23-25. Reakcje kwasów karboksylowych i ich pochodnych
nazwa ogólna kwas
karboksylowy bezwodnik
kwasowy chlorek
kwasowy ester amid 1° amid 2° amid 3° nitryl
wzór R N
O
R R
atom (O, N lub Cl) o większej elektroujemności niż at. C grupa karbonylowa
1. Temperatura wrzenia i temperatura topnienia kwasów karboksylowych i ich pochodnych
oddziaływania dipol-dipol
oddziaływania dipol-dipol wiązania wodorowe
2. Centra reaktywności kwasów karboksylowych i ich pochodnych
Kwasy karboksylowe reagują z: Pochodne kwasów karboksylowych reagują z:
3. Reakcje kwasów karboksylowych z zasadami
reakcje stosowane do oddzielania kwasów
karboksylowych od innych związków organicznych wydzielanie kwasu z jego soli
3.1. Kwasowość kwasów mono- i dikarboksylowych
grupa
elektronoakceptorowa grupa
elektronodonorowa
4. Reakcja kwasów karboksylowych i ich pochodnych z nukleofilami
grupa odchodząca
Nadal obowiązuje reguła:
im słabszą zasadą jest grupa odchodząca, tym łatwiej odchodzi.
To oznacza, że reakcja tej pochodnej kwasu karboksylowego zachodzi łatwiej.
Pochodna kwasu karboksylowego wymaga aktywacji w celu obniżenia zasadowości grupy odchodzącej.
Reakcja addycji-eliminacji
grupa odchodząca (G¯) Cl¯ R′O¯ OH¯ NH2¯
sprzężony kwas HCl R′OH H2O NH3
pKa sprzężonego kwasu -7 ~ 5 ~ 15 15.5 34
podatność gr. odchodzącej na podstawienie
względna zasadowość zasada odchodząca spodziewany przebieg reakcji
Z¯ > Y¯ Y¯ produkt
Z¯ ~ Y¯ Z¯ i Y¯ mieszanina substrat/produkt
4.1. Przebieg reakcji addycji-eliminacji kwasów karboksylowych i ich pochodnych
sp2 sp3 sp2
odchodzi słabsza zasada (Z-lub Y-)
addycja eliminacja
Z¯ ~ Y¯ Z¯ i Y¯ mieszanina substrat/produkt
Z¯ < Y¯ Z¯ substrat (objaw makroskopowy, reakcja nie zachodzi) zasadowość
4.2. Wykorzystanie reakcji addycji-eliminacji do wzajemnych przekształceń pochodnych kwasów karboksylowych
substrat produkt
R Cl O
R O O
R O
R OR O
R OH O
R NR2 O
R O O
R Cl
O X
R O O
R
O X
R OR O
C
oznacza możliwość przekształcenia substratu w produkt R ORR OH
O X
R NR2
O X
R O
O X
4.2.1. Przekształcanie chlorków kwasowych
w bezwodniki kwasowe mieszane, R ≠ R′
w bezwodniki kwasowe symetryczne
w kwasy, hydroliza
w amidy, aminoliza
1 mol w roli reagenta
1 mol w roli zasady do związania HCl
4.2.1.-cd. Przekształcanie chlorków kwasowych
w estry alkoholi (w praktyce 3°), estryfikacja (alkoholiza)
pirydyna, amina do związania HCl
w estry fenoli,
estryfikacja (reakcja z fenolanami)
4.2.2. Przekształcanie bezwodników kwasowych
w estry, estryfikacja
w kwasy, hydroliza
w amidy, aminoliza
mechanizm estryfikacji
4.2.3. Przekształcanie estrów – w warunkach kwasowych
w estry wyższych alkoholi,
transestryfikacja w warunkach kwasowych
Wyższy alkohol = alkohol o wyższej masie cząsteczkowej, w konsekwencji o wyższej temperaturze wrzenia.
Wyższy alkohol = alkohol o wyższej masie cząsteczkowej, w konsekwencji o wyższej temperaturze wrzenia.
Niższy alkohol = alkohol o niższej masie cząsteczkowej, w konsekwencji o niższej temperaturze wrzenia.
w kwasy,
hydroliza kwasowa
Mechanizm hydrolizy w warunkach kwasowych, rola kwasu mineralnego na następnym slajdzie
R O
OCH3 R
O
OCH3 H
R OH
OCH3 HO
OSO3H
R OH
OCH3 OH
+ H2O OSO3H + H-OSO3H
H
+ H-OSO3H R
O
OCH3 H
4.2.3.a. Mechanizm hydrolizy w warunkach kwasowych, rola kwasu mineralnego
kwas zwiększa podatność estru na przyłączenie Nu hydroliza
R OH
OCH3
HO H
O OH R
H OSO3H O
OH
R + H2SO4 + CH3OH
OSO3H w praktyce
kwas zwiększa podatność gr. odchodzącej na odejście
estryfikacja Fischera
4.2.3.b. Podatność estrów na hydrolizę w warunkach kwasowych
Wyjaśnienie na podstawie mechanizmu reakcji addycji-eliminacji
4.2.4. Przekształcanie estrów w warunkach obojętnych
w amidy, aminoliza
lepszy nukleofil niż H2O
reakcja nieodwracalna bo sól kwasu nie reaguje z nukleofilem
w sole kwasów, hydroliza zasadowa
4.2.5. Przekształcanie estrów w warunkach zasadowych
duże stężenie OH¯ przesuwa stan równowagi w → (w prawo)
w estry,
transestryfikacja zasadowa
4.2.6. Przekształcanie kwasów karboksylowych
reakcja odwrotna do reakcji w estry alkoholi 1° i 2°,
w chlorki kwasowe
wariant z użyciem SOCl2 – częściej stosowany
reakcja odwrotna do reakcji hydrolizy estru
(mechanizm na slajdzie 14)
Sposoby przesunięcia stanu równowagi w stronę estru:
• duży nadmiar alkoholu lub kwasu karboksylowego
(porównaj: synteza octanu n-butylu i synteza benzoesanu metylu, Vogel, Preparatyka organiczna),
• usuwanie estru w miarę powstawania (jeśli Tw (estru) < Tw pozostałych składników mieszaniny reakcyjnej),
patrz synteza mrówczanu etylu (materiały do Laboratorium Chemii Organicznej na stronie www ZChOrg),
• usuwanie H2O w miarę powstawania (techniką azeotropową, jeśli pozostałe składniki nie tworzą azeotropu).
w estry alkoholi 1° i 2°,
estryfikacja Fischera Przypomnienie:
estryfikacja alkoholi 3 i fenoli przez RC(O)Cl, slajd 13)
4.2.6.-cd. Przekształcanie kwasów karboksylowych
kwasów monokarboksylowych w bezwodniki symetryczne
kwasów dikarboksylowych w bezwodniki cykliczne kidey możliwe jest utworzenie pięcio- lub sześcioczłonowego pierścienia (działanie (CH3CO)2)O lub SOCl2
4.2.7. Przekształcanie amidów w warunkach kwasowych
w sole amoniowe kwasów, hydroliza
w estry, alkoholiza
4.2.8. Przekształcanie amidów w warunkach zasadowych
w sole kwasów, hydroliza
4.3. Reakcje pochodnych kwasów karboksylowych ze związkami Grignarda
Reakcja z chlorkami kwasowymi i estrami – otrzymywanie alkoholi 3
Reakcja z chlorkami kwasowymi i estrami – otrzymywanie alkoholi 3
niewydzielalny w tych warunkach
Reakcja z CO2 – otrzymywanie kwasów karboksylowych Reakcja z CO2 – otrzymywanie kwasów karboksylowych
niewydzielalny w tych warunkach
5. Otrzymywanie i reakcje nitryli
Otrzymywanie:
z halogenku 1°
(przypomnienie)
z amidu 1°
(nowa reakcja)
Reakcje nitryli: można niekiedy wydzielić
hydroliza w warunkach kwasowych
hydroliza w warunkach zasadowych
redukcja do amin 1°
nikiel Raneya - katalizator
6. Pochodne kwasów karboksylowych w roli nukleofila
halogenek 1°
(ewentualnie 2°) Sole kwasów karboksylowych (otrzymywanie estrów)
N-Alkiloimidy (otrzymywanie amin w syntezie Gabriela)
halogenek 1°
(ewentualnie 2°) N-Alkiloimidy (otrzymywanie amin w syntezie Gabriela)
ftalimid N-alkiloftalimid
6.1. Przebieg syntezy Gabriela
ftalimid N-alkiloftalimid
Uzupełnienie
Nazewnictwo kwasów karboksylowych
nazwa systematyczna nazwa zwyczajowa
nazwa systematyczna
nazwa zwyczajowa
OH O
kwas propanowy propionowy
R O
l
R Cl
O
chlorek -ylu lub -oilu
R O
O
R' R O
O
R O
R O
O
metal
R NH2 O
wymiana -yl lub -oil na amid wymiana "kwas" na bezwodnik wymiana "-owy" na -an lub -ian
propanian sodu/metylu propionian
propanowy propionowy
Nazewnictwo pochodnych kwasów karboksylowych
acyl
wymiana "-owy" na -yl lub -oil
chlorek ylu lub oilu wymiana yl lub oil na amid
propanoilu propionylu
propanoil propionyl
propanamid propionamid
R N
O
N-metylopropanamid
N-etylo-N-metylopropanamid N,N-dimetylopropanamid
R1 R2
kwas acyl chlorek ester sól amid
H OH
O
H O
H Cl
O
H O
O
H O
O
K H NH2
O
mrówkowy formyl formylu mrówczanmetylu mrówczanpotasu formamid
OH
O O
Cl O
O O
O O
K NH2
O
octowy acetyl acetylu octan metylu octan potasu acetamid
Nazewnictwo – wybrane wyjątki
y y y y p
OH
O O
Cl O
O O
O O
K NH2
O
butanowy
masłowy butanoil
butyryl butanoilu
butyrylu butanian metylu
maślan butanian potasu
maślan butyroamid
formica acetum butyrum valerian
Nazewnictwo: laktony, laktamy i pochodne kwasu węglowego
H2N n CO2H wzór laktamu n=2-laktam
-propiolaktam
2-azacyklobutanon HN
O n=3-laktam
-walerolaktam
2-azaacyklopentanon N H
O
n=4-laktam
-kaprolaktam
2-azacykloheksanon HN O
Przykłady przekształceń chemicznych
O OH Zaproponować sposoby otrzymania estru:
OH
Br
Przykłady przekształceń chemicznych
Podać reagenty niezbędne do wykonania reakcji:
Przykłady przekształceń chemicznych
Podać produkt(y) reakcji:
Wzajemne przekształcenia pochodnych kw. karboksylowych - podsumowanie
uwaga 1: w praktyce reakcja stosowana do otrzymywania estrów alkoholi 3° (chlorki kwasowe są trudniej dostępne niż kwasy karboksylowe)
uwaga 2: tylko alkohole 1° i 2°