Kwasy Karboksylowe i Nitryle. Według McMurry s Organic Chemistry, 6 th edition

Transkrypt

1 Kwasy Karboksylowe i Nitryle Według McMurry s Organic Chemistry, 6 th edition

2 Znaczenie Kwasów Karboksylowych (RCO 2 H) Materiał wyjściowy dla pochodnych acylowych (estrów, amidów, chlorków kwasowych) Powszechnie występujące w naturze jako produkt utlenienia aldehydów i alkoholi w trakcie przemian metabolicznych Kwas octowy, CH 3 CO 2 H, Kwas masłowy, CH 3 CH 2 CH 2 CO 2 H (zjełczałe masło) Długołaocuchowe kwasy tłuszczowe z rozpadu tłuszczy 2

3 Nazewnictwo Kwasów Karboksylowych i Nitryli Kwasy karboksylowe, RCO 2 H Nazywając od łaocuchowych węglowodorów do kwas dodajemy nazwę alkanu z koocówką -owy Karboksylowy atom węgla to C1 Kwas propanowy Kwas 4-metylopentanowy Kwas 3-etylo-6-metylooktanowy 3

4 Nazwy równoważne Związki z grupą CO 2 H połączoną z pierścieniem nazywamy Kwas -karboksylowy Atom węgla CO 2 H nie jest numerowany Używa się nazw zwyczajowych jak kwas mrówkowy (HCOOH) i octowy (CH 3 COOH) Kwas 3-bromocykloheksanokarboksylowy Kwas 1-cyklopentenokarboksylowy 4

5 Nitryle, RC N Ściśle spokrewnione z kwasami karboksylowymi nazywamy przez dodanie przyrostka -nitryl do nazwy kwas nadając nitrylowemu atomowi węgla nr C1 Złożone nitryle nazywamy jako pochodne kwasów karboksylowych. Zamiast kwas.-karboksylowy dodajemy -karbonitryl 5

6 Struktura i Właściwości Fizyczne Atom karboksylowy zhybrydyzowany sp 2 : grupy karboksylowe są płaskie z kątami wiązao C C=O i O=C O około 120 Kwasy karboksylowe tworzą wiązania wodorowe, istnieją w formie cyklicznych dimerów Silne wiązania wodorowe powodują znacznie wyższe temperatury wrzenia niż u odpowiednich alkoholi 6

7 Struktury Kwasów Karboksylowych Wiązanie podwójne to dwa wiązania: Osiowe nakładanie się zhybrydyzowanych orbitali C oraz O sp 2 wiązanie Boczne nakładanie się niezhybrydyzowanych p orbitali C oraz O wiązanie Dodatkowe wiązania powstają w wyniku osiowego nakładania się zhybrydyzowanych orbitali C sp 2 z orbitalami sąsiedniego atomu węgla i podstawnika (Y)

8 Dysocjacja Kwasów Karboksylowych Są donorami protonów wobec silnych i słabych zasad, tworząc sole metali, karboksylany, RCO 2 + M Kwasy o ponad 6 atomach węgla są tylko słabo rozpuszczalne w wodzie, ale ich sprzężone zasady są w wodzie rozpuszczalne 8

9 Kwasowośd w Porównaniu z Alkoholami Kwasy są lepszymi donorami protonów niż alkohole (pk a etanolu ~16, wobec ~5 dla kwasu octowego) W jonie alkoksylowym ładunek ujemny jest zlokalizowany na atomie tlenu, a w jonie karboksylanowym ten ładunek jest zdelokalizowany na dwa równoważne atomy tlenu stabilizacja rezonansowa 9

10 Efekt Podstawnika Elektroujemny zwiększa kwasowośd Elektrododatni zmniejsza kwasowośd 10

11 Przykłady Fluor, chlor, brom, i jod wprowadzone do kwasu octowego zwiększają kwasowośd Wpływy podstawników dodają się 11

12 Efekt w podstawionych kwasach benzoesowych 12

13 Efekt podstawników w Pierścieniu Aromatycznym Wartości pka można użyd jako miary swobodnej energii w reakcjach z danym podstawnikiem 13

14 Synteza Kwasów Karboksylowych Utlenianie alkilobenzenu za pomocą KMnO 4 lub Na 2 Cr 2 O 7 daje odpowiedni kwas benzoesowy Utleniają się grupy alkilowe 1 i 2 ale nie trzeciorzędowe 14

15 R H C CR 2 R CH 2 OH R R KMnO 4, OH - H H C C O 3, H 2 O 2 OH OH KMnO 4, OH - R C O CH 3 NaOH/Br 2 CO 2, H + (Ar)R C O OH Ag 2 O, NH 3 R H C O R MgX R C N H 2 O, OH - KMnO 4, OH - CCl 3 H 2 O, H + CH 2 R 15

16 Mechanizm Karboksylacji Związku Grignard a 16

17 Reakcje Kwasów Karboksylowych Dają aniony, które są dobrymi nukleofilami w S N 2 Ulegają addycji do grupy karbonylowej Ponadto ulegają reakcjom, którym nie ulegają ani ketony ani alkohole 17

18 Redukcja Z LiAlH 4 dają pierwszorzędowe alkohole Reakcja przebiega trudno (często wymaga gotowania w THF) 18

19 Redukcja Boranem Boran w tetrahydrofuranie (BH 3 /THF) selektywnie przeprowadza kwasy karboksylowe w pierwszorzędowe alkohole Korzystniejsza niż LiAlH 4 łatwośd, specyficznośd i bezpieczeostwo Boran reaguje szybciej z COOH niż z NO 2 19

20 Nitryle I nitryle i kwasy mają atom węgla z trzema wiązaniami prowadzącymi do atomu elektroujemnego i zawierają wiązanie Jedne i drugie są elektrofilami 20

21 Nitryle Przez Odwodnienie Pierwszorzędowe amidy RCONH 2 z SOCl 2 lub POCl 3 (też z innymi odczynnikami odwadniającymi) Nie ma ograniczeo sterycznych lub reakcji ubocznych (jak w reakcji halogenków alkilowych z NaCN) 21

22 Reakcje Nitryli RC N silnie spolaryzowane, a atom węgla jest elektrofilem Ulega atakowi nukleofili dając aniony imin o hybrydyzacji sp 2 - Nu R C N Nu R C N - Dalsze reakcje - R C N R C O R C O R C O R H 2 C NH 2 OH R' NH 2 22

23 Hydroliza: Konwersja Nitryli w Kwasy Karboksylowe 23

24 Mechanizm Hydrolizy Nitryli Nukleofilowa addycja hydroksylu do wiązania C N Protonowanie daje hydroksyiminę, która tautomeryzuje do amidu Drugi jon hydroksylowy przyłącza się do karbonylowej grupy amidu, a utrata protonu daje dianion Po wyrzuceniu NH 2 powstaje karboksylan 24

25 Redukcja: Konwersja Nitryli w Aminy Redukcja nitrylu za pomocą LiAlH 4 prowadzi do pierszorzędowej aminy 25

26 Reakcja Nitryli ze Związkami Metaloorganicznymi Związki Grignard a przyłączają się z utworzeniem pośredniego anionu iminy, który hydrolizuje przez addycję wody i przechodzi w keton 26

27 Pochodne Kwasów Karboksylowych Reakcje Nukleofilowej Substytucji Acylowej Według McMurry s Organic Chemistry, 6 th edition

28 Pochodne Kwasów Karboksylowych Grupa acylowa związana z Y, (atomem elektroujemnym lub dobrą grupą opuszczającą) Zawiera: Y = halogen (halogenki kwasowe), acyloksyl (bezwodniki), alkoksyl (estry), grupę aminową (amidy), tiolan (tioestry), fosforan (fosforany acylowe) 28

29 Grupa Karbonylowa. Związki karbonylowe II rodzaju zawierają grupę acylową związaną z grupą funkcyjną lub atomem, który nie może być łatwo podstawiony (jest słabą grupę odchodzącą) Aldehydy i ketony (H oraz R nie są dobrymi grupami odchodzącymi są mocnymi zasadami)

30 Ogólny Schemat Reakcji Nukleofilowa substytucja acylowa 30

31 Nazewnictwo Halogenki Kwasowe, RCOX Do nazwy kwasu karboksylowego lub podstawnika acylowego dodajemy chlorek, bromek itd. Można też po nazwaniu halogenku użyd nazwy kwasu, dodając karbonylu Chlorek acetylu Bromek benzoilu Chlorek cykloheksanokarbonylu (z kwasu cykloheksylokarboksylowego) 31

32 Nazewnictwo, RCO 2 COR' W symetrycznych bezwodnikach kwas zastępujemy przez bezwodnik Gdy utworzone z podstawionych kwasów: wstaw bisprzed nazwą kwasu Bezwodniki niesymetryczne Wymieo oba kwasy alfabetycznie Bezwodnik octowy; bezwodnik benzoesowy; bezwodnik bursztynowy; bezwodnik benzoesowo-octowy; Bezwodnik bis(chlorooctowy) 32

33 Nazwy Amidów, RCONH 2 Niepodstawiona grupa NH 2 :zastąp kwas -owy przez - amid, lub zastąp kwas.-karboksylowy koocówką karboksyamid Gdy N jest wyżej podstawiony, nazwij podstawniki (poprzedzając je N ) a następnie nazwij amid Acetamid Heksanoamid Cyklopentanokarboksyamid N-Metylopropanoamid N,N-dietylocykloheksanokarboksyamid 33

34 Nazwy Estrów, RCO 2 R Nazwij kwas, zastępując kwas -owy przez an, a następnie nazwij R zgodnie z nazewnictwem alkanów Octan etylu (ester etylowy kw. octowego) Malonian dimetylu (ester dimetylowy kw. malonowego) Cykloheksanokarboksylan tert-butylu (ester t-butylowy kw. cykloheksylokarboksylowego) 34

35 Nukleofilowa Substytucja Acylowa W pochodnych kwasów karboksylowych acylowy atom węgla jest związany z grupą Y która może się odłączyd Powstaje pośrednia struktura tetraedryczna i grupa opuszczająca jest odrzucana, tworząc nowy związek karbonylowy produkt substytucji 35

36 Względna Reaktywnośd Pochodnych Kwasów Karboksylowych Nukleofile chętniej reagują z niezasłoniętymi grupami karbonylowymi Bardziej elektrofilowe grupy karbonylowe łatwiej ulegają addycji (najłatwiej halogenki acylowe, najtrudniej amidy) Najszybciej rozpada się związek pośredni z najlepszą grupą odchodzącą 36

37 Substytucja w Syntezie Łatwo można przekształcid bardziej reaktywną pochodną acylową w mniej rektywną Reakcje w odwrotnym kierunku są możliwe, ale wymagają operacji pośrednich 37

38 Reakcje Pochodnych Karboksylowych woda kwas karboksylowy alkohole estry amoniak lub amina amid źródło wodorku aldehyd lub alkohol odcz. Grignard a keton lub alkohol 38

39 Reakcje Nukleofilowej Substytucji Acylowej Kwasów Karboksylowych Należy zwiększyd reaktywnośd Zmienid OH w lepszą grupę odchodzącą Odpowiednie odczynniki mogą tworzyd chlorki kwasowe, bezwodniki, estry, amidy 39

40 Chlorki Kwasowe Otrzymywane z kwasów karboksylowych w reakcji z SOCl 2 Reakcja kwasu karboksylowego z PBr 3 daje bromek kwasowy 40

41 Reakcje Halogenków Kwasowych Jest to nukleofilowa substytucja acylowa Halogen zostaje podstawiony przez OH, OR, lub NH 2 Redukcja daje pierwszorzędowy alkohol Grignard daje trzeciorzędowy alkohol 41

42 Hydroliza Chlorki kwasowe z wodą dają kwasy karboksylowe Podczas hydrolizy powstaje HCl : by go usunąd dodaje się zasady 42

43 Konwersja Halogenków w Estry Estry powstają w reakcji chlorków kwasowych z alkoholami w obecności pirydyny lub NaOH Reakcja zachodzi lepiej gdy nie ma zawady przestrzennej 43

44 Aminoliza: Konwersja do Amidów Amidy powstają w reakcji chlorków kwasowych z NH 3, pierwszorzędowymi (RNH 2 ) i drugorzędowymi aminami (R 2 NH) Reakcja z trzeciorzędowymi aminami (R 3 N) prowadzi do nietrwałych połączeo, których nie da się wyizolowad HCl jest neutralizowany przez nadmiar aminy lub dodaną zasadę 44

45 Bezwodniki Kwasowe Otrzymywane w reakcji substytucji nukleofilowej karboksylanu z chlorkiem kwasowym 45

46 Reakcje Bezwodników Reaktywnośd podobna do chlorków kwasowych 46

47 Acetylowanie Bezwodnik octowy tworzy estry octanowe z alkoholi i N-podstawione acetamidy z amin 47

48 Estry Wiele estrów to ciecze o przyjemnym zapachu: aromaty owoców i kwiatów Występują też w tłuszczach i olejach roślinnych 48

49 Otrzymywanie Estrów Estry otrzymuje się zwykle z kwasów karboksylowych Tylko halogenki pierwszorzędowe Tylko proste alkohole Metoda uniwersalna 49

50 Estryfkacja Fischer a Ogrzewanie kwasu karboksylowego w alkoholu z małą ilością silnego kwasu powoduje powstanie estru z kwasu i alkoholu 50

51 Mechanizm Esteryfikacji Fischer a Jest to katalizowana kwasem nukleofilowa substytucja acylowa Gdy z kwasem benzoesowym reaguje metanol znakowany izotopem 18 O, powstały benzoesan metylu zawiera znacznik 18 O, ale powstała woda go nie zawiera 51

52 Estryfikacja Fischer a : Dokładny Mechanizm

53 Reakcje Estrów Mniej reaktywne wobec nukleofili niż chlorki i bezwodniki Cykliczne estry zwane są laktonami i reagują podobnie do estrów acyklicznych 53

54 Hydroliza: Konwersja Estrów do Kwasów Karboksylowych Ester jest hydrolizowany przez wodny roztwór zasady lub kwasu dając kwas karboksylowy plus alkohol 54

55 Mechanizm Hydrolizy Estrów Kataliza hydroksylowa przez pośredni produkt addycji

56 Dowód - Znakowanie Izotopowe 18 O w eterowym atomie tlenu w estrze pojawia się wyłącznie w produkcie etanolowym Znacznik nie pozostaje w kwasie propanowym, co wskazuje, że hydroliza zachodzi przez rozpad wiązania C OR nie zaś wiązania CO R 56

57 Hydroliza Estru Katalizowana Kwasem Jest to odwrócenie estryfikacji Fischer a 57

58 Aminoliza Estrów Amoniak reaguje z estrami dając amidy 58

59 Redukcja: Konwersja Estrów do Alkoholi Reakcja z LiAlH 4 daje pierwszorzędowe alkohole 59

60 Częściowa Redukcja do Aldehydów Należy użyd jeden równoważnik wodorku diizobutyloglinowego (DIBAH = ((CH 3 ) 2 CHCH 2 ) 2 AlH)) zamiast LiAlH 4 Niska temperatura zapobiega dalszej redukcji do alkoholu 60

61 Reakcja Estrów z Odczynnikami Grignard a Reakcja z 2 równoważnikami odczynnika Grignard a daje trzeciorzędowy alkohol 61

62 Amidy Powstają w reakcji chlorku kwasowego z amoniakiem, monopodstawionymi lub dipodstawionymi aminami 62

63 Reakcje Amidów Ogrzewanie w wodnym roztworze kwasu lub zasady daje kwas karboksylowy i aminę Hydroliza kwasowa biegnie przez nukleofilową addycję wody do protonowanego amidu, po czym następuje utrata amoniaku 63

64 Zasadowa Hydroliza Amidów Addycja hydroksylu i utrata jonu amidkowego 64

65 Redukcja: Konwersja Amidów do Amin LiAlH 4 redukuje amidy do amin, nie do alkoholi Przekształca C=O CH 2 65

66 Zastosowania Redukcji Amidów Można stosowad do amidów cyklicznych i acyklicznych Dobra droga otrzymywania cyklicznych amin 66

67 Struktury Rezonansowe Estry, kwasy karboksylowe i amidy mają dwie główne struktury rezonansowe Struktura przedstawiona po prawej stronie ma większy udział w przypadku amidów niż estrów - dlaczego? 67

68 Reaktywność Zw. Karbonylowych Teoria stanu przejściowego Jeżeli k 2 << k -1 - Y jest silniejszą zasadą od Z i faworyzowany jest reaktant (a) Jeżeli k 2 >> k -1 - Y jest słabszą zasadą od Z i faworyzowany jest produkt (b) Jeżeli k 2 k -1 - Y i Z mają podobną zasadowość- mieszanina produktu oraz reaktanta (c)

69 Mechanizm Reakcji z Chlorkiem Tionylu Schemat nukleofilowej substytucji acylowej Kwas karboksylowy przeprowadzany jest w chlorosiarczyn, który reaguje z jonem chlorkowym 69

70 Reakcja Chlorków Kwasowych z Związkami Organometalicznymi Związki Grignard a reagują z chlorkami kwasowymi dając trzeciorzędowe alkohole, w których są dwa identyczne podstawniki 70

71 Tworzenie Ketonów z Chlorków Kwasowych Reakcja chlorku z diorganomiedzianem litu (odczynnik Gilman a), Li + R 2 Cu Addycja daje pośredni związek acylowodiorganomiedziowy, po czym następuje utrata R Cu i utworzenie ketonu 71

72 Poliamidy i Poliestry: Polimery Kondensacyjne Polimeryzacja jest uporządkowanym szeregiem reakcji, nie jak w przypadku reakcji łańcuchowych Reakcja diaminy i chlorku kwasu dikarboksylowego zapoczątkowuje cykl, którego produktem jest poliamid Reakcja diolu z kwasem dikarboksylowym prowadzi do poliestru 72

73 Poliamidy (Nylony) Ogrzewanie diaminy z kwasem dikarboksylowym daje poliamid o komercyjnej nazwie Nylon Nylon 66 powstaje z kwasu adypinowego i heksametyleno-diaminy w temp. 280 C 73

74 Poliestry Poliester powstały z tereftanu dimetylu i glikolu etylenowego nosi nazwy Dacron lub Mylar i służy do wytwarzania włókien 74

75 75

76 Tioestry i Fosforany Acylowe: Biologiczne Pochodne Kwasów Karboksylowych Nukkleofilowa substytucja karboksylowa w naturze biegnie często przez tioester lub fosforan acylu Mają one unikalną zdolnośd asocjacji i są łatwo aktywowane przez enzymy 76

77 21.10 Spectroscopy of Carboxylic Acid Derivatives Infrared Spectroscopy Acid chlorides absorb near 1800 cm 1 Acid anhydrides absorb at 1820 cm 1 and also at 1760 cm 1 Esters absorb at 1735 cm 1, higher than aldehydes or ketones Amides absorb near the low end of the carbonyl region 77

78 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Hydrogens on the carbon next to a C=O are near 2 in the 1 H NMR spectrum. All acid derivatives absorb in the same range so NMR does not distinguish them from each other 78

79 13 C NMR 13 C NMR is useful for determining the presence or absence of a carbonyl group in a molecule of unknown structure Carbonyl carbon atoms of the various acid derivatives absorb from 160 to

80 20.10 Spectroscopy of Carboxylic Acids and Nitriles. Infrared Spectroscopy O H bond of the carboxyl group gives a very broad absorption 2500 to 3300 cm 1 C=O bond absorbs sharply between 1710 and 1760 cm 1 Free carboxyl groups absorb at 1760 cm 1 Commonly encountered dimeric carboxyl groups absorb in a broad band centered around 1710 cm 1 80

81 IR of Nitriles Nitriles show an intense C N bond absorption near 2250 cm 1 for saturated compounds and 2230 cm 1 for aromatic and conjugated molecules This is highly diagnostic for nitriles 81

82 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Carboxyl 13 COOH signals are at 165 to 185 Aromatic and,b-unsaturated acids are near 165 and saturated aliphatic acids are near C N signal 115 to

83 Proton NMR The acidic CO 2 H proton is a singlet near 12 When D 2 O is added to the sample the CO 2 H proton is replaced by D causing the absorption to disappear from the NMR spectrum Note that the carboxyl proton absorption occurs at