Тема 17. Кетокислоты. Альдегидо и кетокислоты

• Название: Альдегидо и кетокислоты
• Дата: 30.08.2018
• Размер: 255.72 Kb.
• Имя файла: Тема 17. Кетокислоты.docx
• Тип: Документы; #49506

АЛЬДЕГИДО- И КЕТОКИСЛОТЫ (оксокарбоновые к-ты, оксокислоты), соединения, содержащие карбоксильную и карбонильную (альдегидную или кетонную) группы. В соответствии с взаимным расположением этих групп в молекулеразличают и т.д. оксокарбоновые к-ты. Эти к-ты сильнее соответствующих алканкарбоновых, причем самые сильные--оксокислоты. Альдегидо- и кетокислоты вступают в р-ции, характерные для групп СООН и СО (см. Карбоновые кислоты. Альдегиды, Кетоны).

Единственный представитель альдегидокислот — глиоксалевая (глиоксиловая) к-та НС(О)СООН — гигроскопичная бесцв. вязкая жидкость. Получается окислением, напр. азотной к-той, этиленгликоля или гликолевой к-ты, а также восстановлением щавелевой к-ты на ртутном катоде. Альдегидная группа под влиянием соседней карбоксильной легко присоединяет нуклеоф. реагенты, в частности с Н₂О образуется прочный гидрат (НО)₂СНСООН (т. пл. 98°С; легко раств. в воде, трудно-в спирте и эфире, не раств. в углеводородах). Превращается в щавелевую и гли-колевую к-ты в результате диспропорционирования: 2НС(О)СООН -> НООССООН + НОСН₂СООН. Применяется в произ-ве душистых (в т.ч. ванилина) и лек. в-в, красителей, для расщепления оксимов и гидразонов кето-нов.

 Кетокислоты получают окислениемгидроксикислот. Важнейшая из них-пировинограднаякетопропионовая) СН₃СОСООН-бесцв. жидкость с резким запахом; т. пл. 13,6°С, т. кип. 165 ^СС (с разл.), 65°С/10 мм рт.ст.; d™ 1,27; раств. в воде, эфире, спирте. М.б. получена перегонкой винной к-ты над KHSO₄, из ацетилхлорида или 2,2-дихлорпропионовой к-ты. Легко отщепляет СО₂ или СО: 


Окисляется Н₂О₂ в уксусную к-ту. Является важнейшим промежут. продуктом, связывающим превращения углеводов, белков и липидов (см., напр., Трикарбоновых кислот цикл). Применяется в произ-ве лек. в-в, напр. цинхофена (атофана).

 Альдегидо- и кетокислоты неустойчивы и самопроизвольно декарбоксилируются. Специфич. метод синтезаоксокислот и их эфи-ров-конденсация сложных эфиров карбоновых к-т под действием Na или его алкоголятов(конденсация Гейтера-Клайзена): RCH₂COOC₂H₅ + RCH₂COOC₂H₅ -> RCH₂COCHRCOOC₂Hc. Ацетоуксуснаякето-масляная) к-та СН₃СОСН₂СООН - вязкая жидкость; т. кип. 100 °С (с разл.); смешивается во всех соотношениях с водой, раств. в спирте, эфире. При слабом нагревании водных р-ров, подобно формилуксусной к-те НС(О)СН₂СООН, легко декарбоксилируется с образованием ацетона. Значительно устойчивее ее соли и особенно эфиры, из к-рых наиб. значение имеет этиловый эфир, т.н. ацетоуксусный эфир.

Для иальдегидо- и кетокислот характерны кето-енольная (как для ацетоуксусного эфира) и кольчато-цепнаятаутомерия, напр.: 


 Кетокислота СН₂=гС (СН₃)СОС (ОСН₃)=СНСООН

(пеницилловая) в кристаллич. состоянии и в водном р-ре находится в форме гидроксилактона. Обладает св-вами антибиотиков. Простейший представитель кетокислот -левулиновая ацетилпропионо-вая) к-та СН₃СОСН₂СН₂СООН; т. пл. 37°С, т. кип. 246°С; d₄²⁰ 1,1335; п_D²⁰1,396; хорошо раств. в воде, спирте, эфире, ароматич. углеводородах; рК_а4,62 при 25°С. Получается при нагревании фруктового или тростникового сахара с конц. НС1. М. б. синтезирована взаимод. натрийацетоуксусного эфира с эфиром хлоруксусной к-ты с послед. кетонным расщеплением продукта конденсации: 


Левулиновая к-та не отщепляет самопроизвольно СО₂. Как и др.оксокислоты, при нагревании с водоотнимающими ср-вами превращается в изомерные непредельные лактоны (бутенолиды): 


Применяется в произ-ве лек. ср-в, в гальванотехнике при хромировании, как флюс для пайки.

Большое биол. значение имеюткетодикарбоновые к-ты. Мезоксалевая (кетомалоновая) к-та НООССОСООН существует только в виде гидрата (НО)₂С(СООН)₂ (т. пл. 121 °С, с разл.; раств. в воде, спирте, эфире). Получается при гидролизе ее уреида, т. наз. аллоксана (образуется в организме при сахарном диабете), окислении малоновой или мочевой к-т, гидролизе диброммалоновой к-ты. Легко разлагается в водном р-ре на глиоксалевую к-ту и СО₂; обладает сильными восстановит. св-вами.

Щавелевоуксусная к-та НООССОСН₂СООН является одновременно икетокислотой. Неустойчива. В чистом виде существует исключительно в виде смеси цис-и транс-енольных форм-гидроксималеиновой и гидрокси-фумаровой к-т. В р-рах устанавливается равновесие между стереоизомерными енолами и кето-формой. Играет важную роль в углеводном обмене в живых организмах.

Альдегидо- и кетокислоты

Альдегидо- и кетокислотами называются органические соединения, содержащие в молекуле карбоксильную и альдегидную или кетонную группы соответственно. В зависимости от взаимного расположения этих двух групп они разделяются на α, β, γ … - альдегидо- и кетокислоты.

Примером этих кислот могут служить:

	глиоксиловая, оксоэтановая
	пировиноградная, 2-оксопропановая
	ацетоуксусная, 3-оксобутановая
	левулиновая, 4-оксопентановая

Пировиноградная кислота своё название получила по способу получения пиролизом виноградной кислоты



Кипит при 165 °С. Как кислота она сильнее уксусной – сказывается влияние карбонильной группы.

Ацетоуксусная кислота, как и все β-кетокислоты, неустойчива и при слабом нагревании разлагается с выделением СО₂.



Из производных кетокислот наибольшее значение имеет этиловый эфир ацетоуксусной кислоты, называемый обычно ацетоуксусным эфиром



Это соединение является типичным примером соединений, способных к кето-енольной таутомерии.



Енольные формы соединений обычно бывают неустойчивыми. Однако в данном случае при образовании енольной формы она стабилизируется за счёт сопряжения и образования внутримолекулярной водородной связи



Благодаря этому обе формы могут быть выделены в свободном состоянии. Однако в «обыкновенном» ацетоуксусном эфире обе формы находятся в равновесии, причём енола содержится обычно меньше 10 %. Увеличение полярности растворителя повышает содержание кетонной формы.

Ацетоуксусный эфир

может реагировать и в кетонной и в енольной формах. Тип взаимодействия определяется средой и реагентом.

Для ацетоуксусного эфира, как и для других 1,3-дикарбонильных соединений характерна кето-енольная таутомерия:

 ,

Согласно правилу Эльтекова енольные формы карбонильных соединений неустойчивы. Однако в ряде случаев енольные формы могут быть достаточно стабильными. Например, енольный таутомер стабилизирован за счет образования сопряжённой системы ( (H):О—C(CH₃)=C(H) —C(:OC₂H₅)=O: ; см. 2-ю формулу енольной формы на рис., R — CH₃, R’ — C₂H₅) и внутримолекулярной водородной связи между протоном и соседним карбонильным кислородом. Положение равновесия и, соответственно, соотношение таутомеров зависит от растворителя и температуры. Так, в чистом ацетоуксусном эфире при комнатной температуре концентрация енольной формы составляет 7,5 % (кетонной — 92,5 %). Равновесие сдвигается в сторону енольной формы при уменьшении полярности растворителя, так, при 18 °C доля енольной формы в водном растворе составляет 0,4 %, в диэтиловом эфире — 27,1 %, в циклогексане — 46,4 %.

Кетонная форма ацетоуксусного эфира может быть выделена из равновесной смеси вымораживанием, енольная - вакуумной перегонкой в кварцевой посуде. Скорость установления кето-енольного равновесия зависит от температуры и материала сосуда, чистые таутомеры хранятся в кварцевой посуде при низких температурах (-80°C - охлаждение сухим льдом).

Содержание енольной формы определяется бромометрически: бром практически мгновенно присоединяется по двойной связи енола, что сопровождается исчезновением желто-оранжевой окраски молекулярного брома.

Реакциями енольной формы также обусловлено O-ацилирование ацетоуксусного эфира хлорангидридами карбоновых кислот в пиридине, при этом образуются сложные эфиры β-гидроксикротоновой кислоты:

CH₃(HO)C=CHCOOC₂H₅ + ROCl {\displaystyle \to } CH₃(ROO)C=CHCOOC₂H₅ + HCl

При взаимодействии с пентахлоридом фосфора гидроксил енольной формы ацетоуксусного эфира замещается на хлор с образованием этилового эфира β-хлоркротоновой кислоты:

CH₃(HO)C=CHCOOC₂H₅ + PCl₅ {\displaystyle \to } CH₃ClC=CHCOOC₂H₅ + POCl₃ + HCl

С металлами ацетоуксусный эфир образует хелаты, в которых ацетилацетат-анион выступает в роли бидентантного лиганда, так, с солями трехвалентного железа ацетоуксусный эфир образует окрашенный в пурпурный цвет комплекс:



Под действием сильных оснований и щелочных металлов ацетоуксусный эфир депротонируется с образованием резонансно стабилизированного аниона:



Образование натриевой соли ацетилацетата (натрийацетоуксусного эфира) под действием алкоголята натрия - в том числе и под действием этилата натрия, образующегося in situ при действии металлического натрия на ацетоуксусный эфир - широко используется в синтетической практике вследствие высокой нуклеофильности аниона.

Ацетилацетат натрия в реакциях с мягкими электрофилами выступает в роли C-нуклеофила. Так, он легко алкилируется галогеналкилами с образованием соответствующих алкилацетоуксусных эфиров, из которых, в свою очередь, могут быть получены и затем проалкилированы натриевые производные:

CH₃COCH₂COOC₂H₅ + EtONa {\displaystyle \to } CH₃COCH^-COOC₂H₅ Na⁺ + EtOH

CH₃COCH^-COOC₂H₅ Na⁺ + RHal {\displaystyle \to } CH₃COCHRCOOC₂H₅ + NaHal

В безводных условиях в присутствии бикарбоната натрия ацетоуксусный эфир самоконденсируется с образованием дегидроацетовой кислоты^[1]:

2	→
Ацетоуксусный эфир	Дегидроацетовая кислота
2		→

Под действием серной кислоты на ацетоуксусный эфир происходит самоконденсация двух молекул эфира с замыканием α-пиронового цикла, ведущая к образованию изодегидроацетовой кислоты^[2].

Под действием водных кислот или разбавленных растворов щелочей ацетоуксусный эфир омыляется с образованием нестабильной ацетоуксусной кислоты, которая в мягких условиях декарбоксилируется с образованием ацетона:

CH₃COCH₂COOC₂H₅ + H₂O {\displaystyle \to } CH₃COCH₂COOH + C₂H₅OH

CH₃COCH₂COOH {\displaystyle \to } CH₃COCH₃ + CO₂ + H₂O

Аналогичным образом ведут себя и моно- и дизамещенные ацетоуксусные эфиры, полученные алкилированием натрийацетоуксусного эфира (кетонное расщепление), эта реакция используется для синтеза замещенных метилкетонов.

Иначе протекает взаимодействие ацетоуксусного эфира с концентрированными растворами щелочей: в этом случае протекает отщепление ацетильной группы с образованием двух молекул уксусной кислоты (кислотное расщепление), эта реакция идет и с замещенными ацетоуксусными эфирами и используется для синтеза гомологов уксусной кислоты через алкилпроизводные ацетоуксусного эфира:

CH₃COCHRCOOC₂H₅ + OH^- + H₂O {\displaystyle \to } CH₃COO^- + RCH₂COOH + C₂H₅OH

Синтез

Классическим методом синтеза ацетоуксусного эфира является сложноэфирная конденсация этилацетата в присутствии этанола под действием металлического натрия, катализатором конденсации является образующийся in situ этилат натрия. Образующийся натрийацетоуксусный эфир действием разбавленной минеральной кислоты переводят в ацетоуксусный эфир^[3]:



Ацетоуксусный эфир также может быть синтезирован ацилированием этанола дикетеном, этот метод является промышленным методом синтеза:



Применение

Ацетоуксусный эфир широко применяется в органическом синтезе.

Алкилирование натрийацетоуксусного эфира 2 с последующим кетонным либо кислотным расщеплением моно- и дизамещенных ацетоуксусныых эфиров 3 используется как препаративный метод синтеза метилкетонов 4 и замещенных уксусных кислот 5:



Будучи 1,3-дифункциональным реагентом, он применяется для синтеза гетероциклических соединений. В промышленности применяется в производстве фармацевтических препаратов (пирамидона, акрихина, витамина B₁), ряда органических веществ.

В фотографии использовался как жёлтая диффундирующая цветообразующая компонента, образующая краситель в процессе цветного фотографического проявления^[4].