Гетерофункціональні сполуки. Гетерофункціональні сполуки. Загальна формула гетерофункціональних сполук
 Скачать 70.44 Kb.
|
|
Властивості аміноацетатної кислоти (гліцину). а) амфотерні властивості гліцину. Аміноацетатна кислота (гліцин) має основні властивості (завдяки аміногрупам) і взаємодіє із хлоридною кислотою. Продуктом такої взаємодії є сіль – гідрогенхлорид гліцину. б) утворення комплексної солі купрум(ІІ) аміноацетатної кислоти.В разі взаємодії аміноацетатної кислоти з купрум(ІІ) оксидом утворюється не звичайна сіль купруму, а внутрішньокомплексна хелатна сполука, в якій атом купруму зв’язаний не тільки з атомом оксигену карбоксильної групи, а й з атомом нітрогену аміногрупи: Такі внутрішньомолекулярні комплекси -амінокислот з іонами купруму дуже стійкі і при дії лугів не розкладаються. Охолодження реакційної суміші призводить до поступового випадання в осад даної комплексної сполуки. Сіль купрум (ІІ) аміноацетату можна добути також взаємодією аміноацеьаьної кислоти з купрум(ІІ) гідроксидом. в) взаємодія гліцину з нітритною кислотою Спостерігають за інтенсивним виділенням бульбашок газу (азоту). г) взаємодія аміноацетатної кислоти з формальдегідом. Формальдегід взаємодіє з аміногрупою молекули амінокислоти, зв’язує її, а карбоксильна група при цьому вивільняється і зумовлює кислу реакцію розчину. У разі додавання розчину формальдегіду до моноамінокарбонових кислот можна визначити їх концентрацію титруванням за допомогою лугу (формольне титрування за Серенсеном). Гетерофункціональні карбонові кислоти Оксокарбонові кислоти Оксокарбонові кислоти, тобто альдегідо- і кетонокислоти, — це сполуки, що містять поряд з карбоксильною і карбонільну групу (альдегідну або кетонну). Загальна характеристика Оксокислоти можуть містити одну, дві або більш карбоксильних груп. По взаємному розташуванню функціональних груп розрізняють альфа- бета-, гама-оксокарбонові кислоти; існують також оксокислоти і з іншим розташуванням функціональних груп. Багато оксокислот є важливими метаболітами, що беруть участь в обміні речовин. Біологічна роль осоксокислот полягає також втому, що вони є інтермедіатами в біосинтезі альфа-амінокислот в живих організмах. У назвах альдегідо- і кетонокислот наявність карбонільної групи позначають префіксом оксо-. Для деяких оксокислот укорінялися тривіальні назви (піровиноградна, левулінова); для оксокислот, що беруть участь в біохімічних циклах в живих організмах, використовуються назви, що традиційно склалися в біохімічній літературі, — ацетооцтова, щаве-левооцтова, кетоглутарова та ін. Оксикислоти є представниками біфункціональних сполук, у складі молекули яких перебувають гідроксильна й карбоксильна групи. При цьому зазначені групи можуть бути приєднані як до насиченого вуглеводородного фрагменту, так і до ароматичного ядра. Класифікація аліфатичних оксикислот, як і інших біфункціональних сполук, заснована в першу чергу на взаємному розташуванні функціональних груп. У якості найпростішої оксикарбонової кислоти можна розглядати вугільну кислоту, у молекулі якої гідроксильна група приєднана безпосередньо до карбоксильної групи. Однак вугільну кислоту можна також віднести й до дикарбонових кислот, з деякими властивостями й похідними. Наступна група оксикислот - α-оксикислоти: гліколева кислота НОСН2О2Н та її гомологи. Органічні сполуки, до складу молекули яких входить фрагмент - СН (ОН) СООН, - монооксикарбонові кислоти, поліоксикарбонові кислоти, оксиполікарбонові кислоти й поліоксиполікарбонові кислоти - відомі вже досить давно, оскільки багато хто з них мають природне походження, що знайшло відбиття в назвах цих сполук. Оксикислоти класифікують за основністю і за атомністю. Кількість карбоксильних груп вказує на основність кислоти, а кількість гідроксильних груп, враховуючи і гідроксил карбоксилу, - на її атомність. Наприклад, оксиоцтова кислота, α і β-оксипропіонові кислоти є одноосновними двохатомними оксикислотами, а яблучна кислота - двохосновною трьохатомною оксикислотою, винна - двохосновною чотирьохатомною оксикислотою і т.д. Часто оксикислоти називають за назвою відповідних карбонових кислот, позначаючи грецькими буквами положення спиртової групи в молекулі відносно карбоксилу, наприклад: α-оксипропіонова, β-оксипропіонова і т.д. За систематичною номенклатурою назву оксикислоти утворюють з назви відповідної карбонової кислоти, перед якою ставлять префікс окси- (гідрокси-), що вказує на наявність ОН-групи в молекулах цих кислот. Місцеположення гідроксильної групи в ланцюгу вказують номером вуглецевого атома, з яким вона сполучена, наприклад: 2-оксипропанова кислота, 3-окси-пропанова кислота і т.д. У таблиці наведено назви найпоширеніших оксикислот. Ізомерія в ряду оксикислот залежить від структури вуглецевого ланцюга і положення спиртового гідроксилу. Гліколева кислота ізомерів не має. Наступний гомолог ряду оксикислот існує у вигляді двох ізомерів - α-оксипропіонової і β-оксипропіонової кислот, які відрізняються положенням спиртового гідроксилу. Відомо багато речовин, які здатні обертати (змінювати) площину поляризації світла, тобто відхиляти її вправо (за годинниковою стрілкою) або вліво (проти годинникової стрілки). Ця здатність речовин була названа оптичною активністю, а самі речовини, що мають таку здатність, - оптично активними. Оптично активні речовини існують у вигляді оптичних ізомерів. Явище оптичної активності особливо поширене серед органічних речовин природного походження (оксикислоти, амінокислоти, вуглеводи, білки, нуклеїнові кислоти, алкалоїди тощо). Це явище має велике біологічне значення, оскільки воно пов'язане з асиметрією речовин, що входять доскладу живих організмів, і з явищем життя. Способи отримання Способи отримання оксокислот вельми різноманітні, багато з них специфічні. Існують і деякі загальні методи синтезу. У випадку, якщо гідроксильна та карбоксильна групи перебувають у складі молекули досить далеко один від одного (розділені більш ніж трьома атомами вуглецю), для їхнього введення використаються звичайні прийоми, як для спиртів і карбонових кислот. У той же час для α-, β - і γ-оксикислот застосовують і специфічні методи синтезу. Найпростішу оксикислоту - гліколеву - одержують окислюванням етиленгліколя. Слід зазначити, що цей метод синтезу застосуємо тільки для гліколевої кислоти! Загальний метод синтезу α-оксикислот заснований на гідролізі (нуклеофільному заміщенні атома галогену на гідроксигрупу) доступних α-галоідозаміщених карбонових кислот. Амінокислоти можуть бути перетворені в оксикислоти при взаємодії з азотистою кислотою (реакція диазотирування). Особливо велике значення має ця реакція для перетворення в оксикислоти доступних природних α-амінокислот. Історичне значення має циангідринний метод синтезу α-оксикислот, перша стадія якого полягає у взаємодії карбонільних з'єднань із синильною кислотою, що приводить до утворення циангідритів. Наступний гідроліз у кислому середовищі приводить до цільових з'єднань. Цей метод застосуємо як до альдегідів, так і до кетонів і особливо велике значення має в хімії вуглеводів. Оксикислоти з будь-яким взаємним розташуванням гідроксильної й карбоксильної групи можуть бути отримані відновленням відповідних кетокарбонових кислот. Цей метод не є специфічним відносно способу відновлення, оскільки заснований на тім, що карбонільна група відновлюється легше карбоксильної. Наприклад, це перетворення може бути здійснено каталітичним гідруванням. У лабораторній практиці в якості відновлювача можна використати боргідрид натрію або ізопропанол у присутності ізопропілата алюмінію. Досить доступними по реакції альдольної конденсації є β-оксиальдегіди - альдолі. З огляду на, що альдегідна група окисляється легше спиртової, можна легко окислити альдоль в β-оксикислоту, використовуючи як окислювачі солі срібла або двовалентної міді. Згадаємо, що електронноакцепторна карбоксильна група обумовлює приєднання реагентів типу НХ по кратному зв'язку С=С, сполученої з нею, "проти правила Марковникова". Наприклад, приєднання води до акрилової кислоти та її аналогів каталізуємими кислотами, приводить до β-оксикислот. Більш м'яким способом трансформації подвійного зв'язку ненасиченої кислоти в гідроксигрупу з утворенням оксикислоти є гідроборирування з наступним окислюванням борорганічного похідного перекисом водню. Іншим методом синтезу оксикарбонових кислот є окислювання ненасиченої кислоти в епоксид і наступне відновлення алюмогідридом літію, що відбувається неселективно та приводить до суміші двох оксикислот. Гідратація епоксиду в кислому середовищі приводить до утворення диоксикарбонових кислот. Останні два методи придатні для неграничних кислот з будь-яким взаємним розташуванням олефинової і карбоксильної групи. Епоксиди α, β - ненасичених карбонових кислот також можуть бути отримані за реакцією Дарзана - реакції конденсації альдегідів або кетонів з ефірами α-галогенкарбонових кислот у присутності сильних основ. γ-оксикислоти одержують гідролізом циклічних складних ефірів - γ-бутиролактонів, які, у свою чергу, одержують або відновленням циклічних ангідридів карбонових кислот, або циклізацією β, γ-неграничних кислот при нагріванні в присутності розведених мінеральних кислот. Слід зазначити, що γ-оксикислоти у вільному стані здатні мимовільно перетворюватися в γ-лактони. Загальний метод одержання оксикислот з вилученими гідроксильної та карбоксильної групи заснований на окислюванні циклічних кетонів надкислотами по Байеру-Віллігеру і наступному гідролізі лактонів, що утворяться, у лужному середовищі. Обережнепідкислення завершується утворенням відповідної оксикислоти. Існують специфічні методи синтезу поліоксикарбонових кислот. Що ж стосується синтезу дигідроксикислот, то вони легко можуть бути отримані окислюванням ненасичених кислот по зв'язку С=С одним з методів, використовуваних для окислювання алкенів. Наприклад, при окислюванні акрилової кислоти перманганатом калію в лужному середовищі (окислювання за Вагнером) утвориться гліцеринова кислота Гліколі також можуть бути отримані окислюванням сполук, що містять зв'язок С=С, при дії тетроксиду осмію, або перекису водню в присутності ОsО4, органічними надкислотами або киснем повітря в присутності оксиду срібла з наступним гідролізом спочатку утвориться епоксид. Останній з методів одержання оксикислот (молочної кислоти), що заслуговує згадування, - це ферментативне окислювання сахаров - глюкози, лактози або сахарози - яке приводить залежно від використовуваного штаму бактерій або до лівообертального, або до рацемічної молочної кислоти. Фізичні властивості Одноосновні оксикислоти з невеликою молекулярною масою - це густі сироподібні рідини або тверді речовини. Двохосновніоксикислоти кристалічні речовини. Оксикислоти краще розчиняються в воді, ніж відповідні їм карбонові кислоти, але обмеженорозчиняються в ефірі та інших органічних розчинниках. Оксикислоти мають значно вищі температури плавлення і кипіння, ніжкарбонові кислоти з такою самою кількістю вуглецевих атомів. Багато оксикислот виявляють оптичну активність. Хімічні властивості Оксокислоти проявляють багато властивостей, характерних як для карбонових кислот, так і для альдегідів і кетонів. Оксокислоти утворюють похідні по карбоксильній групі— солі, складні ефіри, аміди і так далі, по оксогрупі — оксими, гидразони, гідроксинітрили. Хімічні властивості оксокислот істотно залежать від взаємного розташування функціональних груп. Обидві групи роблять один на одного певний вплив. Зокрема, при близькому їх розташуванні спостерігається взаємне посилення електрофільних властивостей атомів вуглецю карбонільної і карбоксильної груп і, як наслідок, посилення їх реакційної здатності при взаємодії з нуклеофілами. Кислотні властивості оксокарбоновых кислот знижуються у міру видалення оксогруппы від карбоксильної групи, що ілюструється приведеними нижче значеннями рКа для деяких оксокислот з різним взаємним розташуванням функціональних груп: В цьому випадку спостерігається чітка закономірність (як, наприклад, і для галогенозамещенных кислот): у міру видалення електроноакцепторної оксо-гругшы від карбоксильної групи кислотні властивості оксокислоты знижуються унаслідок загасання негативного індуктивного ефекту. Оксикислоти містять дві функціональні групи і їх хімічні властивості визначаються наявністю як карбоксильної, так і гідроксильної груп. Тому оксикислоти одночасно виявляють властивості і карбонових кислот, і спиртів. Причому карбоксильна і гідроксильна групи можуть брати участь у хімічних реакціях окремо, незалежно одна від одної, або обидві разом. Так, оксикислоти, природно, утворюють солі. Сила оксикислот трохи більше, ніж сила незаміщених карбонових кислот внаслідок індуктивного ефекту гідроксильної групи. Це стосується в першу чергу α-оксикарбонових кислот і якоюсь мірою β-оксикислот, оскільки вплив індуктивного ефекту швидко зменшується при збільшенні числа зв'язків С-С, що розділяють гідроксильну й карбоксильну групи. Силу α-оксикарбонових кислот збільшує також стабілізація карбоксилат-аніона внутрімолекулярним водневим зв'язком. Взаємодія оксикислот зі спиртами в присутності кислотного каталізатора (наприклад, сірчаної кислоти) приводить до утворення складних ефірів. Взаємодія з сильними основами, наприклад з алкоголятами металів, приводить до утворення дианіона. Наступна взаємодія цього аніона з галоідним алкілом відбувається по обох нуклеофільным центрах, приводячи до сполуки, що є одночасно простим і складним ефіром. Якщо в реакцію з алкоголятом металу вводити не кислоту, а її ефір, то алкоголят, що утвориться, також можна перетворити в ефір дією галоідного алкілу. Оксикислоти, вступаючи в реакції як спирти, утворюють алкоголяти, прості ефіри, заміщують гідроксил на галоген. Так, при взаємодії оксикислот з лужними металами, лугами спочатку утворюються солі цих кислот, які далі реагують з цими ж речовинами і дають алкоголяти. При дії на оксикислоти галогеноводнів спиртовий гідроксил їх молекул заміщується на галоген і утворюються відповідні галогенокислоти: Оксикислоти, подібно до спиртів, можуть окислюватись. Ця властивість оксикислот відрізняє їх від карбонових кислот, які, як правило, стійкі до окислення. Оксикислоти, що містять первинну ОН-групу, при окисленні перетворюються на альдегідокислоти, а оксикислоти з вторинною ОН-групою - на кетокислоти. Аналогічне окислення молочної кислоти до піровиноградної відбувається і в живих організмах. Крім реакцій, які відбуваються з участю карбоксильної і спиртової груп, оксикислотам властиві також специфічні реакції, зумовлені взаємним впливом двох функціональних груп у їх молекулах. Так, α-,β-,γ-, δ-, і ε-оксикислоти по-різному перетворюються при нагріванні. Оксикислоти при підвищених температурах дегідруються. Але залежно від взаємного розміщення спиртової і карбоксильної груп дегідратація їх проходить по-різному і з утворенням різних продуктів реакції. α-Оксикислоти при нагріванні відщеплюють воду міжмолекулярно за рахунок гідроксилу карбоксильної групи однієї молекули оксикислоти і атома водню спиртової групи другої молекули оксикислоти. Продуктами такої дегідратації є циклічні міжмолекулярні складні ефіри, які називають лактидами. Оксикислоти при нагріванні дегідрауються внутрішньомолекулярно. Вода при цьому відщеплюється за рахунок спиртового гідроксилу і α-водневого атома метиленової групи. В результаті утворюються α-, β-ненасичені кислоти. Так, β-оксипропіонова кислота при цьому перетворюється на акрилову кислоту. γ - і δ-Оксикислоти при нагріванні вступають у внутрішньомолекулярну етерифікацію між спиртовим гідроксилом ікарбоксильною групою, утворюючи внутрішньомолекулярні циклічні складні ефіри, які називають лактонами. Так, γ-оксимасляна кислота при дегідратації перетворюється на бутиролактон (Ткип = 204°С). Реакцію лактонізації оксикислот відкрив у 1873 р.О.М. Зайцев. Лактони є біологічно активними речовинами і використовуютьсядля синтезу замінників крові. Деякі лактони мають приємний запах і їх застосовують у парфюмерії. ε-Оксикислоти і оксикислоти з ще більш віддаленою спиртовою групою при нагріванні вступають у реакції конденсації і утворюють при цьому лінійні полімери. Гідроліз диефіру оксикислоти, каталізуємий як кислотами, так і лугами, приводить до розщеплення тільки скланоефірної групи. При взаємодії оксикислот з ангідридами або хлорангідридами кислот відбувається реакція ацилірування спиртової гідроксигрупи з утворенням відповідного складного ефіру, а карбоксильна група при цьому зберігається. Спиртову гідроксигруппу оксикислоти можна окислити в карбонільну групу одним з окислювачів, використовуваних звичайно для окислювання спиртів, наприклад хромовою кислотою, і, навпроти, карбоксильну групу можна відновити в спиртову групу дією алюмогидріду літію. Молочна кислота при взаємодії з йодистоводородною кислотою відновлюється в пропіонову кислоту. П'ятихлористий фосфор заміщує на галоген одночасно як спиртовий гідроксил, так і гідроксил карбоксилу молекули оксикислоти і перетворює їх таким чином на хлорангідриди хлорорганічних кислот. Залежно від взаємного розташування гідроксильної й карбоксильної групи оксикислоти здатні перетерплювати різні хімічні трансформації при нагріванні. Так, α-оксикислоти при нагріванні легко розщеплюються з утворенням альдегідів (реакція декарбонілюрування). Механізм цієї реакції включає протонірування гідроксигруппи карбоксильного угрупування, відщіплення молекули води з утворенням порівняно стійкого ацилий-катіона, відщіплення молекули СО і наступне депротонірування катіона А, що приводить до утворення альдегіду. Легкість протікання цієї реакції зв'язана в основному з тим, що катіон А стабілізований мезомерним ефектом гетероатома. Характерною рисою оксикислот є утворення складних ефірів у результаті взаємодії двох функціональних груп, що входять до складу молекули. Так, α-оксикислоти при нагріванні утворять циклічний складний диефір - лактид у результаті взаємодії спиртової групи однієї молекули з карбоксильною групою іншої. |