Post on 28-Feb-2019
Pochodne kwasów karboksylowych
Krystyna Dzierzbicka
R C
O
X X = Cl, Br, Ihalogenki kwasowe
bezwodniki kwasowe R C
O
O C
O
R'
estry R C
O
OR'
amidy R C
O
NH2
sole R C
O
O
nitryle R C N
Nazwy grup acylowych
CH
O
metanoilformyl
CR
O
acyl
CH3C
O
etanoilacetyl
propanoilpropionyl
CH3CH2 C
O
butanoilbutyryl
CH3CH2CH2 C
O
C
O
benzoil
Reaktywność pochodnych kwasów karboksylowych w reakcjach SN
Im większy jest ujemny efekt indukcyjny (-I) i im mniejszy dodatni efekt mezomeryczny (+M) tym większy deficyt
elektronów na węglu karbonylowym i tym szybciej zachodzi atak odczynników nukleofilowych czyli reakcja SN(acyl).
R C
O
O- R C
O
X
X = Cl, Br, IR C
O
O C
O
R'R C
O
OR'R C
O
NH2
najbardziej reaktywnanajmniej reaktywna
Wzajemne przekształcanie pochodnych kwasów
karboksylowych – bardziej reaktywna pochodna może
być łatwo przekształcana w pochodną mniej reaktywną:
■ chlorki kwasowe w bezwodniki kwasowe, estry lub amidy
+
chlorekkwasowy
kwas karboksylowy
+ HClR C
O
O
bezwodnikkwasowy
C
O
R'
R'2NH
amoniak
lub amina
amid
B R'-OHB
ester
+ HCl
B
CNR'2
OR
CCl
OR C
OH
OR'
COR'
OR
chlorekheptanoilu
kwas heptanowy
CH3(CH2)5C
Cl
bezwodnik heptanowy
O
+ CH3(CH2)5C
OH
O
CH3(CH2)5C O
O
C(CH2)5CH3
pirydyna- HCl
O
■ bezwodniki kwasowe w estry lub amidy
bezwodnik octowy
+CH3C O
O
CCH3
O
HOCHCH2CH3
CH3
octan sec-butylowy
CH3C O
O
CHCH2CH3
alkohol sec-butylowy
H2SO4
CH3
- CH3COOH
bezwodnik octowy
+CH3C O
O
CCH3
O
H2N CH(CH3)2
CH3C
O
NH CH(CH3)2
p-izopropyloanilina
p-izopropyloacetanilid
R-C-O-C-R
O O
+ 2R'2NH R-C-NR'2
O
+ R-C-O NH2R'2
O
■ estry w estry wyższych alkoholi, tzw. reakcja transestryfikacji (alkoholiza estrów):
■ estry w amidy
+ 2R"2NH
O
+ R'-OH
-CCl3 -CH3 -CH2CH3 -CH3CHCH3 -C(CH3)3
R-C-NR"2
ester amina amid alkohol
R': alkil lub aryl - im silniej jest ona elektronoakceptorowa, tym reakcja biegnie szybciej
R": H; alkil lub aryl
malejący wpływ grupy R' na szybkość reakcji amonolizy (aminolizy)
O
R-C-OR'
+ R"-OHH+
lub OH-+ R'-OHC
O
OR''
CH2RC
O
OR'
CH2R
FCH2C OCH2CH3
O
+ NH3 FCH2C NH2
O
+ CH3CH2-OH
F
FF
F
F
NO2
NO2
NO2 CH3 OCH3
fluorooctan etylu fluoroacetamid
malejący wpływ aromatycznej grupy R' na szybkość reakcji amonolizy (aminolizy)
Estry zawierające resztę R’ ułatwiającą reakcję amonolizy (aminolizy) nazywają się estrami aktywnymi.
C
O
R O NO2
C
O
R O F
FF
FF
C
O
R O N
O
O
C
O
R ON
NN
Estry aktywne:
p-nitrofenylowe
N-hydroksysukcynoimidylowe
pentafluorofenylowe
N-hydroksybenzotriazylowe
C
O
H3C O NO2 C
O
H3C NH2
NO2
OH
C
O
H3C NH2
C
O
H3C OEt
octan p-nitrofenylowy
+ NH32 h
+
acetamidp-nitrofenol
octan etylu
+ NH3 (nadmiar)2 dni
+ EtOH
acetamid
etanol
■ amidy 1o w nitryle przy użyciu P2O5 lub SOCl2
KCNCH3CH2CH2 Cl
SN2CH3CH2CH2 C N
(CH3)2CH
1-chloropropan butyronitryl
C
O
NH2
P2O5
200 oC(CH3)2CH C N
2-metylopropanoamidizobutyronitryl
Reakcje pochodnych kwasów karboksylowych
a.hydroliza – chlorki i bezwodniki kwasowe bardzo łatwo hydrolizują do kwasów karboksylowych, ich hydroliza jest reakcją niepożądaną podczas przechowywania w warunkach niedostatecznego zabezpieczenia przed wilgocią z powietrza. Estry w środowisku kwaśnym hydrolizują do kwasu i odpowiedniego alkoholu (reakcja odwrotna do reakcji estryfikacji Fischera), a w środowisku zasadowym (reakcja zmydlania, nieodwracalna) hydrolizują dając mydła (np. sole sodowe lub potasowe). Amidy są najbardziej trwałymi pochodnymi, ich hydroliza (w środowisku zasadowym lub kwaśnym) wymaga bardziej drastycznych warunkach niż hydroliza estrów. Nitryle hydrolizują do kwasów karboksylowych zarówno w środowisku kwaśnym jak i zasadowym, dając w pośrednim etapie amidy, których na ogół się nie wyodrębnia.
R-CH2 C
O
X
H2OR-CH2 C
O
OH
+ HX
+ H2O
chlorek fenyloacetylu
CH2 C
O
Cl+CH2 C
O
OHHCl
kwas fenylooctowy
R + H2OC
O
O C
O
R' R C
O
OH + R' C
O
OH
bezwodnik kwasowy
kwasy karboksylowe
O
O
O
+ H2OC
C
O
O
OH
OH
kwas ftalowybezwodnik
ftalowy
R + H2OC
O
OR' R C
O
OH + R' OH
ester kwas karboksylowy
alkohol
R' = 1olub 2o grupa alkilowa
m-nitrobenzoesanmetylu
C
O
OCH3
+ CH3OH
O2N
1. H2O, NaOH
2. H
kwas m-nitrobenzoesowy
C
O
OH
O2N
H3C C
O
O
H3C C
O
OH +
(CH3)3C
octan t-butylu
kwas octowy
t-butanol
3o reszta alkilowa
H / HOHC
CH3
CH3
CH3
H3C C
O
O C
CH3
CH3
CH3
H
C
CH3
CH3H3C
- H
C
CH3
CH2H3C
izobuten
H2O
- H
OH
nitryl
-+
sp-I, -M
CH3 C N
acetonitryl(powszechnie stosowany rozpuszczalnik,
miesza się z wodą w każdym stosunku)
H C N
cyjanowodórnitryl kwasu mrówkowego
(gaz)
R C N
R C N
nitryl
H / HOHR COOH
kwas karboksylowy
2. H / HOH
1. OH / HOHR COOH
kwas karboksylowy
R C N
nitryl
HR C N H
O
HH
R C N H
OHH
- H
R C N H
OH
hydroksyimina
R C
amid
O
NH2
H / HOHR C
kwas karboksylowy
O
OH
b. redukcja – LiAlH4 - redukuje chlorki kwasowe, bezwodniki i estry do alkoholi 1o; amidy 1o i nitryle redukuje do amin 1o; amidy 2o - do amin 2o; amidy 3o - do amin 3o; Li(t-BuO)3AlH
(tri-tert-butyloksyhydroglinian litu) - redukuje chlorki kwasowe do aldehydów; DIBAH (wodorek diizobutyloglinowy) redukuje nitryle do aldehydów.
R CO
NH2
1. LiAlH4
2. H2O
SOCl2
- H2OR C N
nitryl
R Xhalogenek alkilu
NaCNSN2
amid
1. LiAlH4
2. H2O
R CH2NH2
amina 1o
R CH2NH2
amina 1o
1. LiAlH4
2. H2OCH3C NHC(CH3)3
O
N-tert-butyloacetamid
CH2H3C NHC(CH3)3
N-etylo-tert-butyloamina
1. LiAlH4
2. H2O
N,N-dimetylocykloheksylo-karboksyamid
C N(CH3)2
O
N,N-dimetylo(cykloheksylometylo)-amina
CH2 N(CH3)2
chlorek p-nitrobenzoilu
C
O
Cl
1. Li[OC(CH3)3]3AlHO2N
2. H / HOH
p-nitrobenzaldehyd
C
O
HO2N
3-metylo-4-(2-izopropenylo-cykloheksylo)butanonitryl
C 1. DIBAH, toluen, -78 oC
2. H / H2O
C
O
H
3-metylo-4-(2-izopropenylo-cykloheksylo)butanal
N
c. reakcje ze związkami metaloorganicznymi – halogenki i estry kwasu mrówkowego ze związkami lito- i magnezoorganicznymi dają alkohole 2o; pozostałe estry i chlorki kwasowe dają alkohole 3o, a nitryle prowadzą do otrzymywania ketonów. Chlorki kwasowe z odczynnikiem Gilmana (związkiem miedzioorganicznym) dają ketony.
C
O
OCH3
+
CH3CH2 C
OMgBr
+ CH3CH2-MgBrCH3CH2SN(acyl)
OCH3
CH2CH3
-
CH3CH2 C
O
CH2CH3
CH3CH2MgBr
+
CH3CH2 C
OMgBr
CH2CH3
CH2CH3
-
H3O+
CH3CH2 C
OH
CH2CH3
CH2CH3
3-etylopentan-3-ol
propionian metylubromek
etylomagnezowy
AN
CH3-CH2-C
O
Cl
chlorek propionylu
(CH3CH2)2CuLi
Et2O
CH3-CH2-C
O
CH2CH3
keton dietylowy
d. przegrupowanie Hofmanna – reakcja, w której pierwszorzędowe amidy pod wpływem bromu w środowisku zasadowym ulegają przekształceniu do amin 1o zawierających łańcuch o jeden atom węgla krótszy od wyjściowego amidu.
CR NH2
O
amid
Br2
4NaOH, H2OR NH2 + 2NaBr + Na2CO3 + 2H2O
amina 1o
Mechanizm
CR N
O
amid OH
H
H
OH
CR N
O
H
Br BrCR N
O
Br
H
CR N
O
Br
-Br
R N C O
izocyjanian
OHR N C O
OH
R N C O
OH
R N C O
OH
H2OR NH2 + 2NaBr + Na2CO3 + 2H2O
amina 1o-CO2
e. przegrupowanie Curtiusa – reakcja, w której chlorki kwasowe pod wpływem azydku sodu ulegają przekształceniu w izocyjaniany, a z nich po hydrolizie powstają aminy 1o zawierające łańcuch o jeden atom węgla krótszy od wyjściowego chlorku kwasowego.
CR Cl
O
chlorek kwasowy
NaN3
(-NaCl)CR N
O
N N(-N2)
R N C O
H2O
R NH2 + CO2
amina 1o
izocyjanianazydek
f. przegrupowanie Beckmanna – ketoksymy w obecności kwasów, bezwodników, PCl5 czy SOCl2 ulegają przegrupowaniu do monopodstawionych amidów. Przegrupowaniu ulega reszta organiczna znajdująca się w położeniu trans do grupy hydroksylowej oksymu. Jeżeli grupa migrująca R jest związana z karbonylowym atomem węgla poprzez atom chiralny, to podczas przegrupowania nie dochodzi do zmiany konfiguracji na centrum chiralnym.
C
N
R R'
OH
H
C
N
R R'
O
H
H
- H2O
C
N
R'
R
O
H H
C
N
R'
R
OH
H
- H
C
N
R'
R
OHC
N
R'
R
O
H
amid
CR'
O
NHR
oksym
O
cykloheksanon
NH2OH x HCl
NaOAc
N
oksymcykloheksanonu
OH
H / H2ONH
O
kaprolaktam
1. H / H2O 2. OH
NH2(CH2)5COOH
kwas 6-aminoheksanowy
g. reakcja Hella-Volharda-Zielińskiego –
α-halogenowanie kwasów karboksylowych:
X2, PR-CH C
O
OH
R-CH2 C
O
OH
Mechanizm
-halogenokwas
CH3-CH2 C
O
OH
P + Br2
( PBr3)C
OH
Br
CH3CH
bromek propionylu
kwas propionowy forma enolowa
Br Br
C
O
Br
CH3CH
Br
+ HBr- PrCOBr
kwas
-bromopropionowy
X
C
O
OH
CH3CH
Br
CH3-CH2 C
O
Br
kwas karboksylowy
PrCOOH
CH3CH2CH2CH2CBr2
P
kwas butanowy
kwas 2-bromobutanowy
(kwas -bromomasłowy)
O
OH
CH3CH2CH2CHCO
OHBr
CH2C
kwas fenylooctowy
Br2
PCl3, benzen, 80 oC
kwas
-bromofenylooctowy
O
OHCHC
O
OHBr
h. kondensacja Claisena – reakcji ulegają estry (zazwyczaj etylowe lub metylowe), które posiadają dwa atomy wodoru na węglu Cα
w obecności etanolanu lub metanolanu sodu jako zasady (żeby nie zachodziła reakcja transestryfikacji). Nie należy stosować wodnych roztworów wodorotlenków jako zasady, aby uniknąć hydrolizy estrów. Estry, które posiadają tylko jeden atom Hα dają niższe wydajności produktów reakcji, ponieważ reakcja jest zakończona po drugim etapie, kiedy stan równowagi jest jeszcze przesunięty w stronę substratów.
Poszczególne etapy kondensacji:- powstanie karboanionu z estru posiadającego co najmniej jeden atom H
- addycja karboanionu do grupy karbonylowej;- deprotonowanie β-oksoestru;- zakwaszenie mieszaniny reakcyjnej kwasem mineralnym i wyodrębnienie
wolnego β-oksoestru.
CH3CH2CH2 C
O
OCH2CH3
EtO-Na
+
CH3CH2CH C
O
OCH2CH3
CH3CH2CH2 C
O
OCH2CH3
+
CH3CH2CH C
O-
OCH2CH3
CH3CH2CH2 C CH C
O
OCH2CH3
O
+ CH3CH2OHH+
CH2CH3
2-etylo-3-oksoheksanian etylu
SN(acyl)
butanian etylu
i. krzyżowa kondensacja Claisena – jest to reakcja między dwoma różnymi estrami, z których jeden nie zawiera atomów Hα
CH3CH2CH2 C
O
OCH2CH3
EtO-Na
+
CH3CH2CH C
O
OCH2CH3
+
CH3CH2CH C
O-
OCH2CH3
C C CH C
O
OCH2CH3
O
+ CH3CH2OHH+
CH2CH3
2-etylo-3-oksobutanodian dietylu
SN(acyl)
CH3CH2O C
O
COCH2CH3
O
O
CH3CH2O
szczawian dietylubutanian etylu
j. wewnątrzcząsteczkowa kondensacja Claisena(kondensacja Dieckmanna) – reakcja zachodząca w cząsteczce zawierającej dwie grupy estrowe położone w takiej odległości aby po zamknięciu otrzymać najbardziej stabilne pierścienie pięcio- lub sześcioczłonowe:
O
O
OEtH
OEt
H
EtO-Na+
O
O
OEtH
OEt
-OO
OEtH
OEtOO
OEt
pimelinian dietylu
-EtO-
2-oksocykloheksanokarboksylan etylu
CH2 C
O
OCH2CH31. EtONa
2. H+
1,2-benzenodioctan dietylu
CH2 C
O
OCH2CH3
indan-2-on-1-karboksylan etylu
C
O
OCH2CH3
O
Przykłady
CH3CH2 C
O
OCH3
1. MeONa+
2. H+
propionian metylu
C
O
C
O
OCH3CH3O
szczawian dimetylu C
O
C
O
OCH3
CH3CH C
O
OCH3
2-metylo-3-oksobutanodian dimetylu
CH3CH2 C
O
OCH3
1. MeONa
2. H+
propionian metylu
CH3CH2 C
O
CHC
2-metylo-3-oksopentanian metylu
O
OCH3CH3
k. acylowanie ketonów – ketony są silniejszymi C-H kwasami niż estry dlatego właśnie one są źródłem karboanionu, a ester jest jego akceptorem:
CH3CH2 C
O
CH2CH3
EtO-Na+
+
C
O-
CH2CH3
C CH C
O
CH2CH3 + CH3CH2OHH+
CH3
2-metylo-3-oksopentanian etylu
-ketoester
SN(acyl)
CH3CH2O C
O
OCH2CH3
O
CH3CH2O
weglan dietylu
CH3CH C
O
CH2CH3
keton etylowo-etylowy
CH3CH
CH2CH2CH2 C
O
OCH2CH3
EtO-Na
+
+
+ CH3CH2OHH+
OH
H
O
H
CH3CH2CH2 C
O O
O-
H
diketon
cykloheksanon
keton 2-oksocykloheksylowo-propylowy
butanian etylu
acylowanie ketonów
COCH3
O
COCH3
O
+ CHC
O
H3CNaOCH3
EtOH
CCH2
O
COCH3
O
CHC
O
1,1-difenyloaceton1,2-benzenodikarboksylan
dimetylu
-diketon
1. NaOCH3
2. H+
O
O
CHC
O
difenadion
Wykorzystanie acetylooctanu etylu
w syntezie organicznej
● otrzymywanie ketonów alkilowo-metylowych
CH3 C
O
CH2 C
O
OCH2CH3
acetylooctan etylu
1. Na OEt
CH3CH2CH2 Br
1. H / H2O
CH3 C
O
CH C
O
OCH2CH3
CH3 C
O
CH C
O
OCH2CH3
CH2CH2CH3
CH3(CH2)3 Br
NaHCH3 C
O
C C
O
OCH2CH3
CH2CH2CH3
CH3 C
O
C CO
OCH2CH3
CH2CH2CH3
CH2(CH2)2CH3
2. , - CO2
CH3 C
O
CH
CH2CH2CH3
CH2(CH2)2CH3
3-propyloheptan-2-on
● otrzymywanie oksokwasów
CH3 C
O
CH2 C
O
OCH2CH3
acetylooctan etylu
2. H / H2O
CH3 C
O
CH C
O
OCH2CH3
CH3 C
O
CH C
O
OCH2CH3
CH2COOEt
1. NaOH aq.
, - CO2
kwas 4-oksopentanowy
Br CH2 COOEt
Na OEt
CH3 C
O
CH C
O
OH
CH2COOH
CH3 C
O
CH2 CH2COOH
● otrzymywanie diketonów
CH3 C
O
CH2 C
O
OCH2CH3
acetylooctan etylu
2. H / H2O
CH3 C
O
CH C
O
OCH2CH3
CH3 C
O
CH C
O
OCH2CH3
1. NaOH aq.
, - CO2
heksan-2,5-dion
Br CH2 C
Na OEt
CH3 C
O
CH C
O
OH
CH3 C
O
CH2
O
CH3
halogenoketon
CH2 C
O
CH3CH2 C
O
CH3
CH2 C
O
CH3
Wykorzystanie malonianu dietyluw syntezie organicznej
CCC
H H
O O
EtO OEt
malonian dietylu
CCC
H
O O
EtO OEt
jon enolanowy
CCC
H
O O
EtO OEtC
CC
H
O O
EtO OEt
pKa = 12.9
OEt
● otrzymywanie kwasów karboksylowych
CCC
H H
O O
EtO OEt
malonian dietylu
CCC
H
O O
EtO OEt
jon enolanowy
Na OEt
CH3CH2CH2 Br
CCC
H CH2CH2CH3
O O
EtO OEt1. H / H2O
2. , - CO2
CH3CH2CH2CH2 C
O
OH
kwas pentanowy
SN2
● otrzymywanie rozgałęzionych kwasów karboksylowych
CCC
H H
O O
EtO OEt
malonian dietylu
CCC
H
O O
EtO OEt
jon enolanowy
Na OEt
CH3CH2CH2 Br
CCC
H CH2CH2CH3
O O
EtO OEt
1. H / H2O
2. , - CO2
kwas 2-propylo-3-fenylopropanowy
1. NaH
2. PhCH2 ClCCC
H2C CH2CH2CH3
O O
EtO OEt
CH2CH COOH
CH2CH2CH3
SN2
● otrzymywanie cyklicznych kwasów karboksylowych
CCC
H H
O O
EtO OEt
malonian dietylu
CCC
H
O O
EtO OEt
jon enolanowy
CH2CH2CH2CH2 Br
CCC
H CH2CH2CH2CH2
O O
EtO OEt
1. H / H2O
2. , - CO2
NaH
BrSN2
Br
NaHC
C
O
OEt
O
OEt
C
H
O
OH
SN2
kwas cyklopentanokarboksylowy
Przykładowe pytania
1. Jakie produkty (wzór + nazwa) otrzymasz w reakcji chlorku acetylu z każdym z podanych niżej reagentów:
a. (CH3)2CuLi
b. CH3NH2 (nadmiar)
c. CH3COO-Na+
d. fenol i pirydyna
2. Wychodząc z pimelinianu dietylu otrzymać cykloheksanon.
3. Przedstaw mechanizm bezpośredniej estryfikacji Fischera otrzymywania propionianu etylu.
4. Wychodząc z malonianu dietylu otrzymać kwas cyklopentanokarboksylowy.
5. Uzupełnij następujące reakcje:
6. Przedstaw mechanizm podanej reakcji:
a. octan cykloheksylu1. NaOH, H2O
2. H+
b. cyklopentanol + chlorek benzoilu
c. propionian etylu + dimetyloamina
pirydyna
d. aldehyd benzoesowy + bezwodnik octowy1. CH3COO-Na+
2. H+,
2. H3O+
O O+ BrMgCH2CH2CH2CH2MgBr
THF
HO CH2CH2CH2OH
7. Mając do dyspozycji acetylooctan etylu otrzymać:a. petan-2-onb. kwas γ-ketowalerianowyc. heptano-2,6-dion
8. Wychodząc z toluenu otrzymać:a. chlorek benzoilub. benzoesan benzyluc. benzonitryld. benzamide. kwas fenylooctowyf. chlorek m-nitrobenzoilug. anilinęh. chlorek p-nitrobenzoilu
9 a. Podaj strukturę produktu kondensacji Claisena fenylooctanu etylu;
b. jaki produkt otrzymasz po saponifikacji i dekarboksylacji produktu z punktu a;
c. jaki produkt otrzymasz w reakcji kondensacji produktu z punktu a z bromkiem allilu, a następnie saponifikacji i dekarboksylacji;
d. jaki produkt otrzymasz w reakcji mieszanej kondensacji fenylooctanu etylu z benzoesanem etylu, a następnie saponifikacji i dekarboksylacji.
10. Jaki produkt (wzór + nazwa) powstanie w reakcji
g-butyrolaktonu z następującymi odczynnikami:a. amoniakiemb. etanolem, H+
c. tetrahydroglinianem litu
Dziękuję za uwagę