19_karboks_kiseline.ppt
TRANSCRIPT
Karboksilne kiseline Jedinjenja koja sadrže karboksilnu grupu u
molekulu opšta formula za homologi niz
monokarboksilnih kiselina:
R C
O
OH
Nomenklatura Trivijalna imena
Nazivaju se još i masne kiseline, jer su prvi put izolovane iz prirodnih izvora, naročito hidrolizom masti i voskova
Davana su im imena koja su označavala mesto njihovog nalaženja (mravlja, sirćetna, buterna, itd.)
IUPAC imena za kiseline iznad C10 sa neparnim brojem C-atoma daju se radije nego uobičajena imena. Razlog: samo su kiseline sa parnim brojem C-atoma nađene u mastima, a sa neparnim brojem su dobivane sintezom.
Ime margarinska kiselina (C27) izgleda predstavlja jedini izuzetak.
Kao i kod ostalih homologih serija, ona jedinjenja koja imaju izopropil grupu na kraju normalnog ugljovodoničnog niza mogu dobiti prefiks izo na uobičajeno ime; na pr. (CH3)2CHCOOH - izobuterna kiselina
Nomenklatura (nastavak)
Kao derivati normalnih kiselina Kao osnovna supstanca se uzima CH3COOH, a
jedinjenja se nazivaju kao derivati kod kojih su H-atomi CH3-grupe u CH3COOH zamenjeni
drugim grupama
metil-sek-butilsirćetna kiselina
4 3 2 15
CH3 CH2 CH CH COOH
CH3CH3
Nomenklatura (nastavak)
IUPAC sistem Uzima se ime zasićenog ugljovodonika koji ima isti broj
C-atoma kao i najduži niz koji sadrži karboksilnu grupu, pa se njemu doda nastavak -ska kiselina.
Primer:
2,3-dimetilpentanska kiselina
CH3 CH2 CH CH COOH
CH3CH3
5 1234
IUPAC nomenklatura (nastavak)
Zasićene ciklične kiseline imenuju se kao cikloalkankarboksilne kiseline
Odgovarajuće aromatične kiseline su benzoeve kiseline
CH3CH2CH2
CHCH2CH2CH2COOHCHCH2
5-propil-6-heptenska kiselina
Cl
Br
COOH
1-brom-2-hlorociklopentan-karboksilna kiselina
COOH
HO
2-hidroksibenzoeva kiselina
Opšte metode za dobijanje
Iz Grinjarovog reagensa
MgX2+
O
OHR CHXOMgX
O
R CRMgX+OCO
Oksidacijom primarnih alkohola RCH2-OH + 2O RCOOH + H2O
Hidroliza nitrila (ORA 963)
H+
2H2O+CR N +H2O NH3+RCOOH
Ostale metode
Oksidacijom aldehida Dekarboksilacijom malonskih kiselina Hidrolizom:
anhidrida acil-halogenida estara amida masti i ulja, itd.
Fizičke osobine
Tačke ključanja karboksilnih kiselina rastu prosečno oko 18C za svaku metilensku grupu, isto kao i kod alkohola
T.k. su, međutim, abnormalnije od onih za alkohole: etanol ključa na 78C, a mravlja kiselina, HCOOH, koja ima istu molekulsku masu, na 101C
Objašnjenje - asocijacija molekula pomoću vodoničnih veza - građenje dimera
H O
OC R
HO
OCR
Rastvorljivost
Zbog delimične jonizacije u vodi, karboksilne kiseline su jače hidratisane od alkohola i stoga pokazuju veću rastvorljivost u vodi
Monokarboksilne kiseline se obično rastvaraju u organskim rastvaračima
Reakcije karboksilnih kiselina
Građenje soli Jače su kiseline od alkohola zbog:
dopunskog kiseonikovog atoma rezonancijom stabilizovanog karboksilatnog jona
-
O
OCRili
-
- O
OCR
O
OCR
Stoga reaguju: sa hidroksidima i grade soli
R-COOH + NaOH RCOONa + H2O
Reakcije karboksilnih kiselina sa karbonatima ili bikarbonatima, zato što CO2,
zbog slabe rastvorljivosti u vodenom rastvoru kiseline, pomera ravnotežu udesno
R-COOH + NaHCO3 RCOONa + CO2 + H2O
2R-COOH + Na2CO3 2RCOONa + CO2 + H2O Zamena hidroksilne grupe halogenom (ORA 909)
Koriste se neorganski halogenidi, najčešće PX3, PX5 i SOCl2 i dobijaju se acil-halogenidi
3 RCOOHPCl3 3 RCOCl + P(OH)3
RCOOH + SOCl2 RCOCl + SO2 + HCl
Esterifikacija
Direktna esterifikacija U prisustvu jakih kiselina karboksilne kiseline
reaguju sa alkoholima dajući estre i vodu
RCOOH + R C
O
O R' + HOHHOR' raskidanje acil-kiseonik
Reakcija sa diazometanom Diazometan je rezonantni hibrid dve strukture:
CH2 N N+ -
CH2 N N+-
RCOOH + CH2 N N+-
RCOO-+ CH3 N N
+RCOOCH3 + N2
HOR' HOH++RCOOH
18 18
OC
O
R R'
Razlaganje u ketone Kada se karboksilne kiseline zagrevaju u prisustvu
torijum(IV)- ili mangan(II)-oksida do tačke razlaganja, ili kada se pirolizuju soli polivalentnih metala, npr. kalcijuma, olova ili torijuma, dobijaju se ketoni
OHR C
O
OHR C
O
ThO2 ili MnO
400 500o-
O
RR C + CO2 + H2O
zagr. doraspadanja
RR C
O
+ CaCO3Ca2+
OR C
O
OR C
O
Funkcionalni derivati karboksilnih
kiselina
izvode se zamenom OH grupe iz karboksilne grupe kiselina X, RCOO, NH2 ili OR' grupom
soacil-halogenid anhidrid estar
NH2CR
O
amid
ONaR C
O
OR'C
O
RO C
O
RC
O
RC
O
R X
Soli karboksilnih kiselina (reakcije) Elektroliza (Kolbe-ova sinteza ugljovodonika)
R C ONH4
ORCOOH + NH3
Reakcija sa alkil-halogenidima
OR C
O
OR C
O
+ e-
OR C
O
R + CO2
2 R R R
Piroliza amonijumovih soli
RCOO M + R'X RCOOR' + M X
Piroliza amonijumovih soli Pri zagrevanju, amonijum-karboksilati disosuju u
kiselinu i amonijak: O
ONH4R C RCOOH + NH3
Na povišenim temperaturama, adicija amonijaka na karboksilnu grupu praćena je gubitkom vode, tako da se kao konačni proizvod dobija amid:
C
O
OHR NH3+ R C OH
NH3
O
R C OH2
NH2
O
C
O
NH2R
Reakcija srebro-karboksilata sa bromom U reakciji srebro-karboksilata sa bromom u
ključalom CCl4, dobija se bromalkan kao konačan proizvod, i talog srebro-bromida.
faze reakcije: građenje acil-hipobromita (RCOOBr)
RCOO + Br Br + Ag RCOOBr + AgBr razlaganje na RCOO radikal i dekarboksilacija
reakcija nagrađenog alkil-radikala sa drugim molekulom acil-hipobromita:
RCOOBr Br + RCOO R + CO2
R + RCOOBr RBr + RCOO Reakcija je poznata kao Hunsdiecker-ova i predstavlja metodu za
degradaciju ugljovodoničnog niza za jedan C-atom
Acil-halogenidi
Dobijanje acil-halogenida reakcijom karboksilnih kiselina sa halogenidima
neorganskih kiselina (zamena hidroksilne grupe halogenom)
Reakcija je opisana kod karboksilnih kiselina Nomenklatura
Po IUPAC nomenklaturi ova grupa jedinjenja se imenuje tako što se trivijalnom nazivu acil-grupe doda naziv odgovarajućeg halogenida.
Trivijalno ime acil-grupe dobija se od korena trivijalnog naziva odgovarajuće kiseline (na engleskom)kome se doda nastavak –il ili –oil.
BR. C-ATOMA
SISTEMSKO IME
TRIVIJALNO IMETRIVIJALNO IME
ACIL-GRUPESRPSKO ENGLESKO
1 METANSKA KISELINA MRAVLJA KISELINA FORMIC ACID FORMIL
2 ETANSKA KISELINA SIRĆETNA KISELINA ACETIC ACID ACETIL
3 PROPANSKA KISELINA PROPIONSKA KISELINA PROPIONIC ACID PROPIONIL
4 BUTANSKA KISELINA BUTERNA KISELINA BUTYRIC ACID BUTIRIL
5 PENTANSKA KISELINA VALERIJANSKA KISELINA VALERIC ACID VALERIL
12 DODEKANSKA KISELINA LAURINSKA KISELINA LAURIC ACID LAUROIL
14 TETRADEKANSKA KISELINA MIRISTINSKA KISELINA MYRISTIC ACID MIRISTOIL
16 HEKSADEKANSKA KISELINA PALMITINSKA KISELINA PALMITIC ACID PALMITOIL
18 OKTADEKANSKA KISELINA STEARINSKA KISELINA STEARIC ACID STEAROIL
18 CIS-9-OKTADECENSKA KISELINA OLEINSKA KISELINA OLEIC ACID OLEOIL
18CIS,CIS-9,12-OKTADEKADIENSKA
KISELINALINOLNA KISELINA LINOLIC ACID LINOLOIL
18CIS,CIS,CIS-9,12,15-
OKTADEKATRIENSKA KISELINA
LINOLENSKA KISELINA LINOLENIC ACID LINOLENOIL
Nomenklatura (nastavak)
Primeri
acetil-hlorid butiril-bromid valeril-hlorid lauroil-hlorid
CH3CO
ClCH3CH2CH2C
O
BrCH3(CH2)3COCl CH3(CH2)10COCl
Ukoliko je u molekulu prisutna i grupa koja ima prednost pri navođenju u odnosu na acil-halogenid, ili kada je acil-halogenidna grupa vezana za bočni niz, upotrebljava se prefiks "fluorformil-", "hlorformil-", "bromformil-" ili "jodformil-":
COOCH3
COCl
COOC2H6
COCl
metil-2-hlorformil-1-cikloheksankarboksilat
etil-o-hlorformil-benzoat dimetil-2,4-bis[(hlorformil)metil]pentadioat
CH3OOC CH
CH2COCl
CH2 CH
CH2COCl
COOCH3
Fizičke osobine
ne grade vodonične veze Imaju normalne tačke ključanja nerastvorni su u vodi Isparljivi acil-halogenidi imaju oštar miris i
iritirajuće dejstvo na membranu sluzokože
Reakcije acil-halogenida Nukleofilna zamena halogena
nukleofilna supstitucija halogena iz acil-halogenida vrši se mnogo lakše nego kod alkil-halogenida
acil-halogenidi podležu hidrolizi, alkoholizi i amonolizi (ORA 949), dajući kiseline, estre i amide na sobnoj temperaturi
H2O
R' O
H
+
+
H3N +
+ HCl
+ HClR C
O
NH2
C OR'
O
R
NH3
H
R`O
++
C
O
RCl-ClC
O
R
++
C
O
RCl-ClC
O
R
RCOOH++OH2C
O
RCl-ClC
O
R HCl+
Halogenovanje
Acil-halogenidi se hloruju i bromuju mnogo lakše od ugljovodonika ili karboksilnih kiselina
samo -vodonikovi atomi se mogu lako zameniti
-H+
+ HX
X X
CH
H
R C X
O
CHR C X
O
CHR C X
O
CH
X
R C X
OH+
Redukcija U alkohole
Hidridni jon je jak nukleofil, sposoban da supstituiše halogenidni jon iz acil-halogenida, kao i da redukuje karbonilnu grupu intermedijarnog aldehida
R C
O
Cl Cl-
H-
R C
H
OH
-
R C O-
H
HH+
R C OH
H
H
U aldehide mogu se katalitički redukovati u aldehide pomoću Pd-
katalizatora (Rosenmundova reakcija). Katalizator je obično delimično zatrovan dodatkom sumpornih jedinjenja, koja ga čine inaktivnim za katalizu dalje redukcije aldehida u alkohole
RCOCl + H2/Pd RCHO + HCl
Friedel-Crafts-ovo acilovanje Reakcija acil-halogenida sa aromatičnim
jedinjenjima, pri čemu se dobijaju ketoni, detaljno je obrađena kod aromatičnih jedinjenja
AlCl3+
CH3 C
O
Clili
CH3CO
OCH3C
O
CCH3
O
+ HCl
Anhidridi kiselina
Dobijanje anhidrida karboksilnih kiselina nukleofilnom supstitucijom hloridnog jona iz acil-hlorida karboksilatnim jonom jasno definiše strukturu ovih jedinjenja
+O C
O
RC
O
RR+ NaClNa+ -OC
O
ClC
O
R
Dobijanje anhidrida kiselina Od svih anhidrida monokarboksilnih kiselina
najvažniji je acetanhidrid Dobija se reakcijom sirćetne kiseline sa ketenom,
CH2=C=O, koji se, opet, dobija dehidratacijom sirćetne kiseline na visokoj temperaturi:
CH3COOHAlPO4
700oCCH2 C O
CH3COOH(CH3CO)2O
Za razliku od monokarboksilnih kiselina, neke dikarboksilne kiseline daju anhidride zagrevanjem, kada se grade petočlani ili šestočlani prstenovi
Nomenklatura anhidrida
Imena dobijaju dodatkom reči anhidrid na ime kiseline ili kiselina iz kojih se izvode Primer: (CH3COO)2O - acetanhidrid
(CH3CO)O(COCH2CH2CH3) - acetobutilanhidrid
Anhidridi koji imaju obe R grupe jednake su prosti anhidridi, dok su anhidridi sa različitim grupama mešoviti anhidridi
Fizičke osobine
imaju više tačke ključanja od ugljovodonika, ali niže od alkohola sa istom polarnošću
Uprkos velikoj količini prisutnog kiseonika, acetanhidrid i njegovi viši homolozi su nerastvorni u vodi
velika rezonanciona energija (125,6 kJ) koja se javlja usled interakcija elektrona u p-orbitalama kiseonika i ugljenika sprečava lokalizaciju negativne šarže potrebne za vodonično vezivanje
Reakcije
Anhidridi su dobri reagensi za acilovanje i obično podležu hidrolizi, alkoholizi i amonolizi, ali reakcije nisu tako burne kao kod acil-halogenida
NH4OOCR+RH2NC
O
RC
O
OR C
O
+2 NH3
+ HOCORR'OCOROR C RC
OO
+R'OH
HOCOR+RCOOHOCOR+C
R
O
H2OC
R
O
OCOR+H2O
Estri Estri se dobijaju:
direktnom esterifikacijom kiseline s alkoholom, adicijom kiselina na olefine reakcijom acil-halogenida sa alkoholima reakcijom anhidrida kiselina sa alkoholima, itd.
Estri dobijaju imena kao da su alkil-soli organskih kiselina Npr. CH3COOCH2CH3 etil-acetat
Imaju normalne tačke ključanja njihova rastvorljivost u vodi je manja nego što se može
očekivati na osnovu količine prisutnog kiseonika. Isparljivi estri imaju prijatan voćni miris
Reakcije estara Supstitucija alkoksidne grupe
Hidroliza Potreban katalizator Može biti kisela ili bazna Bazna se zove još i saponifikacija (ORA 955)
Alkoholiza Amonoliza
R`OHR"OH +H+
RCOOR"RCOOR`+
+H+
HOR`RCOOHRCOOR`+H2O
R'O-+C
O
R"
H2N+ROH....OR'C
O
R"
........H NH2....ROC
O
R"
OR'++ H3NRO-
Zamena karboksilatnog jona
Suvi HBr, koncentrovani vodeni rastvor HI i H2SO4
mogu da raskinu estre na isti način kao i etre
R'Br+CR
O
OHBr-
Br-HBr
CR
O
OR' CR
O
O R'
H Redukcija Estri se mogu prevesti u primarne alkohole redukcijom
pomoću reagenasa kao što su LiAlH4 ili Na u alkoholu, ili
pomoću katalitičke redukcije
C
O
R OR'C
O
R OR' + H - C
O
H
OR'R -OR'R C
O
HH -
R C
O
H
H
HOH
OH -R CH2 OH
Reakcija sa Grignard-ovim reagensima Grignard-ovi reagensi reaguju sa estrima tako što
najpre daju adicioni proizvod, iz koga se zatim eliminiše alkoksidni i halomagnezijumov jon, dajući keton:
R'OMgX+R"MgX+ R C
O
R"R"
R C O R'
O MgX
R C OR'
O
MgOH
X+HOHR"MgX+R"R C
O
R"
R C
O MgX
R" R"R C
OH
R"
U sledećoj fazi keton reaguje sa još jednim molom Grignard-ovog reagensa i dobija se tercijarni alkohol.
Piroliza u alkene Kada se estri, koji imaju vodonik na C-atomu
alkoksi-grupe, zagrevaju na 500C, dolazi do disocijacije molekula estra na molekul kiseline i alken. Estri primarnih alkohola daju terminalne alkene:
RCOOCH2CH2R'500oC
RCOOH + CH2 CHR'
Voskovi, masti i ulja
Voskovi su estri viših monohidroksilnih alkohola i viših masnih kiselina.
Prirodni voskovi su smeša estara, a sadrže i ugljovodonike
Masti i ulja su estri trohidroksilnog alkohola glicerola i viših masnih kiselina
CH2
CH
CH2
O
O
O
C
C
C
O
O
O
R
R'
R"
Masti i ulja
Kiseline zasićene
laurinska, CH3(CH2)10COOH palmitinska CH3(CH2)14COOH stearinska CH3(CH2)16COOH
nezasićene oleinska kiselina CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH linolna kiselina
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH linolenska
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH
Reakcije masti i ulja hidroliza u prisustvu kiselina, baza (MOH, gde je M
neki metal) ili enzima u slobodne masne kiseline ili
njihove soli i glicerol
R"COOH
R'COOH
RCOOHH+ ili enzimi3 H2O+
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
+
CH2
CH
CH2
O
O
O
COR
COR'
COR"
3 MOH+
CH2
CH
CH2
O
O
O
COR
COR'
COR"
RCOOM
R'COOM
R"COOM
+
OH
OH
OH
CH2
CH
CH2
Jodni broj - stepen nezasićenosti masti i ulja: utrošak joda pri adiciji na nezasićene veze kao reagens upotrebljava se standardni rastvor jod-monohlorida ili
jod-monobromida u glacijalnoj sirćetnoj kiselini
Amidi Dobijanje
reakcijom amonijaka ili njegovih alkil-derivata (primarnih i sekundarnih amina) sa kiselinama, acil-halogenidima ili anhidridima kiselina
U slučaju reakcije sa kiselinama, s obzirom na to da su amonijak i njegovi derivati baze, dobija se najpre odgovarajuća amonijum-so
amonijum-alkanoat(so)
HNH3R C
O
ONH3+R C
O
O H
Zagrevanjem dolazi do razlaganja soli, pri čemu azot deluje kao nukleofil. Reakcija je adiciono-eliminacionog tipa, a kao krajnji proizvod dobija se amid
C
O
OHR NH3+ R C OH
NH3
O
R C OH2
NH2
O
C
O
NH2R
Građenje amida je reverzibilan proces. Razblaženim kiselinama ili bazama, uz zagrevanje, mogu se regenerisati
polazna kiselina i amin
Nomenklatura amida Imena primarnih amida, tj. onih u kojima –NH2
grupa nije supstituisana, izvode se na dva načina: kao alkanamidi, što znači da se nazivu ugljovodonika sa
istim brojem C-atoma dodaje sufiks –amid. upotrebom opisnog oblika amid...kiseline. Ako se imena
amida izvode iz internacionalnih trivijalnih imena, nastavak "-ic acid" ili "-oic acid" zamenjuje se nastavkom –amid.
Kod cikličnih sistema završetak –karboksilna kiselina zamenjen je sufiksom –karboksamid.
Supstituenti na azotu označavaju se prefiksima N- ili N,N- zavisno od broja supstituenata.
Na osnovu toga za koliko je C-atoma vezan azot, amidi se dele na primarne, sekundarne i tercijarne.
Primeri
acetamid N-etilacetamid
CH3C
O
NH2 CH3C
O
NHCH2CH3
CH3CH2CH2CH2C
O
NCH3
CH2CH3C
O
NH2
N-etil-N-metilpentanamid ciklopentankarboksamid
Nomenklatura amida (nastavak)
Ciklični amidi zovu se laktami, odnosno aza-2-cikloalkanoni, kako glasi njihovo sistematsko ime
NH
O
NH
O
γ-butirolaktam δ-valerolaktam
(aza-2-ciklopentanon) (aza-2-cikloheksanon)
Reakcije amida
Najvažnije reakcije amida su: hidroliza redukcija konverzija u imide i Hoffmann-ova degradacija
Hidroliza Kao najmanje reaktivni derivati karboksilnih
kiselina, amidi hidrolizuju jedino pod oštrijim uslovima, što podrazumeva prisustvo neke jače kiseline ili baze i produženo zagrevanje
Proizvodi hidrolize su amonijak (ili amin) i karboksilna kiselina, od kojih se jedno ili drugo jedinjenje nalaze u obliku soli, zavisno od upotrebljenog katalizatora
Hidroliza (nastavak)
Hidroliza u kiseloj sredini:
C
O
NH2R
H+
C
O
NH2R
H
H2OR C NH2
OH2
OH
-H+R C NH2
O
OH
H
H+
H+-H+
-H+
R C NH3
O
OH
H
C
O
OHR
H
+ NH3 C
O
OHRNH4+
Hidroliza (nastavak)
Hidroliza u baznoj sredini:
C
O
NH2R
OH-
R C NH2
OH
O
C
O
OHR+ NH2 C
O
ORNH3+
Redukcija
Amidi se mogu redukovati do aldehida ili do amina, što je njihova specifična reakcija
Redukcija do aldehida vrši se u prisustvu diizobutil-aluminijum-hidrida kao redukcionog sredstva. Sa ovim reagensom i estri takođe daju aldehide
CH3(CH2)3C
O
N(CH3)2
1. (CH3CHCH2)2AlH, (CH3CH2)2O
CH3
2. H+, H2OCH3(CH2)3CHO
N,N-dimetilpentanamid pentanal
Pri redukciji amida pomoću LiAlH4 dobija se amin sa istim brojem C-atoma
iminijum-jon
C
O
NR'2R
LiAlH4R C NR'2
H
OAlH3
C
NR'2
HR
LiAlH4 RCH2NR'2
Konverzija u imide Ciklični anhidridi reaguju sa amonijakom i daju
proizvod koji sadrži dve funkcionalne grupe: amidnu, -CONH2, i karboksilnu,
-COOH Ako se takav kiseli amid zagreva, eliminiše se
molekul vode i zatvara prsten, pri čemu se dobijaju jedinjenja poznata pod imenom imidi. Tako reaguje, npr., anhidrid ftalne kiseline, ftalanhidrid:
H+CONH2
COOH
3000CNH
O
O
ftalaminska kiselina ftalimid
ftalanhidrid amonijum-ftalat
O
O
O
2 NH3
CONH2
COONH4
H+
Hoffmann-ova degradacija
Kada se na amid deluje alkalnim rastvorom NaOCl ili NaOBr, nastaje primarni amin, koji ima jedan C-atom manje od početnog amida
CO32-
+R NH2R C
NH2
OOBr
reakcija teče preko sledećih stupnjeva:
1. Halogenovanje amida
N-halogenamid dobijen ovom reakcijom može se izolovati, ako nije prisutna baza. Ako se tretira bazom, dobija se amin
(1) R C
NH2
O
+ OBr R C
N
O
H
Br
+ OH
2. Napad hidroksidnog jona
H2O+R C
N
O
Br
+R C
N
O
H
Br
(2) OH
3. Odlazak halogenidnog jona
Pri heterolitičkoj disocijaciji N-Br veze azotov atom ostaje elektron-deficitaran
+R C
N
O
R C
N
O
Br
(3) Br
4. Premeštanje alkil-grupe Smatra se da se koraci 3 i 4 odvijaju
simultano, odnosno da vezivanje alkil-grupe za azot potpomaže istiskivanje halogenidnog jona. To podseća na karakterističan mehanizam SN2 reakcija
R N C OR C
N
O(4)
5. Hidroliza izocijanata Izocijanat hidrolizuje u amin i karbonatni anjon. Ako
bi se Hoffmann-ova degradacija vršila u odsustvu vode, izocijanat bi se mogao izolovati
+ CO32-R NH2
H2O2 OH-
+R N C O(5)
Slično preuređivanju karbkatjonova, i Hoffmann-ova degradacija je ustvari 1,2-premeštanje alkil-grupe. Razlika je u tome što se kod preuređivanja karbkatjonova grupa sa svojim elektronima premešta na elektron-deficitarni ugljenik, a u ovoj reakciji na elektron-deficitarni azot.
Da li je premeštanje intermolekulsko, ili intramolekulsko? Drugim rečima, da li se grupa koja se premešta pomera sa jednog atoma na drugi unutar istog molekula, ili se pomera sa jednog molekula na drugi?
Dokaz je dobijen elegantnim eksperimentom T.J. Prosser-a i E.L. Eliel-a sa Univerziteta Notre Dame u Parizu, u kome su upotrebljeni "obeleženi" atomi
"ukršteni" proizvodinisu pronađeni
15NH2
D
NH2+
15NH2NH2
D
CO15NH2 +CONH2
D
U eksperimentima sa optički aktivnim jedinjenjima, utvrđeno je da pri ovoj reakciji dolazi do potpune retencije konfiguracije. Primer je Hoffmann-ova degradacija 2-fenilpropanamida:
OBrC
H3C
CO
NH2H
H5C6
C
H3C
NH2
H5C6
H
Proizvod reakcije ukazuje na dve bitne činjenice: azot zauzima isti relativni položaj na hiralnom
ugljeniku, koji je na početku zauzimao karbonilni ugljenik;
veza između hiralnog i karbonilnog ugljenika ne raskida se potpuno sve dok hiralni C-atom ne počne da se vezuje za azot
Premeštanje grupe sa karbonilnog C-atoma na azot odvija se preko prelaznog stanja A:
C
H
CH3C6H5
C N
O
C
H
CH3C6H5
C NO
CC6H5
H
CH3
NCO
A
Supstituisane karboksilne kiseline
halogen- hidroksi- amino- i nezasićene karboksilne kiseline
Halogene karboksilne kiseline imaju jedan ili više halogenih atoma kao supstituente u
ugljovodoničnom delu molekula -Hlor- i brom- kiseline dobijaju se direktnim
halogenovanjem kiselina u prisustvu malih količina PX3:
RCH2-COOH + X2 RCHXCOOH + HXPX3
Osobine i reakcije
Povećanjem broja atoma halogena na -ugljenikovom atomu raste kiselost karboksilnih kiselina. Tako je trihlorsirćetna kiselina gotovo isto tako jaka kao i H2SO4
U zasićenim halogenkarboksilnim kiselinama atom halogena ima slična svojstva kao i halogen u halogenalkanima, što znači da se može zameniti drugim funkcionalnim grupama pomoću uobičajenih reagenasa
-, -, - i -Halogenkiseline pokazuju karakteristične razlike u reakcijama sa vodenim ili alkoholnim rastvorima baza. Pri kuvanju sa vodom ili razblaženim bazama, -halogenkiseline lako hidrolizuju, dajući -hidroksikiseline.
+ KOH KX+OH
O
RCH C
OH
RCH
X
C
O
OH
Pod istim uslovima -halogenkiseline gube halogenovodoničnu kiselinu dajući ,-nezasićenu kiselinu, dok -halogen- i -halogenkiseline daju petočlane ili šestočlane ciklične estre poznate pod imenom laktoni.
HOH+ KXKOHRCH OHC
O
CH2
X
+ +COOHRCH CH
++ KOH KX+ HOH
OOR
RCH
X
CH2CH2 C
O
OH
Hidroksikiseline imaju hidroksilnu grupu kao supstituent na ugljovodoničnom
delu molekula dobijaju se hidrolizom -halogenkiselina ili hidrolizom
cijanhidrina, koji nastaje pri adiciji HCN na aldehide ili ketone
HClCR
O
H + CHR
OH
C NHCNH2O
CHR
OH
COOH + NH4Cl
-Hidroksikiseline se mogu dobiti katalitičkom redukcijom -ketoestara i naknadnom hidrolizom
Kiseline koje sadrže hidroksilnu grupu dalje od -položaja dobijaju se takođe hidrolizom odgovarajućih halogenkiselina ili redukcijom ketokiselina
Reakcije hidroksikiselina -Hidroksikiseline podležu bimolekulskoj
esterifikaciji, uz stvaranje šestočlanog prstena. Takvi ciklični diestri nazivaju se laktidi
2 H2O
RCH
OH
C
O
OH
+ +RCH
OH
C
O
HO O
OR
RO
O
-Hidroksikiseline lagano gube vodu, dajući ,-nezasićene kiseline, često u smeši sa ,-nezasićenim kiselinama
- i -Hidroksikiseline su stabilne samo u obliku svojih soli, jer se spontano ciklizuju u laktone
H2ORCH
OH
CH2 CH2 C
O
OH +O
OR
RCH
OH
CH2 CH2 CH2 C
O
OHOR O
+ H2O
Aminokiseline
Aminokiseline su derivati karboksilnih kiselina koji imaju amino-grupu kao supstituent u ugljovodoničnom delu molekula
Imaju veliki značaj za živi svet, jer izgrađuju peptide i proteine, koji spadaju u tzv. primarne biomakromolekule i koji, samostalno ili vezani za neke druge biomolekule, obavljaju niz životno važnih funkcija u svakoj živoj ćeliji.
Dobijanje aminokiselina
Jedna od metoda za dobijanje -aminokiselina jeste reakcija -halogenkiselina sa amonijakom
+RCH COOH
X
2 NH3 NH4X+RCH COOH
NH2
Druga metoda poznata je pod imenom Strecker-ova sinteza:
RCH
NH2
COOHH+
RCH C N
NH2
H2O
HCNOHRCH
NH2
NH3+CHORH2O
-Aminokiseline se mogu dobiti i hidrolizom proteina, u kojima su međusobno vezane peptidnim vezama Peptidna veza (–CONH) nastaje reakcijom
kisele –COOH grupe iz molekula jedne, i bazne –NH2 grupe iz molekula druge aminokiseline, uz izdvajanje vode
Kiseline kod kojih se NH2-grupa nalazi u drugim položajima, mogu se dobiti iz odgovarajućih halogenkiselina, ili redukcijom oksima ketokiselina
Reakcije aminokiselina Aminokiseline sadrže u svom molekulu i
kiselu i baznu funkcionalnu grupu, pa stoga imaju amfoterna svojstva
U čvrstom stanju aminokiseline postoje u obliku dipolarnog jona (zwitter-jon, unutrašnja so), koji je stabilniji od nejonizovanog oblika:
NH3
COORCHRCH
NH2
COOH
Od pH sredine u znatnoj meri zavisi u kom jonskom obliku se aminokiseline nalaze
na pH>13
RCHCOO
NH2
RCHCOOH
NH3
na pH<1
OH-
H+RCHCOO
NH3
na pH~6
H+
OH-
Vrednost pH na kojoj je najveća koncentracija neutralnog zwitter-jona zove se izoelektrična tačka
-Aminokiseline prilikom zagrevanja u rastvoru glicerola gube vodu i stvaraju ciklične diamide - 2,5-diketopiperazine
CH2 COOH
NH2 +
HOOC CH2
NH2170o
HN
NH
O
O
2 H2O+
Ako se soli -aminokiselina zagreju do dovoljno visoke temperature, nastaju ,-nezasićene kiseline.
NH3 PO4H2
RCHCH2 COOHCHR CH COOH + NH4H2PO4
- i -Aminokiseline zagrevanjem daju ciklične amide, koji se zovu laktami
-buterolaktam (pirolidon)
CH2 CH2 CH2 COOH
NH2
H2O+NH
O
Aromatične karboksilne kiseline
jedinjenja u kojima je jedna ili više karboksilnih grupa vezano za aromatični prsten.
hemijske i fizičke osobine uglavnom su iste kao i kod alifatičnih kiselina
Ipak, prisustvo aromatičnog prstena i eventualnih supstituenata u prstenu utiče na hemijsko ponašanje ovih jedinjenja.
Dobijanje
Opštim metodama: reakcijom odgovarajućeg Grignard-ovog
reagensa sa CO2:
ArMgX CO2+ ArCOOMgX ArCOOH MgX2+HX
hidrolizom nitrila:
Ar-CN
NaOH, H2O
HCl + 2 H2O
ArCOONa
ArCOOH
+
+
NH3
NH4Cl
hidrolizom funkcionalnih derivata aromatičnih karboksilnih kiselina
oksidacija bočnog niza aromatičnih jedinjenja
ili KMnO4
Na2Cr2O7 + H2SO4
COOHCH2CH3
Reakcije
slične reakcijama alifatičnih uticaj aromatičnog prstena u pojedinim
slučajevima čini razliku u hemijskom ponašanju između ove dve grupa jedinjenja značajnom
1. Kiselost Benzoeva kiselina je, zbog negativnog induktivnog
efekta (-I) fenil-grupe, jača od cikloheksankarboksilne kiseline (benzoeva kiselina: Ka=6,2710-5, cikloheksan-karboksilna kiselina: Ka=1,3410-5)
uticaj benzenovog prstena može se promeniti u sasvim suprotnom smislu, pod uticajem određenih supstituenata
uvođenje alkil-grupa u meta- i para- položaj benzenovog prstena smanjuje jačinu kiseline u maloj meri zbog slabog +I i hiperkonjugacionog +R efekta alkil-grupa
Alkil-grupa u p-položaju ima nešto izraženiji uticaj, tj. smanjuje kiselost u većoj meri, jer se zbog njenog hiperkonjugacionog efekta povećava rezonancija benzenovog prstena sa karboksilnom grupom.
m-položaj
CH3
COHO
CH2
COHO
H CH2
COHO
CH2
COHO
H H
COHO
CH3
COHO
CH2H H
COHO
CH2 CH2
COHO
H H
COHO
CH2
p-položaj
Supstituenti sa I ili –R (ili oba efekta zajedno, kao na primer kod –NO2 grupe), u znatnoj meri povećavaju kiselost benzoeve kiseline, naročito ako su u orto- ili para-položaju.
COHO
NO O
COHO
NO O
COHO
NO O
(1) (2) (3) (4)
COHO
NO O
Posebno je izraženo dejstvo nitro-grupe u orto-položaju, zbog malog rastojanja na kome ona deluje svojim jakim –I efektom na karboksilnu grupu, a verovatno i zbog sternih faktora
Hidroksi- i metoksi- (odnosno u opštem slučaju alkoksi, -OR) grupe, kao i halogeni, pokazuju –I efekat (povećava aciditet kiseline) i +R efekat (smanjuje aciditet).
Kod benzoevih kiselina koje u para-položaju imaju ove supstituente, dolazi upravo do izražaja +R efekat, koji može postati i preovlađujući.
Rezonancija karboksilne grupe sa aromatičnim prstenom (rezonanciona struktura (5)) stabilizuje kiselinu u odnosu na njenu konjugovanu bazu, pa ona postaje slabija od odgovarajućih meta-supstituisanih kiselina, a u izvesnim slučajevima slabija i od same benzoeve kiseline
COHO
X
COHO
X
COHO
X
(1) (2) (3) (4)
COHO
X
COHO
X
(5)
Kod benzoevih kiselina koje imaju ove supstituente u meta-položaju, uglavnom dolazi do izražaja –I efekat, jer rezonancija sa karboksilnom grupom nije moguća. Stoga su meta-derivati jače kiseline od benzoeve
X
COHO
X
COHO
X
COHO
X
COHO
SUPSTITUENTPOLOŽAJ
H CH3 NO2 OH OCH3 F Cl Br I
orto 6,27 12,35 671 101 8,06 54,1 114 140 137
meta 6,27 5,35 32,1 8,27 8,17 13,6 14,8 15,8 14,1
para 6,27 4,24 37,0 2,95 3,38 7,22 10,5 10,7 -
Konstante aciditeta (Ka 105) pojedinih supstituisanih benzoevih
kiselina na 25°C u vodi
2. Esterifikacija Ako nema supstituenata u orto-položajima,
esterifikacija karboksilne grupe odvija se kao i kod alifatičnih kiselina
Ako je jedan orto- položaj supstituisan, brzina esterifikacije je znatno smanjena, dok ako su oba orto- položaja zauzeta, do esterifikacije ne dolazi (Viktor-Majerovo pravilo esterifikacije).
Zapaženo je da pomenuti efekti ne zavise od prirode supstituenata, što upućuje na zaključak da se radi o sternom efektu.
3. Građenje acil-halogenida Ide teže nego kod alifatičnih kiselina, pa se
umesto PCl3 koristi PCl5 Acil-halogenidi su nerastvorni u vodi i vrlo sporo
reaguju s njom
4. Dekarboksilacija
Pri topljenju soli aromatičnih karboksilnih kiselina sa nekom jakom bazom, dolazi do dekarboksilacije, pri čemu baza vezuje ugljen-dioksid u obliku karbonata i izdvaja se benzen
+ Na2CO3NaOH+
COONa
Ovoj reakciji podležu i soli alifatičnih kiselina, ali osim što CH3COONa daje metan, ostale soli daju niz drugih proizvoda, pa je ova reakcija u alifatičnoj seriji ostala bez praktične primene.