03 - (2004) (1125802), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Так, например, масляная кислота в условиях радикального хлорирования атомарным хлором образует смесь всех трех возможных изомерных продуктов, среди которых доля а-хлормасляной кислоты не превышает 5%. С12 + СНзсНрсН2СООН вЂ” — С1СН,СНрсН,СООН + 1в или 300'С (31%) + СНзсНС1СНзсООН + СНзсНгсНОСООН + НС( . (64%) (5%) Эту смесь очень сложно разделить на компоненты. Для других гомологов число изомерных продуктов еще более возрастает, поэтому радикальное галогенирование карбоновых кислот не имеет практического значения.
Региоселективное сс-галогенирование карбоновых кислот достигается в методе Гелль — Фольгард — Зелинского, предложенного в конце Х1Х века. Для введения хлора и брома в а-положение к карбоксильной группе карбоновую кислоту обрабатывают хлором или бромом в присутствии каталитических количеств красного фосфора: К НзСООН + Вгр КСНСООН + НВг . ! Вг В реакции Гелль-Фольгард-Зелинского, в реакции замещения принимает участие не сама карбоновая кислота, а ее галогенангидрид, образующийся из карбоновой кислоты и трехбромистого или треххлористого фосфора. В отличие от самой карбоновой кислоты галогенангидрид способен к енолизации катализируемой кислотой. Образование енола из галогенангидрида является движущей силой всего процесса. Этот механизм объясняет и региоселективное а-галогенирование кислот: 2Р + ЗВгз — 2РВгз' Ф~О КСНзСООН + РВг~ КСН2С + НЗ РОЗ Вг КСН~С + Н КСН С КСН=С + Н уО а~ ~~ Н ОН и В Вг ЮВ- г+ КСН=С В КСН-С-' В + НВг; Вг О О ~о КСНС~ + КСН~СООН КСН-С + КСНзС~~ Естественно, что вместо фосфора можно применять каталитические количества РС1з или РВгз.' 187 Н РОЗ С1 С ~СООН ' 70 С ~СООН (94%) СНЗСН~СН2СН2СН1СООН .
СН1снзсн2СН2СНСООН + НВг РВгз' Вг1 70'С (ВЗ вЂ” 89%) Вг Применение для а-галогенирования галогенангидридов кислот Х-хлор и Х-бромсукцинимида позволяет осуществить этот процесс в очень мягких условиях, последующий гидролиз или алкоголиз приводят к а-галогензамещенным кислотам или сложным эфирам. а-Иодзамещенные кислоты или сложные эфиры нельзя получать прямым иодированием; их получают реакцией нуклеофильного замещения а-бромпроизводных под действием иодида натрия или тетраалкиламмония в ацетоне или ДМФА. 18.3ль РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ У АЦИЛЬНОГО АТОМА УГЛЕРОДА. ОБЩИЙ МЕХАНИЗМ ЗАМЕЩЕНИЯ О Ес+ Хи в. С..
Х О опцепл ение л ВС+ Г ! Ха О П присоединение И:+ НХи Х 0 оплеплеиие и на ° нк; Хи Е = Р, С), Вг, !, ОЕ, ХНЬ ХНЕ, ХЕ1 и лр. 1ВВ Для реакций нуклеофильного замещения у зрз-гибридного ацильного атома углерода реализуется двухстадийный механизм присоединения — отщепления. В первой стадии нуклеофильный агент присоединяется к производному карбоновой кислоты с образованием заряженного (для анионного нуклеофильного агента) илн бетаина (для нейтрального нуклеофильного агента) тетраэдрического интермедиата.
Во второй стадии от этого интермедиата отщепляется в виде аниона или нейтральной молекулы уходящая группа Х и образуется конечный продукт замещения: В общем случае реакция обратима, однако если Хэ и 1ч~Р сильно различаются по своей основности и нуклеофильности, она становится необратимой. Движущей силой отщепления уходяшей группы Е является образование я-связи между кислородом и карбоннльным атомом углерода из анионного тетраэдрического интермедиата.
В принципе, на скорость реакции могут влиять обе стадии, однако, как правило, первая, медленная стадия присоединения нуклеофильного агента определяет скорость всего процесса. И стерические, и электронные факторы важны при количественной и качественной оценке реакционной способности производных карбоновых кислот. Стерические затруднения для атаки нуклеофильного реагента по карбонильному атому углерода понижают реакционную способность в ряду: О О О О КьСС-д < К2СН-С-у < КСНрС-1~< СНЗС )( Электронные факторы определяют уменьшение реакционной способности в ряду: КС=О > КСдО ,О > КСдО > КСдО -С1 -ОС 1, Такое изменение реакционной способности становится понятным при рассмотрении энергетических диаграмм.
Поскольку скорость реакции зависит от разности энергии начального и переходного состояний Ьб~, любой фактор, способствующий росту энергии активации Лб", понижает скорость реакции. Рассмотрим, например, амиды, сложные эфиры и хлорангидриды, учтя тот факт, что способность неподеленной пары гетероатома к сопряжению с С=О-группой уменьшается в ряду: Х > О > С1. Амиды ~~О КС вЂ” ЙНз наименее реакционноспособны среди других производных вследствие наилучшей стабилизации исходного состояния КС1~-ХН, за счет сопряжения.
Это приводит к высокой свободной энергии активации Ьб," и, следовательно, к низкой реакционной способности. Сложные эфиры менее стабилизиро- Р» ваны сопряжением КС-~ОК по сравнению с амидами и имеют поэтому более высокий уровень энергии основного состояния. 1вэ Это отражается на меньшем, чем для амидов, значении величины Лбз~.
Наиболее низкой оказывается величина энергии активации ЛСз" для ацилгалогенидов. Отмеченное различие наглядно проиллюстрировано на рис.18.1, где представлены энергетические диаграммы для амидов сложных эфиров и ацилгалогенидов. Из приведенной выше последовательности реакционной способности следует важный вывод о том, что менее стабильные производные карбоновых кислот — ангидриды и галогенангидриды — легко могут быть превращены в одну стадию в более стабильные производные — амзщы и сложные эфиры, но не наоборот. Из этих же энергетических диаграмм также следует, что сложные эфиры могут быть превращены в одну стадию в амиды, но обратное прямое одностадийное превращение амидов в сложные эфиры, ангидриды или галогенангидриды сильно эндотермично.
Очевидно, что на Земле должны существовать амиды и сложные эфиры, но вряд ли есть ангидриды или галогенангидриды одноосновных или многоосновных карбоновых кислот. Это действительно так: в полипептидах и белках отдельные аминокислоты связаны между собой амидной связью, а жиры являются классическими представителями сложных эфиров. 190 Рис.18.1. Энергетические диаграммы лля реакций нуклеофильного замещения в амидах (А), сложных эфирах (В) и ацилгалогенидах (В) Ь 6~" > оСз~ > ЬСз~ 18.4.
ПРОИЗВОДНЫЕ КАРВОНОВЫХ КИСЛОТ 18.4.1. СТРОЕНИЕ Функциональными производными карбоновых кислот обычно называют такие классы соединений, которые при гидролизе дают сами карбоновые кислоты. К ним относятся: сложные эфиры, тиоэфиры, амиды, гидраз!щы, азиды, анпщрнпы карбоновых кислот, имидохлориды, амидины и нитрилы. Простейший сложный эфир метилформиат имеет геометрию, сходную с конфигурацией самой муравьиной кислоты: О=С-О 1,334 СН О=С-Н 1,101 Следует отметить, что гу-связь С,— О короче, чем о-связь С,,— О, что обусловлено частичной двоесвязанностью С„а-О-связи за счет перекрывания неподеленной пары электронов кислорода и пустой разрыхляющей орбитали карбонильной группы.
Степень этой двоесвязанности возрастает в амидах, где сг-связь углерода и азота гораздо короче, чем С-Х-связь в аминах. Ниже приведены длины связей и валентные углы плоского формамида. Обе связи Х-Н в формамиде различны по длине, что указывает на неэквивалентность двух атомов водорода.
Среди других производных карбоновьгх кислот амиды характеризуются заторможенным внутренним вращением вокруг амидной связи Х вЂ” СО, которое проявляется в неэквивалентности двух алкильных групп диалкиламиногруппы ХК, в ПМР-спектрах Х,Х-диалкиламидов карбоновых кислот. Барьер вращения вокруг связи Х вЂ” СО в Х,Х-диметилацетамиде и Х,Х-диметиламидах других кислот 191 О !1 Н (а) Н Х~ Н(б) даава сааза, А С О 1,193 С-Х 1,376 С-Н 1,102 Х вЂ” Н (а) 1,0!4 Х вЂ” Н (6) 1,002 Валеагвма угол, грааус Н-С=О 124,95 О-С=О 125,87 Н-С-О 109,18 СНг — О-С 114,78 Валппвый угол, градус Н-С=О 123,00 Н-С-Х 113,23 Х-С вЂ” О 123,80 С вЂ” Х вЂ” Н (а) 1!7,15 С вЂ” Х-Н (б) !20,62 Н вЂ” Х вЂ” Н 118,88 составляет 17,2-18 ккал/моль (72-75 кДж/моль). Заторможенность вращения вокруг амидной связи обусловлена взаимодействием лн-орбитали атома азота с вакантной К разрыхляющей орби- талью карбонильной группы.
Это взаимодействие определяет значительную двоесвязанность азота с карбонильным атомом углерода в амидах, что является главной причиной высокой термодинамической стабильности амидов и их природных аналогов — пептидов и белков. Для простейшего ацилхлорида — формилхлорнда — нет данных по длинам связей и величинам валентных углов, так как это соединение нестабильно даже при — 60'С. Ниже приведены данф ные, имеющиеся для ацетилхлорида СНуС вЂ” С1: Длила ааааа, А С=О 1,192 С вЂ” С 1,499 С-С1 1,789 С вЂ” Н 1,083 Валсатима угол, градус С вЂ” С О 127,08 О 0 НС С1 С-С-С1 112,86 О=С вЂ” С1 120,26 Заметим, что длина связи С-С1 в ацетилхлориде (1,789 А) лишь незначительно короче связи С-С1 в метилхлориде (1,784 А).
Это означает, что степень двоесвязанности углерода и хлора в ацетилхлориде очень мала и, следовательно, двоесвязанность умень- О О О шается в Ряду: С > С-Оо> С-С(, т.е. в Ряду ХК2 >ОК> С1. 1~% Простейший нитрил СНуСХ имеет строение, напоминающее строение пронина: 109,5' Н.-- --С С Х 1,095Аl 1,462А 1,157А Н 192 Атом углерода нитрильной группы Смй находится в лр-гибридном состоянии. Он образует С З-С, и С,рЗ-Хр о-связи. Две остальные р-орбитали атома углерода йерекрываются с соответствующими р-орбиталями атома азота с образованием двух я-связей с цилиндрической осью симметрии как в ацети- лене.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
