оксикислотыorgchem.nsu.ru/lit/oxy.pdf · 2017. 6. 13. · кислота [h] ch 3 chcooh...
TRANSCRIPT
N
NH2
ON
O
HO
HH
HH
PO
O-
HO
O-
hƒK!=……/å ãë="/ ,ƒ *3!“= œn!ã=…,÷å“*= .,ì, B
оксикислоты
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
Избранные главы из курса œОрганическая химияB
Оксикислоты
Пособие для студентов специализаций “ХИМИЯ” и “ЭКОЛОГИЯ”
III и IV семестры
Новосибирск 1999
Составители:
Проф. В. А. Резников Проф. В. Д. Штейнгарц
Рецензент - канд. хим .наук. ст. преподаватель К. Ю. Колтунов
Пособие представляет собой часть курса лекций “Органическая химия”, читаемого студентам второго курса специализаций “химия” и “экология”, рекомендуется также студентам отделения “биология и медбиология” и другим студентам, изучающим органическую химию.
Новосибирский государственный университет, 1999
2
Алифатические оксикислоты
Оксикислоты являются представителями бифункциональных соединений, в составе молекулы
которых находятся гидроксильная и карбоксильная группы. При этом указанные группы могут быть присоединены как к насыщенному углеводородному фрагменту, так и к ароматическому ядру. Классификация алифатических оксикислот, как и других бифункциональных соединений, основана в первую очередь на взаимном расположении функциональных групп. В качестве простейшей оксикарбоновой кислоты можно рассматривать угольную кислоту, в молекуле которой гидроксильная группа присоединена непосредственно к карбоксильной группе. Однако угольную кислоту можно также отнести и к дикарбоновым кислотам, с некоторыми свойствами и производными которых читатель уже знаком. Следующая группа оксикислот – α-оксикислоты: гликолевая кислота HOCH2CO2H и ее гомологи. Органические соединения, в состав молекулы которых входит фрагмент -CH(OH)COOH, – монооксикарбоновые кислоты, полиоксикарбоновые кислоты, оксиполикарбоновые кислоты и полиоксиполикарбоновые кислоты – известны уже достаточно давно, поскольку многие из них имеют природное происхождение, что нашло отражение в названиях этих соединений. В таблице 1 приведены данные о некоторых распространенных α-оксикислотах.
Таблица 1. Некоторые свойства оксикислот
Структурная формула
Название кислоты Температура плавления, °С
Константа диссоциации в воде при 25°
HO CH2COOH
(1)
Гликолевая 63 (α) 79 (β)
1.48.10-4
CH3CHCOOHOH
DL-Молочная D-Молочная L-Молочная
18 26 –
1.39.10-4
8.40.10-4
– HOCH2CHCOOH β-Оксипро-пионовая – – HOOCCHCOOH
OH
Тартроновая (оксимало-новая)
158 5.10-3
HOOCH2CHCOOHOH
DL-Яблочная D-Яблочная L-Яблочная
130-131 98-99
–
3.9.10-4 – –
HOOCCH CHCOOHOHOH
Виноградная (рацемичес-кая винная) D-Винная L-Винная Мезовинная
204-206
170 –
140
1.04.10-3
1.1.10-3
– 6.0.10-4
OH
CO2H
CO2H
CO2H
Лимонная 153 8.4.10-4
CH
OHCH-COOHOH
CH
OH
CHCH2OH
OH
D-Глюконовая 125-126
3
В таблице для некоторых соединений не приведены температуры плавления и константы диссоциации. Как вы думаете, связано ли это с отсутствием данных?
Объясните на качественном уровне, с чем связано различие в силе перечисленных выше кислот на примере гликолевой, молочной и винной.
Методы синтеза алифатических оксикислот. В случае, если гидроксильная и карбоксильная группы находятся в составе молекулы достаточно
далеко друг от друга (разделены более чем тремя атомами углерода), для их введения используются обычные приемы, которые обсуждались при изучении спиртов и карбоновых кислот. В то же время для α-, β- и γ-оксикислот применяют и специфические методы синтеза. Простейшую оксикислоту – гликолевую – получают окислением этиленгликоля. Следует отметить, что этот метод синтеза применим только для гликолевой кислоты!
OH
OH
O2
HO CH2COOH
гликолевая кислота
Общий метод синтеза α-оксикислот основан на гидролизе (нуклеофильном замещении атома галогена на гидроксигруппу) доступных α-галоидзамещенных карбоновых кислот.
BrCH3CHCOOH
H2O, OH-
CH3CHCOOH
OH молочная кислота
Аминокислоты могут быть превращены в оксикислоты при взаимодействии с азотистой кислотой
(реакция диазотирования). Особенно большое значение имеет эта реакция для превращения в оксикислоты доступных природных α-аминокислот.
Если в реакцию диазотирования вводить оптически активную α-аминокислоту, то будет ли оптически активной образующаяся оксикислота? Объясните ответ.
R
NH2
COOH
NaNO2
HCl R
OH
COOH
Историческое значение имеет циангидринный метод синтеза α-оксикислот, первая стадия которого
заключается во взаимодействии карбонильных соединений с синильной кислотой, приводящем к образованию циангидринов. Последующий гидролиз в кислой среде приводит к целевым соединениям. Этот метод применим как к альдегидам, так и к кетонам и особенно большое значение имеет в химии углеводов.
RO
H
HCN R
OH
HCN
H3O+
OHRCHCOOH
Оксикислоты с любым взаимным расположением гидроксильной и карбоксильной групп могут быть получены восстановлением соответствующих кетокарбоновых кислот. Этот метод не является специфическим в отношении способа восстановления, поскольку основан на том, что карбонильная
4
группа восстанавливается легче карбоксильной. Например, это превращение может быть осуществлено каталитическим гидрированием. В лабораторной практике в качестве восстановителя можно использовать боргидрид натрия или изопропанол в присутствии изопропилата алюминия.
OCH3CCOOH
пировиноградная кислота
[H]
CH3CHCOOHOH
молочная кислота
CH3CCH2COOHO
[H]
OHCH3CHCH2COOH
Весьма доступными по реакции альдольной конденсации являются β-оксиальдегиды – альдоли. Учитывая, что альдегидная группа окисляется легче спиртовой, можно легко окислить альдоль в β-оксикислоту, используя в качестве окислителей соли серебра или двухвалентной меди.
H
OOH
альдоль
Cu2+, OH-
OHCH3CHCH2COOH
Вспомним, что электроноакцепторная карбоксильная группа обусловливает присоединение
реагентов типа НХ по кратной связи С=С, сопряженной с ней, “против правила Марковникова”. Например, присоединение воды к акриловой кислоте и ее аналогам катализируемое кислотами, приводит к β-оксикислотам.
O
OH
H3O+
O
OH
HO
Более мягким способом трансформации двойной связи ненасыщенной кислоты в гидроксигруппу с
образованием оксикислоты является гидроборирование с последующим окислением борорганического производного перекисью водорода. Другим методом синтеза оксикарбоновых кислот является окисление ненасыщенной кислоты в эпоксид и последующее восстановление алюмогидридом лития, которое происходит неселективно и приводит к смеси двух оксикислот. Гидратация эпоксида в кислой среде приводит к образованию диоксикарбоновых кислот. Последние два метода пригодны для непредельных кислот с любым взаимным расположением олефиновой и карбоксильной групп.
R'CH CH(CH2)nCOOH
RCO3H R'CH CH(CH2)nCOOH
O
2. H2O1. BH3
2
H3O+
LiAlH4
R'CH CH2(CH2)nCOOH
OH два изомера
R'CH CH(CH2)nCOOHOH
OH
R'CH2
CHHO
(CH2)nCO2H
два изомера
Эпоксиды α,β-ненасыщенных карбоновых кислот также могут быть получены по реакции Дарзана –
реакции конденсации альдегидов или кетонов с эфирами α-галогенкарбоновых кислот в присутствии сильных оснований.
5
R1
R2O
+ R3 CHCO2Et
X
NaOEtCCO2EtX
CR3R1
R2NaO
- NaX CCO2EtCR3
R1
R2
O
Важное значение в синтезе β-оксикислот имеет реакция Реформатского – взаимодействие эфиров
α-галоидзамещенных карбоновых кислот с карбонильными соединениями – альдегидами или кетонами – и цинком.
R
R1 O
+ Zn + R2CHClCO2R3
R
R1
OZnClCHR2
CO2R3H2O
R
R1
OHCHR2
CO2R3
γ-оксикислоты получают гидролизом циклических сложных эфиров – γ-бутиролактонов, которые, в
свою очередь, получают либо восстановлением циклических ангидридов карбоновых кислот, либо циклизацией β,γ-непредельных кислот при нагревании в присутствии разбавленных минеральных кислот. Следует отметить, что γ-оксикислоты в свободном состоянии способны самопроизвольно превращаться в γ-лактоны.
O
O
O
[H]
O
O
лактон
H3O
+
- H2O
O
HO
OH
O
OH
Предложите механизм реакции образования γ-бутиро-лактона из β,γ-непредельной кислоты.
Общий метод получения оксикислот с удаленными гидроксильной и карбоксильной группами основан на окислении циклических кетонов надкислотами по Байеру-Виллигеру и последующем гидролизе образующихся лактонов в щелочной среде. Осторожное подкисление завершается образованием соответ-ствующей оксикислоты.
O
(CH2)
RCO3H
O
(CH2)nO
OH-; H+
O
(CH2)nHO OH
Существуют специфические методы синтеза полиоксикарбоновых кислот, с которыми читатель
ознакомится при изучении химии углеводов. Что же касается синтеза дигидроксикислот, то они легко могут быть получены окислением ненасыщенных кислот по связи С=С одним из методов, используемых для окисления алкенов. Например, при окислении акриловой кислоты перманганатом калия в щелочной среде (окисление по Вагнеру) образуется глицериновая кислота.
6
H2C CHCO2H акриловая кислота
KMnO4/OH-
OH
OH
OH
O
глицериновая кислота
RCO3H
O
CO2H
H3O
+
OH
OH
OH
O
Гликоли также могут быть получены окислением соединений, содержащих связь С=С, при действии
тетраоксида осмия, либо перекиси водорода в присутствии OsO4, органическими надкислотами или кислородом воздуха в присутствии оксида серебра с последующим гидролизом первоначально образующегося эпоксида.
Напишите схемы этих реакций на примере акриловой кислоты. В чем заключаются стереохимические особенности получения гликолей окислением алкенов перманганатом калия и последовательным превращением алкена в эпоксид, а затем в гликоль? Охарактеризуйте пространственное строение продуктов окисления малеиновой и фумаровой кислот каждым из методов.
?
KMnO4/OH-
CO2H
CO2H
малеиновая кислота
1. RCO3H
2. H3O+
?
?
KMnO4/OH-
CO2H
HO2C
фумаровая кислота
1. RCO3H
2. H3O+
?
Последний из методов получения оксикислот (молочной кислоты), который заслуживает упоминания, – это ферментативное окисление сахаров – глюкозы, лактозы или сахарозы – которое приводит в зависимости от используемого штамма бактерий либо к левовращающей, либо к рацемической молочной кислоте.
OH OH OH OH OHCHO
[O]
H3C
OH
COOH
Свойства и реакции алифатических оксикислот
Как и все другие полифункциональные соединения, оксикарбоновые кислоты проявляют
свойства, обычные для каждой функциональной группы, входящей в состав молекулы, хотя обладают и специфическими свойствами, обусловленными наличием обеих функциональных групп. Так,
7
ка
оксикислоты, естественно, образуют соли. Сила оксикислот несколько больше, чем сила незамещенных карбоновых кислот вследствие индуктивного эффекта гидроксильной группы. Это касается в первую очередь α-оксикарбоновых кислот и в какой-то мере β-оксикислот, поскольку влияние индуктивного эффекта быстро уменьшается при увеличении числа связей С-С, разделяющих гидроксильную и карбоксильную группы. Силу α-оксикарбоновых кислот увеличивает также стабилизация карбоксилат-аниона внутримолекулярной водородной связью.
Взаимодействие оксикислот со спиртами в присутствии кислотного
эфиробраобоисложобра
H3C
H3C
H3C
гидр
расщангигидрсохр
окискарбМолпроп
O
OH
O-
HR
арбоксилат – нион
катализатора (например, серной кислоты) приводит к образованию сложных ов. Взаимодействие с сильными основаниями, например с алкоголятами металлов, приводит к зованию дианиона. Последующее взаимодействие этого аниона с галоидным алкилом происходит по м нуклеофильным центрам, приводя к соединению, являющемуся одновременно простым и ным эфиром. Если в реакцию с алкоголятом металла вводить не кислоту, а ее эфир, то зующийся алкоголят также можно превратить в эфир действием галоидного алкила.
OH
COOH
+ С2H5OH
H+
H3C
OH
COOC2H5
C2H5ONa
Na2CO3
C2H5ONa
O
-
COO-
H3C
OH
COO-
H3C
O-
COOC2H5
CH3I
CH3I
CH3I
OCH3
COOCH3 H3C COOCH3
OH
H3C
OCH3
COOC2H5
При взаимодействии оксикислот с диазометаном образуется сложный эфир, а спиртовая оксигруппа при этом не затрагивается. Объясните это явление.
Гидролиз диэфира оксикислоты, катализируемый как кислотами, так и щелочами, приводит к еплению только сложноэфирной группы (с чем это связано?). При взаимодействии оксикислот с дридами или хлорангидридами кислот происходит реакция ацилирования спиртовой оксигруппы с образованием соответствующего сложного эфира, а карбоксильная группа при этом аняется. Спиртовую гидроксигруппу оксикислоты можно окислить в карбонильную группу одним из лителей, используемых обычно для окисления спиртов, например хромовой кислотой, и, напротив, оксильную группу можно восстановить в спиртовую группу действием алюмогидрида лития. очная кислота при взаимодействии с йодистоводородной кислотой восстанавливается в ионовую кислоту.
8
H3C
OH
COOH
CH3COCl
H3C
OCOCH3
COOH
[H]
HI
[O]
H3C
OH
CH2OH
CH3CH2COOH
H3C
O
COOH
Реакции оксикислот с галогенангидридами неорганических кислот обычно происходят по обеим
функциональным группам с образованием галогенангидридов галогенкарбоновых кислот.
PhPh
OHCO2H
PCl5 PhPh
ClC
O
Cl
В зависимости от взаимного расположения гидроксильной и карбоксильной групп оксикислоты способны претерпевать различные химические трансформации при нагревании. Так, α-ок-сикислоты при нагревании легко расщепляются с образованием альдегидов (реакция декарбонилирования). Механизм этой реакции включает протонирование гидроксигруппы карбоксильной группировки, отщепление молекулы воды с образованием сравнительно устойчивого ацилий-катиона, отщепление молекулы СО и последующее депротонирование катиона А, приводящее к образованию альдегида. Легкость протекания этой реакции связана в основном с тем, что катион А стабилизирован мезомерным эффектом гетероатома.
Ph
OH
COOH
миндальная кислота
H2SO4 (разб.)
PhCHO
H+
- H+
Ph
OH
O
OH
H
+
H2O +Ph
OH
O
- CO
Ph
OH
Ph
OH Характерной особенностью оксикислот является образование сложных эфиров в результате
взаимодействия двух функциональных групп, входящих в состав молекулы. Так, α-окси-кислоты при нагревании образуют циклический сложный диэфир – лактид в результате взаимодействия спиртовой группы одной молекулы с карбоксильной группой другой.
H3C OH
COOH α-оксикислота
+
CH3
HOOC
HO
- 2H2O O O
O
O лактид
9
HOCOOH
β-оксикислота
O
O
β-лактон O
O O
O
- H2O
COOH O=C=CH2 + CH2O
В тех же условиях β-оксикислоты подобно спиртам претерпевают дегидратацию с образованием
α.β-ненасыщенных – акриловых кислот. Образования β-лактонов не происходит вследствие малой устойчивости четырехчленного цикла, а межмолекулярная диэтерификация с образованием восьмичленного цикла также не реализуется, возможно, вследствие малой вероятности необходимого взаимного пространственного расположения функциональных групп на стадии замыкания цикла (энтропийный фактор). Следует отметить, что, хотя β-лактоны и не образуются при дегидратации β-оксикислот, они тем не менее известны и могут быть получены, например, взаимодействием кетена с формальдегидом.
Для γ-оксикислот характерна склонность к образованию внутримолекулярного сложного эфира настолько велика, что γ-лактоны могут образовываться уже при подкислении водных растворов солей этих кислот, несмотря на присутствие большого избытка воды (вспомните об обратимости реакции этерификации!).
HO CO2Na
соль γ-оксикислоты
H+
HO CO2H
- H2O
O
O
γ-лактон
γ-Лактоны могут быть также получены восстановлением ангидридов янтарных кислот, однако это не очень удобный метод, так как лактоны также могут легко восстанавливаться, например комплексными гидридами металлов – боргидридом натрия и алюмогидридом лития. При этом могут быть получены либо гликоли, либо альдегидоспирты. Последние образуются при медленном прибавлении восстановителя к раствору лактона. Исчерпывающее восстановление янтарного ангидрида при действии водорода в присутствии обычных катализаторов гидрирования при повышенном давлении приводит к тетрагидрофурану.
Подобно тому как происходит реакция γ-лактонов с гидрид-ионом, происходит взаимодействие этого соединения и с некоторыми другими нуклеофильными реагентами. Реакция с цианистым калием приводит к солям γ-цианокарбоновых кислот, взаимодействие с реактивами Гриньяра приводит после гидролиза к оксикетонам.
O
O
O
[H] O
O
[H]
HO
O
[H]
KCN
2. H2O1.RMgX
[H]
O OCN
OK
HOR
O
HOOH
10
Предложите механизм превращения γ-оксимасляной кислоты в γ-бутиролактон.
Известны также лактоны и с б?льшим размером цикла, однако они образуются только при нагревании соответствующих оксикислот. Лактоны с девятью и десятью углеродными атомами в цикле присутствуют в молоке и в молочных продуктах, обуславливая наряду с диацетилом и 2-гидроксипропаноном-2 сливочный запах. Следует, однако, отметить, что при нагревании оксикислот, в молекуле которых гидрокси- и карбоксильная группа достаточно удалены друг от друга, вероятность сближения этих групп в пространстве весьма мала, и поэтому становится значимой конкурирующая реакция межмолекулярного образования сложного эфира, приводящая к высокомолекулярному полиэфиру. Для того чтобы исключить или во всяком случае снизить вероятность протекания этой реакции, применяют метод высокого разбавления, при котором снижается вероятность межмолекулярной реакции.
-[O-(CH2)nCO-]n полиэфир
HO(CH2)nCOOH
OO
(CH2)n
макроциклический лактон
Методы получения ароматических оксикислот Наибольшее значение в синтезе ароматических оксикислот имеет реакция карбоксилирования
фенолов и нафтолов. Реакция протекает при взаимодействии фенолята или нафтолята натрия с диоксидом углерода при повышенном давлении (5 атм.) и температуре (130-220 °С) (реакция Кольбе-Шмидта). Это превращение является примером электрофильного замещения, в котором достаточно слабый электрофил – молекула CO2 атакует очень активный арен – фенолят-анион.
O-O C O
M+
(M = Na)
O
O
C-O H
OHC
OO- Na+
H+
OHC
OOH
салициловая кислота
Эта реакция обладает двумя важными особенностями. Во-первых, она обратима, то есть образующаяся соль салициловой кислоты способна претерпевать
декарбоксилирование в условиях реакции, и равновесие сдвигается в сторону продукта реакции присутствием большого избытка СО2. Это означает, что в принципе реакция может быть проведена в условиях кинетического или термодинамического контроля.
Во-вторых, строение термодинамического или кинетического продуктов зависит от природы катиона щелочного металла, используемого в этой реакции в виде щелочи. В случае иона Na+ термодинамически более выгодным продуктом является орто-изомер, а в случае К+ - пара-изомер. Причиной этого явления является большая устойчивость хелатного комплекса, образуемого Na-солью, по сравнению с К-солью, что определяется размером катиона. Следствием этих особенностей реакции является возможность варьирования структуры продукта путем изменения температуры реакции и природы используемого катиона. Так, при проведении реакции карбоксилирования фенолята калия при 125 °С образуется смесь орто- и пара-изомеров, а при более высокой температуре образуется только термодинамически более выгодный пара-изомер. При нагревании калиевой соли салициловой кислоты при 230 °С в атмосфере СО2 образуется дикалиевая соль пара-окси-бензойной кислоты и продукт
11
декарбоксилирования – фенол. В этих же условиях натриевая соль салициловой кислоты претерпевает лишь декарбоксилирование с образованием фенола и динатриевой соли салициловой кислоты. Натриевая соль пара-оксибензойной кислоты при нагревании в атмосфере СО2 при 280 °С образует динатриевую соль салициловой кислоты. Натриевую соль салициловой кислоты получают при взаимодействии фенолята натрия с СО2 при 125 °С и 6 атм.
OHCO2K
2
230
CO2
OK
CO2K
+ PhOH + CO2
2
OHCO2Na
230
CO2 ONa
CO2Na
+ PhOH + CO2
OH
CO2Na
2
280
CO2
ONaCO2Na
+ PhOH + CO2
Подобные превращения претерпевают и нафтоляты калия и натрия. Общие закономерности здесь те
же, что и в случае фенолятов – термодинамически выгодным является орто-изомер для натриевых солей и пара-изомер – для калиевых солей.
ONa
120
CO2
OH
CO2Na
OH
CO2K
2
240
- CO2
OK
CO2K
+
OH
OH
CO2-Na+
CO2
260o
M = Na
O-M+
CO2
240o
M = K
OK
KO2C
M = Na
260
M = K
240
OH
CO2-M+
Таким образом, строением продукта реакции можно управлять, варьируя температуру реакции и катион в составе исходного фенолята или нафтолята. При этом указанные превращения могут быть проведены и в одну стадию при обеспечении условий, указанных на схеме.
12
Аналогично фенолу реагируют и его гомологи. Полифенолы вступают в реакцию карбоксилирования в более мягких условиях (почему?). Например, резорцин образует резорциловую кислоту при нагревании с водным раствором бикарбоната аммония.
OH
OH резорцин
NH4HCO3 OH
OH
COOH
резорциловая кислота
Другой способ введения карбоксильной группы в молекулу фенола – взаимодействие фенолята натрия с четыреххлористым углеродом в присутствии соединений меди как катализатора. В этом случае образуется 25% салициловой и 35% 4-оксибензойной кислоты.
COOCuOH
основной бензоат меди t
- Cu
ONa
CCl4Cu
OHCO2H
+
OH
CO2H
С образованием соответствующих оксибензойных кислот окисляются крезолы при их сплавлении со щелочью в присутствии оксидов металлов. Гидроксиацетофеноны окисляются в соответствующие оксибензойные кислоты йодом в присутствии пиридина
ONa
CH3
2. H+
1.NaOH/CuO, t
CO2H
OH
I2
пиридин
OH
COCH3
При нагревании основного бензоата меди в инертном растворителе также образуется салициловая
кислота, ион меди при этом восстанавливается до металла. Для введения гидроксигруппы в молекулу бензойной кислоты можно также использовать и традиционные методы получения гидроксиаренов, например, щелочное плавление мета-карбоксибензолсульфокислоты или диазотирование аминобензойной кислоты и последующий гидролиз образующейся соли диазония, и такие методы получения ароматических карбоновых кислот, как окисление метильной группы или галоформное расщепление метиларилкетона.
13
COOH
SO3H
1. NaOH
2. H+
COOH
OH
MOn + KOH
,ë, KClO3
CH3
OH мета-крезол
1. I2/OH
-
2. H+ tH3O+
OH
COCH3
COO-
N2+
NaNO2
H+
COOH
NH2
Показанные на схеме методы получения мета-оксибензойной кислоты применимы также и для
синтеза других изомерных оксибензойных кислот. Свойства ароматических оксикислот
В свойствах ароматических оксикислот много общего со свойствами алифатических оксикислот.
Константа диссоциации ароматических оксикислот обычно несколько меньше, чем у бензойной кислоты, поскольку гидроксигруппа является одним из самых сильных электронодонорных (по мезомерному эффекту) заместителей, а индуктивное ее влияние через ароматическое кольцо невелико. Исключением являются орто-оксибензойные кислоты, которые значительно сильнее своих изомеров и сильнее соответствующих бензойных кислот. Причина этого та же, что и у алифатических α-оксикислот, – стабилизация карбоксилат-аниона внутримолекулярной водородной связью с участием гидроксигруппы.
Оцените сравнительную силу салициловой и орто-метоксибензойной кислот.
OHO
-O
=…,%… “=ë,ö,ë%"%L *,“ë%2/
Отметим, что салициловая кислота благодаря благоприятному взаимному расположению гидрокси- и карбоксигрупп легко образует хелатные комплексы с ионами переходных металлов.
Как и алифатические оксикислоты, ароматические оксикислоты способны образовывать два ряда эфиров - по оксигруппе и по карбоксильной группе.
OHC
OOH
O
O
O
PCl3PhOH
CH3OH
H+
OCOCH3
CO OH
ацетилсалициловая кислота (аспирин)
OHC
O OPh
салол
OHC
O OCH3
метилсалицилат
14
Объясните направления реакций получения эфиров салициловой кислоты. Какое соотношение реагентов следует использовать для получения салола, почему?
Получить простой эфир оксибензойной кислоты в одну стадию, исходя из самой кислоты, достаточно затруднительно, так как в обычных условиях получения простых эфиров в реакцию этерификации будет вступать и карбоксильная группа. Правда, полученный диэфир можно легко и селективно гидролизовать в алкоксибензойную кислоту.
OHC
OOH
1. OH-
2. RX OR
CORO
H2O/ OH-
,ë, H3O+ ORC
OOH
Объясните селективность гидролиза диэфира оксибензойной кислоты. Алкоксипроизводные бензойных кислот получают также из соответствующих бромалкоксибензолов,
превращая их в реактив Гриньяра или литийорганическое соединение, которое вводят во взаимодействие с диоксидом углерода. Анисовую кислоту (пара-метоксибензойную) в промышленности получают окислением анетола.
Br
OR
Mg
OR
MgBr
1. CO2
2. H3O+
CO2H
OR
OCH3
анетол
[O]
OCH3
HO2C
анисовая кислота
Интересной особенностью орто- и пара-оксибензойных кислот является то обстоятельство, что при их взаимодействии с электрофильными реагентами в качестве уходящей группы часто выступает карбоксильная группа. Так, при нитровании или бромировании салициловой кислоты в жестких условиях образуются соответственно пикриновая кислота и трибромфенол.
OH
NO2
NO2
O2N
H2SO4
HNO3
OH
CO OH
Br2
OHBr
Br
Br
4-Гидроксибензойная кислота реагирует с солями диазония с замещением карбоксильной группы, а
не атомов водорода в свободных орто-положениях.
OH
HO2C
ArN2+
N=NAr
HO Причиной такого направления приведенных реакций является легкость декарбоксилирования
оксибензойных кислот, которая обсуждалась выше (21-23). Оксикислоты в природе
15
Многие алифатические оксикислоты имеют природное происхождение и встречаются в различных растениях, а также участвуют в обменных процессах живого организма. Так, гликолевая кислота встречается в свекле и винограде, молочная кислота, как уже отмечалось выше, является продуктом жизнедеятельности некоторых бактерий, например, обеспечивающих молочнокислое брожение молока и многих овощей при консервировании, квашении капусты и засолке огурцов. Молочная кислота является естественным консервантом, и ее накапливание предохраняет продукты от дальнейшего разложения. В организме человека D-молочная кислота образуется в мышцах при физической нагрузке в результате расщепления глюкозы через стадию образования простейшей кетокислоты – пировиноградной кислоты, и ее повышенная концентрация воспринимается как мышечная усталость.
Яблочная кислота содержится в недозрелых яблоках, рябине, клюкве и многих других плодах. Там же находится и D-винная кислота, которая в виде калиевой соли выпадает в осадок при брожении вина, откуда ее и получают. Много лимонной кислоты, естественно, содержится в лимонах, однако поскольку в нашей стране лимоны не растут, то ее выделяют из махорки после предварительного извлечения никотина, а также из зеленой массы хлопчатника. Лимонная кислота может быть получена и синтетически. Ниже приведены две из возможных схем синтеза этого соединения, в основе которых лежит один и тот же метод –циангидринный.
O
Cl
Cl дихлорацетон
HCN
OH
Cl
Cl
CN
H3O+
OH
Cl
Cl
CO2H
KCN
OH
CN
CN
CO2H
H3O+ OH
CO2H
CO2H
CO2H
лимонная кислота
O
CO2H
CO2H ацетондикарбоновая
кислота
HCN
OH
CO2H
CO2H
CN
H3O+
лимонная кислота
Салициловая кислота известна главным образом как предшественник ацетилсалициловой кислоты –
аспирина. Метилсалицилат и салол также являются лекарственными препаратами. Широко распространены в природе полиоксибензойные кислоты, которые содержатся в виде
гликозидов во многих растениях: протокатеховая кислота (I) и ее производные – ванилиновая (II), изованилиновая (III) и вератровая (IV) кислоты. Из триоксибензойных кислот наибольшее значение имеет галловая кислота (V), которая в виде производных широко распространена в природе, в частности она находится в коре дуба, гранатового дерева, листьях чая и чернильных орешках – наростах на тканях растений, образующихся в результате некоторых заболеваний, вызываемых паразитами. Ранее из чернильных орешков, содержащих производные галловой кислоты, изготавливали чернила. Соли оксикислот, входящих в состав чернильных орешков, с двухвалентным железом, неокрашены и растворимы в воде. На воздухе они легко окисляются в производные трехвалентного железа, имеющие черный цвет и нерастворимые в воде. Реакция окисления идет во времени, и для того чтобы чернила были видны на бумаге сразу после нанесения, в них добавляли краситель синего цвета.
OHOH
COOH I
OHOCH3
COOH II
OCH3OH
COOH III
OCH3OCH3
COOH IV
OHOHHO
COOH V
Другое название чернильных орешков – дубильные орешки – обусловлено тем, что из них извлекают таннин – вещество, обладающее дубильными свойствами, то есть способностью превращать шкуру животного в кожу. Процесс дубления основан на сшивке белковых цепей в трехмерную структуру, обеспечивающую высокую прочность кожи.
16