Kwasy Karboksylowe i Nitryle Według McMurry s Organic Chemistry, 6 th edition
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
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
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
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
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
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)
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
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
Efekt Podstawnika Elektroujemny zwiększa kwasowośd Elektrododatni zmniejsza kwasowośd 10
Przykłady Fluor, chlor, brom, i jod wprowadzone do kwasu octowego zwiększają kwasowośd Wpływy podstawników dodają się 11
Efekt w podstawionych kwasach benzoesowych 12
Efekt podstawników w Pierścieniu Aromatycznym Wartości pka można użyd jako miary swobodnej energii w reakcjach z danym podstawnikiem 13
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
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
Mechanizm Karboksylacji Związku Grignard a 16
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
Redukcja Z LiAlH 4 dają pierwszorzędowe alkohole Reakcja przebiega trudno (często wymaga gotowania w THF) 18
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
Nitryle I nitryle i kwasy mają atom węgla z trzema wiązaniami prowadzącymi do atomu elektroujemnego i zawierają wiązanie Jedne i drugie są elektrofilami 20
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
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
Hydroliza: Konwersja Nitryli w Kwasy Karboksylowe 23
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
Redukcja: Konwersja Nitryli w Aminy Redukcja nitrylu za pomocą LiAlH 4 prowadzi do pierszorzędowej aminy 25
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
Pochodne Kwasów Karboksylowych Reakcje Nukleofilowej Substytucji Acylowej Według McMurry s Organic Chemistry, 6 th edition
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
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)
Ogólny Schemat Reakcji Nukleofilowa substytucja acylowa 30
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
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
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
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
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
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
Substytucja w Syntezie Łatwo można przekształcid bardziej reaktywną pochodną acylową w mniej rektywną Reakcje w odwrotnym kierunku są możliwe, ale wymagają operacji pośrednich 37
Reakcje Pochodnych Karboksylowych woda kwas karboksylowy alkohole estry amoniak lub amina amid źródło wodorku aldehyd lub alkohol odcz. Grignard a keton lub alkohol 38
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
Chlorki Kwasowe Otrzymywane z kwasów karboksylowych w reakcji z SOCl 2 Reakcja kwasu karboksylowego z PBr 3 daje bromek kwasowy 40
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
Hydroliza Chlorki kwasowe z wodą dają kwasy karboksylowe Podczas hydrolizy powstaje HCl : by go usunąd dodaje się zasady 42
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
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
Bezwodniki Kwasowe Otrzymywane w reakcji substytucji nukleofilowej karboksylanu z chlorkiem kwasowym 45
Reakcje Bezwodników Reaktywnośd podobna do chlorków kwasowych 46
Acetylowanie Bezwodnik octowy tworzy estry octanowe z alkoholi i N-podstawione acetamidy z amin 47
Estry Wiele estrów to ciecze o przyjemnym zapachu: aromaty owoców i kwiatów Występują też w tłuszczach i olejach roślinnych 48
Otrzymywanie Estrów Estry otrzymuje się zwykle z kwasów karboksylowych Tylko halogenki pierwszorzędowe Tylko proste alkohole Metoda uniwersalna 49
Estryfkacja Fischer a Ogrzewanie kwasu karboksylowego w alkoholu z małą ilością silnego kwasu powoduje powstanie estru z kwasu i alkoholu 50
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
Estryfikacja Fischer a : Dokładny Mechanizm 1 3 2 4 52
Reakcje Estrów Mniej reaktywne wobec nukleofili niż chlorki i bezwodniki Cykliczne estry zwane są laktonami i reagują podobnie do estrów acyklicznych 53
Hydroliza: Konwersja Estrów do Kwasów Karboksylowych Ester jest hydrolizowany przez wodny roztwór zasady lub kwasu dając kwas karboksylowy plus alkohol 54
Mechanizm Hydrolizy Estrów Kataliza hydroksylowa przez pośredni produkt addycji 1 3 2 4 55
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
Hydroliza Estru Katalizowana Kwasem Jest to odwrócenie estryfikacji Fischer a 57
Aminoliza Estrów Amoniak reaguje z estrami dając amidy 58
Redukcja: Konwersja Estrów do Alkoholi Reakcja z LiAlH 4 daje pierwszorzędowe alkohole 59
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
Reakcja Estrów z Odczynnikami Grignard a Reakcja z 2 równoważnikami odczynnika Grignard a daje trzeciorzędowy alkohol 61
Amidy Powstają w reakcji chlorku kwasowego z amoniakiem, monopodstawionymi lub dipodstawionymi aminami 62
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
Zasadowa Hydroliza Amidów Addycja hydroksylu i utrata jonu amidkowego 64
Redukcja: Konwersja Amidów do Amin LiAlH 4 redukuje amidy do amin, nie do alkoholi Przekształca C=O CH 2 65
Zastosowania Redukcji Amidów Można stosowad do amidów cyklicznych i acyklicznych Dobra droga otrzymywania cyklicznych amin 66
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
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)
Mechanizm Reakcji z Chlorkiem Tionylu Schemat nukleofilowej substytucji acylowej Kwas karboksylowy przeprowadzany jest w chlorosiarczyn, który reaguje z jonem chlorkowym 69
Reakcja Chlorków Kwasowych z Związkami Organometalicznymi Związki Grignard a reagują z chlorkami kwasowymi dając trzeciorzędowe alkohole, w których są dwa identyczne podstawniki 70
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
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
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
Poliestry Poliester powstały z tereftanu dimetylu i glikolu etylenowego nosi nazwy Dacron lub Mylar i służy do wytwarzania włókien 74
75
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
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
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
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 180 79
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
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
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 185 13 C N signal 115 to 130 82
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 12.0 83