Оксокислоты

Лекция № 18-19

 

План:

1. Номенклатура. Изомерия 

2. α-Оксокислоты. Получение,  физические и химические свойства

3. β-Оксокислоты. Получение, физические  и химические свойства

4. γ- и δ-Оксокислоты. Получение,  физические и химические свойства

5. Сложные эфиры β-оксокислот.                                                    

6. Высшие альдегидо- и кетокислоты                                                            

7. Важнейшие представители

 

 

Альдегидо- и  кетокислоты – соединения, в состав молекул которых наряду с карбоксильной группой входит альдегидная или кетонная группа.

Функциональные группы оксокислот: карбоксильная (—COOH)  и  карбонильная  (—С=О). Как в случае других производных со смешанными функциями, различают α-, β-, γ- и другие оксокислоты (в зависимости от взаимного расположения карбонильной и карбоксильной групп). Свойства этих замещенных оксокислот достаточно резко отличаются друг от друга(таблица №1). В частности, β-оксокислот очень неустойчивы и часто существуют лишь в виде производных.

Окослоты обладают свойствами как карбоновых кислот, так и карбонильных соединений (альдегидов или кетонов). Кроме того, обнаруживают ряд специфических превращений, связанных с присутствием обеих функций и их взаимным влиянием.

Оксокислоты проявляют более сильные кислотные свойства по сравнению с незамещенными карбоновыми кислотами. Повышение кислотных свойств связано с довольно сильным электроно – акцепторным действием карбонильной группы (-I), которое приводит к усилению мезомерного эффекта карбоксильной группы и увеличению поляризации связи О − H. Индуктивный характер влияния подтверждается достаточно резким падением кислотных свойств по мере удаления карбонильной группы от карбоксильной вследствие затухания индуктивного эффекта.

                                                              - I_co

 

 

 

1. Номенклатура

Для наименования альдегидо− и кетокислот часто используют тривиальные названия, например:

         

 

По систематической номенклатуре название оксокислоты составляют из приставки оксо− с указанием номера углеродного атома, с которым связан кислород карбонильной группы (углерод карбоксильной группы обозначается первым номером), и систематического названия соответствующей карбоновой кислоты:

 

 

 

 

α-Оксокислоты

 

1. Получение:

α-Оксокислоты (альдегидо- и кетокислоты) получают тремя основными методами: гидролизом  α,α-дигалогенкарбоновых кислот, окислением α-гидрокси-кислот, реакцией ацилгалогенидов с цианидами с последующим гидролизом  α-оксонитрилов:

 

 

 

α-Оксокислоты получают используя нитрильный синтез:

 

 

2. Физические и химические  свойства:

α-Оксокислоты –бесцветные вещества, растворимые в воде.

Простейшие α-Оксокислоты – глиоксиловая (единственная α-альдегидокислота) и пировиноградная (α-кетокислота). α-Оксокислоты встречаются в природе главным образом в растительном мире. Некоторые из них участвуют в обмене веществ.

α-Оксокислоты проявляют  два ряда свойств. По карбоксильной  группе они образуют соли при взаимодействии с основаниями, а также вступают в реакции нуклеофильного замещения  гидроксильной группы, превращаясь в сложные эфиры, амиды и другие производные карбоновых кислот. По карбонильной группе  α-оксокислоты участвуют в реакциях нуклеофильного присоединения с циановодородом, гидросульфитом натрия и т.п., а также вступают в реакции замещения карбонильного кислорода с азотистыми основаниями (гидроксиламином, гидразином и др.), подвергаются окислению.

α−Оксокислоты являются более сильными кислотами по сравнению с  α-ги-дроксикислотами. При нагревании они способны декарбоксилироваться легче, чем незамещенные кислоты:

При нагревании α−кетокислоты с  разбавленной серной кислотой в автоклаве  также происходит деркарбоксилирование, сопровождающееся образованием альдегида:

                  

 Глиоксиловая кислота дает  реакцию «серебряного зеркала»:

            Под действием окислителей она может превращаться в углекислый газ и воду, очевидно, вследствие окисления образующейся на промежуточной стадии щавелевой кислоты. Из-за отсутствия  α−водородных атомов глиоксиловая кислота не способна к альдольной конденсации и при обработке щелочью или нагревании с водой претерпевает реакцию Канниццаро:

α−Кетокислоты напоминают по своим свойствам щавелевую  кислоту, что 

 

неудивительно, учитывая соседство двух сильных электроноакцепторов.

Например, пировиноградная кислота легко окисляется даже таким мягким окислителем, как оксид серебра, при этом реакция сопровождается образованием уксусной кислоты и диоксида углерода:

 

3. β-Оксокислоты

 

1. Получение:

β-Оксокислоты могут быть получены гидролизом сложных эфиров β-ок-сокислот или карбоксилированием енолятов:

 

β-Оксокислоты и их соли нестабильны, легко декарбоксилируются. Поэтому обычно используют сложные  эфиры β-оксокислот.

В сложной эфирной конденсации  получают соли эфиров β-оксокислот, при  подкислении реакционной смеси выделяется сложный эфир β-оксокислоты в виде таутомерной смеси енольной и дикарбонильной форм:

 

 

Конденсация смеси сложных эфиров муравьиной кислоты и других кислот дает эфиры β-альдегидокислот:

При конденсации сложных эфиров дикарбоновых кислот получают эфиры циклоалканонкарбоновых кислот (конденсация Дикмана):

                                       

 

 

 

 

 

2. Физические и химические  свойства:

β-Кетокислоты (β-оксокислоты) и их соли – бесцветные, термические нестабильные соединения. Кислоты декарбоксилируются быстрее их солей.       

Предполагают, что декарбоксилированию  способствует образование внутримолекулярной водородной связи:

 

 

 

 

4. γ- и δ-Оксокислоты

1. Получение:

γ- и δ-Оксокислоты могут быть получены окислением соответствующих гидроксикислот. Большинство из них получают специфическими реакциями.

2. Физические и химические  свойства:

γ- и δ-Оксокислоты обладают всеми свойствами карбоновых кислот и карбонильных соединений. Одновременно возможны также реакции внутримолекулярной циклизации за счет присоединения карбоксильной группы к карбонильной:

 

Такие  кольчато-цепные изомеры превращения в некоторой  степени аналогичны внутримолекулярным реакциям γ- и δ-гидроксикарбонильных соединений и углеродов.

 

5. Сложные эфиры  β-оксокислот

1. Получение:

Представителем сложных эфиров β-оксокислот является ацетоуксусный  эфир. Его получают реакцией конденсации Кляйзена: нагревание этилацетата в присутствии алкоголята. Реакция обратима, поэтому для смещения равновесия используют избыток алкоголята или отгоняют образующийся в реакции спирт.

           

 

Механизм этого превращения  аналогичен альдольной конденсации, в  которой основание (алкоголят –  ион), отщепляя от молекулы этилацетата  α-водородный атом, превращает ее в  нуклеофил, атакующий другую молекулу этилацетата и вытесняющий из эфира остаток спирта.

2. Физические и химические  свойства:

Сложные эфиры β-оксокислот – бесцветные ароматные жидкости.

  Ацетоуксусный эфир существует  в двух формах – кетонной и енольной:

     

 Такое сосуществование двух изомерных форм, находящихся в равновесии и способных самопроизвольно переходить друг в друга, называют равновесно-динамической изомерией или таутомерией (от греч. tauto – тот же самый и meros- часть). Переходящие при этом друг в друга формы называют таутомерными. Кето-енольная таутомерия относится к прототропной таутомерии, так как она сопровождается переносом протона.

 

 

  За счет влияния  двух карбонильных групп, между  которыми находится метиленовая  группа, водород этой группы становится  подвижным (pK_a= 10,68):

 

 В обычных условиях (при комнатной температуре) ацетоуксусный  эфир содержит 92,3% кетонной и 7,7% енольн6ой форм. Поэтому ацетоуксусный  эфир дает реакции как кетонной, так и енольной форм, т.е. проявляет  двойственную природу.

  Реакции кетонной формы:

Взаимные переходы кетонной и енольной форм происходят достаточно быстро. Поэтому трудно оценить степень  участия той или иной формы  в реакции с данным реагентом. Например, образование циангидрина  взаимодействием с цианид-ионом (:CN) можно представить как обычное нуклеофильное присоединение по карбонильной группе и как продукт нуклеофильного присоединения по енольной форме ацетоуксусного эфира:

 

 

Реакции енольной формы:

 

 

Несмотря на малое  содержание енольной формы в равновесном  ацетоуксусном эфире, при проведении реакций, характерных для этой формы, постоянно будут образовываться все новые количества ее за счет  перехода из кетонной формы. Стабилизация енольной формы облегчается при возникновении водородной связи между кислородном карбонильной группы и водородом гидроксила енольной  группировки и π,π-сопряжения:

Енольная форма ацетоуксусного эфира делает качественную реакцию  с FeCl₃. В этом случае происходит образование окрашенной в красный цвет комплексной соли.

Взаимный переход таутомерных форм ацетоуксусного эфира может ускоряться при действии на него кислот или щелочей. Подобрав соответствующие условия, можно выделить две таутомерные формы  отдельно. Например, при охлаждении эфирного раствора ацетоуксусного эфира до -78⁰С выделяется  твердая кетонная форма. Если же обработать натрийацетоуксусный эфир в диэтиловом эфире газоообразным хлороводородом при -78⁰С, то можно получить масло, содержащее в основном енольную форму. При повышении температуры эти формы снова превращаются в равновесную смесь с обычным содержанием таутомеров.

Синтез  с ацетоуксусным эфиром.

Ацетоуксусный эфир широко применяют в органическом синтезе. С его помощью можно синтезировать  кетоны, модифицировать эфир с образованием различных производных. Целый ряд  дополнительных возможностей для синтеза обеспечивают еноляты ацетоуксусного эфира, которые способны подвергаться алкилированию и ацилированию с образованием разнообразных замещенных ацетоуксусного эфира. Но в отличии от натриймалонового эфира реакции могут протекать по атому гидроксильного кислорода, так и по соседнему углеродному атому. Как показывают исследования, механизм этих реакций бимолекулярный (S_N2), где в качестве нуклеофила выступает енолят-ион.

 

Направление замещения определяется несколькими факторами. Наиболее важным является природа реагента R-X. Чем более мягкой кислотой будет уходящая группа «X», тем легче будет идти реакция по мягкому реакционному центру – атому углерода. Это и происходит при алкилировании енолята-аниона  алкил-иодидами и -бромидами.

Возможности применения ацетоуксусного эфира в синтезах разнообразных  продуктов расширяются благодаря  его способности подвергаться расщеплению  в двух направлениях. При нагревании с разбавленными растворами щелочей или кислот происходит распад образующейся после гидролиза ацетоуксусной кислоты с образованием кетонов (кетонное расщепление), обработка концентрированными растворами щелочей приводит к образованию из ацетоуксусного эфира двух молекул уксусной кислоты (кислотное расщепление):

 

Механизм кислотного расщепления  состоит в нуклеофильной атаке  гидроксил-ионом карбонильного углерода, несущего частичный положительный  заряд. После присоединения гидроксила неустойчивый продукт распадается:

Пример синтеза с использованием ацетоуксусного эфира:

 

Замещенный ацетоуксусный  эфир (метилацетоуксусный эфир, енольная форма) можно подобной обработке, получив  диалкилзамещенное производное, последующее  расщепление которого приводит к  образованию другого кетона или  другой кислоты.

 

 

6. Высшие альдегидокислоты  и кетокислоты

Для получения кислот с карбонильными группами в γ-, δ-, ε- и т.д. положении относительно карбоксила известны многочисленные методы синтеза как в алифатическом, так и в ароматическом ряду. Важным представителем класса является левулиновая кислота - γ-кетокислота, получающаяся из гексоз, легче всего из фруктозы (левулозы), при обработке сильными минеральными кислотами.

Общие способы получения: