спиртовой гидроксильной группы от карбоксильной (например, для - и -гидроксикислот) еѐ влияние уже практически не ощущается, и кислотные свойства этих соединений незначительно отличаются от таковых для незамещѐнных кислот. 6.7.2.2. Свойства карбоновых кислот и спиртов Аналогично незамещѐнным карбоновым кислотам гидроксикислоты образуют различные функциональные производные. Однако некоторым из таких реакций мешает присутствие гидроксильной группы, которая также может вступать во взаимодействие. Гидроксикислотам также присущи обычные свойства спиртов. Кроме того, в некоторые реакции вступает как карбоксильная, так и спиртовая гидроксильная группа. Примеры: NaOH R-CH-COOH OH R-CH-COONa OH Na C2H5OH,H R-CH-COONa ONa + R-CH-COOC2H5 OH O R-CH-C = Cl Cl PCl5 HBr R-CH-COOH Br = = O O CH3C-O-CCH3 = R-CH-COOH O-C-CH3 O Механизмы этих реакций были рассмотрены в соответствующих главах. 6.7.2.3. Отношение к нагреванию Гидроксикарбоновые кислоты при нагревании претерпевают дегидратацию, однако направление реакции определяется взаимным положением гидроксильной и карбоксильной групп в молекуле: а) при этом -гидроксикислоты при нагревании образуют лактиды — циклические сложные эфиры — из двух молекул кислот 324 R-CH to :OH + O CH-R C R-CH CH-R HO-C=O C O HO: O= + 2 H2O = O C-OH = O Механизм процесса (такой же, как и механизм этерификации обычных карбоновых кислот) связан с образованием устойчивого шестичленного цикла, в рамках которого происходит перенос электронов; б) для -гидроксикислоты при нагревании протекает реакция отщепления и образуются ,-непредельные кислоты (это один из способов получения ненасыщенных карбоновых кислот) R R O O = CH CH C CH=CH-C OH - H2O OH + H2O R O = CH CH C OH HO: H в) - и -гидроксикислоты очень легко образуют стабильные - и лактоны — циклические сложные эфиры. Лѐгкость протекания реакции этерификации и устойчивость продуктов связана с пространственной доступностью реагирующих групп и образованием пяти- и шестичленных циклов O C = = O C-OH to CH2 CH2 OH CH2 CH-R O CH2 CH-R + H2O Для такой многоосновной кислоты, как лимонная (гл. 6.7.1), пиролиз будет протекать как для -гидроксикислоты: - H2O COOH HOOC CH2 C CH COOH : COOH HOOC CH2 C CH COOH HO H лимонная кислота аконитовая кислота Протекание по этому направлению можно объяснить тем, что в продукте такого превращения имеется ---сопряжѐнная система, стабилизирующая молекулу. 325 6.7.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. -Гидроксикислоты получают либо замещением галогена в -галогенозамещѐнных кислотах, либо циангидринным методом — из альдегидов или кетонов присоединением циановодородной кислоты и последующим гидролизом образовавшегося циангидрина: t а) R-CHCl-COOH + H2O R-CHOH-COOH + HCl б) O R C HCN / KCN H OH R-CH-C=N + H2O / H OH R-CH-COOH 2. Удобным методом получения -гидроксикислот является реакция Реформатского: R C = O + Zn + BrCH2COOC2H5 R' H2O/H + OZnBr R-C-CH2COOC2H5 R' OH R-C-CH2COOH R' При этом на первой стадии образуется цинкорганическое соединение Zn + BrCH2COOC2H5 BrZn–CН2-COOC2H5 , которое вступает в реакцию AN к данному карбонильному соединению аналогично реактиву Гриньяра. Другим способом получения -гидроксикислот является гидратация ,-ненасыщенных кислот (гл. 6.5.3.2). Возможны и другие, более общие способы получения -гидроксикислот (например, восстановление оксокарбоновых кислот, замещение галогена в галогенокарбоновых кислотах). Аналогично - и -гидроксикислоты могут быть получены общими методами. 6.7.4. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ L(+)-Молочная кислота (мясомолочная кислота) — бесцветное кристаллическое вещество; гигроскопична; температура плавления 26С, хоро326 шо растворима в воде. Впервые была выделена из мясного экстракта. Тривиальное название солей — лактаты. Рацемат ()-молочная кислота — вязкая жидкость с температурой плавления 18С. Образуется в процессе молочнокислого брожения углеводов. Используют молочную кислоту в пищевой и кожевенной промышленности. -Гидроксимасляная кислота накапливается в организме у больных сахарным диабетом как промежуточный продукт окисления карбоновых кислот. -Гидроксимасляная кислота оказывает наркотическое действие. Применяется в виде натриевой соли как снотворное средство, а также в анестезиологии. Яблочная кислота — бесцветное кристаллическое вещество с приятным кислым вкусом, хорошо растворима в воде. Тривиальное название солей — малаты. L(–)-Яблочная кислота имеет температуру плавления 99С. Содержится в незрелых яблоках, ягодах рябины. Рацемат ()-яблочная кислота имеет температуру плавления 129С. Получают гидролизом галогенозамещѐнных янтарной кислоты или гидратацией малеиновой кислоты. Винные кислоты — бесцветные кристаллические вещества с приятным кислым вкусом, растворимы в воде. Тривиальное название солей — тартраты. Молекулы содержат два асимметрических атома углерода с одинаковым набором заместителей, поэтому известны два оптически активных изомера R,R(+) и S,S(–), оптически неактивная мезовинная кислота R,S и рацемическая смесь. COOH H * OH HO * H COOH R,R(+)-винная кислота COOH COOH COOH HO * H H * OH HO * H H * OH H * OH HO * H COOH COOH S,S(–)-винная кислота COOH мезовинная кислота R,R(+)-Винная кислота плавится при 170С. Содержится во многих растениях, в частности в винограде, рябине. Еѐ получают из гидротартрата калия, который образуется и накапливается в процессе производства вина. Рацемат ()-винная кислота имеет температуру плавления 205С. Получают окислением фумаровой кислоты перманганатом калия. Используют винную кислоту в пищевой и кожевенной промышленности. 327 Мезовинная кислота имеет температуру плавления 140С. Получают окислением малеиновой кислоты перманганатом калия. Широко применяются соли винной кислоты, например, тартрат калиянатрия KNaС4H4O64H2O (сегнетова соль), вследствие своих пьезоэлектрических свойств. Лимонная кислота — бесцветное кристаллическое вещество, температура плавления 153С К. Тривиальное название солей — цитраты. Лимонная кислота широко распространена в природе: в плодах цитрусовых растений, винограде, крыжовнике, листьях табака. В промышленности еѐ получают ферментативным брожением растворов глюкозы (лимоннокислое брожение). Еѐ применяют в пищевой промышленности и в медицине. 6.8. ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ В молекулах оксокислот, кроме карбоксильных групп, в углеводородном радикале содержатся альдегидные и кетонные группы. Наибольшее значение имеют монооксокарбоновые кислоты. Их можно классифицировать по взаимному расположению карбоксильной и альдегидной (или кетонной) групп. При этом (аналогично гидроксикислотам) выделяют -, -, -, оксокислоты и т.д. Примерами представителей оксокислот являются: O H C COOH — глиоксиловая, O H3C C COOH — пировиноградная, O H3C C CH2-COOH — ацетоуксусная, O H3C C CH2-CH2-COOH — левулиновая. Оксокислоты проявляют как свойства карбоновых кислот, так и свойства карбонильных соединений (альдегидов и кетонов). Как и обычные карбоновые кислоты, они образуют производные (соли, сложные эфиры, ангидриды, нитрилы и др.), свойства которых соответствуют свойствам производных карбоновых кислот. Кислотные свойства оксокислот сильнее выражены, нежели незамещѐнных карбоновых кислот, из-за акцепторного влияния карбонильной группы. В то же время как карбонильные соединения они легко 328 (легче, чем обычные альдегиды и кетоны) вступают в реакции нуклеофильного присоединения. В этом случае акцепторное влияние оказывает карбоксильная группа, увеличивая реакционную способность альдегидной или кетонной группы. Поэтому здесь будут рассмотрены лишь оригинальные свойства оксокислот и их некоторых производных. 6.8.1. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ - и -Оксокислоты при нагревании легко декарбоксилируются. Механизм реакции аналогичен рассмотренному ранее для малоновой кислоты (гл. 6.6.1.2) и связан с образованием устойчивого пяти- или шестичленного цикла, в рамках которого происходит перенос электронов: = O C R .... H CH2 O: C=O OH R-C=CH2 - CO2 O R C CH3 Однако если исходная кислота существует в виде аниона (сильно щелочные растворы), то декарбоксилирование протекает по другой схеме (без образования циклического переходного состояния): OO O O O O H2O OH R-C=CH2 R-C-CH2-C OH R-C-CH2-C O R-C-CH3 -CO2 Скорость реакции снижается. Например, соотношение скоростей декарбоксилирования ацетоуксусной кислоты и еѐ аниона равно 53:1. В результате при нагревании -оксокислот образуются кетоны, а -оксокислот — альдегиды. Например: O H3C C COOH O to H3C C пировиноградная кислота O H3C C CH2-COOH H + CO2 уксусный альдегид t o ацетоуксусная кислота O H3C C CH3 + CO2 ацетон Кроме того, -оксокислоты в присутствии концентрированной серной кислоты способны декарбонилироваться: 329 O O H3C C C OH O H2SO4 H3C C + CO OH уксусная кислота При нагревании -оксокислот с концентрированным раствором щѐлочи (примерно 5-молярным) становится возможной нуклеофильная атака гидроксид-иона по атому углерода карбонильной группы, приводящая к разрыву углерод-углеродной связи и образованию в конечном итоге анионов двух кислот: :O O - :OH R-COO + CH3-COO H3C C CH2-COO R-C CH2-COO O H Таким образом, -оксокислоты, в частности ацетоуксусная кислота, могут претерпевать расщепление по одному из двух направлений в зависимости от условий: o t а) R-CO-CH2-COOH R-CO-CH3 + CO2 конц . р р NaOH , t o б) R-CO-CH2-COOH RCOONa+ + CH3COONa+ Так как в первом случае (направление а) образуется кетон, то расщепление получило название кетонного; во втором случае (направление б) образуется кислота (точнее, анион кислоты), поэтому такое расщепление называется кислотным. 6.8.2. АЦЕТОУКСУСНЫЙ ЭФИР И СИНТЕЗЫ НА ЕГО ОСНОВЕ 330 = = Ацетоуксусный эфир по аналогии с малоновым эфиром — это тривиальное название этилового эфира ацетоуксусной кислоты. Присутствие двух электроноакцепторных групп, ацетильной и этоксикарбонильной, в молекуле ацетоуксусного эфира увеличивает подвижность O H O атомов водорода метиленовой группы, так же как C C и в молекулах рассмотренных ранее других C OC2H5 CH3 -дикарбонильных соединений (малоновой киH слоты, малонового эфира, ацетилацетона). Это является причиной возможной миграции протона к атому кислорода и существования ацетоуксусного эфира в двух таутомерных формах — кетонной и енольной: H .... O C = C2H5O H O C C CH3 H = = O C C C2H5O O =C CH3 H В чистом ацетоуксусном эфире содержится 8% енольной формы. Кето-енольная таутомерия объясняет двойственную реакционную способность этого соединения. Как сложный эфир оксокислоты, он может вступать в реакции как по ацильной группе (например, подвергаться гидролизу), так и по кетонной группе, давая продукты нуклеофильного присоединения (например, с циановодородной кислотой или с производными аммиака). Однако, как непредельный спирт (енол), он легко присоединяет бром по двойной связи С=С. При этом в отличие от обычных кетонов для бромирования енольной формы ацетоуксусного эфира не требуется применения кислотных катализаторов. За счѐт подвижного атома водорода метиленовой группы и образования енольной формы ацетоуксусный эфир образует металлические производные. Так, с ионами Cu2+ или Fe3+ образуются внутренние комплексы — хелаты. Например: CH3 OC2H5 O=C C O = Cu HC CH C=O O C CH3 C2H5O = При действии металлического натрия или алкоголята натрия происходит замещение -водородных атомов металлом — образуется натрийацетоуксусный эфир, в котором анион стабилизирован делокализацией отрицательного заряда с участием двух -связей C=O-групп. Именно поэтому ацетоуксусный эфир является более сильной кислотой, чем этанол. Анион ацетоуксусного эфира обладает относительно высокой нуклеофильностью. Это проявляется при его алкилировании и ацилировании. Реакция протекает легко и преимущественно по углеродному атому, например: O C-CH3 O=C-CH3 O=C-CH3 Na + CH O C-OC2H5 Na + HC: O=C-OC2H5 331 R Br - NaBr CH-R O=C-OC2H5 Это свойство используется для получения разнообразных алкил- и диалкилзамещѐнных ацетоуксусных эфиров. Полученные эфиры могут быть гидролизованы до кислот, которые затем подвергаются кетонному или кислотному расщеплению с образованием кетонов или карбоновых кислот (как было показано выше), а также дикетонов или дикарбоновых кислот — по аналогии с превращениями малонового эфира (гл. 6.6.2). Синтез монокарбоновых кислот и монокетонов Синтез одноосновной кислоты или монокетона из ацетоуксусного эфира может быть представлен следующей схемой: С H ONa CH3-CO-CH2-COOC2H5 2 5 [CH3-CO-CH-COOC2H5] Na+ H O / ОH RBr CH3-CO-CHR-COOC2H5 2 CH3-CO-CHR-COO O CH3-C-CH2R = o t - CO2 5M NaOH R-CH2-COONa При этом, как видно из схемы, гидролиз сложного эфира проводят в щелочной среде, а так как для осуществления кетонного расщепления необходимо затем провести декарбоксилирование, то реакционная среда для этого не должна быть сильно щелочной. В слабо щелочной среде присутствуют неионизированные молекулы алкилацетоуксусной кислоты, которые и подвергаются декарбоксилированию. Для решения задачи по синтезу монокарбоновой кислоты или монокетона необходимо представить название целевой кислоты или кетона по рациональной номенклатуре как замещѐнной уксусной кислоты (например, алкилуксусная кислота) или как замещѐнного ацетона (например, алкилацетон). Поскольку фрагмент уксусной кислоты в целевой кислоте и соответственно фрагмент ацетона в целевом кетоне вносится из ацетоуксусного эфира, то, следовательно, достроить углеродную цепь до необходимой длины нужно введением соответствующей алкильной группировки R : R CH2 COOH CH3-CO CH2 COOC2H5 CH3-CO-CH2 R CH3-CO-CH2 COOC2H5 332 Синтез дикарбоновых кислот и дикетонов Синтез двухосновных кислот и дикетонов может проводиться тремя методами: а) с использованием двух молей ацетоуксусного эфира и дигалогеналкана. В этом случае целесообразно в синтезируемой дикарбоновой кислоте или дикетоне выделить по два (или соответственно — три) концевых атома углерода, приходящих в неѐ из ацетоуксусного эфира, например: HOOC CH2 CH CH R CH2 COOH R' или = = CH3 C CH2 CH CH CH2 C CH3 O O R R' Центральная часть углеводородной цепи достраивается с помощью соответствующего дигалогенопроизводного Br–CHR–CHR–Br. Схема синтеза дикарбоновой кислоты из двух молей ацетоуксусного эфира приобретает следующий вид: 2С H ONa 5 2 2 CH3-CO-CH2-COOC2H5 Br CHR CHR Br ' 2 [CH3-CO-CH-COOC2H5] Na+ + CO-CH3 CH3-CO H2O, H /OH CH-CH-CH-CH H5C2OOC R R' COOC2H5 a b CO-CH3 CH3-CO CH-CH-CH-CH HOOC R R' COOH a CH2-CHR-CHR'-CH2 COOH COOH b = = CH3-C-CH2-CH-CH-CH2-C-CH3 O O R R' Как видно из приведѐнной схемы, синтез дикетонов (как и рассмотренный ранее синтез монокетонов) из ацетоуксусного эфира полностью аналогичен синтезу дикарбоновых кислот из малонового эфира. А синтез дикарбоновых кислот из ацетоуксусного эфира отличается от синтеза дикетонов лишь условиями (и направлением) расщепления. Поэтому можно предположить, что и другие способы получения дикарбоновых кислот и дикето- 333 нов из ацетоуксусного эфира будут аналогичны синтезам на основе малонового эфира; б) с использованием двух молей ацетоуксусного эфира и молекулярного йода (этот метод применяется для синтеза янтарной кислоты, еѐ ,-симдизамещѐнных гомологов, а также для синтеза ацетонилацетона и его гомологов). Для этого в целевой дикарбоновой кислоте или дикетоне необходимо выделить по два (или соответственно — три) концевых атома углерода, вводимых в неѐ из ацетоуксусного эфира, например: R или = R CH3-C CH CH C-CH3 O R O R = HOOC CH CH COOH Тогда перед обработкой молекулярным йодом необходимо проалкилировать два моля ацетоуксусного эфира, введя радикал R. Последующее кислотное или кетонное расщепление приведѐт к целевому продукту; в) с использованием конденсации двух молей ацетоуксусного эфира с молекулой альдегида (этот метод применяется для синтеза глутаровой кислоты, еѐ -замещѐнных гомологов, а также аналогичных дикетонов). Этот метод не рассматривался в синтезах на основе малонового эфира и может применяться здесь вместо использования геминальных дигалогенопроизводных и натриевого производного ацетоуксусного эфира. + CH3-CO-CH2-COOC2H5 O = CH3-CO-CH2-COOC2H5 C R OH - CH3-CO-CH-COOC2H5 CH - R CH3-CO-CH-COOC2H5 H Эта реакция аналогична альдольной конденсации альдегидов. Дальнейшее кислотное или кетонное расщепление приведѐт к целевым продуктам. Синтез оксокарбоновых кислот Синтез оксокислоты из ацетоуксусного эфира может быть осуществлѐн с использованием одного моля ацетоуксусного эфира и эфира галогенозамещѐнной карбоновой кислоты — путь b. (Этот метод также может быть применѐн для синтеза дикарбоновых кислот — путь а.) С H ONa CH3-CO-CH2-COOC2H5 2 5 [CH3-CO-CH-COOC2H5]¯ Na+ a CH3-C CH COOC2H5 O (CH2)n-COOC2H5 a = Br(CH2)nCOOC2H5 b b (CH2)n+1-COOH COOH CH3-CO-(CH2)n+1-COOH 334 При этом к оксокислотам приводит кетонное расщепление, а к дикарбоновым кислотам — кислотное расщепление. 6.8.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. -Оксокислоты получают либо гидролизом ,-дигалогенозамещѐнных карбоновых кислот, либо гидролизом -оксонитрилов, а пировиноградную кислоту — пиролизом винных кислот в присутствии KHSO4: HO R–CCl2–COOH 2 R–CO–COOH O R C O KCN R C Cl H2O/H + CN HOOC-CHOH-CHOH-COOH O O R C C OH KHSO4 ,t HOOC-CH=COH-COOH t HOOC-CH2-CO-COOH CH3-CO-COOH 2. Одним из удобных способов получения -оксокислот (в частности, ацетоуксусной кислоты) является конденсация Кляйзена (гл. 6.4.4.3). 3. Возможны способы получения оксокислот из ацетоуксусного эфира, окислением соответствующих гидроксикислот; многие из оксокислот получают специфическими реакциями. 6.8.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Пировиноградная кислота — бесцветная жидкость с запахом уксусной кислоты; температура кипения 165С (с разложением); растворима в воде. Пировиноградная кислота участвует в различных биохимических процессах и потому имеет важное биологическое значение; является промежуточным продуктом в процессах молочнокислого и спиртового брожения, в биосинтезе аминокислот. Получают пиролизом винной кислоты. Ацетоуксусный эфир — бесцветная жидкость с приятным запахом; температура кипения 181С. Кетоформа ацетоуксусного эфира в чистом виде представляет собой кристаллы с температурой плавления -39С. Промышленным способом получения является сложноэфирная конденсация Кляйзена этилацетата. 335 Ацетоуксусный эфир широко применяют в тонком органическом синтезе (в частности, в фармацевтической промышленности, в производстве красителей). 6.9. АМИНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ Аминокарбоновые кислоты (или более общее название аминокислоты) можно определить как производные углеводородов, которые содержат в составе молекул карбоксильные и аминогруппы. Простейшим представителем является NH2-CH2-COOH аминоэтановая кислота. (Хотя существует ещѐ более простой пример карбаминовая кислота NH2-COOH, но из-за больших отличий в еѐ химическом поведении от прочих аминокислот карбаминовая кислота здесь не рассматривается). Среди аминокарбоновых кислот наиболее распространѐнными и биологически значимыми являются -аминокислоты (см. далее, в классификации) с общей формулой R-CH(NH2)-СOOH. Они представляют собой структурные элементы многих природных соединений, главным образом пептидов и белков. В настоящее время известно свыше 100 природных -аминокислот, из которых только около 26 обнаружены в белках (табл. 6.7), а 20 аминокислот входят практически во все белковые молекулы. 6.9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ АМИНОКИСЛОТ Молекулы аминокарбоновых кислот могут содержать одну или несколько карбоксильных групп –COOН и, соответственно, одну или несколько аминогрупп –NН2. Поэтому среди аминокислот можно выделить: а) моноаминомонокарбоновые кислоты, например: H2N-CH2-СOOH — глицин (гликокол, аминоэтановая, аминоуксусная), CH3-CH-COOH — аланин (2-аминопропановая, -аминопропионовая); NH2 б) моноаминодикарбоновые кислоты, например: HOOC-CH2-CH-COOH — аспарагиновая (аминобутандиовая, аминоянтарная), NH2 HOOC-(CH2)2-CH-COOH — глутаминовая (2-аминопентандиовая, -аминоглутаровая); NH2 в) диаминомонокарбоновые кислоты, например, 336 H2N-(CH2)4-CH-COOH NH2 — лизин (2,6-диаминогексановая, ,-диаминокапроновая); г) диаминодикарбоновые кислоты и т.д. Моноаминомонокарбоновые кислоты также классифицируют на -аминокислоты, -аминокислоты и т.д. в зависимости от взаимного расположения карбоксильной и аминогрупп: CH3-CH-COOH NH2 CH2-CH2-COOH NH2 -аминопропионовая кислота -аминопропионовая кислота Помимо структурных видов изомерии, в том числе изомерии положения NН2-группы относительно карбоксильной (иллюстрацией тому служит существование -аминокислот, -аминокислот и т.д.), важной для понимания строения, свойств и биологической роли аминокислот является стереоизомерия. По аналогии с гидроксикислотами молекулы всех -аминокислот, кроме глицина, содержат асимметрический атом углерода, поэтому возможно наличие оптических изомеров, описываемых данной структурной формулой. Эти соединения могут быть причислены к R- или S-ряду, исходя из определения их абсолютной конфигурации (гл. 1.7.1). Однако часто для различия оптических изомеров аминокислот определяют их относительную конфигурацию, то есть отнесение к D- или L-ряду. Для классификации оптических изомеров гидроксикислот используют совпадение пространственного расположения заместителей у асимметрического атома углерода с расположением заместителей в D- или L-изомере глицеринового альдегида. Почти все природные -аминокислоты принадлежат к L-ряду (D-аминокислоты встречаются только в составе белков микроорганизмов): COOH COOH * H H2N NH2 * H R R ,D-аминокислота ,L-аминокислота Важнейшие природные ,L-аминокислоты приведены в табл. 6.7. Всем L-аминокислотам, за исключением цистеина, соответствует S-конфигурация асимметрического центра. 337 Таблица 6.7 Важнейшие природные ,L-аминокислоты и их изоэлектрические точки Сокращѐнное обозначение* Gly (G) Ala (A) Abu Val (V) Nva Leu (L) Nle Ile (I) 5.97 6.00 5.98 5.96 5.97 5.98 5.97 5.94 CH2CH(NH2)COOH Phe (F) 5.48 HOCH2CH(NH2)COOH HO(CH 3)CHCH(NH2)COOH Ser (S) Thr (T) 5.68 5.64 Tyr (Y) 5.66 Cys (C) 5.02 (Cys)2 5.03 Met (M) Lys (K) Orn 5.74 9.59 9.70 Arg (R) 11.15 Asp (D) Asn (N) Glu (E) Gln (Q) 2.77 5.41 3.22 5.65 His (H) 7.47 Trp (W) 5.89 Тривиальное название Формула Глицин Аланин Аминомасляная Валин Норвалин Лейцин Норлейцин Изолейцин NH2CH2COOH CH3CH(NH2)COOH CH3CH2CH(NH2)COOH (CH3)2CHCH(NH2)COOH CH3CH2CH2CH(NH2)COOH (CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH CH3CH2CH2CH2CH(NH2)COOH CH3CH2(CH3)CHCH(NH2)COOH Фенилаланин Серин Треонин Тирозин Цистеин Цистин Метионин Лизин Орнитин Аргинин Аспарагиновая Аспарагин Глутаминовая Глутамин Гистидин HO CH2CH(NH2)COOH HSCH2CH(NH2)COOH S-CH2-CH(NH2)COOH S-CH2-CH(NH2)COOH CH3SCH2CH2CH(NH2)COOH NH2-(CH2)4-CH(NH2)COOH NH2-(CH2)3-CH(NH2)COOH HN C-NH-(CH2)3-CH(NH2)COOH H2N HOOC-CH2CH(NH2)COOH H2N-CO-CH2CH(NH2)COOH HOOC-CH2CH2CH(NH2)COOH H2N-CO-CH2CH2CH(NH2)COOH N CH2-CH(NH2)COOH HN CH2-CH(NH2)COOH Триптофан N H 338 pI Пролин N H COOH Pro (P) 6.30 HO Гидроксипролин Hyp COOH N H * В скобках даѐтся однобуквенное обозначение, рекомендуемое ИЮПАК. 5.74 Изолейцин, треонин и гидроксипролин имеют два асимметрических атома и могут быть представлены в виде четырѐх оптических изомеров: HO * * CH3CH2-CH-CH-COOH CH3 NH2 изолейцин * * * * CH3-CH-CH-COOH OH NH2 треонин N H COOH гидроксипролин В водном растворе часть L-аминокислот вращает плоскополяризованный свет влево, часть вправо. При этом в кислом растворе большинство L-аминокислот являются правовращающими, т. е. некоторые аминокислоты при переходе в область значений рН << 7 из левовращающих становятся правовращающими. 6.9.2. СТРОЕНИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Аминокислоты представляют бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и труднее в органических растворителях. Для них характерны высокие температуры плавления, причѐм процесс плавления обычно сопровождается разложением. За счѐт наличия двух функциональных групп аминокислоты обладают как свойствами карбоновых кислот, так и аминов. Однако в поведении этих веществ, как и многих других бифункциональных соединений, есть свои особенности, что вызвано взаимодействием амино- и карбоксильной групп. 6.9.2.1. Кислотно-оснόвные свойства Молекулы аминокарбоновых кислот содержат две группы, противоположные по кислотно-основному характеру: кислотную карбоксильную группу и оснόвную аминогруппу. В связи с этим они могут образовывать внутренние соли, которые можно представить в виде диполярных ионов (или цвиттер-ионов от нем. Zwitterion гибридный ион). Например, для -аминокислот: 339 + NH2-CH-COOH NH3-CH-COO - R R По данным рентгеноструктурного анализа кристаллов -аминокислот, карбоксильная группа находится в ионизированном состоянии, длины С–Освязей почти одинаковы (0.1250.127 нм): + O H3N C R 1 C 1 O H 2 2 - - В виде цвиттер-ионов существуют также и другие аминокислоты (-, -, -, -, -). В водных растворах, как и в кристаллическом состоянии, аминокислоты существуют преимущественно в виде диполярных ионов. Доля молекулярных форм обычно ничтожно мала (0.010.001%). Поэтому привычное написание формул аминокислот RCH(NH2)СOOH является условным и не отражает их истинного строения. В кислой среде аминокислоты протонируются, превращаясь в катионы, а в щелочной — депротонируются, превращаясь в анионы: + NH3-CH-COO - + H R NH3-CH-COOH + R - OH NH2-CH-COOH NH2-CH-COO R - R образуя, таким образом, соли как при взаимодействии с сильными основаниями, так и при взаимодействии с сильными кислотами. Кислые и щелочные растворы аминокислот электропроводны за счѐт движения (к соответствующему электроду) ионов, образованных из этих аминокислот. Однако имеется определѐнное значение рН, при котором содержание нейтральных частиц наибольшее. Это значение соответствует наименьшей электропроводности раствора и называется изоэлектрической точкой (рI). Значения рI природных -аминокислот приведены в табл. 6.7. Диаминокарбоновые кислоты и аминодикарбоновые кислоты тоже образуют внутренние соли, но ввиду присутствия второй амино- или карбоксильной группы сохраняют соответственно основную или кислую реакцию. 340 Диаминокарбоновые кислоты по основности сравнимы с первичными алифатическими аминами, аминодикарбоновые кислоты по кислотности с карбоновыми кислотами. 6.9.2.2. Свойства карбоновых кислот и аминов Аминокислотам присущи многие свойства первичных аминов. Это можно показать на схеме: HCl R-CH-COOH NH2 R-CH-COOH + NH3 Cl O R'-C Cl = R-CH-COOH NH-C-R' O R-CH-COOH NH-R' R'-Br O R'-C R-CH-COOH N=CH-R' R-CH-COOH OH H HNO2 При этом реакция с азотистой кислотой может быть использована для количественного определения аминогрупп (метод Ван-Слайка). А взаимодействием с формальдегидом можно определить число свободных карбоксильных групп (при дальнейшем титровании щѐлочью – формольное титрование метод Сѐренсена). Аминокислоты образуют различные функциональные производные по карбоксильной группе; возможно также еѐ восстановление или удаление (при декарбоксилировании). Например: NaOH R-CH-COOH NH2 C2H5OH,H [H] + R-CH-COONa NH2 R-CH-COOC2H5 + NH3 R-CH-CH2OH NH2 Ba(OH)2, t o R-CH2-NH2 -BaCO3 341 При этом в последнем из приведѐнных превращений существенную роль играет сильный акцепторный эффект аммонийной группы цвиттер-иона: H + NH2-CH R C O O - Ba(OH) 2 NH2-CH2-R - BaCO3 Получить ангидриды и хлорангидриды непосредственно из аминокислот обычно не удаѐтся, так как эти реакции протекают с участием аминогруппы и в принципе такие производные аминокислот не могут существовать из-за наличия в молекуле нуклеофильного центра — аминогруппы. Возможно образование (и существование) хлорангидридов Nацилированных аминокислот: PCl5 R'-C-NH-CH-COOH R O - POCl3 - HCl O R'-C-NH-CH-C Cl O R 6.9.2.3. Реакции с одновременным участием карбоксильной и аминогрупп С ионами тяжѐлых металлов аминокислоты образуют комплексные соли, например: O 2 NH2-CH-COOH 2+ + Cu R C O H2N R CH Cu -2H+ CH R NH2 O C O В тех случаях, когда образующиеся комплексы растворимы в воде (обычно в случаях использования аминодикарбоновых кислот), такие аминокислоты называют комплексонами. Наиболее известным комплексоном является этилендиаминтетрауксусная кислота (трилон Б) HOOC-CH2 HOOC-CH2 N-CH2-CH2-N CH2-COOH CH2-COOH При нагревании -, -, - и -аминокислоты по-разному ведут себя (аналогично соответствующим гидроксикислотам). -Аминокислоты при нагревании образуют амиды в результате межмолекулярного нуклеофильного замещения: 342 O O = to + :NH2-CH-COOH NH2-CH-C OH R R NH2-CH-C-NH-CH-COOH - H2O R R Такие амиды в химии природных соединений называют дипептидами. При взаимодействии с третьей молекулой аминокислоты может образоваться ещѐ одна амидная связь (называемая пептидной) образуется трипептид и т.д. Однако при этом образуется много побочных продуктов. Поэтому для получения полипептидов, лежащих в основе первичной структуры белковой молекулы, разработаны специальные методы (гл. 6.9.5.3). Одним из конечных продуктов при нагревании -аминокислот до 200С является замещѐнный пиперазин-2,5-дион (2,5-дикетопиперазин) — циклический диамид: R-CH H2N: to :NH2 + O= NH CH-R C R-CH CH-R HO-C=O C NH + 2 H2O = O C-OH = O Такие же циклические диамиды получаются и при нагревании сложных эфиров аминокислот, причѐм для них реакция протекает значительно легче, так как молекулы сложных эфиров содержат свободную аминогруппу, а в самих аминокислотах она ионизована. -Аминокислоты, так же как и другие карбоновые кислоты, содержащие электроноакцепторный заместитель в -положении, при нагревании претерпевают элиминирование с образованием непредельной кислоты: R CH CH : : : + : R O = CH CH C OH H2N: H NH3 R O O C= CH=CH C = OH - NH3 OH Аминокислоты с аминогруппой в - и -положениях очень легко образуют стабильные - и -лактамы — внутренние циклические амиды. Например, для -аминокислоты: 343 O C = = O C-OH to CH2 CH2 NH CH2 CH-R CH2 NH2 CH-R + H2O А для соединений, содержащих в молекуле более удалѐнную от кислотного центра аминогруппу, при нагревании характерно образование линейных полиамидов. Например, для -аминокапроновой кислоты: t n H2N-(CH2)5-COOH (-NH(CH2)5CO-)n + n H2O Характерной реакцией для -аминокислот является нингидриновая реакция, сопровождающаяся появлением сине-фиолетовой окраски. Аминокислота реагирует с нингидрином, образуя азометин: O O OH + NH2-CH-COOH OH R N-CH-COOH -2H2O R O O нингидрин Дальнейшие превращения азометина с участием ещѐ одной молекулы нингидрина приводят к образованию красителя синего Руэмана: O O H H N C-COOH +H2O R -R-CO-COOH N=C-COOH R O O O O H HO HO O O H O N NH2 O O 344 O O - O H N O + O 6.9.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ -Аминокислоты получают из природных веществ и синтетически. Белки при кислотном гидролизе дают смесь -аминокислот. Среди синтетических способов получения аминокислот важнейшими являются следующие. 1. Аммонолиз -галогенкарбоновых кислот избытком аммиака приводит к аммонийным солям -аминокислот: R-CH-COOH Cl - + R-CH-COO NH4 NH2 + NH3 + NH4Cl . 2. Другой способ получения -аминокислот — это обработка альдегидов смесью хлорида аммония с цианидами с последующим гидролизом (способ Зелинского*, называемый также реакцией ЗелинскогоСтадникова или реакцией Штреккера*–Зелинского): O R-C H O + NaCN + NH4Cl - NaCl R-CH-C N + NH3 OH R-C H + HCN + NH3 R-CH-C N + H2O NH2 R-CH-COOH NH2 Эта реакция является усовершенствованием синтеза Штреккера — получение -аминокислот из альдегидов или кетонов действием аммиака и синильной кислоты с последующим гидролизом образующихся -аминонитрилов: O R C NH3 H(R') OH HCN/H2O R C NH2 H(R') + CN R COOH H2O/H C R C NH2 NH2 (R')H H(R') При использовании вместо аммиака первичных аминов получают Nзамещѐнные -аминокислоты. 345 3. Алкилирование ацетаминомалонового эфира с последующим гидролизом эфира и декарбоксилированием малонового фрагмента. Ацетаминомалоновый эфир можно получить обработкой ацетамида броммалоновым эфиром: CH3CONH2 + BrCH(COOC2H5)2 CH3-CO-NH-CH(COOC2H5)2, из которого далее получают натриевую соль и обрабатывают алкилгалогенидом: - O O COOC2H5 H2O COOC2H5 + R Br Na CH3-C-NH-C: CH3-C-NH-C-R - C2H5OH - NaBr COOC2H5 - CH3COOH COOC2H5 - CO2 R-CH-COOH NH2 4. Восстановительное аминирование -оксокислот также может служить способом получения -аминокарбоновых кислот. Реакцию проводят в условиях каталитического гидрирования в присутствии аммиака: O R-C COOH + NH3 NH R-C COOH H2 / Pd NH2 R-CH-COOH 5. Присоединением аммиака к ,-ненасыщенным кислотам универсальный способ получения -аминокислот; эта реакция встречалась ранее, в главе 6.5.3.2. 6. Другим удобным способом получения -аминокислот, предложенным В.М. Родионовым*, является конденсация альдегидов с малоновой кислотой в присутствии аммиака: R C=O + H - CO2 H COOH :CH COOH OH COOH R-CH-CH COOH NH2COOH NH3 - H2O R-CH-CH COOH NH2 R-CH-CH2-COOH 7. Гидролизом лактамов получают -аминокислоты (аминокислоты с удалѐнным, концевым положением аминогруппы. А лактамы, в свою оче- 346 редь, являются продуктом бекмановской перегруппировки оксимов (гл. 6.1.4.1). В целом схему можно представить в следующем виде: CH2 CH2 H2O H2SO4 (CH2)n+2-COOH (CH2)n C O (CH2)n C N-OH CH2 NH CH2 NH2 8. -Аминокислоты можно получить из продуктов теломеризации этилена с тетрахлорметаном (гл. 4.2.3.6): Cl-(CH2CH2)n-CCl3 NH , H O 3 2 NH (CH CH ) COOH 2 2 2 n 6.9.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ АМИНОКИСЛОТ -Аминокислоты являются структурными единицами важнейшего класса биополимеров белков, занимают ключевое положение в азотистом обмене. Восемь из них являются незаменимыми, т.е. не синтезируются в организме человека, но необходимы для синтеза белков. Это валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан. Многие из -аминокислот используются в медицинской практике в качестве лекарственных средств, влияющих на тканевой обмен и при психических расстройствах (глицин, метионин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты). -Аминопропионовая кислота (-аланин) входит в состав пантотеновой кислоты компонента кофермента А (кофермента ацилирования), играющего важную роль в процессах обмена веществ, в частности активирующего карбоновые кислоты, превращая их в сложные эфиры тиоспиртов. -Аминомасляная кислота принимает участие в обменных процессах головного мозга, является нейромедиатором. Применяется при лечении нервно-психических заболеваний. 6.9.5. ПЕПТИДЫ Как уже рассматривалось в свойствах -аминокислот, при их взаимодействии друг с другом за счѐт амино- и карбоксильной групп образуются пептиды (дипептиды, трипептиды и т.д. — по количеству аминокислотных остатков). Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называются олигопептидами, содержащие более 10 аминокислотных остатков — полипептидами. Полипептидная цепь, построенная из большого количества 347 аминокислотных остатков (>100), лежит в основе первичной структуры белковой молекулы. O O O . . . -NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-C- . . . R R' R" 6.9.5.1. Строение, номенклатура Пептидная (амидная) связь имеет свойства частично двойной связи. Это проявляется в уменьшении длины этой связи (0.132 нм) по сравнению с длиной простой связи C–N (0.147 нм). Частично двоесвязанный характер пептидной связи делает невозможным свободное вращение заместителей вокруг неѐ, поэтому пептидная группировка является плоской и имеет обычно транс-конфигурацию: - O C N H При образовании молекулы белка или полипептида -аминокислоты могут соединяться в различной последовательности. Возможно огромное число комбинаций. Так, из 2026 аминокислот можно образовать более 1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически неограничено. Аминокислотный остаток, несущий свободную аминогруппу, называется N-концевым, а несущий свободную карбоксильную группу — С-концевым. Пептидные и белковые цепи принято называть с N-конца. При этом используют тривиальные названия аминокислот, в которых окончание ин заменяется на -ил; исключение — С-концевой остаток, название которого совпадает с названием соответствующей аминокислоты. Для записи широко используют трѐхбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислотных остатков. Например: O O NH2-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-COOH CH2SH CH CH3 CH3 CH3 Ala-Cys-Val — аланил-цистеил-валин 348 6.9.5.2. Свойства, способы установления структуры Олигопептиды по свойствам близки к аминокислотам, полипептиды — подобны белкам. Олигопептиды представляют собой, как правило, кристаллические вещества, разлагающиеся при нагревании до 200300С. Они хорошо растворимы в воде, разбавленных кислотах и щелочах, почти не растворяются в органических растворителях, за исключением олигопептидов, построенных из остатков гидрофобных аминокислот. Химические свойства олигопептидов определяются содержащимися в них функциональными группами, а также особенностями пептидной связи. Их химические превращения в значительной мере аналогичны соответствующим реакциям аминокислот. Они дают положительную нингидриновую реакцию (гл. 6.9.2.3) и биуретовую реакцию. Биуретовая реакция — это цветная реакция на биурет NH2-CO-NH-CO-NH2, которую осуществляют, прибавляя к его щелочному раствору разбавленный водный раствор соли Cu2+, обычно CuSO4. При этом раствор окрашивается в интенсивный фиолетовый цвет благодаря образованию комплексного соединения. В пептиде для этого должно быть не менее двух амидных группировок: O C NH R" HC O R CH O O R' N C C O -NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-CO2+ 4 OH CH N Cu 2 + Cu -4H O N 2 R' R R" HC C O C N R R' HC O CH HN "R C O Атом меди в таком комплексе, вероятно, образует связи именно с атомами азота, а не кислорода, так как атомы азота представляют более мягкие оснόвные центры и в соответствии с принципом Р. Пирсона (гл. 1.6) образуют более прочные связи с атомом меди. Для идентификации аминокислотного состава белков и пептидов используют специфические реакции на аминокислоты. Эти реакции протекают за счѐт участия функциональных групп, находящихся в углеводородных радикалах аминокислотных остатков. К ним относятся: ксантопротеиновая реакция — появление жѐлтого окрашивания при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой (качественная реакция на тирозин и фенилаланин); реакция Эрлиха — появление красно-фиолетового окрашивания при взаимодействии с п-диметиламинобензальдегидом в сернокислой среде (качественная реакция на триптофан); взаимодействие с ацетатом свинца в ще349 лочной среде — выпадение чѐрного осадка PbS (качественная реакция на серосодержащие аминокислоты). Аминокислотный состав устанавливается путѐм анализа пептидных и белковых гидролизатов различными методами. Амидные связи способны гидролизоваться как в кислой, так и в щелочной среде. При полном гидролизе образуется смесь аминокислот. Щелочной гидролиз практически не используется из-за неустойчивости многих -аминокислот в этих условиях. Поэтому обычно гидролиз осуществляют в кислой среде. Последовательность соединения аминокислот в полипептиде (или в белковой молекуле) устанавливают путѐм ступенчатого расщепления или рентгеноструктурным анализом. Разработаны химические способы отщепления -аминокислот с N-конца. В основе их лежат нуклеофильные свойства первичной аминогруппы. Это 1) метод динитрофенилирования, в котором реагентом является 2,4-динитро-1-фторбензол; 2) метод Эдмана, в котором используется фенилизотиоцианат; 3) дансильный метод, использующий реакцию с дансилхлоридом (5-N,N-диметиламинонафталин-1-сульфохлоридом): NO2 1) O2N F 2,4-динитро-1-фторбензол 2) N=C=S NH2-CH-CO-NH-... + R фенилизотиоцианат 3) Cl O=S=O N(CH3)2 дансилхлорид (5-N,N-диметиламинонафталин-1-сульфохлорид) После гидролиза получившееся N-замещѐнное производное концевой аминокислоты отделяют и идентифицируют обычно одним из хроматографических методов. 6.9.5.3. Химический синтез 350 Химический синтез пептидов заключается в создании пептидной связи между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. Сложность синтеза связана с необходимостью обеспечения строго определѐнной последовательности аминокислот. Для проведения целенаправленного контролируемого синтеза пептидов необходима предварительная временная защита всех (или некоторых) функциональных групп, которые не участвуют в образовании пептидной связи, а также предварительная активация одной из компонент пептидного синтеза. По окончании синтеза защитные группы удаляют. При получении биологически активных пептидов необходимое условие — предотвращение рацемизации аминокислот на всех этапах пептидного синтеза. Итак, образование пептидных связей происходит в реакции между аминокислотой или еѐ функциональным производным с защищѐнной аминогруппой (1) и аминокислотой в виде соли или сложного эфира (2): O NH-CH-C-X Z R (1) O + NH2-CH-COOR" R' -HX NH-CH-C-NH-CH-COOR" R' Z R (2) Среди N-защитных групп наиболее важными являются ацильные защитные группы, в том числе моноацилы замещѐнной угольной кислоты типа O R-O C , например бензилоксикарбонильная группа и трет-бутоксикарбонильная группа: O Z = CH2 O C бензилоксикарбонильная группа CH3 O H3C C O C CH3 трет-бутоксикарбонильная группа а также ацилы муравьиной и трифторуксусной кислот. Для активации карбоксильной группы еѐ превращают в сложноэфирное производное или в смешанный ангидрид. В сложноэфирном производном спиртовый (или фенольный) остаток должен содержать сильный электроноакцепторный заместитель — в результате образуется высокореакционноспособный эфир, легко подвергающийся аминолизу под действием другой аминокислоты. Это, например, п-нитрофениловый эфир, пентафторфениловый эфир. 351 F F X = -O NO2 -O F , F F Смешанные ангидриды наиболее часто получают при взаимодействии с эфирами хлормуравьиной кислоты Cl-COOC2H5 и Cl-COOC4H9-изо. В этом случае O X = -O C O O-C2H5 , -O C CH3 O-CH2-CH-CH3 . При активации карбоксильной группы в первой аминокислоте вторую аминокислоту достаточно этерифицировать, превратив еѐ, например, в этиловый эфир (R = C2H5). Наряду с синтезом пептидов в растворах большое значение имеет синтез пептидов с применением нерастворимых носителей (твѐрдофазный синтез пептидов). В этом методе наращивание пептидной цепочки происходит на поверхности твѐрдого гранулированного полимерного носителя. Полимер содержит активные группы (CH2Cl, CH2OH), и N-защищѐнная аминокислота взаимодействует с такими активными группами за счѐт своей карбоксильной группы, образуется сложноэфирная связь. Затем следует отщепление защитной группы, образование пептидной связи с другой молекулой N-защищѐнной аминокислоты и т.д. После наращивания цепи достаточной длины полипептид отщепляют от носителя действием смеси HBr+CF3COOH. Благодаря этому способу удалось свести процесс пептидного синтеза к стандартной последовательности периодически повторяющихся процедур, легко поддающихся автоматизации. В настоящее время созданы различные типы автоматических синтезаторов пептидов. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Приведите все возможные названия для данных соединений: CH3 C2H5 CH3-CH-CH-CHO CH3 CH3 CH3-CH-CH-CHO 352 CH3 CH3-CH2-C-CHO CH3 O O = CH2=CH-CH2-C-CH3 = = O CH3-C -CH2-C-H 2. В чѐм различие механизма взаимодействия ацетона с метанолом в ки- слой, щелочной и нейтральной среде? Приведите образование соответствующего полуацеталя и ацеталя. 3. Приведите AN-механизм реакции присоединения воды, метанола, синильной кислоты, аммиака, метиламина, гидросульфита натрия к следующим карбонильным соединениям: 1) пропаналю, 2) 2-метилбутаналю, 3) пентан-2-ону, 4) 3-метилбутан-2-ону. В каких случаях возможно применение кислотного катализатора, в каких случаях возможно применение основного катализатора? Поясните. 4. Какова должна быть структура соединений, чтобы реакции альдольной и кротоновой конденсации для них были возможны? Приведите механизм этих реакций для изовалерианового альдегида. 5. Каковы будут продукты реакции Канниццаро, если в неѐ вступают два альдегида: муравьиный и трихлоруксусный? Приведите механизм. 6. Приведите механизм реакции Канниццаро для 2,2-диметилбутаналя. 7. Как протекает реакция бромирования в кислой и щелочной среде бутан-2-она? 8. В чѐм различие реакций окисления альдегидов и кетонов? Поясните на примере ацетальдегида и гексан-3-она. 9. Приведите возможные схемы окисления и восстановления следующих альдегидов и кетонов: 1) пропаналя, 2) бутан-2-она, 3) пентан-3-она. 10. Приведите все возможные названия для данных соединений: COOH HOOC-CH-COOH CH3 O CH3-CH-CH2-CH2-C = Cl CH3 O CH3-C-C = O-C2H5 CH3 O C2H5 C2H5-C = N CH 2 5 O O C2H5 HC-O-C-CH-C2H5 COOH H * OH CH2CH3 11. Какие можно отметить общие свойства спиртов и карбоновых кислот? Приведите примеры. Поясните. 12. Как будет протекать взаимодействие 2,2-диметилпропановой кислоты с хлором на свету; с пентахлоридом фосфора; с пропан-2-олом в кислой среде; при нагревании с оксидом фосфора (V)? Приведите механизмы реакций. 13. В каких условиях следует проводить реакцию, чтобы переэтерифицировать метиловый эфир карбоновой кислоты в бутиловый и наоборот? 353 14. Приведите возможные превращения гидросукцината аммония при на- гревании. 15. Приведите механизм реакции взаимодействия 2,2-диметилбутаноилхлорида с метанолом; с избытком аммиака. 16. Объясните, почему при пиролизе кальциевых и влажных натриевых солей карбоновых кислот образуются разные продукты. 17. Приведите механизм реакции взаимодействия монохлорангидрида малоновой кислоты с избытком аммиака. 18. Предложите качественные реакции для идентификации каждого из веществ в следующих смесях: 1) муравьиной и уксусной кислот; 2) пропановой и пропеновой кислот; 3) этаноилбромида и бромэтановой кислоты; 4) метоксиуксусной кислоты и метилового эфира гидроксиуксусной кислоты; 5) уксусного альдегида и уксусной кислоты. 19. Получите из малонового эфира и любого галогеналкана 2,3диметилпентановую кислоту, 4,4-диметилпентановую кислоту, 2,4диметилпентановую кислоту, 3-метилпентандиовую кислоту, 4метилгептандиовую кислоту, 2,3-диметилпентандиовую кислоту. 20. В чѐм различие поведения при нагревании двух структурных изомеров: янтарной кислоты и метилмалоновой? Приведите схемы превращений и механизмы реакций. 21. Как будет взаимодействовать гликолевая кислота с эквимолярным количеством уксусного ангидрида? Приведите механизм реакции. 22. Приведите схему реакции взаимодействия молочной кислоты с хлороводородом. 23. Получите из ацетоуксусного, малонового эфиров и любого галогенозамещѐнного углеводорода 3,4-диметилгептан-2,6-дион, 3-метил-5оксогексановую кислоту, 4-оксопентановую кислоту. Приведите механизмы всех реакций. 24. Приведите схемы превращений и механизмы реакций взаимодействия а) 2-аминопропановой кислоты, б) 2,6-диаминогексановой кислоты, в) 2-амино-3-гидроксибутановой кислоты с 1 молем каждого из следующих реагентов: 1) гидроксид натрия (водный раствор), 2) бромметан, 3) уксусный ангидрид, 4) метанол в кислой среде. 25. Приведите механизм взаимодействия орнитина (2,5диаминопентановой кислоты) с избытком азотистой кислоты в присутствии HCl. 26. Предложите способ направленного получения дипептида Lys-Ser из двух -аминокислот. 27. Какие аминокислоты можно получить по методу Штреккера– Зелинского из а) пропаналя, б) бутанона, в) 2-метилбутаналя? Приведите схемы превращений. 354 Глава 7. УГЛЕВОДЫ Углеводы (или старое название сахарá) можно определить как полигидроксикарбонильные соединения и их производные природного происхождения. Название «углеводы» этим природным веществам было предложено в 1844 г. К. Шмидтом*, так как состав этих известных в то время соединений соответствовал формуле Сn(H2O)m. Углеводы широко распространены в животном и растительном мире, они играют важную роль во многих жизненных процессах: и как источники энергии, и как структурные компоненты клеточных стенок растений и таких биологически важных веществ, как нуклеиновые кислоты. Углеводы составляют 80% от сухой массы растений и 2% от сухой массы животных организмов. Все углеводы можно разделить на три группы: 1) моносахариды, 2) олигосахариды и 3) полисахариды. При этом моносахариды относят к простым углеводам, а олигосахариды и полисахариды к сложным. 7.1. МОНОСАХАРИДЫ Моносахариды (или монозы) это полигидроксикарбонильные соединения и их производные с непрерывной углеродной цепью. Их молекулы содержат обычно одну карбонильную группу и несколько гидроксильных. Молекулы моносахаридов хиральны, содержат несколько асимметрических атомов углерода. Это определяет существование большого числа оптических изомеров. В зависимости от характера карбонильной группы моносахариды подразделяют на 1) альдозы соединения, содержащие альдегидную группу, и 2) кетозы соединения, в состав которых входит кетонная группа. Например: HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH альдоза кетоза В зависимости от количества атомов углерода в молекуле (от 3 до 10) моносахариды подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и т. д. Например: 355 HC=O H OH HO H H OH CH2OH HC=O HO H H OH CH2OH тетроза пентоза HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH гексоза Таким образом, с учѐтом классификации по одному и по другому признакам возможны следующие группы моносахаридов: альдотетрозы, альдопентозы, альдогексозы, кетопентозы, кетогексозы и т.д. Кроме собственно моносахаридов, молекулы которых не содержат других функциональных групп, кроме карбонильной и гидроксильных, и называемых нейтральными сахарами, существуют производные моносахаридов. Наиболее распространѐнными среди них являются аминосахара (или, правильнее, аминодезоксисахара), в молекулах которых вместо одной или нескольких гидроксогрупп присутствуют аминогруппы, и кислые сахара, содержащие карбоксильные группы в составе своих молекул. 7.1.1. ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Для моносахаридов характерны, прежде всего, структурная и оптическая виды изомерии. В молекуле единственной альдотриозы, глицеринового альдегида (гл. 1.7.1), имеется один хиральный атом углерода, поэтому возможны только два энантиомера. Альдотетрозы представлены четырьмя оптическими изомерами. Относительная конфигурация моносахаридов определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду. С конфигурацией его хирального центра сравнивается конфигурация наиболее удалѐнного от карбонильной группы хирального атома углерода. Каждой альдозе D-ряда соответствует энантиомер (вещество L-ряда) с противоположной конфигурацией всех центров хиральности. У диастереомеров в принятой номенклатуре углеводов будут другие тривиальные названия, причѐм для них является суффикс с окончанием -оза: HC=O H * OH H * OH CH2OH D-эритроза HC=O HO * H HO * H CH2OH HC=O HO * H H * OH CH2OH L-эритроза D-треоза 356 HC=O H * OH HO * H CH2OH L-треоза Таким образом, возможно 8 изомерных альдопентоз: HC=O H * OH H * OH H * OH CH2OH D-рибоза HC=O HO * H H * OH H * OH CH2OH D-арабиноза HC=O HO * H HO * H HO * H CH2OH HC=O H * OH HO * H H * OH CH2OH L-рибоза D-ксилоза HC=O H * OH HO * H HO * H CH2OH HC=O HO * H HO * H H * OH CH2OH L-арабиноза D-ликсоза HC=O HO * H H * OH HO * H CH2OH L-ксилоза HC=O H * OH H * OH HO * H CH2OH L-ликсоза, а изомерных альдогексоз будет ещѐ в 2 раза больше (здесь приведены только соединения D-стереохимического ряда): HC=O H * OH H * OH H * OH H * OH CH2OH D-аллоза HC=O H * OH H * OH HO * H H * OH CH2OH D-гулоза HC=O HO * H H * OH H * OH H * OH CH2OH HC=O H * OH HO * H H * OH H * OH CH2OH D-альтроза D-глюкоза HC=O HO * H H * OH HO * H H * OH CH2OH HC=O H * OH HO * H HO * H H * OH CH2OH D-идоза D-галактоза HC=O HO * H HO * H H * OH H * OH CH2OH D-манноза HC=O HO * H HO * H HO * H H * OH CH2OH D-талоза Из кетоз наиболее широко распространены фруктоза и сорбоза: CH2OH O * HO H * H OH * H OH CH2OH CH2OH O * H OH * HO H * HO H CH2OH 357 CH2OH O * H OH * HO H * H OH CH2OH CH2OH O * HO H * H OH * HO H CH2OH D-фруктоза L-фруктоза D-сорбоза L-сорбоза Диастереомеры, различающиеся конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, называются эпимерами. Эпимеры частный случай диастереомеров. Например, эпимерами являются D-рибоза и Dксилоза, отличающиеся друг от друга только конфигурацией атома С3, а также D-глюкоза и D-манноза, различающиеся конфигурацией атома С2, и Dглюкоза и D-галактоза, различающиеся конфигурацией атома С4. Так как по химической структуре альдопентозы, альдогексозы, кетогексозы являются одновременно -гидрокси- и -гидроксикарбонильными соединениями, то они должны легко образовывать циклические полуацетали. Например, для D-рибозы: H O H HC=O H OH H OH H OH CH2OH H H CH2O: H H H C O HO HO H H OH OH H H H OH H CH2OH H C O: HC O H H HO OH O OH H * H OH OH HC=O H OH H OH H OH CH2OH * H OH H H OH CH2OH H O H H * H OH OH OH CH2OH OH O H H * OH H H OH OH В результате этого образуются четыре циклических формы, что связано с появлением ещѐ одного хирального центра (атома углерода, связанного с полуацетальным гидроксилом — в схеме отмечен звѐздочкой). Полуацетальную гидроксильную группу в химии углеводов называют также гликозидной. Для изображения циклических форм моносахаридов приняты перспективные (пространственные) формулы, предложенные У. Хеуорсом* в 1926 г. (как показано в схеме). 358 При построении формул Хеуорса цикл условно считают плоским, при этом ближняя к наблюдателю часть кольца обычно выделяется более жирной линией. Кислородный атом цикла располагают на наибольшем удалении от наблюдателя. Атомы и группы атомов, изображаемые в формулах Фишера слева и справа, в формулах Хеуорса располагаются соответственно над и под плоскостью цикла. Боковые цепи, содержащие не попавшие в цикл атомы углерода в альдозах изображают над плоскостью для D-изомеров и под плоскостью для L-изомеров (при атомах С4 в альдопентозах и С5 в альдогексозах). Образование циклического полуацеталя это пример таутомерного превращения. Такое явление в химии углеводов называется циклооксотаутомерией или кольчато-цепной таутомерией (о таутомерии — в гл. 3.8.2.1). В зависимости от того, за счѐт какой гидроксильной группы (- или -) образуется та или иная циклическая форма, возможно существование пиранозных и фуранозных циклических форм, которые можно рассматривать как производные соответствующих гетероциклов пирана и фурана: O O пиран фуран Образование пяти- и шестичленных циклов связано с их термодинамической устойчивостью по сравнению с малыми циклами (трѐх- и четырѐхчленными) и циклами большего размера. В зависимости от расположения гликозидной (полуацетальной) гидроксильной группы относительно усреднѐнной плоскости кольца возможна дополнительная пара оптических изомеров, называемых аномерами (-аномер и -аномер). Аномеры представляют собой частный случай эпимеров. Принадлежность к - или -форме определяется конфигурацией аномерного атома углерода (для альдоз – это С1, для кетоз – это, как правило, С2). В молекуле -аномера относительные конфигурации аномерного атома углерода и последнего асимметрического атома в углеродной цепи совпадают. В молекуле -аномера, наоборот, не совпадают. Или иначе принадлежность к - или -форме в формулах Хеуорса можно определить, сравнивая взаимное положение полуацетального гидроксила и группы атомов, не входящих в цикл (часто это СН2ОН-группа). Цис-расположение этих групп определяет -форму, транс-расположение -форму. Например, D-глюкоза существует в следующих пяти формах: 359 H CH2OH O H OH H CH2OH H OH OH H -аномер H H HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH OH CH2OH O H OH H OH H H OH OH -аномер CH2OH OH H O OH H HO H OH H H O OH H HO H OH H -аномер H OH -аномер Полное название моносахарида включает обозначение конфигурации аномерного атома углерода (- или -) и размера цикла (пиранозный или фуранозный). Например: H CH2OH O H OH H CH2OH OH O H H H H OH OH H OH OH H OH ,D-глюкопираноза ,D-рибофураноза Для кетоз образование циклических форм происходит аналогично альдозам. Например, фуранозные формы D-фруктозы: CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH H CH2OH CH2OH H C O: C O H OH HO H 360 CH2OH CH2OH O H OH CH2OH OH O H OH OH H CH2OH H OH H OH H ,D-фруктофураноза ,D-фруктофураноза В твѐрдом состоянии все моносахариды находятся преимущественно в пиранозной форме, как самой устойчивой из возможных циклических форм. При кристаллизации из чистого растворителя можно получить чистые препараты - и -аномеров, так при перекристаллизации D-глюкозы из спирта получают ,D-глюкопиранозу, а из пиридина — ,D-глюкопиранозу. Разные аномеры (- и -) D-глюкозы различаются величиной удельного вращения: у -аномера +112, у -аномера +19. У свежеприготовленного раствора каждого аномера со временем происходит изменение удельного вращения до некоторого постоянного значения. В растворах образуется равновесная смесь всех циклических форм и оксоформы. Для водных растворов D-глюкозы этот угол +52,5. Это происходит вследствие аномеризации, т.е. взаимопревращения - и -аномеров друг в друга через промежуточную оксоформу, и установления таутомерного равновесия. Связанное с этим явлением изменение угла вращения плоскости поляризованного света называется мутаротацией. Различные конформации циклических форм моносахаридов можно рассматривать только для пиранозных циклов (фуранозное кольцо, аналогичное циклопентановому, почти плоское, и энергии конформационных переходов здесь минимальны). Пиранозное кольцо аналогично циклогексановому, для которого термодинамически более устойчива конформация «кресла». В целом на термодинамическую устойчивость пиранозных форм моносахаридов влияет пространственное расположение громоздких функциональных групп. С этим связано образование в большем или меньшем количестве того или иного аномера. Так, например, ,D-глюкопираноза моносахарид с полным экваториальным расположением заместителей: H CH OH 2 H HO O H HO OH OH H H Поэтому, как считается, из-за высокой термодинамической устойчивости она обладает широкой распространѐнностью в природе. Однако во многих случаях при оценке термодинамической устойчивости молекул моносахаридов для объяснения преобладания - или 361 -аномерных форм и вообще распространѐнности в природе тех или иных моносахаридов необходимо учитывать возможность образования водородных связей, как внутримолекулярных, так и межмолекулярных. 7.1.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА В таутомерном равновесии находятся разные формы моносахаридов: как циклические, так и открыто-цепные. Оксоформы (то есть открытоцепные формы) углеводов содержат альдегидную или кетонную группу, поэтому моносахариды могут вступать в реакции с участием оксогруппы. Одновременно циклические формы, являясь полуацеталями, проявляют свойства этого класса соединений и вступают в реакции с участием полуацетальной гидроксильной группы. Но в молекулах углеводов имеются, кроме того и гидроксогруппы многоатомных спиртов (как в оксоформах, так и в циклических формах), поэтому свойства этого класса соединений моносахариды проявляют, находясь в любой таутомерной форме. Так, например, они дают качественную реакцию на многоатомные спирты (взаимодействие с Cu(OH)2 с образованием устойчивых к гидролизу алкоголятов меди – гл. 3.3.5, п.7). 7.1.2.1. Реакции открыто-цепных форм Это реакции с участием карбонильной группы и, прежде всего, это реакции нуклеофильного присоединения. Примерами могут служить реакции с гидроксиламином, с гидросульфитом натрия. OH HC SO3Na H OH H OH H OH CH2OH + NaHSO3 HC=O H OH H OH H OH CH2OH D-рибоза + NH2OH - H2O HC=N-OH H OH H OH H OH CH2OH оксим D-рибозы бисульфитное производное D-рибозы Аналогично реакция протекает с эквимолекулярным количеством фенилгидразина. Однако с избытком этого реагента реакция протекает иначе. С первой молекулой образуются обычные для карбонильных соединений фенилгидразоны: HC=O R +NH2NH-C6H5 -H2O 362 HC=N-NH-C6H5 R , которые при нагревании вступают в SN-реакцию со второй молекулой фенилгидразина, а в последующем дегидрировании принимает участие третья молекула реагента. При этом образуются озазоны. Нетрудно видеть, что эпимерные манноза и глюкоза образуют одинаковые продукты: HC=N-NH-C6H5 HO H +NH2NH-C6H5 HO H -H2O H OH H OH CH2OH HC=N-NH-C6H5 C6H5-HN-HN H HO H H OH H OH CH2OH фенилгидразон D-маннозы NH2NH-C6H5 HC=N-NH-C6H5 H OH +NH2NH-C6H5 HO H -H2O H OH H OH CH2OH HC=N-NH-C6H5 H NH-NH-C6H5 HO H H OH H OH CH2OH фенилгидразон D-глюкозы H H CH2OH - NH2C6H5 - NH3 H N OH HC N OH H HO H N N Озазоны — жѐлтые кристаллические вещества, структура их молекул стабилизирована длинной цепью сопряжения и внутримолекулярной водородной связью. Образование озазонов используют для идентификации углеводов. Для каждого углевода характерна определѐнная скорость образования озазона, например: озазон фруктозы выделяется из раствора за 2 мин., озазон глюкозы — за 45 мин., озазон ксилозы — за 7 мин. и т. д. Впервые озазоны синтезированы Э. Фишером в 1887 г. При нагревании со щѐлочью происходит изомеризация альдоз в кетозы (и обратно) и в эпимерные альдозы через енольную форму. Например, превращения D-глюкозы, D-фруктозы и D-маннозы: 363 HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH HC-OH OH HO H H OH H OH CH2OH OH - D-глюкоза HC=O HO H HO H H OH H OH CH2OH OH - D-манноза OH - CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH D-фруктоза Реакции восстановления оксогруппы также возможны только в оксоформе, и они приводят к соответствующим многоатомным спиртам. Восстановление проводят водородом на металлических катализаторах. При этом из кетоз образуется смесь эпимерных спиртов. Например: HC=O H OH H OH H OH CH2OH [H] CH2OH H OH H OH H OH CH2OH D-рибоза HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH D-рибит [H] H HO H H D-глюкоза CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH D-фруктоза [H] CH2OH OH H OH OH CH2OH D-глюцит H HO H H CH2OH OH H OH OH CH2OH D-глюцит 364 + HO HO H H CH2OH H H OH OH CH2OH D-маннит Данные многоатомные спирты называют с использованием суффикса -ит. Альдозы легко подвергаются окислению по свободной альдегидной группе. Так, под действием мягких окислителей, например бромной воды, образуются альдоновые кислоты, которые обычно существуют в виде - или -лактонов. HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH [O] H HO H H COOH OH H OH OH CH2OH H -H2O CH2OH O H OH H O OH H OH D-глюконовая кислота и еѐ -лактон Кроме бромной воды для получения альдоновых кислот могут использоваться реактив Толленса (реакция серебряного зеркала), свежеосаждѐнный гидроксид меди (II) (или гидроксид меди в виде реактива Фелинга) (гл. 4.4.2 и 6.1.4.3). Окисление альдоз до альдоновых кислот протекает обычно в кислой или нейтральной среде. Однако при использовании для этих целей разбавленной азотной кислоты окисление может пойти дальше (в зависимости от концентрации кислоты) и образуются «аровые» (полное общее название гликаровые) кислоты, в молекулах которых окислены оба концевых атома углерода. Например: HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH [O] H HO H H COOH OH H OH OH COOH D-глюкаровая кислота А при окислении только первичноспиртовой группы могут быть получены альдегидокарбоновые кислоты, так называемые уроновые кислоты. Но такое окисление обычно возможно только для циклических форм моносахаридов с защищѐнной полуацетальной группой, поэтому будет рассмотрено несколько позже. Окисление в щелочной среде сопровождается изомеризацией альдоз в кетозы и обратно, а также эпимеризацией, например, глюкозы в маннозу и обратно (см. выше). Поэтому в этих условиях могут окисляться и кетозы, предварительно изомеризуясь, образуя альдоновые кислоты. Например, использование реактива Толленса для окисления D-глюкозы (или D-фруктозы) 365 приводит к получению не только D-глюконовой кислоты, а смеси продуктов, содержащей в том числе и D-манноновую кислоту. HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH [O]/OH CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH - H HO H H COO COO OH HO H H HO H + OH H OH OH H OH CH2OH CH2OH 7.1.2.2. Реакции циклических форм Превращения циклических форм связаны со свойствами полуацеталей и, конечно же, со свойствами многоатомных спиртов. Полуацетальная гидроксильная группа обладает повышенной реакционной способностью: легко реагирует, например, со спиртами в условиях кислотного катализа с образованием полных ацеталей, называемых также в химии углеводов гликозидами. Это превращение находит отражение и в названии продукта: суффикс с окончанием -оза заменяется суффиксом -озид. H CH2OH O H OH H OH ROH/H+ OH H CH2OH O H OH H OR OH H OH H (),D-глюкопираноза OH алкил-(),D-глюкопиранозид (В данном случае в реакцию вступает либо смесь - и -аномеров, либо одна из этих циклических форм, неважно какая. При этом образуется смесь аномеров). Несахарный фрагмент гликозида называют агликоном. Если агликон связан с остатком моносахарида через атом кислорода, то такой гликозид называют О-гликозидом, если через атом азота — N-гликозидом. (Например, при реакциях с аминами образуются N-гликозидные связи.) Для получения О-алкилгликозидов обычно используют спирты, насыщенные сухим хлороводородом. Механизм реакции здесь, скорее всего, SN1 366 так же, как и при образовании полных ацеталей из простых альдегидов и кетонов (гл. 6.1.4.1), так как промежуточный карбокатион стабилизирован рр-сопряжением с участием неподелѐнной пары электронов атома кислорода пиранозного кольца: H HCl OH CH2OH O H OH H OH OH H H Cl- CH2OH O H OH H OH2 OH OH Cl H OH H H + H CH2OH O H OH H + OH2 H OH (),D-глюкопираноза H ROH OH H H OH H -HCl Cl + -H2O CH2OH O H OH H - OH CH2OH O H OH H H H H HOR OH Cl CH2OH O RO H H OH H H OH H OH H + OR OH CH2OH Cl + O ROH H H OH H H OH H OH + H CH2OH O H OH H OH алкил-,D-глюкопиранозид алкил-,D-глюкопиранозид Образующиеся гликозиды, являясь полными ацеталями, гидролизуются в кислой среде, но устойчивы при действии разбавленных щелочей: H CH2OH O H OH H OR H2O/H+ OH H CH2OH O H OH H OH OH H OH H2O/OH H - OH В условиях реакции алкилирования спиртов при обработке их щелочными растворами диметилсульфата (CH3)2SO4 (метилирование) или йодалканов образуются простые эфиры с участием всех спиртовых гидроксогрупп и гликозидного гидроксила тоже. Эта реакция типичное нуклеофильное замещение, в котором субстратами являются диметилсульфат или 367 галогеналканы, протекающее, видимо, по механизму, близкому к SN2. Например: CH2OH O H OH H H OH H (CH3)2SO4/OH- OH CH2OCH3 O H OCH3H OCH3 H3CO H OH H (),D-глюкопираноза OCH3 метил-2,3,4,6-тетра-О-метил-,D-глюкопиранозид и метил-2,3,4,6-тетра-О-метил-,D-глюкопиранозид Образующиеся простые эфиры гидролизу не подвергаются, а гликозидная группа легко гидролизуется в кислой среде, аналогично рассмотренному выше. H CH2OCH3 O H OCH3H H H2O/H+ OCH3 H3CO CH2OCH3 O H OCH3H OH H3CO H OCH3 H OCH3 2,3,4,6-тетра-О-метил-,D-глюкопираноза и 2,3,4,6-тетра-О-метил-,D-глюкопираноза Реакции ацилирования моносахаридов протекают с участием ангидридов или галогенангидридов карбоновых кислот. При этом также образуется смесь - и -аномеров. Образующиеся сложные эфиры полностью гидролизуются как в кислой, так и в щелочной среде. Например: CH2OH O OH H H H H OH OH OH (CH3CO)2O -CH3COOH (),D-гулопираноза + - H2O/H /OH H3C-COO CH2OH O OH H H H H OH OH CH2OOC-CH3 O H OOC-CH3 H H H H3C-COO OOC-CH3 ацетил-2,3,4,6-тетра-О-ацетил-(),D-гулопиранозид или (),D-гулопираноза пентаацетат OH ,D-гулопираноза и ,D-гулопираноза 368 Окисление первичноспиртовой группы (без участия альдегидной группы альдоз), протекающее в фиксированных циклических формах, т.е. для гликозидов моносахаридов, приводит к образованию уроновых кислот. Например: CH2OH O H OH H H H [O] OC2H5 OH COOH O H OH H H2O/H+ OC2H5 OH H OH H OH этил-(),D-глюкопиранозид H COOH O H OH H OH OH H OH (),D-глюкуроновая кислота 7.1.2.3. Реакции дегидратации При нагревании моносахаридов с минеральными кислотами может происходить внутримолекулярная дегидратация. В частности, ксилоза в водных растворах серной кислоты теряет три молекулы воды, и в результате образуется фурфурол (фуран-2-карбальдегид). HC=O H OH HO H H OH CH2OH OH H C H H C :OH HC O H H HO O -3H2O O O H H C H H H фурфурол D-ксилоза Подобные превращения с образованием гидроксиметилфурфурола могут происходить с некоторыми альдо- и кетогексозами. 7.1.2.4. Реакции удлинения и укорочения углеродной цепи Реакции постепенного наращивания углеродной цепи и, наоборот, постепенного укорочения еѐ (т.е. переходы триоза тетроза пентоза гексоза гептоза и обратно) имеют большое значение для установления строения моносахаридов. Углеродная цепь наращивается циангидринным методом. Например, при превращении альдопентозы в альдогексозу химизм можно представить в следующем виде: 369 HC=O HO H H OH H OH CH2OH H H H CH2OH OH O HCN OH OH C H H H OH OH CH2OH H C N OH H H D-арабиноза H OH OH OH CH2OH OH C N OH H H нитрилы D-глюконовой и D-манноновой кислот H2O / to - NH3 CH2OH O H OH H H CH2OH O H OH OH H O + OH OH H OH H лактоны D-глюконовой и D-манноновой кислот CH2OH O H OH H H [H] O CH2OH O H OH OH H OH OH H + OH OH H OH H D-глюкоза H D-манноза Укорочение углеродной цепи альдоз происходит в результате окисления альдегидной группы и последующего окислительного декарбоксилирования образовавшейся альдоновой кислоты с помощью специфического реагента (по методу Руффа*). Например: HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH D-глюкоза [O] H HO H H COOH OH H OH OH CH2OH H2O2 + Fe - CO2 D-глюконовая кислота 370 3+ HC=O HO H H OH H OH CH2OH D-арабиноза 7.1.3. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ МОНОСАХАРИДОВ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ D-Глюкоза (виноградный сахар) – самый распространѐнный моносахарид. В свободном виде содержится во фруктовых соках, в качестве составной части входит в состав многих дисахаридов и полисахаридов. В кристаллическом состоянии можно получить оба аномера: - и -пира-нозные формы; в водном растворе содержание -пиранозной формы 36%. Температура плавления безводной ,D-глюкопиранозы 146С, ,D-глюко-пиранозы 148– 150С. Глюкозу используют в пищевой промышленности, медицине, в качестве исходного вещества для получения глюконовой и аскорбиновой кислот, а также для получения этилового спирта. Этанол образуется в результате ферментативного расщепления. (Этот процесс, протекающий в клетке, называется гликолизом и является одним из путей окисления глюкозы.) В промышленном производстве этанола используется процесс спиртового брожения под действием смеси ферментов — зимазы. Эту смесь ферментов вырабатывают дрожжевые грибы. Суммарно процесс превращения D-глюкозы в этанол можно выразить уравнением: C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 Помимо D-глюкозы процессу спиртового брожения с участием ферментов дрожжевых грибов подвержены D-манноза и D-фруктоза. D-Галактоза встречается в природе в свободном виде сравнительно редко, в виде гликозидов, дисахаридов (лактоза), полисахаридов (галактаны, агар-агар, растительные клеи), гликопротеинов, гликолипидов. В кристаллическом состоянии получены оба аномера: - и -пиранозные формы; в водном растворе содержание -пиранозной формы 27%. Температура плавления безводной ,D-галактопиранозы 167С, ,D-галакто-пиранозы 153–155С. D-Фруктоза (плодовый сахар, левулоза) встречается в природе в свободном виде в пчелином мѐде, в помидорах, яблоках, в виде дисахаридов (сахароза), некоторых полисахаридов, гликопротеинов. В кристаллическом состоянии существует в виде -пиранозы с температурой плавления 102– 104С; в водном растворе содержание фуранозных форм 2342% в зависимости от температуры. В сахарозе и других производных присутствует в форме -фуранозы. D-Ксилоза (древесный сахар) входит в состав полисахаридов ксиланов. Ксиланы содержатся в древесине, лузге подсолнуха, кукурузной кочерыжке, соломе. D-ксилоза имеет температуру плавления 145С; в кристаллическом состоянии существует в -пиранозной форме, в водном растворе содержание -пиранозной формы 33%. 371 D-Рибоза входит в состав рибонуклеиновой кислоты, нуклеотидов, витаминов, коферментов. Температура плавления 87C; в кристаллическом состоянии существует в -пиранозной форме, а в водном растворе содержание -пиранозной формы 26%, -пиранозной формы 50%, -фу-ранозной формы 6% и -фуранозной формы 13%. Производные D-рибозы имеют фуранозную форму. Дезоксисахара, такие как 2-дезокси-D-рибоза (2-дезокси-,Dрибофураноза), L-фукоза, L-рамноза, — моносахариды, содержащие в молекуле один или несколько атомов водорода вместо гидроксильных групп. CH2OH OH O H H H H OH H HC=O HO H H OH H OH HO H CH3 2-дезокси-,D-рибофураноза L-фукоза HC=O H OH H OH HO H HO H CH3 L-рамноза 2-Дезокси-D-рибофураноза является структурным компонентом ДНК. L-Фукоза и L-рамноза – структурные компоненты гликозидов и полисахаридов наземных растений. L-Фукоза содержится также в составе биологически важных гликопротеинов и гликолипидов животных. Аминосахара (или, правильнее, аминодезоксисахара), такие как D-глюкозамин и N-ацетил-D-галактозамин и др., — производные моносахаридов, содержащие в молекуле вместо одной или нескольких гидроксильных групп незамещѐнные и замещѐнные аминогруппы. H CH2OH O H OH H CH2OH O OH H OH OH H H H NH-CO-CH3 OH OH H NH2 (),D-глюкозамин N-ацетил-(),D-галактозамин (2-амино-2-дезокси-D-глюкопираноза) (2-ацетиламино-2-дезокси-D-галактопираноза) Аминосахара входят в состав многих сахаросодержащих биополимеров, а также антибиотиков. Нейраминовая и сиаловые кислоты можно рассматривать как производные маннозы. 372 H NH2 H H OH H H H O O COOH C NH H3C H H H OH OH H H OH H OH CH2OH нейраминовая, или 3,5-дидезокси-5-аминононулозоновая, кислота O COOH H OH H OH OH CH2OH H O C NH H2C H HO H OH H H O COOH H OH H OH OH CH2OH сиаловые кислоты, или N-ацетил-3,5-дидезокси-5аминононулозоновая кислота и N-гидроксиацетил-3,5-дидезокси-5аминононулозоновая кислота Нейраминовая кислота в свободном состоянии содержится в спинномозговой жидкости. Сиаловые кислоты служат компонентами специфических веществ крови и тканей, входят в состав ганглиозидов мозга, участвующих в проведении нервных импульсов. L-Аскорбиновая кислота (витамин С) — -лактон 2,3-дегидро-Lгулоновой кислоты. CH2OH H OH O O H OH OH Она содержится во многих фруктах и овощах. Необходима для жизнедеятельности организма человека и животных, катализирует окислительновосстановительные процессы в организме, например окисление (гидроксилирование) -аминокислоты пролина. Применение L-аскорбиновой кислоты в медицинских целях способствует быстрому заживлению ран, срастанию костей, излечению язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, а также рекомендуется при тромбофлебите, артеросклерозе, гепатите и т.д. По структуре аскорбиновая кислота является фиксированным ендиолом, за счѐт чего проявляет сильные восстановительные и кислотные свойства (рКа = 4.17). Промышленное применение нашѐл метод синтеза L-аскорбиновой кислоты на использовании доступного сырья (D-глюкозы): 373 HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH [H] H HO H H CH2OH OH H OH OH CH2OH HO HO H HO CH2OH H H OH H CH2OH [O] D-глюцит (L-сорбит) D-глюкоза CH2OH O HO H H OH HO H CH2OH H H HOH2C O OH OH O CH3-C-CH3 CH2OH OH H L-сорбоза H O H O CH2 O C H3C CH3 H O C CH3 [O] O CH3 CH2OH H H O H3C 2-оксо-L-гулоновая кислота O H H O -лактон-2-оксо-L-гулоновой кислоты CH2 C O CH3 O C CH3 O CH3 COOH H COOH O HO H H OH HO H CH2OH OH H O + H OH H2O/H COOH HOH2C OH H CH2OH H OH O OH O CH2OH H OH O O H HO OH L-аскорбиновая кислота (-лактон-2,3-дегидро-L-гулоновой кислоты) Кроме чистой L-аскорбиновой кислоты, еѐ соли (аскорбинаты натрия, кальция и железа) и эфиры (пальмитат аскорбиновой кислоты) применяются как в медицинской практике, так и для витаминизации пищевых продуктов. 374 D-галактуроновая кислота является структурным компонентом пектиновых веществ плодов и ягод. D-глюкуроновая и L-идуроновая кислоты являются структурными единицами гетерополисахарида гепарина. COOH O OH H OH H H H OH H H OH O COOH OH H OH OH H D-галактуроновая кислота OH L-идуроновая кислота. Сложные эфиры фосфорной кислоты содержатся во всех растительных и животных организмах. Прежде всего это ,D-глюко-пиранозидофосфат, получающийся при фосфоролизе полисахарида гликогена. Из глюкозы в организме образуется D-глюкозо-6-фосфат, который изомеризуется в Dфруктозо-6-фосфат и затем превращается в D-фруктозо-1,6-дифосфат. CH2OH O H OH H H OH H H H OPO(OH)2 OH OH ,D-глюкопиранозидофосфат (HO)2OPOCH2 CH2OPO(OH)2 O H OH OH H CH2OH H OH OH H OH H O H OH D-глюкозо-6-фосфат (HO)2OPOCH2 CH2OPO(OH)2 O H OH OH H OH H ,D-фруктозо-1,6-дифосфат D-фруктозо-6-фосфат 7.2. ОЛИГОСАХАРИДЫ Олигосахариды это углеводы, молекулы которых состоят из нескольких (от 2 до 10) моносахаридных остатков, соединѐнных гликозидными связями. По числу таких моносахаридных звеньев, входящих в состав молекулы олигосахарида, выделяют дисахариды (состоящие из двух моносахаридных остатков), трисахариды, тетрасахариды и т.д. Из них дисахариды (или биозы) являются наиболее важными в практическом отношении углево- 375 дами и обладают всеми особенностями строения и химического поведения, присущими олигосахаридам в целом. 7.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ДИСАХАРИДОВ Гликозидная связь в дисахаридах может образовываться по-разному, в зависимости от природы гидроксильных групп, участвующих в еѐ образовании. Одни дисахариды характеризуются гликозидной связью, образованной из гликозидной гидроксильной группы одной молекулы моносахарида и обычной спиртовой гидроксильной группы второй молекулы моносахарида. Такие дисахариды имеют свободную полуацетальную гидроксогруппу, в их растворах наблюдаются явления аномеризации и мутаротации, и они, как и все альдозы, обладают восстанавливающими свойствами по отношению к мягким окислителям (например, дают реакцию серебряного зеркала см. свойства моносахаридов). Поэтому такие дисахариды называются восстанавливающими. В образовании других дисахаридов принимают участие гликозидные гидроксогруппы обеих молекул моносахаридов. Такие дисахариды называются невосстанавливающими, они существуют в фиксированных циклических формах, не подвергаются аномеризации, не окисляются мягкими окислителями. Это принципиальное различие химической структуры дисахаридов, относящихся к разным группам, отражается и в их систематических названиях: суффикс с окончанием -оза используется для названий восстанавливающих дисахаридов, так как в их молекулах присутствует полуацетальная гидроксогруппа, и они сохранили все свойства моносахаридов, а для названий невосстанавливающих дисахаридов используется суффикс -озид. Примерами дисахаридов являются: А) ВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕ 1) H CH2OH O H OH H H H CH2OH O H OH H OH O OH H OH H OH мальтоза 4-О-(,D-глюкопиранозил)-(),D-глюкопираноза 376 2) H CH2OH O H OH H OH H O CH2OH O H OH H OH H H OH H OH целлобиоза 4-О-(,D-глюкопиранозил)-(),D-глюкопираноза 3) CH2OH O OH H O OH H H H H OH H CH2OH O H OH H H OH OH лактоза 4-О-(,D-галактопиранозил)-(),D-глюкопираноза Б) НЕВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕ 1) H CH2OH O H OH H H OH H H OH CH2OH O H OH H O трегалоза ,D-глюкопиранозил-,D-глюкопиранозид H OH H 2) H OH CH2OH O H OH H H OH H OH O CH2OH O H OH CH2OH H OH H сахароза ,D-глюкопиранозил-,D-фруктофуранозид, или ,D-фруктофуранозил-,D-глюкопиранозид 377 7.2.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСАХАРИДОВ Общим свойством для всех дисахаридов, отличающим их от нейтральных моносахаридов, является способность к гидролизу. Гидролиз протекает по гликозидной связи и возможен только в кислой среде (так же, как и в общем случае, гидролиз полных ацеталей). Например, для мальтозы: CH2OH O H OH H H H H H H H + CH2OH O H OH H OH H OH CH2OH O H OH H OH O H OH H CH2OH O H OH H H OH H OH + OH CH2OH O H OH H + OH H + OH H O OH H CH2OH O H OH H H OH H OH H CH2OH O H OH H 2 H + -H OH HC=O H OH HO H H OH H OH CH2OH OH OH H H2O OH D-глюкоза Гликозидная связь между моносахаридными звеньями в молекулах дисахаридов может разрываться также и при кислотно-катализируемом действии спиртов. Такие превращения дисахаридов известны как алкоголиз дисахаридов. В качестве примера приведѐм метанолиз сахарозы: 378 H H OH OH + H H OH O CH2OH O H OH CH2OH H OH H CH2OH O H OH H + H CH2OH O H OH H H OH O H CH2OH O H OH CH2OH H OH H H OH,CH2OH + CH2OH O H OH H + CH2OH O H OH H H OH H CH3OH + -H ... H OH OH H CH2OH CH2OH O H O H H OH CH2OH CH3OH OH + OH H + ... -H OH H OH H H OH Образовавшиеся на данной стадии молекулы D-фруктозы и D-глюкозы также в дальнейшем подвергаются метанолизу. В результате конечными продуктами реакции будут метилгликозиды D-фруктозы и D-глюкозы (в разных циклических и аномерных формах). Дисахариды вступают во многие реакции, характерные для циклических форм моносахаридов с участием спиртовых гидроксильных групп, в частности образуют простые и сложные эфиры. Например, обработка целлобиозы избытком йодметана в щелочном растворе приводит к продукту исчерпывающего метилирования: + H CH2OH O H OH H OH H O CH2OH O H OH H H H OH H 379 OH - OH CH3I / OH CH2OCH3 O H OCH3H H H3CO CH2OCH3 O H OCH3H H O H OCH3 H H OCH3 OCH3 Существенным отличием восстанавливающих дисахаридов от невосстанавливающих это реакции с участием карбонильных групп. Сюда относятся как реакции нуклеофильного присоединения, реакции окисления альдегидной группы, так и другие реакции, характерные для моносахаридов, например, реакции эпимеризации и изомеризации кетоз в альдозы. Типичной иллюстрацией всего этого служит реакция серебряного зеркала (например, для мальтозы): CH2OH O H OH H H H H OH CH2OH O H OH H H H H H OH CH2OH OH H OH H OH H H CH2OH OH H OH H CH2OH O H OH H H OH H мальтобионовая кислота O C H [Ag(NH3)2]OH OH O OH H OH O OH H H O OH H CH2OH O H OH H O C OH OH Невосстанавливающие дисахариды существуют только в циклических формах и поэтому не проявляют свойств альдегидов и кетонов. 7.2.3. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ ДИСАХАРИДОВ Мальтоза (солодовый сахар) в небольших количествах содержится в некоторых растениях. Это основной продукт расщепления крахмала. В кри380 сталлическом состоянии можно получить как -, так и -пиранозные формы. В растворе наблюдается мутаротация. Легко растворяется в воде. Еѐ используют в производстве вина и пива. Целлобиоза бесцветное кристаллическое вещество, легко растворимое в воде. Существует как -целлобиоза, так и -целлобиоза. В растворах наблюдается мутаротация. Не сбраживается дрожжами, не усваивается животными организмами. Лактоза (молочный сахар) содержится в молоке (в коровьем — 45%, а в женском до 8%). Выделяют из молочной сыворотки. Существует как -лактоза, так и -лактоза. В кристаллическом состоянии находится в основном в -форме. Используется для приготовления питательных микробиологических сред, в фармацевтической промышленности — в качестве наполнителя таблеток. Трегалоза (грибной сахар) содержится в грибах, водорослях и гемолимфе насекомых. Используется насекомыми для создания запасов углеводов. Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) — один из наиболее важных промышленных углеводов, извлекается из сока сахарного тростника или сахарной свѐклы, содержится также в соках других растений и плодах. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Еѐ растворы оптически активны, мутаротация не наблюдается. Температура плавления 185C. Является ценным пищевым продуктом и исходным веществом для получения этанола. Хорошо сбраживается дрожжами и усваивается человеческим организмом. 7.3. ПОЛИСАХАРИДЫ Молекулы полисахаридов построены из большого числа моносахаридных звеньев. По химической природе их можно рассматривать как полигликозиды. Их общее систематическое название гликаны (гексозаны, пентозаны и т.д.). Например, полисахарид ксилан, состоящий из остатков ксилозы, относится к пентозанам. Полисахариды подразделяются на гомополисахариды и гетерополисахариды. Молекулы гомополисахаридов состоят из остатков одного моносахарида, а гетерополисахаридов из остатков разных моносахаридов. В свою очередь, цепи полисахаридов могут быть линейными и разветвлѐнными. Основная масса гомополисахаридов это полисахариды растительного происхождения (фитогликаны), такие как крахмал, целлюлоза, ксилан, маннаны, галактаны, инулин. Меньшая, но тоже значимая часть гомополиса381 харидов это полисахариды животного происхождения (зоогликаны), такие как гликоген, хитин, а также бактериального происхождения (например, декстраны). Гетерополисахариды представлены животными и бактериальными полисахаридами; они меньше изучены, но так же, как и гомополисахариды, играют важную биологическую роль. В образовании связей между моносахаридными звеньями принимает участие гликозидный гидроксил от одного моносахаридного остатка и спиртовый гидроксил от другого; причѐм преобладают 1,4-связи, а также (в меньшем количестве) — 1,6-связи, но встречаются 1,2- и 1,3-гликозидные связи. Поэтому на одном конце полисахаридной цепи находится свободная полуацетальная группа. Но поскольку массовая доля концевого остатка относительно всей макромолекулы невелика, то полисахариды проявляют очень слабые восстановительные свойства. Наличие гликозидных связей обуславливает способность этих соединений к гидролизу в кислой среде. Конечными продуктами гидролиза являются соответствующие моносахариды. В щелочной среде полисахариды гидролизу по гликозидным связям не подвергаются. Для полисахаридов, так же как и для моносахаридов, возможны реакции с участием спиртовых гидроксогрупп. Это такие, как алкилирование и ацилирование с образованием простых и сложных эфиров, соответственно. Эти реакции имеют огромное значение при получении искусственных полимеров (из природных) с заданными потребительскими свойствами. 7.3.1. ЦЕЛЛЮЛОЗА Целлюлоза, или клетчатка, — самый распространѐнный полисахарид в растительном мире. Содержание целлюлозы в древесине 5070%, в хлопке — 98%. Основным структурным звеном являются остатки ,Dглюкопиранозы, соединѐнные 1,4-гликозидными связями. Макромолекулы не имеют разветвлений, в них содержится от 2500 до 12 000 глюкозных остатков. H CH OH 2 H H O O O H HO H OH H H O OH H H H H H CH2OH 382 OH O n n = 12506000 Макромолекулы имеют линейное строение, что обусловлено конфигурацией аномерного атома углерода (в -форме); дополнительную устойчивость линейным молекулам придают водородные связи внутри цепи (между атомом кислорода пиранозного кольца и гидроксогруппой второго углеродного атома). Макромолекулы расположены параллельно друг другу и связаны между собой межмолекулярными водородными связями, образуя волокна. В связи с этим целлюлоза обладает высокой механической прочностью и служит материалом для построения клеточных стенок растений. Целлюлоза в воде не растворяется и набухает только в растворах щелочей. Она не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта, но она является необходимым балластным веществом. В желудке жвачных животных (коров, овец) содержатся микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу, поэтому жвачные животные могут питаться продуктами, содержащими целлюлозу. Целлюлоза широко применяется в производстве этанола, искусственного волокна, фотоплѐнок, взрывчатых веществ. При гидролизе целлюлозы с помощью водного раствора серной кислоты получают водный раствор глюкозы, который после удаления сульфатионов используют для получения этилового спирта путѐм спиртового брожения (гл. 7.1.3). Искусственные волокна на основе целлюлозы — это прежде всего вискозные волокна. Их формуют из концентрированного раствора натриевой соли ксантогената целлюлозы. Схему реакции образования ксантогената целлюлозы условно можно представить следующим образом: S [C6H7O2(OH)3]n + nxNaOH + nxCS2 -nxH2O [C6H7O2(OH)3-x(O-C SNa )x]n x = 0.45 0.65 Целлофан — это плѐнка, формуемая из щелочных растворов ксантогената целлюлозы. Он нетоксичен, применяется в качестве упаковочного материала для жирных мясомолочных продуктов, фруктов, кондитерских изделий и др. В медицине целлофан — имплантируемый материал. Этролы — это эфироцеллюлозные пластмассы. Важнейшим среди них является целлулоид, основой которого является нитрат целлюлозы (коллоксилин) с низкой степенью этерификации (х = 1.52.5) [C6H7O2(OH)3-x(ONO2)x]n . Среди других этролов — это пластмассы на основе ацетата, ацетобутирата, ацетопропионата целлюлозы и этилцеллюлозы. Этролы применяют в производстве труб для перекачки природного газа, деталей автомобилей, самолѐтов, телефонных аппаратов, радио- и телеприѐмников, медицинских инструментов и др. 383 Пироксилины — нитраты целлюлозы с высокой степенью этерификации (х = 23). Пироксилины и колоксилин применяются также в производстве бездымного пороха динамита и других взрывчатых веществ. 7.3.2. АМИЛОЗА И АМИЛОПЕКТИН Амилоза и амилопектин — полисахариды, встречающиеся в составе клубней, корней и семян растений в виде смеси, имеющей название крахмал. Амилоза представляет собой неразветвлѐнную макромолекулу, структурным звеном которой являются остатки ,D-глюкопиранозы, соединѐнные 1,4-гликозидными связями. В составе макромолекул содержится от 200 до 1000 глюкозных остатков. В пространстве макромолекулы свѐрнуты в спираль: O HOH2C H H O HO H H H CH2OH OH O H HO H H O OH O H H OH O n HO H H HOH2C H H H H H CH2OH H H OH O HO OH n = 100... 500 HO H На каждый виток спирали приходится 6 моносахаридных звеньев. Спираль имеет приблизительно 50 витков. Очень характерным свойством крахмала является цветная реакция с йодом — появление интенсивной синей окраски. Предполагается, что появление окраски обусловлено специфическим донорно-акцепторным взаимодействием между гидроксильными группами и молекулами йода за счѐт включения йода во внутренний канал спирали макромолекулы амилозы. Макромолекула амилопектина построена также из остатков ,Dглюкопиранозы, но она разветвлена. В точках ветвления глюкозный остаток образует не только 1,4-, но и 1,6-гликозидные связи. Между точками ветвле- 384 ния располагается от 20 до 25 глюкозных остатков. Общее количество моносахаридных звеньев в макромолекуле амилопектина достигает 6000 и более: H CH OH 2 ... H O O H HO H O H CH 2 H O H HOH2C H ... O HO H OH OH H O H HO H O H OH H O ... H n n = 20... 25 Крахмал обычно содержит до 1020% связанной воды. При быстром нагревании крахмала происходит гидролитическое расщепление макромолекул с образованием более коротких молекулярных цепей. Продукт такого гидролитического расщепления крахмала называют декстринами. В отличие от целлюлозы, крахмал в воде набухает и образует вязкие растворы (гели), которые здесь называются клейстером. Гидролиз крахмала в пищеварительном тракте человека происходит под действием ферментов, расщепляющих 1,4- и 1,6-гликозидные связи. Крахмал широко применяется в различных отраслях промышленности. Из него в ферментативных процессах получают этанол, бутан-1-ол, молочную, лимонную кислоты. 7.3.3. ГЛИКОГЕН Это животный аналог крахмала. Гликоген построен из остатков ,Dглюкопиранозы, соединѐнных 1,4- и 1,6-гликозидными связями, и так же, как и амилопектин имеет разветвлѐнную структуру, причѐм цепи гликогена ещѐ в большей степени разветвлены. Макромолекулы чрезвычайно велики: общее количество моносахаридных звеньев в них составляет около 600 000, но компактны — в пространстве представляют собой глобулы. 385 7.3.4. ДЕКСТРАНЫ Это полисахариды бактериального происхождения. Их макромолекулы построены из остатков ,D-глюкопиранозы, соединѐнных 1,6-гликозидными связями, сильно разветвлены. В точках ветвления глюкозный остаток образует 1,4-, 1,3-, и 1,2-гликозидные связи. Пример участка такой цепи с точкой ветвления у 4-го атома углерода: ... H CH 2 H HO O H HO H O H CH 2 H O H ... OCH2 OH H H O O H HO OH H H HO HO H OH H O H CH 2 H H HO O H HO H OH H O ... Общее количество моносахаридных звеньев в макромолекулах измеряется десятками тысяч. Декстраны используются как заменители плазмы крови, для чего молекулярную массу полисахарида снижают с нескольких миллионов до 50000100000 при помощи кислотного гидролиза или ультразвуковым методом деструкции. 7.3.5. ХИТИН Хитин представляет собой аминополисахарид, являющийся главным компонентом внешнего скелета насекомых и ракообразных и клеточных стенок многих грибов. Структурным звеном макромолекулы хитина является N-ацетил-Dглюкозамин, в остальном его строение подобно целлюлозе: моносахаридные 386 остатки соединены -1,4-гликозидными связями, макромолекулы не разветвлены. H CH OH 2 H H O O O H HO H3C C H H H H O H NH O NH H H H H3C C CH2OH OH O n O Хитин не растворяется в воде, кислотах, щелочах, малорастворим в муравьиной кислоте. При его обработке горячей щѐлочью происходит гидролиз амидной связи и получается аминополисахарид хитозан: H CH OH 2 H H O O O H HO NH2 H H H H H NH2 H H O CH2OH H хитозан OH O n 7.3.6. ПЕКТОВАЯ КИСЛОТА Пектовая кислота лежит в основе пектиновых веществ, которые содержатся в плодах и овощах. Этот полисахарид построен главным образом из остатков D-галактуроновой кислоты в -пиранозной форме, соединѐнных 1,4-гликозидными связями: H O H OH H HOOC O H OH H HO 387 H n Для пектиновых веществ характерно желеобразование в присутствии органических кислот. Это свойство используется в пищевой промышленности. Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное действие. 7.3.7. ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ CO OH Как в животном, так и в растительном мире существует множество гетерополисахаридов. Обычно они связаны с белками и образуют сложные надмолекулярные комплексы. К гетерополисахаридам можно отнести альгиновые кислоты, так как их макромолекулы построены из остатков ,D-маннуроновой и ,Lгулуроновой кислот в пиранозных формах, соединѐнных 1,4-глико-зидными связями. H COOH H H H H O ... ... O OH O O H OH O HO O H H H H H Макромолекулы представляют собой линейные цепи. Распределение мономеров вдоль цепи имеет блочный характер, причѐм имеются блоки трѐх типов: монотонные последовательности остатков ,D-маннуроновой или ,Lгулуроновой кислот и участки с более или менее регулярным чередованием остатков обеих кислот. Альгиновые кислоты содержатся в бурых водорослях и синтезируются некоторыми бактериями. Они плохо растворимы в холодной воде, но растворимы в горячей воде и растворах щелочей. Для промышленного получения используют морские водоросли, главным образом родов ламинария (Laminaria) и макроцистис (Macrocystis). Альгиновые кислоты и их соли применяются в качестве загустителей, стабилизаторов суспензий и эмульсий, гелеобразователей в производстве мороженого и желе, фармацевтических препаратов и косметических средств, бумаги и т.д. Одними из наиболее изученных гетерополисахаридов являются хондроитинсульфаты, состоящие из чередующихся дисахаридных звеньев, которыми могут быть как N-ацетилхондрозин-4-сульфат, так и N-ацетилхондрозин-6-сульфат, соединѐнные 1,4--гликозидными связями; внутри дисахаридного фрагмента — 1,3--гликозидные связи: 388 H COOH ... OSO3H CH2OH O O H H O H H H O O HO OH NH H H H H3C C O H ... остаток N-ацетилхондрозин-4-сульфата H COOH ... OH CH2OSO3H O O H H O H H H O O HO OH NH H H H H3C C O H ... остаток N-ацетилхондрозин-6-сульфата Хондроитинсульфаты относятся к гетерополисахаридам соединительных тканей и входят в состав кожи, хрящей, сухожилий в связанном виде с полипептидными цепями. Другим хорошо изученным гетерополисахаридом соединительных тканей является гиалуроновая кислота. По структуре она напоминает хондроитинсульфат: макромолекулы которой состоят из чередующихся дисахаридных звеньев, в дисахаридном фрагменте — 1,3--гликозидные связи, а дисахаридные звенья связаны друг с другом 1,4--гликозидными связями: H COOH H O H H O H HO OH H CH2OH H HO O H O H H OH NH H3C C O H n Растворы гиалуроновой кислоты обладают высокой вязкостью. Она входит в состав стекловидного тела глаза, суставной жидкости, хрящей так же, как и хондроитинсульфаты, в связанном виде с полипептидными цепями. 389 ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Изобразите проекции Фишера для L-глюкозы, L-сорбозы. 2. Изобразите формулы Хеуорса для ,L-глюкопиранозы, ,D-маннопиранозы, ,D-фруктофуранозы. 3. В какие гексозы будет превращаться D-галактоза в слабощелочном растворе? 4. Приведите схемы реакций восстановления D-глюкозы и L-сорбозы. Покажите, что конфигурации D-глюцита и L-сорбита идентичны. 5. Изобразите циклические структуры для пиранозной и фуранозной форм D-маннозы. 6. Приведите механизмы кислотного и основного катализа процесса аномеризации на примере D-маннозы. 7. В чѐм различие механизмов гидролиза мальтозы и сахарозы? Приведите их. Поясните. 8. Как из L-галактозы получить L-галактуроновую кислоту? Приведите механизмы реакций, протекающих при этом. 9. Приведите схему реакции исчерпывающего метилирования трегалозы. Укажите условия реакции. Для продукта реакции приведите механизм кислотного гидролиза. Изобразите таутомерные формы всех продуктов гидролиза. 10.Какие из перечисленных углеводов дают положительную реакцию с реактивом Толленса: D-галактоза, D-фруктоза, целлобиоза, сахароза? Приведите схемы и механизмы реакций. 390 Глава 8. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ Алициклические соединения содержат в молекулах один или несколько насыщенных или ненасыщенных (но не ароматических) циклов, состоящих из атомов углерода. Основой таких соединений являются соответствующие углеводороды. По числу циклов в молекулах различают моноциклические (циклоалканы, циклоалкены и т.д.) и полициклические углеводороды. Моноциклические соединения могут содержать разное число атомов в цикле: это малые циклы (3 или 4 атома), нормальные (или обычные) (57 атомов) и макроциклы, подразделяемые, в свою очередь, на средние (811 атомов) и большие (12 атомов и более). Полициклические соединения по взаимному расположению колец делят на: соединения с изолированными циклами (циклы не содержат общих атомов), например: CH2 спирановые — соединения, имеющие один общий атом углерода для двух циклов, например: конденсированные — соединения, имеющие два общих атома углерода для двух циклов, например: мостиковые — соединения, имеющие три и более общих атома углерода для двух циклов, например: CH2 391 8.1. НОМЕНКЛАТУРА МОНО- И БИЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Названия циклоалканов по заместительной номенклатуре образуют, добавляя приставку цикло- к названию соответствующего алифатического соединения, содержащего такое же число атомов, как и в цикле. Для углеводородов с кратными связями и для соединений, содержащих функциональные группы, применяют те же принципы и правила составления названий, что и для алифатических соединений. Например: H 2C H 2C CH3 CH2 O или циклопропан циклогексанон 2-метилциклопент-1,3-диен За основу названий бициклических соединений с изолированными циклами выбирается наибольший цикл, например: — циклобутилциклогексан В случае спиранов за основу выбирается название алифатического углеводорода с тем же общим числом атомов углерода, перед которым ставится приставка спиро- и цифры (в квадратных скобках, в порядке возрастания), указывающие число атомов в каждом из циклов, связанных со спироатомом. Нумерация начинается со спироатома, сначала нумеруется больший цикл, затем — меньший. Например: 3 2 10 9 1 4 5 — спиро[4.5]декан 8 6 7 Для конденсированных и мостиковых алициклических соединений основой названия также служит название алифатического углеводорода, имеющего то же общее число атомов углерода; в приставке указывается число циклов и после слова «цикло» цифрами в квадратных скобках — число атомов углерода в каждом цикле между узловыми (общими для двух циклов) атомами (но здесь в порядке уменьшения). Нумерация начинается с одного из узловых атомов, нумеруется сначала больший цикл, нумерация которого заканчивается другим узловым атомом, затем нумеруются оставшиеся атомы меньшего кольца. Например: 392 4 5 6 OH — бицикло[3.2.0]гептан-6-ол, 3 7 1 2 1 2 8 3 9 — 9-метилбицикло[4.2.1]нонан. CH3 4 7 6 5 Для некоторых полициклических соединений используются тривиальные названия, например: декалин адамантан 8.2. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ И ИЗОМЕРИЯ ЦИКЛОАЛКАНОВ В XIX столетии после создания А.М. Бутлеровым теории строения органических соединений было общепризнано, что среди циклических соединений должны существовать вещества, молекулы которых содержат пять или шесть атомов углерода в цикле. Соединения с меньшим и большим размером цикла были синтезированы позже (в 1883 году были получены циклопропанкарбоновая и циклобутанкарбоновая кислоты). И уже в 1885 году выдающийся немецкий химик-органик А. Байер* высказал предположения о стабильности циклоалканов и факторах, еѐ определяющих. В основе созданной Байером «теории напряжения» лежат два постулата. Он полагал, что 1) все циклоалканы плоские и 2) любое отклонение валентного угла в плоском цикле от тетраэдрического (10928) вызывает внутреннее напряжение цикла. Угловое напряжение, или напряжение Байера, вызвано растяжением или сжатием валентных углов и отклонением их от тетраэдрического 10928. Эта теория объясняла немногие известные в то время факты стабильности пяти- и шестичленных циклов и более низкой стабильности трѐх- и четырѐхчленных циклов, но она ставила под сомнение само существование макроциклов, для которых напряжение в плоском цикле должно быть очень значительным. Термин «напряжение» — термодинамическая характеристика стабильности цикла. Общая энергия напряжения является суммой трѐх основных 393 составляющих. Кроме углового напряжения на стабильность цикла влияют напряжения заслонѐнных, противостоящих С–Н-связей и так называемое трансаннулярное напряжение. Напряжение заслонѐнных С–Н-связей, или торсионное напряжение, напряжение Питцера*, по своей природе аналогично отталкиванию атомов водорода в заслонѐнной конформации этана и других предельных углеводородов для двух заслонѐнных С–Н-связей. Трансаннулярное напряжение, или напряжение Прелога, обусловлено взаимодействием в пространстве двух или большего числа атомов водорода при противоположных атомах углерода в цикле. 8.2.1. ЦИКЛОПРОПАН Циклопропан представляет собой плоский правильный треугольник с валентными углами ССС = 60, НСН = 114, а углами между орбиталями, образующими С–С-связи 104. Длина углерод-углеродной связи составляет 0.151 нм, т.е. она короче по сравнению с С–С-связью в алканах (0.1543 нм). H H 1,51 Å 60 o Ho H 116,5 H H При перекрывании атомных орбиталей углерода образуются банановые связи, или -связи (гл. 1.3.1), они имеют более высокий р-характер (83%) и меньший s-характер (17%) по сравнению с sp3-типом гибридизации атомных орбиталей углерода в алканах. Формально это соответствует гибридизации sp4.17 — это согласуется (по Л. Полингу — гл. 1.2) с углом между орбиталями (104). Две другие гибридные орбитали углерода, которые образуют С–Н-связи, напротив, имеют более высокий s-характер и меньший р-характер. По существу они очень близки к sp2-орбиталям (по Полингу тип гибридизации, соответствующий валентному углу 116.5, sp2.28). Плоскость, проходящая через два атома водорода и атом углерода СН2группы, перпендикулярна плоскости самого циклопропана. 394 Общее напряжение в молекуле циклопропана определяется наличием не только углового напряжения, обусловленного «изогнутыми» С–Ссвязями, но и торсионного напряжения. Все шесть связей С–Н находятся в заслонѐнной конформации: H C H H H C C H H Общая энергия напряжения в молекуле циклопропана составляет 115 кДж/моль, а доля в ней торсионного напряжения — 22% (25 кДж/моль). 8.2.2. ЦИКЛОБУТАН Циклобутан представляет собой неплоский четырѐхугольник с валентными углами ССС = 88, НСН = 107. Длина углерод-углеродной связи даже несколько больше, чем в алканах, и составляет 0.1551 нм. H H H 25 H 88 o o H H o 107 H H В циклобутане, так же как и в циклопропане, существует угловое и торсионное напряжение. Его общая энергия напряжения близка (110 кДж/моль) к энергии напряжения циклопропана, 17.5 oH H хотя угловое напряжение здесь даѐт меньший вклад по сравнению с циклопропаном, поскольку даже в плоском циклобутане валентный угол был бы равен H H 90. Но в гипотетическом плоском циклобутане должна быть значительно больше энергия торсионного напряжения за счѐт 8 атомов водорода, которые находились бы в заслонѐнной конформации. В не395 плоской конформации атомы водорода оказываются уже не в заслонѐнном, а в несколько скошенном положении; величина торсионного угла составляет 17.5. 8.2.3. ЦИКЛОПЕНТАН Молекула циклопентана неплоская, хотя в гипотетическом плоском циклопентане валентные углы должны быть 108, что очень близко к значению тетраэдрического угла 109.5. Здесь существует только торсионное напряжение. Однако в плоской молекуле оно было бы значительно больше за счѐт всех 10 атомов водорода, находящихся в заслонѐнной конформации друг к другу. Реальная молекула циклопентана напоминает «открытый конверт». H H H H 104.5 H H o H H H H За счѐт скошенной конформации происходит некоторое искажение валентных углов (ССС = 104.5). В результате напряжѐнность молекулы составляет величину порядка 2627 кДж/моль. 8.2.4. ЦИКЛОГЕКСАН В молекуле циклогексана полностью отсутствует напряжение. Молекула находится в форме кресла. Это наиболее устойчивая конформация. В этой конформации все валентные углы близки к тетраэдрическому и все связи С–Н находятся в заторможенном положении. Связи С–Н, параллельные воображаемой оси молекулы циклогексана, и атомы водорода этих связей называются аксиальными (а). Другие шесть С– Н-связей, расположенные примерно параллельно усреднѐнной плоскости кольца (под углом 107.5 к аксиальным связям), и атомы водорода этих связей называются экваториальными (е). 396 H H a e H e H 107.5 H e o H H H a eH a H H H CH2 H H H H CH2 H a a 111o H e a e H H конформация «кресло» Энергетический барьер перехода одной кресловидной конформации в другую составляет 45 кДж/моль, при этом все аксиальные атомы водорода становятся экваториальными, и наоборот все экваториальные — аксиальными: H a H H a e e e 4 H e H He 6 5 H a 3 3 a H H a a H e a H He e H a 2 H 4 H a 5 e He 1 H H a H H 6 e H 2 e H 1 a a H H Этот процесс носит название конверсии цикла. Существуют и другие конформации молекулы циклогексана, но все они обладают энергией большей, чем конформация кресла. Так, в конформации «ванна» меняется положение водородных атомов при С1, С2 и С6. Атомы водорода при С2 и С3 становятся заслонѐнными, такая же ситуация и при атомах углерода С5 и С6. H H 4 H 1 H 5 H H 2 3 H 6 H H H CH2 CH2 H H H HH H H H HH конформация «ванна» Кроме того, возникает отталкивание аксиальных атомов водорода при С1 и С4. В целом конформация ванны на 30 кДж/моль выше по энергии по сравнению с кресловидной формой. 397 При скручивании ванны для придания более устойчивой гошконформации образуется твист-форма («скошенная ванна»): H H H H H H H H H H В этой конформации снято напряжение между атомами водорода при С1 и С4, но атомы водорода при С2 и С3, а также при С5 и С6 частично остаются в заслонѐнной форме. Поэтому по энергии твист-конформация менее стабильна, чем конформация кресла. Равновесная смесь конформеров циклогексана содержит при 293 К 99.99% кресловидной формы, а сам процесс конверсии цикла осуществляется с частотой порядка 105 превращений в секунду при 25С. 8.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Циклоалканы с разным размером цикла имеют разную энергию напряжения и поэтому должны по-разному вести себя в химических реакциях. Так, для малых циклов, у которых энергия напряжения оценивается в 110115 кДж/моль, могут быть характерны реакции присоединения с раскрытием кольца. Нормальные циклы (57-членные) имеют незначительную энергию напряжения или не имеют еѐ совсем (для циклогексана). Для таких соединений характерны те же реакции, что и для алифатических углеводородов и их производных. Однако в макроциклах имеется трансаннулярное напряжение, что отражается на химическом поведении таких веществ. Идентификация циклоалканов, как и алканов, с помощью производных почти невозможна. Исключение составляет циклопропан, который способен к превращениям в многообразные соединения за счѐт раскрытия цикла. 8.3.1. РЕАКЦИИ ЦИКЛОПРОПАНА, ЦИКЛОПРОПЕНА И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ Для циклопропана и его производных характерны реакции: 1) присоединения с раскрытием цикла, 2) замещения с сохранением структуры трѐх- 398 членного кольца, а также реакции изомеризации, которые будут рассмотрены отдельно. Такое разнообразие свойств обусловлено природой -связей между атомами углерода, которые как по геометрии, так и по прочности занимают промежуточное положение между - и -связями. Циклопропановое кольцо устойчиво к действию озона и разбавленного раствора перманганата калия. Это отличает его от алкенов: O3 KMnO4 Однако циклопропан подвергается каталитическому гидрированию, но в более жѐстких условиях, чем алкены: Ni, 390 K CH3CH2CH3 + H2 Pt, 320 K Присоединение с раскрытием кольца происходит также при нагревании с водными растворами галогеноводородов: CH3 + HBr H2O, t o CH3-CH2-CH-CH3 Br Механизм в данном случае электрофильный (АЕ), направление реакции определяется стабильностью образующегося карбокатиона или распределением электронной плотности в исходной молекуле: CH3 H+ метилциклопропан H2C H2C + CH CH3 H+ - CH2-CH2-CH-CH3 Br H -комплекс CH3-CH2-CH-CH3 Br 2-бромбутан Однако сухой бромоводород не расщепляет циклопропановое кольцо даже при нагревании. 399 Возможно также присоединение галогенов к циклопропану на свету. Это реакции радикального присоединения. При этом при бромировании других побочных продуктов не образуется: + Br2 h BrCH2CH2CH2Br 1,3-дибромпропан А при хлорировании в зависимости от температуры процесса может идти как присоединение с раскрытием кольца (АR), так и замещение (SR), с сохранением циклической структуры субстрата: h, T>370K + Cl2 ClCH2CH2CH2Cl h, T~300K Cl + HCl Циклопропен, в отличие от циклопропана, значительно менее стабилен. Его энергия напряжения составляет примерно 280 кДж/моль. В обычных условиях он быстро разрушается. Одно из направлений такой реакции — полимеризация, которая протекает уже при температуре около -70С. Циклопропен стабилен только в твѐрдом виде, он хранится в жидком азоте (при температуре -196С). Стабильность молекулы возрастает при введении заместителей ко всем трѐм углеродным атомам. Своеобразным свойством циклопропена является образование стабильного карбокатиона циклопропенилия: R R R R R R R R + + + + R R R R Этот катион является самой простой циклической сопряжѐнной системой и, в соответствии с рассмотренными далее критериями ароматичности, является ароматической системой (гл. 9.1, 9.8). 8.3.2. РЕАКЦИИ ЦИКЛОБУТАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ Циклобутан значительно менее реакционноспособен, чем циклопропан. Реакции раскрытия цикла не протекают ни под действием галогенов, ни под действием галогеноводородов. Четырѐхчленное кольцо разрушается только гидрированием на платине при значительном нагревании: 400 + H2 Pt, 420 K CH3CH2CH2CH3 8.3.3. РЕАКЦИИ СРЕДНИХ ЦИКЛОВ Для соединений со средним размером цикла (811 атомов) по сравнению с нормальными циклами (57 атомов) возрастает энергия напряжения до 4052 кДж/моль. В больших циклах она уменьшается до 10 кДж/моль в циклододекане и затем до нуля в циклах большего размера. Возрастание общей энергии напряжения в средних циклах обусловлено ростом торсионного напряжения и появлением трансаннулярного напряжения Прелога, характерного для ван-дер-ваальсова отталкивания атомов водорода или других групп, находящихся у пространственно сближенных противоположных атомов углерода кольцевых систем с восемью—одиннадцатью атомами углерода. Это, в свою очередь, является причиной целого ряда аномалий в химическом поведении функциональных производных средних циклов. Для них, например, наиболее характерны трансаннулярные реакции. Примером может служить трансаннулярное перемещение гидрид-иона при дегидратации 1-метилциклодекан-1,6-диола: CH3 HO CH3 H+ H CH3 + H2O OH H O 1-метилциклодекан-1,6-диол - H2O - H+ O H 6-метилциклодеканон Другой пример — присоединение брома к цис-,цис-циклонон-1,5диену: Br + Br - + Br . . . Br Br - - Br + цис-,цис-циклонон-1,5-диен 401 Br Br 2,7-дибромбицикло[4.3.0]нонан 8.3.4. РЕАКЦИИ ИЗОМЕРИЗАЦИИ ЦИКЛА Эти реакции характерны, как правило, для алициклических соединений, содержащих функциональные группы в боковой углеродной цепи. В таком случае для малых циклов протекают не только реакции раскрытия кольца, но и его расширения с образованием более устойчивых циклов. Например: CH2OH CH2Br HBr - H2O Br Механизм расширения трѐхчленного цикла можно представить следующим образом: + H CH2OH + + CH2 OH2 -H2O H2C C CH2 H H2C + - Br Br Примером реакции расширения четырѐхчленного цикла является нитрозирование первичного алифатического амина: CH2-NH2 CH2-OH HNO2 / H+ OH + Не всегда изомеризация алициклического соединения сводится к расширению малого цикла. Перегруппировка Фаворского — пример превраще402 ния 6-членного кольца в 5-членное. В эту реакцию вступают циклические галогенокетоны с участием этилата натрия: H O C2H5O - O - C2H5OH - Cl Cl C2H5O O - - Cl - - O O C OC2H5 C2H5OH OC2H5 COOC2H5 - - C2H5O 8.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИКЛОАЛКАНОВ Циклопентан, циклогексан и их гомологи входят в состав некоторых нефтей. В связи с этим циклогексаны получают из продуктов переработки нефти. Циклопентаны тоже могут быть получены из нефти, но основное количество получают синтетическим путѐм. Синтетические способы получения циклоалканов с малым, нормальным и средним размером цикла, а также алициклических соединений с кратными связями могут различаться в связи с их разной устойчивостью. 1. Лучшим способом получения циклопропана остаѐтся применѐнное в 1887 году Г. Густавсоном* действие цинковой пыли на спиртовый раствор 1,3дибромпропана: Br-CH2-CH2-CH2-Br + Zn C2H5OH, 353 K + ZnBr2 2. Другой способ создания трѐхчленного кольца — взаимодействие 1,2дибромэтана с малоновым эфиром в 50%-м водном растворе щѐлочи в присутствии солей четвертичного аммония: COOC2H5 + CH2 + BrCH2CH2Br 50% NaOH, R4N Br COOC2H5 - COOC2H5 COOC2H5 H2O / H+ COOH 390K COOH COOH 403 + CO2 Для получения производных циклобутана здесь подходит способ с использованием натриймалонового эфира и 1,3-дибромпропана: - COOC2H5 Na + COOC2H5 Br(CH2)3Br HC: + H2O / H COOC2H5 COOC2H5 COOH to COOH - CO2 COOH 3. Производные циклопропана могут быть получены также присоединением карбена и дигалокарбенов (гл. 3.2.4) к алкенам. В настоящее время это наиболее распространѐнный общий способ синтеза производных циклопропана и построения циклопропанового кольца: - + CH3CH2-CH=CH-CH3 + CHCl3 CH3 C2H5 (CH3)3C-O K Cl Cl Эффективный способ превращения алкенов в производные циклопропана основан на реакции алкенов с метилендийодидом и сплавом цинка и меди: R-CH=CH2 + CH2I2 Zn(Cu) (C2H5)2O, 313 K R Активной частицей в этой реакции является карбеноид — йодид йодметилцинка, образующийся при взаимодействии метилендийодида с металлическим сплавом: CH2I2 + Zn(Cu) ICH2ZnI 4. Производные циклобутана и циклопентана, но не более высоких циклов, получаются с помощью модифицированной реакции Вюрца для циклизации 1,4- или 1,5-дигалогенопроизводных. Например: 404 Cl Cl Mg - MgCl2 Реакция протекает в очень мягких условиях и с высоким выходом. 5. Аналогично кетонам алифатического ряда некоторые циклические кетоны могут быть получены пиролизом кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот (гл. 6.1.5). Для этого необходимо использовать соответствующие соли дикарбоновых кислот или нагревать кислоты с гидроксидом кальция или бария: CH2-COO Ba (CH2)n-3 CH2-COO to - BaCO3 (CH2)n-3 O Циклопентанон и циклогексанон этим способом получаются с выходом 80% при нагревании соответственно адипиновой и пимелиновой кислот с гидроксидом кальция или бария, а для реакции получения циклогептанона и циклооктанона выход составляет около 20%. Циклические кетоны с n > 9 вообще не могут быть получены этим способом, так как выходы для высших кетонов не превышают 25%. Швейцарский химик Л. Ружичка* за эти работы и за исследования в области высших терпенов был удостоен в 1939 году Нобелевской премии. 6. Шестичленные циклы могут быть получены реакцией Дильса–Альдера (гл. 4.3.3). 7. Димеризацией и олигомеризацией сопряжѐнных диенов можно получить восьмичленные циклы и циклы большего размера. Например, димеризация бут-1,3-диена в присутствии специфических комплексов никеля в качестве катализатора при температуре 80100С даѐт цис,цис-циклоокт1,5-диен с выходом 96% по схеме: 2 CH2=CH-CH=CH2 Однако другие никелевые комплексы катализируют тримеризацию бутадиена с образованием 12-членных циклов (циклододек-1,5,9-триенов). При этом в зависимости от условий (природа катализатора) образуются разные геометрические изомеры: 405 + 3 CH2=CH-CH=CH2 + 8. Конденсацией Дикмана* обычно получают пяти- и шестичленные циклы, а макроциклы могут быть получены в сильно разбавленных растворах: O COOC2H5 (CH2)n-2 - OC2H5 (CH2)n-2 COOC2H5 CH2-COOC2H5 Механизм реакции аналогичен конденсации Кляйзена (гл. 6.4.4.3). Вместо алкоголятов могут быть использованы гидриды щелочных металлов. Полученный эфир оксоциклоалканкарбоновой кислоты далее может быть гидролизован и декарбоксилирован с образованием соответствующих циклических кетонов: O H2O ... O to (CH2)n-2 COOH - CO2 (CH2)n-2 9. Циклогексан и его производные могут быть получены каталитическим гидрированием ароматических соединений (см. далее в соответствующих главах). Как, например, циклогексан из бензола (гл. 9.5.1.2) или циклогексанол из фенола (гл. 10.5.3.5). 8.5. ТЕРПЕНЫ И ТЕРПЕНОИДЫ. КАРОТИНОИДЫ Терпенами называют углеводороды, представляющие собой продукты олигомеризации изопрена, с общей формулой (C5H8)n , где n = 28 Терпены подразделяют на монотерпены (C5H8)2, сесквитерпены (C5H8)3, дитерпены (C5H8)4, сестертерпены (C5H8)5, тритерпены (C5H8)6 и тетратерпены (C5H8)8. Терпеноиды — кислородосодержащие производные терпенов. Это спирты, альдегиды, кетоны. Терпены и терпеноиды являются продуктами растительного происхождения. Они содержатся в эфирных маслах растений, смоле хвойных деревьев, скипидаре. Работы О. Валлаха* по химии терпенов послужили основой промышленности душистых веществ. 406 По природе углеродного скелета терпены и терпеноиды могут быть ациклические, моноциклические и бициклические. 8.5.1. АЦИКЛИЧЕСКИЕ ТЕРПЕНЫ И ТЕРПЕНОИДЫ Одним из монотерпенов алифатического ряда является мирцен CH3 CH2 CH3-C=CH-(CH2)2-C-CH=CH2 , содержащийся в эфирных маслах хмеля и благородного лавра. Производные мирцена гераниол и нерол являются цис-трансизомерами с общей структурной формулой: CH3 CH3 CH3-C=CH-(CH2)2-C=CH-CH2-OH 3,7-диметилокт-2,6-диен-1-ол Гераниол является составной частью розового, гераниевого, вербенового и лимонного масел; нерол содержится в померанцевом и бергамотовом маслах. Оба спирта являются ценными душистыми веществами, определяют характерный аромат ряда мускатных вин и рислингов, их запах подобен запаху розы, но аромат каждого заметно отличается от другого. Линалоол, изомерный гераниолу и неролу, обладает запахом, напоминающим запах ландыша, является ценным душистым веществом и также определяет характерный аромат ряда мускатных вин и рислингов. CH3 CH3 CH3-C=CH-(CH2)2-C-CH=CH2 OH линалоол (3,7-диметилокт-1,6-диен-3-ол) Он содержится, в частности, в линалоевом, бергамотовом, кориандровом и лавандовом маслах. Цитронеллол содержится почти всегда вместе с гераниолом во многих растениях и также, как и предыдущие три монотерпеновых спирта, является душистым веществом мускатных вин и рислингов. В розовом масле он находится в виде левовращающего, а в лимонном масле – в виде правовращающего изомера. В масле герани содержатся оба энантиомера. Природный цитронеллол представляет собой смеси 3,7-диметилокт-7-ен-1-ола и 3,7диметилокт-6-ен-1-ола, в которых значительно преобладает последний. 407 CH3 CH3 CH3 CH3 * * CH3-C=CH-(CH2)2-CH-CH2CH2-OH CH2=C-(CH2)3-CH-CH2CH2-OH 3,7-диметилокт-7-ен-1-ол 3,7-диметилокт-6-ен-1-ол цитронеллол Цитронеллаль также находится в природе в виде двух стереоизомеров. Правовращающий изомер встречается в цитронелловом и эвкалиптовом маслах, а левовращающий – в яванском цитронелловом масле. Цитронеллаль представляет собой смесь 3,7-диметилокт-7-еналя и 3,7-диметилокт-6-еналя. CH3 CH3 CH3 CH3 * * CH3-C=CH-(CH2)2-CH-CH2-CHO CH2=C-(CH2)3-CH-CH2-CHO 3,7-диметилокт-7-еналь 3,7-диметилокт-6-еналь цитронеллаль Большое значение имеет цитраль, образующийся при окислении гераниола; он встречается во многих эфирных маслах, но больше всего его в лимонном масле. CH3 CH3 CH3-C=CH-(CH2)2-C=CH-CHO цитраль (3,7-диметилокт-2,6-диеналь) Он обладает сильным лимонным запахом, применяется в качестве душистого вещества и как исходное соединение для получения веществ, обладающих запахом фиалок. Примерами сесквитерпеноидов алифатического ряда являются спирты фарнезол и неролидол и альдегид -синенсаль. Фарнезол обладает стойким запахом, напоминающим запах ландышей CH3 CH3 CH3 CH3-C=CH-(CH2)2-C=CH-(CH2)2-C=CH-CH2OH фарнезол (3,7,11-триметилдодек-2,6,10-триен-1-ол) Он содержится в мускусном масле и масле цветов липы. Неролидол содержится в перуанском бальзаме 408 CH3 CH3 CH3 * CH3-C=CH-(CH2)2-C=CH-(CH2)2-C-CH=CH 2 OH неролидол (3,7,11-триметилдодек-1,6,10-триен-3-ол), -синенсаль — в апельсиновом соке CH3 O H CH3 CH3 C-C=CH-(CH2)2-C=CH-CH2-CH=C-CH=CH2 -cиненсаль (2,6,10-триметилдодек-2,6,9,11-тетраеналь) 8.5.2. МОНОЦИКЛИЧЕСКИЕ ТЕРПЕНЫ И ТЕРПЕНОИДЫ Моноциклические терпены можно рассматривать как производные углеводородов ментана, ментена и изомерных ментенов (с иным расположением двойной связи). CH3 CH H3C CH3 H3C CH3 ментан (или п-ментан, или 1-метил-4изопропилциклогексан) CH CH3 ментен (4-метил-1-изопропилциклогекс-1-ен) Эти углеводороды терпенами не являются, однако к терпенам относятся такие ментадиены, как -, - и -терпинены: CH3 CH H3C CH3 -терпинен CH2 CH H3C CH3 -терпинен CH3 CH H3C CH3 -терпинен Терпинены содержатся во многих эфирных маслах, например в кардамоновом и кориандровом, в масле манильской элеми и др.; -терпинен — в можжевельнике. -Феландрен также является ментадиеном: 409 H3C * CH CH3 CH3 -феландрен Он оптически активен. Правовращающая форма встречается в частности в ост-индском гераниевом масле, масле элеми, масле из семян аптечного укропа; левовращающая форма находится в эвкалиптовом масле, масле китайского звѐздчатого аниса, в масле ямайского перца. Терпинолен содержится в манильском, кориандровом масле и в масле элеми. CH3 CH H2C CH3 терпинолен Лимонен широко распространѐн в эфирных маслах. CH2 * C H3C CH3 лимонен (+)-Лимонен содержится, например, в масле апельсиновой корки и в тминном масле; (–)-лимонен – в масле сосновой хвои и еловых шишек; рацемат, называемый дипентеном, содержится в больших количествах в скипидаре. К монотерпеноидам относится насыщенное гидроксипроизводное ментана — ментол, важнейший спирт, содержащийся в значительных количествах в эфирном масле перечной мяты. CH3 CH H3C CH3 OH ментол Из ненасыщенных спиртов ментанового ряда в природе встречаются терпинеол и терпинеол-4: CH3 CH3 C H3C -терпинеол H3C CH3 OH CH OH терпинеол-4 410 CH3 -Терпинеол содержится во многих эфирных маслах, например в кардамоновом и кайепутовом; терпинеол-4 — в масле из ягод можжевельника, в кардамоновом масле, в масле мускатных орехов. Терпинеолы имеют приятный запах, напоминающий запах сирени. Терпингидрат, или гидрат 1,8-терпина, почти не содержится в свежих эфирных маслах, но образуется в некоторых из них при длительном стоянии. CH3 C H3C HO CH3 OH .H O 2 терпингидрат Терпингидрат служит исходным материалом для получения душистых веществ, особенно терпинеолов. В промышленности его получают из скипидара. (+)-Ментон, являющийся насыщенным производным ментана, содержится в масле блоховника и в мятном масле. CH3 CH H3C CH3 O ментон Из ненасыщенных кетонов — это, прежде всего, пулегон и карвон: O H 3C * O CH3 CH2 C * C H3C CH3 CH3 пулегон карвон (+)-Пулегон является главной составной частью масла блоховника. Карвон имеет тминный запах. Он широко распространѐн в виде правовращающей формы, содержащейся, например, в тминном и укропном маслах. (–)-Карвон встречается реже, например, в масле кудрявой мяты и в масле куромойи. В растениях был найден также рацемат карвона. Важнейшим представителем подгруппы моноциклических сесквитерпенов является бисаболен, содержащийся в лимонном масле и масле сосновой хвои. 411 CH3 H2C H2C C H2C CH CH3 CH H2C CH3 CH3 C C H3C CH H 3C CH3 бисаболен CH3 цингиберен Другой моноциклический сесквитерпен, цингиберен, содержится в имбирном масле. К моноциклическим терпеноидам можно отнести -дамасценон и абсцизовую кислоту. -Дамасценон является основным компонентом, определяющим запах роз; он содержится также в винограде, яблоках и других фруктах и существенно определяет их вкус. H 3C CH3 O C CH=CH-CH3 H3C CH3 CH3 * CH=CH-C=CH-COOH OH CH3 CH3 O -дамасценон абсцизовая кислота Абсцизовая кислота — наиболее распространѐнный и важный ингибитор роста растений, ускоряет созревание и старение растений, опадение листьев и плодов, обеспечивает переход растений в состояние покоя. 8.5.3. БИЦИКЛИЧЕСКИЕ ТЕРПЕНЫ И ТЕРПЕНОИДЫ Почти все встречающиеся в природе, широко распространѐнные и имеющие большое значение бициклические терпены и терпеноиды являются производными ментана. Тем не менее среди монотерпенов можно выделить производные туйана, пинана и камфана: CH3 CH3 CH3 CH3 CH3-CH-CH3 туйан H3C H3C пинан 412 CH3 камфан А среди сесквитерпенов — производные кадалина, эйдалина и бицикло[7.2.0]ундекана. CH3 H3C CH H3C CH3 CH3-CH-CH3 кадалин CH3 эйдалин Из мононенасыщенных производных туйана одним из широко распространѐнных монотерпенов является сабинен. CH CH3 CH3 H2C сабинен Особенно в больших количествах он содержится в маслах можжевельника, цейлонского кардамона, в майорановом масле. Представителями терпеноидов подгруппы туйана являются стереоизомерные туйоны, имеющие структуру O CH3 CH CH3 H 3C -Туйон (или (–)-туйон) содержится в туйевом и полынном маслах. Туйон (или (+)-изотуйон) выделен из танацетового и пижмового масел. В полынном масле найден также туйиловый спирт, а в масле можжевельника — сабинол: HO HO H3C CH3 C H CH3 CH3 C H CH3 H2C туйиловый спирт сабинол К производным пинана относятся монотерпены -пинен и -пинен, являющиеся основными компонентами «терпинных масел». 413 CH3 H3C H3C H3C H2C -пинен CH3 -пинен В смесях пиненов преобладает -пинен. -Пинен является главной составной частью скипидара сосны. Он широко применяется в лакокрасочной промышленности и в качестве исходных веществ для органического синтеза. В эфирных маслах найдены терпеноиды — производные -пинена. Так, например, в испанском эвкалиптовом масле содержатся спирты миртенол и пинокарвеол, альдегид миртеналь и кетон пинокарвон: H3C CH3 CH3 H3C H3C CH3 H3C CH3 O HO HOH2C миртенол OHC H2C пинокарвеол миртеналь H2C пинокарвон Важнейшим соединением подгруппы камфана является камфора, правовращающая модификация которой составляет основную часть камфорного масла, получаемого из камфорного дерева. CH3 H3C H 3C камфора O (+)-Камфора называется также японской камфорой. Значительно реже (в некоторых эфирных маслах) встречается левовращающая форма, матрикарийская камфора. Японская камфора обладает характерным сильным запахом. Это вещество имеет большое промышленное значение: оно применяется в качестве добавок к производным целлюлозы, в производстве бездымного пороха и в медицине. Обладает повышенной биологической активностью; это средство, усиливающее сердечную деятельность. Камфоре изомерны фенхон и изофенхон: 414 CH3 H3C H3C CH3 H3C фенхон H3C O O изофенхон Они содержатся в укропном и туйевом маслах. Важнейшими соединениями подгруппы бициклических сесквитерпенов является -кадинен, являющийся производным кадалина, -селинен, являющийся производным эйдалина, и кариофиллен, являющийся производным бицикло[7.2.0]ундекана. CH3 CH3 CH3 CH3-CH-CH3 -кадинен CH3 H3C H 3C H2C C CH3 H3C -селинен H2C кариофиллен Они также являются компонентами эфирных масел; в частности, -селинен выделен из масла сельдерея. К бициклическим сесквитерпеноидам относится сантонин, являющийся составной частью и действующим началом цитварного семени. O CH3 O C CH-CH3 CH3 сантонин 8.5.4. КАРОТИНОИДЫ К группе сильно ненасыщенных углеводородов (полиенов) терпенового характера относятся жѐлтые растительные красящие вещества ликопин и каротины, к которым близки по химическому строению и физикохимическим свойствам многие кислородсодержащие пигменты. Эти своеоб415 разные жѐлтые растительные пигменты объединены в одну группу и названы каротиноидами по красящему веществу моркови — каротину. Красная окраска помидоров, плодов шиповника и многих других плодов обусловлена, главным образом, ликопином. Его эмпирическая формула C40H56, а по химической структуре является алифатическим полиеновым углеводородом: CH3 CH3 (CH3)2C=CHCH2CH2-C=CH-(-CH=CH-C=CH-)2-CH (CH3)2C=CHCH2CH2-C=CH-(-CH=CH-C=CH-)2-CH CH3 CH3 ликопин Первый каротиноидный пигмент был выделен из жѐлтой репы. Он имел состав C40H56 и был изомерен ликопину. Он является одним из распространѐнных в природе красящих веществ; он всегда содержится в зелѐных листьях, во многих цветах и плодах, а также в организме животных (в жире, молоке, сыворотке крови и т.д.). Этот пигмент существует в виде трѐх изомеров, называемых -, - и -каротинами. Для них характерна трансконфигурация двойных связей. H3C CH3 H3C CH3 CH3 (CH=CH-C=CH-)2-CH=CH-(CH=C-CH=CH-)2 CH3 H3C H3C H3C -каротин CH3 H3C CH3 CH3 (CH=CH-C=CH-)2-CH=CH-(CH=C-CH=CH-)2 CH3 CH3 CH3 H3C -каротин CH3 CH3 CH3 (CH=CH-C=CH-)2-(CH=CH-CH=C-)3-CH2CH2CH=C(CH3)2 CH3 -каротин Каротин является стимулятором роста, необходимым для животных и человека; благодаря множеству двойных связей проявляет антиоксидантную 416 активность. В животном организме каротин превращается в витамин А, представляющий собой продукт расщепления -каротина. Производными каротина являются различные кислородсодержащие растительные пигменты: фитоксантины (ксантофилл листьев, зеаксантин, физалин, виолаксантин и др.) и некоторые сильно ненасыщенные дикарбоновые кислоты (кроцетин, биксин). 8.6. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Ряд алициклических соединений обладает физиологической активностью. Например, циклопропан — наркотическое средство; хаульмугровая и гиднокарповая кислоты обладают антилепрозной активностью; ряд производных адамантана — противовирусные средства. (CH2)12-COOH (CH2)10-COOH хаульмугровая кислота гиднокарповая кислота Соединения с кольцом циклопропана найдены в целом ряде природных веществ. В качестве примера можно привести лактобацилловую кислоту, содержащуюся в микроорганизмах Lactobacillus arabinosus, и хризантемовую кислоту, выделяемую из пиретрина — действующего начала далматского порошка от насекомых, получаемого из Chrysanthemum cinerarifolium. H3C-(CH2)5 H COOH H (CH2)9-COOH (CH3)2C=CH H H3C лактобацилловая кислота H CH3 хризантемовая кислота Из известных до настоящего времени природных соединений с циклобутановым кольцом следует назвать образующиеся при гидролизе попутных алкалоидов кока труксиновые и труксилловые кислоты, также бициклические монотерпены - и -пинены. 417 HOOC COOH COOH HOOC труксиновые кислоты труксилловые кислоты Циклопентановое кольцо является структурной основой простагландинов — полифункциональных соединений природного происхождения; их можно рассматривать как производные простановой кислоты. (CH2)6-COOH (CH2)7-CH3 простановая кислота Простагландины обладают чрезвычайно высокой биологической активностью (активны в концентрациях 10–9 г/мл и ниже) и широким спектром действия: регулируют свѐртывание крови, менструальный цикл, секреторные функции желудка, артериальное давление; они необходимы для эрекции и эякуляции у мужских особей, вызывают сокращение мышц матки, поддерживают гормональную активность. Многочисленные природные простагландины (общее обозначение PG) образуются из первичных простагландинов (PGA, PGB, PGC, PGD, PGE, PGF), таких как, например: O HO O (CH2)6-COOH CH=CH-CH-(CH2)4-CH3 OH HO PGE1 CH2-CH=CH-(CH2)3-COOH CH=CH-CH-(CH2)4-CH3 OH PGE2 O HO CH2-CH=CH-(CH2)3-COOH CH=CH-CH-CH2-CH=CH-CH2CH3 OH PGE3 418 По общему характеру физиологического действия циклоалканы сходны с алканами, но наркозный эффект более выражен. Многие циклоалканы вызывают судороги, которые могут привести к смерти в результате остановки дыхания и падения кровяного давления. Начиная с циклопентана они вызывают воспалительную реакцию кожных покровов, нарастающую с увеличением числа углеродных атомов в кольце С5—С12. Окисление циклоалканов также происходит через образование эпоксидов, при раскрытии цикла образуются одно- и двухатомные спирты (причем последние образуются в транс-конфигурации). Так, циклогексан метаболизирует до циклогексанола и транс-циклогексан-1,2-диола: OH OH O + OH В некоторых случаях при метаболизме циклоалканов, особенно производных циклогексана, образование двойных связей может приводить к ароматизации цикла. Это, например, имеет место при метаболизме инсектицида гексахлорана (линдан, -гексахлорциклогексан): Cl Cl Cl Cl [O] Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl OH Cl -HCl Cl Cl O Cl Cl Cl Cl OH Cl Физиологическая активность терпеноидов также различна. Терпеноиды обладают антисептическими и дезинфицирующими свойствами. Многие терпены и терпеноиды благодаря приятному запаху используются в парфюмерной промышленности. Ментол (5-метил-2-изопропилциклогексан-1-ол) известен уже более 2000 лет. Он оказывает антисептическое, успокаивающее и болеутоляющее действие, входит в состав успокаивающих средств против невралгических и ревматических болей, а также мазей, применяемых при насморке. Применяют ментол также в качестве дезинфицирующего средства в зубных пастах, полосканиях и т.п. Раствор ментола (2530%) в ментиловом эфире изовалериановой кислоты широко известен под названием валидола: 419 CH3 CH3 O CH3 O-C-CH2-CH CH3 CH H3C CH3 + OH CH H 3C CH3 валидол Он применяется в качестве успокаивающего и сосудорасширяющего средства при стенокардии, неврозах, истерии, а также как противорвотное средство при морской и воздушной болезни. В качестве лекарственного вещества из терпеноидов используется также двутретичный спирт — терпингидрат. Терпингидрат (гидрат 1-ме-тил-4(1-гидроксиизопропил)-циклогексан-1-ола) применяется как отхаркивающее средство при хроническом бронхите. Обладает также мочегонным действием. Камфора применяется в медицине как стимулятор сердечной деятельности. Еѐ производное, бромкамфора, улучшает деятельность сердца, оказывает успокаивающее действие на центральную нервную систему. CH3 H3C Br H3C O бромкамфора Витамины группы А считаются факторами роста. Их недостаток в пище вызывает исхудание, высыхание роговицы глаза, понижает сопротивляемость организма к инфекциям. Витамин А1, ретинол, образуется в организме из -каротина. H3C CH3 CH3 (CH=CH-C=CH-)2-CH2OH CH3 витамин А1 420 8.7. СТЕРОИДЫ Стероиды — важные природные вещества, выполняющие в организме разнообразные функции. В настоящее время известно около 20 000 стероидов. Как уже упоминалось (гл. 6.5.6), стероиды, так же, как и терпены и каротиноиды, относятся к неомыляемым липидам. В основе стероидов лежит структура, которая имеет тривиальные названия «стеран» и «гонан». Нумерация атомов углерода (принятая в химии стероидов): 12 C 1 10 2 A 3 D 14 9 B 8 16 15 7 5 4 17 13 11 6 стеран, гонан, циклопентанопергидрофенантрен (Циклопентанопергидрофенантрен — название этого углеводорода как производного полициклической ароматической системы фенантрена — гл. 11.4.) В молекулах стероидов шестичленные кольца имеют преимущественно конформацию кресла, бицикл декалина BC имеет транс-строение, а бицикл декалина AB может иметь как транс-, так и цис-сочленение. По химической структуре стероиды делятся на несколько групп, наиболее важными из них являются стерины, желчные кислоты, стероидные гормоны и сердечные гликозиды. Стерины являются производными углеводорода холестана. CH3 CH3 CH CH2 CH2 CH3 CH2 CH CH3 CH3 холестан Примерами могут служить холестерин, холестанол, копростанол, эргостерин и витамин D2. 421 CH3 CH3 CH3 CH-(CH2)3-CH CH3 CH3 CH-(CH2)3-CH CH3 CH3 HO CH3 CH3 CH3 HO холестерин холестанол и копростанол Холестанол и копростанол отличаются друг от друга пространственным расположением циклов A и B: в холестаноле они находятся в трансконфигурации, а в копростаноле — в цис-конфигурации. CH3 CH3 CH CH3 CH3 CH CH3 HO CH CH3 CH CH CH H3C CH3 CH CH3 CH CH CH H3C CH3 CH2 HO эргостерин витамин D2 Холестерин — наиболее распространѐнный представитель стеринов. Он присутствует почти во всех органах животных, особенно в мозге и нервных тканях. Он представляет собой белое кристаллическое вещество с температурой плавления 150С. Нарушение обмена холестерина приводит к его отложению на стенках артерий и, как следствие, к атеросклерозу. Кроме того, желчные камни обычно содержат в качестве основной составной части холестерин. Холестанол содержится во многих животных клетках. Копростанол, или копростерин, образуется из холестерина в кишечнике при действии бактерий и поэтому содержится в фекалиях. Эргостерин относится к растительным стеринам (фитостеринам). Он встречается в бактериях (особенно много в дрожжевых клетках) и при облучении ультрафиолетом может быть превращѐн в витамин D2 (эргокальциферол). Витамины группы D — это антирахитические витамины. Кроме витамина D2 существуют близкие по структуре витамины D3 (холекальциферол) и D4. Витамины D содержатся в яичном желтке, сливочном масле, печени жи422 вотных, рыбьем жире. Кроме того, провитамин холекальциферола, дегидрохолестерин, содержится в коже человека. Основная функция витамина D — поддержание в организме постоянной концентрации Са2+ и фосфора, что осуществляется благодаря участию витамина в регуляции всасывания этих элементов в кишечнике. Желчные кислоты являются производными углеводорода холана. Наиболее распространѐнной из желчных кислот является холевая кислота. CH3 CH3 CH2 OH CH3 CH CH2 CH3 CH-CH2CH2CH3 CH3 COOH CH3 HO OH холан холевая кислота Желчные кислоты образуются в результате расщепления и последующего окисления стеринов в печени. Натриевые и калиевые соли желчных кислот обладают поверхностно-активными свойствами. Они эмульгируют жиры, поступающие с пищей в организм, и тем самым улучшают их усвоение. Стероидные гормоны. Гормоны — это вещества, образующиеся в железах внутренней секреции и принимающие участие в регулировании обмена веществ и физиологических функций организма. В одних случаях они повышают каталитическую активность ферментов, в других — ускоряют их биосинтез. Стероидные гормоны могут быть представлены несколькими подгруппами. Кортикостероиды — производные углеводорода прегнана. Представителями кортикостероидов являются кортикостерон, гидрокортизон, преднизолон. CH2OH CH3 CH2CH3 HO CH3 CH3 O прегнан кортикостерон 423 CH3 C O CH2OH CH3 C O OH HO CH3 O CH2OH HO CH3 CH3 C O OH O гидрокортизон преднизолон Кортикостероиды образуются в корковом веществе надпочечников и принимают участие в регулировании водного и солевого обмена. Кортикостерон является антагонистом инсулина и повышает концентрацию глюкозы в крови. Гидрокортизон способствует накоплению гликогена в печени и также регулирует поступление глюкозы в кровь. Преднизолон — это синтетический кортикостероид; он обладает бόльшей активностью, чем его природные аналоги. Используется для лечения ревматизма, бронхиальной астмы, воспалительных процессов кожи. Женские половые гормоны: гестагены и эстрогены. Гестагены, так же, как и кортикостероиды, являются производными прегнана. Гестагены — это гормоны беременности; они образуются в жѐлтом теле (Corpus luteum) яичников. Наиболее активным гестагеном является прогестерон. CH3 CH3 C O CH3 O прогестерон Эстрогены — это производные углеводорода эстрана. CH3 эстран 424 Эстрогены контролируют менструальный цикл у женщин. Наиболее важными эстрогенами являются эстрон и эстрадиол. CH3 O CH3 OH HO HO эстрон эстрадиол Мужские половые гормоны (андрогены) — это производные углеводорода андростана. CH3 CH3 андростан Они стимулируют развитие вторичных мужских половых признаков и выработку спермы. Важнейшими среди них являются андростерон и тестостерон. CH3 O CH3 OH CH3 HO CH3 O андростерон тестостерон Сердечные гликозиды имеют в своѐм составе структурные элементы стероидов и углеводов. Стероидная составляющая, так называемый генин, представляет собой различные производные стерана, в 17-м положении которого имеется ненасыщенное лактонное кольцо (фрагмент - или лактона). Примерами таких генинов являются дигитоксигенин и сцилларенин. 425 O O O CH2 C O CH C CH CH3 3 CH3 CH3 OH OH HO HO дигитоксигенин сцилларенин Сердечные гликозиды в небольших количествах возбуждают сердечную деятельность и используются в кардиологии. В больших количествах они являются сердечными ядами. Например, гликозид дигитоксин был выделен из листьев наперстянки (дигиталиса, Digitalis purpurea), его стероидная составляющая дигитоксигенин. Сцилларен — один из гликозидов белого морского лука (Scilla maritime L.), обладающих высокой кардиотонической активностью; стероидная часть молекулы сцилларена — сцилларенин. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Приведите наиболее стабильные конформации соединений: а) цис-1,2- диметилциклогексан, б) транс-1,2-диметилциклогексан, в) транс-1,3-диметилциклогексан, г) транс-1,4-диметилцикло-гексан. 2. Приведите механизмы реакций взаимодействия метилциклопропана со следующими веществами: а) с водородом на никелевом катализаторе, б) с бромом, в) с бромоводородом. 3. Какие соединения будут реагировать с бромоводородом: а) этилциклопропан, б) метилциклобутан, в) 1-метилциклобутен, г) циклогексан, д) циклопентен? Приведите механизмы возможных реакций. 4. Приведите механизм следующего превращения: CH3 CH2OH H2SO4 CH3 + CH3 OSO3H 5. Из ацетилацетона, 1,2-дибромэтана и других необходимых реагентов получите 1,1-дициклопропилциклопропан. 6. Из бицикло[2.2.1]гепт-2-ена (норборнен), малонового эфира и других необходимых реагентов получите бицикло[3.2.1]октан-3-карбоновую кислоту. 7. Для гераниола приведите схемы реакций: а) окисления диоксидом 426 марганца, б) ацетилирования. 8. Для лимонена приведите механизмы реакций: а) бромирования, б) гидробромирования, в) гидратации. 9. Приведите схему превращения: а) гераниола в терпингидрат, б) -пинена в терпингидрат. 10. Для камфоры приведите схемы реакций: а) восстановления, б) взаимодействия с гидроксиламином. 427 Глава 9. БЕНЗОЛ. АРОМАТИЧНОСТЬ. УГЛЕВОДОРОДЫ РЯДА БЕНЗОЛА Бензол (С6Н6) является родоначальником всех ароматических соединений. В настоящее время к ароматическим соединениям относят большую группу веществ, обладающих определѐнной общностью строения и свойств, но она не является полностью однородной по структурным признакам. Прежде всего, сюда относят вещества, молекулы которых содержат одно или несколько шестичленных полностью сопряжѐнных циклов (бензольных колец). Эти вещества могут быть представлены углеводородами (которые называют аренами) и их функциональными производными. В этой главе рассмотрены углеводороды, молекулы которых содержат в качестве ароматического фрагмента одно бензольное кольцо. Это, прежде всего сам бензол, гомологи бензола, а также углеводороды с кратными связями и другими структурными фрагментами в боковых цепях. 9.1. СТРОЕНИЕ БЕНЗОЛА Впервые циклическую структурную формулу бензола предложил в 1865 году Фридрих Кекуле. Молекула бензола, по мнению Кекуле, представлена шестичленным циклом с чередующимися двойными и ординарными связями. Таким образом, по Кекуле, бензол представлял собой циклогекс1,3,5-триен. H C H-C C-H H-C C-H или C H Недостаток такого изображения молекулы состоит в том, что она предполагает существование двух различных дизамещѐнных производных бензола (относительно ординарной и двойной связей): X X X и 428 X Но такие изомеры обнаружены не были. Эти формулы представляют изображение структуры одного и того же вещества. Кроме того, структура молекулы с локализованными двойными связями не согласуется и с химическими свойствами бензола. Для бензола характерны реакции, не свойственные алкенам и полиенам. Так, он легко вступает в реакции замещения без нарушения сопряжѐнной системы связей. Однако бензол действительно ненасыщен и имеет циклическую структуру. Это соединение может вступать в реакции присоединения, хотя и требует для этого существенно более жѐстких условий, чем алифатические непредельные соединения (табл. 9.1). Таблица 9.1 Сравнение реакционной способности бензола и гипотетического циклогексатриена Реагенты 1 Разбавл. раствор KMnO4 на холоду 2 Раствор Br2 в CCl4 на холоду, в темноте 3 Н2 на никелевом катализаторе Циклогексатриен Быстро реагирует — обесцвечивание Быстро реагирует — обесцвечивание Быстро восстанавливается при 25С и 0.14 МПа 4 Катализаторы полимеризации Полимеризуется Бензол Не реагирует Не реагирует Восстанавливается при 100С и 10.5 МПа Не полимеризуется Для объяснения возникших противоречий Кекуле предложил гипотезу о быстром перемещении (осцилляции) двойных связей в молекуле бензола. И только позже, с развитием электронных представлений, было установлено, что бензол — это не циклогексатриен, а сопряжѐнная система, представляющая собой равносторонний шестиугольник с выравненными связями. Строение бензола можно представить как промежуточное между двумя структурами Кекуле, имеющими одинаковые длины связей. Такое строение обусловливает устойчивость молекулы и его особые свойства бензола: Установлено, что молекула бензола планарна, а валентные углы при атоме углерода равны 120. Каждый атом углерода находится во втором валентном состоянии и образует в плоскости кольца три равноценных -связи за счѐт sp2-гибридных орбиталей. Оставшиеся шесть рz-орбиталей, по одной 429 у каждого атома углерода, имеют оси, перпендикулярные плоскости связей. Каждая рz-орбиталь может одновременно перекрываться с двумя такими же соседними орбиталями так, что образуется замкнутая система шести -электронов. Роберт Робинсон* связал этот феномен циклической делокализации с ароматической природой бензола и ввѐл термин «ароматический секстет». Однако бензол и родственные ему соединения являются лишь частным случаем ароматических веществ. В 1930 году Эрих Хюккель* предложил объяснение устойчивости ароматического секстета на основе метода молекулярных орбиталей (правило Хюккеля): плоские моноциклические сопряжѐнные системы с числом -электронов 4n+2 будут ароматическими, тогда как такие же системы с числом -электронов 4n будут неароматическими. При n = 1 число -электронов равно 6 (ароматический секстет). Для описания -делокализованных систем в органической химии широко привлекают концепцию резонанса (мезомерии), которой отвечает метод валентных связей. Согласно этому подходу истинное строение бензола представляется как промежуточное между пятью граничными структурами: двумя структурами Кекуле (I, II) и тремя структурами Дьюара* (III, IV, V). I II III IV V Ранее в структурах Дьюара между двумя противоположными атомами углерода изображали -связь: 430 Однако такая связь нереальна, так как она вдвое длиннее обычной -связи. Поэтому в граничных структурах Дьюара (III, IV, V) рz-электроны с противоположными спинами этих углеродных атомов обозначены точками (). Все пять граничных структур как бы накладываются друг на друга (резонируют), что и определяет делокализацию -электронов. Принцип резонанса требует, чтобы граничные структуры отличались только распределением электронов при сохранении атомного скелета. Все пять структур представляют правильные шестиугольники. Однако структуры Кекуле и Дьюара обладают разной энергией и потому имеют разный вклад в истинную структуру молекулы бензола. Структуры, дающие наибольший вклад и имеющие наименьшую энергию, называются основными структурами. В данном случае это структуры Кекуле, вклад каждой из них составляет 39%; тогда как вклад каждой структуры Дьюара 7.3%. В молекуле бензола порядок связи С–С, рассчитанный по методу валентных связей, составляет 1.463. Структура Кекуле не отражает истинного строения, а является лишь одной из предельных структур. Поэтому наряду с формулой Кекуле бензол может быть изображѐн следующим образом: 6 Энергия истинной молекулы бензола, обладающей ароматическим секстетом, меньше, чем энергия гипотетической молекулы циклогексатриена с тремя изолированными связями. Энергия делокализации -электронов бензола называется энергией резонанса или мезомерии. Эмпирическая энергия резонанса — это разность энергий гипотетического циклогекс-1,3,5-триена и истинной молекулы бензола с делокализованными -связями, она составляет: ER = EЦГТ – EБенз 151 кДж/моль Циклическая полиеновая система только тогда становится ароматической, когда для неѐ выполняются следующие условия: 1) молекула должна иметь плоское строение, то есть все атомы цикла должны находиться в sp2гибридном состоянии, 2) необходимо наличие непрерывного (циклического) сопряжения, условием которого является строгая параллельность рzорбиталей, расположенных друг от друга на одном межатомном расстоянии, 3) соблюдение правила Хюккеля. Если в молекуле не соблюдается хотя бы одно условие, соединение не является ароматическим и проявляет свойства, типичные для алкенов. Так, в циклооктатетраене наблюдается чередование ординарных и двойных связей 431 и возможно циклическое сопряжение. Но это соединение не проявляет ароматических свойств, по крайней мере, по той причине, что если углеродные атомы этой молекулы были бы расположены в вершинах правильного восьмиугольника, то углы между связями С–С–С составляли бы 135, что вызвало бы большое угловое напряжение. В неплоской конформации восемь рzорбиталей не могут находиться в одной плоскости, и поэтому они не параллельны. В этом случае эффективного перекрывания рz-орбиталей не происходит и делокализация электронного облака становится невозможной. К тому же в циклооктатетраене не соблюдается правило Хюккеля. 9.2. НОМЕНКЛАТУРА И ИЗОМЕРИЯ АРЕНОВ Первыми представителями ароматических углеводородов, кроме самого бензола, являются его метил- и диметилзамещѐнные, тривиальные названия которых — толуол и ксилолы. При этом для всех дизамещѐнных бензолов возможно существование трѐх структурных изомеров в зависимости от положения заместителей в бензольном кольце: орто-, мета- и парапроизводные (сокращѐнно о-, м- и п-) или соответственно 1,2-, 1,3- и 1,4замещѐнные бензолы CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 толуол о-ксилол м-ксилол п-ксилол Этим трѐм ксилолам изомерен ещѐ и этилбензол. Основой названия по заместительной номенклатуре ИЮПАК является бензол, поэтому названия метил- и диметилзамещѐнных бензолов должны быть: метилбензол, 1,2-диметилбензол, 1,3-диметилбензол и 1,4-диметилбензол соответственно. Среди других алкилбензолов, имеющих широко распространѐнные тривиальные названия, необходимо отметить следующие: CH3 - CH - CH3 CH3 CH3 кумол (изопропилбензол) CH=CH2 CH3 мезитилен (1,3,5-триметилбензол) 432 стирол (винилбензол) Другим вариантом названия аренов по заместительной номенклатуре является выделение в качестве родоначальной структуры боковой алкильной цепи, особенно если она сложна, разветвлѐнна, содержит кратные связи. Таким образом, стирол (см. выше) должен быть назван фенилэтен. Другие примеры: CH3 CH-C-CH3 CH3 CH3 — 2,2-диметил-3-фенилбутан, CH=CH-CH=CH2 — 1-фенилбут-1,3-диен. Углеводородные радикалы, образованные от аренов, носят общее название арилы (Ar). Наиболее простые из них часто имеют тривиальные названия: CH3 CH3 о-толил м-толил CH3 CH2 фенил бензил п-толил Названия двухвалентных остатков: CH бензилиден о-фенилен м-фенилен п-фенилен Кроме структурной изомерии, для аренов, содержащих двойные связи в боковой цепи, может быть характерна и геометрическая. Оптическая изомерия за счѐт асимметричных атомов углерода в боковых цепях аналогична алканам. 9.3. СТРОЕНИЕ АРЕНОВ Взаимодействие алкильных заместителей в молекулах алкилбензолов с электронной системой ароматического кольца описывается при помощи теории электронных смещений (гл. 1.4). Возникающие при этом индуктивный и мезомерный эффекты насыщенных алкильных заместителей зависят от дли433 ны и разветвлѐнности углеродной цепи. При этом большое значение имеет разветвлѐнность -углеродного атома (т. е. атома углерода боковой цепи, связанного с бензольным кольцом). Здесь будут наблюдаться определѐнные различия во взаимодействии с бензольным кольцом заместителей, представленных первичным, вторичным и третичным углеводородными радикалами: R" C-R R' CH-R R' CH2-R В частности, в представленном ряду алкилбензолов число -водородных атомов уменьшается от 2 до 0. Соответственно уменьшается и эффект сопряжения -связи C–H (-углеродного атома) с -электронной системой бензольного кольца (--сопряжение или сверхсопряжение). В свою очередь индуктивный эффект заместителей в этом ряду алкилбензолов несколько увеличивается. Более подробно влияние алкильных групп на распределение электронной плотности в бензольном кольце рассмотрим на примере строения толуола и винилбензола. 9.3.1. СТРОЕНИЕ ТОЛУОЛА В молекуле толуола электронная плотность -связей смещена от атома углерода метильной группы в сторону бензольного кольца из-за большей электроотрицательности sp2-гибридизованного атома углерода CH3 по сравнению с sp3-гибридизованным. Поэтому индуктивный эффект CH3-группы как заместителя направлен в сторону ароматического кольца и является донорным (+I-эффект). Однако повышение электронной плотности на бензольном кольце вследствие влияния метильной группы происходит не только за счѐт индуктивного, но и мезомерного эффекта, так как -связи C–H метильной группы могут участвовать в --сопряжении с -электронной системой бензольного кольца). При этом распределение электронов можно представить как промежуточное между пятью граничными структурами: H H H C H H C H+ - H H C H+ - 434 H - H C H+ H H H C В результате такого сопряжения образуется единая семицентровая -молекулярная орбиталь, на которой расположено 8 -электронов. Этому состоянию соответствует мезоформула H H C H+ - - , в которой отрицательный заряд сосредоточен в наибольшей степени в ортои пара-положениях, как это следует из граничных структур. Другими словами, в результате взаимодействия СН3-группы с бензольным кольцом электронная плотность на нѐм повышается, причѐм главным образом в орто- и пара-положениях. Результатом сверхсопряжения является также: упрочнение С–С-связи между метильной группой и бензольным кольцом (за счѐт перекрывания взаимодействующих орбиталей); повышение полярности С–Н-связи в метильной группе и, как следствие, возрастание еѐ кислотных свойств (это видно из рассмотрения граничных структур толуола). Однако необходимо иметь в виду, что оба донорных эффекта (индуктивный и мезомерный) достаточно слабые, повышение электронной плотности на ароматическом кольце невелико и не столь ярко выражено, как могло быть при наличии других функциональных групп, обладающих значительным донорным эффектом (см. далее в соответствующих главах). При обсуждении геометрического строения толуола необходимо иметь в виду, что атом углерода метильной группы боковой H цепи имеет тетраэдрическое строение в отличие от углеC родных атомов бензольного кольца. Однако валентные H H углы ССН отличаются от таковых в молекуле метана. 9.3.2. СТРОЕНИЕ ВИНИЛБЕНЗОЛА В молекуле винилбензола углеводородный заместитель, представляющий систему с -связью, взаимодействует с -электронным секстетом ароматического кольца посредством, прежде всего, мезомерного эффекта: в данном случае наблюдается неполярное --сопряжение. Вследствие высокой подвижности -электронной плотности молекула винилбензола легко поляризуема и под действием катионов или полярных молекул облака электронов сильно смещаются в сторону поляризующего агента: 435 H2C=CH + 1 X Y Следовательно, можно изобразить граничные структуры, полученные при смещении таким образом электронной плотности от винильного радикала к бензольному кольцу CH CH2 + HC CH2 + HC + CH2 HC CH2 CH CH2 - - Граничные структуры, полученные при обратной поляризации (например, при взаимодействии винилбензола с отрицательно заряженными ионами), значительно менее вероятны, поэтому здесь не приводятся. Индуктивный эффект заместителя в этой молекуле не наблюдается, так как смещение -электронов С–С1-связи, вызванное различием электроотрицательностей атомов углерода, не происходит — все углеродные атомы находятся в sp2-гибридном состоянии. Геометрия винилбензола определяется валентным состоянием углеродных атомов и наличием --сопряжения. В связи с этим все атомы данной молекулы лежат в одной плоскости. Оси восьми р-орбиталей, входящих в сопряжѐнную систему, перпендикулярны этой плоскости. Все валентные углы близки к 120: H C C H H В молекуле винилбензола, так же, как и в молекуле толуола и других замещѐнных бензолов, нет строгой выравненности длин и порядков связей в ароматическом кольце. 9.4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Бензол и большинство алкилбензолов — жидкости, незначительно растворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных органических рас436 творителях. Температура плавления в большой степени определяется симметрией молекулы. Например, п-ксилол плавится при более высокой температуре (13С), чем его о- и м-изомеры (-29С и -53С соответственно), что определяется более плотной упаковкой в кристалле последнего. Температуры кипения увеличиваются по мере увеличения молекулярных масс. Алкилбензолы — малополярные соединения; причѐм дипольный момент симметричных соединений близок нулю, а большинства несимметричных — лежит в пределах от 0.4 до 0.6 D. 9.5. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Химические свойства бензола и его алкилзамещѐнных должны определяться, с одной стороны, возможностью протекания реакций по ароматическому кольцу, а с другой стороны — способностью к взаимодействиям, связанным с наличием боковых углеводородных цепей. 9.5.1. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕНЗОЛА Для бензола, обладающего устойчивой циклической -электронной системой, должны быть характерны в первую очередь реакции с электрофилами, но не реакции присоединения, как это характерно для этиленовых и полиеновых систем, а реакции замещения с сохранением устойчивой ароматической системы кольца. Среди других реакций бензола можно отметить реакции присоединения, окисления и изомеризации. Но они менее характерны и протекают в жѐстких условиях и/или с низким выходом. 9.5.1.1. Реакции электрофильного замещения Для незамещѐнного бензола характерны прежде всего наиболее типичные SE-реакции: нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование и ацилирование. Механизм реакции электрофильного замещения атома водорода в бензольном кольце включает несколько стадий: 1) образование -комплекса за счѐт взаимодействия -электронной системы бензола с вакантными (или частично вакантными) орбиталями электрофильной частицы + E + E 437 + 2) превращение -комплекса в карбокатион (бензолениевый или, в общем случае, аренониевый катион), который также называют -комплексом H E + E + Новая -связь С–Е образована за счѐт пары электронов -системы, в результате в сопряжении с участием р-орбиталей пяти углеродных атомов задействовано только четыре электрона (энергия сопряжения составляет 109 кДж/моль); однако -комплекс не обладает ароматическим характером, а распределение электронной плотности вследствие р--сопряжения можно изобразить тремя граничными структурами: + H H H E H E E E + + + 3) разрыв -связи С–Н, возвращение пары электронов в -систему с восстановлением ароматичности; при этом может образоваться новый малоустойчивый -комплекс, который быстро депротонируется H + E + H E E -H + Первые две стадии этой реакции аналогичны реакции электрофильного присоединения к алкенам, тогда как третья отличается от неѐ. Вместо присоединения аниона из реакционной среды к карбокатиону на третьей стадии наблюдается отщепление протона. Причина этого — образование энергетически более устойчивой ароматической системы по сравнению с диеновой: H E E + -H + +A- H E A H 438 Таким образом, в большинстве случаев (реакции нитрования, галогенирования, алкилирования и ацилирования) самой медленной стадией является стадия образования -комплекса, который быстро превращается в продукт электрофильного замещения. Однако в случае сульфирования лимитирующей стадией является отщепление протона. Это можно считать одной из причин обратимости реакции сульфирования. Рассмотрим частные случаи этих реакций. Нитрование Механизм реакции нитрования бензола можно представить следующим образом: H + + NO2 + NO2 + NO2 NO2 -H -комплекс -комплекс + нитробензол Для нитрования бензола используются концентрированная азотная кислота или смеси азотной и серной кислот различных концентраций (нитрующие смеси). Необходимая для реакции нитрования электрофильная частица, нитроний-катион NO2+, образуется по одной из возможных схем. В концентрированной азотной кислоте: 3 HNO3 NO2+ + H3O+ + 2 NO3 В смеси концентрированных азотной и серной кислот: HNO3 + 2 H2SO4 NO2+ + H3O+ + 2 HSO4¯ Вместо серной кислоты могут быть использованы фтороводородная, селеновая или хлорная кислоты. Для получения нитробензола используют нитрующую смесь в количестве, соответствующем 0.971.01 моля азотной кислоты на 1 моль бензола. Нитрование протекает гладко при 50С. При нитровании азотной кислотой (без серной) концентрация азотной кислоты должна быть около 60%. Добавление воды к нитрующей смеси и уменьшение доли серной кислоты приводит к уменьшению скорости реакции. При содержании в нитрующей смеси 90% серной кислоты и 10% азотной кислоты степень превращения HNO3 в NO2+ составляет 100%, а в чистой азотной кислоте эта величина — 1.2%. 439 Сульфирование Сульфирование — это реакция введения в молекулу органического соединения сульфогруппы, протекающая по схеме: SO3H + H2O + H2SO4 бензолсульфокислота Электрофильными частицами реакции сульфирования могут быть катион H3SO4+ или полисерные кислоты H2S2O7, H2S3O10, H2S4O13 и т.д., хлорсульфоновая кислота ClSO3H, а также триоксид серы (серный ангидрид) SO3 и его комплексы с электронодонором (например, с диоксаном, с пиридином – гл. 3.4.4, 12.2.3.2, 12.4.3.1). Катион H3SO4+ образуется в серной кислоте концентрации около 80% по схеме: 2 H2SO4 H3SO4+ + HSO4 __________________________________________________________________________________________________ В водном растворе с концентрацией серной кислоты существенно ниже 80% сульфирующая частица не образуется вследствие того, что кислота практически полностью диссоциирована: H2SO4 + H2O H3O+ + HSO4, поэтому разбавленная кислота не сульфирует. При более высокой концентрации серной кислоты в интервале 8598% основной сульфирующей частицей является дисерная кислота H2S2O7, которая образуется по схеме: 3 H2SO4 H2S2O7 + H3O+ + HSO4 __________________________________________________________________________________________________ В 100%-й серной кислоте и в олеуме (раствор SO3 в H2SO4) сульфирование происходит H2S2O7, другими полисерными кислотами и несвязанным в комплекс SO3. Сульфирование с участием SO3 протекает также при использовании его растворов в SO2 или в CH2Cl2. (Описание механизма сульфирования с участием катиона HSO3+ является достаточно условным. Этот катион можно представить как протонированную молекулу SO3 или как катионную часть дисерной кислоты H2S2O7 = [HSO3]+ [HSO4].) Механизм реакции с участием катиона H3SO4+ можно представить следующим образом: 440 + H OH S O H OH -H O + 3 O + + H3SO4 H3SO4 + -комплекс -комплекс SO3H бензолсульфокислота а при сульфировании дисерной кислотой — OH O S O-SO3H -HSO4O + H2S2O7 + H OH S O SO3H -H O + При этом отрыв протона в последнем случае происходит либо гидросульфатионом HSO4, либо молекулой серной кислоты (в зависимости от содержания в среде воды). При сульфировании с участием SO3 механизм можно представить в следующем виде: - + SO3 O S O + O O + H O + S O H H OH S O H2SO4 SO3H + + H3SO4 O Существенным отличием реакции сульфирования от других реакций электрофильного замещения является еѐ обратимость, хотя и некоторые другие SE-реакции могут протекать в обратном направлении. Причины обратимости сульфирования связаны с возможностью электрофильного замещения сульфогруппы на атом водорода — гл. 10.3.3.2. Побочными реакциями в процессах сульфирования могут быть: 1) образование сульфонов (в избытке субстрата) SO3H +H2SO4 SO2 + C6H6 - H2O - H2O дифенилсульфон 2) окисление субстрата (серной кислотой или олеумом); 3) реакция десульфирования, то есть гидролиз арилсульфокислот — протекание реакции, обратной сульфированию 441 SO3H +H2O - H2SO4 Галогенирование Из всех реакций галогенирования наиболее широко используются хлорирование, бромирование и йодирование, причѐм наиболее активно протекает хлорирование. Прямое фторирование практически не используется вследствие очень высокого теплового эффекта реакции, и фторозамещенные бензолы получают косвенным путѐм. Хлорирование и бромирование ароматических соединений в ядро представляет собой типичную реакцию электрофильного замещения, но протекающую в достаточно жѐстких условиях и поэтому требующую применения катализаторов. В качестве последних часто используют кислоты Льюиса, такие как галогениды железа (III), цинка и алюминия. Активность металлического железа, например, используемого в качестве катализатора, объясняется наличием в среде хлорида или бромида железа (III): Fe + Cl2 FeCl3 Катализирующее действие кислот Льюиса может быть представлено следующей схемой: FeCl3 + Cl2 FeCl4 + Cl+, но так как хлороний-катион Cl+ не выделен, то принято считать, что образуется комплекс Cl . . . Cl ־. . . FeCl3 , который и является хлорирующим агентом. Поэтому механизм реакции можно представить в следующем виде: + Cl . . . Cl . . . FeCl3 Cl . . . Cl . . . FeCl3 -комплекс H + -комплекс Cl Cl - FeCl4 + HCl + FeCl3 хлорбензол 442 Хлорирование в ароматическое ядро может катализироваться не только железом, но также серной кислотой или молекулярным йодом. В этих случаях образование хлороний-катиона протекает по следующим схемам: Cl2 + H2SO4 Cl+ + HSO4 + HCl Cl2 + I2 2 ICl ICl I+ + Cl I+ + Cl2 ICl + Cl+ Однако если хлор и йод взяты в эквимолекулярном соотношении, то последняя стадия не осуществляется, хлороний-катион не образуется, но может идти йодирование за счет йодоний-катиона, образующегося на предыдущей стадии. Йод из всех галогенов обладает самой низкой реакционной способностью в реакциях электрофильного замещения, обычно требующих присутствия в этих условиях окислителя для образования электрофильной частицы, поэтому йодопроизводные удобнее получать косвенным путѐм. Ацилирование Ацилирование — это реакция замещения атома водорода ацильным остатком (ацилом). Ацилирование, как и алкилирование (см. далее) ароматических соединений, — это реакция Фриделя–Крафтса*. Наиболее широко распространены ацетилирование, то есть введение ацетильной группы CH3CO-, и формилирование — введение формильной группы HCO-. Обычно ацилирование в бензольное кольцо протекает только с использованием галогенангидридов кислот и обязательно в присутствии катализаторов — кислот Льюиса, обычно AlCl3. Механизм с участием катализатора может быть такой: + O O AlCl3 +AlCl3 O AlCl3 + R C = R C R C Cl Cl Cl + O AlCl 3 + R C Cl R + C - O - AlCl3 -комплекс Cl O H R C - O - AlCl3 : C-R + + HCl + AlCl3 Cl -комплекс 443 Формилирование может проводиться смесью монооксида углерода и хлороводорода (реакция Гаттермана*–Коха): O CO, HCl, AlCl3 R R C H Электрофильная частица здесь образуется по схеме: + - H - C=O + AlCl4 CO + HCl + AlCl3 Ацилирование аренов с помощью фосгена — прямой способ получения галогенангидридов ароматических карбоновых кислот: O = C Cl AlCl3 + COCl2 - HCl Реакция галогенометилирования (реакция Блана) протекает аналогично ацилированию CH2Cl ZnCl2 + H2CO + HCl , которая может служить одним из способов получения бензилгалогенида и его производных. Это обычная реакция электрофильного замещения, в которой электрофильная частица образуется при протонировании формальдегида: ZnCl2 [+CH2OH] Cl H2C=O + HCl H + + CH2-OH Cl ZnCl2 - Cl - + CH2OH + + CH2OH H - CH2 - H2O 444 + Cl - CH2Cl Алкилирование Алкилирование бензола (как и многих ароматических соединений) по Фриделю–Крафтсу осуществляется галогеналканами в присутствии кислот Льюиса. Но в общем случае алкилирование в ароматическом ряду может осуществляться также спиртами и алкенами в присутствии кислотных катализаторов. В зависимости от природы радикала R роль катализатора в реакции может быть различной. Он может лишь способствовать образованию карбокатиона R+: R-Cl + AlCl3 R+ + AlCl4 или + R-OH + H R+ + H2O, являющегося электрофильной частицей и атакующего молекулу бензола. Но если образование карбокатиона невозможно (из-за его неустойчивости), то катализатор, образуя с молекулой реагента промежуточный комплекс, участвует в электрофильной атаке по бензольному кольцу. Например: R-CH=CH2 + AlCl3 + - R-CH-CH2-AlCl3 + CH-CH2-AlCl3 R-CH-CH2-AlCl3 + R -комплекс : H : + CH-CH3 - CH-CH2 AlCl3 R + AlCl3 R -комплекс Существенное влияние на направление реакций алкилирования может оказывать природа катализатора и природа атомов галогена в составе алкилгалогенидов. Так, например, при взаимодействии бензола с неопентилхлоридом в присутствии AlCl3 получается исключительно трет-амилбензол: + CH3 Cl-CH2-C-CH3 CH3 AlCl3 CH3 C-CH2-CH3 CH3 , так как ещѐ до реакции с бензолом успевает пройти изомеризация первичного карбокатиона в третичный: 445 CH3 C-CH2-CH3 CH3 CH2-C-CH3 CH3 + + CH3 Однако если в качестве катализатора используется FeCl3, то основным продуктом является неопентилбензол, образующийся из неизомеризованного иона. Следует иметь в виду, что реакцию алкилирования трудно остановить на стадии моноалкилирования, образуются ди- и полиалкилпроизводные. Это объясняется тем, что продукты моноалкилирования, алкилбензолы, вступают в эту реакцию легче, чем сам бензол (см. далее, в главе 9.5.2.1). Поэтому для получения моноалкилбензолов обычно используют избыток бензола. В некоторых случаях реакции алкилирования могут быть обратимы. Это выражается в возможности электрофильного замещения алкильной группы на другую функциональную группу (например, при реакциях нитрования ароматических соединений). Однако такие случаи достаточно редки (гл. 10.5.3.3), причѐм замещаемая алкильная группа должна быть пространственно доступна, а уходящий алкильный катион должен быть достаточно стабильным. 9.5.1.2. Реакции присоединения Гидрирование В отличие от алкенов бензол присоединяет водород в жѐстких условиях при высокой температуре (100200С) и давлении (310 МПа) с использованием в качестве катализатора пористого никеля (так называемого никеля Ренея), при этом происходит разрушение ароматической системы и исчерпывающее гидрирование всего соединения. + H2 + H2 + H2 В реакции каталитического гидрирования молекулярным кислородом удаѐтся выделить только конечный продукт — циклогексан. Выделить промежуточные продукты (циклогексадиен, циклогексен) не удаѐтся, так как они гидрируются быстрее, чем бензол. Это обусловлено тем, что поглощение первого моля водорода протекает со значительно бóльшими энергетическими затратами из-за необходимости нарушения ароматического секстета, тогда как остальные два моля водорода присоединяются почти мгновенно с выделением энергии. 446 Однако восстановлением по Бѐрчу* можно получить циклогекс-1,4диен. Это восстановление щелочными металлами (обычно натрием), растворѐнными в жидком аммиаке (или амине), в присутствии спирта. Механизм реакции включает образование на первой стадии анион-радикала, который затем селективно протонируется в том месте, где электронная плотность наиболее высокая: H - H . + . Na ROH + -Na -RO- . H H H H . Na -Na H H ROH + - . -RO- H H H циклогекс-1,4-диен Присоединение хлора Хлор присоединяется к бензолу только при интенсивном облучении светом. Присоединяются сразу три моля хлора: H + 3 Cl2 h Cl H H Cl Cl H H Cl Cl Cl H Реакция имеет радикальный механизм (АR), при этом образуется несколько геометрических изомеров, соответствующих приведѐнной структуре, один из них — гексахлоран, обладающий сильными инсектицидными свойствами. В эту реакцию не вступают производные бензола. Присоединение хлора характерно только для незамещѐнного бензольного кольца. 9.5.1.3. Фотохимическая изомеризация При ультрафиолетовом облучении бензол изомеризуется, теряя ароматические свойства и превращаясь в бензвален, дьюаровский бензол, призман и фульвен. Все эти углеводороды очень неустойчивы и легко переходят обратно в бензол. 447 Бензвален (или бензол Хюккеля) образуется с выходом 1% при длительном облучении жидкого бензола светом длиной волны 254 нм: h бензвален Бензол Дьюара получают при быстром облучении бензола светом длиной волны 206 нм: h бензол Дьюара Призман (бензол Ладенбурга*) — продукт внутримолекулярного циклоприсоединения бензола Дьюара: h призман Образование фульвена можно представить следующим образом: H h CH2 фульвен 9.5.1.4. Реакции окисления Бензол устойчив к окислителям при комнатной температуре. При действии на бензол кислорода воздуха в присутствии оксида ванадия (V) при температуре 400С происходит разрушение бензольного кольца с образованием малеинового ангидрида. В этой реакции бензол проявляет свойства непредельных углеводородов: V2O5 = + 4,5 O2 O = CH C O CH C O + 2 CO2 + 2 H2O = Это промышленный способ получения малеинового ангидрида. 448 Под действием ферментов (например, в печени кролика) бензол может окисляться в муконовую кислоту. В этой реакции происходит разрыв С=Ссвязи: COOH COOH [O] муконовая кислота Озонолиз Действие озона на бензол аналогично действию на непредельные углеводороды и приводит к образованию триозонида, который затем гидролизуется до глиоксаля: O OH H O O H O O + 3 O H + 3 H2O - 3 H2O2 3 H O O H O OH + OH O H O H O O O O OH H O O H O C= C O= H глиоксаль Расщепление озонида с образованием глиоксаля может происходить также, если вместо гидролиза использовать восстановление молекулярным водородом в присутствии катализатора: OH O H H O O O O OH H O H H2; Pd/CaCO3 O H 449 3 O C= C O= H 9.5.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРЕНОВ Для углеводородов, содержащих в бензольном цикле алкильные заместители, химическое поведение определяется наличием как одного, так и другого структурного фрагмента. Как показано в химических свойствах бензола, для ароматического цикла характерны реакции электрофильного замещения (SE). С другой стороны, предельные или непредельные алифатические заместители проявляют свойства соответствующих предельных и непредельных углеводородов. 9.5.2.1. Реакции электрофильного замещения Для алкилбензолов характерны те же электрофильные реакции, что и для незамещѐнного бензола. Это, прежде всего нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование и ацилирование. Продуктами этих реакций могут быть различные функциональные производные аренов, в связи с чем такие реакции могут использоваться как способы получения разнообразных ароматических соединений. Однако при рассмотрении реакций электрофильного замещения необходимо иметь в виду, что, так как алкильные группы обладают электронодонорными эффектами по отношению к бензольному кольцу, то взаимодействие таких соединений с электрофилами будет протекать легче, чем незамещѐнного бензола. Это выражается в возрастании скорости реакции и замещении, как правило, не одного, а нескольких водородных атомов кольца. Кроме того, следует иметь в виду, что в молекулах алкилбензолов электронная плотность распределена неравномерно по бензольному кольцу. Поэтому подвергаться электрофильной атаке будут атомы углерода кольца с повышенной электронной плотностью. R R + E R E H + E ... -комплекс R + ... H E -комплекс Если в реакцию вступает моноалкилзамещѐнный бензол, то в результате электрофильного замещения образуются о- и п-дизамещѐнные бензолы, а при протекании реакции до конца — продукт исчерпывающего замещения: 450 R E + +E R ... E E R + +E E ... E С другой стороны, в реакциях замещения ориентирующее направление алкильной группы в орто- и пара-положениях бензольного кольца может быть объяснено и динамическим подходом, то есть сравнением устойчивости образующихся -комплексов. Например, при взаимодействии толуола с электрофилом образуются три изомерных -комплекса (орто-, мета- и пара-), строение которых описывается следующими граничными структурами: CH3 CH3 CH3 H + + H E +E + CH3 E H + H E E + CH3 CH3 CH3 + + H E + H CH2 H E H E + CH3 CH3 CH3 H CH 2 + + H E + H E H E H E Как видно, в случаях вступления электрофила в о- и п-положения число граничных структур данных -комплексов больше, чем при вступлении электрофила в м-положение бензольного кольца (четыре против трѐх). К тому же среди о- и п-изомеров присутствуют такие структуры, в которых подчѐркивается участие электронодонорной (метильной) группы в делокализа451 ции положительного заряда -комплекса, — это последние из изображѐнных в соответствующих рядах структур. Всѐ это подтверждает, что направление электрофильной атаки в о- и п-положения бензольного кольца энергетически выгоднее атаки в м-положение. Однако необходимо иметь в виду, что о- и п-ориентация определяет лишь преимущественное направление реакции электрофильного замещения в алкилбензолах, то есть замещение идѐт в эти положения бензольного кольца преобладающим образом, но не исключительно. Обычно образуется смесь всех трѐх изомеров (орто-, мета-, пара-), но они находятся в разных соотношениях. Доля м-изомера определяется, главным образом, силой ориентирующего влияния алкильной группы R в бензольном кольце. Чем больше атомов водорода при -углеродном атоме, тем выше значение электронной плотности на кольце (эффект Натана–Бейкера*). Это может быть объяснено величиной эффекта сверхсопряжения данной алкильной группы с ароматическим кольцом. По мере уменьшения проявляемого эффекта -сопряжения алкильные группы располагаются в следующем порядке: -CH3 > -CН2СН3 > -CH(CH3)2 > -C(CH3)3 , так как число -водородных атомов в этом ряду уменьшается от 3 до 0. При этом уменьшается реакционная способность соединений с такими заместителями (от толуола до трет-бутилбензола). Но кроме того, сила о-пориентирующего влияния тоже ослабевает, то есть доля о- и п-изомеров несколько уменьшается и увеличивается относительное количество продукта м-замещения. Но даже для реакций с участием толуола доля образующегося м-изомера может достигать 10%. Поэтому метильную и другие алкильные группы называют слабыми ориентантами. Нитрование — один из примеров реакций электрофильного замещения в ароматическом кольце. Так, при мононитровании толуола образуется 58% о-изомера и 38% п-изомера. При дальнейшем нитровании смеси нитротолуолов при 80С получается смесь изомеров с преобладанием 2,4-динитротолуола. В смеси содержится также заметное количество 2,6-динитротолуола. Для нитрования динитротолуолов в 2,4,6-тринитротолуол (тротил) применяют безводную смесь серной и азотной кислот с двойным избытком азотной кислоты по сравнению с теоретически необходимым. Нитрование проводят при температуре около 100С. 452 CH3 NO2 CH3 CH3 + NO2 NO2 + + NO2 + 2 NO2 ... CH3 NO2 NO2 Другой пример SE-реакций алкилбензолов — алкилирование по Фриделю–Крафтсу. Реакция неселективна: кроме моноалкилированного, образуются ди- и полиалкилзамещѐнные соединения. R R R + RCl / AlCl3 R RCl / AlCl3 R R R R Реакция Фриделя–Крафтса обратима, поэтому при нагревании протекает перегруппировка о- и п-диалкилбензолов в термодинамически более устойчивый м-диалкилбензол: R R R t o R R R 453 Углеводороды с непредельными связями в боковой цепи взаимодействуют с электрофилами прежде всего по этим связям, а не по бензольному кольцу. Такое направление обусловлено тем, что электрофильное присоединение с сохранением ароматичности протекает значительно легче, чем замещение в бензольном кольце: + +E CH=CH - R ... 9.5.2.2. Восстановление бензольного кольца по Бѐрчу Как сам бензол, так и алкилбензолы могут быть восстановлены до циклогексадиенов действием щелочных металлов и спирта в среде жидкого аммиака. При этом селективно образуются 1-алкилциклогекс-1,4-диены, как это следует из механизма реакции, протекающей через образование наиболее стабильной структуры анион-радикала: H . Na + R ROH R + -Na -RO- . H H H . Na R + -Na H H ROH R - . H -RO- H R H H 1-алкилциклогекс-1,4-диены 9.5.2.3. Реакции боковых цепей Протекание химических реакций с участием углеводородных заместителей определяется прежде всего природой этих заместителей (предельные или непредельные), а также влиянием на них -электронного секстета ароматического кольца. Радикальное замещение В алифатическом ряду SR-реакции характерны главным образом для алканов. Поэтому аналогично алканам для аренов, содержащих насыщенные углеводородные заместители, в условиях свободнорадикальных реакций (облучение, нагревание) наблюдаются реакции замещения в боковой цепи. Общий механизм радикального замещения включает те же стадии, что и в слу454 чае радикального замещения в алканах: инициирование, рост цепи, обрыв цепи (гл. 2.4.1). Однако влияние бензольного кольца на алкильный радикал приводит к одной особенности: всегда замещается -водородный атом (если он имеется). Такая селективность — существенное отличие от реакции радикального замещения алканов. Так, например, галогенирование любого алкилбензола приводит к образованию -галогенозамещѐнного и является распространѐнным способом получения галогенозамещѐнных аренов с атомом галогена у -углеродного атома боковой цепи: CH2 - CH3 + Cl2 CH - CH3 - HCl Cl Причина такого направления реакции кроется во влиянии бензольного кольца на стабильность промежуточного алкильного радикала. CH2 - CH3 + Cl CH - CH3 - HCl CH2-CH-CH3 + . Cl CH3 . CH-CH-CH3 CH3 - HCl Образующиеся таким образом радикалы бензильного типа значительно устойчивее третичного, вторичного и тем более первичного радикалов, не сопряжѐнных с бензольным кольцом. В результате р--сопряжения происходит делокализация спиновой плотности радикала бензильного типа. Истинное строение радикала можно представить как промежуточное между пятью граничными структурами: CH CH3 CH CH3 HC CH3 HC CH3 HC CH3 Электрофильное и радикальное присоединение Реакции электрофильного присоединения (АЕ) характерны для углеводородов, содержащих кратные связи в боковой цепи. При этом наиболее существенно влияние бензольного кольца на химическое поведение таких соединений, молекулы которых содержат двойную связь в -положении к аро455 матическому кольцу. Например, гидрогалогенирование таких соединений протекает селективно и приводит только к одному продукту — -галогенопроизводному: + HBr CH=CH-R CH-CH2-R Br Именно такое направление присоединения объясняется устойчивостью промежуточного карбокатиона (-комплекса) при присоединении электрофильной частицы к молекуле субстрата. +H CH=CH-R + + CH-CH-R H + CH-CH-R H Только катион бензильного типа будет стабилизирован р--сопряжением, и положительный заряд этого катиона делокализован с участием -электронной системы бензольного кольца. Истинное строение такого катиона является промежуточным между пятью граничными структурами: + CH CH2R + HC CH2R CH CH2R HC CH2R + HC CH2R + + Присоединение в присутствии пероксидов (по механизму АR) протекает, как это следует из рассмотрения механизма реакции, с образованием -галогенопроизводного (гл. 4.1.2). Дегидрирование, окисление Дегидрирование характерно для насыщенных боковых цепей, протекает при повышенной температуре (500600С) на поверхности катализаторов; для этих целей используются оксиды магния, кальция, алюминия. При этом образование -связи в -положении к бензольному кольцу термодинамически выгодно, так как в этом случае возникает --сопряжѐнная система. CH2-CH2-R CH=CH-R 456 + H2 Окислению перманганатом или дихроматом калия могут подвергаться углеводороды с любыми алкильными заместителями в бензольном кольце, хотя ни алканы, ни бензол не окисляются подобным образом. Так, алкилбензолы, имеющие -водородный атом, окисляются до бензойной кислоты при кипячении в течение нескольких часов. Независимо от длины и строения алкильного радикала образуются карбоновые кислоты с карбоксильной группой, связанной с бензольным кольцом. Например: CH2-CH3 [O] CH3 COOH COOH CH-CH3 CH3 [O] COOH Каталитическое окисление кислородом воздуха приводит к тем же продуктам, и в данном случае механизм реакции — радикальный и связан с участием образующегося радикала бензильного типа, из которого в качестве промежуточного продукта образуется -гидропероксид: CH3-CH2 CH3-CH CH3-CH-O-O + Ar-CH2CH3 - Ar-CH-CH3 + O2 + O2 - HOO CH3-CH-O-OH COOH HC=O + O2 ... Данный процесс катализируется солями некоторых металлов переменной валентности (в частности Co3+). Арены с кратными связями в боковых цепях подвергаются окислению аналогично этиленовым и ацетиленовым углеводородам (гл. 4.1.4.3). При действии озона на такие углеводороды реакция протекает одновременно как по кратной связи боковой цепи, так и по бензольному кольцу. Окисление озоном гомологов бензола протекает так же, как и для бензола (гл. 9.5.1.4). 457 9.6. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Важнейшим природным источником бензола и аренов является каменный уголь. Сухой перегонкой каменного угля, помимо самого бензола, получают толуол и ксилолы. Кроме того, бензол, толуол и другие простые арены встречаются в некоторых видах нефти (майкопская, румынская). Однако технологические процессы каталитического риформинга нефти вытесняют получение углеводородов из каменноугольной смолы. Синтетическими способами являются следующие. 1. Дегидрирование (ароматизация) алканов и циклоалканов: o t, Cr2O3/Al2O3 - 4 H2 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 Pt / 570 K - 3 H2 Эти реакции протекают в ходе вторичной переработки нефти. Этот технологический процесс называется каталитическим риформингом. Ароматизация углеводородов имеет бóльшее значение для получения гомологов бензола: CH3-(CH2)5-CH3 Cr2O3/Al2O3, 750 K - 4 H2 CH3-(CH2)6-CH3 Cr2O3/Al2O3, 750 K - 4 H2 CH3 CH3 CH3 2. Непредельные углеводороды, такие как циклогексен, циклогекс-1,3диен, в присутствии катализаторов (платины или палладия) диспропорционируют с образованием бензола: 3 3 + 2 + 2 458 3. Циклотримеризация (ароматизация) ацетилена 3 CH CH протекает термически, в присутствии металлорганических катализаторов (соединения хрома, никеля, кобальта). Однако ацетилен в эту реакцию вступает труднее, чем алкины, для которых циклотримеризация возможна не только в присутствии металлорганических катализаторов, но и в присутствии концентрированной H2SO4 и приводит к 1,3,5-триалкилзамещѐнным бензолам. R 3 R C CH R R Роль катализаторов заключается в активации тройной связи и пространственной ориентации алкинов в реакциях циклизации. 4. Возможна также ароматизация метана, который при контакте с ситаллами (стеклокерамикой), модифицированными металлами VIII группы при температуре 600С даѐт бензол: 6 CH4 C6H6 + 9 Н2 5. Бензол можно получить декарбоксилированием бензойной кислоты при нагревании еѐ в присутствии медного порошка или оксидов металлов (CuO, CaO) COOH + CO2 или нагреванием солей бензойной кислоты со щѐлочью COONa + NaOH + Na2CO3 Механизм последней из этих двух реакций разбирался на примере алифатических соединений (гл. 6.4.4.4), а механизм декарбоксилирования в присутствии катализаторов, по-видимому, аналогичен, и его можно представить как 459 электрофильное замещение, в котором электрофилом является катион водорода: O C= O + O=C=O H 6. Реакция Вюрца–Фиттига* представляет собой видоизменѐнный метод Вюрца и является одним из методов введения в бензольное кольцо алкильного заместителя: Br + 2 Na + Br-R R -2 NaBr Механизм аналогичен реакции Вюрца (гл. 3.2.2.3). Однако существенным недостатком этого метода является низкий выход целевого продукта из-за образования побочных продуктов: Br + 2 Na + Br -2 NaBr 2 R-Br + 2 Na R-R + 2 NaBr 7. Реакция Вюрца–Гриньяра позволяет получать алкилбензолы без побочных продуктов. Она осуществляется при взаимодействии галогенида арилмагния с алкилбромидом в диэтиловом эфире, например: MgBr + Br-R R - MgBr2 Механизм этой реакции можно представить как нуклеофильное замещение (SN1или SN2) атома галогена в галогеналканах или как электрофильное замещение (SЕ) группировки -MgBr в ароматическом субстрате '- MgBr + Br MgBr Br R '+ R 460 R - MgBr2 Однако этот способ нельзя применять, используя в качестве исходных галогенозамещѐнный бензол и алкилмагния галогенид из-за низкой реакционной способности галогенобензолов (гл. 10.2.4.2). 8. Алкилирование бензола и его гомологов (алкилирование по Фриделю–Крафтсу) — эти реакции рассмотрены в химических свойствах (гл. 9.5.1.1, 9.5.2.1). Для алкилирования могут использоваться галогеналканы, спирты, алкены. 9. Восстановление арилкетонов O C-R [H] CH2-R , проводимое активными металлами (Mg, Zn) в кислой среде. Карбонильные соединения, в свою очередь, для этих целей обычно получают ацилированием бензола и его гомологов. 9.7. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ АРЕНОВ Жидкие ароматические углеводороды при контакте со слизистыми оболочками вызывают местное раздражение и оказывают сосудорасширяющее действие. Обладая сродством к тканям с высоким содержанием липидов, ароматические углеводороды при остром воздействии поражают главным образом центральную нервную систему, вызывая наркотический эффект вплоть до комы и остановки дыхания вследствие паралича дыхательного центра. В условиях хронической интоксикации бензол и его гомологи оказывают на организм политропное действие, поражая ряд органов и систем. Особое место занимает бензол, обладающий выраженным миелотоксическим эффектом. Хроническая бензольная интоксикация характеризуется в основном поражением крови и кроветворных органов и в меньшей степени — нервной системы. При окислении ароматических углеводородов в результате ароматического гидроксилирования образуются фенолы. Первой стадией этой реакции окисления также является образование эпоксидов: OH OH + O OH 461 Для ароматических углеводородов в процессе гидроксилирования характерна структурная избирательность, зависящая от свойств субстрата. Так, при метаболизме толуола образуются только о- и п-крезолы: HO H3C H3C + о-крезол H3C OH п-крезол Бензол — бесцветная жидкость со своеобразным запахом и температурой кипения 81С. Легче воды и малорастворим в воде. Используется в качестве растворителя: растворяет жиры, масла, нефтепродукты, полимеры. Главным источником бензола являются продукты сухой перегонки каменного угля. Бензол служит исходным сырьѐм для химической промышленности. Толуол — бесцветная жидкость со своеобразным запахом и температурой кипения 111С. Незначительно растворим в воде. Его получают из продуктов сухой перегонки каменного угля и в процессе дегидрирования гептана. Толуол применяется в качестве растворителя в переработке пластмасс, в производстве лаков, типографских красок, резины и в качестве компонента для высокооктановых бензинов. Ксилолы (орто-, мета-, пара-) — бесцветные жидкости со своеобразным запахом. Незначительно растворимы в воде. Смесь ксилолов получают из продуктов сухой перегонки каменного угля, а также в процессе дегидрирования октанов. Смесь изомеров разделяют на чистые ксилолы различными методами. Смесь ксилолов используют в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности и в качестве компонента высокооктановых бензинов. Нитрованием ксилолов получают исходное сырьѐ для производства красителей. В химической промышленности широко используют о- и п-изомеры для получения соответствующих карбоновых кислот. Кумол — бесцветная жидкость со своеобразным запахом и температурой кипения 153С. Незначительно растворим в воде. Получают алкилированием бензола пропеном. Кумол является важным промежуточным продуктом для получения фенола и ацетона. Стирол (винилбензол) — бесцветная жидкость с приятным запахом, легче воды; температура кипения 145С. При комнатной температуре самопроизвольно полимеризуется в отсутствие катализатора с образованием полистирола — прекрасного электроизоляционного материала. Его также используют для получения ионообменных смол. 462 Стирол получают главным образом дегидрированием этилбензола. 9.8. НЕБЕНЗОИДНЫЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Свойство ароматичности характерно не только для бензола и его производных, но и для других систем, в которых возможно циклическое сопряжение и выполняется правило Э. Хюккеля (гл. 9.1). Это могут быть не только шестичленные, но и трѐх-, четырѐх-, пяти- и семичленные сопряжѐнные системы. Соединения такого типа называются небензоидными ароматическими системами. К таким ароматическим системам относятся: катион циклопропенилия (гл. 8.3.1) , у которого в циклическом сопряжении принимают участие три рz-орбитали, а число -электронов равно 2, что соответствует правилу Хюккеля (4n+2) при n = 0; циклопентадиенид-анион , здесь в сопряжении участвуют пять рz-орбиталей, число -электронов равно 6; циклогептатриенилий-катион (катион тропилия) , содержащий 6 -электронов на семи сопряжѐнных рz-орбиталях; [14]-аннулен Аннулены (anula (лат.) — кольцо) — полностью сопряжѐнные циклические полиены. Размер цикла аннулена обозначается цифрой в начале названия. HH HH , 463 у которого в циклическом сопряжении четырнадцать рz-орбиталей, число -электронов — тоже 14, что соответствует правилу Хюккеля (4n+2) при n = 3; [18]-аннулен H H H H H H азулен — конденсированная система, состоящая из циклопентадиена и циклогептатриена , здесь в каждом из циклов в сопряжении 6 -электронов. Главной особенностью циклических замкнутых сопряжѐнных систем является их стабильность, что определяется циклической делокализацией -электронов. Поэтому наиболее точно такие системы могут быть охарактеризованы энергией делокализации (энергией резонанса). Например, для азулена она равна 189 кДж/моль — это довольно большая величина, но по сравнению с бензолом азулен менее стабилен: в пересчѐте на один -электрон энергия резонанса азулена составляет 19 кДж, а бензола — 25 кДж. Ароматический циклопропенилий-катион оказывается более устойчивым, чем его ациклический аналог аллил-катион +СН2-СН=СН2. Стабильность [14]-аннулена относительно невелика ввиду внутримолекулярного отталкивания атомов водорода внутри цикла, что делает молекулу непланарной. Его аналог [10]-аннулен, согласно правилу Э. Хюккеля, должен быть ароматичен, если бы он был плоский. Все изомерные циклодекапентаены имеют значительное напряжение, которое препятствует образованию плоской конформации. Даже в наиболее стабильном из них трансцис-транс-цис-цис-изомере с минимальным угловым напряжением имеет место сильное отталкивание между внутренними атомами водорода (трансаннулярное напряжение), что делает его неплоским: 464 H H транс-цис-транс-цис-цис-[10]-аннулен Другие геометрические изомеры дестабилизированы угловым напряжением и не являются плоскими. В результате ни один из изомерных [10]аннуленов не является ароматическим углеводородом. Отсутствие ароматичности здесь является следствием неплоской структуры, а не отклонением от правила Хюккеля. В настоящее время получены и существуют [14]-аннулен и [18]аннулены, соли замещѐнного циклопропенилия (например, перхлорат 1,2,3три-трет-бутилциклопропенилия), соли тропилия (например, бромид тропилия), циклопентадиениды щелочных металлов и др. Кроме того, в структуру ароматических циклов помимо атомов углерода могут входить гетероатомы. Эти соединения рассматриваются в главе 12. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Как вы понимаете термин «ароматичность» и какими физическими и химическими свойствами можете подтвердить ароматические свойства бензола и его производных? 2. Перечислите все электрофильные частицы и сравните их активность в реакциях а) нитрования, б) сульфирования, в) галогенирования, г) ацилирования, д) алкилирования. 3. Сравните свойства, проявляемые гомологами бензола по ароматическому кольцу и по алифатической цепи. В чѐм заключается их принципиальное отличие? 4. Сравните свойства, проявляемые аренами с непредельными боковыми цепями по ароматическому кольцу и по алифатической цепи. В чѐм можно найти сходство, а в чѐм заключается отличие? 5. Из бензола и изопропилхлорида в присутствии хлорида алюминия получите монозамещѐнный гомолог бензола. Приведите механизм этой реакции. Для полученного алкилбензола приведите схемы превращений при а) окислении KMnO4, б) бромировании в присутствии железа, в) бромировании при нагревании на свету. 6. Из бензола получите этилбензол, используя в качестве реагента 1) этилен, 2) этанол. Для одного из взятых реагентов (1) или (2) рассмотрите механизм реакции. Для этилбензола напишите схемы реакций: а) окисления, б) сульфирования, в) бромирования в условиях радикального замещения. 7. Какие углеводороды получатся при алкилировании толуола пропиловым 465 спиртом в присутствии серной кислоты? Объясните, почему группа -СН3 обладает активирующим действием и является преимущественно орто- и пара-ориентантом. Для одного из диалкилзамещѐнных бензола приведите схему окисления перманганатом калия. 8. Приведите механизм алкилирования толуола изобутилхлоридом в присутствии хлорида алюминия. Какое соединение будет основным продуктом этой реакции? 9. Какое превращение будет протекать при нагревании изобутилбензола на хлориде алюминия при 200С? Приведите его механизм и поясните. 10.Установите в каждом случае структуру исходного ароматического углеводорода, если при его озонолизе была получена смесь карбонильных соединений следующего состава (в скобках указаны их мольные соотношения): а) бутандион, 2-оксопропаналь, этандиаль (1:2:3); б) бутандион, 2-оксопропаналь, этандиаль (1:4:1); в) пентан-2,3-дион, 2-оксобутаналь, этандиаль (1:1:1); г) 2-оксопропандиаль, 2,3-диоксобутаналь, 2-оксопропаналь, этандиаль, этаналь (1:1:1:3:2). 466 Глава 10. ПРОИЗВОДНЫЕ БЕНЗОЛА В бензольном кольце в качестве заместителей могут быть самые разные атомы и атомные группировки. Такими заместителями могут быть атомы галогенов (-F, -Cl, -Br, -I), сульфо- (-SO3H), нитро- (-NO2), аминогруппы (-NH2), гидроксильная и алкоксильная группы (-OH, -OR), карбонильная и карбоксильная группы (-COR, -COOH) и другие. Общую формулу монозамещѐнных бензолов можно представить в следующем виде: X Однако в общем случае молекулы ароматических соединений могут содержать характеристические группы как в ароматическом кольце, так и в боковой алифатической цепи. Такие вещества, проявляющие свойства и ароматических соединений, и алифатических производных, также здесь будут рассмотрены. 10.1. ОБЩНОСТЬ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ МОНОЗАМЕЩЁННЫХ БЕНЗОЛОВ Заместители в бензольном кольце в соответствии со своей природой оказывают как электронное, так и пространственное влияние на строение всего соединения в целом и на его химическое поведение. Поэтому в распределении электронной плотности в молекулах монозамещѐнных бензолов и в реакционной способности этих веществ можно отметить много общего. 10.1.1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ Индуктивные эффекты таких заместителей, как галогены, аминогруппа, гидроксильная и другие группы, будут действовать в направлении понижения электронной плотности ароматической системы, поскольку атомы, непосредственно связанные с кольцом, более электроотрицательны, чем углерод, с которым они связаны: X 467 С другой стороны, непосредственно связанные с кольцом атомы галогенов, кислорода или азота, содержат неподелѐнные пары электронов, которые могут взаимодействовать с делокализованными -электронами кольца, в результате чего возникает сопряжение -электронной системы ароматического фрагмента с р-орбиталью первого атома заместителя. Это можно показать при помощи резонансных структур: +X :X +X + X: X - - Для заместителей -OH, -OR, -NH2, -NR2 и т.д. величина электронодонорного мезомерного эффекта больше (по модулю) значения акцепторного индуктивного эффекта. Электронная плотность на кольце при этом возрастает. Такие заместители являются в целом электронодонорами. X X -I +M > -I '+ - - +M - Атомы галогенов, проявляющие такие же по направлению индуктивный и мезомерный эффекты по отношению к бензольному кольцу, напротив, являются в целом электроноакцепторами за счѐт бóльшего (по модулю) индуктивного эффекта по сравнению с мезомерным: Hal - Hal -I +M < -I +M Причины такого влияния атомов галогенов на бензольное кольцо изложены далее (гл. 10.2.2). Однако если атом в заместителе, непосредственно соединѐнный с кольцом, связан кратной связью с ещѐ более электроотрицательным атомом, возникает сопряжение, приводящее к уменьшению электронной плотности кольца: 468 X=Y X-Y X-Y X=Y X-Y + + + Это характерно для таких заместителей, как например -СHO, -COOH, -SO3H, -CN, -NO2. Индуктивный эффект, проявляемый этими заместителями, — тоже акцепторный. Такие заместители являются в целом электроноакцепторами. Электронная плотность на кольце понижается: X X=Y -I Y -M '- Таким образом, все заместители в бензольном кольце условно можно разделить на две большие группы: электронодоноры и электроноакцепторы. Кроме перечисленных здесь к донорным заместителям относятся и алкильные радикалы в молекулах аренов. Но величина суммарного донорного эффекта (индуктивный эффект и эффект сверхсопряжения, как, например, в толуоле) невелика по сравнению с электронодонорным мезомерным эффектом, обусловленным р--сопряжением таких групп, как например -OH, -NH2. Таким образом, в порядке уменьшения суммарного электронного эффекта электронодоноры можно расположить в следующий ряд (приведены некоторые, наиболее типичные заместители): -NH2 (-NHR, -NR2) > -OH (-OR) > -NHCOR > -R Электроноакцепторные заместители также по-разному влияют на ароматическое кольцо, уменьшая электронную плотность на нѐм в разной степени. По силе акцепторного влияния такие заместители в бензольном кольце можно выстроить в следующий ряд: -NR3+ > -NO2 > -CN > -SO3H > -CHO > -CRO > -COOH > -COOR > -CONH2 У галогенов, как акцепторных заместителей, имеются свои особенности влияния на распределение электронной плотности бензольного кольца, и в общий ряд акцепторов поэтому они не включены. 469 Относительную силу влияния заместителей можно ориентировочно определить по величине дипольного момента ароматического соединения, содержащего этот заместитель (табл. 10.1). Таблица 10.1 Направление и величины дипольных моментов некоторых монозамещѐнных бензолов Заместитель X -N(СH3)2 -OH -NH2 -OCH3 -CH3 H -COOH -I -Br -Cl -COOR -CHO -SO3H -CN -NO2 Дипольный момент , D 1.6 1.6 1.5 1.2 0.3 0 1.0 1.3 1.5 1.6 1.9 2.8 3.8 3.9 4.0 Направление диполя X X Для всех ароматических соединений должны быть характерны реакции электрофильного замещения (SE). Заместители, обладающие донорными или акцепторными электронными эффектами разной силы, могут облегчать взаимодействие с электрофилами или, наоборот, затруднять его, влияя, таким образом, на скорость реакции, а также на условия еѐ протекания и полноту превращения. Кроме того, наличие в бензольном кольце акцепторных заместителей может привести к понижению электронной плотности на атомах углерода настолько, что становятся возможными и реакции нуклеофильного замещения (SN). 10.1.2. РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ Взаимодействие монозамещѐнного бензола с электрофильной частицей должно протекать по механизму, рассмотренному на примере бензола 470 (гл. 9.5.1.1). Во всех этих случаях реакция электрофильного замещения бимолекулярна (в лимитирующей стадии принимает участие и субстрат, и электрофил), и, таким образом, для механизма можно применить обозначение SE2: X + X H E E -H X E X X X + о- + + + E H -H + E E X + E H м- X -H + пE Значительно реже встречается механизм мономолекулярного электрофильного замещения (SE1). Это, например механизм реакции декарбоксилирования — см далее (гл. 9.6, п.5). В том случае уходящая группа отщепляется до электрофильной атаки. Как следует из приведѐнной схемы, в результате электрофильного замещения атома водорода в монозамещѐнных бензолах возможно образование трѐх изомерных продуктов реакции. Преимущественное направление замещения (о-, м- или п-) зависит от природы заместителя Х. Этот заместитель влияет не только на реакционную способность исходного вещества, но и на направление вступления электрофила Е. Поэтому все заместители по ориентирующему действию делят на две группы: 1) орто-пара-ориентанты (заместители I рода) и 2) мета-ориентанты (заместители II рода). Ориентирующее действие заместителя зависит, прежде всего, от распределения электронной плотности в бензольном кольце под влиянием электронных эффектов этого заместителя. Под влиянием донорных заместителей электронная плотность повышается в основном в орто- и пара-положениях ароматического кольца по отношению к заместителю, как было показано граничными структурами (см. выше). Поэтому все электронодонорные заместители направляют электро471 фильную частицу в орто- и пара-положения и являются заместителями I рода. Ориентирующее направление заместителей I рода в о- и п-положения бензольного кольца может быть объяснено также сравнением устойчивости образующихся -комплексов. При образовании -связи между электрофилом и углеродным атомом, находящимся в орто-, мета- или пара-положении бензольного кольца, образуются соответственно три -комплекса, строение которых описывается следующими граничными структурами: X X X H + +E H E E H + H E E + + X X X + + H E + + X X H E X X H E X + X + + H E + H E H E H E В случаях вступления электрофила в о- и п-положения число граничных структур данных -комплексов больше, чем при вступлении электрофила в м-положение бензольного кольца (четыре против трѐх). Кроме того, среди о- и п-изомеров присутствуют такие структуры, в которых подчѐркивается участие неподелѐнной электронной пары первого атома заместителя в делокализации положительного заряда -комплекса, — это последние из изображѐнных в соответствующих рядах структур. На ароматическом кольце галогенозамещѐнных бензолов электронная плотность понижена, но тем не менее галогены оказывают сильно выраженное орто- и пара-ориентирующее действие, и поэтому галогены тоже относятся к заместителям I рода, хотя и являются электроноакцепторами. Это явление рассматривается при обсуждении свойств арилгалогенидов (гл. 10.2.4.1), но может быть объяснено и динамическим подходом, как и для любого другого заместителя, проявляющего +М-эффект (см. выше). 472 Другие акцепторные заместители (кроме галогенов) проявляют –Мэффект по отношению к бензольному кольцу, и особенно сильное понижение электронной плотности наблюдается в орто- и пара-положениях к заместителю (показано граничными структурами). Поэтому электрофильная частица будет направляться преимущественно в мета-положение, где уменьшение электронной плотности почти не происходит. Таким образом, все электроноакцепторные заместители, за исключением галогенов, относятся к метаориентантам, или заместителям II рода. С другой стороны, мета-ориентирующее действие групп, проявляющих –М-эффект, может быть объяснено и сравнением устойчивости образующихся -комплексов. В процессе электрофильного замещения атома водорода в молекуле замещѐнного бензола могут образоваться три изомерных -комплекса, строение которых описывается граничными структурами: X X X H + +E X H E E + E + + X X X + + H E + H H E X X H E X + + + H E H E H E Несмотря на то, что число граничных структур -комплексов при вступлении электрофила в орто-, мета- и пара-положения одинаково, -комплексы с электрофильной частицей в орто- и пара-положениях по отношению к заместителю менее устойчивы, так как одна из трѐх граничных структур в этих случаях сильно дестабилизирована за счѐт локализации положительного заряда на атоме углерода, связанном с заместителем. Эти граничные структуры изображены последними в соответствующих рядах. Однако, рассматривая правила ориентации, нельзя забывать, что они определяют лишь преимущественное направление реакции замещения, то есть замещение идѐт в то или иное положение преобладающим образом, но 473 не исключительно. Обычно образуется смесь всех трѐх изомеров, но они находятся в соотношении, определяемом правилами ориентации. На возможность преимущественного образования тех или иных изомеров помимо мезомерного эффекта заместителя влияют и другие факторы. Индуктивный эффект На соотношение продуктов орто- и пара-замещения может оказывать влияние и величина индуктивного эффекта заместителя. Особенно это характерно для таких заместителей, как -F и -OH, которые содержат атомы сильно электроотрицательных элементов, связанные с бензольным кольцом. В этих случаях за счѐт значительного –I-эффекта орто-положение дезактивируется, и, как результат, преобладает доля п-замещения. Пространственный фактор Орто- и пара-положения в ароматическом кольце примерно одинаково активированы +М-эффектом донорных заместителей, и по статистике должно получаться 67% орто- и 33% пара-изомеров, так как имеются два орто-положения и только одно пара-положение. Однако продукта паразамещения часто получается больше. Это объясняется, главным образом, пространственными эффектами. Заместитель, находящийся в ароматическом кольце, экранирует орто-положения и мешает реагенту их атаковать. Пространственные препятствия проявляются тем сильнее, чем больше объѐм заместителя, связанного с ароматическим кольцом. Например, при нитровании аренов (гл. 9.5.2.1) получается следующее соотношение изомерных продуктов: H3C +HNO3 - H2O H3C H C H3C H3C NO2 H3C +HNO3 - H2O H C NO2 H3C H3C H3C H3C C H3C +HNO3 - H2O H3C C H3C NO2 58% о-изомера 4% м-изомера 38% п-изомера 30% о-изомера 7.7% м-изомера 62.3% п-изомера 15.8% о-изомера 11.5% м-изомера 72.7% п-изомера Размер электрофильной частицы также может влиять на соотношение орто- и пара-продуктов замещения. Так, при сульфировании электрофильная частица имеет больший размер, чем при нитровании, и поэтому сульфирование чаще всего приводит к образованию п-изомеров. 474 Электрофильная активность реагента оказывает прямое влияние на направление реакции замещения. Так, если электрофил обладает высокой энергией, то селективность реакции низкая; если же электрофильные свойства реагента выражены слабо, то в этом случае, как правило, селективность реакции высокая. Так, при взаимодействии толуола с бромом в присутствии AlBr3 образуется 33% о-изомера, 66.7% п-изомера и 0.3% м-изомера, при взаимодействии толуола с азотной кислотой — 58% о-изомера, 38% п-изомера и 4% м-изомера, а при взаимодействии этого же субстрата с серной кислотой — соответственно 32%, 62% и 6%. 10.1.3. РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В целом монозамещѐнные бензолы по отношению к нуклеофильным реагентам очень мало реакционноспособны. Замещаемой группой в этих реакциях является группа X X + :Y Y :X + , но возможно замещение и атома водорода — уходящей частицей тогда будет гидрид-ион Н¯. X X Y + :Y - + :H - Во всех случаях нуклеофильное замещение протекает в достаточно жѐстких условиях и чаще всего только с сильными нуклеофилами (чаще всего это гидроксид- и амид-анионы). В ароматическом кольце должны быть акцепторные заместители, в противном случае замещение невозможно. Но даже при наличии акцепторных заместителей дополнительное введение сильного донора в кольцо (в общем случае) делает реакцию тоже невозможной. Алкильные группы как донорные заместители затрудняют реакцию, но не запрещают еѐ. В зависимости от природы замещаемой группы X (а также от наличия дополнительных заместителей в кольце) нуклеофильное замещение может протекать по одному из следующих механизмов. 475 Ариновый механизм, или механизм отщепления-присоединения (ЕА): X X + :Y - HY H - X- :- дегидробензол H + HY Y Нуклеофильная атака по кольцу невозможна вследствие высокой -электронной плотности на нѐм, и нуклеофильная частица здесь играет роль основания, разрывая наиболее полярную С–H-связь. Образующийся на первой стадии дегидробензол крайне неустойчив из-за высокого углового напряжения. Для углерода в sp-валентном состоянии характерны углы 180, а не 120, как в дегидробензоле, напоминающем изогнутый ацетилен. Вторая -связь в дегидробензоле имеет особое строение, она образована за счѐт бокового перекрывания sp2-гибридных орбиталей и очень непрочная. В более общем случае, когда в реакцию вступает галогенопроизводное с алкильными заместителями в ароматическом кольце, на промежуточной стадии образуется ароматическое соединение с тройной связью в кольце — арин: X + R :Y - HY -X - H R арин, поэтому и название механизма — ариновый. Так как вторая стадия (присоединение нуклеофильного реагента) протекает быстро (и неселективно), то возможно образование двух изомерных продуктов примерно в равных количествах: 476 R R + :Y - R + HY - HY -X X Y R Y Этот механизм характерен для галогенозамещѐнных аренов. В этих соединениях акцепторное влияние заместителей на ароматическое кольцо недостаточно велико, чтобы могла осуществиться нуклеофильная атака по одному из его углеродных атомов. Замещение по ариновому механизму протекает в наиболее жѐстких условиях (гл. 10.2.4.2). Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения (SN2ар), или механизм присоединения-отщепления (АЕ) Этот механизм характерен для субстратов с сильными электроноакцепторными заместителями. При этом уменьшается электронная плотность на бензольном кольце и становится возможной нуклеофильная атака по нему. Первая стадия протекания реакции (медленная и обратимая) — присоединение нуклеофильной частицы к молекуле субстрата за счѐт образования новой -связи, а вторая стадия — отрыв аниона уходящей группы (быстрая и необратимая): X Y : X + :Y - Y + :X - -комплекс В промежуточном анионе (-комплекс) меняется гибридизация атома углерода, являющегося реакционным центром. Этот атом образует новую -связь за счѐт неподелѐнной пары электронов нуклеофила, поэтому сопряжѐнная система включает шесть -электронов на р-орбиталях пяти атомов углерода. Затем отщепляемый анион уходит вместе с парой электронов -связи, и ароматичность системы восстанавливается. Таким образом, в отличие от бимолекулярного нуклеофильного замещения в алифатическом ряду реакция протекает, во-первых, не в одну, а в 477 две стадии с образованием промежуточной частицы (-комплекса); вовторых, направление атаки нуклеофила происходит не с противоположной стороны, а сбоку; в-третьих, при бимолекулярном замещении в ароматических системах сначала образуется новая связь C–Y, а затем разрывается старая C–X. Механизм мономолекулярного нуклеофильного замещения (SN1) Этот механизм в ароматическом ряду встречается редко и характерен только для реакций разложения солей диазония при участии жѐстких нуклеофилов (F, Cl, OH). Механизм может быть представлен в следующем виде: + 1) 2) + N N + + + N2 Y Y Первая стадия осуществляется медленно и, в отличие от SN1-реакции в алифатическом ряду, необратимо (за счѐт удаления из реакционной среды газообразного азота). Образующийся при этом катион арилия крайне неустойчив и поэтому быстро взаимодействует с жѐсткой нуклеофильной частицей. 10.2. ГАЛОГЕНАРЕНЫ Молекулы ароматических углеводородов могут содержать атомы галогенов как в ароматическом кольце, так и в боковой алифатической цепи. Такие соединения принято называть галогенопроизводными ароматических углеводородов, или галогенаренами. 10.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА В зависимости от расположения галогена все галогенопроизводные ароматических углеводородов делятся на две группы: 1) соединения с атомом галогена в ароматическом кольце, например: 478 Cl CH3 Br I Br 2) соединения с атомом галогена в боковой цепи, например: CH2-CH-R Br CH2Cl Соединения первой из этих двух групп получили название арилгалогенидов, так как в их молекулах атом галогена связан с ароматическим радикалом – арилом. Поэтому общую формулу галогенаренов с одним атомом галогена в ароматическом кольце можно представить в виде Ar-Hal. Кроме того, так же, как и алифатические галогенопроизводные, рассматриваемые соединения могут быть классифицированы в зависимости от числа атомов галогена и от их природы. Для названия галогенаренов могут применяться как радикалофункциональная, так и заместительная номенклатуры ИЮПАК. По радикало-функциональной номенклатуре необходимо использовать названия углеводородных радикалов, связанных с атомом (или атомами) галогена. Это может быть осуществлено только для относительно несложных по структуре соединений. Например: CH3 Cl — п-толилхлорид, CH2Br — бензилбромид, Cl Cl — п-фенилендихлорид. По заместительной номенклатуре в качестве родоначальной структуры выбирается либо ароматическое кольцо, либо (для соединений с атомом галогена в боковой цепи) боковая алифатическая цепь. В первом случае для обозначения атомов углерода боковой цепи могут использоваться греческие буквы. Например: 479 CH2-CH-CH3 Br — (2-бромпропил)бензол, или -бромпропилбензол, или 2-бром-1-фенилпропан — 1-хлор-3-(1-хлорэтил)-бензол, или м-хлор--хлорэтилбензол, или 1-хлор-1-(3-хлорфенил)-этан, или 1-хлор-1-(м-хлорфенил)-этан Cl CH3-CH-Cl 10.2.2. СТРОЕНИЕ АРИЛГАЛОГЕНИДОВ Атом галогена влияет на распределение электронной плотности в бензольном кольце за счѐт –I- и +М-эффектов. В молекуле хлорбензола –I-эффект выражен сильнее +М-эффекта. Это подтверждается направлением диCl польного момента связи C–Cl. За счѐт р--сопряжения -I увеличивается степень двоесвязанности между углеро+M дом и хлором: эта связь имеет 10% -характера. Строение арилгалогенидов сходно со строением галогеналкенов винильного типа (гл. 5.1.2). Так же, как и в винилхлориде, длина связи C–Cl в хлорбензоле меньше, чем в соответствующих предельных галогенопроизводных (в хлорбензоле 0.170 нм, в хлорэтане 0.177 нм), а прочность этой связи больше, чем в галогеналканах (в хлорбензоле 397.8 кДж/моль, в хлорэтане 341.2 кДж/моль). Положительный мезомерный эффект, хотя и слабее отрицательного индуктивного эффекта, приводит к ряду особенностей в строении и свойствах арилгалогенидов. За счѐт +М-эффекта происходит повышение электронной плотности на атомах углерода в о- и п-положениях ароматического кольца по сравнению с углеродными атомами в м-положениях. Распределение электронной плотности можно представить как промежуточное между пятью граничными структурами: + Cl Cl + Cl - + Cl Cl - - В результате такого сопряжения образуется единая -молекулярная орбиталь. 480 Однако вследствие влияния большего по величине индуктивного эффекта электронная плотность на кольце в целом понижена; в наибольшей степени она оказывается понижена в мета-положении, так как в орто- и пара-положениях происходит частичная компенсация дефицита электронной плотности за счѐт +М-эффекта. Поэтому в целом распределение электронной плотности в молекуле хлорбензола можно представить следующим образом: Cl"'- -I "+ "+ + + '+ , причѐм + > '+, "+ +M В молекулах других галогенобензолов взаимодействие ароматического кольца с атомами галогенов осуществляется за счѐт тех же электронных эффектов: индуктивного и мезомерного. Однако существенного повышения или понижения электронной плотности на ароматическом кольце этих галогенопроизводных (в ряду фторбензол—йодбензол) не наблюдается, так как одновременно с уменьшением –I-эффекта атома галогена (от фтора к йоду) происходит и уменьшение +М-эффекта. Уменьшение индуктивного эффекта связано с понижением электроотрицательности в ряду галогенов (фтор— йод); уменьшение электронодонорного мезомерного эффекта связано с возрастанием несоответствия геометрической конфигурации внешних р-орбиталей атомов углерода и галогена (также от фтора к йоду). 10.2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Среди галогенопроизводных ароматических углеводородов преобладающее большинство — жидкости. Температуры кипения зависят от природы галогена и увеличиваются от фторопроизводных к йодопроизводным, так как с увеличением геометрических размеров молекул и их поляризуемости возрастают силы сцепления между молекулами. Плотность галогенопроизводных больше 1 г/мл и при увеличении числа атомов галогена в кольце заметно увеличивается. Все галогенопроизводные, как правило, нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях. Соединения с атомом галогена в -положении боковой цепи обладают сильным слезоточивым запахом. 481 10.2.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Химические свойства рассматриваемых соединений должны определяться, с одной стороны, возможностью протекания реакций по ароматическому кольцу (как для любых замещѐнных бензолов), а с другой стороны — способностью к взаимодействиям с участием атома галогена. 10.2.4.1. Электрофильное замещение в ароматическом кольце арилгалогенидов За счѐт электроноакцепторного индуктивного эффекта галогена электронная плотность на бензольном кольце понижена по сравнению с незамещѐнным бензолом, и поэтому электрофильные реакции затруднены. Реакции нитрования, сульфирования и галогенирования протекают в более жѐстких условиях и с меньшей скоростью, чем для бензола. Атомы галогенов в этих реакциях ориентируют вступающие группы в о- и п-положения, что обусловлено проявлением этими атомами +М-эффекта по отношению к бензольному кольцу, который усиливается благодаря временной поляризации молекулы субстрата при приближении электрофила: E+ Cl Поэтому механизм взаимодействия хлорбензола с электрофильной частицей можно представить следующим образом: Cl Cl + E + Cl E + + Cl H E E - H+ Cl + H E Cl - H+ E Примеры реакций электрофильного замещения в молекуле хлорбензола: 482 Cl Cl Cl NO2 HNO3/H2SO4 - H2O + NO2 Cl Cl SO3H H2SO4+SO3 + SO3H Cl Cl Cl Cl2/FeCl3 - HCl + Cl При этом преимущественное направление реакции (в о- или п-положение) и относительные количества орто- и пара-изомеров определяются различными факторами (гл. 10.1.2). 10.2.4.2. Нуклеофильное замещение в ароматическом кольце арилгалогенидов Реакционная способность по отношению к нуклеофилам у арилгалогенидов низкая. Для замещения их галогена требуются жѐсткие условия, активные реагенты либо наличие активирующих функциональных групп, особенно в орто- и пара-положениях относительно галогена. Как правило, взаимодействие протекает при температурах выше 180С. Это является следствием того, что атом галогена в этих соединениях менее подвижен, чем в алкилгалогенидах. Наиболее типичные случаи замещения атома галогена в бензольном кольце приведены на схеме: 483 Ar-Cl NaOH - NaCl Ar-OH NaOR - NaCl Ar-OR NaNH2 - NaCl Ar-NH2 NaCN - NaCl Ar-CN NaSH - NaCl Ar-SH NaI - NaCl Ar-I KF - KCl Ar-F Эти реакции могут быть использованы для получения различных функциональных производных аренов. Если в молекуле галогенобензола нет других заместителей или содержится алкильный заместитель, то такие соединения называют неактивированными. Нуклеофильное замещение в молекулах таких арилгалогенидов возможно, например, при взаимодействии хлорбензола с 40%-м водным раствором NaОH при температуре 330380С и давлении 30 МПа, а также при взаимодействии того же хлорбензола (а также бромбензола, йодбензола) с амидами щелочных металлов (NaNH2, KNH2) в жидком аммиаке. Неактивированные субстраты вступают в реакции нуклеофильного замещения по ариновому механизму (механизм отщепления-присоединения). На первой, медленной, стадии происходит отщепление частиц Н+ и Сl; затем на второй стадии — быстрое присоединение нуклеофильного реагента: Cl H + :NH2 Cl - NH3 - - Cl - дегидробензол NH2 + :NH3 H В общем случае при использовании галогенаренов возможно образование двух изомерных продуктов примерно в равных количествах. Например, 484 из п-хлортолуола в результате замещения хлора гидроксид-ионом образуются м- и п-крезолы: CH3 CH3 + :OH CH3 + H2O - H2O - Cl п-крезол Cl OH CH3 м-крезол OH Если в бензольном кольце исходной молекулы галогенарена имеются дополнительные заместители, то они могут сильно влиять на подвижность атома галогена. Присутствие сильных электронодонорных заместителей (-ОН, -NН2 и др.) делает эту реакцию неосуществимой из-за высокой электронной плотности на бензольном кольце и невозможности подхода нуклеофила. Напротив, сильные электроноакцепторные заместители в бензольном кольце (-NO2, -CN и др.) будут активировать молекулу арилгалогенида в реакции нуклеофильного замещения. Такие соединения (с дополнительными акцепторными группами) называют активированными для нуклеофильной атаки. Арилгалогениды с сильными электроноакцепторными заместителями могут вступать во взаимодействие с нуклеофилами по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения (механизм присоединения-отщепления). Для того чтобы наблюдался такой механизм, достаточно в структуре арилгалогенида хотя бы одного сильного электроноакцепторного заместителя в орто- или пара-положении к замещаемой группе, так как именно в этих положениях заместители, обладающие –М-эффектом, понижают электронную плотность. При этом увеличивается положительный заряд на атоме углерода, связанном с галогеном, и становится возможной нуклеофильная атака по нему. Первая стадия протекания реакции (медленная и обратимая) — присоединение нуклеофильной частицы к молекуле субстрата за счѐт образования новой -связи, а вторая стадия — отрыв галогенид-иона (быстрая и необратимая): 485 Hal Hal + :Y - Y Y - NO2 + :Hal NO2 NO2 -комплекс Примером протекания реакции по механизму SN2ар является щелочной гидролиз п-нитрохлорбензола: Cl OH + OH - + Cl NO2 NO2 - , который протекает в водном растворе при температуре 150С и давлении 0.6 МПа. Для орто-изомера аналогичная реакция протекает в более мягких условиях (130С и 0.3 МПа) из-за сильного –I-эффекта нитрогруппы, который сказывается главным образом на ближайших атомах (т.е. в ортоположении). Так получают о-нитроанизол при нагревании в автоклаве при 110С о-нитрохлорбензола с 8090%-м метиловым спиртом и щѐлочью в течение 45 часов: Cl OCH3 NO2 CH3OH, NaOH, p, T NO2 о-нитроанизол о-Нитроанизол служит для получения о-анизидина, а последний используется для синтеза гваякола и лекарственных препаратов на его основе. В отличие от орто- и пара-нитрохлорбензолов для м-изомера щелочной гидролиз протекает в значительно более жѐстких условиях — это соединение реагирует, вероятнее всего, по ариновому механизму. Реакционная способность арилгалогенидов определяется величиной частичного положительного заряда на атоме углерода, связанном с галогеном. Поэтому наиболее легко будет замещаться атом фтора за счѐт большого индуктивного эффекта этого атома во фторбензолах, а труднее всего — атом йода. Наличие нескольких электроноакцепторных заместителей в орто- и пара-положениях также будет существенно увеличивать реакционную способность арилгалогенидов. Однако скорость реакции определяется не только 486 строением субстрата, но и нуклеофильностью реагента, поэтому, например, взаимодействие с амидами осуществляется легче, чем с гидроксидами, и в ряде случаев реакцию проводят с аммиаком или аминами. Так, например, действием аммиака на амид п-хлорбензолсульфокислоты можно получить важный лекарственный препарат белый стрептоцид: Cl NH2 + 2NH3 + NH4Cl SO2NH2 SO2NH2 п-аминобензолсульфамид (белый стрептоцид) С другой стороны, замещение хлора в полихлорбензолах будет протекать, по-видимому, по ариновому механизму из-за слабого акцепторного влияния атомов хлора в бензольном кольце. При действии на такие соединения спиртовой щѐлочи можно заместить лишь один атом хлора. Таким образом могут быть получены п-хлорфенол Cl OH ONa H+ CH3OH, NaOH, p, T -Na+ Cl Cl Cl п-хлорфенол и пентахлорфенол (являющийся антисептиком) Cl Cl OH ONa Cl Cl Cl CH3OH, NaOH, p, T H+ Cl Cl Cl Cl + -Na Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl пентахлорфенол 10.2.4.3. Взаимодействие с металлами При участии щелочных металлов арилгалогениды вступают в реакцию Вюрца–Фиттига, которая приводит к получению ароматических углеводородов (гл. 9.6). 487 Магний реагирует с арилгалогенидами в условиях, обычных для образования магнийорганических соединений – в среде диэтилового эфира: Ar-Br + Mg Ar- MgBr Образующиеся в этой реакции магнийорганические соединения относятся к реактивам Гриньяра и могут использоваться в различных органических синтезах, в частности для введения ароматического радикала (т.е. для арилирования). 10.2.4.4. Реакции галогенаренов с атомом галогена в боковой цепи На реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце атом галогена, находящийся в боковой алкильной цепи, будет влиять только за счѐт своего индуктивного эффекта. При этом наиболее H Cl сильное влияние оказывает атом (или атомы) галогена в H C -положении боковой цепи. Так, в -хлорметилтолуоле I за счѐт этого будут затруднены электрофильные реак+M ции в кольцо, однако ориентация электрофильного замещения будет такая же, как и в толуоле, — в орто- и пара-положения. При наличии у -углеродного атома нескольких атомов галогена значительно увеличивается суммарный акцепCl торный эффект и меняется ориентация замещения. Так, Cl например, группировка -CCl3 сильно дезактивирует Cl C кольцо и ориентирует вступающий электрофил исклюI чительно в мета-положение за счѐт обратного сверхсоM пряжения. А такой заместитель, как -CНCl2, будет ориентировать во все положения кольца, но преимущественно в м-положение. Наличие атома галогена у -углеродного атома и далее (-, -) в углеродной цепи мало сказывается на скорости и направлении электрофильного замещения. Такие соединения ведут себя аналогично аренам. Акцепторное влияние атома галогена на скорость замещения будет уменьшаться по мере его удаления от бензольного кольца. Нуклеофильное замещение атома галогена в боковой цепи в значительной мере зависит от природы атома углерода, связанного с галогеном. Галогенозамещѐнные арены отличаются высокой активностью в реакциях нуклеофильного замещения по механизму SN1: + CH2-Cl CH2 - Cl 488 Такая лѐгкость протекания реакции связана с образованием устойчивого катиона бензильного типа, в котором положительный заряд делокализован с участием -электронной системы кольца (за счѐт р--сопряжения): + CH2 CH2 CH2 + CH2 + CH2 + + Реакционная способность соединений, в которых атом галогена находится у -углеродного атома и далее (-, -) в углеродной цепи, по отношению к нуклеофилам близка реакционной способности соответствующих галогеналканов. Скорость и механизм замещения определяются в соответствии с факторами, рассмотренными для нуклеофильного замещения в галогеналканах (гл. 3.1.1). 10.2.5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1. Важнейшим методом получения многих галогенаренов является непосредственное галогенирование ароматических углеводородов. При этом в зависимости от условий хлорирование (или бромирование) можно провести в ароматическое кольцо или в боковую цепь: а) галогенирование на катализаторе, как правило, без нагревания и в жидкой фазе приводит к арилгалогенидам (гл. 9.5.1.1, 9.5.2.1): R Cl R + Cl2 FeCl3 - HCl R Cl б) галогенирование в боковую цепь (по -углеродному атому) проводится при нагревании, облучении ультрафиолетом и в отсутствие даже следов катализатора (гл. 9.5.2.2): 489 CH2-CH3 + Cl2 - HCl CH-CH3 Cl 2. Второй способ получения основан на нуклеофильном замещении одних галогенов на другие. Он применяется для получения соединений, содержащих атомы фтора и йода в ароматическом кольце: Ar-Cl + KF Ar- F + KCl Кроме KF, могут быть использованы CsF, SbF5. Возможные механизмы замещений рассмотрены выше. Нуклеофильное замещение может быть использовано и для получения галогенозамещѐнных соединений в боковой цепи — реакция протекает как для галогенопроизводных алифатического ряда. 3. Арилгалогениды могут быть получены при замене первичной аминогруппы в ароматическом кольце (через образование диазосоединений — гл. 10.7.2, 10.7.4.1): HNO2 HCl + Ar-NH2 [Ar-N2] Cl KI Ar-I + KCl + N2 4. Одним из способов получения замещѐнных бензилгалогенидов является реакция галогенометилирования (реакция Блана — гл. 9.5.1.1): ZnCl2 + H2CO + HCl CH2Cl 10.2.6. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Хлорбензол — бесцветная жидкость со своеобразным запахом и температурой кипения 179С. Его используют в качестве растворителя и как исходное сырьѐ для промышленного органического синтеза. Дихлорбензолы — растворители и полупродукты органического синтеза. п-Дихлорбензол используется как дезодорант и как средство борьбы с молью. Дихлордифенилтрихлорметилметан (ДДТ) — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в органических растворителях. Представляет собой сильнодействующий универсальный инсектицид. Долгие годы он успешно использовался в сельском хозяйстве при борьбе с вредными насекомыми. В настоящее время запрещѐн к применению из-за способности накапливаться в почве, живых организмах и вызывать отравления. 490 10.3. АРОМАТИЧЕСКИЕ СУЛЬФОКИСЛОТЫ Аренсульфокислоты (или аренсульфоновые кислоты) — это продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в бензольном кольце на сульфогруппу. Поэтому общую формулу ароматических моносульфокислот можно представить следующим образом: = = O Ar-S-OH O 10.3.1. НОМЕНКЛАТУРА Для названия сульфокислот по заместительной номенклатуре к названию основы (углеводорода) добавляется слово «сульфокислота» (или «сульфоновая кислота»). Например: CH3 SO3H CH3 SO3H SO3H бензолсульфокислота SO3H п-толуолсульфокислота, толуол-2,4-дисульфокислота, или или 4-метилбензолсульфокислота 4-метилбензол-1,3-дисульфокислота В присутствии более старшей группы применяется приставка сульфо-: SO3H COOH м-сульфобензойная кислота, или 3-сульфобензолкарбоновая кислота Для составления названий производных сульфокислот используются названия соответствующих радикалов (и аниона): O Ar-S-O O аренсульфонат 491 = = аренсульфонил O Ar-S-O O = = = = O Ar-S O Некоторые сульфокислоты, а также некоторые производные сульфокислот имеют общеупотребительные тривиальные названия, например: SO3H — сульфаниловая кислота, NH2 SO2-O-R — (алкил)тозилаты (где R – алкил). H3C 10.3.2. СТРОЕНИЕ Атом серы в сульфогруппе образует четыре - и две -связи. -Связи образованы sp3-гибридными орбиталями, и сера, таким образом, имеет тетраэдрическое строение. -Связи образованы O за счѐт d-орбиталей атома серы. O Сульфогруппа по отношению к бензольному S кольцу оказывает –I- и –M-эффекты. Сильный электроO H ноакцепторный индуктивный эффект вызван влиянием электроотрицательных атомов кислорода, с которыми связана сера. Мезомерный эффект должен быть обусловлен сопряжением -связи S=O с -электронной системой ароматического кольца. Но такое сопряжение невозможно, так как d-орбитали атома серы, участвующие в образовании связей, непараллельны p-орбиталям атома углерода. Сопряжение возможно при перекрывании p-орбиталей атома углерода с вакантными d-орбиталями атома серы. Результатом проявления сульфогруппой –I- и –M-эффектов является сильное понижение электронной плотности ароматического кольца, особенно в о- и п-положениях. Распределение электронов в системе вследствие проявления сульфогруппой –M-эффекта можно описать следующими граничными структурами: H O O=S=O H H H O O O O=S O O=S O O=S O + + + 492 H O O=S=O Поэтому реакционная способность аренсульфокислот по отношению к электрофильным реагентам в значительной степени понижена по сравнению с незамещѐнным бензолом, причѐм вступление электрофила в молекулу сульфокислоты возможно только в мета-положение, где влияние мезомерного эффекта практически отсутствует. Кроме того, присутствие у серы электроотрицательных атомов кислорода, связанных с ней кратными связями, сильно повышает кислотные свойства гидроксильной группы. 10.3.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Аренсульфоновые кислоты — бесцветные кристаллические гигроскопичные вещества, растворимые в воде. Большинство производных сульфокислот являются также кристаллическими веществами (соли, амиды, эфиры), в воде растворимы амиды и хорошо растворимы соли (в том числе кальциевые и магниевые). Химические свойства ароматических сульфокислот весьма разнообразны. Сульфогруппа — это сложная функциональная группа, поэтому возможны и реакции, протекающие по бензольному кольцу, и реакции замещения сульфогруппы, и реакции с участием самой сульфогруппы. 10.3.3.1. Электрофильное замещение атома водорода в ароматическом кольце Аренсульфокислотам, как и любым ароматическим соединениям, должны быть свойственны реакции электрофильного замещения атома водорода в бензольном кольце. Однако за счѐт –I- и –M-эффектов электронная плотность на бензольном кольце сульфокислот сильно понижена по сравнению с незамещѐнным бензолом, и поэтому электрофильные реакции протекают, как правило, только с сильными электрофилами и в жѐстких условиях. Наиболее значительно электронная плотность понижена в о- и п-положениях (из-за действия акцепторного мезомерного эффекта). Поэтому электрофильное замещение направляется в м-положение к сульфогруппе. Например: SO3H SO3H H2SO4+SO3, 333K SO3H С другой стороны, мета-ориентирующее действие сульфогруппы может быть объяснено и сравнением устойчивости образующихся комплексов (гл. 10.1.2). 493 10.3.3.2. Электрофильное замещение сульфогруппы Взаимодействие с электрофилами может привести не только к замещению атома водорода в бензольном кольце, но и самой сульфогруппы. Наиболее важными такими реакциями являются замещение еѐ на водород, на нитрогруппу и на галоген. Замещение сульфогруппы на водород — это реакция гидролиза аренсульфокислот (или десульфирования), электрофильной частицей является катион водорода. Общая схема реакции: Ar-SO3Н + Н-OH Ar-H + H2SО4 Реакцию проводят при нагревании сульфокислот с водными растворами серной или соляной кислоты (обычно используют 6070%-ю H2SO4 при температуре около 130С). Сульфокислоты в присутствии воды диссоциированы, поэтому в реакцию с электрофилом вступают анионы сульфокислот: SO3 SO3 + H + H + + H2O H X X X SO3 + H2SO4 X Для замещения сульфогруппы на нитрогруппу и на галоген в бензольном кольце помимо самой сульфогруппы должен быть сильный электронодонор (X). Тогда вслед за замещением атомов водорода на нитрогруппы (или на атомы галогена) может заместиться и сульфогруппа. Например: X X SO3H + X O2N SO3H NO2 SO3H + O2N NO2 NO2 SO3H NO2 При нитровании отщепление сульфогруппы будет происходить при участии молекул азотной кислоты: 494 NO2 NO2 HO SO3H + HO-NO2 NO2 NO2 + H2SO4 + NO2+ HO NO2 NO2 , а при бромировании — под действием бромид-ионов: Br Br NH2 SO3H + - Br NH2 Br Br Br + Br-SO3H Br 10.3.3.3. Нуклеофильное замещение сульфогруппы в ароматическом кольце Сульфогруппа в бензольном кольце является сильным акцептором, в том числе и за счѐт индуктивного эффекта. Поэтому на атоме углерода, связанном с серой, имеется значительный положительный заряд и возможна нуклеофильная атака, как показано на схеме. Механизм реакции SN2ар, аналогично рассмотренному в главе 10.1.3. HO3S Y SO3H Y + :Y + Реакцию проводят при сплавлении сульфокислоты с реагентом: SO3H 2 NaOH 2 NaNH2 2 NaCN NaSH 495 HSO3 OH + Na2SO3 + H2O NH2 + Na2SO3 + NH3 CN + Na2SO3 + HCN SH + NaHSO3 Наиболее распространѐнным здесь является сплавление со щѐлочью (называемое щелочным плавлением) при температуре 260300С. В общем случае, при использовании аренсульфоновых кислот Ar-SO3H температура может достигать 340С. Однако активированная сульфогруппа обменивается на гидроксильную группу в более мягких условиях. При использовании других нуклеофильных реагентов может быть осуществлено замещение и на амино-, циано-, меркаптогруппы. Эта реакция может применяться для получения разнообразных функциональных производных аренов, но наиболее широкое применение этот способ нашѐл для получения резорцина: SO3H SO3H OH 4NaOH - 2Na2SO3 - 2H2O OH резорцин 10.3.3.4. Кислотные свойства Аренсульфоновые кислоты — очень сильные кислоты, в водных растворах они полностью диссоциированы: Ar-SO3Н + Н2O Ar-SO3¯ + H3О+ и, как типичные кислоты, образуют соли, например: 2Ar-SO3Н + Са(ОН)2 (Ar-SO3)2Са + 2H2О аренсульфонат кальция Кислотные свойства для большинства этих соединений выражены сильнее, чем для серной кислоты. Причиной столь высокой кислотности аренсульфокислот является большая устойчивость аренсульфонатного иона, который образуется при диссоциации кислоты (сравните с гидросульфат-ионом): O = = O S O O S O O O = = O HO S O O H-O 496 S O O В анионе бензолсульфокислоты в делокализации отрицательного заряда принимает участие -электронная система ароматического кольца. Электроноакцепторные заместители в ароматическом кольце бензолсульфокислоты увеличивают кислотные свойства за счѐт более полной делокализации отрицательного заряда в анионе; электронодонорные заместители, наоборот, уменьшают кислотные свойства, так как в этом случае их электронный эффект препятствует делокализации заряда аниона: SO3 SO3 A D 10.3.3.5. Нуклеофильное замещение в сульфогруппе Нуклеофильное замещение в сульфогруппе — это замещение гидроксогруппы, и для него можно было бы привести такую схему: = = O Ar-S OH O + :Y - Однако аренсульфокислоты не вступают в такие реакции ни со спиртами, ни с аммиаком и аминами (в отличие от карбоновых кислот). Ar - SO2-OH + ROH - Ar - SO2-OH + NH3 + Ar - SO3 NH4 tO Причинами такого отличия реакционной способности сульфокислот от карбоновых кислот являются: 1) стерический фактор — невозможность подхода нуклеофильных частиц к тетраэдрическому атому серы, окружѐнному электроотрицательными атомами кислорода; 2) высокие кислотные свойства сульфокислот, за счѐт чего легко происходит отрыв протона от сульфогруппы и присоединение его к нуклеофильной частице, но при этом она дезактивируется, и дальнейшая нуклеофильная атака становится невозможной. Непосредственно из сульфокислот могут быть получены только галогенангидриды (сульфохлориды): PCl / SOCl 2 Ar-SO -Cl Ar-SO2-OH 5 2 Реакция с участием пентахлорида фосфора начинается с атаки атомом кислорода сульфогруппы по атому фосфора катиона [PCl4]+ (вследствие ди497 меризации пентахлорида фосфора его можно представить в виде ионной пары [PCl4]+ [PCl6]): + O + Ar-S O-PCl4 O H = = = = O Ar-S OH O + PCl4 Дальнейшее превращение (при участии аниона [PCl6]) протекает по механизму, близкому к SN1: +PCl6 -PCl5 O Ar-S-Cl O = = -POCl3 -HCl O Ar-S + O = = = = O + Ar-S O-PCl4 O H 10.3.3.6. Реакции восстановления Под действием сильных восстановителей сульфогруппа в ароматическом кольце может восстанавливаться до меркаптогруппы. При этом образуются тиофенолы: Н Ar-SO3Н Ar-SH Одним из таких восстановителей может служить тетрагидроалюминат лития Li[AlН4]. Некоторые производные ароматических сульфокислот также могут быть восстановлены до арентиолов, например, аренсульфохлориды — под действием цинка в серной кислоте или водородом на металлических катализаторах: Н Ar-SO2Сl Ar-SH 10.3.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Основным способом получения аренсульфокислот является сульфирование ароматических соединений. В качестве сульфирующих агентов используются концентрированная серная кислота, олеум (SO3+H2SO4), триоксид серы, хлорсульфоновая кислота ClSO3H и различные комплексы. В общем случае схему превращения можно представить так: Ar-H + X-SO3H Ar-SO3H + HX где X — это гидроксогруппа -ОH или атом хлора -Cl или так: 498 Ar-H + SO3 Ar-SO3H Подробно механизм сульфирования рассмотрен ранее (гл. 9.5.1.1). Сульфокислоты могут получаться и при гидролизе аренсульфохлоридов: Ar-SO2Сl + H2O Ar-SO3H + HCl Бензолсульфокислоту получают путѐм сульфирования бензола «купоросным маслом» (9293%-я H2SO4) или моногидратом серной кислоты (98100%-я H2SO4), которые берутся в двойном избытке (2 моля серной кислоты на 1 моль бензола). Сульфирование начинают при температуре 60С, а заканчивают при температуре 105С. 10.3.5. ПРОИЗВОДНЫЕ СУЛЬФОКИСЛОТ Наиболее важные в практическом отношении производные сульфокислот — это галогенангидриды (в частности, сульфохлориды), сложные эфиры (алкилсульфонаты) и амиды. 10.3.5.1. Аренсульфохлориды Аренсульфохлориды, или хлорангидриды аренсульфокислот могут быть получены из самих сульфокислот (гл. 10.3.3.5), при взаимодействии с PCl5, SOCl2 или некоторыми другими хлорирующими агентами. Другим способом получения аренсульфохлоридов является прямое сульфохлорирование ароматических соединений, которое осуществляется действием избытка хлорсульфоновой кислоты ClSO3Н. Реакция протекает в две стадии: сначала образуется аренсульфокислота, которая на второй стадии подвергается хлорированию избытком хлорсульфоновой кислоты: ClSO H ClSO H Ar-H 3 Ar-SO3H 3 Ar-SO2Cl Сульфохлориды в отличие от сульфокислот более активны в нуклеофильных реакциях по атому серы. Причины их высокой реакционной способности те же, что и для галогенангидридов карбоновых кислот (гл. 6.4.4), — это незначительный эффект сопряжения атома хлора с сульфогруппой и высокая устойчивость уходящего хлорид-аниона. В связи с малой доступностью тетраэдрического атома серы в сульфохлоридах механизм нуклеофильного замещения атома серы должен быть близок к мономолекулярному: 499 :Nu O Ar-S Nu O = = = = O + Ar-S O = = O Ar-S Cl - Cl O Так, например, сульфохлориды легко гидролизуются, превращаясь в сульфокислоты, легко образуют эфиры и амиды. 2RNH2 + HCl = = ROH + HCl = = = = O Ar-S-Cl O = = O Ar-S-OH O O Ar-S-OR O O Ar-S-NHR O H2O + RNH3 Cl + = = 10.3.5.2. Эфиры аренсульфокислот Эфиры аренсульфокислот, или алкиларенсульфонаты, могут быть получены только из галогенангидридов аренсульфокислот. Важным свойством этих соединений является их высокая алкилирующая способность. Например, реакционная способность метил-п-толуолсульфоната (метилтозилата) значительно выше, чем алкилгалогенидов и диалкилсульфатов. Это объясняется высокой полярностью C–O-связи в алкилсульфонате и, что ещѐ более существенно, устойчивостью сульфонат-иона. Например, механизм метилирования этилата натрия (аналогичный механизм наблюдается и для реакций алкилирования спиртов, фенолов, аминов, карбоновых кислот и др.): O C2H5-O: + CH3 O S CH3 O CH3 O + O S O = = C2H5-O-CH3 = = C2H5-O:...CH3 . . . . :O O S O CH3 500 Механизм реакции — промежуточный между SN1 и SN2. Атака нуклеофильной частицей начинается по недиссоциированной молекуле, но еѐ полная диссоциация происходит в момент атаки, то есть разрыв старой -связи значительно опережает образование новой. Таким образом, при реакции алкиларенсульфонатов со спиртами и алкоголятами образуются простые эфиры. Если в качестве нуклеофилов использовать фенолы, вторичные амины, карбоновые кислоты, то в результате реакций их с эфирами аренсульфокислот образуются соответственно простые эфиры фенолов, третичные амины, сложные эфиры карбоновых кислот: Ar'-OH - Ar-SO3H = = O Ar-S-O R O R'-NH-R" - Ar-SO3H R'COOH - Ar-SO3H Ar'-O-R R'-N-R" R R'COOR Алкилирование метилбензолсульфонатом применялось в производстве лекарственного препарата бензамона (в настоящее время бензамон не производится): + SO2-O CH3 + H2N-H2C O O CH-N(CH3)3 SO3 Гидролиз алкиларенсульфонатов протекает легко при действии воды или разбавленной щѐлочи. Здесь также наблюдается нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода. Если алкильная группа первичная, то механизм близок SN2, и использование щѐлочи более эффективно, чем нейтральной воды: HO: + R-CH2 = = O RCH2OH + O S O O O S O X = = ... X 501 Если алкильный радикал разветвлѐнный, то механизм может быть и мономолекулярным, и гидролиз так же легко осуществляется и водой. = = 10.3.5.3. Аренсульфамиды Амиды аренсульфокислот, так же как и эфиры аренсульфокислот, могут быть получены только из соответствующих хлорангидридов. В распределении электронной плотности в сульO фамидной группировке большую роль играет мезомерO ный эффект, направленный от атома азота к атому сеS H ры, за счѐт которого сильно поляризуются связи N–H. N H Поэтому для сульфамидов характерно проявление значительных кислотных свойств. Образующийся при этом сульфамид-анион устойчив благодаря сильной делокализации отрицательного заряда. Эти свойства проявляются, например, в том, что нерастворимый в воде сульфамид хорошо растворяется даже в холодном растворе щелочи: O H OH Ar-SO2-N Ar-S NH - H2O H O Сульфамид-ион в свою очередь обладает нуклеофильными свойствами. Это проявляется, например, по отношению к галогеналканам; он может также взаимодействовать с такими электрофилами, как молекулы галогенов: R - Cl - Cl = = O Ar-S NH O Ar-SO2-NH-R Cl - Cl - Cl Ar-SO2-N Cl H Другая особенность аренсульфамидов заключается в том, что эти соединения, в отличие от амидов карбоновых кислот, не подвергаются гидролизу в щелочной среде, а гидролизуются только в кислой. Щелочной гидролиз связан с атакой гидроксид-иона по атому серы, а такие реакции в аренсульфамидах сильно затруднены, так же как и нуклеофильная атака по сере в молекулах аренсульфокислот. При кислотном гидролизе же происходит протонирование молекулы аренсульфамида, которое активирует дальнейшую атаку молекулами воды образовавшегося катиона. = = O Ar-S NH2 O 502 - + :OH NH3 -NH3 O Ar-S+ O +H2O - H+ O Ar-S-OH O = = H+ + = = O Ar-S O = = = = O Ar-S NH2 + O На различии свойств замещѐнных сульфамидов основан способ разделения первичных, вторичных и третичных аминов — тест Хинсберга* (проба Хинсберга). Смесь исследуемого амина и бензолсульфохлорида или птолуолсульфохлорида встряхивают с избытком холодного водного раствора гидроксида натрия. Через 1015 мин смесь подкисляют до ярко выраженной кислой реакции. Первичные амины при взаимодействии с бензолсульфохлоридом дают N-замещѐнные сульфамиды, которые растворяются в водной щѐлочи с образованием гомогенного раствора натриевой соли сульфамида. При подкислении из этого раствора в осадок выпадает нерастворимый в воде N-замещѐнный сульфамид: NaOH / H O C6H5-SO2Cl + RNH2 C6H5-SO2-NHR 2 H / H O C6H5-SO2-NR Na+ 2 C6H5-SO2-NHR Вторичные амины реагируют с бензолсульфохлоридом в водном растворе щѐлочи с образованием N,N-дизамещѐнного сульфамида. Он нерастворим в водной щѐлочи. Подкисление реакционной смеси в этом случае не вызывает никаких внешних изменений: N,N-дизамещѐнного сульфамид остаѐтся в виде осадка. NaOH / H O C6H5-SO2Cl + R2NH 2 C6H5-SO2-NR2 Первоначально образующийся из третичного амина хлорид N-бензолсульфонил-N,N,N-триалкиламмония расщепляется под действием гидроксидиона до С6Н5SO3 и нерастворимого в воде третичного амина: C6H5-SO2Cl + R3N [С6Н5SO2NR3]+Cl 2 NaOH / H O C6H5-SO2-ONa + R3N При подкислении реакционной смеси третичный амин растворяется: R3N + HCl R3NН+Cl 503 10.3.6. МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Бензолсульфокислота является исходным веществом для синтеза фенола сульфурационным способом. Она служит также для синтеза м-бензолдисульфокислоты и ряда других промежуточных продуктов. м-Бензолдисульфокислота получается при сульфировании моносульфокислоты олеумом при 90С. В случае, когда исходным веществом является бензол, сульфирование сначала ведут при температуре 30–35С 20%-м олеумом, а затем продолжают при 90С, используя 65%-й олеум. Натриевая соль м-бензолдисульфокислоты служит исходным веществом для синтеза резорцина. п-Толуолсульфоновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество; температура плавления 104С; хорошо растворима в воде и в органических растворителях. Еѐ применяют в качестве кислотного катализатора во многих органических реакциях. п-Толуолсульфонамид — бесцветное кристаллическое вещество; температура плавления 138С; малорастворим в воде, но хорошо растворим в водном растворе щѐлочи. Продукты хлорирования по атому азота нашли применение как дезинфицирующие и дегазационные средства (хлорамин-Т, дихлорамин-Т см. ниже). Сульфокислоты являются промежуточными соединениями в синтезе ряда медицинских препаратов. При этом особое значение имеет реакция сульфохлорирования, приводящая к образованию сульфохлоридов, являющихся важнейшими промежуточными продуктами в производстве многочисленных сульфаниламидных препаратов. В ряде случаев сульфогруппа входит в состав химико-фармацевтического препарата, придавая ему большую растворимость (сульфобутадион, гемитиамин, анальгин). Сульфогруппы обнаружены в составе природных биологически активных веществ, в частности в природном антикоагулянте крови гепарине. Многие поверхностно-активные вещества, содержащие сульфогруппу (в частности, производные сульфоянтарной кислоты), обладают сильным антимикробным действием. На основе таких соединений готовят лекарственные шампуни для лечения себореи и других кожных заболеваний, а некоторые способны усиливать действие антибиотиков и сульфаниламидных препаратов. Особое значение для медицинской практики имеют производные амидов сульфокислот (хлорамины) и производные сульфаниламида (сульфаниламидные препараты). Хлорамины получают при замене атомами хлора водородов аминогруппы в амидах сульфокислот: 504 CH3 Na SO2N CH3 Cl SO2N Cl хлорамин Б Na SO2N Cl дихлорамин Б хлорамин Т Cl Cl SO2N Cl дихлорамин Т Хлорамины применяются в качестве антисептиков, дезинфицирующих средств, они способны дезактивировать ряд отравляющих веществ. Принцип действия хлораминов основан на том, что в водной среде они гидролизуются с выделением хлорноватистой кислоты, которая является сильным окислителем: + 2 HOCl + 2 H2O SO2N Cl SO2NH2 Cl 2 HOCl Cl2 + H2O2 H2O2 H2O + O Огромное значение в медицинской практике имеют сульфаниламидные препараты общей формулы: H2N SO2-NH-R Считается, что в основе действия сульфаниламидных препаратов лежит конкурентная борьба между п-аминобензойной кислотой, необходимой для жизнедеятельности микроорганизмов, и очень похожей на неѐ по структуре и размерам сульфаниловой кислотой, которая, вступая в реакции вместо п-аминобензойной кислоты, задерживает рост бактерий. Все сульфаниламидные препараты являются антимикробными средствами, поскольку они нарушают процесс получения микробами необходимых для их развития «ростовых факторов» – фолиевой кислоты и других веществ. Для получения терапевтического эффекта необходимо получать сульфаниламиды в дозах, достаточных для предотвращения возможности использования микробами п-аминобензойной кислоты, содержащейся в тканях. С другой стороны, приѐм излишне больших количеств сульфаниламидных препаратов может вызвать ряд осложнений. 505 Сульфаниламидные препараты представляют собой кристаллические порошки белого или слегка желтоватого цвета, без запаха. Сульфаниламиды плохо растворимы в воде, но хорошо растворимы в ряде органических растворителей (спирт, ацетон) и имеют характерные температуры плавления (в пределах 160—260С). Ионообменные смолы — нерастворимые полимеры, способные образовывать соли с неорганическими соединениями. Полимеры образуются при полимеризации стирола или его аналогов. Сульфирование таких полимеров приводит к получению полисульфоновых кислот. Смолы с сильными кислотными функциями используются как катионообменные смолы. Натриевая соль такого полимера (катионит) используется для умягчения воды: 2 R-SO3Na + Ca2+ (R-SO3)2Ca + 2 Na+ 10.4. АРОМАТИЧЕСКИЕ НИТРОСОЕДИНЕНИЯ Ароматическими нитросоединениями называются производные аренов, в которых один или несколько атомов водорода замещены нитрогруппой -NO2. Примеры нитросоединений с нитрогруппой в бензольном кольце и боковой цепи: CH2-NO2 CH3 NO2 NO2 NO2 NO2 нитробензол о-нитротолуол -нитротолуол, или фенилнитрометан м-динитробензол В названиях нитросоединений по заместительной номенклатуре (гл. 1.5.1, 3.8) нитрогруппа, как заместитель, всегда присутствует в виде приставки нитро-. Радикало-функциональная номенклатура для названия нитросоединений не используется. Названия по рациональной номенклатуре для нитропроизводных углеводородов даются так же, как и для самих углеводородов, при этом нитрогруппа называется заместителем нитро-; например, фенилнитрометан (формулу см. выше). 10.4.1. СТРОЕНИЕ НИТРОБЕНЗОЛА Нитробензол и другие нитроарены представляют собой 10--электронную систему, которая сильно поляризована вследствие электроноакцеп506 торного влияния нитрогруппы, при этом нитрогруппа по отношению к бензольному кольцу оказывает –I- и –M-эффекты. В самой нитрогруппе все атомы находятся в состоянии sp2-гибридизации: у атома азота имеется один рz-электрон, а у атомов кислорода — по полтора; и без учѐта делокализации с участием бензольного кольца распределение электронной плотности в нитрогруппе можно представить следующими структурами: O N= O + O- N = + O + N 1/2 - 1/2 - O O За счѐт –M-эффекта бензольное кольцо имеет пониженную электронную плотность, особенно в о- и п-положениях. 1/2 O 1/2 + N O O + O N O + O O N + + N O 1/2 O 1/2 + O N + + В итоге молекула нитробензола плоская, все атомы находятся в состоянии sp2-гибридизации, углы близки к 120 (ONO = 124), а результатом такого распределения электронной плотности является уменьшение реакционной способности нитроаренов по отношению к электрофилам, но появление возможности нуклеофильных реакций по бензольному кольцу по сравнению с незамещѐнным бензолом. 10.4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Нитроарены — вещества жѐлтого или светло-жѐлтого цвета со специфическим запахом горького миндаля. Это жидкости или твѐрдые вещества со сравнительно низкими температурами плавления. Многие из них чрезвычайно токсичны. Вследствие значительного смещения электронной плотности с бензольного кольца на нитрогруппу это сильно полярные соединения с большими дипольными моментами. Однако для веществ, в молекулах которых не507 сколько нитрогрупп расположены симметрично, дипольный момент может быть равным нулю (например, п-динитробензол). 10.4.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Химические свойства ароматических нитросоединений разнообразны и определяются прежде всего влиянием нитрогруппы на бензольное кольцо. Это реакции электрофильного замещения, но также возможны и реакции нуклеофильного замещения, причѐм как самой нитрогруппы, так и атома водорода. Из прочих реакций возможно восстановление нитрогруппы. 10.4.3.1. Электрофильное замещение Несмотря на то, что реакции электрофильного замещения – это типичные реакции для ароматических соединений, нитроарены малоактивны по отношению к электрофилам. Причина – сильно пониженная электронная плотность на бензольном кольце нитросоединений за счѐт –I- и –M-эффектов нитрогруппы. Поэтому возможно взаимодействие только с сильными электрофилами (нитрование, сульфирование) и в жѐстких условиях. Например, нитрование нитробензола проводят смесью NaNO3 и H2SO4 при температуре 130С. Нитрующая частица здесь образуется по суммарному уравнению: NaNO3 + 2H2SO4 NO2+ + Na+ + 2HSO4 + H2O В общем случае скорость SE-реакций для нитросоединений примерно в 10 раз меньше скорости таких реакций для незамещѐнных соединений. Наиболее значительно электронная плотность понижена в о- и п-положениях, поэтому электрофильное замещение направляется в м-положение к нитрогруппе. Мета-ориентирующее действие нитрогруппы может быть объяснено и сравнением устойчивости образующихся -комплексов (гл. 10.1.2). Примеры реакций электрофильного замещения в молекуле нитробензола можно представить в виде следующей схемы: 6 508 NO2 NO2 NaNO3/H2SO4 - H2O NO2 NO2 H2SO4+SO3 SO3H NO2 Br2/FeBr3 - HBr Br Образование о- и п-изомеров в качестве примеси в этих реакциях практически исключено вследствие низкой активности субстрата. При нитровании нитробензола (при температуре 90С) содержание м-изомера в продуктах нитрования при этом составляет 90%, на о-динитробензол приходится 89% и на п-динитробензол — 12%. 10.4.3.2. Нуклеофильное замещение За счѐт акцепторного влияния нитрогруппы в о- и п-положениях бензольного кольца сильно понижена электронная плотность. Поэтому становится возможной атака нуклеофильных частиц по этим атомам углерода. NO2 :Nu И такое взаимодействие будет ещѐ вероятнее, если в этих положениях бензольного кольца находятся акцепторные группы, способные отщепляться в виде стабильных анионов. Такими группами могут быть атомы галогенов или ещѐ одна нитрогруппа. При этом замещение протекает по механизму присоединения-отщепления (АЕ, или SN2ар). Таким образом, для орто- и пара-динитробензолов замещение нитрогруппы можно представить следующим образом: 509 NO2 NO2 + :Nu - O2N Nu O2N - Nu NO2 - NO2- Примеры таких реакций: OH NO2 NaOH - NaNO2 NO2 NO2 OR NO2 NaOR - NaNO2 NH2 NO2 NaNH2 - NaNO2 SR NO2 NaSR - NaNO2 Взаимодействие со щѐлочью, например, протекает в жѐстких условиях. А так как среди продуктов реакции образуется нитрит-анион, обладающий восстановительными свойствами, то в этих условиях протекают и побочные реакции восстановления нитросоединений с образованием азокси- и азосоединений. При отсутствии в о- и п-положениях легко уходящих электроноакцепторных групп становится возможным нуклеофильное замещение атома водорода, но в значительно более жѐстких условиях. Для проведения реакции с гидроксидом калия необходимо нагревание нитробензола с тщательно высушенной порошкообразной щѐлочью: NO2 H NO2 H + K OH + - 510 OH K+ NO2 NO2 OH OK + H2 + KH о-нитрофенолят калия В таких соединениях, как 1,3,5-тринитробензол, под действием нуклеофилов может замещаться не нитрогруппа, а атом водорода, причѐм легче, чем в нитробензоле: NO2 NO2 OK + H2 + KOH NO2 NO2 NO2 NO2 2,4,6-тринитрофенолят калия 10.4.3.3. Восстановление Реакции восстановления ароматических нитросоединений могут протекать в разной среде и с участием разных восстановителей. Получающиеся при этом продукты могут сильно различаться. При восстановлении в кислой среде (pH < 6) обычно получаются ароматические амины. Для этого используют активные металлы (Fe, Zn) или хлорид олова (II) в избытке минеральной кислоты. Схему процесса можно представить следующим образом: ] [H ] [H ] Ar-NO2 [H Ar-N=O Ar-NH-OH Ar-NH2 Промежуточные продукты при этом не выделяются. В нейтральной среде восстановление тем же цинком или хлоридом олова (II) приводит к получению только N-арилгидроксиламина: ] [H ] Ar-NO2 [H Ar-N=O Ar-NH-OH В щелочной среде (pH > 8) из нитрозосоединений и арилгидроксиламинов наблюдается образование азокси- и азосоединений, которые дальше превращаются в гидразосоединения. Для восстановления используют обычно цинк в растворе гидроксида натрия: Ar-N=O + Ar-NH-OH + Ar-N=N-Ar O -H2O [H] ] Ar-N=N-Ar [H Ar-NH-NH-Ar 511 Ar-N=N-Ar Использование многих других восстановителей также может привести к получению продуктов полного восстановления нитрогруппы, то есть ароматических аминов. Для этого могут быть применены амальгамы натрия и цинка, сульфиды щелочных металлов, молекулярный водород на металлических катализаторах. Н.Н. Зинин*, впервые восстановивший нитробензол до анилина (1842 г.), использовал для этих целей сульфид аммония (реакция Зинина). 10.4.3.4. Комплексообразование Многие полинитросоединения являются хорошими акцепторами электронов и образуют комплексы с переносом заряда с электронодонорными компонентами, такими как, например, мезитилен: NO2 NO2 CH3 NO2 + H3C NO2 - CH3 NO2 CH3 NO2 CH3 - CH3 В кристаллическом состоянии комплексы построены из стопок чередующихся донорных и акцепторных компонент с параллельными бензольными кольцами. В ряде случаев комплексы можно выделить в виде красивых блестящих кристаллов. 10.4.3.5. Особенности нитросоединений с нитрогруппой в боковой цепи Свойства нитрогруппы в боковой алкильной цепи аналогичны свойствам еѐ в молекулах алифатических соединений. Наиболее важными из этих свойств являются кислотные свойства и таутомерные превращения нитросоединений. Превращение одной таутомерной формы в другую здесь обусловлено лѐгким отрывом протона от соседнего с нитрогруппой углеродного атома и присоединением его к атому кислорода. Особенно сильные кислотные свойства наблюдаются у соединений, в молекулах которых нитрогруппа находится у -углеродного атома по отношению к бензольному кольцу. При этом анион такой кислоты стабилизирован не только сопряжением р-орбитали -углеродного атома с -связью нитрогруппы, но и с -электронной системой кольца. 512 H O + H+ C-N = O R - O = C-N + O -H R + OH + C=N+ R O аци-форма Как видно из схемы, для таких соединений характерна стабилизация не только аниона, но и аци-формы — за счѐт --сопряжения двойной связи C=N с бензольным кольцом. По мере удаления нитрогруппы от бензольного кольца кислотные свойства нитросоединений уменьшаются и становятся такими же, как и у нитроалканов. В целом же кислотность -нитроаренов сравнима с кислотностью фенолов и слабых минеральных кислот, и они образуют соли при взаимодействии с водными растворами щелочей. Например: O CH - NO2 + NaOH C-N -H2O R Na + O R В щелочной среде такие нитросоединения могут подвергаться электрофильной атаке, например, молекул галогенов или галогеналканов: Ar-CH2-NO2 OH -H2O Ar-CH-NO2 R - Br - Br Br - Br - Br Ar-CH-NO2 R Ar-CH-NO2 Br 10.4.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Способы получения соединений с нитрогруппой в ароматическом кольце и соединений с нитрогруппой в боковой цепи различаются между собой. 1. Для нитробензола и его производных важнейшим способом получения является прямое нитрование в бензольное кольцо (гл. 9.5.1.1), которое осуществляется азотной кислотой или нитрующей смесью. Существуют случаи использования и других нитрующих агентов. Это реакции замещения атомов водорода (или сульфогрупп) в бензольном кольце на нитрогруппы. 2. Окисление ариламинов. [O] Ar-NH2 Ar-NO2 513 В качестве окислителей применяют трифторпероксиуксусную кислоту CF3-CОOOH, перманганат калия, азотную кислоту или пероксид водорода. Этот способ применяется для получения таких нитроаренов, которые прямым нитрованием получить нельзя. Например: NH2 NO2 [O] NO2 NO2 3. Соединения с нитрогруппой в ароматическом кольце могут быть получены при замене первичной аминогруппы через образование диазосоединений (реакция Зандмейера*): HNO HCl KNO / Cu Ar-NH2 2 [Ar-N2]+Cl 2 Ar-NO2 + KCl + N2 4. Прямое нитрование может быть применено и для получения соединений с нитрогруппой в боковой цепи (аналогично нитрованию алканов по М.И. Коновалову). Так, нитрование толуола и его гомологов разбавленной азотной кислотой при 130 К приводит к образованию -нитрозамещѐнных. Реакция протекает по радикальному механизму; еѐ направление определяется стабильностью промежуточной частицы — радикала бензильного типа. Например: NO2 CH2-CH-CH3 CH3 + HNO3 - H2O CH-CH-CH3 CH3 5. Нуклеофильным замещением атома галогена в боковой цепи при взаимодействии с нитритами можно получать не только -, но и -, - и т.д. замещѐнные нитросоединения, например: Ar-CH2-CH2-Br + NaNO2 Ar-CH2-CH2-NO2 + NaBr Эта реакция аналогична нуклеофильному замещению в галогеналканах (гл. 3.2.2.1). 10.4.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Ароматические нитросоединения угнетают нервную и особенно кровеносную систему, нарушая снабжение организма кислородом. Метаболизм 514 нитросоединений связан с окислительно-восстановительными реакциями, и в частности с окислительным фосфорилированием. Нитробензол — бесцветная или светло-жѐлтая жидкость с запахом горького миндаля; температура плавления 6С, температура кипения 211С. Плохо растворим в воде. Является нервным и кровяным ядом. Нитробензол является одним из важнейших продуктов органического синтеза. Получают его нитрованием бензола. Объѐм мирового производства нитробензола измеряется сотнями тысяч тонн. Около 90% нитробензола расходуется на производство анилина. Тринитротолуол (тол, тротил) — жѐлтое кристаллическое вещество с температурой плавления 80С. Получают нитрованием нитротолуолов. Является одним из наиболее распространѐнных взрывчатых веществ. Пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол) — жѐлтое кристаллическое вещество с температурой плавления 123С. Малорастворима в воде. Получают нитрованием фенола и нитрофенолов. Использовалась в качестве жѐлтого красителя. Еѐ соли термически нестабильны, при нагревании взрываются. 10.5. ФЕНОЛЫ. АРОМАТИЧЕСКИЕ СПИРТЫ. ХИНОНЫ Фенолы и ароматические спирты являются гидроксильными производными ароматических углеводородов. В молекулах фенолов гидроксогруппа (одна или несколько) непосредственно связана с ароматическим кольцом, например OH OH CH3 OH OH , а в молекулах ароматических спиртов гидроксильная группа связана с одним из атомов углерода алифатической боковой цепи арена, например CH2-OH CH2-CH-OH CH3 . Этим фенолы принципиально отличаются от ароматических спиртов. 515 Хинонами называют моно- и полициклические соединения с двумя двойными связями и двумя карбонильными группами в шестичленном цикле, например: O O O O O O 10.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ ФЕНОЛОВ И АРОМАТИЧЕСКИХ СПИРТОВ В зависимости от количества гидроксогрупп, входящих в молекулу фенолов, их классифицируют на одноатомные и многоатомные (двухатомные, трѐхатомные и т.д.). Для наиболее простых по строению и широко распространѐнных фенолов употребительными являются тривиальные названия. Так, фенолом называют родоначальника ряда, а крезолами (орто-, мета- и пара-) — соответствующие метилпроизводные фенола, имеются тривиальные названия и для некоторых замещѐнных фенолов и их производных (простых эфиров фенолов): OH OH OH OH OH CH3 (H3C)3C C(CH3)3 CH3 CH3 CH3 фенол о-крезол м-крезол CH3-CH-CH3 OH OH CH3 тимол п-крезол ионол OCH3 OC2H5 NO2 O2N NO2 пикриновая кислота анизол фенетол Двухатомные и трѐхатомные фенолы тоже имеют тривиальные названия. Например: 516 OH OH HO OH OH OH пирокатехин резорцин гидрохинон OH OH HO HO OH OH флороглюцин пирогаллол Для систематического названия фенолов применяется заместительная номенклатура ИЮПАК, согласно которой фенолы рассматриваются как гидроксильные производные бензола. Так, сам фенол, родоначальник ряда, должен иметь строгое название гидроксибензол. Однако во многих случаях производные бензола, содержащие гидроксогруппу в кольце, рассматриваются как производные фенола, что и отражается в названии. Например: OH OH NO2 Br C2H5 NO2 3-этилфенол (1-гидрокси-3-этилбензол) 3-бром-2,4-динитрофенол (1-гидрокси-3-бром-2,4-динитробензол) Для ароматических спиртов названия по заместительной номенклатуре строятся так же, как и для алифатических. При этом родоначальной структурой является боковая алифатическая цепь, так как там находится функциональная группа. Например: CH2-OH CH2-CH-OH CH3 фенилметанол 1-фенилпропан-2-ол Кроме того, для названия ароматических спиртов, так же как и алифатических, могут применяться радикало-функциональная и рациональная номенклатуры. Так, фенилметанол, простейший представитель ароматических спиртов, по радикало-функциональной номенклатуре получит название бензиловый спирт. 517 Фенолы и ароматические спирты являются структурными изомерами (например, крезолы изомерны бензиловому спирту). Кроме того, могут наблюдаться и другие виды изомерии, так же как и для многих производных углеводородов. 10.5.2. СТРОЕНИЕ ФЕНОЛА И БЕНЗИЛОВОГО СПИРТА В молекуле фенола природа и направленность элекO тронных эффектов такая же, что и в галогенобензолах. То H есть, атом кислорода гидроксогруппы взаимодействует с I бензольным кольцом посредством –I- и +М-эффектов. +M Однако (!) в молекуле фенола +М-эффект больше –Iэффекта (по модулю). Значительный положительный мезомерный эффект объясняется соответствием геометрической конфигурации внешних (взаимодействующих) р-орбиталей углерода и кислорода, оба этих атома — это атомы II периода Периодической таблицы химических элементов. В результате суммарный электронный эффект, которым обладает гидроксогруппа по отношению к бензольному кольцу, — это донорный эффект. За счѐт р--сопряжения увеличивается степень двоесвязанности между углеродом и кислородом: эта связь имеет 23.7 % -характера. Строение фенола должно быть сходно также со строением несуществующего винилового спирта (гл. 5.1.2, 5.3.1). Но в отличие от винилового спирта фенол не изомеризуется благодаря устойчивой ароматической системе. Длина связи C–О в феноле меньше, чем в спиртах (в феноле 0.136 нм, в метаноле 0.143 нм), а прочность этой связи больше, чем в спиртах. Кроме того, вследствие р--сопряжения на атоме кислорода появляется дефицит электронной плотности (частичный положительный заряд), за счѐт которого увеличивается полярность связи О–Н настолько, что фенолы проявляют свойства слабых кислот. Положительный мезомерный эффект гидроксогруппы приводит к значительному увеличению электронной плотности на бензольном кольце и главным образом в о- и п-положениях (гл. 10.1.1). Этому состоянию отвечает мезоформула '+ OH - - +M - 518 В молекуле бензилового спирта атом кислорода гидроксогруппы непосредственно не связан с ароматическим кольцом, поэтому сопряжение между ними невозможно. Гидроксогруппа влияет на бензольное кольцо только посредством индуктивного эффекта CH2 (–I-эффект), уменьшая тем самым величину электронOH ной плотности на нѐм. Но -электронная система бензольного кольца может взаимодействовать с С–Н-связями -углеродного атома (сверхсопряжение аналогичное тому, какое наблюдается в толуоле). Поэтому электронная плотность в ароматическом кольце в целом несколько понижена по сравнению с бензолом, но орто- и особенно пара-положение в меньшей степени испытывают это понижение. Длина и прочность связей С–О и О–Н мало отличаются от таковых для алифатических спиртов, так как влияние бензольного кольца на фрагмент С–О–Н невелико. 10.5.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕНОЛОВ По агрегатному состоянию фенолы представляют собой бесцветные твѐрдые вещества или, реже, жидкости с сильным своеобразным запахом. При хранении на воздухе постепенно окисляются и, как следствие, приобретают окраску от розовой до жѐлто-коричневой. Фенолы труднорастворимы в воде, а высокие температуры кипения их обусловлены наличием межмолекулярных водородных связей (аналогично спиртам). Химические свойства фенолов обусловлены взаимным влиянием гидроксогруппы и бензольного кольца, поэтому для них характерны как реакции по бензольному кольцу, так и реакции с участием гидроксильной группы. 10.5.3.1. Кислотно-оснόвные свойства Кислотные свойства у фенолов выражены сильнее, чем у спиртов (алифатических и ароматических). Это обусловлено значительно более сильной поляризацией связи О–Н за счѐт смещения электронной плотности от атома кислорода к бензольному кольцу: : O H Кислотные свойства фенолов могут быть также объяснены большей устойчивостью фенолят-иона, который образуется при диссоциации фенола. В фенолят-анионе в делокализации отрицательного заряда принимает участие -электронная система ароматического кольца: 519 O - O-H -H O- + - O O Однако кислотные свойства фенолов выражены слабее, чем у карбоновых кислот, диссоциация фенолов в водных растворах протекает, но равновесие этой реакции смещено влево. Значение рКа для фенола и его гомологов лежит в пределах от 9.9 до 10.4, в то время как для уксусной кислоты рКа = 4.76, а для угольной рКа = 6.35 (по первой ступени диссоциации). То есть фенол не взаимодействует с гидрокарбонатами металлов, но может взаимодействовать со средними солями угольной кислоты, превращая их в кислые соли, так как по второй ступени диссоциации угольная кислота слабее фенола. OH + NaHCO3 OH + Na2CO3 ONa + NaHCO3 Соли фенола, феноляты, при взаимодействии с угольной кислотой превращаются в фенол: ONa + H2CO3 OH + NaHCO3 Введение электронодонорных или акцепторных заместителей в ароматическое кольцо фенола (особенно в о- и п-положениях) соответственно понижает или повышает его кислотные свойства. Это влияние аналогично действию заместителей на ароматическое кольцо сульфокислот (гл. 10.3.3.4). Так же, как и в аренсульфокислотах, электроноакцепторные заместители увеличивают кислотные свойства за счѐт более полной делокализации отрицательного заряда в анионе; электронодонорные заместители, наоборот, 520 уменьшают кислотные свойства, так как в этом случае их электронный эффект препятствует делокализации заряда аниона: O O A D По тем же причинам (из-за р--сопряжения, в котором участвует неподелѐнная электронная пара электронов кислорода) основность фенолов значительно понижена по сравнению со спиртами. 10.5.3.2. Нуклеофильные свойства За счѐт +М-эффекта гидроксильной группы в молекуле фенола понижены как основные, так и нуклеофильные свойства. Поэтому реакции, в которых фенол играет роль нуклеофила, протекают с трудом. Повышению реакционной способности фенола способствует щелочная среда, при этом молекула фенола переходит в фенолят-ион. Такими реакциями являются алкилирование и ацилирование. Алкилирование (образование простых эфиров). В общем случае щелочная среда способствует протеканию реакции по SN2-механизму, поэтому легче должны алкилироваться субстраты, имеющие доступный электрофильный реакционный центр с высоким эффективным положительным зарядом. Такими субстратами могут быть первичные алкилгалогениды и прежде всего — производные метана. OH O O-CH2-R R-CH2 Br - NaBr + OH - H2O В ряде случаев в качестве метилирующего средства используется диметилсульфат, в частности, при синтезе метиловых эфиров гидрохинона, м-крезола, 4-метил-2-нитрофенола и др. Например: OH OCH3 NO2 NO2 (CH3)2SO4 / OH CH3 4-метил-2-нитрофенол CH3 4-метил-1-метокси-2-нитробензол Этим же способом можно получать о- и п-нитроанизолы из о- и п-нитрофенолов. 521 Ацилирование (образование сложных эфиров). По причине пониженной нуклеофильности гидроксогруппы фенолы могут подвергаться атаке только высокореакционноспособных ацилирующих агентов, таких как ангидриды и галогенангидриды карбоновых кислот. Реакцию проводят в слабощелочной среде (обычно в присутствии карбонатов): O O Na2CO3 C-R OH + O-C-R - NaCl - NaHCO3 Cl Ацилирование салициловой кислоты уксусным ангидридом используется в производстве препарата аспирин: COOH + (CH3CO)2O - CH3COOH OH салициловая кислота COOH O O-C-CH3 аспирин (О-ацетилсалициловая кислота) Этерификация под действием карбоновых кислот для фенолов обычно не идѐт и становится возможной только в присутствии сильных водоотнимающих средств (PCl3, POCl3, P2O5). Эта реакция используется в производстве лекарственного препарата салол: COOH PCl3 + OH COO OH OH салициловая кислота салол (фенилсалицилат) 10.5.3.3. Электрофильное замещение Фенолы подобно многим ароматическим соединениям способны вступать в реакции электрофильного замещения (SE). Более того, реакции фенолов с электрофильными реагентами протекают значительно легче, чем бензола и аренов. Это связано с большим +М-эффектом, оказываемым гидроксильной группой по отношению к бензольному кольцу (гл. 10.1.1). В результате электронная плотность на кольце повышена, и это повышение наблюдается главным образом в о- и п-положениях. Поэтому механизм взаимодействия фенола с электрофильной частицей можно представить следующим образом: 522 OH OH + E + OH E + + OH H E E -H + OH OH + -H + H E E Вступление электрофила в о- и п-положения бензольного кольца может быть объяснено также сравнением устойчивости образующихся комплексов. Рассмотрим некоторые примеры и особенности протекания реакций SE для фенолов. Галогенирование протекает легко. Катализатор не требуется. При хлорировании OH Cl OH OH OH Cl Cl Cl Cl2 ... Cl Cl OH Cl Cl Cl конечным продуктом может быть пентахлорфенол. Бромирование, как правило, проводят в разбавленных водных растворах. +O-H OH OH +3Br2 - 3HBr Br Br O Br Br Br...:Br Br Br - HBr Br Br Br Br 2,4,4,6-тетрабромциклогекс-2,5-диен-1-он 523 Нитрование может проводиться как концентрированной, так и разбавленной азотной кислотой. Концентрированная азотная кислота нитрует фенол сразу до ди- и тринитропроизводных, например: O2N + NO2 HO HO NO2 O2N , при этом протекает сильное осмоление фенола. В молекулах фенолов и их эфиров может происходить не только замещение атома водорода, но и пространственно доступных алкильных групп: H3C CH CH3 H3C CH CH3 + NO2 H3CO H3CO + -H NO2 CH3 CH3 + NO2 H3C CH CH3 H3C CH CH3 H3CO O 2N NO2 + H O 2N H3CO + CH3 CH3 -H+ -CH(CH3)2+ O 2N H3C CH CH3 H3CO O 2N NO2 NO2 H3CO NO2 CH3 CH3 Действие разбавленной азотной кислоты на фенолы при комнатной температуре приводит к орто- и пара-замещѐнным мононитрофенолам: 524 OH NO2 OH HNO3+H2O OH NO2 Учитывая, что в разбавленной кислоте нитроний-катион не образуется и потому нитрование по электрофильному механизму невозможно, реакция в данном случае представляет окислительное нитрозирование (за счѐт диоксида азота, содержащегося в азотной кислоте): 2 NO2 NO+ + NO3 OH OH NO OH -HNO2 + + NO -H NO2 +HNO3 + OH OH +HNO3 -HNO2 NO NO2 Поэтому для проведения мононитрования вместо разбавленной азотной кислоты может быть использована смесь азотной и азотистой кислот. Кроме этого, нитрозирование используется и для определения фенолов (реакция Либермана). Фенол обрабатывают концентрированной серной кислотой и добавляют несколько капель водного раствора нитрита натрия. При разбавлении раствор приобретает красное окрашивание, при добавлении щѐлочи окраска переходит в голубую. Эта цветная реакция объясняется образованием индофенола, анион которого имеет синюю окраску: NaNO2 + H2SO4 NaHSO4 + HNO2 HNO2 + H2SO4 NO+ + HSO4 + H2O 525 NO+ HO NO H2SO4 N-OH2 -H O 2 O O NOH OH + + H+ HO O N + -H O N OH -H2O OH O - N индофенол (красный цвет) O синий цвет Сульфирование фенолов приводит к фенолсульфоновым кислотам. Соотношение орто- и пара-изомеров определяется температурой реакции. Орто-изомер образуется уже при 15С, но при температуре 100С и выше он перегруппировывается в более стабильный п-изомер. OH OH SO3H 288 K H2SO4 OH 373 K 373 K SO3H Алкилирование. Помимо алкилирования по атому кислорода, которое протекает в щелочной среде и приводит к образованию простых (алкилариловых) эфиров, реакция может протекать по бензольному кольцу. Алкилирование в этом случае требует применения кислотных катализаторов. В качестве алкилирующих агентов обычно используют спирты и алкены в присутствии протонных кислот (H2SO4, H3PO4) или кислот Льюиса (BF3): H + R-OH + BF3 R-O - BF3 или 526 + R [BF3OH] - R-CH=CH2 + H + + R-CH-CH3 и затем электрофил взаимодействует с молекулой фенола: OH OH + OH OH R - R [BF3OH] ... - + R . . .BF3OH + + -BF3 -H2O R R-CH-CH3 OH OH CH3 OH CH R . . . -H + + + CH3-CH-R R-CH-CH3 Кроме того, продукты алкилирования фенолов по атому кислорода в ряде случаев могут претерпевать перегруппировку, приводящую к образованию о- и п-алкилфенолов. Таким превращением является перегруппировка Кляйзена, заключающаяся в миграции аллильного радикала в аллиловых эфирах фенолов при нагревании до 150200С и приводящая к образованию С-аллильных производных: O OH CH2 CH CH-CH=CH2 HC R R Механизм реакции учитывает повышение электронной плотности в орто- и пара-положениях бензольного кольца и возможность электрофильной атаки аллильного фрагмента по кольцу: O CH2 CH O CH2 O CH CH H CH CH CH H R H2C R R 527 O H CH2 CH CH R Если оба о-положения заняты и прототропная таутомерия промежуточного циклического кетона невозможна, то протекает повторная перегруппировка и образуется п-аллильное производное: O CH2 CH O CH3CHR H3C O CH3 R CH H 3C CH3 H 3C CH C H2 CH2-CH=CHR H OH CH3 H3C CH2-CH=CHR Ацилирование фенолов, как и алкилирование, может протекать не только по атому кислорода, но и по атомам углерода бензольного кольца. Здесь так же как и при алкилировании требуется применение кислот Льюиса (AlCl3) в качестве катализатора. Это типичная реакция Фриделя–Крафтса в ароматическом ряду: OH O + R C Cl OH OH O C-R AlCl3 + O C-R Ацилфенолы могут быть получены и перегруппировкой сложных эфиров фенолов (перегруппировка Фриса*). Для этого также необходимо применение кислот Льюиса: O O-C-R +AlCl3 O-AlCl3 O C-R + + AlCl3 -AlCl2+ O O AlCl3 + R C Cl Дальнейшее взаимодействие образовавшихся ацилхлорида и фенолят-иона — это реакция Фриделя–Крафтса. В целом схему перегруппировки Фриса можно изобразить следующим образом: 528 O-C-R OH OH O C-R O AlCl3 + O C-R Частным случаем реакции ацилирования можно считать реакцию Вильсмайера* (реакция ВильсмайераХаака*) — это формилирование ароматических соединений, таких как фенолы и их эфиры, действием N,Nдизамещѐнных формамидов и оксохлорида фосфора: O H C Ar-H + + H C + POCl3 H C NRR' O-POCl2 NRR' O-POCl2 _ Cl NRR' Cl _ Cl Ar CH O Ar C NRR' H Формилирующим агентом является комплекс формамидов с POCl3, образующийся в процессе реакции. Обычно используют диметилформамид. Формильная группа обычно вводится в пара-положение к заместителю. Другая реакция формилирования — это реакция Реймера*Тимана* — получение ароматических о-оксиальдегидов взаимодействием фенолов с хлороформом в щелочной среде. Например, получение салицилового альдегида: _ O OH + CHCl3 KOH / 60-80oC + :CCl2 OH OH CHCl2 CHO Реакция применима для фенолов, содержащих алкильные, алкоксильные группы и галогены в качестве заместителей в ароматическом кольце. Наличие сильных электроноакцепторов дезактивирует молекулу фенола. Вместо CHCl3 можно использовать CHBr3 и CHI3. Доля образующегося п-изомера, как правило, незначительна. 529 Взаимодействие с формальдегидом. Так же, как и алкилирование и ацилирование фенолов, взаимодействие с формальдегидом — типичная реакция электрофильного замещения в ароматическое кольцо, характерная для активированных ароматических соединений. При проведении реакции в мягких условиях образуются орто- и пара-гидроксиметилфенолы: OH OH OH O CH2OH + H C + H CH2OH Реакция может идти как в кислой, так и в щелочной среде. Кислая среда активирует электрофильный реагент, превращая молекулу формальдегида в карбокатион: CH2=O + H + + + CH2=OH CH2 - OH , который далее взаимодействует с молекулой фенола как электрофил с обычным ароматическим субстратом. Щелочная среда активирует молекулу субстрата, превращая еѐ в фенолят-ион, способный к взаимодействию даже с очень слабыми электрофилами: O O OH CH -O O 2 CH2OH O - OH H C H H O O H CH2-O CH2OH Далее гидроксиметилфенол может снова вступать во взаимодействие со следующей молекулой формальдегида за счѐт свободных о- и п-положений, а может взаимодействовать с молекулой фенола в качестве алкилирующего агента. Таким образом, в жѐстких условиях образуются продукты поликонденсации — фенолоформальдегидные смолы, как линейные, так и разветвлѐнные: 530 OH OH CH2OH OH CH2OH CH2=O OH CH2 OH CH2OH CH2OH OH OH CH2 HO OH CH2 HOH2C OH OH CH2 OH В целом схему образования линейного полимера можно представить следующим образом: OH OH CH2OH H + n OH CH2OH OH CH2 CH2OH -nH2O n Карбоксилирование с образованием фенолкарбоновых кислот можно условно считать частным случаем реакции ацилирования, в которой в качестве ацилирующей частицы выступает молекула CО2. В частности, реакцию получения салициловой кислоты из фенолята натрия ONa OH COONa + CO2 салицилат натрия называют реакцией Кольбе–Шмитта*. По методу Кольбе (1860 г.) фенолят натрия нагревают с диоксидом углерода под давлением при 180200С. В 1885 г. Шмитт улучшил метод Кольбе, предложив проводить реакцию при менее высокой температуре (130С) в течение более длительного времени. Механизм реакции можно представить так: 531 - + O Na - + O Na O C H O O + C + O OH COONa При использовании фенолятов натрия и лития основным продуктом реакции является о-гидроксикислота, а для фенолята калия — п-гидроксикислота. 10.5.3.4. Нуклеофильное замещение гидроксогруппы В молекулах фенолов, не содержащих сильных электроноакцепторных групп, OН-группа не замещается. При действии PCl3 вместо ожидаемого хлорбензола образуются эфиры фосфористой кислоты, а при действии PОCl3 — эфиры фосфорной кислоты. Например: HCl O-H PCl3 Cl PCl3 O-P-O O Однако при наличии в орто- и пара-положениях сильных электроноакцепторов нуклеофильное замещение идѐт легко при действии, например, PCl5: OH O2N NO2 + PCl5 NO2 + H O PCl4 O2N NO2 + Cl NO2 Cl O2N NO2 - POCl3 - HCl NO2 10.5.3.5. Окисление и восстановление Фенолы сравнительно легко окисляются. Эта способность связана с возможностью образования устойчивого феноксильного (ароксильного) радикала 532 + O-H O-H -e - -H O + , в котором неспаренный электрон делокализован за счѐт р--сопряжения с бензольным кольцом. Особенно легко происходит окисление в щелочной среде, при этом окисляется фенолят-ион: - O O - e- Дальнейшие превращения феноксильного радикала приводят обычно к продуктам димеризации и олигомеризации, например: O H O 2 O HO OH H п,п-дигидроксидифенил Реакции восстановления фенолов сводятся либо к гидрированию бензольного кольца, приводящему к образованию циклических спиртов и кетонов, либо к восстановлению самой гидроксогруппы с сохранением бензольного кольца. При гидрировании фенола на никелевом катализаторе (1 МПа, 130140С) получается циклогексанол, в качестве промежуточного продукта можно получить циклогексанон: OH O OH OH 2H2/Ni H2/Ni Восстановление до бензола протекает в более жѐстких условиях, например, при обработке цинковой пылью или MoS (р, Т): OH [H] 533 10.5.4. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ДВУХАТОМНЫХ ФЕНОЛОВ К двухатомным фенолам относят как родоначальные соединения: пирокатехин, резорцин и гидрохинон (гл. 10.5.1), так и их гомологи и производные. Двухатомные фенолы дают те же реакции, что и фенол. Это кислотно-оснόвные свойства, реакции алкилирования, ацилирования как по атому кислорода, так и в ароматическое кольцо, другие реакции электрофильного замещения. Кислотные свойства пирокатехина, резорцина и гидрохинона по первой ступени диссоциации близки к кислотным свойствам фенола. Но наибольшими кислотными свойствами среди них обладают резорцин (рКа = 9.20) из-за отсутствия мезомерного взаимодействия двух гидроксогрупп между собой и пирокатехин (рКа = 9.25) из-за возможности образования внутримолекулярной водородной связи между гидроксогруппами: H O H O пирокатехин Реакции алкилирования по атому кислорода для двухатомных фенолов протекают легко, причѐм пирокатехин при взаимодействии с дигалогеналканами может образовывать циклические эфиры: O OH CH2I2 CH2 O OH Электрофильное замещение по ароматическому кольцу для двухатомных фенолов также протекает легко, и особенно легко для резорцина, в бензольном кольце которого гидроксильные группы согласованно повышают электронную плотность на 2, 4 и 6-м атомах углерода. Поэтому резорцин может, например, вступать в реакцию карбоксилирования в обычных условиях в среде водного раствора гидрокарбоната калия: HO OH + CO2 HO OH KHCO3 COOH резорцин резорциловая кислота 534 Реакции окисления пирокатехина и гидрохинона протекают легче, чем фенола; в результате образуются хиноны: OH O [O] OH HO OH O о-бензохинон [O] O O п-бензохинон Так, гидрохинон легко окисляется, например, хлоридом железа (III) или солями арендиазония (гл. 10.7), поэтому реакция азосочетания, характерная для фенолов (гл. 10.7.4.3), для него не протекает. Резорцин устойчивее к окислению, для него невозможно образование хинона. Но он легче подвергается восстановлению, это обусловлено способностью к кето-енольной таутомерии: HO OH O O [H] O O Восстановление может проводиться амальгамой натрия или каталитически в щелочной среде. Как и сам фенол, двухатомные фенолы дают цветные реакции с FeCl3: для фенола она красно-фиолетовая, для пирокатехина — зелѐная, для резорцина — ярко-фиолетовая, для гидрохинона — синяя. Окраска связана с образованием комплексных фенолятов с участием иона Fe3+. 10.5.5. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ АРОМАТИЧЕСКИХ СПИРТОВ Как следует из строения, химические свойства фенолов и ароматических спиртов должны сильно различаться. Так, свойства фенолов должны определяться, с одной стороны, возможностью протекания реакций по ароматическому кольцу (как для любых замещѐнных бензолов), а с другой стороны — способностью к взаимодействиям с участием гидроксильной группы. Аналогично и для ароматических спиртов. Их свойства определяются наличием как бензольного кольца, так и фрагмента алифатического спирта. Ароматические спирты по своим кислотно-основным свойствам близки к алифатическим спиртам, однако для бензилового спирта и его производных характерны высокие оснóвные свойства, обусловленные образовани535 ем устойчивого карбокатиона при диссоциации молекулы спирта по связи С–О. CH2-OH + + + H+ CH2 OH2 - H2O CH2 бензиловый спирт По той же причине, то есть за счѐт образования устойчивого карбокатиона, бензиловый спирт и его производные легко вступают в реакции нуклеофильного замещения гидроксогруппы, протекающие по механизму SN1. 10.5.6. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕНОЛОВ И АРОМАТИЧЕСКИХ СПИРТОВ Фенол и его ближайшие гомологи получают из продуктов коксования каменного угля и синтетически. Среди синтетических способов получения фенолов и ароматических спиртов наибольшее значение имеют следующие. 1. Щелочной гидролиз хлорбензола, протекающий в жѐстких условиях (гл. 10.2.4.2). В промышленности осуществляют парофазный каталитический гидролиз хлорбензола при 400С и атмосферном давлении: Cl OH + H2O Ca3(PO4)2 + HCl Гидролизом п-дихлорбензола получают так же гидрохинон, и можно получать любые ароматические спирты аналогично алифатическим спиртам, в частности таким способом получают бензиловый спирт. 2. Кумольный метод получения фенола является наиболее экономичным. Он был разработан Р.Ю. Удрисом и П.Г. Сергеевым для получения фенола из изопропилбензола (кумола). CH3-CH-CH3 O-O-H CH3-C-CH3 OH H2SO4 + O2 536 O + CH3-C-CH3 Механизм реакции: + O-OH H3C C CH3 H H3C C CH3 - O-OH2 H3C C CH3 H+/ 338 K O2 / OH, 400 K H2SO4 -H2O + OH + O C CH3 H3C O C-CH3 CH3 + H O O C-CH3 CH3 H2O -H+ O H3C C CH3 Этот метод может применяться и для получения гомологов и производных фенолов: ,кат. Н Ar-OH +CH -CO-CH Ar-CH(CH3)2 О 2 Ar-C(CH3)2-OOH 3 3 3. Щелочное плавление солей ароматических сульфокислот может применяться для получения одноатомных фенолов, но широкое применение этот способ нашѐл для получения резорцина: SO3H SO3H OH 4NaOH - 2Na2SO3 - 2H2O OH 4. Фенолы могут быть получены при замене первичной аминогруппы в ароматическом кольце (через образование диазосоединения и последующий его гидролиз): HNO HCl HО Ar-NH2 2 [Ar-N2]+Cl 2 Ar-OH + HCl + N2 5. Окислительное декарбоксилирование бензойной кислоты при температуре 250С может применяться для получения фенола, так как способ экономически выгодный (сама бензойная кислота получается при окислении толуола). Схема процесса: 537 COOH Cu2+ + O2 OH + CO2 6. Для получения ароматических спиртов, содержащих гидроксогруппу у -углеродного атома (например, 2-фенилэтан-1-ол), используется алкилирование бензольного кольца с помощью эпоксиэтана: + H2C AlCl3 CH2 CH2CH2OH O Ароматические спирты можно также получать и обычными методами, характерными для алифатических спиртов. Кроме гидролиза галогенопроизводных углеводородов, применяются металлорганический синтез, восстановление карбонильных соединений и другие способы (гл. 3.3.4). 10.5.7. ХИНОНЫ Хиноны можно рассматривать как циклические непредельные дикетоны с сопряжѐнными связями. Моноциклическими являются бензохиноны: 1,2-бензохинон (о-бензохинон), 1,4-бензохинон (п-бензохинон) и их производные, например: толухинон, хлоранил. O O O O о-бензохинон O CH3 O п-бензохинон O толухинон (метил-1,4-бензохинон) Cl Cl Cl Cl O хлоранил (2,3,5,6-тетрахлор1,4-бензохинон) Орто- и пара-бензохиноны обычно получаются при окислении соответствующих двухатомных фенолов — пирокатехина и гидрохинона (гл. 10.5.4). В качестве окислителей могут быть использованы хромовая смесь (K2Cr2O7 + H2SO4), оксид серебра, хлорид железа (III). А хлоранил, например, получается при энергичном хлорировании анилина: 538 O NH2 Cl Cl Cl Cl Cl2 / H2O O Хиноны являются окрашенными кристаллическими веществами: о-бензохинон окрашен в красный цвет, п-бензохинон — в жѐлтый цвет. В молекулах хинонов карбонильные группы оказывают значительный электроноакцепторный эффект. Поэтому на атомах углерода наблюдается существенный дефицит электронной плотности: O '' O'' Таким образом, хиноны — соединения с выраженными электроноакцепторными свойствами и обладающие окислительной способностью. При присоединении электрона (на катоде или при действии восстановителей) образуется семихинон: O O - O O - - e O O O - O , а при присоединении ещѐ одного электрона образуется анион гидрохинона: O O - O - - e O - O O - Хинон и гидрохинон образуют окислительно-восстановительную систему: 539 O OH - 2e , 2H+ - -2e ,-2H+ O OH , причѐм эквимолярная смесь хинона и гидрохинона представляет собой комплекс, называемый хингидроном, являющийся основой используемого в электрохимии хингидронного электрода. H O O ' O H O хингидрон Такой комплекс является комплексом с переносом заряда. (Аналогичные комплексы с переносом заряда образуют нитросоединения — гл. 10.4.3.4). Бензохиноны в условиях кислотного катализа способны присоединять различные нуклеофильные реагенты, такие как спирты, тиоспирты, амины, галогеноводороды. При этом образуются соответствующие замещѐнные двухатомные фенолы. Например: + OH O OH OH - HCl Cl Cl H + H O O O O OH Cl OH 540 2-Хлоргидрохинон окисляется исходным хиноном до 2-хлор-1,4-бензохинона: OH O OH O + + Cl Cl OH O OH , O который может дальше присоединять хлороводород. В результате образуются ди-, три- и тетрахлорбензохиноны. Однако 1,4-бензохиноны могут вступать в типичные реакции 1,2присоединения по карбонильной группе. С гидроксиламином они дают, например, моно- и диоксимы (гл. 6.1.4.1): O N-OH NH2OH N-OH NH2OH - H2O - H2O O O N-OH Но при взаимодействии с ароматическими аминами реакция протекает как 1,4-присоединение (см. выше): O O OH O O NH2-Ar NH2-Ar NH-Ar NH-Ar O O OH OH O Ar-HN O O Ar-HN NH-Ar NH-Ar OH O 2,5-бис-(ариламино)-1,4-бензохинон Хиноны участвуют в реакциях диенового синтеза в качестве диенофилов. Например: 541 O O H2C + H2C OH CH CH H O O 10.5.8. H OH ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ К классу фенолов относится большая группа лекарственных веществ, обладающих антисептическими свойствами. Антисептические свойства фенолов основаны на их способности свѐртывать белки. При введении в молекулу фенола таких заместителей, как алкил, алкоксил, галоген, усиливается бактерицидная активность. Увеличение длины алкильной цепи или разветвление еѐ приводит к усилению антисептического действия. В отличие от алифатических спиртов при увеличении числа гидроксильных групп в ароматическом кольце увеличивается токсичность соединения. Смесь о-, п- и м-крезолов также используется в качестве антисептика. Раздражающее и токсическое действие крезолов на организм выражено слабее, что связано с их меньшей растворимостью. Двухатомный фенол, резорцин, по токсичности близок фенолу, но антисептические свойства у него выражены сильнее. Резорцин находит применение при лечении кожных заболеваний. Фенол — кристаллическое вещество с температурой плавления 41С и своеобразным запахом. При комнатной температуре малорастворим в воде, но при 70С смешивается с водой в любых соотношениях. При попадании на кожу фенол вызывает ожоги. Проявляет антисептические свойства. В промышленности фенол получают главным образом синтетически — кумольным методом. Основное количество фенола используется для получения фенолоформальдегидных смол, применяемых в производстве пластмасс, и для получения циклогексанола, используемого в производстве синтетического волокна. Ионол (2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол) — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 70С. Получают ионол алкилированием п-крезола. Широко применяется в качестве антиоксиданта для стабилизации полимерных материалов, парфюмерно-косметических изделий. Пирокатехин (1,2-дигидроксибензол) — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 104С, хорошо растворимое в воде. 542 В промышленности пирокатехин получают прямым гидроксилированием фенола пероксидом водорода или пероксокислотами. Используется в качестве восстановителя в фотографии и как аналитический реагент для определения некоторых металлов. Резорцин (1,3-дигидроксибензол) — бесцветное кристаллическое вещество со слабым запахом и температурой плавления 111С, хорошо растворимое в воде. Резорцин получают щелочным плавлением м-бензолдисульфокислоты. Используется для получения красителей, антисептиков, антиоксидантов, взрывчатых веществ. Гидрохинон (1,4-дигидроксибензол) — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 170С. Растворим в воде. Гидрохинон получают щелочным плавлением п-бензолдисульфокислоты, гидролизом п-хлорфенола и прямым гидроксилированием фенола пероксокислотами. Широко используют в производстве красителей, в качестве восстановителя в фотографии, а также антиоксиданта и ингибитора полимеризации. Бензиловый спирт — бесцветная жидкость с приятным запахом и температурой кипения 206С. Содержится в эфирных маслах некоторых растений. Синтетически получают из бензилхлорида. Используют в парфюмерии и лакокрасочной промышленности. 2-Фенилэтан-1-ол — бесцветная жидкость с запахом роз и температурой кипения 221С. Содержится в розовом масле. Синтетически получают из бензола и эпоксиэтана. Применяют в парфюмерии. Анизол — бесцветная жидкость с приятным запахом, нерастворимая в воде; температура кипения 155С. Используют в органическом синтезе и в качестве растворителя в парфюмерной промышленности. Гваякол — бесцветное кристаллическое вещество; температура плавления 98С. Используют для синтеза душистых и лекарственных веществ. Вератрол (диметиловый эфир пирокатехина, 1,2-диметоксибензол) — бесцветное вещество; температура плавления 23С; температура кипения 207С. Используют в органическом синтезе для получения душистых веществ. п-Бензохинон — жѐлтое кристаллическое вещество со своеобразным запахом, напоминающим запах хлора; температура плавления 116С; легко возгоняется. Получают окислением анилина и используют его для получения гидрохинона и в качестве исходного вещества для дальнейших синтезов. Хлоранил — жѐлтое кристаллическое вещество со слабым своеобразным запахом; температура плавления 290С; легко возгоняется. Получают 543 хлорированием анилина или фенола и используют его в качестве окислителя и для получения синтеза красителей. 10.6. АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНЫ И ПРОДУКТЫ НЕПОЛНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИТРОСОЕДИНЕНИЙ Ароматические амины по аналогии с алифатическими — это производные аммиака, в молекулах которых один, два или три атома водорода замещены ароматическими радикалами. 10.6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ИЗОМЕРИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ Как и алифатические амины, ароматические амины в зависимости от числа углеводородных радикалов у атома азота тоже можно разделить на первичные, вторичные и третичные. При этом вторичные и третичные амины, содержащие у азота ароматические и алифатические радикалы, обычно называют жирно-ароматическими, например: NH-CH3 CH3 CH3 N-CH3 N В номенклатуре простейших ароматических аминов широко применимы тривиальные названия: NH2 NH2 NH2 CH3 анилин о-, м-, п-толуидины NH2 OCH3 OC2H5 о-, м-, п-анизидины о-, м-, п-фенетидины Для систематического названия аминов применяются как радикалофункциональная, так и заместительная номенклатуры ИЮПАК. Принцип названия ароматических аминов по радикало-функциональной номенклатуре такой же, что и для алифатических аминов (гл. 1.5.2, 3.7.1). По заместительной номенклатуре наличие аминогруппы в ароматическом кольце обозначается приставкой амино- даже в отсутствие старших функциональных групп. Поэтому ароматические амины рассматриваются как аминопроизводные бензола. Так, сам анилин, родоначальник ряда, должен иметь строгое название аминобензол. Однако во многих случаях произ544 водные бензола, содержащие аминогруппу в кольце, рассматриваются как производные анилина, что и отражается в названии. Например: Br CH3 C2H5 NH2 N CH3 1-амино-2-бром-4-этилбензол, или 2-бром-4-этиланилин N,N-диметиламинобензол, или N,N-диметиланилин Особое место занимают амины с аминогруппой в алифатической цепи. Их названия по заместительной номенклатуре строятся так же, как и для алифатических аминов. Например: CH3 CH-CH2-NH CH3 CH2-NH2 фенилметанамин N-метил-2-фенилпропан-1-амин Для ароматических аминов, с одной стороны, характерны те же виды изомерии, что и для других производных бензола, с другой стороны, так же, как и алифатические амины, третичные амины изомерны, например, вторичным и первичным с таким же числом атомов углерода. И так же солям третичного и четвертичного аммония присуща и оптическая изомерия (гл. 1.7.1, 3.7.1), когда хиральным центром является тетраэдрический атом азота. 10.6.2. СТРОЕНИЕ АНИЛИНА Строение анилина во многом похоже на строение фенола. Атом азота аминогруппы взаимодействует с бензольным кольцом посредством –I- и +М-эффектов. В молекуле анилина, так же как и в молекуле фенола, +М-эффект больше –I-эффекта (по модуN лю). Аналогично значительный положительный мезоH -I мерный эффект объясняется соответствием геометричеH ской конфигурации внешних (взаимодействующих) +M р-орбиталей углерода и азота, оба этих атома — это атомы II периода Периодической таблицы химических элементов. В результате суммарный электронный эффект, которым обладает аминогруппа по отношению к бензольному кольцу, – это донорный эффект. Это подтверждается и направлением дипольного момента связи C–N. В связи с этим гибридизация атомных орбиталей азота spx (2<x<3) в отличие от алифатических аминов, в молекулах которых гибридизация азота близка к sp3. Плоскость H–N–H отклонена от плоскости бензольного кольца на 37.5°. 545 Длина связи C–N в анилине (0.143 нм) меньше, чем в алифатических аминах (0.145–0.147 нм). Кроме того, вследствие р--сопряжения на атоме азота появляется дефицит электронной плотности (частичный положительный заряд), за счѐт которого понижаются оснóвные свойства анилина по сравнению с алифатическими аминами. Положительный мезомерный эффект аминогруппы приводит к значительному увеличению электронной плотности на бензольном кольце и главным образом в о- и п-положениях (гл. 10.1.1). В результате сопряжения образуется единая -молекулярная орбиталь. Этому состоянию отвечает мезоформула '+ NH2 - - +M - 10.6.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ Ароматические амины — бесцветные жидкости или кристаллические вещества со специфическим запахом, темнеющие на воздухе. Низшие амины плохо растворимы в воде, высшие — в воде нерастворимы. Плотности большинства соединений близки к 1 г/мл. Химические свойства ароматических аминов определяются наличием аминогруппы и бензольного кольца, причѐм высокая эффективность взаимодействия этих структурных составляющих приводит к значительному изменению активности аминов в реакциях как с участием аминогруппы, так и ароматического кольца. 10.6.3.1. Электрофильное замещение Как и многие ароматические соединения, ароматические амины могут вступать в реакции электрофильного замещения (SE) по бензольному кольцу. Аминогруппа является одним из самых сильных электронодоноров в ароматическом кольце за счѐт большого +М-эффекта. В результате реакции ароматических аминов с электрофилами протекают значительно легче, чем для бензола и аренов. Электрофил вступает в о- и п-положения, как это следует из строения (гл. 10.6.2). Механизм взаимодействия анилина с электрофильной частицей можно представить следующим образом: 546 NH2 NH2 + E + NH2 E + + NH2 H E E -H + NH2 NH2 + -H + H E E Вступление электрофила в о- и п-положения бензольного кольца может быть объяснено также резонансными структурами. Однако помимо высокой реакционной способности ароматических аминов по отношению к электрофилам замещение в бензольном кольце аминов имеет ряд существенных особенностей. Эти особенности связаны прежде всего с тем, что большинство электрофильных реакций протекает в кислой среде. Галогенирование протекает легко. При этом наиболее гладко протекает бромирование. Так, обработка анилина бромной водой сразу приводит к образованию 2,4,6-триброманилина: NH2 NH2 +3Br2/H2O - 3HBr Br Br Br Электрофильной частицей здесь является бромоний-катион Br+, который образуется при диспропорционировании молекулы брома в водной среде. Для получения монобромпроизводных ароматические амины предварительно ацилируют и затем бромированию подвергают N-ацильное производное: O NH-C-R +Br2 - HBr Br O NH-C-R Ацильная группа за счѐт сопряжения уменьшает электронодонорную активность аминогруппы, и реакционная способность ароматического кольца уменьшается. После проведения бромирования ацильную защиту снимают, проводя гидролиз в кислой среде. 547 Хлорирование в водной среде сопровождается образованием продуктов окисления, например образованием хлоранила — см. гл. 10.5.7. При нитровании ароматических аминов нитрующей смесью в качестве основного продукта образуется м-нитроанилин, так как в кислой среде амины превращаются в соли замещѐнного аммония, а аммонийная группа в кольце является сильным акцептором. Поэтому требуются жѐсткие условия, и преимущественная ориентация замещения — в мета-положение: + + NH3 NH2 +H + NH3 +HNO3/H2SO4 - H2O NH2 +OH NO2 - - H2O NO2 Такое направление замещения в катионе замещѐнного аммония объясняется сравнением устойчивости -комплексов: + + NH3 NH3 + + NH3 H E +E + NH3 H E + E + + + NH3 + NH3 NH3 + + H E + H + H E + + NH3 NH3 H E + NH3 + + + H E H E H E Несмотря на то, что число граничных структур -комплексов при вступлении электрофила в орто-, мета- и пара-положения одинаково, комплексы с электрофильной частицей в орто- и пара-положениях по отношению к аммонийной группе менее устойчивы, так как одна из трѐх граничных структур в этих случаях сильно дестабилизирована за счѐт локализации положительного заряда на атоме углерода, связанном с аммонийным атомом 548 азота. Эти граничные структуры изображены последними в соответствующих рядах. Нитрование ароматических аминов нельзя проводить чистой концентрированной азотной кислотой, так как это потребует нагревания (в отличие от нитрования нитрующей смесью), а при повышенных температурах усиливаются окислительные свойства азотной кислоты, и будет происходить окисление амина. Использование других нитрующих агентов, например тетрафторобората нитрония [NO2]+BF4 при низких температурах, может привести к продуктам нитрования по атому азота (N-нитроариламинам). Для получения продуктов нитрования в орто- и пара-положения ароматического кольца необходимо предварительно ввести ацильную защиту, которая заключается в предварительном ацилировании аминогруппы (см. также гл. 10.6.3.3). Продукты ацилирования, N-ацилариламины, не обладают оснóвными свойствами, и поэтому в кислой среде электронодонорная активность атома азота сохраняется, хотя величина +М-эффекта будет значительно меньше, чем у исходного амина, так как ацильная группа также вступает в сопряжение с аминогруппой. В связи с этим уменьшается реакционная способность ароматического кольца. NH2 O O CH3-C O C-CH3 O NH C-CH3 - CH3COOH При нитровании нитрующей смесью N-ацилариламинов получается смесь о- и п-изомеров. После проведения нитрования ацильную защиту снимают с помощью гидролиза. NH-CO-R NH-CO-R NO2 HNO3/H2SO4 NH2 NO2 + +H2O/H - RCOOH NH2 NH-CO-R + +H2O/H - RCOOH NO2 549 NO2 Сульфирование. Взаимодействие анилина с концентрированной серной кислотой при нагревании до 180190С приводит к образованию сульфаниловой кислоты (метод «запекания»): + NH3 NH2 +H2SO4 NH2 HN SO3H HSO4 - to - H2O H2SO4 SO3H Образование исключительно п-изомера объясняется уменьшением электронодонорной активности аминогруппы в промежуточной N-сульфокислоте (аналогично применению ацильной защиты при бромировании и нитровании) и большим пространственным эффектом заместителя в этом соединении. Взаимодействие со слабыми электрофилами. Повышение активности бензольного кольца ароматических аминов делает возможным взаимодействие с такими слабыми электрофилами, как альдегиды, соли диазония и некоторыми другими. Реакция с формальдегидом может рассматриваться как типичная реакция SE по отношению к амину или как реакция AN по отношению к альдегиду: O = H-C (H3C)2N CH2OH (H3C)2N H Образующийся продукт присоединения, являющийся ароматическим спиртом, также может проявлять электрофильные свойства и вступать во взаимодействие со следующей молекулой амина. По отношению к ароматическому спирту это уже будет нуклеофильное замещение (механизм реакции, скорее всего, SN1): N(CH3)2 N(CH3)2 (H3C)2N N(CH3)2 H C H CH2 OH п,п-бис-(диметиламино)-дифенилметан 550 Взаимодействие ароматических аминов с солями диазония будет рассмотрено далее, в свойствах диазосоединений. 10.6.3.2. Кислотно-оснόвные свойства Для аминов в целом (и ароматических, и алифатических) характерны слабые кислотные свойства. Это NH-кислоты, и поэтому отщепление катиона водорода происходит труднее, чем в случае OH-кислот, из-за меньшей электроотрицательности атома азота по сравнению с кислородом. В молекулах ароматических аминов по причине р--сопряжения и сильного смещения электронной плотности с атома азота на бензольное кольцо N–H-связь более полярна, чем в алифатических H аминах. Поэтому кислотность ароматических аминов N несколько выше, однако она остаѐтся достаточно низH кой, и кислотные свойства проявляются только по отношению к таким реагентам, как активные металлы, металлорганические соединения или же металлические производные аммиака и алифатических аминов. Например: [Ar-NH] Li + + Ar-NH2 + Li + 1 2 H2 + Ar-NH2 + NH2 Na [Ar-NH] Na + NH3 Бóльшую кислотность ароматических аминов по сравнению с алифатическими можно объяснить также устойчивостью образующегося аниона, в котором отрицательный заряд делокализован с участием -электронной системы бензольного кольца: NH Оснóвные свойства у ароматических аминов, наоборот, слабее выражены, чем у алифатических аналогов. Причина этого та же, что и в случае кислотных свойств: участие неподелѐнной электронной пары атома азота в сопряжении с -электронной системой бензольного кольца и, как следствие, пониженная электронная плотность на атоме азота по сравнению с аммиаком и алифатическими аминами. Так, значение константы основности для метиламина CH3NH2 примерно в 107 раз выше константы основности анилина: рКb метиламина равно 2.3, анилина — 9.4 (для сравнения: рКb аммиака равно 4.8). Таким образом, ароматические амины дают соли только с сильными кислотами, например: 551 + [Ar-NH3] HSO4 Ar-NH2 + H2SO4 Однако такие соли, являющиеся солями сильных кислот и слабых оснований, легко гидролизуются. Введение заместителей в ароматическое кольцо влияет на оснóвные свойства ароматических аминов. Электроноакцепторные заместители за счѐт более полной делокализации неподелѐнной электронной пары атома азота ещѐ сильнее уменьшают оснóвные свойства, а электронодонорные заместители, наоборот, повышают основность ароматических аминов, так как в этом случае их электронный эффект препятствует делокализации неподелѐнной пары электронов азота. Особенно сильно такое влияние проявляется в ортои пара-положениях бензольного кольца. NH2 NH2 A D 10.6.3.3. Нуклеофильные свойства Ароматические амины, как и алифатические, могут проявлять нуклеофильные свойства за счѐт атома азота. Однако по сравнению с алифатическими аминами у них нуклеофильность будет понижена вследствие сопряжения, так же как и понижены оснóвные свойства. Тем не менее, аналогично алифатическим аминам анилин и его производные вступают в реакции алкилирования, ацилирования, взаимодействия с азотистой кислотой, в изонитрильную реакцию. Кроме того, для ароматических аминов протекают реакции арилирования и образования оснований Шиффа*. Алкилирование. В данной реакции субстратами могут являться галогеналканы, диалкилсульфаты, п-толуолсульфонаты, реже — спирты. Во всех случаях это типичная реакция нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода, механизм которой приведѐн в главе 3.1.1. Различия наблюдаются только в природе уходящей группы. Например, для метилирования можно использовать метилйодид, диметилсульфат или метил-п-толуолсульфонат в щелочной среде, как показано в этих некоторых схемах: Ar-NH2 + CH3 I - OH - H2O, - I Ar-NH2 + CH3 O-SO2- CH3 552 Ar-NH-CH3 ... OH Ar-NH-CH3 - H2O, - CH3C6H4SO3 ... Алкилирование обычно идѐт дальше с образованием смеси вторичных, третичных аминов и солей четвертичного аммония. В случаях алкилирования спиртами реакцию проводят в газовой фазе в присутствии кислот. При этом обычно получаются третичные амины: Ar-NH2 + 2ROH HCl, p, t o Ar-NR2 + 2H2O Арилирование. Эти реакции должны протекать в более жѐстких условиях, чем реакции алкилирования, так как предполагается замещение галогена в ароматическом кольце, а это означает протекание реакции по ариновому механизму (или механизму SN2аром, если субстрат активирован). Однако достаточно легко реакции могут протекать в тех случаях, когда в ароматическом кольце амина имеются электронодонорные заместители (в орто- и параположениях), повышающие его нуклеофильность, а в молекуле арилгалогенида (также в орто- и пара-положениях) — электроноакцепторные группы. Например: O2N Cl + H2N 351K (C2H5OH) - HCl OCH3 NO2 O2N N H NO2 OCH3 При нагревании до 230С анилина с его солянокислой солью получают дифениламин. Эта реакция становится возможной за счѐт наличия в субстрате очень сильного электроноакцептора аммонийной группы: + + H3N NH2 + + NH3 + NH3 + t H2N o H N H + + -NH4 553 N H Ацилирование. Реакции ацилирования ароматических аминов — это реакции взаимодействия этих соединений с карбоновыми кислотами и их производными, являющимися ацильными агентами. Такие реакции производных карбоновых кислот рассматривались в главе 6.4.4.2. В данном случае ацилирование проводят ангидридами, хлорангидридами кислот и самими карбоновыми кислотами, продуктами при этом являются N-ариламиды: = O + C-R X Ar-NH2 - HX O Ar-NH-C-R В целом ацилирование ариламинов протекает медленнее, чем ацилирование алифатических аминов. Взаимодействие аминов с хлорангидридами аренсульфокислот — реакции, аналогичные ацилированию. Действие арилсульфохлоридов на первичные, вторичные и третичные амины приводит к разным продуктам. Так, первичные и вторичные амины легко образуют сульфамиды, третичные — в реакцию не вступают: Ar-NH2 + Cl-SO2- CH3 Ar-NH-R + Cl-SO2- CH3 Ar-NH-SO2- CH3 Ar-N-SO2R CH3 При этом аренсульфамид, полученный из первичного амина, обладает ярко выраженной NH-кислотностью и потому растворяется в водных растворах щелочей: Ar-NH-SO2- CH3 OH -H2O Ar-N-SO2- CH3 А сульфамид, образованный из вторичного амина и не содержащий атомов водорода в амидной группе, в щелочах не растворяется. Такое различное отношение первичных, вторичных и третичных аминов к аренсульфохлоридам лежит в основе разделения смеси аминов — проба Хинсберга (гл. 10.3.5.3). Образование оснований Шиффа. Первичные ароматические амины при взаимодействии с ароматическими альдегидами образуют основания Шиффа (называемые также анилами, или шиффовыми основаниями): 554 OH Ar-NH-C-Ar' H = O + C-Ar' H Ar-NH2 Ar-N=CH-Ar' - H2O Механизм реакции нуклеофильного присоединения аминов к карбонильным соединениям рассмотрен в главе 6.1.4.1. Образующиеся в общем случае при таком присоединении азометины малоустойчивы и могут гидролизоваться с образованием исходных веществ, в данном случае шиффовы основания стабилизированы сопряжением -электронных систем двух ароматических колец и -связи между этими кольцами (---сопряжение). Поэтому такие соединения устойчивы к щелочам, но могут гидролизоваться в кислой среде. В биохимических процессах образование оснований Шиффа играет существенную роль. Например, через их образование осуществляется биосинтез аминокислоты триптофана, осуществляется связывание ретиналя с белком опсином — механизм зрения, а также и другие процессы. Взаимодействие с азотистой кислотой. Как и для алифатических аминов, взаимодействие ариламинов с азотистой кислотой приводит к разным продуктам для первичных, вторичных и третичных аминов, поэтому данную реакцию можно использовать для различия этих аминов. Механизм нитрозирования аминов с участием азотистой кислоты подробно рассмотрен в главах 3.7.3.5 и 10.7.2. При этом из первичных аминов образуются соли арендиазония: Ar-NH2 + O = N X + + ... H Ar-NH-N-O H X -HX -H2O + Ar-N N , из вторичных аминов — N-нитрозамины: Ar-NHR + O N= X + Ar-NR-N-O H X -HX Ar-N-N=O R , а из третичных аминов — п-нитрозосоединения: R R N O N= H2N -HX X + NO . Однако реакция нитрозирования третичных аминов — это проявление нуклеофильных свойств за счѐт ароматического кольца, и по отношению к ами555 ну данная реакция является электрофильным замещением атома водорода в ароматическом кольце. Изонитрильная реакция. Как и алифатические амины, первичные ароматические амины дают изонитрильную реакцию (гл. 3.7.3.6), заключающуюся во взаимодействии аминов с хлороформом в присутствии щѐлочи: OH - H2O - Cl Ar-NH2 + CHCl3 + Ar-N C - Протекание реакции сопровождается неприятным запахом образующегося карбиламина (арилизоцианида), поэтому первичные амины могут быть обнаружены с помощью этой реакции. 10.6.3.4. Окисление При взаимодействии ариламинов с сильными окислителями (например, NaOCl, CrO3) происходит отрыв электрона и образование катион-радикалов, которые далее превращаются в красители: Ar-NH2 [O] / X - e- [Ar-NH2]+X - Аминогруппу также можно окислить до нитрозогруппы, применяя пероксисерную кислоту (кислоту Каро) H2SO5, и до нитрогруппы — трифторпероксиуксусной кислотой CF3COOOH, азотной кислотой или перманганатом калия: [O] Ar-NH2 [O] Ar-N=O Ar-NO2 Данную реакцию можно использовать как способ получения нитрозо- или нитросоединений соответственно. 10.6.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ Существует несколько способов получения первичных, вторичных и третичных ароматических аминов. Бóльшая часть этих способов рассматривалась ранее в свойствах соответствующих классов соединений. Первичные амины могут быть получены следующими способами. 1. Восстановление нитросоединений (гл. 10.4.3.3); 2. Аминирование арилгалогенидов (гл. 10.2.4.2). Этим же способом могут быть получены вторичные и третичные амины, если в качестве нуклеофильного агента вместо аммиака в реакции использовать амины (первичные или вторичные); 556 3. Перегруппировка амидов по Гофману (гл. 6.4.4.5). Для получения вторичных и третичных аминов используются также: 4. Реакции алкилирования и арилирования первичных аминов (гл. 10.6.3.3); 5. Восстановление оснований Шиффа: Ar-N=CH-Ar' [H] Ar-NH-CH2-Ar' 10.6.5. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ Анилин — бесцветная жидкость со своеобразным запахом; температура плавления -6С; малорастворим в воде. В промышленности анилин получают главным образом каталитическим восстановлением нитробензола водородом над NiS Al 2O3 или Cu SiO2 . Его применяют для получения полиуретанов, производных бензотиазола (ускорителей вулканизации), для синтеза антиоксидантов, красителей, лекарственных веществ. N,N-Диметиланилин — бесцветная жидкость со своеобразным запахом; температура плавления 2.5С, кипения — 193С; малорастворим в воде. Его получают алкилированием анилина метанолом в присутствии серной кислоты. Используют для синтеза красителей и взрывчатых веществ. Сульфаниловая кислота (п-аминобензолсульфоновая кислота) — белое кристаллическое вещество; температура разложения 180С; малорастворима в воде. Еѐ получают сульфированием анилина серной кислотой. Применяется в синтезе азокрасителей. Важное практическое значение имеет амид сульфаниловой кислоты (сульфаниламид) H2N SO2-NH2 , производные которого являются эффективными антибактериальными средствами для лечения инфекционных заболеваний. 10.6.6. ПРОДУКТЫ НЕПОЛНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИТРОСОЕДИНЕНИЙ К производным ароматических аминов и одновременно к производным нитросоединений могут быть отнесены такие классы веществ, как нитрозоа557 рены, N-арилгидроксиламин, гидразоарены, азо- и азоксисоединения, диазосоединения. Некоторые из этих соединений могут быть получены при неполном (частичном) восстановлении нитросоединений или при неполном окислении ариламинов, причѐм, возможно, только в качестве промежуточных продуктов, а для других существуют свои способы получения. Здесь приводится краткая характеристика этих веществ. O N O O N + N O O N+ + + + 10.6.6.1. Нитрозобензол Нитрозоарены — производные ароматических углеводородов, в которых атом водорода замещѐн нитрозогруппой. Номенклатура нитрозоаренов аналогична номенклатуре нитроаренов. Нитрозобензол — бесцветное кристаллическое вещество, существующее в виде димера (цис- и транс-изомеры): N N O Мономер существует только в жидком состоянии и в парах, он окрашен в зелѐный цвет. Для нитрозобензола характерны многие реакции конденсации, он может вступать в реакции диенового синтеза в качестве диенофила: HC CH2 O N HC O N CH2 Получить чистые нитрозосоединения восстановлением нитросоединений по схеме + Ar-NO2 +2H,+2e - H2O Ar-NO весьма трудно, поэтому используют реакции нитрозирования ароматических аминов (гл. 10.6.3.3) или фенолов (гл. 10.5.3.3). Нитрозобензол получают окислением фенилгидроксиламина хромовой кислотой: 558 NH-OH H2CrO4 N=O 10.6.6.2. Фенилгидроксиламин N-Арилгидроксиламины обычно получаются как промежуточные соединения при восстановлении нитроаренов в нейтральной среде (гл. 10.4.3.3): Н Ar-NO2 Ar-NH-OH N-Арилгидроксиламины, в частности фенилгидроксиламин, обладают как кислотными, так и основными свойствами, легко восстанавливаются дальше до ариламинов и гидразоаренов и окисляются до нитрозоаренов, дают реакцию «серебряного зеркала». В кислой среде фенилгидроксиламин перегруппировывается в п-аминофенол: + NH OH NH NH NH NH2 +H2O + +H -H O 2 - H+ + H H OH OH 10.6.6.3. Гидразобензол Гидразобензол — продукт восстановления нитробензола в щелочной среде (гл. 10.4.3.3). Это бесцветное кристаллическое вещество, легко окисляющееся кислородом воздуха. Окисление гидразобензола приводит к азобензолу, а при восстановлении образуется анилин: N N H H [O] N N [H] NH2 В кислой среде гидразобензол быстро подвергается бензидиновой перегруппировке: 559 + HN + H 2N NH + NH2 . NH2 + +2H + + 2 NH2 NH2 2 OH -2H2O H H2N NH2 H бензидин Как установлено, в ходе протекания этой реакции катион-радикалы не образуются, а осуществляется внутримолекулярная перегруппировка. В общем случае, для гидразоаренов, если заняты п-положения, протекает семидиновая (неполная) перегруппировка: N N H H H R + H2N HN R HN R или R' R' N N H H H R + NH2 10.6.6.4. Азобензол и азоксибензол Азобензол существует в виде двух геометрических изомеров: N N t o h 560 N N Цис-азобензол непланарен из-за пространственных затруднений (отталкивание орто-водородных атомов), поэтому он неустойчив и при нагревании легко превращается в транс-изомер. При освещении ультрафиолетом трансизомер частично превращается в цис-изомер. Азобензол является очень слабым основанием, но введение электронодонорных заместителей в одно из ароматических колец резко увеличивает основность -атома азота: N N X +H H N N + + X Азобензол может быть получен восстановлением нитробензола в щелочной среде. В общем случае азоарены получают разными способами, в частности, одним из распространѐнных способов получения азосоединений является реакция азосочетания, которая рассмотрена далее (гл. 10.7.4.3); там же будут рассмотрены и некоторые особенности номенклатуры азосоединений, связанной с этим способом получения. Азоксибензол — продукт окисления азобензола и также может быть получен восстановлением нитробензола метилатом натрия: O[O] N N + N N CH3ONa - HCOONa NO2 Производные азоксибензола проявляют жидкокристаллические свойства. Они обладают свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твѐрдых кристаллов. При незначительном изменении температуры жидкие кристаллы могут изменять цвет. Это свойство используется в жидкокристаллической термографии. 10.7. АРОМАТИЧЕСКИЕ ДИАЗОСОЕДИНЕНИЯ Ароматические диазосоединения — это продукты реакции нитрозирования первичных ароматических аминов. Реакцию нитрозирования первичных аминов поэтому называют также реакцией диазотирования: H+X - Ar-NH2 + HNO2 561 + Ar-N2 X - Ароматические диазосоединения в зависимости от кислотности среды существуют в виде + Ar-N N X солей арендиазония арендиазогидроксидов Ar-N=N-OH и арендиазоатов Ar-N N-O M + (арендиазотатов) В молекулах диазосоединений, в отличие от азосоединений, диазогруппа -N=N- связана с одним атомом углерода углеводородного остатка, она должна быть либо в составе катиона (арендиазония), либо ковалентно связанной с атомом кислорода в составе арендиазогидроксидов и арендиазоат-ионов. Соединения структуры Ar-N=N-Ar (и аналогичные R-N=N-Ar и R-N=N-R в алифатическом ряду) не относятся к диазосоединениям, это азосоединения, которые кратко будут рассмотрены лишь в главе 10.7.4.3 как продукты реакции азосочетания солей арендиазония. 10.7.1. НОМЕНКЛАТУРА ДИАЗОСОЕДИНЕНИЙ Соли диазония называются аналогично неорганическим солям (анион + катион). При этом для названия катиона применяются заместительная или радикало-функциональная номенклатуры ИЮПАК. По заместительной номенклатуре к названию углеводорода добавляется название диазогруппы в катионной форме: «диазоний». Например: + N N Cl хлорид бензолдиазония + C2H5 N N HSO4 гидросульфат 4-этилбензолдиазония По радикало-функциональной номенклатуре вместо названия углеводорода, лежащего в основе, используется название радикала, образованного от этого углеводорода. Например, названия тех же соединений будут: + N N Cl хлорид фенилдиазония + C2H5 N N HSO4 гидросульфат 4-этилфенилдиазония Названия диазогидроксидов и диазоатов строятся аналогичным образом. По заместительной номенклатуре используется название углеводорода, лежащего в основе, а по радикало-функциональной — название углеводородного радикала, к которым добавляется слово «диазогидроксид» или соот562 ветственно «диазоат» (вместо «диазоат» может использоваться тривиальное название «диазотат»), например: N N-OH C2H5 N N-OH бензолдиазогидроксид, или фенилдиазогидроксид 4-этилбензолдиазогидроксид, или 4-этилфенилдиазогидроксид + 2+ N N-O Ca C2H5 N N O Na 2 бензолдиазоат натрия, или фенилдиазотат натрия ди-(4-этилбензолдиазоат) кальция, или ди-(4-этилфенилдиазотат) кальция 10.7.2. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СОЛЕЙ АРЕНДИАЗОНИЯ И СТРОЕНИЕ КАТИОНА БЕНЗОЛДИАЗОНИЯ Нитрозирование аминов протекает при действии азотистой кислоты в присутствии сильной минеральной кислоты. При этом в среде могут образоваться следующие нитрозирующие частицы: H2NO2+, NO+, N2O3, NOCl (гл. 3.7.3.5). При проведении реакции в соляной кислоте основным нитрозирующим агентом является нитрозилхлорид NOCl, в серной кислоте нитрозирование ведѐтся нитроз-ацидий катионом H2NO2+ и оксидом азота (III) N2O3. Нитрозоний катион NO+ образуется крайне редко, лишь в концентрированной серной кислоте. Ранее, в главе 3.7.3.5, рассматривался механизм нитрозирования с участием катиона нитрозония как наиболее простой случай. Приведѐм механизм взаимодействия ариламина с нитрозилхлоридом: O Ar-NH2 + N = Cl H + Ar-NH2-N-O: Cl + Ar-N=N OH2 - H2O + Ar-NH-N=O: - Cl H Ar-N=N + + Ar-N + Ar-N=N-OH N Образуется соль арендиазония. Строение катиона такой соли рассмотрим на примере катиона бензолдиазония. Можно представить несколько граничных структур катиона: 563 + N=N + + N N N=N + N=N + N=N + + + 1 3 2 4 5 Структура 2 с зарядом на -атоме азота в наибольшей степени отвечает истинному распределению электронной плотности по причине возможной делокализации положительного заряда с участием -электронной системы ароматического кольца. Кроме того, возможны и граничные структуры (35), учитывающие р--сопряжение с бензольным кольцом, в которых положительный заряд локализован на одном из атомов кольца. Вклад таких граничных структур в усреднѐнную структуру катиона диазония невелик. Таким образом, связь N–N близка к тройной, + N N гибридизация -атома азота близка к sp, угол CNN равен 180. Диазогруппа проявляет очень большие по -I -M модулю –I- и –M-эффекты, в связи с чем она является одним из самых сильных электроноакцепторов в бензольном кольце (сильнее нитрогруппы и аммонийной группы). 10.7.3. АМФОТЕРНОСТЬ ДИАЗОСОЕДИНЕНИЙ Соли арендиазония образуются и существуют в кислой среде. При постепенном добавлении щѐлочи происходит превращение одних диазосоединений в другие: Ar-N N Cl+ OH + Ar-N=N Cl - -Cl - Ar-N=N-OH OH Ar-N=N-O -H2O При этом наблюдается образование ковалентной связи N–O, поэтому в отличие от соли диазония все связи в арендиазогидроксиде ковалентные. При дальнейшем отщеплении протона образуется вновь ионное соединение — диазотат металла. Превращение солей диазония в диазотаты обратимо, и в кислой среде происходит обратный процесс: - +H + Ar-N=N-O + Ar-N=N-OH 564 +H -H2O + Ar-N N Диазотат-ионы существуют в виде двух геометрических изомеров: ON N N N O Ar Ar Е-диазотат Z-диазотат В разбавленной щѐлочи может образоваться как один, так и другой стереоизомер, а в концентрированном растворе щѐлочи образуется исключительно более устойчивый Е-изомер. Е-Диазотаты металлов могут быть выделены в твѐрдом виде и используются как устойчивая форма диазосоединений. 10.7.4. РЕАКЦИИ СОЛЕЙ АРЕНДИАЗОНИЯ По причине своей малой устойчивости соли арендиазония сразу же в растворе используются для синтезов. Это очень реакционноспособные соединения. Пути превращения этих соединений весьма разнообразны. 10.7.4.1. Реакции с выделением азота Можно выделить несколько типов реакций в зависимости от используемых реагентов и условий, в которых эти реакции проводятся. Нуклеофильное замещение диазогруппы осуществляется только жѐсткими нуклеофилами (F, Cl, OH). Реакция протекает по механизму SN1, и это единственный случай протекания реакции в ароматическом кольце по такому механизму. Для замены на фтор используют безводную фтороводородную кислоту или тетрафторбораты HBF4 и NaBF4 (реакция Шимана*). Замена диазогруппы на хлор осуществляется взаимодействием с концентрированной соляной кислотой. А для получения фенолов достаточно бывает нагревания водного раствора соли диазония. В случае соли бензолдиазония SN1-механизм такого гидролиза может быть представлен в следующем виде: + 1) 2) + N N + + O-H + N2 OH + H + H Первая стадия осуществляется медленно и, в отличие от SN1-реакции в алифатическом ряду, необратимо (за счѐт удаления из реакционной среды газо- 565 + образного азота). Образующийся при этом катион арилия крайне неустойчив и поэтому быстро взаимодействует с жѐсткой нуклеофильной частицей. Нуклеофильное замещение диазогруппы используется при получении гваякола из о-анизидина по схеме: N N NH2 OCH3 OCH3 NaNO2/H2SO4 OH OCH3 CuSO4+ H2O гваякол Гваякол (2-метоксифенол) служит исходным сырьѐм для производства ванилина, который в свою очередь используется для синтеза противотуберкулѐзного препарата фтивазид. Гваякол применяют как полупродукт в производстве папаверина. Радикальное замещение диазогруппы осуществляется мягкими нуклеофилами (I, SCN, N3). Реакция протекает по механизму SR: + Ar-N N I Ar-N=N + I Ar + N N + I + -N2 Ar-I Ar-N=N По радикальному механизму может осуществляться замена и на хлор, но для этого необходим катализ солями меди (I) (реакция Зандмейера): Ar-N N Cl- + CuCl + Ar + Ar-N N + CuCl2 2+ + Cu + 2Cl - + N2 Ar-N N + CuCl2 Ar-Cl + CuCl + N2 Восстановление с выделением азота может протекать как при действии неорганических восстановителей, так и органических веществ в роли восстановителей. Например, при взаимодействии солей диазония с фосфорноватистой кислотой или еѐ солями протекает восстановление до аренов: + N N X H3PO2(NaH2PO2) -H3PO3,-HX(NaX), -N2 566 В качестве восстановителей может использоваться также этанол. Механизм его действия можно представить так: + N N + O H CH-CH3 X - + O=CH-CH3 + N2 + HX H Однако при восстановлении спиртами реакция сопровождается образованием этилариловых эфиров (в данном случае этилфенилового эфира). 10.7.4.2. Реакции восстановления без выделения азота Реакции восстановления в мягких условиях приводят к образованию арилгидразинов: Ar-N N Cl + [H] + Ar-NH-NH3 Cl - Восстановление проводят в кислой среде, в качестве восстановителей используют: 1) SnCl2 + HCl, 2) Zn + CH3COOH, 3) Na2SO3, NaHSO3 или H2SO3. 10.7.4.3. Реакции азосочетания Это важнейшие реакции диазосоединений, в результате протекания которых образуются азосоединения. В этих реакциях катион арендиазония проявляет электрофильные свойства. Но из-за большого размера и высокой степени возможной делокализации заряда электрофильные свойства катиона диазония выражены слабо (см. строение катиона — гл. 10.7.2). Поэтому электрофильные реакции таких катионов могут протекать только с ароматическими соединениями, имеющими повышенную электронную плотность на бензольном кольце, то есть преимущественно с фенолами и аминами. При этом скорость реакции азосочетания увеличивают не только электронодонорные заместители в молекуле субстрата (фенола или ароматического амина), но и электроноакцепторные заместители в ароматическом кольце катиона арендиазония, повышающие его электрофильность. Азосочетание с фенолами проводят в слабощелочной среде, так как в этих условиях фенолы превращаются в более реакционноспособные феноляты: 567 Ar-N N Cl+ O- + + Ar-N=N Cl - Ar-N=N -Cl OH Но сильнощелочная среда недопустима из-за возможности превращения катиона диазония в нереакционноспособные арендиазогидроксид и арендиазотат-анион. Реакция азосочетания с фенолами в нейтральной среде, а также сочетание с алкиловыми эфирами фенолов, как правило, не осуществляются из-за низкой реакционной способности этих субстратов. Азосочетание с ароматическими аминами проводят в слабокислой среде, так как в этих условиях повышается растворимость амина Ar-N N Cl+ + Ar-N=N Cl : NRR' + pH = 4 5 -HCl Ar-N=N NRR' - , но в сильнокислой среде амин превращается в аммонийную соль, неспособную к электрофильному замещению. В нейтральной и слабощелочной среде электрофильная атака осуществляется по атому азота, и вместо продуктов азосочетания образуются триазены (диазоаминосоединения): + Ar-N=N Cl - + H2N-Ar' pH = 7 -HCl Ar-N=N-NH-Ar' , которые при нагревании в кислой среде изомеризуются в более устойчивые азосоединения — продукты реакции азосочетания. Реакция азосочетания всегда проходит в пара-положение ароматического кольца фенола или амина. Это связано с большим пространственным размером электрофильной частицы (диазокатиона) и, значит, стерическими препятствиями при атаке в орто-положение. Однако если п-положение в исходной молекуле фенола или амина занято, то становится возможной электрофильная атака в о-положение. Если соль арендиазония содержит несколько сильных электроноакцепторных групп в ароматическом кольце, то она может сочетаться не только с аминами и фенолами, но и с эфирами фенолов и даже с некоторыми аренами, например, с мезитиленом: 568 NO2 + H 3C N N X O2N H 3C NO2 NO2 H3C N N O2N NO2 CH3 + CH3 H3C Реакция азосочетания — это не только один из распространѐнных способов получения азосоединений, но и реакция образования азокрасителей, в молекулы которых входит структурный фрагмент азосоединения. Номенклатура азокрасителей вообще и азосоединений в частности связана с этим способом получения. В реакции азосочетания катион диазония (электрофильный реагент) называется диазосоставляющей, а молекула субстрата (как правило, фенола или амина) — азосоставляющей. Основа названия — азосоставляющая, а диазосоставляющая присутствует в названии как заместитель «арилазо-». Однако по заместительной номенклатуре названия приводят в соответствии с еѐ принципами, используя название азогруппы «диазенил». Например: HO N N SO3H 4-(4-гидроксифенилдиазенил)-бензолсульфоксислота или п-(п'-сульфофенилазо)фенол Многие азосоединения интенсивно поглощают в видимой области спектра и могут быть использованы как для крашения тканей, бумаги, полимерных материалов, так и в качестве индикаторов в аналитической химии. Азокрасители содержат в молекуле одну или несколько азогрупп и электронодонорные группы -OH, -NH2, -N(CH3)2, -N(C2H5)2 и др. Кроме того, могут присутствовать и акцепторы -NO2, -SO3H и др. В результате в молекуле создаѐтся длинная цепь сопряжения, и при поглощении кванта света легко происходят электронные переходы *; за счѐт этого вещество поглощает свет определѐнной длины волны в видимой области. Одной из первых теорий цветности была теория О. Витта (1876 г.), согласно которой окрашенные соединения содержат ненасыщенные группы – хромофоры (например, N=N, NO2, NO, CH=CH, C=O), ответственные за цвет органических соединений (такие соединения называются хромогенами), и электронодонорные группы 569 – ауксохромы (например, OH, SH, NH2, NHR, NR2), повышающие интенсивность окраски. Известно огромное количество азокрасителей. К ним относятся и индикаторы, меняющие свою окраску в зависимости от рН среды. При протонировании или депротонировании таких молекул сопряжѐнная система меняет свои свойства и, соответственно, изменяется цвет. Примером индикатора, относящегося к азосоединениям, является метиловый оранжевый: - SO3 SO3H H+ N=N OH N=N - H3C N CH3 H3C N CH3 10.8. АРОМАТИЧЕСКИЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ В ароматических альдегидах карбонильная группа >C=O связана с ароматическим кольцом, в ароматических кетонах — с одним или двумя ароматическими радикалами (второй углеводородный радикал может быть алифатическим). Поэтому в общем виде ароматические карбонильные соединения можно изобразить следующим образом: O Ar - C = H O Ar - C = R O Ar - C = Ar' У ароматических альдегидов и кетонов имеются свои отличия в строении и химическом поведении как между собой, так и по сравнению с алифатическими аналогами. 10.8.1. ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Так же, как и для алифатических карбонильных соединений, для ароматических альдегидов и кетонов характерны скелетная и позиционная разновидности структурной изомерии. Кроме того, среди изомеров ароматиче570 ских карбонильных соединений можно выделить соединения, содержащие ароматическое кольцо в алифатической углеводородной цепи альдегида или кетона, например: O CH2-C-CH3 O CH2-CH2-C = H В молекулах таких соединений отсутствует прямое взаимодействие между карбонильной группой и бензольным кольцом, и поэтому, за некоторым исключением, здесь они рассматриваться не будут. Относительно небольшое число ароматических альдегидов и кетонов имеют распространѐнные тривиальные названия. Например: CHO CHO CHO OCH3 CH3 бензальдегид CHO OCH3 толуиловые альдегиды (о-, м-, п-) OH анисовый альдегид O C-CH3 ванилин O C ацетофенон бензофенон Из систематических названий альдегидов более всего распространена заместительная номенклатура, по которой к названию циклической системы (арена или другого ароматического соединения) добавляется обозначение «карбальдегид» (гл. 1.5.1), а названия ароматических кетонов (так же как и для алифатических) строятся при помощи суффикса -он. Например: O = C H H3C — бензолкарбальдегид, CHO O C-CH3 — 4-метилбензолкарбальдегид, или п-толуолкарбальдегид, — 1-фенилэтанон. 571 Однако для названий кетонов чаще используется радикало-функциональная номенклатура, по которой сначала перечисляются в алфавитном порядке радикалы, связанные с кетонной группой, а затем добавляется слово «кетон». Например, ацетофенон (1-фенилэтанон) получит название метилфенилкетон. 10.8.2. СТОЕНИЕ БЕНЗАЛЬДЕГИДА В карбонильной группе >C=O-связь между O углеродом и кислородом сильно-полярна из-за смеC щения к атому кислорода как -, так и -электронов этой связи. Но в молекулах ароматических альдегиH -I дов и кетонов (например, в бензальдегиде) карбо-M нильная группа связана с ароматическим кольцом. Поэтому по отношению к нему альдегидная группа в молекуле бензальдегида является сильным электроноакцептором как за счѐт индуктивного, так и за счѐт мезомерного влияния (гл. 10.1.1). Мезомерный эффект проявляется за счѐт перекрывания рz-орбиталей карбонильного атома углерода и атома углерода бензольного кольца. В результате электронная плотность на кольце понижена, и особенно в орто- и пара-положениях. HC=O HC-O HC-O + HC-O HC=O + + В итоге молекула бензальдегида плоская, все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации, углы близки к 120. При смещении электронной плотности с бензольного кольца происходит экранирование карбонильного атома углерода, и бензальдегид труднее вступает в характерные для альдегидов реакции нуклеофильного присоединения, чем алифатические альдегиды. Таким образом, результатом такого распределения электронной плотности является уменьшение реакционной способности бензальдегида как по отношению к электрофилам в сравнении с бензолом, так и по отношению к нуклеофилам в сравнении с алифатическими аналогами. 572 10.8.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Ароматические карбонильные соединения — это бесцветные жидкости или кристаллические вещества с приятным запахом. Химические свойства, прежде всего, определяются наличием карбонильной группы (поэтому они должны быть аналогичны алифатическим альдегидам и кетонам) и бензольного кольца (как для любых замещѐнных бензолов). Однако возможны и специфические реакции. Здесь не будут рассматриваться реакции, аналогичные алифатическим альдегидам и кетонам, такие как окисление, восстановление, замещение в алифатическом радикале (для жирно-ароматических кетонов), в том числе галоформная проба и некоторые из реакций нуклеофильного присоединения (гл. 6.1.4.1). Хотя, например, окисление ароматических альдегидов протекает очень легко даже кислородом воздуха на свету. Это объясняется образованием стабильного ароильного радикала C=O 10.8.3.1. Нуклеофильное присоединение Это типичные реакции всех альдегидов и кетонов. Ранее на примере алифатических аналогов (гл. 6.1.4.1) рассматривался этот тип реакций. Для ароматических карбонильных соединений также характерно присоединение воды, спиртов, синильной кислоты, гидросульфита натрия, аммиака и его производных, реактивов Гриньяра; по этому механизму протекают также рассмотренные ранее в алифатическом ряду реакции с гидридами металлов, пентахлоридом фосфора. Для оксимов кетонов возможно протекание бекмановской перегруппировки с образованием N-ариламидов ароматических карбоновых кислот. В целом ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособны, чем их алифатические аналоги. Это объясняется двумя причинами: электронной и стерической. Первая причина связана со смещением электронной плотности с бензольного кольца на карбонильный атом углерода и уменьшением за счѐт этого эффективного положительного заряда на этом атоме и электростатическим отталкиванием нуклеофильной частицы -электронной плотностью бензольного кольца. Вторая причина — это пространственные препятствия для подхода атакующей частицы к реакционному центру (карбонильному атому углерода). Уменьшение реакционной способности ароматических соединений по сравнению с алифатическими отразилось и на возможности протекания некоторых АN-реакций. Так, если с гидросульфитом натрия взаимодействуют 573 любые альдегиды и алифатические метилкетоны, то ароматические кетоны не присоединяют NaHSO3. O O OH O CH-SO3H + S=O CH-SO3 C= H OH O O C= CH3 + S=O OH Аналогично формальдегиду (и некоторым другим алифатическим альдегидам) аренкарбальдегиды могут вступать в реакцию с фенолами и ароматическими аминами, как, например, рассмотрено в главах 10.5.3.3 и 10.6.3.1 на примере взаимодействия фенола и анилина с формальдегидом. Если субстратом считать фенол (или анилин), то механизм реакции SE, а по отношению к альдегиду механизм АN. Отсутствие -водородных атомов в молекулах ароматических альдегидов создаѐт препятствия для протекания обычных в алифатическом ряду реакций альдольной и кротоновой конденсации. Поэтому для аренкарбальдегидов будут возможны только перекрѐстные реакции с участием алифатического альдегида, кетона или родственных соединений, содержащих водородные атомы. При этом альдоль не образуется, а получаются сразу непредельные соединения (аналогичные продуктам кротоновой конденсации в алифатическом ряду). Например: - O-CH CH2-C=O HC=O + H H CH-C=O OH - H2O HC - OH CH-C=O - Или конденсация ароматических альдегидов с алифатическими альдегидами или кетонами (реакция КляйзенаШмидта), протекающая в присутствии водных растворов щелочей: . 30С, ОН Ar-CH=CR-С(O)R’ + Н2О Ar-CHO + R-СН2-СО-R’ 15 Аналогичная реакция протекает с нитроалканами: Ar-CHO + СН3NО2 Ar-CH=CH-NO2 574 Взаимодействие ароматических альдегидов с ангидридами карбоновых кислот известно под названием конденсации Перкина*. Например: O = O CH -C 3 + C= O H CH3-C= O CH3COOK CH=CH-COOH -CH3COOH Образование сразу непредельного продукта в этих случаях можно объяснить его устойчивостью за счѐт наличия длинной сопряжѐнной системы с участием ароматического кольца. Такая сопряжѐнная система не может образоваться, если реакция протекает только между алифатическими соединениями. 10.8.3.2. Диспропорционирование Ранее на примере алифатических альдегидов рассматривались реакция Канниццаро и реакция Тищенко (гл. 6.1.4.3). В ароматическом ряду механизм и условия протекания этих реакций аналогичны алифатическим соединениям. В реакции Каниццаро все аренкарбальдегиды ввиду особенностей их строения (отсутствие -водородного атома) в присутствии щелочей превращаются в соль ароматической карбоновой кислоты и ароматический спирт. O 2 Ar - C = H - +OH O Ar - C = O + Ar - CH2OH В присутствии формальдегида как более активного вещества будет происходить восстановление аренкарбальдегида. O Ar - C = H O +OH = + H-C H Ar - CH2OH + HCOO - Главным ограничением протекания реакции в ароматическом ряду являются стерические препятствия. 10.8.3.3. Электрофильное замещение Для альдегидов и кетонов реакции электрофильного замещения по бензольному кольцу протекают труднее, чем для незамещѐнного бензола и аренов, так как электронная плотность на кольце понижена за счѐт –I- и –Mэффектов карбонильной группы. То есть, для них скорость реакций нитрования, сульфирования, галогенирования существенно ниже, чем для бензола, а реакции алкилирования, ацилирования, нитрозирования либо совсем не осуществляются, либо требуют для протекания особых условий. 575 Понижение электронной плотности за счѐт –M-эффекта происходит в основном на атомах углерода о- и п-положений ароматического кольца (гл. 10.1.1), поэтому если реакция возможна, то протекает преимущественно в м-положение. Мета-ориентирующее действие карбонильной группы может быть объяснено также и сравнением устойчивости образующихся комплексов. Примеры реакций электрофильного замещения в молекуле бензальдегида можно представить в виде следующей схемы: CHO CHO HNO3/H2SO4 - H2O NO2 CHO H2SO4+SO3 SO3H CHO Cl2/AlCl3 - HCl Cl Вследствие лѐгкой окисляемости альдегидной группы в этих условиях одновременно могут проходить и реакции окисления. 10.8.3.4. Специфические реакции Бензоиновая конденсация (реакция Зинина). В эту реакцию вступают только ароматические альдегиды. Происходит конденсация двух молекул аренкарбальдегида при действии на него цианида калия (продукт реакции называется бензоином): O = 2 Ar-C H KCN HO O Ar C C Ar H Реакция начинается как обычное нуклеофильное присоединение цианидиона к альдегиду, но образующийся в результате такого присоединения анион перегруппировывается в более устойчивую структуру, в которой отрицательный заряд делокализован с участием и цианогруппы, и бензольного кольца: 576 O Ar C C N H O Ar - C = + :CN H OH Ar C C N Образовавшаяся частица, проявляя нуклеофильные свойства, необратимо взаимодействует со второй молекулой аренкарбальдегида, а дальнейшая перегруппировка и отщепление цианид-иона определяются образованием более устойчивых продуктов: OH HO O: O- O H O Ar C C Ar Ar - C = + Ar C C N Ar C C Ar H H CN H CN - -CN OH O Ar C C Ar H Расщепление диарилкетонов. Эта реакция протекает при действии на кетоны амидов щелочных металлов. O O O :NH2 Ar C NH2 Ar C NH2 + :Ar' Ar C Ar' Ar' O Ar C NH + Ar'-H Продуктами реакции являются арен и амид аренкарбоновой кислоты (при подкислении). Образование кетил-радикалов. Для бензофенона и некоторых его производных при присоединении атома водорода характерно образование стабильных радикалов. Например, в растворе изопропилового спирта при поглощении кванта света молекула бензофенона переходит в возбуждѐнное состояние вследствие перескока электрона с одного энергетического уровня на другой (со связывающих орбиталей на разрыхляющие). Бензофенон имеет долгоживущее (10-2с) возбуждѐнное состояние. Затем происходит отрыв водорода от молекулы растворителя с образованием кетил-радикала. Этот радикал отрывает ещѐ один атом водорода, давая бензгидрол, или димеризуется до бензпинакона: 577 * C O h C O (CH3)2CHOH C HC OH OH C OH C OH 10.8.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Среди способов получения ароматических карбонильных соединений наиболее важными являются те же способы, что и для получения алифатических альдегидов и кетонов (гл. 6.1.5). 1. Гидролиз ,-дигалогенаренов: O Cl Ar C R Cl H2O -2HCl Ar C R Способ пригоден для получения альдегидов, жирно-ароматических и чистоароматических кетонов. 2. Окисление первичных и вторичных спиртов протекает так же, как и для алифатических соединений (гл. 3.3.3.5). 3. Из хлорангидридов карбоновых кислот а) восстановлением, например, водородом на палладиевом катализаторе O = Ar-C Cl O Ar-C = H [H] - HCl б) кадмийорганическим синтезом (гл. 6.4.4.2) O = Ar - C Cl + Cd(C2H5)2 578 - CdCl2 O = Ar - C C2H5 4. Пиролиз карбоновых кислот или их кальциевых или бариевых солей. Однако для ароматических карбонильных соединений существуют и другие способы получения. 5. Окисление аренов (арилметанов, диарилметанов, алкиларилметанов) кислородом в присутствии катализаторов или обычными неорганическими окислителями, например: Ar-CH2-R O Ar C R [O] 6. Формилирование и ацилирование аренов: O = + R' - C Cl R O AlCl3 R C R' + HCl Это обычная реакция электрофильного замещения в ароматическое кольцо (реакция Фриделя–Крафтса), условия, механизм и особенности протекания которой рассмотрены в гл. 9.5.1. Формилирование может проводиться смесью монооксида углерода и хлороводорода (реакция Гаттермана–Коха): O R CO, HCl, AlCl3 R C H 10.8.5. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Бензальдегид — бесцветная жидкость с температурой кипения 180С и запахом горького миндаля. Малорастворим в воде. В промышленности бензальдегид получают из толуола (прямым окислением или хлорированием до бензилидендихлорида С6H5CHCl2 и последующим его гидролизом). Используется в парфюмерной и пищевой (как вкусовое вещество) промышленности. Ацетофенон С6H5COCH3 — бесцветное легкоплавкое вещество с температурой плавления 20С и запахом черѐмухи. В промышленности ацетофенон получают из бензола ацетилированием или из этилбензола окислением. Используется в парфюмерной промышленности. 579 Бензофенон С6H5COС6H5 — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 49С. В промышленности бензофенон получают окислением дифенилметана. Используется в органическом синтезе и в качестве фотосенсибилизатора. 10.9. АРОМАТИЧЕСКИЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ Ароматические карбоновые кислоты содержат в своих молекулах связанные друг с другом ароматическое кольцо и карбоксильную группу (возможно, не одну). Как и алифатические аналоги, ароматические карбоновые кислоты могут образовывать ацильные производные (ангидриды, галогенангидриды, сложные эфиры, амиды, соли) и нитрилы. 10.9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА По количеству карбоксильных групп, содержащихся в молекулах карбоновых кислот их можно разделить на монокарбоновые, дикарбоновые, трикарбоновые и т. д. кислоты. Для названия ароматических карбоновых кислот наиболее применима заместительная номенклатура. При этом атомы углерода карбоксильной группы не включаются в родоначальную структуру. Таким образом, простейшая ароматическая кислота должна получить название «бензолкарбоновая кислота», однако за ней сохраняется тривиальное название бензойная кислота, которое используется как родоначальное при составлении названий замещѐнных ароматических кислот. Например: COOH COOH C2H5 бензолкарбоновая кислота, 2-этилбензойная кислота или бензойная кислота HO COOH C2H5 4-гидрокси-3-этилбензойная кислота Ацильные производные бензойной кислоты называются при помощи слова «бензоил» (название ацила) или «бензоат» (название ацилата); для амида название «бензолкарбоксамид» обычно сокращается до бензамида. Нитрил бензойной кислоты должен называться соответственно «бензолкарбонитрил»; название сокращается до бензонитрила: 580 O C= Cl O C= OCH3 бензоилхлорид O C= NH2 метилбензоат бензамид C N бензонитрил Названия производных замещѐнных бензойных кислот строятся на основе названий производных бензойных кислот. Например: C2H5 O C= Cl Cl O C= ONa 2-этилбензоат натрия 4-хлорбензоилхлорид Для ряда кислот и их производных сохраняются тривиальные и широко используются полутривиальные названия. Например: COOH COOH COOH COOH COOH COOH OCH3 COOH фталевая изофталевая терефталевая анисовая COOH CH3 толуиловые (о-, м-, п-) 10.9.2. СТРОЕНИЕ БЕНЗОЙНОЙ КИСЛОТЫ Карбоксильная группа в молекуле бензойной киO слоты оказывает по отношению к ароматическому C кольцу электроноакцепторные индуктивный и мезоO H мерный эффекты (аналогия со строением бензальдегида — гл. 10.8.2). Электронная плотность на кольце пони-M -I жена, особенно в о- и п-положениях. В сопряжение вовлекается и атом кислорода OH-группы, в связи с чем вся молекула имеет плоское строение. 10.9.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Ароматические карбоновые кислоты представляют собой белые кристаллические вещества, некоторые из них обладают приятным запахом. Важнейшими свойствами самих карбоновых кислот (ароматических так же, как и алифатических) и в ряде случаев таких их производных, как 581 амиды, являются их кислотно-основные свойства. При этом оснóвные свойства незначительны и практического значения не имеют. Так же, как и для алифатических аналогов, для ароматических кислот и их производных характерны реакции в ацильной группе, приводящие к получению одних производных из других. Ароматические карбоновые кислоты и их производные также вступают во многие реакции, характерные для алифатических аналогов. Это такие, как расщепление амидов по Гофману, декарбоксилирование серебряных солей (реакция Бородина) и другие. Ещѐ одним важным свойством этих соединений являются реакции по бензольному кольцу, что характерно для всех ароматических производных. 10.9.3.1. Кислотные свойства Для ароматических карбоновых кислот кислотность связана с возможностью отрыва катиона водорода от карбоксильной группы и образованием стабильного ацилат-иона. При этом аренмонокарбоновые кислоты относятся к слабым OH-кислотам. Бензойная кислота лишь ненамного сильнее уксусной (рКа для бензойной равна 4.17 против 4.76 для уксусной). Лучше всего это можно объяснить возможностью более полной делокализации отрицательного заряда аниона кислотного остатка с участием -электронной системы бензольного кольца. O O C= O C O Поэтому так же, как и в случаях с аренсульфокислотами и фенолами, электроноакцепторные заместители будут увеличивать кислотные свойства, а электронодонорные, наоборот, — уменьшать. CO2 CO2 A D Однако для некоторых заместителей, находящихся в орто-положении бензольного кольца по отношению к карбоксильной группе, влияние на кислотные свойства аренкарбоновых кислот не ограничивается индуктивным и мезомерным эффектами (и пространственным эффектом тоже). Это так называемый орто-эффект, проявляющийся во взаимодействии карбоксильной и находящейся к ней в о-положении функциональной группы за счѐт внутримолекулярных водородных связей. Примером проявления орто-эффекта является взаимодействие заместителей в бензольном кольце салициловой кислоты, увеличивающее еѐ кислотность по сравнению с бензойной (рКа = 582 3.00) за счѐт увеличения полярности О–Н-связи в карбоксильной группе и стабилизации образующегося аниона: ... O H ... O H O H O C= O O + C= O H -H O - C O салициловая кислота Это характерно также для антраниловой (о-аминобензойной) кислоты, для фталевой (о-бензолдикарбоновой кислоты) и аналогичных по структуре о-замещѐнных бензойных кислот. В целом арендикарбоновые и аренполикарбоновые кислоты являются более сильными, чем монокарбоновые (сказывается акцепторное влияние второй карбоксильной группы). Значительными кислотными свойствами обладают также амиды и имиды некоторых кислот. Например, фталимид является типичной (хотя и слабой) NH-кислотой (рКа = 8.3): O N H O Он растворяется в водных щелочах (солеобразование с последующим гидролизом). Поэтому для получения стабильных солей их синтезируют в безводной среде. Соли фталимида (например, фталимид калия) нашли применение в получении чистых первичных аминов (синтез Габриэля*): O C = = O C N K R-Cl - KCl N-R C O = = C O + + H2O/HCl COOH COOH + H2N-R Первая стадия здесь — взаимодействие галогеналкана с фталимидом калия, являющимся нуклеофилом, — типичная реакция SN в ряду галогеналканов, алкилирование фталимида проводят при 080С. Затем следует гидролиз 583 образовавшегося N-алкилфталимида, который обычно проводят серной или дымящей соляной кислотой при нагревании до 200С. 10.9.3.2. Реакции в ацильной группе Реакции нуклеофильного замещения в карбоксильной группе карбоновых кислот и в ацильных группах производных этих кислот протекают аналогично рассмотренным ранее алифатическим аналогам (гл. 6.4.4.2) — из одних ацильных производных образуются другие ацильные производные. Nu O Ar - C = + Nu X O Ar - C = Nu - Ar - C - O -X X - Возможен и кислотный катализ. O Ar - C = X - X+-H + + +H OH Ar - C = X + Ar - C OH X - + Nu Nu Ar - C - O H X O = Ar - C Nu Скорость реакции зависит от пространственных факторов, величины заряда на карбонильном атоме углерода и природы уходящей группы (еѐ основности). Таким образом, реакционная способность ароматических карбоновых кислот и их производных уменьшается в том же ряду, что и их алифатических аналогов: O O O O O O > Ar - C = > Ar - C = Ar - C = > Ar-C-O-C-Ar > Ar - C = Cl OR NH2 OH Для аренкарбоновых кислот характерны также реакции декарбоксилирования, начинающиеся с нуклеофильной атаки по карбонильному атому углерода (гл. 6.4.4.4). 10.9.3.3. Электрофильное замещение Карбоксильная группа оказывает электроноакцепторное влияние на бензольное кольцо и направляет вступающий электрофил преимущественно в мета-положение. Это можно показать граничными формулами распределения электронной плотности в исходной молекуле бензойной кислоты: 584 HO-C=O HO-C=O HO-C-O HO-C-O HO-C-O + + + Из SE-реакций для аренкарбоновых кислот (и их ацильных производных) характерны реакции нитрования, сульфирования и галогенирования. Например: COOH + NO2 COOH - H+ NO2 COOH SO3H + - H+ SO3H 10.9.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Для получения ароматических карбоновых кислот можно использовать способы, применяющиеся для получения их алифатических аналогов (гл. 6.4.5). 1. Окисление спиртов, альдегидов, кетонов. 2. Гидролиз ,,-тригалогенаренов. 3. Металлорганический синтез (карбоксилирование реактивов Гриньяра). 4. Гидролиз (гидратация) нитрилов. Однако ароматические карбоновые кислоты и их производные можно получать не только выше перечисленными, но и другими способами. 5. Окисление аренов кислородом в присутствии катализаторов (соли кобальта и марганца) или обычными неорганическими окислителями (перманганаты, дихроматы). Эти реакции были рассмотрены в главе 9.5.1.4. 6. Ацилирование аренов с помощью фосгена — прямой способ получения галогенангидридов: + COCl2 AlCl3 - HCl 585 O = C Cl 10.9.5. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Бензойная кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 122С. Легко возгоняется. Обладает бактерицидными свойствами. В промышленности бензойную кислоту получают окислением толуола. Используется для получения красителей, душистых и лекарственных веществ. п-Аминобензойная кислота (витамин H1) участвует во многих жизненно важных процессах в качестве промежуточного вещества. В связи с этим является жизненно важным фактором для многих микроорганизмов, а также необходимым элементом для биосинтеза некоторых витаминов. Эфиры п-аминобензойной кислоты нашли применение в медицине как лекарственные вещества с местноанестезирующим действием. Примерами таких веществ могут служить новокаин и анестезин. Этиловый эфир п-аминобензойной кислоты (анестезин) применяется как местноанестезирующее средство более 70 лет. Получают его из п-нитротолуола по следующей схеме: CH3 NO2 COOH COOC2H5 COOC2H5 K2Cr2O7 C2H5OH Fe H2SO4 H2SO4 CH3COOH NO2 NO2 NH2 анестезин Терефталевая кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 425С, но при температуре 300С возгоняется. В промышленности терефталевую кислоту получают окислением п-ксилола кислородом воздуха. Используется в производстве синтетического волокна лавсана (полиэтилентерефталата) и кевлара (поли-п-фенилентерефталата). Такие полимеры обладают прекрасной термической устойчивостью (что определяется наличием ароматических циклов) и очень хорошими механическими свойствами. Фталевый ангидрид — бесцветное кристаллическое O вещество с температурой плавления 131С. В промышленности фталевый ангидрид получают O окислением нафталина или о-ксилола. Применяется для получения полиэфиров, пластифиO каторов и красителей; используется в органическом синтезе для получения биологически активных соединений. 586 Салициловая кислота (гл. 10.5.3, 10.9.3.1) — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 159С. Легко возгоняется. В промышленности получают карбоксилированием фенола. Салициловая кислота и еѐ производные используют в медицине в качестве лекарственных препаратов. 10.10. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ БЕНЗОЛА Как уже указывалось в главе 9.7, при метаболическом окислении ароматических углеводородов в результате ароматического гидроксилирования образуются фенолы. Аналогичные продукты образуются и при окислении различных функциональных производных. Важную роль здесь играет структурная избирательность, зависящая от свойств субстрата. Например, при метаболизме анилина образуются все три возможных изомерных гидроксипроизводных (50 % п-гидроксианилина, 10 % о-изомера и 0.1 % м-изомера), тогда как из нитробензола преимущественно образуются п- и м-изомеры. Если бензольное ядро ксенобиотика содержит несколько заместителей, то гидроксилирование может идти по нескольким положениям, как, например, в случае салициловой кислоты: OH COOH OH OH COOH COOH + HO OH салициловая кислота COOH + OH HO OH Среди лекарственных препаратов на основе салициловой кислоты наиболее известны фенилсалицилат (салол), ацетилсалициловая кислота (аспирин). Фенилсалицилат является эфиром салициловой кислоты и фенола: COO OH Он применяется в порошках и таблетках при заболеваниях кишечника. Действие препарата основано на том, что в слабощелочном содержимом кишечника фенилсалицилат гидролизуется до салициловой кислоты и фенола, которые угнетающе действуют на кишечную флору. Салициловая кислота и 587 фенол частично выделяются из организма почками и могут оказывать дезинфицирующее действие в мочевых путях. Действие ацетилсалициловой кислоты во многом сходно с действием на организм салицилата натрия, что понятно, так как ацетильное производное в желудочно-кишечном тракте гидролизуется: COOH O O C CH3 + H2O COOH + CH3COOH OH Ацетилсалициловую кислоту применяют внутрь при мигрени, а также как жаропонижающее и болеутоляющее средство. Она оказывает противовоспалительное действие. При метаболическом расщеплении О-замещѐнных фенолов скорость О-дезалкилирования снижается при увеличении длины неразветвлѐнной алкильной цепи, а электронодонорные группы около -углеродного атома увеличивают скорость реакции. Значительное влияние на скорость реакции оказывают и заместители в ароматическом цикле, однако не менее существенна и роль пространственных факторов. п-Бензохинон, как и все хиноны, — сильный окислитель. Окислительно-восстановительные свойства системы хинон–гидрохинон играют важную роль в организме. По отношению к большинству органических субстратов эта система играет роль окислителя, участвуя в переносе электронов от субстрата к кислороду. Анилин и многие ароматические амины довольно токсичны. Они являются нервными и кровяными ядами. Анилин обладает жаропонижающим действием, однако не применяется в медицине вследствие своей токсичности. Большое значение в химии лекарственных соединений имеют аминокислоты ароматического ряда, которые участвуют во многих жизненно важных процессах в качестве промежуточных веществ. Это п-аминобензойная кислота (витамин H1). Если п-аминобензойная кислота является необходимым фактором для нормальной деятельности микроорганизмов, то п-аминосалициловая кислота, участвуя в обмене веществ, подавляет рост микроорганизмов. Таким образом, п-аминосалициловая кислота является антагонистом п-аминобензойной кислоты. п-Аминосалициловая кислота и еѐ натриевая соль обладают бактериостатической активностью в отношении микобактерий туберкулѐза и относятся к основным противотуберкулѐзным препаратам. При 588 приѐме внутрь п-аминосалициловая кислота хорошо всасывается и проникает в сыворотку крови и ткани внутренних органов. п-Аминосалициловую кислоту и еѐ соль часто применяют в комбинации с другими противотуберкулѐзными препаратами. Получают п-аминосалициловую кислоту из м-аминофенола карбоксилированием: COONa OH OH CO2, NaHCO3 NH2 NH2 ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Сравните строение и реакционную способность галогенозамещѐнных углеводородов ароматического и алифатического рядов. Найдите сходство и объясните различие в поведении хлорбензола, этилхлорида и винилхлорида. 2. Разберите механизмы реакций нуклеофильного замещения в ароматическом кольце на примере ароматических галогенопроизводных. 3. Сравните кислотные свойства следующих соединений: п-нитробензолсульфокислоты, бензолсульфокислоты, п-хлорбензолсульфокислоты, о-толуолсульфокислоты, воды. Объясните. 4. Какое из предложенных соединений наиболее легко десульфируется: бензолсульфокислота, п-хлорбензолсульфокислота, о-толуолсульфокислота, п-нитробензолсульфокислота. Поясните. Приведите механизм реакции. 5. Объясните, почему для ароматических сульфокислот возможны реакции замещения сульфогруппы как по электрофильному, так и по нуклеофильному пути. Сравните условия протекания этих реакций. 6. Какие продукты образуются при взаимодействии п-изопропилбензолсульфокислоты: а) с концентрированной серной кислотой, б) с избытком нитрующей смеси, в) с кипящей очень разбавленной соляной кислотой? Приведите механизмы реакций. 7. Приведите три уравнения реакций хлорирования п-толуолсульфокислоты: а) хлором в присутствии железа, б) хлором на свету, в) пентахлоридом фосфора (V). Приведите механизмы этих реакций. 589 8. Приведите механизм нуклеофильного замещения для 1,2,3-тринитробензола при взаимодействии с гидроксидом натрия. Какая нитрогруппа заместится в первую очередь и сколько всего нитрогрупп заместится при избытке нуклеофильного реагента? Поясните. Приведите механизм реакции. 9. Проведите сульфирование: а) этилбензола, б) бензойной кислоты. Рассмотрите механизм реакции сульфирования на примере (а). Объясните, почему группа -СООН является м-ориентантом и обладает дезактивирующим действием. 10.Какие продукты образуются при взаимодействии ,п-динитротолуола: а) с нитрующей смесью, б) с разбавленным водным раствором щѐлочи? Приведите механизмы реакций. 11.Сравните строение и свойства фенолов и ароматических спиртов. Каковы причины различия и в чѐм наблюдаются общие черты? Приведите примеры. 12.Сравните кислотные свойства следующих соединений: фенол, п-нитрофенол, п-хлорфенол, о-нитрофенол, м-нитрофенол. Объясните. 13.Сравните основные свойства следующих соединений: бензиламин, этиламин, аммиак, N-этиланилин, п-этиланилин. Объясните. 14.Приведите схемы и механизмы реакций превращения следующих аминов при взаимодействии с азотистой кислотой: а) м-броманилина, б) N,Nдиметиланилина. 15.Из анилина получите: а) п-нитроанилин, б) N,N-диэтиланилин. Какой из аминов будет проявлять более сильные оснóвные свойства? Дайте объяснение. 16.Получите п-толуиловый альдегид: а) окислением ароматического спирта, б) гидролизом соответствующего дигалогенопроизводного. Для альдегида приведите уравнения реакций: а) с гидроксиламином, б) конденсации с уксусным ангидридом (укажите условия конденсации). 17.Для п-хлорбензальдегида приведите механизмы реакций: а) с ацетоном, б) уксусным альдегидом, в) уксусным ангидридом. 18.Сравните кислотные свойства следующих соединений: бензойная кислота, п-бензолдикарбоновая кислота, п-гидроксибензойная кислота, п-нитробензойная кислота. Объясните. Какое из этих соединений легче вступает в реакцию электрофильного замещения? 19.Получите п-толуиловую кислоту следующими реакциями: а) гидролизом нитрила, б) окислением спирта. Для кислоты напишите схемы реакций: а) образования хлорангидрида кислоты, б) бромирования в присутствии катализатора (SE). 20.С помощью каких реакций можно различить следующие соединения: а) бензилацетат и п-этилбензойную кислоту, б) бензамид и п-аминобензойную кислоту? 590 Глава 11. ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ Полициклические соединения содержат несколько бензольных колец. Их молекулы могут содержать как изолированные, так и конденсированные друг с другом циклы. К соединениям с изолированными бензольными кольцами относят дифенил (бифенил), стильбены, толан, полиарилметаны и их производные: CH=CH дифенил E- и Z-стильбены C C CH толан CH2 трифенилметан дифенилметан Наличие изолированного бензольного кольца в молекулах этих соединений во многом определяет их строение и важнейшие свойства. К соединениям с конденсированными бензольными кольцами относят, например, нафталин, антрацен, фенантрен и их производные: нафталин фенантрен антрацен Эти углеводородные системы обладают большей специфичностью в химическом поведении, чем молекулы с изолированными циклами, они также являются структурной основой для многих природных и биологически важных веществ. Поэтому в данной главе будут рассмотрены соединения с конденсированными бензольными кольцами. 591 11.1. КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ ЦИКЛАМИ В зависимости от расположения нескольких циклов относительно друг друга полициклические углеводороды можно разделить на три группы: линейные (или линейные ацены), ангулярные (или ангулярные фены) и перициклические. К представителям линейных аценов относятся нафталин и антрацен (см. выше). К представителям ангулярных фенов относится фенантрен (см. выше). Примерами перициклических углеводородов могут служить пирен, коронен, овален: пирен коронен овален 11.2. НАФТАЛИН Нафталин — конденсированная система, состоящая из двух бензольных колец. Эти кольца имеют два общих атома углерода: HC HC H C C H C C H C C H CH CH , или , или Нафталин широко применяется для производства фталевого ангидрида, нафтолов, нафтиламинов и других производных, используемых в производстве красителей, а также в производстве лекарственных препаратов и дубильных веществ. Используется и в качестве инсектицида. 592 11.2.1. СТРОЕНИЕ, ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Все атомы углерода молекулы нафталина расположены в одной плоскости, атомные орбитали, участвующие в образовании -связей, находятся в гибридизации, близкой к sp2, а негибридные pz-орбитали образуют единую бициклическую сопряжѐнную систему. Поэтому молекулу нафталина можно представить в виде трѐх граничных структур: a d b a c d a b c d b c Из них следует, что связи а, b, c и d обладают разным -характером. Так, для связей а, c и d это 13 , а для связи b — 2 3 . Другими словами, связь b по характеру ближе к двойной, а остальные углерод-углеродные связи — к ординарным. Это условно можно изобразить следующей структурой: Это подтверждается и квантово-химическими расчѐтами: связь b имеет больший -характер (0.725 ) по сравнению с другими углерод-углеродными связями. Длины углерод-углеродных связей в молекуле нафталина также неодинаковы: длина связи b составляет 0.138 нм, а других углерод-углеродных связей — 0.1410.142 нм. Каждый из шестичленных циклов в молекуле нафталина (один из двух) обладает ароматичностью, так как представляет собой 6--электронную циклическую сопряжѐнную систему. Оставшиеся четыре атома углерода можно представить диеновой системой, соединѐнной с бензольным кольцом: Нафталин обладает ароматичностью, однако его ароматичность ниже ароматичности бензола, поскольку электронная плотность распределена неравномерно. В отличие от молекулы бензола атомы углерода в нафталине неодинаковы. Ниже приведена общепринятая нумерация в нафталиновой системе и 593 обозначения атомов углерода при помощи греческих букв с учѐтом имеющихся плоскостей симметрии: 8 7 6 9 1 2 3 10 4 5 Поэтому для монозамещѐнных нафталинов возможны - и -изомеры: X X -замещѐнный нафталин -замещѐнный нафталин Положение заместителей в дизамещѐнных нафталинах может быть обозначено как цифровыми локантами, так и в некоторых случаях приставками орто-, мета-, пара-, пери-, амфи-: X X X X орто-изомер мета-изомер X X пара-изомер X X X X пери-изомер амфи-изомер Всего же возможно для дизамещѐнных нафталинов 10 структурных изомеров в случае одинаковых заместителей и 14 — в случае разных. Примеры названий: 594 NO2 SO3H NO2 1,5-динитронафталин O2N 6-нитронафталин-2-сульфокислота, или амфи-нитронафталинсульфокислота Углеводородные радикалы, образованные от нафталина, носят название нафтилы: -нафтил -нафтил 11.2.2. СВОЙСТВА Нафталин — бесцветное кристаллическое вещество, летучее, с характерным запахом. Температура плавления 80С, температура кипения 218С. Аналогично углеводородам ряда бензола нафталин незначительно растворим в воде, но хорошо — в неполярных и малополярных органических растворителях. Химические свойства нафталина должны определяться, с одной стороны, наличием ароматической системы, а с другой стороны — способностью к взаимодействиям, связанным с присутствием диенового фрагмента. 11.2.2.1. Электрофильное замещение Реакции SE для нафталина протекают легче, чем для бензола. Это объясняется: 1) неравномерностью распределения -электронной плотности, а значит, большей скоростью образования -комплекса; 2) сохранением ароматичности системы на стадии образования -комплекса, что не требует затрат на преодоление энергии делокализации ароматического кольца. Направление электрофильного замещения — преимущественно в -положение. Это можно объяснить сравнением устойчивости -комплексов, представив нафталиновую систему чередующимися -связями и учитывая повышенный -характер связи С1–С2: 595 E H E H + + E + + + H E Так как связь С9–С10 имеет низкий -характер, то полного сопряжения между кольцами нет или, другими словами, -электронная проводимость между кольцами невелика. Поэтому граничные структуры представлены без учѐта участия второго кольца в делокализации положительного заряда. Типичными примерами SE-реакций здесь являются нитрование, сульфирование и хлорирование. Нитрование смесью концентрированных азотной и серной кислот протекает легко и в избытке реагента при 50С приводит к смеси 1,5- и 1,8-динитронафталинов: NO2 HNO3 + H2SO4 HNO3 + H2SO4 NO2 NO2 NO2 + NO2 1,5-динитронафталин 1,8-динитронафталин То есть как первая, так и вторая нитрогруппы вводятся в одно из -положений. Но реакция введения второй нитрогруппы осуществляется в другое, незамещѐнное, кольцо. Образование динитропроизводных происходит примерно в тех же условиях, что и мононитропроизводных по причине незначительного влияния нитрогруппы в мононитронафталине на незамещѐнное кольцо. Сульфирование нафталина в обычных условиях, так же как и нитрование, приводит к моно- и дизамещѐнным производным. Однако структура молекул продуктов сульфирования здесь сильно зависит от температурного ре596 жима. -Изомер образуется при 60С, но при температуре 160С он перегруппировывается в термодинамически более стабильный -изомер: SO3H 333 K H2SO4 433 K SO3H 433 K Вторая сульфогруппа вводится в незамещѐнное кольцо. При этом из -нафталинсульфокислоты образуется в основном смесь 1,5-, 1,7- и 2,7нафталиндисульфокислот (причѐм при низкой температуре преимущественно 1,5-изомер до 6070% от теоретического), а из -изомера — смесь 1,6-, 1,7-, 2,6- и 2,7-нафталиндисульфокислот. Хотя при продолжительном нагревании в любом случае образуются только две нафталиндисульфокислоты — 2,6- и 2,7-изомеры: SO3H HO3S H2SO4, t ... SO3H SO3H SO3H HO3S Хлорирование нафталина на хлориде алюминия протекает при 110С. При монохлорировании образуется в основном -изомер. Дальнейшее введение атомов хлора протекает неселективно как в одно, так и в оба кольца. Среди дихлорпроизводных преобладают 1,4- и 1,5-изомеры (возможно, по пространственным причинам). Но в избытке хлора продолжительное проведение реакции приводит к перхлорнафталину: 597 Cl Cl2 / AlCl3, t Cl2 / AlCl3, t 1-хлорнафталин Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl2 / AlCl3, t Cl Cl Cl Cl Cl 1,4- и 1,5-дихлорнафталины Причина такого направления протекания реакции хлорирования, в отличие от нитрования и сульфирования, в значительно меньшем акцепторном влиянии атома хлора как заместителя в ароматическом кольце, что и делает электрофильное замещение неселективным. В целом для монозамещѐнных нафталинов влияние заместителя распространяется, главным образом, на замещѐнное кольцо. Если активирующая электронодонорная группа находится у -углеродного атома, электрофил направляется, как правило, в четвѐртое положение (в меньшей степени во второе). Типичным примером может служить нитрование -нафтола, причѐм продуктом динитрования является 2,4-динитронафталин-1-ол: OH OH OH NO2 HNO3 + H2SO4 NO2 нафталин-1-ол 4-нитронафталин-1-ол NO2 2,4-динитронафталин-1-ол Если же электронодонорный заместитель находится у -углеродного атома, то электрофильная атака направляется в первое положение. Дезактивирующая электроноакцепторная группа направляет атаку электрофила в соседнее незамещѐнное кольцо, при этом, как правило, по 598 углеродным атомам (например, см. выше нитрование). Но условия реакции (как при сульфировании) могут оказывать влияние на еѐ направление. 11.2.2.2. Реакции присоединения Эти реакции подтверждают диеновый характер нафталиновой системы. Важнейшими из них являются гидрирование, галогенирование и реакции диенового синтеза. Проведение реакции гидрирования возможно в разных условиях. Присоединение молекулярного водорода на хромоникелевом катализаторе приводит сначала к тетрагидропроизводному: + 2 H2 Cr O , Ni / 0.15МПа,423К 23 тетралин (1,2,3,4-тетрагидронафталин), а затем – к пергидропроизводному, но в значительно более жѐстких условиях: + 3 H2 Cr O , Ni / 0.4МПа,473К 23 декалин (пергидронафталин) Из этих двух реакций в первой нафталин проявляет свойства диеновой системы, а во второй происходит нарушение ароматической системы кольца. Отсюда и различия в условиях протекания реакций: первая — аналогично диенам, вторая — аналогично алкилбензолам. Гидрирование атомарным водородом (водородом в момент выделения) проводят металлическим натрием в кипящих этиловом или пентиловом спирте. Продукты реакций при этом могут различаться: Na + C2H5OH / 351K 1,4-дигидронафталин 1,2-дигидронафталин Na + C5H11OH / 410K тетралин 599 Реакции в обоих случаях начинаются как 1,4-присоединение, но в этаноле промежуточный продукт перегруппировывается в 1,2-дигидронафталин, стабилизированный --сопряжением, а в пентан-1-оле, при более высокой температуре, реакция протекает дальше до образования продукта полного гидрирования диенового фрагмента. Восстановление по Бѐрчу (гл. 9.5.1.2, 9.5.2.2) селективно приводит к 1,4-дигидронафталину: Na,ROH / NH3 Галогенирование также начинается как реакция 1,4-присоединения, но затем наблюдается отщепление молекулы галогеноводорода, так как продукт реакции элиминирования оказывается более стабилен по причине того же -сопряжения: Br Br H + Br2 - HBr H Br В реакции диенового синтеза (гл. 4.3.3) нафталин является типичным диеном, а в качестве диенофила может быть, например, дицианоацетилен: CN CN NC C + C CN 11.2.2.3. Окисление Энергичное окисление кислородом на ванадиевом катализаторе приводит к разрушению одного кольца и образованию фталевого ангидрида: O O2 / V2O5 / T O O 600 Эта реакция для монозамещѐнных нафталинов протекает по кольцу, имеющему бóльшую -электронную плотность. Так, например, в молекуле аминонафталина разрушается замещѐнное кольцо, содержащее электронодонор: NH2 O O2 / V2O5 / T O O А в молекуле -нитронафталина, наоборот, разрушается незамещѐнное кольцо, так как заместитель понижает электронную плотность, что препятствует реакции окисления: NO2 NO2 O O2 / V2O5 / T O O Мягкое окисление нафталина и его производных также возможно. Причѐм нафталины окисляются легче, чем гомологи бензола, и эта реакция приводит обычно к образованию нафтохинонов: O CH3 CH3 [O] O 2-метил-1,4-нафтохинон 11.2.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Главным источником нафталина, так же как и бензола, является каменноугольная смола. Кроме того, существуют и синтетические способы получения, как самого нафталина, так и его производных. 1. Из бензола и ацетилена пропусканием через раскалѐнные трубки: T + 2 HC CH 601 2. Дегидрирование гомологов бензола: CH2 CH2 H2C Pt / T - 2H2 CH2 CH3 CH3 1-метилнафталин 3. Из бут-1,3-диена и п-бензохинона реакцией диенового синтеза с последующим дегидрированием и восстановлением: O HC HC O O CH2 3H2 + -2H2 CH2 O -2H2O O O 11.2.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ Нафтолы (-нафтол и -нафтол) — бесцветные кристаллы со слабым фенольным запахом, хорошо растворимые в этаноле, диэтиловом эфире, хлороформе, бензоле, плохо в воде. OH OH -нафтол, или нафталин-1-ол -нафтол, или нафталин-2-ол По химическим свойствам типичные фенолы. С водными растворами щелочей образуют растворимые в воде соли. Подобно фенолам обладают дезинфицирующими свойствами. Однако в медицине нашѐл применение лишь -нафтол, его применяют для лечения кишечных заболеваний. Получают -нафтол из нафталин-2-сульфокислоты щелочным плавлением при температуре 300340С. Применяются нафтолы также в производстве красителей. п-Нафтохинон (1,4-нафтохинон) — кристаллы жѐлтого цвета с температурой плавления 128С, хорошо растворимые в полярных органических 602 растворителях, плохо в воде. По химическим свойствам аналогичен пбензохинону. Сильный окислитель, легко восстанавливается до соответствующего гидрохинона. Сам является продуктом окисления нафталина триоксидом хрома в уксусной кислоте. Является промежуточным продуктом в синтезе антрахиноновых красителей, катализатор в синтезе синтетического каучука, ингибитор коррозии. Используется в производстве синтетического волокна — лавсана (полиэтилентерефталата) и в синтезе красителей. Витамины К — группа производных п-нафтохинона, стимулирующих свѐртывание крови. Витамины К1 и К2 содержатся в зелѐных травах, листьях, овощах и представляют собой вязкую жѐлтую жидкость, нерастворимую в воде. O O CH3 CH3 R O O витамины К1 и К2 витамин К3 Витамин К3 синтетический продукт, представляет собой лимонножѐлтые кристаллы, плохо растворимые в воде. 11.3. АНТРАЦЕН Молекулу антрацена можно представить как конденсированную систему из трѐх бензольных колец: или 11.3.1. СТРОЕНИЕ, ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Так же, как и в случае нафталина, все атомы углерода молекулы антрацена расположены в одной плоскости, атомные орбитали, участвующие в образовании -связей, находятся в гибридизации, близкой к sp2. Негибридные pz-орбитали образуют единую трициклическую сопряжѐнную систему. Поэтому молекулу антрацена можно представить в виде четырѐх граничных структур: 603 e a b d e a d e c a b d e b a d c c b c При этом, если выделить пять разных типов углерод-углеродных связей, можно заметить их неравнозначность, т.е. связи а, b, c, d и e обладают разным -характером. Так, для связей а, c и d это 1 4 , для связи b — 3 4 , а для связи e — 1 2 . Таким образом, связь b по характеру близка к двойной, связи e к ординарным, а остальные углерод-углеродные связи к полуторным. Это условно можно изобразить следующей структурой: И, соответственно, длины углерод-углеродных связей в молекуле антрацена составляют: длина связи b — 0.137 нм, длина связи e 0.140 нм, а для других углерод-углеродных связей — 0.1410.144 нм. Каждый из трѐх шестичленных циклов в молекуле антрацена (только один из трѐх) обладает ароматичностью, так как представляет собой 6-электронную циклическую сопряжѐнную систему. Остальные углеродные фрагменты можно представить диеновыми системами, соединѐнными с бензольным кольцом: Антрацен обладает ароматичностью. Однако его ароматичность ниже ароматичности бензола и нафталина, так как ароматичность любой полициклической системы может быть оценена долей в ней ароматических циклов. В антрацене из трѐх циклов, имеющихся в молекуле, только один может быть ароматическим (а в двух других можно выделить лишь диеновые системы). В сравниваемом нафталине ароматическим является один цикл из двух. В результате такого сравнения и сравнения с бензолом получается ряд уменьшения ароматичности: 604 > > Приведѐм общепринятую нумерацию атомов углерода в антраценовой системе: 8 9 1 7 2 3 6 5 10 4 Положения 9 и 10 иногда называют мезоположениями. В отличие от нафталина, для антрацена возможно уже три изомерных монопроизводных: по 1, 2 и 9 углеродным атомам соответственно: X X X 11.3.2. СВОЙСТВА Антрацен — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 217С и температурой кипения 351С. Аналогично углеводородам ряда бензола и нафталина он нерастворим в воде, но растворяется в органических растворителях. Для растворов характерна фиолетовая флуоресценция. Химические свойства антрацена определяются наличием ароматической и диеновой систем. При этом диеновый характер антрацена должен быть выражен ещѐ сильнее, чем у нафталина. В целом взаимодействие с электрофилами протекает легко, но во многих случаях сначала получаются продукты присоединения по 9-му и 10-му положениям. При нагревании эти вещества превращаются в замещѐнные антрацены. Так, бромирование антрацена протекает легко: Br H Br + Br2 + 605 - H Br Br T - HBr Br H 9,10-дибром-9,10-дигидроантрацен 9-бромантрацен Электрофильная атака в центральное кольцо оказывается значительно выгоднее, чем по любому периферийному кольцу. Это связано как со стабильностью образующегося -комплекса, в котором делокализация заряда происходит с участием двух бензольных колец E H + H , так и с формально большей ароматичностью -комплекса и продукта присоединения 9,10-дибром-9,10-дигидроантрацена по сравнению с самим антраценом, так как в этих трициклических частицах присутствуют два ароматических кольца. При сульфировании антрацена при повышенных температурах можно получить 1- и 2-замещѐнные сульфокислоты, однако первичным продуктом будет 9-антраценсульфокислота: SO3H T H2SO4 антрацен-9-сульфокислота SO3H SO3H + антрацен-1-сульфокислота антрацен-2-сульфокислота Продукты моносульфирования могут легко дальше превращаться в дисульфокислоты (аналогично нафталину), давая, главным образом, смесь 1,5- 606 и 1,8-дизамещѐнных антраценов, а при нагревании 2,6- и 2,7антрацендисульфокислот. Антрацен легко нитруется азотной кислотой в обычных условиях, образуя единственный продукт мононитрования 9-нитроантрацен: NO2 HNO3 9-нитроантрацен К типичным реакциям присоединения относятся реакция диенового синтеза (реакция Дильса–Альдера) O O O O + O O малеиновый ангидрид и реакция фотодимеризации антрацена H 2 h 2 H Гидрирование антрацена в мягких условиях приводит к образованию 9,10-дигидроантрацена, что также объясняется высокой устойчивостью системы, содержащей два бензольных кольца: 607 H H H H Na + C2H5OH Продукт исчерпывающего гидрирования (пергидроантрацен) можно получить, проводя реакцию в жѐстких условиях с применением металлических катализаторов. Окисление по 9-му и 10-му атомам также протекает легко с участием разных окислителей, например, K2Cr2O7 в сернокислой среде, концентрированной HNO3 , кислорода при освещении и других: O [O] O 9,10-антрахинон При использовании кислорода реакция протекает через образование нестабильного фотооксида. Стабильный фотооксид удаѐтся получить только для некоторых 9,10-замещѐнных антраценов, например: O O O2, h 9,10-дифенилантрацен 9,10-дифенилантрацен-9,10-пероксид 11.3.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Основным источником получения антрацена, как и нафталина, и бензола, является каменноугольная смола. Синтетические способы существуют, 608 хотя они часто сложны и многостадийны. Так, например, антрацен может быть получен из нафталина и ацетилена (а значит, и из бензола и ацетилена — гл. 11.2.3): T + 2 HC CH или из бензола и фталевого ангидрида: O C O + O COOH O O 3H2 - 2H2O - H2O O антрацен 9,10-антрахинон Антрацен и его гомологи могут быть получены и в реакциях алкилирования по Фриделю–Крафтсу. Для этого используются бензол, его гомологи и их галогенпроизводные. Например: CH2Cl AlCl3 - 2HCl + - H2 ClCH2 9,10-дигидроантрацен Используются также способы восстановления 9,10-антрахинона (аналогично в вышеприведѐнной схеме) и другие способы. 609 11.3.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ 9,10-Антрахинон — светло-жѐлтое кристаллическое вещество с температурой плавления 286С. Получают из бензола и фталевого ангидрида. Используют для синтеза красителей (ализарина, индантренового синего и др.). Эмодины — производные антрахинона, являющиеся действующими веществами препаратов алоэ, ревеня, крушины и др., часто использующихся в качестве слабительных средств. Они содержатся как в свободном виде, так и в виде эфиров и гликозидов. Представителем является 1,8-дигидрокси-3,6диметил-9,10-антрахинон (обнаружен в крушине): OH O OH CH3 H 3C O Кроме того, в медицинской практике широко используются антибиотики антрациклинового ряда, структура которых содержит фрагмент антрахинона. 11.4. ФЕНАНТРЕН Фенантрен так же, как и антрацен, является трициклической системой, но относится к ангулярным фенам в соответствии с классификацией по взаимному расположению циклов относительно друг друга: или 11.4.1. СТРОЕНИЕ, ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА Молекула фенантрена плоская. Атомные орбитали, участвующие в образовании -связей, находятся в гибридизации, близкой к sp2. Негибридные 610 pz-орбитали образуют единую трициклическую сопряжѐнную систему, которой соответствуют пять граничных структур: h h i g i a f b e c g d i h i g a f b e c h i b f g c e c d d a b e h g a f a b f c e d d При этом можно выделить девять разных типов углерод-углеродных связей. Связи а—i обладают разным -характером. Так, для связей а, c, e и f это 2 5 , для связей b и d — 3 5 , а для связи h — 4 5 , а для связей g и i — 15 . Таким образом, связь h по характеру достаточно близка к двойной, связи g и i к ординарным, а остальные углерод-углеродные связи к полуторным. Это условно можно изобразить следующей структурой: В молекуле фенантрена можно выделить два из трѐх шестичленных циклов, обладающих ароматичностью и представляющих собой 6-электронные циклические сопряжѐнные системы. Остальные два атома углерода — это этиленовый фрагмент, сопряжѐнный с бензольными кольцами: Ароматичность фенантрена выше ароматичности антрацена и нафталина, но ниже ароматичности бензола, так как здесь два цикла из трѐх обладают ароматичностью. Поэтому ряд уменьшения ароматичности рассматриваемых в этой главе ароматических систем будет следующим: 611 > > > Приведѐм общепринятую нумерацию атомов углерода в фенантреновой системе: 10 9 1 8 2 7 6 4 5 3 Фенантрен является структурным изомером антрацена. Но число изомерных монозамещѐнных производных для него будет уже пять. 11.4.2. СВОЙСТВА Фенантрен — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 100С и температурой кипения 340С. Вообще гомологи фенантрена имеют более низкую температуру плавления и обладают лучшей растворимостью, чем соответствующие антраценовые углеводороды. Химические свойства фенантрена определяются наличием ароматической системы и, в отличие от антрацена, этиленового фрагмента. Поэтому молекула должна проявлять высокую реакционную способность по отношению к электрофилам. Преимущественно это присоединение по связи С9—С10 с последующим отщеплением и образованием продукта формального замещения. Так, бромирование в присутствии кислот Льюиса приводит к образованию 9-бромфенантрена: H Br H Br Br2, AlBr3 Br T -HBr 9-бромфенантрен Нитрование азотной кислотой в мягких условиях протекает крайне неселективно, но с большей долей 9-нитрофенантрена среди продуктов нитро- 612 вания. Другими продуктами этой реакции являются 1-, 2-, 3-, 4нитрофенантрены и 9,10-динитрофенантрен. Окисление и восстановление фенантрена протекает довольно легко, как и антрацена, и исключительно по 9-му и 10-му атомам: O K2Cr2O7 / H O фенантрен9,10-хинон + 9,10дигидрофенантрен Na + C5H11OH Однако гидрирование атомарным водородом (металлическим натрием в спирте) требует использования более высококипящего пентан-1-ола. Пергидрофенантрен (аналогично пергидроантрацену) можно получить, проводя реакцию в жѐстких условиях. Фенантрен-9,10-хинон используется для синтеза красителей. 11.4.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Кроме извлечения из каменноугольной смолы, используются и синтетические методы получения фенантрена и его замещѐнных. Это дегидрирование производных дифенилэтана: H2C CH2 Т , кат. X + 2H2 X X' X' или метод Хеуорса с использованием нафталина: O + H 2C H 2C [H] O O O C-CH2-CH2-COOH 613 T -H2O O CH2-CH2-CH2-COOH 11.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ Канцерогенное действие полициклических ароматических углеводородов с конденсированными кольцами проявляется при дозах на 12 порядка более низких, чем дозы общетоксического действия, и имеет длительный латентный период. Наиболее сильными канцерогенами являются 1,2бензопирен (бенз[а]пирен), обнаруженный в табачном дыме, и метилхолантрен, который может образовываться из холестерина. CH3 8 9 10 1 12 7 2 11 10 6 1 2 5 3 пирен 4 3 9 4 8 7 6 5 1,2-бензопирен (3,4-бензопирен, бенз[a]пирен) метилхолантрен Метаболизм большинства полициклических углеводородов приводит к образованию фенолов, однако для этой группы веществ обнаружен и уникальный путь — окисление до хинонов. Исследования путей метаболизма бенз[а]пирена показали, что он образует значительное число продуктов окисления. В первую очередь это 4,5-, 7,8- и 9,10-дигидродиолы. Однако кроме них обнаружены также 3- и 9-гидроксипроизводные и 1,6-, 3,6- и 6,12хиноны. Образование всех этих продуктов идѐт через эпоксисоединения, 614 причѐм показано, что 4,5-эпоксисоединение наиболее устойчиво. Предполагается, что именно эти «окисленные» формы бенз[а]пирена, особенно содержащие атомы кислорода в положениях 4, 5, 11 и 12, и являются сильными канцерогенами. Производные фенантрена, прежде всего гидрированные, входят в структуру важных природных соединений — это стероиды (гл. 8.7). ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Какими физическими и химическими свойствами можете подтвердить ароматические свойства бензола, нафталина, антрацена, фенантрена? 2. Сравните ароматический и непредельный характер бензола, нафталина, антрацена и фенантрена. Приведите примеры реакций, подтверждающих это. 3. Как влияет природа заместителей в молекулах нафталина и антрацена на направление и скорость электрофильных реакций? Приведите примеры. 4. Какие продукты образуются при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой а) нафталина, в) антрацена, г) фенантрена, д) -нафтола? Для электрофильных реакций приведите механизмы взаимодействия. Объясните направления протекания реакций. 5. Какое из соединений — антрацен или фенантрен — будет легче окисляться раствором KMnO4? Объясните. Какое из соединений — антрацен или фенантрен — будет легче гидрироваться? 6. Как будет взаимодействовать 9,10-антрахинон а) с нитрующей смесью, б) с олеумом, в) с хлорметаном в присутствии хлорида алюминия. Приведите механизмы реакций. 7. Приведите механизм взаимодействия с хлором на свету а) нафталина, б) антрацена, б) 1-нитронафталина, в) 1,4-нафтохинона, г) 5-метил-1,4-нафтохинона. 8. Какие продукты образуются при действии газообразного хлора на антрацен-9-амин, нафталин-1-амин? 9. Приведите схемы превращения -нафтиламина при действии на него а) оксида хрома (VI) в присутствии кислотного катализатора, б) кислорода на ванадиевом катализаторе. 10. Приведите механизм взаимодействия -нафтиламина с 1 молем концентрированной серной кислоты при нагревании и с избытком H2SO4 в тех же условиях. 11. Приведите механизм взаимодействия -нафтола а) с разбавленной азотной кислотой, б) с бромной водой. Какие продукты образуются при действии на -нафтол в) раствора гидроксида натрия, г) хромовой смеси? 615 12. Реакцией Вюрца–Фиттига получите 2,3,6,7-тетраметилантрацен, используя любые галогенарены. Рассмотрите механизм реакции. Для продукта реакции приведите схемы: а) окисления, б) сульфирования, в) бромирования в условиях радикального замещения. 616 Глава 12. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Гетероциклические соединения — это вещества, молекулы которых содержат циклы, построенные из атомов разных химических элементов. Обычно такими гетероатомами являются азот, кислород, сера, но могут быть фосфор, кремний, селен, бор и др. Циклы могут быть ароматическими, насыщенными и ненасыщенными. Гетероциклические соединения чрезвычайно распространены как в животном, так и в растительном мире. Очень многие биологически важные вещества содержат в своѐм составе гетероциклические фрагменты. 12.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА Гетероциклические соединения могут быть классифицированы: 3) по размеру цикла, 4) по природе гетероатома, 5) по числу гетероатомов в цикле. Тривиальные названия здесь широко распространены. Примерами гетероциклических соединений (и их тривиальных названий), относящихся к разным группам, являются следующие вещества: N N H пиррол N H пирролидин тиофен N N пиридин N пиразин N H S пиперазин имидазол H N O N H N H морфолин Согласно номенклатурным правилам ИЮПАК (номенклатура гетероциклических соединений) присутствие гетероатома в цикле указывается приставками окс(а)- (О), ти(а)- (S), селен(а)- (Se), аз(а)- (N), фосф(а)- (Р), арс(а)(As), сил(а)- (Si). (Буква «а» может быть опущена для благозвучия.) Число одинаковых гетероатомов обозначается количественными приставками ди-, три-, тетра- и т.д. Если в гетероцикле несколько разных гетероатомов, то 617 их называют в определѐнной последовательности: окса-, тиа-, селена-, аза-, фосфа-, арса-, сила-. Размер цикла обозначается с помощью корня слова: трѐхчленные циклы — -ир, четырѐхчленные — -ет, пятичленные — -ол, шестичленные — ин, семичленные — -епин. В названии гетероциклических соединений отражают и степень гидрирования (насыщенности) атомов гетероцикла. Основное название (без суффиксов) относится к соединению с максимально возможным числом двойных связей в цикле, но исключение составляют трѐхчленные циклы — для обозначения их ненасыщенности добавляется суффикс -ен (для азотосодержащих — -ин). Полностью гидрированное соединение обозначают суффиксами -идин (для азотосодержащих гетероциклов) или -ан (для кислородо- и серосодержащих гетероциклов), но для циклов с числом атомов 6 и более может быть использована приставка пергидро-. Для частично гидрированных соединений используют приставки дигидро-, тетрагидро-, при этом цифровыми локантами указываются атомы цикла, к которым присоединены атомы водорода. Если водородный атом присоединѐн только к одному из гетероатомов, это обозначается буквой Н и цифрой, указывающей гидрированный атом. Для названия производных гетероциклических соединений необходимо пронумеровать атомы цикла. Обычно нумерация начинается с гетероатома. Если имеется несколько гетероатомов, то используют ряд убывающего старшинства: O, S, Se, Te, N, P, As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, Pb, B, Hg. Для некоторых гетероциклических соединений сохраняется особый вид нумерации. Примеры названий некоторых соединений: N N H N азирин 2Н-азирин N H азиридин N N N H O оксиран O 1,3-диазол 1,2-оксазол N S N 4,5-дигидро-1,3-тиазол 1,3-диазин S тиепин O O Si CH3 H3C 2,2-диметилпергидро-1,3,2-диоксасилин Гетероциклы могут быть названы и по заменительной номенклатуре. При этом заменительные приставки окса-, тиа-, аза- и др. присоединяются к названию карбоциклического соединения, например: 618 N H 1-азациклопроп-2-ен N S 1-азациклобут-1,3-диен 1-тиациклопент-2,4-диен Названия гетероциклических соединений с двумя и более конденсированными циклами строятся по следующим правилам. 1. Выбирают главный цикл. При этом старшинство циклических систем определяется по следующим критериям (в порядке убывания приоритета): а) при наличии карбоциклической и гетероциклической систем выбирается цикл, содержащий гетероатом; б) при наличии гетероциклов с разными гетероатомами выбирается цикл, содержащий наиболее электроотрицательный гетероатом; в) если циклы имеют разный размер, выбирается цикл большего размера; г) если гетероциклы содержат разное число гетероатомов, выбирается цикл, содержащий наибольшее число гетероатомов. 2. Для указания места сочленения циклов в главном цикле связи обозначают буквами a, b, c, d и т.д., начиная со связи гетероатом—углерод. В младшем цикле место сочленения циклов указывается с помощью цифровых локантов. Например: d 4 c3 e b 5 2 N1 H f N a 3. Название младшего цикла даѐтся приставкой бензо-, пирро-, имидазо- и др. по названию бензольного, пиррольного или имидазольного циклов соответственно. Примеры названий конденсированных систем (часто используются тривиальные названия циклов): 3 3 b a O бензо[b]фуран S 1 b a 2 O тиено[2,3-b]фуран 619 4 b 5 N a N 2 N1 H имидазо[4,5-b]пиридин 12.2. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ Наиболее важны в практическом отношении такие пятичленные гетероциклы, как пиррол, фуран, тиофен и конденсированные системы на их основе: индол, кумарон и карбазол. N H O пиррол индол S фуран N H тиофен N H O кумарон карбазол 12.2.1. НОМЕНКЛАТУРА ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ Пиррол, фуран и тиофен могут иметь систематические названия по номенклатуре гетероциклов азол, оксол и тиол, но такие систематические названия практически не используются, и в качестве родоначальных названий этих гетероциклов рекомендуются тривиальные названия. Положение заместителей указывается греческими буквами или цифровыми локантами: 2 5 3 4 X X 1 Например: CH3 O Br N H CH3 2-бром-5-метилпиррол -бром-’-метилпиррол O C H 2-фуранкарбальдегид -фуранкарбальдегид фурфурол 620 H3C S 2,4-диметилтиофен ,’-диметилтиофен Радикалы, образованные от пиррола, фурана, тиофена и их производных, имеют следующие тривиальные названия: N H N H -пиррил S -пиррил O -фурил S -тиенил O -тиенил CH2 O -фурил фурфурил 12.2.2. СТРОЕНИЕ ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА Молекулы пиррола, фурана и тиофена содержат систему сопряжѐнных связей и атом с неподелѐнной электронной парой. В результате образуется циклическая сопряжѐнная система с шестью -электронами (четыре электрона от двух двойных связей и два — от гетероатома). Поэтому данные соединения имеют ароматический характер. За счѐт неподелѐнной электронной пары гетероатом в этом кольце является электронодонором, на углеродных атомах электронная плотность повышена (по сравнению с бензолом), и пятичленные гетероциклы в целом являются -избыточными ароматическими системами. Циклическую делокализацию неподелѐнной пары электронов гетероатома можно показать с помощью граничных структур: X + X + X - X + X - + X Квантово-химическими расчѐтами показано, что величина электронной плотности в -положении больше, чем в -положении. В пространстве молекула такого соединения представляет плоский пятиугольник, однако длины связей и валентные углы неодинаковы. Это связано с неравномерностью распределения -электронной плотности в кольце и 621 зависит от природы гетероатома. Чем электроотрицательнее гетероатом, тем более неравномерно распределена электронная плотность и, следовательно, меньшей ароматичностью обладает система. Поэтому ряд уменьшения ароматичности (по сравнению с бензолом) можно показать следующим образом (в скобках приведена энергия делокализации ароматической системы в кДж/моль): бензол (151) > тиофен (122) > пиррол (90) > фуран (68). 12.2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА Пиррол, фуран и тиофен являются бесцветными жидкостями с приятным запахом, практически нерастворимы в воде. Химические свойства пятичленных гетероциклических соединений определяются как наличием ароматического цикла, так и наличием гетероатома. 12.2.3.1. Кислотно-оснόвные свойства Пиррол, фуран и тиофен взаимодействуют с сильными кислотами. В случае пиррола, фурана и их алкилпроизводных обычно происходит «осмоление» (олигомеризация и полимеризация), тиофеновое кольцо к разрушению под действием холодных кислот устойчиво. Данное свойство пиррола, фурана и отчасти тиофена и их производных называется ацидофобностью. Ацидофобность связана с присоединением протона в большинстве случаев к -углеродному атому, разрушением ароматической системы и дальнейшим превращением активной диеновой системы: + H + H+ X X H H + X H ... Наибольшей основностью обладает пиррол, он легче всего протонируется. Самым слабым основанием из рассматриваемых гетероциклов является тиофен, он наиболее трудно протонируется, поэтому он наименее ацидофобен. Введение в молекулу электроноакцепторных заместителей уменьшает электронную плотность на ароматическом кольце и тем самым снижает ацидофобность. При наличии сильных электроноакцепторов в гетероциклическом кольце соединение может и вовсе быть устойчиво к действию кислот, как, например, молекула пирослизевой кислоты: 622 + COOH O O O + C O O OH - C OH пирослизевая кислота К действию оснований фуран и тиофен устойчивы, так как не содержат подвижных атомов водорода, а пиррол является слабой NH-кислотой (рКа = 17.5) и при сплавлении со щелочами образует соли: + KOH T N H N K+ + H2O пирролид калия По кислотности пиррол сравним со спиртами, и поэтому для получения его солей могут использоваться также алкоголяты или металлорганические соединения, как, например, при взаимодействии с реактивом Гриньяра: N H + CH3MgBr -CH4 N MgBr бромид-пирролид магния Соли пиррола используются для алкилирования (и ацилирования) молекулы пиррола соответствующими алкилгалогенидами (или ацилгалогенидами). Реакция протекает по азоту или по -углеродному атому: N K+ + R-I to -KI N R N H R 12.2.3.2. Реакции электрофильного замещения В общем случае электрофильное замещение для пиррола, фурана и тиофена протекает легче, чем для бензола в связи с большей величиной электронной плотности в молекуле гетероциклов. При этом на атомах углерода в наибольшей степени повышена электронная плотность в кольце пиррола по причине большего +М-эффекта атома азота по сравнению с другими гетероатомами. Поэтому реакционная способность по отношению к электрофилам будет увеличиваться в ряду: бензол < тиофен < фуран < пиррол. 623 Электрофильное замещение в пирроле, фуране и тиофене протекает селективно в -положение, но когда оно занято, то реакция идѐт по -углеродному атому. Направление реакции в -положение объясняется сравнением устойчивости образующихся -комплексов (и подтверждается квантово-химическими расчѐтами): + E + E+ X + H X X E E + X H X E E H + H H + X Влияние заместителей в гетероциклическом кольце на направление электрофильного замещения проявляется только в том случае, если оба -положения заняты, либо оба -положения свободны, а заместитель находится в -положении. В этих случаях электрофильная атака протекает в соответствии с влиянием заместителей на распределение электронной плотности в данном ароматическом кольце. Например: O2N O2N X CH3 + E+ + E+ X Для нитрования пиррола, фурана и тиофена азотная кислота не используется по причине ацидофобности этих соединений. Нитрование фурана и тиофена проводят ацетилнитратом CH3COONO2, для чего используют раствор азотной кислоты в уксусном ангидриде: O O CH3-C-O-C-CH3 + HO-NO2 O CH3-C-O-NO2 + CH3COOH , хотя возможно использование и других смешанных ангидридов или эфиров азотной кислоты. При этом фуран первоначально образует продукт присоединения ввиду своего выраженного диенового характера, а затем отщепляет молекулу уксусной кислоты (обычно под действием органического основания) и превращается в продукт замещения: + O + CH3-C-O-NO2 O + O NO2 H 624 NO2 + O H - CH3COO NO2 CH3COO H O -CH3COOH H O NO2 2-нитрофуран -Нитропиррол в отличие от нитропроизводных фурана и тиофена получают через соли пиррола. Например, при использовании этилнитрата: + + H5C2O-NO2 N K+ - -C2H5OK + - N N N + O NO2 N H O H N OH O H N NO2 2-нитропиррол Сульфировать серной кислотой можно только тиофен: + H2SO4 S SO3H S + H2O тиофен-2-сульфокислота (Механизм сульфирования здесь такой же, как и механизм взаимодействия с холодной концентрированной серной кислотой бензола и его производных.) Для сульфирования пиррола и фурана по причине их ацидофобности используют комплексы триоксида серы с электронодонорами, обычно пиридинсульфотриоксид или диоксансульфотриоксид: N SO3 O пиридинсульфотриоксид O SO3 диоксансульфотриоксид Механизм сульфирования такими комплексами аналогичен механизму сульфирования триоксидом серы: O + X S O N: SO3 - N: X 625 O O + + S X HO O - + N: X SO3- NH + Пиридин (или диоксан) в качестве донора электронной пары необходим для связывания отщепляющегося протона. Галогенирование (хлорирование, бромирование, йодирование) пиррола и тиофена протекает настолько легко, что если специальным образом не контролировать течение реакции, образуются тетрагалогенопроизводные. Так, например, бромирование пиррола раствором брома в этаноле при 0С даѐт тетрабромпиррол: Br Br N H + 4Br2 C2H5OH Br N H Br + 4HBr Получение монобромпиррола (-изомер) представляет определѐнную трудность, и для этих целей обычно используют специальные бромирующие агенты. Для получения монобромтиофена применяют достаточно низкие температуры (-5 -15С). Для хлорирования используют сульфурилхлорид SO2Cl2 или тетрахлорид олова SnCl4. Йодирование осуществляется молекулярным йодом (или KI + H2O2) в присутствии кислотного катализатора. Галогенирование фурана протекает через реакцию присоединения (с последующим отщеплением галогеноводорода) — в этом проявляется диеновый характер этого гетероцикла. Здесь возможно хлорирование (газообразным хлором) или бромирование с образованием полигалогенопроизводных, но не йодирование. Фуран не реагирует с йодом. Ацилирование пиррола, фурана и тиофена осуществляют ангидридами (реже галогенангидридами) карбоновых кислот. Алкилирование фурана и пиррола не проводят, так как вероятные продукты этой реакции ещѐ более ацидофобны и полимеризуются за счѐт выделяющегося галогеноводорода. Высокая активность пиррола иллюстрируется его способностью реагировать со слабыми электрофилами, например с солями арендиазония, диоксидом углерода, альдегидами. Скорость азосочетания сильно зависит от рН среды. При значениях рН ниже 8 в реакцию сочетания с катионом бензолдиазония вступает нейтральная молекула пиррола, а при значениях рН раствора выше 10 в реакции участвует пирролид-анион, и она в этом случае протекает в 108 раз быстрее. В более щелочных условиях происходит образование 2,5-бис-диазопроизводных. 626 + - + 273 K N N N N N N + N H N N N N N N N H N N Взаимодействие пирролида калия с диоксидом углерода протекает по механизму, аналогичному реакции Кольбе–Шмитта (гл. 10.5.3.3), с образованием пиррол-2-карбоновой кислоты. 12.2.3.3. Реакции присоединения В этих реакциях проявляется диеновый характер гетероциклов. Поэтому такие реакции наиболее характерны для фурана. Примерами могут быть присоединение водорода, галогенов и реакция диенового синтеза. Водород присоединяется в присутствии катализаторов (Ni, Pd, Pt) при нагревании и под давлением. Из пиррола, фурана и тиофена образуются соответствующие тетрагидропроизводные — пирролидин, тетрагидрофуран и тиофан: H2 / kat, P, T X X (X = NR, O, S) Труднее всех гидрируется тиофен и его производные, а легче — фуран. Присоединение галогенов наиболее характерно для фурана, причѐм продукт присоединения может отщеплять молекулу галогеноводорода, давая продукт формального замещения, например: + Br2 O Br Br H O H - HBr 2,5-дибром-2,5-дигидрофуран O Br 2-бромфуран Реакции диенового синтеза характерны, главным образом, для фурана. Это, например, взаимодействие с малеиновым ангидридом: 627 O O + O O O O O O Тиофен с малеиновым ангидридом не реагирует, но он может быть введѐн в реакцию Дильса–Альдера при использовании очень реакционноспособных алкинов, например дицианоацетилена; но продукт присоединения легко теряет атом серы и превращается во фталодинитрил: + S CN C S t CN o CN -S C CN CN CN Пиррол взаимодействует с малеиновым ангидридом как с электрофилом: O O + + O O N H N H + O O 12.2.3.4. Реакции замены гетероатома Эти реакции представляют взаимное превращение пиррола, фурана и тиофена: NH3 H2O O N H NH3 H2S H2S H2O S Они были открыты в 1936 году Ю.К. Юрьевым* и называются также синтезом Юрьева или циклом Юрьева. Реакции осуществляются при температуре 400500С в присутствии катализатора Al2O3. Практическое значение имеют только превращения фурана в пиррол и тиофен (с выходом 40%): 628 + NH3 + H2O N H O + H2S + H2O S В остальных четырѐх реакциях (с участием пиррола и тиофена) выход продуктов не превышает 2%. Причиной предпочтительного участия фурана во взаимопревращениях в другие гетероциклы можно считать его меньшую ароматичность, а также наибольшую жѐсткость атома кислорода как оснόвного центра (по Р. Пирсону) в сравнении с азотом и серой в пирроле и тиофене. Тогда механизм превращения фурана, например в тиофен, можно представить в следующем виде: - + O=Al O Al=O + O O Al=O HC CH HC CH + O Al=O - AlO2 H2S -HAlO2 HC CH HC CH SH O SH O=Al + - + S H AlO2 -HAlO2 S (2 HAlO2 Al2O3 + H2O) 12.2.4. ОСОБЕННОСТИ ИНДОЛА Название индола как конденсированной системы, содержащей гетероциклическое кольцо пиррола, — бензо[b]пиррол. 629 b a N H Нумерацию атомов в индоле начинают с гетероатома, атомы углерода в пиррольном цикле могут быть обозначены также греческими буквами: 4 3 5 6 2 N1 H 7 Индол и его производные — это бесцветные кристаллические вещества, не растворяющиеся в воде и имеющие своеобразный неприятный запах. 12.2.4.1. Строение Молекула индола представляет 10--электронную бициклическую сопряжѐнную систему, в которой участвует гетероатом со своей неподелѐнной электронной парой. В результате электронодонорного мезомерного эффекта атома азота повышается электронная плотность в положениях 3, 5 и 7: - - N H - 12.2.4.2. Кислотно-осόвные свойства Сильные кислоты протонируют индол в положение 3, тем самым нарушается сопряжѐнная система пиррольного цикла, что приводит к его раскрытию и дальнейшим превращениям (димеризация, олигомеризация): H - + H+ N H H + N H H + N H H ... Индол является слабой NH-кислотой (по кислотности сравним с пирролом). Он образует соли при действии щелочей, алкоголятов и металлорганических соединений (аналогично пирролу). 630 12.2.4.3. Реакции с электрофилами Ввиду выраженных ацидофобных свойств индола его реакции с сильными электрофилами в кислой среде приводят к продуктам олигомеризации. С более мягкими электрофилами осуществляется замещение в -положение. Если оно занято, то реакция протекает в -положение. Объяснить такое направление электрофильного замещения можно сравнением устойчивости образующихся -комплексов: + + E E + N H H H E N H H E + + N H N H (Здесь не приведены граничные структуры с участием -электронной плотности бензольного кольца по причине их значительно меньшего вклада, но таких структур было бы в каждом случае на три больше.) Как видно из приведѐнных направлений взаимодействия индола с электрофильной частицей, делокализация положительного заряда в случае атаки по -атому (второе направление) полнее и такой -комплекс устойчивее. Нитрование индола осуществляется так же, как и пиррола, через образование солей, сульфирование — пиридинсульфотриоксидом, а для бромирования используется комплекс брома с диоксаном: NO2 + + H5C2O-NO2 - N K+ 631 -C2H5OK N H SO3 - N: SO3 + - N H N H N:H Br O -HBr, - O: Br+ Br - O N H O Алкилирование может осуществляться как по атому азота, так и по атому углерода. Направление реакции определяется главным образом температурой, а также природой металла и растворителем. Это можно изобразить схемой: R T + R-I - N -MI N R + M N H 12.2.4.4. Реакции окисления Мягкое окисление индола даѐт синий краситель индиго: OH [O] 2 O 2 N H [O] 2 N H O N H H N N H ONa H N Na2S2O4, NaOH O2 O индиго (синего цвета) N H NaO соль белого индиго Сильными окислителями (KMnO4) индиго окисляется до изатина: 632 H N O N H O [O] 2 O N H O изатин 12.2.5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПИРРОЛА, ФУРАНА, ТИОФЕНА, ИНДОЛА В небольших количествах пиррол и тиофен содержатся в каменноугольной смоле. При этом тиофен выгоняется из неѐ вместе с бензолом. К синтетическим способам получения можно отнести следующие. 4. Общим способом получения пиррола, фурана и тиофена и их производных является циклизация -дикарбонильных соединений. Механизм кислотно-катализируемого образования фуранов можно представить в следующем виде: R-C-CH2-CH2-C-R O O R-C-CH2-CH=C-R O OH H + H+ R-C-CH2-CH=C-R OH OH H H H R HO + O H R R -H2O+ R + O HOH R -H R O В синтезе пирролов необходима нуклеофильная атака аммиаком, а для получения тиофенов используются сульфиды фосфора. Например, механизм образования пирролов: R-C-CH2-CH2-C-R O O R-C-CH2-CH2-C-R - + O O NH3 + :NH3 H HH R-C-CH2-CH2-C-R -H2O O OH NH2 R-C-CH2-CH2-C-R O NH 633 H R - + N O H R H H R -H2O R N HO H R N H R 5. Для получения фурана и его производных используют природные моносахариды. При нагревании в присутствии минеральных кислот может образоваться фурфурол: HC=O H OH HO H H OH CH2OH H+/ T -3H2O O C H O фурфурол D-ксилоза или другие производные фурана в зависимости от природы исходного моносахарида (гл. 7.1.2.3). 6. При нагревании гликаровых (гл. 7.1.2.1) кислот образуется пирослизевая кислота: HOOC-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COOH HOOC O COOH to -CO2 O H+, t o -3H2O COOH пирослизевая кислота 7. Пиррол образуется при нагревании аммониевых солей гликаровых кислот: + - - NH4 OOC-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COO + - NH4 OOC - N H COO NH4+ NH4+ NH3 t o -4H2O to -NH3,-CO2 N H 8. Универсальным и удобным в практическом выполнении методом получения производных пиррола является взаимодействие -амино-кетонов с кетонами, содержащими реакционноспособную метиленовую группу (синтез Кнорра*). Например: 634 H O H3C C H C + H2C NH2 O COOC2H5 H3C COOC2H5 - OH / 293 K C CH3 CH3 N H 9. При получении производных пиррола по Ганчу* в отличие от синтеза Кнорра используют конденсацию -хлоркетонов с аммиаком (или аминами) и ацетоуксусным эфиром. COOC2H5 H2C O COOC2H5 HC + C NH3 H2N CH3 COOC2H5 O R C CH2Cl C R CH3 CH3 N H 10. Пиррол и тиофен могут быть получены из фурана с помощью реакций Юрьева (см. выше). 11. Для получения индола и его производных практическое значение имеет реакция Фишера, которая ещѐ называется синтезом индолов по Фишеру. Это метод получения производных индола из фенилгидразонов альдегидов или кетонов. Реакция протекает при нагревании арилгидразонов в присутствии таких катализаторов, как ZnCl2, разбавленная H2SO4, концентрированная CH3COOH, спиртовый раствор HCl: H2C N H R R C R' N 450 470 K - NH3 R' N H Общепринятый в настоящее время механизм этой реакции можно представить в следующем виде: H2C N H R C R' N HC N H 635 R C R' H+ NH HC N H R C R' + NH2 H CH CH C R' + C R' + + NH H C R C R' + N NH2 H H R R NH2 NH2 NH2 R R C H C R' + -NH4 N + H NH3 R' N H 12.2.6. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Пиррол — бесцветная жидкость с запахом хлороформа с температурой кипения 130С, малорастворим в воде. Пирролидинкарбоновые кислоты (пролин и гидроксипролин) являются важными протеиногенными аминокислотами гл. 6.9. Порфин — тѐмно-красное кристаллическое вещество. Его молекула содержит четыре пиррольных кольца: N: N H H N :N За счѐт двух водородных атомов (у атомов азота), которые могут быть замещены металлом, образуются устойчивые комплексы, в которых ион металла образует связи одновременно с четырьмя атомами азота. Замещѐнные порфины называются порфиринами. Они лежат в основе очень важных природных соединений. Например, гем — небелковая часть красного вещества крови гемоглобина. По химическому составу гем является порфирином, содержащим катион Fe2+. 636 HC CH2 H3C N H 3C CH3 N: Fe :N HOOC-CH2-CH2 CH CH2 N HOOC-CH2-CH2 CH3 гем Другой пример — зелѐный пигмент растений хлорофилл, содержащий катион Mg2+. Из растений выделены хлорофилл а (сине-чѐрные кристаллы) и хлорофилл b (тѐмно-зелѐные кристаллы). Хлорофиллы были выделены Р.М. Вильштеттером*, им же была установлена формула хлорофилла а и структура его отдельных фрагментов. За эти работы Р.М. Вильштеттер был удостоен в 1915 году Нобелевской премии. CH=CH2 H3C N H 3C CH2CH2 CO OC20H39 CH3 C2H5 HC CH3OOC C O CH2CH2 CO OC20H39 N: Mg N хлорофилл а C2H5 N HC CH3OOC C O CH3 O CH N H 3C N: Mg N N CH=CH2 H3C CH3 хлорофилл b Витамин В12 (кобаламины: природные — оксикобаламин и метилкобаламин, лекарственная форма — цианкобаламин) — тѐмно-красные кристаллические вещества, растворимые в воде. В основе молекул лежит фрагмент, структурно похожий на порфириновый, содержащий четыре пиррольных кольца и катион Co2+. Витамин В12 является активным средством против анемии, его применяют для лечения злокачественного малокровия, заболеваний нервной системы и печени. Билирубиноиды — окрашенные вещества, которые содержат четыре бензольных кольца и встречаются в организмах позвоночных, а также некоторых беспозвоночных и даже в водорослях. Они образуются при биологическом окислении гемоглобина и родственных соединений. Важнейшим их 637 представителем является окрашенный в оранжевый цвет билирубин. Он встречается в желчи, а также в желчных камнях и выделяется с калом и мочой. H2C H3C O COOH COOH CH2 CH2 CH2 H2C CH3 H3C CH H3C N H N H N H HC CH2 N H билирубин O Фуран — бесцветная жидкость с запахом хлороформа; температура кипения 31С, малорастворим в воде. Получают фуран из фурфурола (в промышленности) или пирослизевой кислоты (в лаборатории). Фурфурол — бесцветная или слегка желтоватая жидкость с запахом корочки свежеиспечѐнного ржаного хлеба; температура кипения 162С, умеренно растворим в воде (10 г на 100 г воды). Фурфурол образуется при нагревании некоторых моносахаридов (в частности, ксилозы) с минеральными кислотами (гл. 7.1.2.3). Поэтому фурфурол получают из растительного сырья. Фурфурол является очень важным исходным веществом для органического синтеза. Каталитическим окислением из него получают малеиновый ангидрид: O O C H [O] O O O Нитрование фурфурола лежит в основе производства таких бактерицидных препаратов, как фурацилин, фуразолидон, фурадонин: 638 O O C H CH3COONO2 O2N ... O2N O CH=N-NH-C-NH2 O фурацилин CH=N N O O O фуразолидон O O2N CH=N N O фурадонин NH O Тиофен — бесцветная жидкость с запахом, похожим на бензол; температура кипения 84С, нерастворим в воде. Получают из каменноугольной смолы. Индол — бесцветное кристаллическое вещество с неприятным запахом; температура плавления 52С, температура кипения 253С, нерастворим в воде. Используют в органическом синтезе и в парфюмерии. Триптофан — одна из незаменимых протеиногенных -ами-нокислот (гл. 6.9). Триптамин — «биогенный амин», образующийся в организме человека и животных при декарбоксилировании аминокислоты триптофана под действием ферментов — декарбоксилаз. CH2-CH-COOH NH2 CH2-CH2-NH2 - CO2 N H N H триптофан триптамин Скатол (3-метилиндол) является конечным продуктом биологических превращений триптофана. Он обладает пронзительным запахом фекалий, однако в очень больших разбавлениях имеет цветочный запах и поэтому добавляется к цветочным композициям. Серотонин (3-аминоэтил-5-гидроксииндол) является «биогенным амином». Он обладает высокой биологической активностью, содержится в сыворотке теплокровных, участвует в поддержании тонуса сосудов и процессе 639 передачи нервных импульсов в центральной нервной системе. В организме образуется из триптофана. Буфотенин был впервые выделен из кожи жаб. Кроме того, он содержится в некоторых растениях. Вызывает повышение кровяного давления и парализует дыхательные центры головного и спинного мозга. Псилоцин является психоактивным веществом, выделенным из мексиканского священного гриба Teonanacatl. Он повышает психическую возбудимость и вызывает галлюцинации. H2N CH2 CH2 HO (CH3)2N HO N H серотонин буфотенин (CH3)2N CH2 OH CH2 CH2 CH2 N H псилоцин N H 12.3. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ГЕТЕРОАТОМАМИ Среди этих гетероциклических соединений наиболее важны в практическом отношении имидазол, пиразол, оксазол, тиазол, изоксазол, изотиазол и конденсированные системы на их основе бензимидазол и бензотиазол. N N N N N H N H имидазол пиразол N S изотиазол N O оксазол S O тиазол изоксазол N N N H S бензимидазол бензотиазол 12.3.1. НОМЕНКЛАТУРА ИМИДАЗОЛА И ПИРАЗОЛА Систематические названия имидазола и пиразола — 1,3-диазол и 1,2диазол. Атомы цикла нумеруются начиная с гидрированного (или замещѐн640 ного) азота (N–H или N–R) в направлении второго атома азота по кратчайшему пути. 4 N 3 2 5 3 4 N2 5 N1 H N1 H Названия радикалов, образованных от этих гетероциклов, — имидазолил и пиразолил, с указанием атома, имеющего свободную валентность, цифровым локантом. 12.3.2. СТРОЕНИЕ ИМИДАЗОЛА И ПИРАЗОЛА Молекулы имидазола и пиразола, так же как и пиррола, являются сопряжѐнными системами. Природа атомов азота, входящих в гетероцикл, различна. Один из них образует двойную связь с атомом углерода и в целом участвует в образовании двух -связей и -связи за счѐт своих валентных электронов. Неподелѐнная электронная пара этого атома азота находится на sp2-гибридной орбитали, ось которой лежит в плоскости гетероцикла, и потому эти электроны не могут участвовать в сопряжении с -электронной системой кольца. Такой атом азота называется пиридиновым, так как по природе идентичен атому азота в шестичленном гетероцикле пиридине (см. далее). Другой атом азота по природе является таким же, как и в пирроле и называется пиррольным. Его неподелѐнная электронная пара, так же как и в пирроле, участвует в сопряжении с двумя -связями кольца. В результате здесь тоже образуется циклическая сопряжѐнная система с шестью -электронами (четыре -электрона от двух двойных связей и два — от пиррольного атома азота). По сравнению с пирролом имидазол и пиразол имеют более ароматический характер, так как пиридиновый атом азота, являясь акцептором, способствует более полной делокализации неподелѐнной электронной пары пиррольного азота по кольцу, а значит, и более равномерному распределению электронной плотности в кольце. N пиридиновый азот N N H пиррольный азот 641 N H 12.3.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИМИДАЗОЛА И ПИРАЗОЛА Имидазол и пиразол являются бесцветными кристаллическими веществами, но их N1-производные (не содержащие связи N–H) могут быть жидкостями. Кристаллическое состояние вещества самих диазолов обусловлено наличием прочных межмолекулярных водородных связей. Например, для имидазола: N N H N H N для пиразола: H N N N N H Следствием этого являются как их высокие температуры кипения (например, в сравнении с пирролом), так и существенная разница этих температур для имидазола и пиразола между собой (для имидазола температура кипения составляет 256С, для пиразола — 187С, для пиррола — 131С). На химические свойства диазолов, в отличие от пиррола оказывает влияние наличие пиридинового атома азота. 12.3.3.1. Кислотно-оснόвные свойства Имидазол и пиразол обладают амфотерными свойствами. Они являются слабыми NH-кислотами аналогично пирролу. N N H OH -H2O N- N N N - N N H OH -H2O -N N N N - N N N N В результате при проявлении ими кислотных свойств в анионе атомы азота становятся идентичными друг другу. 642 Но в сравнении с пирролом кислотные свойства диазолов выражены несколько сильнее, что является результатом акцепторного влияния пиридинового атома азота. Поэтому ряд уменьшения кислотных свойств можно показать следующим образом (в скобках приведено значение рКа): пиразол (14.2) имидазол (14.2) > пиррол (17.5). Имидазол и пиразол обладают оснόвными свойствами средней силы за счѐт пиридинового атома азота (рКb имидазола 6.9, а рКb пиразола 11.5). Более низкое значение основности для пиразола связано с наличием N–N-связи в его молекуле и проявлением, таким образом, сильного –I-эффекта пиррольного атома азота, понижающего основность пиридинового азота. В результате присоединения протона образуются стабильные катионы, циклическая сопряжѐнная система не нарушается, а положительный заряд в равной степени делокализуется по обоим атомам азота: N + NH + NH NH H + N H + N H N H+ + NH N H N H N H + + NH N H N H NH N H В катионе атомы азота становятся идентичными друг другу. Диазолы не обладают ацидофобностью, как и все гетероциклы с двумя гетероатомами. Ароматичность этих соединений сохраняется и в протонированной форме. Для замещѐнных диазолов характерны таутомерные превращения. В результате протонного переноса меняется положение заместителей в кольце. Так, таутомерия монозамещѐнных диазолов легко объясняется равнозначностью атомов азота в катионной и анионной формах. Например, превращение 3-метилпиразола в 5-метилпиразол CH3 N H3C N H можно представить так: 643 N N H CH3 CH3 + N N N N N H CH3 CH3 N H + + NH N H 3-метилпиразол CH3 CH3 + NH N NH N 5-метилпиразол 12.3.3.2. Реакции алкилирования и ацилирования по атому азота Диазолы легко вступают во взаимодействие с алкилирующими и ацилирующими агентами с участием пиридинового атома азота. По механизму эти реакции — типичные реакции нуклеофильного замещения, в которых имидазол и пиразол являются нуклеофилами. При этом алкилирование избытком галогеналкана приводит к диалкильному производному, а при ацилировании образуется только моноацилированный гетероцикл. Например, взаимодействия имидазола с йодалканом и с ацилхлоридом протекают так: + N N R I - R I N H N H N N H OH -H2O -I O N-CR Cl Cl N H NR - R I + N I - N R O N-CR + O R-C NR - - OH -H2O -Cl N 12.3.3.3. Реакции электрофильного замещения Атака электрофильного реагента может осуществляться как по атому азота, так и по атому углерода кольца. На атомах азота электронная плотность выше, однако образующиеся с азотом связи недостаточно прочны, и продукты такого взаимодействия значительно менее стабильны, чем продукты электрофильных реакций по углероду. Многие типичные SE-реакции протекают в кислой среде. Но имидазол и пиразол протонируются кислотами, при этом молекулы гетероциклов пре644 вращаются в мало-реакционноспособные катионы. Это снижает активность диазолов в таких реакциях, как нитрование, сульфирование, но, тем не менее, имидазол и пиразол нитруются нитрующей смесью и сульфируются в обычных условиях с удовлетворительными выходами. Имидазол образует продукты замещения по 4-му или 5-му атому кольца, пиразол — 4-замещѐнные продукты. Например, нитрование можно представить так: N + NH H+ NO2+ + O2N H N H N H + O2N H O2N H + -H+ O2N N N -H+ + N H N H N H 4-нитроимидазол N N + -H+ + NH N H+ NH N H NH O2N H + NH NH NO2+ 5-нитроимидазол O2N H N H NO2 H O2N + + NH N H N H NO2 -H+ + N H N -H+ N N H 4-нитропиразол Однако если SE-реакцию удаѐтся провести в щелочной среде, то она протекает легко. Примерами могут служить реакция бромирования и взаимодействие с некоторыми слабыми электрофилами, например, с катионом арендиазония, как показано для имидазола в следующих схемах: N N H N - OH -H2O ... N Br - - N N Br :Br -Br Br Br2 / OH Br N N H Br 2,4,5-трибромимидазол 645 NH Br N ... N N H - OH -H2O N N N N=N-Ar + NH N=N-Ar N N N Ar N 4-арилазоимидазол N N Ar N N H 5-арилазоимидазол Существенно отличается от имидазола и пиразола поведение тиазола и оксазола по отношению к электрофильным агентам. Тиазол не вступает в реакцию нитрования даже при использовании азотной кислоты в олеуме при 160С, но метилтиазолы успешно нитруются, причѐм преимущественно образуются 5-нитро- и в меньшем количестве 4-нитропроизводные. Гораздо менее реакционноспособные оксазолы не подвергаются нитрованию вовсе. Сульфирование тиазола протекает в жѐстких условиях. Для этого требуются высокие температуры (250С) и присутствие сульфата ртути (II) в качестве катализатора. Оксазол не сульфируется. 12.3.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Для синтетического получения имидазола, пиразола, оксазола, тиазола, а также других пятичленных гетероциклических соединений с двумя гетероатомами используют исходные вещества, содержащие структурные фрагменты необходимого гетероцикла. Приведѐм некоторые примеры таких синтезов. 1. 2,4,5-Алкилзамещѐнные имидазолы могут быть получены конденсацией -дикарбонильных соединений с аммиаком и альдегидами — реакция Дебу. Для синтеза самого имидазола используется глиоксаль, аммиак и формальдегид. R C O R' C O NH3 + NH3 O + C R" -3H2O H R R C N CH R" C N R' R' N N H R" 2. Замещѐнные пиразолы легко получаются взаимодействием -дикарбонильных соединений с гидразином и его производными. 646 R C O H2C R' + NH2 NH2 C O R C N H2C C N R' -2H2O R N R' N H 3. Для получения 2,5-дизамещѐнных оксазолов применяют реакцию РобинсонаГабриэля — это циклизация -ациламинокетонов в оксазолы под действием серной кислоты: O O R C CH2-NH C R' H2SO4 N OH OH R C CH N C R' R' O Соединения с алифатическими заместителями получаются значительно труднее, чем с ароматическими. 4. Оксазолидины образуются при взаимодействии альдегидов с 2-аминоэтан-1-олом. NH2 O + C R H2C OH H H2C R NH -H2O R O При дальнейшем дегидрировании можно получить 2-замещѐнные оксазолы. 5. Замещѐнные тиазолы могут быть получены синтезом Ганча — взаимодействием -галогенокарбонильных соединений с тиоамидами. R C O CH R' C R" + Cl + H2N S HO + R C NH Cl H C C R" R' S - O N H2 Cl R C C R" CH S R' R + NH Cl R' S R" NH R CH CH S R' - + OH - OH -H2O -Cl R R' - Cl C R" N S R" В реакцию вступают алифатические и ароматические -галогенкетоны и -галогенальдегиды. 647 12.3.5. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Имидазол — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 90С, кипения — 256С, растворимое в воде. Получают из глиоксаля, аммиака и формальдегида (см. выше). Гистидин — одна из незаменимых протеиногенных -аминокислот (гл. 6.9). Гистамин — «биогенный амин», образуется в очаге воспаления, расширяя сосуды и ускоряя приток лейкоцитов. В организме образуется при декарбоксилировании аминокислоты гистидина под действием ферментов — декарбоксилаз. N CH2-CH-COOH NH2 N H N - CO2 гистидин CH2-CH2-NH2 N H гистамин Витамин Н (биотин) — вещество, встречающееся в яичном белке и в печени, необходимо для роста микроорганизмов. H N (CH2)4COOH S O N H витамин Н (биотин) Пиразол — бесцветное кристаллическое вещество со слабым неприятным запахом, с температурой плавления 70С, кипения 187С, растворимое в воде. Антипирин — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 114С. Является важным исходным веществом для получения лекарственных веществ (анальгина и др.). Используется для анализа лекарственных препаратов, так как образует нерастворимые комплексы с металлами. 648 CH3 O CH2SO3Na H 3C N CH 3 N O антипирин, или 2,3-диметил-1-фенилпиразол-5-он CH3 N N CH 3 N анальгин, или 2,3-диметил-4-(N-метил-Nнатрийсульфонатометиламино)-1фенилпиразол-5-он Анальгин — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Применяют в фармацевтической практике в качестве болеутоляющего, жаропонижающего и противовоспалительного средства. Тиазол — бесцветная жидкость с неприятным запахом, температурой кипения 117С. Получают из хлорацетальдегида и тиоформамида. Применяют в органическом синтезе. Широко используются некоторые производные тиазола (лекарственные вещества, витамины, антибиотики). Норсульфазол — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 200С. Является эффективным сульфаниламидным препаратом (гл. 10.6.5). N H2N SO2NH S Получают из тиазол-2-амина. Применяют как антимикробное средство при инфекционных заболеваниях. Витамин В1 (тиамин) — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Входит в состав некоторых ферментов, способствующих процессам декарбоксилирования. Синтезируется в растениях и некоторых микроорганизмах. + H3C HOCH2CH2 N S CH2 H2N 649 N N Cl CH3 - Пенициллины — антибиотики, эффективно действующие на различные микроорганизмы. Образуются в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов (плесневых грибков). HOOC H3C H3C N S O где R = -CH2 O NHCR -CH2-O Получают пенициллины биосинтетически или полусинтетическим путем из 6-аминопенициллановой кислоты. HOOC H3C H3C O N S NH2 6-аминопенициллановая кислота 12.4. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ Шестичленные гетероциклические соединения также могут содержать атомы азота, кислорода и серы. Но наиболее важны в практическом отношении азотосодержащие гетероциклы — пиридин, его производные и конденсированные соединения на их основе. Широко распространены также гетероциклические соединения на основе пиранов — циклов, содержащих атом кислорода. N пиридин O -пиран N N хинолин изохинолин 650 O -пиран N акридин 12.4.1. НОМЕНКЛАТУРА ПИРИДИНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ Систематическое название пиридина — азин (гл. 12.1). Однако как для самого гетероцикла, так и для его производных почти всегда используется тривиальное название «пиридин». Атомы цикла могут быть обозначены цифровыми локантами или же греческими буквами. Соответственно, возможны три радикала пиридина: 5 4 6 N 3 2 1 N N N -пиридил (пиридин-2-ил) -пиридил (пиридин-3-ил) -пиридил (пиридин-4-ил) Метилпроизводные пиридина имеют тривиальное название «пиколины», диметилпроизводные — «лутидины», например: CH3 N CH3 -пиколин (2-метилпиридин) N -пиколин (3-метилпиридин) H3C CH3 N 2,6-лутидин (2,6-диметилпиридин) -, - и -пиридинкарбоновые кислоты имеют каждая своѐ тривиальное название: COOH COOH N COOH пиколиновая кислота (пиридин-2-карбоновая кислота) N N никотиновая кислота изоникотиновая кислота (пиридин-3-карбоновая (пиридин-4-карбоновая кислота) кислота) 651 12.4.2. СТРОЕНИЕ ПИРИДИНА Молекула пиридина, как и молекула бензола, представляет собой плоский шестиугольник, содержащий сопряжѐнную -электронную систему, удовлетворяющую всем критериям ароматичности, в том числе и правилу Хюккеля (6 -электронов). Однако пиридиновый цикл содержит атом азота вместо одного из атомов углерода бензольного кольца. Ввиду большей электроотрицательности азота по сравнению с углеродом валентные углы и длины связей в молекуле пиридина несколько искажены по сравнению с бензолом. Энергия делокализации ароматической системы пиридинового кольца составляет 117 кДж/моль (против 151 кДж/моль для бензола). Атом азота находится в состоянии sp2-гибридизации; его 3 валентных электрона участвуют в образовании двух -связей и -электронной сопряжѐнной системы ароматического кольца. А его неподелѐнная электронная пара находится на sp2-гибридной орбитали, ось которой лежит в плоскости гетероцикла, и потому эти электроны не могут участвовать в сопряжении с электронной системой кольца. .. N Атом азота в целом является электроноакцептором, понижая электронную плотность на атомах углерода кольца. Он проявляет –I-эффект и, участвуя в сопряжении, –М-эффект. В связи с этим распределение -элек-тронной плотности в ароматическом кольце можно показать с помощью граничных структур: + N N + N + N N , из которых следует, что наибольшие эффективные положительные заряды, вызванные акцепторным влиянием атома азота, создаются в - и -положениях, причѐм акцепторное влияние азота на -атомы сильнее по причине индуктивного эффекта. 652 12.4.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА Химические свойства пиридина, как следует из его строения, должны быть достаточно многообразны. Это и реакции непосредственно по атому азота (основные свойства, реакции алкилирования, окисления), и реакции с участием ароматического кольца (электрофильное и нуклеофильное замещение, гидрирование). 12.4.3.1. Основность Пиридин является типичным основанием с рКb = 8.8. Его основность ниже основности аммиака и алифатических аминов, так как неподелѐнная электронная пара пиридинового азота, за счѐт которой происходит взаимодействие с протоном, находится на sp2-гибридной орбитали. Электронная же пара аминного атома азота находится на sp3-гибридной орбитали, поэтому более удалена от ядра и легче взаимодействует с протоном (рКb аммиака равна 4.8, метиламина — 2.3). С другой стороны, основность пиридина выше основности анилина и ароматических аминов (рКb анилина = 9.4). В молекуле анилина, как и других ароматических аминов, неподелѐнная электронная пара азота участвует в сопряжении с ароматическим кольцом и делокализована, а в молекуле пиридина пара электронов принадлежит только атому азота. Основные свойства пиридина проявляются как при взаимодействии с кислотами, так и при взаимодействии с водой: + HCl - N + Cl H N хлорид пиридиния + H2O - N + OH H N гидроксид пиридиния 12.4.3.2. Реакции алкилирования по атому азота Неподелѐнная электронная пара азота энергетически более доступна для атаки электрофильными агентами, чем сопряжѐнная система ароматического кольца. Однако только с алкилирующими агентами атом азота образу- 653 ет устойчивые продукты взаимодействия. Реакции между пиридином и галогеналканами протекают легко: + RI + N R N I - йодид N-алкилпиридиния По механизму эти реакции — типичные примеры нуклеофильного замещения, в которых пиридин является нуклеофилом. Но при нагревании до 200300С продукт алкилирования по азоту претерпевает перегруппировку Ладенбурга, протекающую по радикальному механизму, с выбросом галогеноводорода. Результатом этого является образование - и -алкилпиридинов: R o + N R I - t -HI N R + N В смеси преобладает, как правило, -изомер. Катализаторами могут быть Cu2Cl2, AlCl3. Для радикалов нормального строения (например, н-пропил) происходит их изомеризация. 12.4.3.3. Реакции электрофильного замещения В молекуле пиридина имеются два реакционных центра для электрофильной атаки, и, как было сказано выше, легче она должна осуществляться по атому азота. Действительно, большинство электрофилов на первой стадии атакует атом азота, а затем происходит перегруппировка с образованием более прочных связей электрофильных частиц с атомами углерода кольца. При этом электрофильное замещение всегда протекает по -углеродному атому в отсутствие других ориентирующих групп, так как и -атомы дезактивированы электроноакцепторным влиянием атома азота (см. выше). В целом электрофильное замещение в цикле пиридина протекает в жѐстких условиях (при температурах около 230300С). Одним из примеров является реакция хлорирования, которая без катализатора протекает при 200С, а в присутствии хлорида алюминия — при 100С. Образование связи C–Cl здесь происходит при действии избытка хлорирующего агента: 654 - Cl [AlCl] + Cl2 - N + Cl Cl N -Cl2 -AlCl + Cl H Cl -H+ N N -хлорпиридин Проведение хлорирования при более высокой температуре (230С) приводит к смене механизма, в результате чего вместо SE-реакции протекает радикальное замещение (SR) и образуются продукты -замещения: Cl2 / 500 K -HCl N Cl Cl N -хлорпиридин N Cl 2,6-дихлорпиридин Для проведения электрофильного бромирования требуется использование раствора брома в олеуме при 170С: Br Br2 / H2SO4+SO3/ 400 K - HBr N N -бромпиридин Проведение бромирования без растворителя при более высокой температуре (500С) также приводит к смене механизма реакции, в результате протекает радикальное замещение: Br2 / 770 K -HBr N N Br -бромпиридин Реакции нитрования и сульфирования протекают в сильнокислой среде, поэтому первой стадией этих процессов является протонирование с образованием катиона пиридиния, что в свою очередь ещѐ в большей степени замедляет электрофильное замещение. При нитровании повышение температуры выше 300С (370С) приводит к смене механизма с SE на SR. При этом вместо -нитропиридина образуется преимущественно -производное: 655 + HNO3 NO2 570 K - N N+ H -HNO3 NO3 + NO2 H NO2 -H+ N N 640 K -H2O NO2 N Сульфирование пиридина при 360С даѐт -пиридинсульфокислоту, существующую преимущественно в виде внутренней соли: + H2SO4 N - N+ H HSO4 H2S2O7/ T -HSO4 + SO3H H + -H N SO3 SO3H + N H N Некоторые другие типичные реакции электрофильного замещения, например, реакции алкилирования и ацилирования по Фриделю–Крафтсу, вовсе не характерны для пиридина, но такие реакции невозможны и для производных бензола с сильными электроноакцепторными группами (например, для нитробензола). 12.4.3.4. Реакции нуклеофильного замещения Наличие атома азота в ароматическом кольце пиридина существенно понижает -электронную плотность, и становится возможной нуклеофильная атака по атому углерода в -положении (и в меньшей степени в -положении). Тем не менее, пиридин и его гомологи реагируют только с сильными нуклеофильными агентами. Щѐлочи реагируют с пиридином только при температуре около 400С с образованием -гидроксипиридина, который таутомеризуется в -пиридон. Механизм реакции — SN2аром.: + N + - K+ OH N K+ 656 H OH N + KH OH H+ -K+ -H2 OK N N OH O N H -гидроксипиридин -пиридон Алкилирование и арилирование проводятся литийорганическими соединениями R-Li или Ar-Li при температуре 100С. Эти реакции также селективно приводят к образованию -замещѐнных пиридинов. Например, взаимодействие с бутиллитием осуществляется по следующей схеме: + + + CH3CH2CH2CH2: Li N Li+ N H (CH2)3CH3 + LiH N (CH2)3CH3 -бутилпиридин Для отщепления гидрид-иона на стадии превращения -комплекса в продукты реакции может быть использовано окисление кислородом воздуха; тогда вместо гидрида лития образуется LiOH. Аминирование пиридина и родственных гетероциклических соединений (реакция А.Е. Чичибабина*) осуществляется амидом натрия в апротонных растворителях при 100С (или в жидком аммиаке при -33С). Замещение осуществляется селективно в -положение. NaNH2 + N Na+ N H2O -NaOH H -H2 N H H N NHNa+ N NH2 Но если оба -положения заняты, то замещается водород в -положении. При нагревании с избытком амида натрия можно получить пиридин-2,6диамин. NaNH2 N H2N NH2 657 N NH2 12.4.3.5. Реакции окисления и восстановления Пиридиновый цикл устойчив к окислителям. Окисление может протекать по атому азота, например, действием пероксида водорода или пероксикислот (H2SO5): [O] + N N O - пиридин-N-оксид Восстановление пиридина водородом на никелевом катализаторе приводит к полному гидрированию цикла. Реакция гидрирования пиридина протекает трудно, в условиях, аналогичных гидрированию бензола (гл. 9.5.1.2). [H] N N H пиперидин 12.4.4. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ПИКОЛИНОВ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРИДИНА Пиколины с метильной группой в - и -положениях обладают повышенной СН-кислотностью за счѐт акцепторного влияния атома азота: H + H C H + + + N H + C H H -пиколин N + -пиколин Это проявляется при образовании ими металлорганических соединений, например, при взаимодействии с бутиллитием, которые затем могут быть использованы в качестве реагентов в нуклеофильных реакциях: 658 + + CH3CH2CH2CH2: Li -C4H10 CH2 H N N CH2Li O H C H N CH2CH2OLi или же сами - и -метилпиридины могут вступать в реакции нуклеофильного присоединения с альдегидами в присутствии оснóвного (реже кислотного) катализатора: O R C H N CH=CH-R N CH3 Кислотные свойства -пиколина близки к таковым для толуола, и в целом химические свойства -изомера с участием метильной группы аналогичны свойствам толуола. Из гидроксипиридинов - и -изомеры в обычных условиях существуют в виде - и -пиридонов, образующихся в результате таутомерных превращений: N OH -гидроксипиридин N H O -пиридон OH O N N H -гидроксипиридин -пиридон а -изомер существует в равновесии с биполярной формой (в водном растворе обе формы находятся примерно в равных количествах): OH O + N N H -гидроксипиридин 659 Все гидроксипиридины являются слабыми основаниями и слабыми кислотами. В наибольшей степени кислотные свойства проявляются у -изомера (рКа = 8.7), для него характерны типичные свойства фенолов (нитруется и бромируется легко, реагирует с формальдегидом, с солями диазония — SE-реакции идут преимущественно в положение 2). Кислотные свойства - и -изомеров выражены значительно слабее (рКа 11), для них становятся возможны реакции спиртов, не характерные для фенолов, в частности, замещение гидроксогруппы в 2-гидроксипиридине (или, что то же самое, атома кислорода в 2-пиридоне): POCl3/T N H O - + N H N OPOCl2 Cl - OPOCl2 Cl H2O -2HCl -HPO3 N Cl H Алкилирование гидроксипиридинов может протекать по атому азота (например, CH3I, (CH3)2SO4) или по атому кислорода (например, диазометаном CH2N2). Все изомерные аминопиридины проявляют оснóвные свойства в большей степени, чем незамещѐнный пиридин, и образуют при протонировании по кольцевому атому азота кристаллические соли. Производные пиридина с аминогруппами в - и -положениях одноосновны, так как положительный заряд делокализуется между двумя атомами азота, что препятствует повторному протонированию. + H N + NH2 N H NH2 NH2 + NH2 N H pKb = 6.8 + NH2 NH2 H+ N + N H N H pKb = 4.9 У -изомера основность выражена слабее, что объясняется отсутствием донорного мезомерного влияния аминогруппы в -положении на кольцевой атом азота (рКb = 7.4), но в сильнокислых средах пиридин-3-амин способен дважды протонироваться с образованием дикатиона. 660 NH2 H + NH2 + H + + + N H N NH3 N H Алкилирование аминопиридинов протекает по кольцевому атому азота, а ацилирование — по азоту аминогруппы. Все аминопиридины легко вступают в SE-реакции по кольцу, причѐм место вступления электрофила определяется ориентацией аминогруппы. -Аминопиридин при взаимодействии с азотистой кислотой превращается в соответствующую соль диазония. В случае - и -амино-пиридинов соли диазония легко гидролизуются в пиридоны. Причиной тому можно считать высокие эффективные положительные заряды на - и -атомах пиридинового кольца, создаваемые акцепторным влиянием азота, что в свою очередь приводит к дестабилизации катиона диазония. Здесь, как и в гидроксильных производных пиридина, -изомер в большей степени проявляет свойства функциональных производных ароматического ряда, чем - и производные. Свойства галогенопроизводных пиридина также в значительной степени зависят от положения атома галогена в пиридиновом кольце. В - и положениях нуклеофильное замещение протекает значительно легче (возможна прямая нуклеофильная атака по этим атомам углерода — механизм SN2), а галоген в -положении, как и в неактивированном бензольном кольце, может замещаться только в очень жѐстких условиях, по ариновому механизму. Например, для 2,3-дихлорпиридина нагревание с метиламином даѐт исключительно продукт замещения по -атому: Cl Cl :NH2CH3/ T + N Cl - + [NH3CH3]+Cl N NH-CH3 Пиридинкарбоновые кислоты (пиколиновая, никотиновая и изоникотиновая) во многом представляют собой типичные ароматические карбоновые кислоты. Однако из-за наличия в их молекулах атома азота в качестве основного центра они могут существовать и в виде внутренней соли (как типичные аминокислоты). Различия в свойствах карбоксильных групп, находящихся в различных положениях пиридинового цикла, проявляются по отношению к нагреванию, и это можно проиллюстрировать следующим примером: 661 COOH COOH N COOH COOH COOH 450 K -CO2 COOH 510 K -CO2 N пиридин-2,3,4-трикарбоновая кислота N пиридин-3,4-дикарбоновая (цинхомеровая) кислота никотиновая кислота 12.4.5. ХИНОЛИН И ИЗОХИНОЛИН Хинолин и изохинолин — это конденсированные системы, состоящие из пиридинового цикла и бензольного кольца. Поэтому их названия как конденсированных систем: b a c N хинолин (бензо[b]азин) ba N изохинолин (бензо[c]азин) Хинолин и изохинолин являются азотоаналогами нафталина, и нумерация атомов в их молекулах проводится так же, как и в молекуле нафталина: в хинолине, начиная с гетероатома, а в изохинолине атом азота имеет номер 2. 5 6 7 8 5 4 N1 4 3 6 3 2 7 N2 8 1 Хинолин, изохинолин и их производные — это бесцветные жидкости и низкоплавкие вещества, малорастворимые в воде и имеющие своеобразный запах. 12.4.5.1. Строение Хинолин и изохинолин, так же, как и их углеродный аналог нафталин, представляют бициклические сопряжѐнные системы из 10 -элек-тронов. Присутствие атома азота значительно изменяет распределение электронной плотности. Электроноакцепторное влияние атома азота главным образом распространяется на цикл пиридина. Поэтому электронная плотность на бензольном кольце понижена в незначительной степени, а наибольший положи662 тельный заряд возникает в положении 2 молекулы хинолина и в положении 1 изохинолина: + N N + 12.4.5.2. Химические свойства Как и пиридин, хинолин и изохинолин являются типичными основаниями с константами основности, близкими к таковым для пиридина. Образование солей протекает аналогично пиридину. Например, для хинолина: HCl - + N Cl N H хлорид хинолиния Реакции алкилирования и окисления по атому азота протекают в тех же условиях и при участии тех же реагентов, что и для пиридина. Например, для хинолина: + RI I + N R N - йодид N-алкилхинолиния H2O2 / CH3COOH хинолин-N-оксид + N O- Однако хинолин и изохинолин могут окисляться под действием сильных окислителей (KMnO4, HNO3) с разрушением одного цикла, обычно бензольного. Но окисление изохинолина щелочным раствором перманганата калия приводит к смеси двух кислот. COOH HNO3,to N N COOH хинолиновая кислота 663 COOH HNO3,to N N COOH цинхомеровая кислота N COOH COOH - KMnO4 / OH ,to + N COOH COOH Реакции электрофильного замещения для обоих соединений протекают по бензольному кольцу, обычно по атомам С5 и С8. Но если при нитровании хинолина образуется примерно эквимолярная смесь 5- и 8-нит-рохинолинов, то нитрование изохинолина даѐт преимущественно 5-нитро-производное: NO2 HNO3 / H2SO4,273 K N N + N NO2 нитроизохинолин 90% 5- 8-нитроизохинолин 10% Сульфирование при обычных температурах (90230С) также приводит к образованию хинолин-5-сульфокислоты и хинолин-8-сульфокислоты (главным образом, 8-производного), но эти изомеры при нагревании выше 260С переходят в более термодинамически стабильную 6-сульфоновую кислоту. Галогенирование хинолина и изохинолина в условиях реакции электрофильного замещения (в присутствии кислотных катализаторов) также приводит к 5- и 8-производным. Введение атома галогена в пиридиновое кольцо происходит в значительно более мягких условиях. Так, бромирование хинолина и изохинолина в присутствии незначительных количеств HCl даѐт 3-бромхинолин и 4-бромизохинолин соответственно. Механизм процесса на примере изохинолина можно представить в следующем виде: N HCl -Cl + :Br + - NH NH H 664 Br - Br :Br -Br + NH H Br Br Br H -H + N Br H Br -HBr N H 4-бромизохинолин Нуклеофильное замещение атома водорода идѐт наиболее легко в положение С2 хинолина и С1 изохинолина. Так, например, протекают реакция А.Е. Чичибабина и взаимодействие со щѐлочью для хинолина: NaNH2 / NH3 N NH2 N OH N KOH,513 K N H O хинолин-2-он Для хинолина и изохинолина возможно гидрирование как пиридинового цикла, так и бензольного кольца. Восстановить пиридиновый цикл до тетрагидропиридинового можно боргидридами металлов или каталитически водородом в метаноле. Однако каталитическое гидрирование в растворе сильных кислот приводит к первоначальному селективному восстановлению бензольного кольца, а затем — к продукту исчерпывающего гидрирования — декагидропроизводному. Например, для хинолина: H2 / Pt, CH3OH N H N H2 / Pt, HCl N 12.4.6. -ПИРАН И -ПИРАН И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 665 N H Пираны — это ненасыщенные гетероциклические кислородосодержащие соединения. Возможно существование двух таких изомеров — -пирана и -пирана (или, соответственно 2Н-пиран и 4Н-пиран): O O -пиран 2Н-пиран -пиран 4Н-пиран Циклы пиранов содержат один насыщенный атом углерода (-атом в -пиране и, соответственно, -атом в -пиране), поэтому в их молекулах отсутствует полное циклическое сопряжение и эти соединения не могут относиться к ароматическим. Пираны широкого распространения и практического использования не имеют. Однако более распространены соли катиона пирилия и оксопроизводные пиранов — пироны: O + O пирилий-катион O -пирон O O -пирон Строение катиона пирилия подобно строению катиона пиридиния (и молекулы пиридина). Здесь имеет место циклическая сопряжѐнная 6-электронная система. Отличие от молекулы пиридина — это присутствие в катионе пирилия сильно электроотрицательного атома кислорода в оксониевой форме. Это вызывает сильнейшую поляризацию связей и высокую реакционную способность по отношению к нуклеофилам. Реакции электрофильного замещения для них неизвестны. Обычно местом нуклеофильной атаки в катионе пирилия является атом С2, но возможны реакции и по атому С4. Присоединение нуклеофила в положение 2 влечѐт за собой, как правило, раскрытие цикла, но возможно последующее его замыкание с образованием другой циклической системы: R R R NH3 / H2O, 293 K + O -H+ O 666 NH2 H H O NH 2 H R R H HO -H2O N N H -Пироны являются одновременно -лактонами и сопряжѐнными диенами. Поэтому они проявляют свойства сложных эфиров и вступают, например, в реакцию диенового синтеза как сопряжѐнные диены. -Пироны способны расщепляться под действием щѐлочи, аммиака, аминов. Местом нуклеофильной атаки является положение 2. Механизм процесса аналогичен приведѐнному выше взаимодействию катиона пирилия с аммиаком. 12.4.7. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Пиридин, хинолин, изохинолин и их метильные производные содержатся в каменноугольной смоле, откуда их выделяют при промышленном получении. Пиридиновое кольцо входит в структуру многих природных соединений — витаминов, алкалоидов, нуклеиновых кислот, и поэтому некоторые производные пиридина могут быть получены путѐм превращений исходных природных соединений. Для синтетического получения пиридина, хинолина, изохинолина, их производных, а также кислородосодержащих гетероциклических соединений используют исходные вещества, содержащие структурные фрагменты необходимого гетероцикла. Некоторые примеры таких синтезов. 1. Частично гидрированные алкилпиридины могут быть получены конденсацией -дикарбонильных соединений с аммиаком. R O O C H2C + C R' CH2 R + :NH3 CH2 H N R' -H2O Реакция начинается как нуклеофильное присоединение аммиака к молекуле дикарбонильного соединения, образованием иминосоединения и затем внутримолекулярное нуклеофильное присоединение с атакой иминогруппы по карбонильной группе. 2. Синтез Ганча представляет собой получение замещѐнных пиридинов конденсацией эфиров -оксокислот с альдегидами и аммиаком. 667 RO O C R' R" H CH C + H C O + O C H CH + O R" O C RO OR R" CH HC + -H2O R' O C O C CH + C R R' C O O OR :NH3 -2H2O COOR ROOC R' R' N H Образовавшийся по данной схеме цикл дигидропиридина может быть далее дегидрирован до пиридинового цикла. Вместо эфира -кетокислот здесь могут быть использованы другие -дикарбонильные соединения (малоновый эфир, ацетилацетон) и эфиры циануксусной кислоты. 3. Пиридин может быть получен циклизацией ацетилена с циановодородом: 2 CH CH + H C N N Реакция аналогична получению бензола, протекает при высоких температурах, но представляет только теоретический интерес. 4. Синтез хинолина по Скраупу* (синтез Скраупа или реакция Скраупа) осуществляют, используя первичные ароматические амины, глицерин и концентрированную серную кислоту (6085%-ю) в присутствии слабых окислителей (нитробензола или соответствующих ароматических нитросоединений или других окислителей). Первоначально из глицерина под действием серной кислоты образуется акролеин, который затем взаимодействует с ариламином: CH2-CH-CH2 OH OH OH + + NH2 O H2SO4 CH2=CH C CH2=CH C O H 668 H + 2 H2O H C O CH + NH2 CH2 - OH CH CH2 + O C H CH2 NH CH2 CH2 N H -H2O [O] N H N 5. Одним из синтетических способов получения изохинолина является реакция Бишлера*–Напиральского, в которой в качестве исходного используется 2-фенилэтан-1-амин: O CH2 CH2 CH2 + R C CH2 R C NH O X -HX NH2 CH2 CH2 C NH R OH P2O5 -HPO3 N N -H2 R R 6. Соли пирилия (производные пирана) обычно получают из ,ненасыщенных карбонильных соединений и метилкетонов в присутствии уксусного ангидрида и сильной кислоты (HClO4) : R CH HC R HC R C + + HC R C R CH CH2 C O + HC R C R O H O H 3C C R O R CH CH2 C O R CH + C R OH 669 + OH CH2 C O R HC R CH CH2 R C R O OH R H (CH3CO)2O -CH3COOH R + R O R R-CH=CH-CR=O + HClO4 - R-CH2CH2-CR=O - R + O ClO4 R 12.4.8. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Пиридин — бесцветная жидкость с неприятным запахом, температурой кипения 116С. Растворим в воде, ядовит. Получают пиридин при коксовании каменного угля. Пиколины — бесцветные жидкости с неприятным запахом, температурами кипения 130С, 144С и 145С (для -, - и -изомеров соответственно). Хорошо растворимы в воде. Пиколины получают из каменноугольной смолы. Пиридинкарбоновые кислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, растворимые в воде. Их получают окислением производных пиридина (главным образом, пиколинов). Никотиновая (-пиридинкарбоновая) кислота является провитамином РР, а еѐ амид — витамином РР. Недостаток этого витамина вызывает заболевание кожи, называемое пеллагрой. O C-NH2 N никотинамид (витамин РР) Гидразид изоникотиновой кислоты (изониазид, тубазид) является структурной основой противотуберкулѐзных препаратов. Его производные используются при лечении туберкулѐза. N O C-NH-NH2 изониазид Пиридоксин (витамин В6) — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Содержится в различных природных продуктах (дрожжах, бобах, печени). В организме превращается в пиридоксаль-5фосфат, участвующий в метаболизме аминокислот. 670 X HOH2C OH N где Х = -CH2NH2 — пиридоксамин -CH2OH — пиридоксол -CHO — пиридоксаль CH3 витамин В6 Хинолин — бесцветная жидкость с температурой кипения 237С и неприятным запахом. Получают хинолин при переработке каменноугольной смолы. Используют в качестве растворителя и исходного вещества для получения аналитических реагентов и лекарственных веществ. Хинальдин (2-метилхинолин) — бесцветная жидкость с температурой кипения 247С и запахом хинолина. Получают из каменноугольной смолы. Используют для синтеза красителей. Изохинолин — бесцветное вещество с температурой плавления 24С, кипения 242С. Получают из каменноугольной смолы. Антоцианидины— гидроксипроизводные солей замещѐнного бензо[b]пирилия. OH OH HO OH OH O X где Х = -ОН или –Н Антоцианидины являются основой пигментов цветов, ягод, овощей, в состав которых они входят в виде гликозидов моносахаридов, называемых антоцианами. 12.5. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ГЕТЕРОАТОМАМИ Из шестичленных гетероциклических соединений с двумя гетероатомами наиболее важны в практическом отношении производные пиримидина и конденсированные системы на его основе (в частности, пурин). Однако находят применение и встречаются в составе природных соединений и другие гетероциклы с двумя атомами азота, с атомами кислорода и пр. Примеры: 671 N N N N пиримидин (1,3-диазин) пиразин (1,4-диазин) N N пиридазин (1,2-диазин) N O N H O пурин (имидазо[4,5-d]пиримидин) N N диоксан (пергидро-1,4-диоксин) Диоксан по химической структуре является простым насыщенным циклическим диэфиром. Циклические простые эфиры изучались ранее (гл. 3.4) и поэтому здесь рассматриваться не будут. Пиримидин, пиразин и пиридазин в соответствии с номенклатурными правилами являются изомерными диазинами, и далее для них будет использоваться это собирательное название. Нумерация атомов в их циклах соответствует номенклатурным правилам: 4 4 5 6 3 5 2 6 N N 1 N N1 4 3 5 3 2 6 N2 N 1 12.5.1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ДИАЗИНОВ Пиримидин, пиразин и пиридазин представляют собой бесцветные вещества, растворимые в воде. Пиридазин отличается от других диазинов высокой температурой кипения (207С), это на 8090С выше температур кипения пиримидина (123С) и пиразина (118С). Такая высокая температура кипения пиридазина является следствием близкого расположения двух атомов азота в молекуле, сильной поляризации молекул, приводящей к значительной ассоциации их в жидкости. Строение диазинов подобно строению пиридина. Каждая из молекул диазинов представляет собой плоский шестиугольник, содержащий сопряжѐнную -электронную систему, удовлетворяющую всем критериям ароматичности, в том числе и правилу Хюккеля (6 -электронов). Валентные углы и длины связей искажены по сравнению с бензолом. В целом диазины менее ароматичны, чем пиридин. 672 Акцепторное влияние двух гетероатомов в диазинах значительно сильнее, чем одного атома азота в пиридине. При этом в пиримидине влияние атомов азота согласованное, и электронная плотность сильно понижена в положениях 2, 4 и 6. В молекулах 1,2- и 1,4-диазинах несогласованное влияние гетероатомов приводит к понижению электронной плотности на всех углеродных атомах. + + N + N N + '+ N + + + + '+ '+ N N Вследствие этого диазины ещѐ менее склонны к реакциям электрофильного замещения, чем пиридин. Но понижение электронной плотности на атомах углерода приводит к облегчению атаки нуклеофильными реагентами по сравнению с пиридином. Химические свойства диазинов (как самих гетероциклов, так и их производных), по аналогии с пиридином, включают в себя и реакции непосредственно по атому азота (основные свойства, реакции алкилирования, окисления), и реакции с участием ароматического кольца (электрофильное и нуклеофильное замещение, гидрирование). Рассмотрим их на примере пиримидина. 12.5.1.1. Основность Пиримидин, как и другие диазины, — это преимущественно однокислотное основание. Его основность (рКb = 12.7) значительно слабее выражена, чем основность пиридина (рКb = 8.8). Это связано с электроноакцепторным влиянием другого атома азота. + N + NH H+ N N пиримидиний-катион Присоединение второго протона — чрезвычайно сложный процесс, и возможен лишь в концентрированных растворах очень сильных кислот. 12.5.1.2. Реакции алкилирования по атому азота Пиримидин реагирует с алкилгалогенидами труднее, чем пиридин, с образованием N-алкилониевых солей: 673 + NR N + RI I - N N йодид N-алкилпиримидиния Диалкилпроизводные в этих условиях получить не удаѐтся. 12.5.1.3. Реакции электрофильного замещения В молекуле пиримидина положение 5 — это единственное положение во всех трѐх диазинах, которое не является - или -положением по отношению к атому азота, и оно аналогично -положению пиридина. Величина электронной плотности на этом атоме углерода остаѐтся самой высокой из всех углеродных атомов диазинов — см. выше строение диазинов. Тем не менее, осуществить реакции нитрования, сульфирования, ацилирования практически не удаѐтся. Незамещѐнный пиримидин в SE-реакции не вступает. Однако галогенирование в ряде случаев может протекать в достаточно мягких условиях и с хорошим выходом (8090%) как для пиримидина, так и для других диазинов: NH+ Cl C6H5NO2 / 400 K - HCl - HBr + Br2 N N + Cl2 N N N Cl N CH3 CCl4 / 313 K - HCl CH3 N Br Объяснить это можно тем, что в данных случаях реализуется механизм присоединения–отщепления, а не классического электрофильного замещения. Например, бромирование хлорида пиримидиния может протекать так: NH+ Cl + BrBr NH -BrCl N H Br N H Br + NH N H Cl Br - H Br Br N -HCl N 674 - + Br+ Cl H -HBr Br N N Наличие в кольце пиримидина хотя бы одной сильной электронодонорной группы во многих случаях достаточно для облегчения SE-реакций; две аминогруппы активируют молекулу настолько, что становятся возможными реакции даже со слабыми электрофилами, такими, как катионы диазония. Например: NH2 NH2 Cl N + + N2 Cl -H NH2 N N=N N + N NH2 12.5.1.4. Реакции нуклеофильного замещения По причине сильного электроноакцепторного влияния двух атомов азота в молекулах диазинов более характерными более характерными для них являются реакции нуклеофильного (а не электрофильного) замещения. Для диазинов эти реакции протекают легче, чем для пиридина. Например, легко осуществляется нуклеофильная атака амид-анионом в реакции Чичибабина: лимитирующей стадией является отрыв гидрид-иона, и необходимо использование (перманганата калия или другого окислителя) для отщепления нуклеофугной группы: N + N NH2 H NH2 + '+ + K - N NH2 K N + + KMnO4 -MnO2, -H2O, -KOH N N По этой же причине нуклеофильное замещение преимущественно наблюдается в положении 4, а не в положении 2 (гидрид-ион у атома С2 сильнее удерживается акцепторным влиянием двух атомов азота). Замещение других уходящих групп в молекулах производных пиримидина может происходить легко, в мягких условиях, если отщепляемый анион достаточно устойчив. Так, например, происходит с 2-, 4- или 6-галогенозамещѐнными пиримидинами. (Положение 5 не активировано для нуклеофильной атаки, и галоген там может замещаться в жѐстких условиях, подобно тому, как это происходит в галогенаренах.) Взаимодействие 2,4дихлорпиримидинов с аммиаком в этаноле в обычных условиях (20С) протекает не селективно: 675 Cl NH2 N N + N C2H5OH NH3 Cl N + Cl Cl N N NH2 В общем случае селективность других реакций нуклеофильного замещения производных пиримидина зависит от природы нуклеофильного реагента и условий проведения процесса. 12.5.1.5. Реакции окисления и восстановления Пиримидиновый цикл, так же как и пиридиновый, устойчив к окислителям; образование N-оксидов пиримидина протекает значительно труднее, чем для пиридина. Алкилпроизводные при действии CrO3 или KMnO4 окисляются до карбоновых кислот: R HOOC N N [O] N N Поскольку ароматичность диазинов меньше, чем пиридина, их восстановление проходит легче, чем для цикла с одним атомом азота. Каталитическое восстановление водородом или натрием в кипящем спирте приводит к гексагидропроизводным в случае пиримидина и пиразина, а в пиридазине расщепляется цикл по связи N–N. N N [H] N N NH [H] N H H2NCH2CH2CH2CH2NH2 12.5.2. ПУРИН Пурин (имидазо[4,5-d]пиримидин) представляет собой конденсированную бициклическую систему, построенную из пиримидинового и имидазольного циклов. Он имеет свою, оригинальную нумерацию атомов, которая 676 отличается от правил нумерации конденсированных структур. Пурин существует в виде двух таутомеров — 9Н-пурина и 7Н-пурина. (Ещѐ две теоретически возможные таутомерные формы, 1Н-пурин и 3Н-пурин, не обнаружены.) 6 5 1N N 6 7 1N 5 H N7 8 2 N 4 3 8 N9 H 2 N 4 N9 3 9Н-пурин 7Н-пурин В кристаллическом состоянии пурин существует в виде 7Н-таутомера, однако в растворе 7Н-пурин и 9Н-пурин представлены примерно в равных количествах. Система пурина, подобно бициклической системе индола, содержит 10--электронную систему. При этом в имидазольном кольце электронная плотность повышена, а в пиримидиновом, наоборот, понижена по сравнению с бензольным. По кислотным свойствам пурин (рКа = 8.9) — немного более сильная кислота, чем фенол (рКа = 9.9), и значительно более сильная кислота, чем имидазол (рКа = 14.2). Такая сравнительно высокая кислотность обусловлена значительной делокализацией отрицательного заряда аниона между четырьмя атомами азота: N N N N H N N -H+ N N N N N N N N N N - N N N N Основные свойства пурина выражены слабо (рКb = 11.5); в растворе существуют все три возможные протонированные формы пурина, но с преобладанием катиона, образующегося при N1-протонировании: 677 + N N + H+ N H N N HN N N N + N H H N+ N N H N H N H N H N N + N H Алкилирование пурина протекает довольно сложно, и в нѐм могут участвовать нейтральная молекула или анион. С йодметаном в метаноле при 100С образуется соль 7,9-диметилпуриния: N N N + 2 CH3I / CH3OH N H N - HI CH3 N+ N - I N CH3 N Возможные углеродные центры электрофильной атаки как в пиримидиновом, так и в имидазольном циклах пуриновой системы заняты, и вполне очевидно, что SE-реакции для самого пурина неизвестны. Однако замещѐнный пурин может галогенироваться, нитроваться и даже вступать в реакцию азосочетания, как это показано в следующих примерах. O N HN O O N H N CH3 Br2(aq) / CH3COOH, 373 K - HBr O O O N H Br N H N CH3 O N HN N HN N H HNO3 + CH3COOH / 393 K - H2O 678 N HN O NO2 N H N H O O N HN O + N=N N HN - H+ N H N H Cl / KOH N=N O N H N H Cl Нуклеофильное замещение наиболее характерно для галогенозамещѐнных пуринов. Реакции замещения для 2-, 6- или 8-галогенопуринов протекают относительно легко с такими нуклеофилами, как амины, цианиды, алкоксиды, сульфиды и др. Механизм реакции SN2аром. Например: N N Cl N CH3 N N N C2H5ONa / C2H5OH, 293 K - NaCl OC2H5 N CH3 N В 9-замещѐнных галогенопуринах наибольшей реакционной способностью обладает галоген в 8-м положении, в 9Н-галогенопуринах — галоген в 6-м положении. Изменение реакционной способности галогена в положении 8 связано с образованием аниона в пятичленном цикле 9Н-пурина, и нуклеофильная атака осуществляется по пиримидиновому кольцу. При наличии заместителя в 9-м положении пятичленный цикл протонируется растворителем, что облегчает нуклеофильную атаку по этому кольцу. Cl Cl N N Cl N N H C2H5O - -C2H5OH Cl Cl N N CH3 C2H5OH N N Cl - Cl - N N- Cl Cl H N - + - -C2H5O N- N Cl N N N N OC2H5 N C2H5O N N CH3 Cl C2H5O - - Cl -C2H5OH N N OC2H5 N N CH3 12.5.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ В синтетическом отношении производные диазинов оказываются более доступными, чем сами незамещѐнные гетероциклы. 679 1. Пиримидиновое кольцо получают конденсацией -дикарбо-нильных соединений с мочевиной или еѐ производными. Например, барбитуровая кислота образуется из малонового эфира и мочевины: NH2 O C C2H5O C + NH2 C2H5O C O O HN CH2 -2C H OH 2 5 CH2 O O OH N H N O HO OH N барбитуровая кислота Сам пиримидин может быть получен путѐм превращения барбитуровой кислоты в трихлорпиримидин, и последующим его восстановлением: OH Cl N HO N POCl3 -HPO3 OH N Cl HI -HCl, -I2 Cl N N N 2. Пиразиновое кольцо легко образуется при самоконденсации аминокарбонильных соединений (в том числе -аминокарбоновых кислот — гл. 6.9.2.3). R R C CH O H 2N + NH2 O CH C R -2 H2O R R N R R N R -2H R N R R N R 2,5-дигидротетраалкилпиразины 3. Пиридазин и его производные получают с использованием гидразина. C H C CH O + H O CH NH2 NH2 -2 H2O N N 4. Для получения пурина и его производных могут использоваться 5,6диаминопиримидины (или соответствующие гидроксильные производные). Например, аминобарбитуровая кислота при конденсации с цианатом (изо680 цианатом) калия образует мочевую кислоту, которая затем может быть превращена в пурин: O OH NH2 N O NH2 HN - K+ N=C=O / H+ HN O NHCNH2 -H2O + HO O HN O O OH N O N H O N H O OH H N N N O N H -K N H HO OH N H N POCl3 -HPO3 мочевая кислота Cl N N Cl Cl N N H N N HI -HCl, -I2 N N H 12.5.4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Пиримидин — бесцветное вещество со слабым запахом; температура плавления 21С, кипения — 124С; растворяется в воде. Пиразин — бесцветное кристаллическое вещество со слабым запахом; температура плавления 57С, кипения — 118С; растворяется в воде. Получают каталитическим дегидрированием пиперазина. Пиридазин — бесцветная жидкость со слабым запахом; температура плавления -8С, кипения — 208С; растворяется в воде. Барбитуровая кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 245С; растворяется в воде. Получают из малонового эфира и мочевины. Стабильной таутомерной формой является триоксоформа. В медицине применяются 1,5,5-тризамещѐнные барбитуровые кислоты («барбитураты»). Они обладают снотворным (а некоторые и противоэпилептическим) действием. 681 O R' C R" HN O O N R где R – чаще всего водород, а R, R – алкил или арил Наиболее известными препаратами этого ряда являются барбитал, барбитал-натрий, барбамил (амитал-натрий), этаминал-натрий (нембутал, пентобарбитал-натрий), циклобарбитал (фанодорм), гексенал (гексобарбиталнатрий), тиопентал-натрий и др. Пурин — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 216С; растворяется в воде. Получают из 5,6-диамино-пиримидина. Оротовая кислота (витамин В13) — промежуточное вещество в биосинтезе пиримидиновых оснований. В качестве лекарственного вещества используется калиевая соль оротовой кислоты (оротат калия) как стимулятор метаболичеких процессов. O HN O COOH N H оротовая кислота Мочевая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, малорастворимое в воде. Синтетически получают из барбитуровой кислоты. Стабильной таутомерной формой является триоксоформа. Является продуктом обмена веществ живых организмов. Урацил, тимин, цитозин, аденин и гуанин входят в состав важных природных соединений нуклеотидов и нуклеиновых кислот (см. далее) и поэтому известны под общим названием «нуклеиновые основания». Для урацила, тимина, цитозина и гуанина наиболее стабильными являются оксоформы: O HN O CH3 HN N H урацил NH2 O O N H тимин 682 N O N H цитозин NH2 O N N N N HN N H H2N аденин N гуанин N H 12.5.5. НУКЛЕОЗИДЫ, НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Нуклеиновые кислоты являются составной частью каждой живой клетки. Они представляют собой высокомолекулярные водорастворимые соединения, в макромолекулы которых входят производные пиримидина и пурина (так называемые нуклеиновые основания), фосфорная кислота и моносахарид (пентоза) — D-рибоза или 2-дезокси-D-рибоза. Полинуклеотидная цепь, таким образом, состоит из фосфатных и моносахаридных звеньев за счѐт образования фосфодиэфирных связей между положением 5 одной пентозы и положением 3 другой. К рибозе (или дезоксирибозе) присоединены пиримидиновые и пуриновые основания. HO P O O 5' CH2 где Х – остатки нуклеиновых оснований: O H O H 3' H O X H H OH(H) 683 N O N N гуанина O N N N O O NH2 H OH(H) H CH3 аденина H 3' H N X O NH2 HN HN цитозина O O H OH(H) H O HO P O O 5' CH2 урацила тимина (только в РНК) (только в ДНК) H 3' O HO P O O 5' CH2 X N N HN H2N N N Такая полинуклеотидная цепь представляет первичную структуру нуклеиновых кислот, которая определяется последовательностью расположения нуклеиновых оснований в ней. Известны два различных типа нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие моносахарид D-рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), в которых углеводный остаток представляет собой 2-дезокси-D-рибозу. ДНК содержат два пиримидиновых основания — тимин и цитозин и два пуриновых — аденин и гуанин. В РНК вместо тимина присутствует урацил. Структурными звеньями нуклеиновых кислот являются мононуклеотиды. Они представляют собой фосфорнокислые эфиры нуклеозидов: OH O P O CH2 X O OH H H H H где Х — остаток пиримидинового OH OH(H) или пуринового основания нуклеозид-5-фосфат В свободном состоянии существуют также дифосфаты и трифосфаты. Так, аденозин-5-трифосфорная кислота (АТФ) играет важную роль в процессах обмена веществ в живых организмах. NH2 N O O O HO P O P O P O CH2 N O OH OH OH H H H H OH OH N N АТФ При гидролизе связей Р–О–Р выделяется значительное количество энергии (3346 кДж/моль). Она является своеобразным аккумулятором энергии, поставщиком энергии в различных процессах биосинтеза. Сложноэфирная связь в нуклеотидах необратимо гидролизуется в щелочной среде, при этом образуются нуклеозиды, являющиеся N-гликозидами рибозы или дезоксирибозы — уридин, тимидин (2-дезокситимидин), цитидин, 2-дезоксицитидин, аденозин, 2-дезоксиаденозин, гуанозин, 2-дезоксигуанозин: 684 CH2OH X O H H H H OH OH(H) где Х — остаток пиримидинового или пуринового основания Гликозиды сахаров, как известно, подвергаются кислотному гидролизу (гл. 7.1.2.2). При гидролизе нуклеозидов образуются D-рибоза (или 2-дезокси-D-рибоза) и соответствующее гетероциклическое соединение (урацил, тимин, цитозин, аденин, гуанин). Если первичная структура нуклеиновых кислот — это полинуклеотидная цепь, то вторичная структура представляет пространственное расположение макромолекул. Это определяется внутримолекулярным и межмолекулярным взаимодействием и стабилизируется главным образом посредством водородных связей. Известны одноцепочечные нуклеиновые кислоты, цепь которых может принимать различные пространственные формы, в том числе спиралеобразные; в них плоские фрагменты пиримидина и пурина, как правило, расположены одна над другой в виде стопки. Для многих ДНК вторичная структура представляет собой комплекс из двух полинуклеотидных цепей. Такие нуклеиновые кислоты называются двухцепочечными. Как показали в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик, двухцепочечные нуклеиновые кислоты в пространстве образуют структуру двойной спирали. Каждая цепь макромолекулы закручена в спираль, при этом спирали связаны между собой посредством водородных связей, которые образуются между пиримидиновыми и пуриновыми остатками. Образование таких водородных связей очень специфично и возможно только между адениновым остатком одной цепи и тиминовым остатком другой, который расположен строго напротив первого, а также между цитозиновым остатком первой цепи и гуаниновым остатком другой. И, напротив, аденин не может образовывать мультивалентные водородные связи с цитозином, а цитозин не может образовывать связи с аденином. Образование таких специфических пар — это пример комплементарности, то есть полного пространственного и зарядового соответствия взаимодействующих молекул. Комплементарные пары: 685 Т—А H3C O N H H H N N N N к основной цепи N N O к основной цепи Ц—Г H N H N N к основной цепи O N O N H N H NH N к основной цепи В особых условиях двойная спираль может раскручиваться с образованием одноцепочечных фрагментов нуклеиновых кислот. В состав клеточного ядра бактерий входят ДНК с молекулярной массой 2,8106. В ядрах клеток высших животных и растений находятся ДНК большой длины ( до 2 мм) и молекулярной массой > 5109. Рибонуклеиновые кислоты, подобно ДНК, являются необходимыми компонентами живых клеток. Разные типы РНК имеют различные биологические функции. В клетке встречаются в основном три типа РНК: рибосомальные, транспортные и информационные. Рибосомальные РНК имеют молекулярную массу 104106. Транспортные РНК способны связываться с аминокислотами, причѐм каждый вид только с определѐнной аминокислотой; их молекулярная масса 3104. Информационные РНК, участвуя в передаче генетической информации, определяют аминокислотную последовательность синтезируемого белка. Все вместе они образуют белоксинтезирующий аппарат клетки. Генетическая информация — это набор данных, определяющих структурные и функциональные свойства клеток. Носителями генетической информации служат ДНК (в отдельных случаях РНК); генетическая информация (генетический код) об аминокислотной последовательности белка зашифрована в нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот. Каждая аминокислота синтезируемого белка кодируется последовательностью трѐх нуклеотидов (триплетом, кодоном), однако большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом, часто — двумя различными триплетами, в некоторых случаях даже четырьмя. В процессе мито686 за генетическая информация передаѐтся при расплетении двух цепей спирали ДНК. Затем происходит репликация (дубликация, копирование) за счѐт того, что на каждой старой цепи синтезируется новая дочерняя цепь, при этом происходит строго специфическое связывание пар нуклеиновых оснований А–Т и Г–Ц водородными связями, благодаря чему получается точная копия молекул ДНК. 12.6. АЛКАЛОИДЫ Алкалоиды — азотосодержащие органические основания природного (преимущественно растительного) происхождения. Обычно алкалоидам присваивают тривиальные названия, используя видовые или родовые названия растений–алкалоидоносов с прибавлением суффикса -ин, например, атропин (выделен из растения Atropa belladonna), стрихнин (выделен из Strychnos nux Vomica). Большинство алкалоидов — гетероциклические соединения. В растениях они существуют обычно в виде солей органических кислот — лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной и др. В настоящее время выделено несколько тысяч алкалоидов. Содержание их в растениях невелико (0.0012%), однако известны уникальные растения, в которых оно достигает 1018% (например, хинное дерево, листья табака). Часто алкалоиды локализуются лишь в определѐнных органах растения, например, в листьях, семенах, клубнях, корнях, коре. Некоторые алкалоиды — сильные яды (например, стрихнин). Многие алкалоиды обладают специфическим, зачастую уникальным физиологическим действием и используются в медицине (например, атропин, кофеин, кодеин, папаверин, эфедрин). Это обычно бесцветные кристаллические вещества горького вкуса, практически не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях. Их соли, напротив, хорошо растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях. Алкалоиды экстрагируют (обычно с помощью хлороформа или 1,2дихлорэтана) из предварительно обработанного щелочными агентами (водным раствором аммиака, карбоната натрия и др.) растительного сырья либо непосредственно из этого сырья водным раствором кислоты или спиртом (обычно этанолом). Химическая классификация алкалоидов основана на строении углеродно-азотного скелета молекулы (например, изохинолиновые алкалоиды, пуриновые алкалоиды и др.). Рассмотрим некоторые представители разных групп алкалоидов. Пирролидиновые и пиридиновые алкалоиды 687 1) Гигрин — алкалоид, выделенный из растения Erythroxylon coca. O N CH3 CH2-C-CH3 Был открыт в 1862 году Вѐлером и Лоссеном. Гигрин — бесцветная маслянистая жидкость; температура кипения 92– 94С / 20 мм рт.ст. Оказывает общее стимулирующее действие. 2) Никотин содержится в листьях табака (до 8%). N CH3 N Его получают из отходов табачной промышленности. Впервые в чистом виде получен в 1828 году, синтез проведѐн в 1904 году Пикте. Никотин — бесцветная маслянистая жидкость, растворимая в воде; температура кипения 246С. Токсичный алкалоид. Летальная доза для человека 40 мг. Воздействует на центральную и вегетативную нервные системы, сужает кровеносные сосуды. При окислении триоксидом хрома CrO3 образуется никотиновая кислота (гл. 12.4.1, 12.4.8). 3) Кониин — чрезвычайно токсичный алкалоид. N H CH2CH2CH3 Синтез кониина, осуществлѐнный Ладенбургом в 1886 году, был первым синтезом алкалоида: O + CH3-C-H N CH3 [H] N CH=CH-CH3 N H CH2CH2CH3 Кониин — маслянистая жидкость, мало растворимая в воде; температура кипения 166С. Это очень токсичное вещество, парализует окончания двигательных и чувствительных нервов, участвующих в иннервации кожи; при больших дозах смерть наступает вследствие прекращения дыхания. 688 4) Анабазин обнаружен в ежовнике безлистном, в небольших количествах содержится также в табачных листьях. N H N Анабазин — бесцветная маслянистая жидкость; температура кипения 276С. Это чрезвычайно токсичный алкалоид. Его используют в качестве сильнодействующего инсектицида. 5) Лобелин обнаружен в растениях Lobelia inflata. O HO CH-CH2 CH2-C N CH3 Обладает свойством возбуждать дыхательные центры и применяется в медицине для облегчения и усиления дыхания. Тропановые алкалоиды Тропан — бициклическое азотосодержащее соединение: N CH3 Однако сам тропан алкалоидом не является. 6) Атропин содержится в растениях семейства паслѐновых — беладонне, дурмане, белене. O CH C-O CH2OH N CH3 Атропин — бесцветное кристаллическое вещество; температура плавления 116С. Действует на парасимпатическую нервную систему, вызывает расширение зрачка. Применяется в офтальмологии. Кроме того, служит противоядием при отравлении мухомором. Особенностью атропина является его 689 способность уже в малых дозах подавлять деятельность желѐз; так, он сокращает или совсем приостанавливает выделение слюны, пота, мочи, и это его свойство используют в медицине. 7) Кокаин — основной алкалоид растения Erythroxylon coca. В южноамериканских листьях его содержится до 1.3%. O C-O H3CO-C O N CH3 Кокаин — бесцветное кристаллическое вещество; температура плавления 98С. Стимулирует и возбуждает нервную систему, вызывает эйфорию, а затем торможение нервной системы. Вызывает сильную местную анестезию. Это одно из первых местноанестезирующих и наркотических средств. При частом применении может развиться болезненное пристрастие к нему. Большие дозы кокаина вызывают смерть вследствие паралича дыхательного центра. Синтезирован в 1923 году Вильштеттером. Алкалоиды индола и имидазола 8) Резерпин выделен из корней растений рода раувольфия. N O O-C N H H3CO-C O OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 Его строение установил и провѐл полный синтез Р. Вудворд в 1956 году. Резерпин — бесцветное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде; температура плавления 285С. Применяется в медицине как гипотензивное средство (понижающее артериальное давление). 9) Стрихнин — одно из наиболее ядовитых веществ; его выделяют из семян многих видов чилибухи (Strychnos), особенно много — в рвотном орехе (Nux vomica). 690 N N O O В малых дозах применяется как тонизирующее средство. 10) Лизергиновая кислота входит в состав алкалоидов спорыньи. HOOC N CH3 N H Полный синтез провѐл Р. Вудворд в 1954 году. Лизергиновая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде; температура плавления 238С. Амид лизергиновой кислоты — эргин — проявляет высокую физиологическую активность: сужает кровеносные сосуды, действует на гладкую мускулатуру матки, облегчает роды. Диэтиламид лизергиновой кислоты — препарат ЛСД-25 — является сильным галлюциногенным средством. 11) Пилокарпин содержится в листьях растения Pilocarpus pennatifolius. C2H5 O CH3 CH2 O N N Физиологически очень активен, повышает деятельность желѐз, увеличивает отделение пота и слюны и усиливает перистальтику кишечника. Являясь антагонистом атропина, он при введении в глаз вызывает сужение зрачка. Используется при лечении глазных заболеваний и, кроме того, в качестве потогонного средства. Хининовые алкалоиды 691 12) Хинин — алкалоид коры хинных деревьев, принадлежащих к семействам Cinchona и Remijia. OCH3 N OH CH N CH=CH2 Полный синтез проведѐн Р. Вудвордом и В. Дѐрингом в 1944 году. Хинин — бесцветный порошок, малорастворимый в воде; температура плавления 177С. Является одним из первых противомалярийных средств. 13) Цинхонин — так же, как и хинин, это алкалоид коры хинных деревьев, принадлежащих к семействам Cinchona и Remijia. N OH CH N CH=CH2 Цинхонин — бесцветный порошок, трудно растворимый в воде; температура плавления 205С. Наряду с хинином применялся в качестве «противолихорадочного» средства в составе хинной коры. Изохинолиновые алкалоиды 14) Папаверин — алкалоид опия. H3CO H3CO N CH2 OCH3 OCH3 Папаверин — бесцветное кристаллическое вещество, практически нерастворим в воде; температура плавления 147С. Применяется в качестве спазмолитического и сосудорасширяющего средства. 15) Морфин — так же, как и папаверин, является алкалоидом опия. 692 HO O N CH3 HO Полный синтез был осуществлѐн в 19511956 гг. Морфин — бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в кислотах и щелочах; температура плавления 254С. Является сильным обезболивающим средством, наркотик, вызывает эйфорию. Регулярное применение вызывает привыкание. Ослабляет и парализует действие центральной нервной системы. 16) Кодеин также является алкалоидом опия. H3CO O N CH3 HO Растворим в кислотах, но нерастворим в щелочах. В виде солей его используют в медицине в качестве болеутоляющего и противокашлевого средства. Пуриновые алкалоиды 17) Кофеин содержится в зѐрнах кофе, листьях чая. H3C O O CH3 N N CH3 N N Кофеин — бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде; температура плавления 235С. Это эффективное средство, возбуждающее центральную нервную систему и стимулирующее работу сердца. 18) Теофиллин — алкалоид чая. 693 H3C O H N N CH3 N N O Обладает сильными мочегонными свойствами (является диуретиком). 19) Теобромин — алкалоид какао. O CH3 N N CH3 N HN O Так же, как и теофиллин, обладает мочегонным действием. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Почему при действии кислот на пиррол протонирование осуществляется по -углеродному атому, а по атому азота? 2. Какое соединение образуется в результате взаимодействия пиррола с гидридом натрия и затем с йодметаном? 3. Приведите механизм декарбоксилирования пирролкарбоновых кислот при нагревании. 4. Приведите реакции с участием фуранов, подтверждающие более низкую ароматичность фурана по сравнению с тиофеном и пирролом (реакции, приводящие к образованию неароматических продуктов). 5. Существуют ли 2-гидроксифураны? Ответ мотивируйте. 6. Какие фенилгидразоны необходимы для проведения синтеза следующих индолов по реакции Фишера: 3-метилиндола, 2-метил-3-этилиндола, 3этил-2-фенилиндола? Приведите необходимые схемы и механизмы превращений. 7. Расположите 1,3-азолы в порядке уменьшения их основности. Объясните. 8. Какие проблемы связаны с N-алкилированием имидазолов? 9. Сравните попарно 1,2- и 1,3-азолы — какие из них более оснόвны? Почему? 10. Почему некорректно название 2-метилпиразол? 694 11. Какие факторы способствуют более сложному течению реакций электрофильного замещения в пиридине по сравнению с бензолом? 12. Сравните поведение пиридина и бензола в реакциях окисления цикла и восстановления цикла. 13. Сравните реакционную способность бромбензола, 2-бромпиридина и 3бромпиридина в реакциях нуклеофильного замещения атома галогена на этоксигруппу при взаимодействии с этилатом натрия. 14. Приведите основные таутомерные формы для 2-гидроксипиридина, 3-гидроксипиридина и 2-аминопиридина. 15. Что происходит при обработке смеси 1 моля 2-метилпиридина и 1 моля 3-метилпиридина диизопропиламидом лития (1 моль) и затем йодметаном (1 моль)? 16. Приведите механизм реакций нитрования хинолина и изохинолина. Объясните направление реакций. 17. Какое положение в хинолине и изохинолине наиболее склонно к реакциям с нуклеофильными реагентами и почему? 18. Почему дипротонные соли диазинов трудно образуются? 19. Какой из хлордиазинов вступает в реакции нуклеофильного замещения в наиболее жѐстких условиях? Почему? 20. Как исходя из пентан-2,4-диона можно получить следующие соединения: 4,6-диметилпиримидин, 4,6-диметилпиримидин-2-он, 2-амино-4,6диметилпиримидин? 21. Изобразите структуру замещѐнного пурина, образующегося при нагревании 4,5,6-триаминопиримидина с формамидом. Приведите механизм реакции. 695 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Органическая химия — цельная и логичная химическая дисциплина. В связи с этим легко выявляются внутриклассовые и межклассовые общности в физических и химических свойствах органических веществ. Рассмотренная в книге характеристика различных классов органических соединений лишь подчѐркивает эту общность. Начиная с насыщенных углеводородов, которые являются родоначальными соединениями для всех органических веществ, в строении и свойствах отражаются важнейшие характерные для данных веществ принципы и законы. В главе «Производные алканов» на основании выявленной общности в строении молекул (отрицательный индуктивный эффект харакеристической группы приводит к появлению электрофильного центра в молекуле) и, как следствие, аналогии в проявлении химических свойств (реакции нуклеофильного замещения и отщепления) объединены предельные галогенопроизводные, спирты, простые эфиры, тиоспирты, тиоэфиры, амины, нитросоединения. Отмечены также черты сходства между алкенами, алкадиенами и алкинами; галогеналкенами и непредельными спиртами и эфирами; алифатическими карбонильными соединениями и карбоновыми кислотами; арилгалогенидами, ароматическими сульфокислотами, нитропроизводными, фенолами и другими производными бензола. Это отражено в соответствующих главах. В результате такого подхода к изложению материала и построению курса в целом и подробного изучения особенностей взаимного влияния атомов или структурных компонентов в молекуле становится возможным прогнозирование поведения субстратов в различных химических реакциях. 696 КРАТКИЙ СЛОВАРЬ ПЕРСОНАЛИЙ Альдер Курт (Alder Kurt) (19021958) — немецкий химик-органик. Совместно с О. Дильсом открыл реакции диенового синтеза, обнаружил общие закономерности в образовании при этой реакции аддуктов. Открыл енсинтез — присоединение к диенофилу олефинов с аллильными атомами водорода. Нобелевская премия по химии 1950 г. (совместно с О. Дильсом). Аррениус Сванте Август (Arrhenius Svante) (18591927) — шведский физикохимик. Иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1903). Почѐтный член АН СССР (1926). Один из основоположников физической химии. Основные работы посвящены учению о растворах и кинетике химических реакций. Предложил всесторонне обоснованную теорию электролитической диссоциации, за что удостоен Нобелевской премии (1903). Впервые объяснил сущность температурной зависимости скорости реакций. Ввѐл понятие энергии активации и вывел одно из основных уравнений в химической кинетике. Байер Адольф Иоганн Фридрих Вильгельм (Baeyer Adolf) (18351917) — немецкий химик-органик. Иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Открыл барбитуровую кислоту и барбитураты. Синтезировал множество ароматических соединений. Осуществил синтез индиго. Предложил теорию напряжения, устанавливающую зависимость прочности циклов от величины углов между валентными связями. Ввѐл понятие цис-транс-изомерии. Предложил центрическую формулу бензола. Экспериментально доказал идентичность всех углеродных атомов в бензоле. Нобелевская премия по химии (1905) за синтез органических красителей и ароматических соединений. Бекман Эрнст Отто (Beckmann Ernst Otto) (18531953) — немецкий химик. Изучал пространственное строение оксимов, показал, что оксимы под действием кислых агентов перегруппировываются в амиды кислот. Разработал методы определения молекулярных масс растворѐнных веществ на основании закона Рауля по понижению температуры замерзания и повышению температуры кипения растворов. Берцелиус Йѐнс Якоб (Berzelius Jöns Jakob) (17791848) — шведский химик, иностранный почѐтный член Петербургской академии наук. Определил атомные массы 45 химических элементов. Ввѐл современные обозначения химических элементов и первые формулы химических соединений. Открыл химические элементы: церий (совместно с В.Г. Гизингером), селен и торий. Распространил стехиометрические законы на органические соединения. Создал теорию сложных радикалов. Бѐрч Артур (Birch Arthur) (19151995) — австралийский химикорганик. Иностранный член академии наук СССР. Исследовал (1949) реак697 цию селективного восстановления ароматических соединений действием натрия и спирта в среде жидкого аммиака (после открытия еѐ К. Вустером (C. Wooster) в 1937 г.). Предложил метод синтеза тропонов из анизолов. Бишлер Август (Bischiler Augustus) (1865–1957) — швейцарский химик, директор химической фабрики в г. Монте. Продолжая научную деятельность в различных лабораториях, в процессе исследования алкалоидов открыл реакцию синтеза изохинолина. Блан Гюстав Луи (Blanc Gustave Louis) (1872–1927) — французский химик. Открыл реакцию получения первичных спиртов восстановлением сложных эфиров. Установил правило, согласно которому под действием уксусного ангидрида 1,4- и 1,5-дикарбоновые кислоты превращаются в кетоны, а 1,2- и 1,3-дикарбоновые — в ангидриды. Открыл общий метод хлорметилирования ароматических углеводородов. Бородин Александр Порфирьевич (18331887) — русский химикорганик. Разработал способы получения бромзамещѐнных предельных кислот и фторангидридов органических кислот. Одновременно с Ш.А. Вюрцем осуществил альдольную конденсацию. Брѐнстед Йоханнес Николаус (Brönstedt Johannes Nicolaus) (18791947) — датский физикохимик. Основные работы посвящены химической кинетике, катализу и термодинамике растворов. Выдвинул представления о солевых эффектах в кислотно-оснόвном катализе в растворах и установил их причины. Сформулировал основные положения «общей», или «расширенной», теории кислот и оснований. Буво Луи (Bouveault Louis) (1864–1909) — французский химикорганик. Разработал методы получения альдегидов действием дизамещѐнных формамидов на реактив Гриньяра, карбоновых кислот гидролизом амидов. Совместно с Г.Л. Бланом открыл реакцию получения первичных спиртов восстановлением сложных эфиров действием металлического натрия в этиловом спирте. Синтезировал изолейцин из алкилацетоуксусного эфира через оксим. Бутлеров Александр Михайлович (18281886) — русский химик, академик Петербургской академии наук. Создатель теории химического строения органических веществ. Синтезировал метилендиацетат, получил продукт его омыления — полимер формальдегида, а на основе последнего получил гексаметилентетрамин (уротропин) и сахаристое вещество «метиленитан», т.е. осуществил первый полный синтез сахаристого вещества. Предсказал и объяснил изомерию многих органических соединений. Показал возможность обратимой изомеризации, заложив основы учения о таутомерии. Вагнер Егор Егорович (18491903) — русский химик-органик. Открыл реакцию получения вторичных и третичных спиртов из карбонильных соединений действием на них металлического цинка и алкилгалогенидов (совместно с А.М. Зайцевым). Открыл реакцию окисления этиленовых угле698 водородов 1%-м раствором KMnO4 в щелочной среде. Доказал непредельный характер ряда терпенов. Установил строение лимонена, -пинена. Валлах Отто (Wallach Otto) (18471931) — немецкий химик-органик. Основные работы посвящены химии алициклических соединений и изучению терпенов. Выделил лимонен, фелландрен, фенхон, терпинолен, терпинеол и др. терпены и терпеноиды и изучил их свойства. Открыл перегруппировку азоксисоединений в п-гидроксиили о-гидроксипроизводные азобензола. Один из инициаторов создания в Германии промышленности душистых веществ. Нобелевская премия по химии (1910) за вклад в развитие органической химии и химической промышленности. Вальден Пауль (Павел Иванович) (18631957) — латвийский и немецкий химик. Академик Петербургской АН, иностранный почѐтный член АН СССР. Работы в области физической химии и стереохимии. Открыл (1896 г.) явление обращения стереоизомеров. Обнаружил оптически активные соединения в нефти. Предложил теорию автодиссоциации неорганических и органических растворителей. Вѐлер Фридрих (Wöhler Friedrich) (18001882) — немецкий химик, иностранный член Петербургской академии наук. Открыл циановую кислоту. Совместно с Либихом установил формулу бензойной кислоты, осуществил разложение амигдалина, исследовал мочевую и бензолгексакарбоновую кислоты и их производные. Исследовал алкалоиды опия. Получил диэтилтеллур, гидрохинон, миндальную кислоту (из амигдалина). Получил металлические алюминий, бериллий и иттрий. Вильсмайер Антон (Vilsmeier Anton) (18941962) — немецкий химик-органик. Открыл реакцию синтеза альдегида, которая носит его имя в 1926 году, и она была опубликована в 1927 году, в том же году он начал работать на BASF в Людвигсхафен. Вильштеттер Рихард Мартин (Willstätter Richard) (18721942) — немецкий химик-органик. Установил структуру, а затем синтезировал кокаин. Установил структуру тропилидена, а также ряда алкалоидов: экгонина, тропина. Впервые выделил кристаллический хлорофилл и установил структуру хлорофилла а и структуру его отдельных фрагментов. Синтезировал циклобутан, циклооктен и циклооктатетраен. Разработал способ получения обензохинона. Выделил красный пигмент крови и выяснил его природу. Выделил и изучил красящие вещества многих плодов и цветов, синтезировал наиболее важные антоцианы — пеларгонидин, дельфинидин, цианидин. Осуществил гидролиз целлюлозы и выделил отдельные полисахариды. Нобелевская премия по химии (1915) за исследования растительных пигментов и установление формулы хлорофилла. Вильямсон Александр Вильям (Williamson Alexander William) (18241904) — английский химик. Провѐл большие исследования в области теории этерификации, экспериментально доказал правильность эмпириче699 ских формул многих спиртов и эфиров. Впервые получил ортоэфиры. Вольф Иоганн Людвиг (Wolff Johann Ludwig) (18571919) — немецкий химик. Изучал перегруппировку диазокетонов (перегруппировка Вольфа), восстановление гидразонов карбонильных соединений. Работал в области синтеза лактонов, пиразинов, индолов, а также производных тетроновой кислоты. Им был открыт первый -лактон — -оксикапролактон. Вюрц Шарль Адольф (Wurtz Charles Adolphe) (18171884) — французский химик. Внѐс большой вклад в развитие атомно-молекулярного учения и в теорию замещения в органической химии. Синтезировал метиламин, этиламин, этиленгликоль, молочную кислоту, этиленхлоргидрин, этиленоксид, фенол и различные азотсодержащие основания. Разработал универсальный метод синтеза насыщенных углеводородов. Габриэль Зигмунд (Gabriel Sigmund) (18511924) — немецкий химикорганик. Синтезировал изохинолин, фенилизохинолин, фталазин и его гомологи. Открыл способ синтеза первичных алифатических аминов взаимодействием органических галогенопроизводных с фталимидом калия и последующим гидролизом полученных продуктов. Открыл первое спирановое соединение с азотом. Синтезировал этиленимин из -бром-этиламина. Ганч (Ханч) Артур Рудольф (Hantzsch Arthur Rudolf) (18571935) — немецкий химик-органик. Открыл реакцию получения производных пиридина циклоконденсацией эфиров -оксокислот с альдегидами и аммиаком, названную синтезом Ганча. Открыл реакцию образования пиррольного кольца при конденсации ацетоуксусного эфира, -хлоркетонов и аммиака или аминов. Совместно с А. Вернером установил структуру оксимов и азосоединений и выдвинул теорию стереоизомерии соединений, содержащих двойную связь углерод—азот. Гаттерман Людвиг (Gattermann Ludwig) (18601920) — немецкий химик. Получил чистый хлорид азота. Открыл реакцию обмена диазогруппы в ароматических солях диазония на галоген или цианогруппу. Разработал способ синтеза п-аминофенолов электролитическим восстановлением нитросоединений. Открыл ароматические йодониевые соединения. Создал метод формилирования ароматических углеводородов. Гелль Карл Магнус (Hell Carl Magnus) (18491926) — немецкий химик-органик. Синтезировал наиболее высокомолекулярный из известных в то время (1889 г.) предельных углеводородов — С60Н122. Приобрѐл наибольшую известность как автор работ по бромированию кислот в присутствии фосфора. Гофман Август Вильгельм (Hofmann August) (18181892) — немецкий химик-органик. Иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Основные научные исследования посвящены ароматическим соединениям, в частности красителям. Выделил из каменноугольной смолы 700 анилин и хинолин. Открыл толуидины, тетраалкилированные аммониевые основания. Предложил способ синтеза алифатических аминов действием аммиака на алкилгалогениды. Открыл превращение первичных аминов в изонитрилы. Предложил способ получения аминов из амидов кислот. Гриньяр Франсуа Огюст Виктор (Grignard Victor) (18711935) — французский химик-органик. Осуществил первые синтезы органических соединений посредством смешанных магнийорганических соединений. Использовал магнийорганические соединения для синтеза углеводородов, спиртов, кетонов, альдегидов, эфиров, нитрилов, аминов, кислот и др., за что был удостоен Нобелевской премии (1912). Разрабатывал номенклатуру органических соединений. Густавсон Гавриил Гавриилович (18431908) — русский химикорганик. Член-корреспондент Петербургской академии наук. Установил каталитическое действие галогенидов алюминия при бромировании ароматических углеводородов. Открыл непрочные комплексные соединения галогенидов алюминия, обладающие каталитическими свойствами (ферменты Густавсона). Установил образование промежуточных комплексных металлорганических соединений при каталитическом алкилировании (реакция Фриделя–Крафтса). Действием цинка на 1,3-дибромпропан получил циклопропан. Получил «углеводород Густавсона» — смесь метилциклобутена и метиленциклобутана. Предложил способ получения аллена (совместно с Н.Я. Демьяновым). Дикман Вальтер (Dieckman Walter) (18691925) — немецкий химикорганик. Дильс Отто Пауль Герман (Diels Otto) (18761954) — немецкий химик-органик. Получил недокись углерода С3О2. Вѐл работы по установлению строения холестерина и холевой кислоты. Совместно с К. Альдером открыл реакции диенового синтеза. Открыл каталитическую реакцию селективного дегидрирования действием селена. Нобелевская премия по химии (1950) (совместно с К. Альдером). Дьюар Джеймс (Dewar James) (18421923) — английский физик и химик. Изучал структуру бензола и пиридина. Сконструировал сосуд с двойными стенками, в котором длительное время можно хранить сжиженные газы. Впервые получил жидкий и твѐрдый водород. Изобрѐл первый практически важный бездымный порох — кордит. Зайцев Александр Михайлович (18411910) — русский химикорганик. Разработал цинкорганические методы синтеза различных классов спиртов, заложив основы одного из универсальных направлений органического синтеза вообще. Выполнил вместе с учениками многие работы по получению и изучению многоатомных спиртов, органических оксидов, непредельных кислот и гидроксикислот. Создал крупную школу химиков, среди которых А.Е. Арбузов, Е.Е. Вагнер, А.Н. Реформатский, С.Н. Реформатский 701 и др. Зандмейер Траугот (Sandmeyer Traugott) (18541922) — швейцарский химик. Один из пионеров создания промышленности синтетических красителей. Открыл реакцию замены диазогруппы в ароматических соединениях на атом галогена. Предложил новый способ получения изатина при взаимодействии амина с хлоралем и гидроксиламином. Зелинский Николай Дмитриевич (18611953) — советский химикорганик. Синтезировал многочисленные углеводороды, содержащие от 3 до 9 атомов углерода в цикле. Положил начало ряду направлений, связанных с изучением взаимных превращений углеводородов. Открыл явление дегидрогенизационного катализа. Осуществил процессы каталитической и пирогенетической ароматизации нефтей. Один из основоположников учения об органическом катализе. Экспериментально доказал образование метиленовых радикалов в качестве промежуточных соединений. Первый предложил использовать активированный уголь для защиты от отравляющих веществ. Зинин Николай Николаевич (18121880) — русский химик-органик, академик Петербургской академии наук. Разработал методы получения бензоина из бензальдегида. Открыл реакцию восстановления ароматических нитросоединений. Открыл перегруппировку гидразобензола под действием кислот. Открыл уреиды. Получил аллиловый спирт, дихлор- и тетрахлорбензол, толан, стильбен. Является основателем большой школы русских химиков. В числе его учеников были А.М. Бутлеров, Н.Н. Бекетов, А.П. Бородин и другие. Ингольд (Инголд) Кристофер (Ingold Christopher) (18931970) — английский химик. Основные работы посвящены физической органической химии. Изучал структуру ароматических соединений. Ввѐл представление об электро- и нуклеофильных реагентах и реакциях. Разработал систему R- и Sобозначений для пространственных конфигураций и ввѐл понятие о хиральности. Иоцич Живоин Ильич (18701914) — российский химик-органик. Открыл реакцию превращения при действии цинковой пыли -галогенозамещѐнных спиртов в непредельные углеводороды. Разработал способ получения галогенозамещѐнных спиртов. Открыл реакцию взаимодействия ацетиленовых углеводородов с магнийорганическими соединениями. Разработал метод синтеза кислот ацетиленового ряда. Кан Роберт (Cahn Robert) — английский химик. Канниццаро Станислао (Cannizzaro Stanislao) (18261910) — итальянский химик. Один из основателей атомно-молекулярной теории. Изучая действие гидроксида калия на бензальдегид, открыл бензиловый спирт. Одновременно открыл окислительно-восстановительное диспропорционирование ароматических альдегидов. Главное значение работ Канниццаро заключается в предложенной им системе основных химических понятий, означав702 шей реформу атомно-молекулярных представлений. Установил и обосновал правильные атомные веса многих элементов; на основе закона Авогадро чѐтко разграничил понятия «атом», «молекула» и «эквивалент». Караш (Хараш) Морис (Kharasch Maurice) (18951957) — американский химик-органик. Основные работы относятся к химии свободных радикалов. Изучал присоединение бромоводорода к аллилбромиду и показал, что присоединение против правила Марковникова связано с присутствием в реакционной смеси следов перекисных соединений. Синтезировал и изучал ртутьорганические соединения, применяемые в сельском хозяйстве и медицине. Разработал метод низкотемпературного хлорирования алканов с использованием сульфурилхлорида и бензоилпероксида в качестве инициатора. Каро Генрих (18341901) — немецкий химик-органик. Основные работы посвящены химии синтетических красителей. Открыл акридин. Синтезировал индол из этиламина. Синтезировал ряд азокрасителей. Получил мононадсерную (пероксисерную) кислоту. Кекуле Фридрих Август (Kekule Friedrich) (18291896) — немецкий химик-органик, иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Получил тиоуксусную кислоту и другие сернистые соединения, гликолевую кислоту. Сформулировал
