Karboksüülhapped ja nende derivaadid (1)

11. Karboksüülhapped ja nende derivaadid . Nukleofiilne liitumine-elimineerimine atsüülrühma süsiniku juures
Karboksüülrühm on enimesinev funktsionaalrühm keemias ja biokeemias.
Karboksüülhappe derivaatideks on happehalogeniidid, happe anhüdriidid, estrid , nitriilid, amiidid . Karboksüülhapped on polaarsed ühendid, nende molekulid võivad moodustada tugevaid vesiniksidemeid teineteisega ja veega. Seega on karboksüülhapetel tavaliselt kõrge keemistemperatuur ja väiksema molekulmassiga karboksüülhapped lahustuvad vees.
Karboksüülhapete happelisus Enamikel asendamata karboksüülhapetel on Ka väärtused 10-4 ­ 10-5 (pKa = 4-5). Vee pKa ligikaudu 16 ja H2CO3 ligikaudu 7. Karboksüülhapped reageerivad kergesti naatriumhüdroksiidi ja naatriumvesinikkarbonaadi vesilahustega, moodustades lahustuvaid naatriumsoolasid.
O O H2O - + COH + NaOH CO Na + H 2O
Bensoehape Tugevam alus Nõrgem hape Naatriumbensoaat (vees lahustumatu ) (vees lahustuv) tugevam hape nõrgem alus
Elektronaktseptoorset asendusrühma sisaldavad karboksüülhapped on tugevamad happed kui asendamata karboksüülhapped. Happelisus väheneb reas vasakult paremale.
Cl Cl H H Cl C COOH Cl C COOH Cl C COOH H C COOH
Cl H H H pKa 0,70 1,48 2,86 4,76 Elektronaktseptoorse rühma mõju väheneb kui see rühm asub kaugemal karboksüülrühmast.
Karboksüülhapete valmistamine
1. Alkeenide oksüdatsioonil
- 1) KMnO 4 , OH RCH CHR' RCOOH + R'COOH kuumut . 2) H3O+
2 Aldehüüdide ja primaarsete alkoholide oksüdeerimisel
+ - 1) Ag O või Ag(NH3 )2 OH 2 R CHO + RCOOH 2) H 3O
- 1) KMnO 4 , OH RCH 2OH kuumut. RCOOH 2) H3O+
3 Alküülbenseenide oksüdatsioonil
- 1) KMnO4,OH CH Kuumut. COOH 3 + 2) H3O
4. Grignardi reagentidega reaktsioonil
+ CO2 H3O R X + Mg RMgX RCOOMgX RCOOH Et2O
Seda karboksüülhapete sünteesi rakendatakse primaarsete, sekundaarsete , tertsiaarsete, alüül-, bensüül- ja arüülhalogeniidide puhul, eeldusel, et neis puuduvad teised Grignardi reagentidega reageerivad rühmad. Nukleofiilne liitumine-elimineerimine atsüül-süsiniku juures
Eespool aldehüüdide ja ketoonide puhul vaadeldi nukleofiilse liitumise reaktsiooni karbonüülsele süsinikule. Karboksüülrühma puhul järgneb liitumisele elimineerimine. Sellise mehhanismiga kulgeb palju reaktsioone.
H R Nu+ Nu .. - Nu .. - C .. : + :Nu H O C .. : O C .. : O C .. : + HL O L R R R atsüülühend L HL uus atsüülühend + Nukleofiilne liitumine Elimineerumine
Esimese etapina toimub nukleofiilne liitumine karbonüülsele süsinikule. Esimese etapi toimumist hõlbustab suhteline steeriline avatus (tasapinnaline süsinik) ja karbonüülrühma hapniku võime võtta enda peale kaksiksidemelt elektronpaar. Esimese etapi järel moodustub tetraeediline vaheühend, süsinik on seotud kahe elektronegatiivse rühmaga, toimub lahkuva rühma elimineerumine. Regenereerub süsinik-hapnik kaksikside, moodustub asendusprodukt. Atsüülühendite sellised reaktsioonid toimuvad, kuna nendes on head või suhteliselt head lahkuvad rühmad. Näiteks atsüülkloriidide reaktsioonil eraldub kloriidioon , mis on väga nõrk alus ja seega väga hea lahkuv rühm.
Atsüülühendite suhteline reaktsioonivõime
O O O O R C > R C > R C > R C Cl O OR' NH 2 R C Atsüül- O Happe Ester Amiid kloriid anhüdriid
Kõige parema reaktsioonivõimega on atsüülkloriid ja kõige nõrgema reaktsioonivõimega amiid. Derivaatide reaktsioonivõimet võib selgitada, võttes aluseks lahkuvate rühmade aluselisuse. Atsüükloriidide puhul on lahkuvaks rühmaks kloriidioon, happe anhüdriidide puhul ­ karboksüülhape või karboksülaatioon, estrite puhul ­ alkohol , amiidide puhul ­ amiin ( ammoniaak ). Kõik need on alused ja nendest alustest on kloriidioon kõige nõrgem alus ja seega atsüülkloriid kõige parem reagent. Amiinid on nendest kõige tugevamad alused ja amiidid kõige väiksema reaktsioonivõimega ühendid.
Happederivaatide süntees
Karboksüülhappe derivaate saab sünteesida nukleofiilse liitumise-elimineerimise reaktsioonidega üksteisest. Vähem reaktsioonivõimelisi atsüülühendeid saab sünteesida suurema reaktsioonivõimega ühenditest, vastupidine on sageli raskendatud ja vajab eritingimusi.
Atsüülkloriidid Atsüülkloriidide süntees
Kuna atsüülkloriidid on kõige reaktsioonivõimelisemad derivaadid, kasutatakse nende valmistamiseks spetsiaalseid reagente: PCl5, PCl3, SOCl2.
O O RCOH + SOCl2 R C Cl + SO2 + HCl tionüül- kloriid
O O 3 RCOH + PCl3 3 RCCl + H3 PO3 fosfor - trikloriid
Need reaktsioonid sisaldavad nukleofiilset liitumist -elimineerimist reaktsioonivõimelisel vaheühendil. Vaheühendites on parem lahkuv rühm kui atsüülkloriidides. .. .. :O: :O: :Cl : :Cl .. .. .. - C .. H + .. S O .. .. S O C + .. : R O .. :Cl .. R O :Cl .. : H .. .. - .. :O: :Cl : :O: .. O: .. .. + .. : Cl .. .. : Cl C ..+ S R C O S C .. + :O S R O .. : O O .. : R .. : Cl .. : O :Cl .. : H H H .. - :Cl Protoneeritud .. : atsüülklorosulfit HCl + SO2
Atsüülkloriidide reaktsioonid
Kuna atsüülkloriidid on kõige reaktsioonivõimelisemad atsüülderivaadid, toimuvad nendega kergesti reaktsioonid. Sageli kasutatakse esmalt happe muutmist atsüülkloriidiks ja seejärel soovitud derivaadiks.
O O O - R'CO Na+ RC O CR' anhüdriid (-Na+Cl -) O R'OH, alus RC OR' ester (-HCl) O SOCl2 O O või NH3 RC OH PCl5 RC Cl RC NH2 amiid või (-NH+4 Cl - ) PCl3 O R'NH2 N-asendatud RC NHR' (-R'NH3+Cl -) amiid O R'R''NH RC NR'R'' N,N-diasendatud (-R'R''NH2+ Cl - ) amiid
Karboksüülhappe anhüdriidide süntees
Karboksüülhapete reageerimisel atsüülkloriididega püridiini juuresolekul saadakse karboksüülhappe anhüdriide. O O O O - C + C + C C + Cl + R OH R' Cl N R O R' N H Ka karboksüülhapete Na-soolade reageerimisel atsüülkloriididega saadakse anhüdriide. Tsüklilisi anhüdriide (suktsiinanhüdriid) valmistatakse mõnikord lihtsalt vastava dikarboksüülhappe kuumutamisel (moodustub viielüliline tsükkel).
Karboksüülhappe anhüdriidide reaktsioonid
O O R'OH RC OR' + RCOH Ester O O NH3 - + O O RC NH2 + RCO NH4 Amiid RC O CR O O R'NH2 - + RC NHR' + RCO R'NH3 N-asendatud amiid O O R'R''NH RC NR'R'' + - + RCO R'R'' NH2 N,N-diasendatud amiid Kõrvalproduktid
Karboksüülhappe anhüdriididega toimub ka hüdrolüüs.
Estrid Estrite süntees Karboksüülhapete reageerimisel alkoholidega moodustuvad kondensatsiooni reaktsioonil estrid s.o esterifikatsioon . Reaktsiooni üldskeem: O O HA C + R' OH C + H2O R OH R OR' Esterifikatsioonireaktsioonid on happe-katalüütilised. Happe puudumisel kulgevad need väga aeglaselt. Reaktsioonid on tasakaalulised ja reaktsiooni saab estri tekke suunas nihutada ühe lähteaine liias kasutamisel või vee eemaldamisel reaktsioonisegust.
..+ .. H .. .. O H O: + H O .. H O: H +CH 3 OH .. H .. C H + C C -CH .. OH 6 5 C O.. C H3 CH :O .. H C H :O.. H 3 :O 6 5 6 5 .. H Karboksüülhape seob Alkohol atakeerib Prooton lahkub ühelt prootoni tugevalt happelt protoneeritud karbonüül- rühma, moodustamaks hapniku aatomilt ja tetraeedrilist vaheühendit seotakse teisele
.. .. .. H O: H O: H O+ + :O: .. + H3O CH C O .. C H3 H C C .. 6 5 - H3O+ :O+ H CH .. C H3 :O C 6 H5 O .. C H3 6 5 H Molekul kaotab vee Prooton seotakse saadakse protoneeritud alusele, saadakse ester ester
Sama reaktsioon ümberpööratuna on happe-katalüütiline estri hüdrolüüs.
O O + H3O C + H2O C + R' OH R OR' R OH
Saadus oleneb reaktsioonitingimuste valikust. Kui soovitakse esterifitseerida hapet, kasutatakse alkoholi liiga ja võimalusel ka vee eraldamist. Kui soovitakse estrit hüdrolüüsida, kasutatakse suurt vee ülehulka st estri kuumutamist HCl või H2SO4 lahjas vesilahuses. Kõige parem meetod estrite sünteesiks on atsüülkloriididest ja happe anhüdriididest, reaktsioon kulgeb suhteliselt kiiresti ja ei ole oluline kasutada happelist katalüüsi. Sageli kasutatakse atsüülkloriidide puhul reaktsioonisegus püridiini tekkiva vesinikkloriidi sidumiseks. Aluse-katalüütiline estri hüdrolüüs: seebistamine
Kuumutades estrit naatriumhüdroksiidi vesilahuses saadakse alkohol ja happe naatriumisool. Karboksülaatioon ei ole reaktsioonivõimeline nukleofiilse asenduse suhtes, kuna ta on negatiivselt laetud. Reaktsioon ei ole pöörduv.
.. - O - O: O H C R C O H R O R O R Hüdroksiidioon atakeerib Moodustub tetra - karbonüülset süsinikku eedriline vaheühend
: O: : O:
C - .. C - R O H + O R' R O: + HO R' Prootoni ülekandmise järel moodustuvad produktid
Amiidid Amiide saab valmistada lähtudes happe kloriididest, anhüdriididest, estritest, karboksüülhapetest ja karboksüülhappe sooladest. Nendes meetodites toimub amiini nukleofiilne liitumine-elimineerimine atsüülrühma karbonüülse süsiniku juures. Kõige paremini toimuvad reaktsioonid happekloriididega. - O O O O H H C R C Cl C C + - + - R Cl + R N H Cl R N H + NH 4 Cl NH3 H N H H H NH3 Amiid
- O O O O H H C R C Cl C C + - + - R Cl + R N R' Cl R N R' + R' NH Cl NH R' H N R' 3 2 H N-asendatud H NH2 R' amiid Atsüükloriidide ja amiinide vaheline reaktsioon kulgeb tavaliselt toatemperatuuril (või madalamal), amiid tekib hea saagisega. Analoogsed reaktsioonid kulgevad happe anhüdriidide ja ammooniaagi, primaarsete ja sekundaarsete amiinide vahel, moodustades amiide. Estrite reaktsioon ammoniaagiga (aminolüüs) või primaarsete ja sekundaarsete amiinidega kulgeb aeglasemalt, kuid on siiski sünteesis kasutatav. Näiteks: O o O 0-5 C ClCH C + NH ClCH C + C2 H5 OH 2 3 2 OC 2 H 5 NH 2 Etüülkloroatsetaat Kloroatseetamiid (62-87%)
Karboksüülhapped reageerivad ammoniaagi vesilahusega moodustades ammooniumsooli, millede dehüdraatimisel saab amiide.
O O O
C + NH3 C - + C + H O 2 R OH R O NH 4 R NH 2 Ammoonium - karboksülaat
Üldiselt on see halb meetod amiidide valmistamiseks. Parem on hape muuta atsüülkloriidiks ja seda töödelda ammoniaagiga.
Amiidide hüdrolüüs
Amiidide hüdrolüüs toimub, kui neid kuumutada happe või aluse vesilahuses. Hüdrolüüsuvad ka N- ja N,N-asendatud amiidid. Siiski on hüdrolüüs aeglasem kui näiteks estrite puhul. + O H O H O H + OH 2 + R C + H O H R C R C OH 2 NH 2 NH 2 NH Amiid seob prootoni Vee molekul atakeerib 2 happe vesilahusest protoneeritud karbonüül- Hapnik loovutab rühma, moodustamaks prootoni lämmastikule tetraeedrilist vaheühendit
+ O H H O O + R C OH R C + NH3 R C + NH4 O H OH NH 3 + Ammoniaagi molekuli Prootoni üleminekul lahkumisel moodustub ammoniaagile saadakse protoneeritud hape karboksüülhape
Amiidi happelise hüdrolüüsi puhul on lahkuvaks rühmaks ammoniaak (või amiin). Amiidide aluselise hüdrolüüsi puhul käitub hüdroksiidioon nii nukleofiili kui ka alusena . - - O O - O - OH - R C + O H R C O H R C O NH 2 NH NH H OH Hüdroksiidioon atakeerib 2 2 amiidi atsüül-süsinikku Hüdroksiidioon eemaldab prootoni Dianioon kaotab ammoniaagi moodustub dianioon Sünkroonselt prootoni ülekanne veest
O - R C - + NH 3 + OH O
Nitriilid Nitriile saab amiidide dehüdraatimisel. Amiidide reageerimisel P4O10 või keeva atseetanhüdriidiga moodustuvad nitriilid.
O P4 O või (CH 3 CO) O 10 2 R C R C N + H 3 PO või CH 3 COOH kuumut. 4 NH 2 (-H 2 O) Kuigi nitriilid ei sisalda karbonüülrühma loetakse ka neid karboksüülhappe derivaatideks, kuna nende hüdrolüüsil moodustub samuti karboksüülhape või karboksülaatanioon. + H O , H O, kuumut. 3 2 RCOOH
R C N - OH,, H2 O, kuumut. - RCOO
Karboksüülhapete dekarboksüleerimine
Reaktsioone kus karboksüülhappest eemaldatakse CO2 nimetatakse dekarboksüleerimiseks. Kuigi dekarboksüleerimine peaks olema eksotermiline protsess on praktikas seda reaktsiooni raske läbi viia, kuna reaktsioon on väga aeglane. Sünteesis kasutatakse nende ühendite puhul, kus spetsiaalsete rühmade sisaldumine ühendis muudab reaktsiooni kiiremaks. Näiteks -ketohapped dekarboksüleeruvad kergesti kuumutamisel 100-150 oC. O o O 100-150 C RCCH COOH RCCH 3 + CO 2 2
Sellise dekarboksüleerimise puhul on kaks kergendavat põhjust. 1. Kui karboksülaatanioon dekarboksüleerub, moodustub resonants - stabiliseeritud enolaatanioon. 2. Kui hape dekarboksüleerub, võib see toimuda üle kuuelülilise tsüklilise vaheoleku, reaktsioonil tekib enool vahetult ilma anioonse vaheolekuta. Enool tautomeriseerib metüülketooni.