Применение ацетоуксусного эфира в органическом синтезе. С по мощью ацетоуксусного эфира можно получать различные кетоны, кислоты, дикетоны и двухосновные кислоты. Приведем примеры та ких синтезов.
Получение метилпропилкетона или масляной кислоты:
|
|
|
CaH6ONa |
|
СН3—СО—СН2—СООС2Нб------------ |
> |
|
-»• [CH3-C-CH-COOG2H6J-Na+ |
CÎHJ—Bi |
|
----------- |
и |
1 |
NaOH(l) |
|
I |
j |
|
►CH3—CO-CH2- C 2H6+ |
CH3—CO-LCHX COOGJHS |
|
-ЬСгН5OH Na2CO3 |
|
|
I |
i |
NaOH(ll) |
|
|
►CHa—CO—ONa+СаНв—CH»— |
Ç0H5 |
|
|
—COONa+C2H5OH |
Получение дикетонов, |
или двухосновных кислот: |
|
|
CaHeONa |
2СН3—C(ONa) =CH—СООС2Н? |
2СН3—СО—СН2—COOC2H5 --------> |
|
II |
I |
|
|
сн3—со—сн |
—СООС2Н, |
|
- СН3—СО—СН2—СН2— |
|
I |
|
|
—СН2—СН2—со—сн3 |
CH_.Br—СНгВг |
сн2 |
|
|
I |
|
|
■носо-сн2-с н 2— |
|
сн2 |
|
СН3—СО—СН -СООС2Н5 |
|
—сн2—сн2—соон |
|
|
|
IÏ |
|
|
|
Таким образом, натрийацетоуксусный эфир может реагировать с образова |
нием как С-, так |
и О-производных. |
|
|
В данном случае мы имеем дело не с таутомерной, а с двойственной реакцион |
ной способностью |
(А. Н. Несмеянов, М. И. Кабачник). Молекула натрнйаце- |
тоуксусного эфира может реагировать в зависимости от условий без переноса или с переносом реакционного центра. Современную физико-химическую теорию подобных превращений разработал и обосновал М. И. Кабачник.
Ш. ОКСИАЛЬДЕГИДЫ, ОКСИКЕТОНЫ, УГЛЕВОДЫ
Оксиальдегиды и оксикетоны — соединения, содержащие одно временно гидроксильную и карбонильную группы. По. взаимному расположению этих групп они разделяются на а-, (3-, у- и т. д. окси альдегиды и оксикетоны:
СН3—СНа—CHOH—CHO сн3—снон—сн2—сно
а-оксимасляный альдегид 3-оксимасляиыЙ альдегид
С арН -С Н г—сна-сно
1 -оксимасляный альдегид
СН3—СНОН—СО-СН2—СНд СН2ОН-СН2-С О —сна-сн э
а-оксидиэтилкетон |
З-оксидиэтилкетон |
Оксиальдегиды и оксикетоны могут быть получены обычными ме тодами из соответствующих соединений, уже содержащих гидроксиль ную или карбонильную группы, например окислением многоатомных спиртов — гликолей, глицерина (стр. 140) и др.
СН2ОН -►СН2ОН—СНОН—CHQ глицериновый альдегид
Ь ю н
сн5он СН*ОН—СО—СНоОН диоксиацетон
Р-Оксиальдегиды и оксикетоны получают альдольной конденса цией, например (стр. 164):
2СН3СНО СН3-СНОН-СИ2-СНО
Оксиальдегиды и оксикетоны обнаруживают, кроме обычных свойств спиртов и карбонильных соединений, некоторые особенности, связанные с взаимным расположением функциональных групп:
1) а- и уоксиальдегиды образуют циклические полуацетали:
|
|
|
/ |
|
|
сн2—сн |
|
|
/ з |
2 2 \ |
|
|
- 04 |
10 |
|
|
\ 5 |
6 / |
|
|
^сн—сн2 |
|
|
нох |
|
|
|
2,5-диокси-1,4‘ |
|
|
диоксан |
н,с- |
-сн2 |
н,с-----сн2 |
|
|
I |
I |
|
|
H 2C L |
.с н — о н |
V н-
а-окситетрагидрофуран
2) р-оксиальдегиды и Р-оксикетоны при нагревании отщепляют, воду, образуя непредельные альдегиды (стр. 165):
-н 2о
НС3—СНОН—СН,—СНО------- |
» СН3—СН=СН—СНО |
|
кротоновый альдегид |
3) а-оксиальдегиды и а-оксикетоны способны реагировать с фенилгидразином в соотношении одна молекула на три молекулы фенилгидразина, причем образуются озазоны:
CH2-C H -('H O +H ,N -N H -C «H 5 —
он он
глицериновый фенилгндраайн альдегид
2NH*—NH-C.H*
-> CH«—CH—CH=N—NH—CeH5
I I
OH OH
фепилгидразои глицеринового альдегида
NH3+NH3COH6+ H 20+CH .—C -CH =N -N H ~Cr,H 5
озазоп глицеринового альдегида
Один из возможных механизмов этой реакции приведен ниже (звездочкой отмечен изотоп 15N):
Н С =0 |
|
H Ç = N - N H - C 6H 5 |
I |
|
NH2—NH—C6Hg |
f\ ^ |
снон |
|
H—c —OH |
I |
|
|
I |
|
Hfo-NH^NHCeHs |
H Ç=NH |
- |
C-^OH |
- C = 0 [+Ç6HSNH2] — ► |
2NH2—NHC6Hg
--------------------- >■
H C=N —NHC6HS
C = N -N H C 6HS + NH3
4) при действии щелочей на а-оксикарбонильные соединения могут происходить превращения альдегидов в кетоны и наоборот (енольная форма у них одна и та же):
СНз |
СНз |
|
СНз |
СНОН |
I |
^ |
I |
С—ОН |
с=о |
I |
H |
|
I |
сно |
|
СНОН |
|
сн?он |
У г л е в о д ы — группа природных веществ, близких по свой ствам к оксиальдегидам и оксикетонам. Большинство углеводов имеет общую формулу Сп{Н20)я, например С6Н120 6, C^H^O^. На долю углеводов приходится около 80% сухого вещества растений и около 20% — животных. Углеводы растения синтезируют из неорганичес ких соединений (СО2 и Н20).
Углеводы делятся на 2 группы: 1) моносахариды (монозы) и 2) по лисахариды (полиозы). Последние разделяются далее на: а) сахаро подобные (олигосахариды), к которым относятся дисахариды (биозы), трисахариды и т. д. и б) несахароподобные полисахариды.
Моно- и олигосахариды — хорошо растворимые в воде вещества с небольшим молекулярным весом. Несахароподобные углеводы имеют большой молекулярный вес и если и образуют растворы, то только коллоидные
Олигосахариды могут быть расщеплены гидролизом на монозы. Они построены соответственно из 2, 3, 4 и т. д.-молекул моноз.
Несахароподобные углеводы (крахмал, клетчатка) построены из очень большого числа молекул моноз.
1. Моносахариды (монозы)
Монозы — наиболее простая группа углеводов. В природе наи более распространено два вида моноз: пентозы С5Н{0О5 и гексозы CeH iA . Одни моносахариды ведут себя как оксиальдегиды (альдо зы), другие— как оксикетоны (кетозы). Большую роль в природе
играют альдозы. |
Наиболее |
часто встречаются два моносахарида: г л ю к о з а и |
ф р у к т о з а . |
Они относятся к гексозам; глюкоза — альдоза, фрук |
тоза — кетоза.
Строение моноз. Строение глюкозы и фруктозы доказано рядом
реакций. |
восстановлении HI дает 2—иодгексан: |
Г л ю к о з а : 1) при |
ш |
►сн 3—с ш - с н 2- с н 2—сн2—сн3 |
СвН12Ов -------------- |
Это превращение говорит о том, что никаких разветвлении в ее углеродном скелете нет (нормальная углеродная цепь);
2) при окислении в мягких условиях образует глюконовую кислоту:
С3Н12Ов ------------►сн2он—снон—снон—сдан —снон—соон
Это показывает, что глюкоза имеет альдегидную группу;
3) |
ацилированием |
и |
алкилированием |
доказано присутствие 5 |
гидроксильных групп: |
|
|
|
|
С0Н12Ов+5(СН3СО)2О |
-* СвН70(0С0СН3)6+5СН3С00Н |
Ф р у к т о з а : |
1) образование иодгексана |
при действии HI ука-. |
зывает на то, что углеродная цепь фруктозы не имеет разветвлений: |
|
|
HI |
|
|
|
|
c eHl2o e ------ ►сн3—с ш —сн 2—сн 2—сн 2—сн 3 |
2) окисление с разрывом, цепи показывает, |
что фруктоза является |
кетозой: |
|
СООН |
СООН |
|
|
СвН12Ов |
|
|
-► | |
+ |
| |
|
|
фруктоза |
СООН |
СНОН |
|
|
|
щавеленая |
| |
|
|
|
кислота |
СНОН |
|
соон
винная
кислота
3) как и глюкоза, фруктоза реагирует с 5 молекулами уксусного ангидрида и, следовательно, имеет пять гидроксильных групп. Отсюда формула глюкозы: СНО—СНОН—СНОН—СНОН—СНОН—СН2ОН,
афруктозы СН2ОН—СО—СНОН—СНОН—СНОН—СН2ОН. Согласно этим формулам, глюкоза и фруктоза должны реагиро
вать с NaHS03. Но эта реакция не идет. Гексозы (в обычных концен трациях) не окрашивают раствора фуксиносернистой кислоты. Судя по приведенным формулам, все группы ОН должны иметь одинако вые свойства; между тем в действительности один гидроксил отличает ся по реакционной способности от четырех других. При действии на глюкозу СН31 и Ag20 можно получить пентаметилглюкозу; при дей ствии СН3ОН и НС1 реагирует только один гидроксил. Алкилиро вание глюкозы и фруктозы приводит к исчезновению альдегидных и кетонных свойств. Эти, а также другие данные позволяют приписать глюкозе и фруктозе формулы полуацеталей.* Полуацетали могут возникать за счет нескольких гидроксилов. Преобладают б-полуа цетали (стр. 272).
При образовании кольчатой полуацетальной формы к кислороду группы С = 0 присоединяется атом водорода, принадлежавший гидроксилу при пятом атоме углерода, с образованием глюкозидного гидроксила:
|
с = о |
|
|
с н - о н |
|
1 |
|
|
1 |
|
н—с —он |
|
|
н —с —о н |
|
1 |
|
. |
3 1 |
|
н о —С— Н |
•« - |
|
|
н о —с —н |
|
1 |
|
|
1 |
|
н— с —он |
|
|
У |
|
|
|
н -* с —он |
|
1 |
|
|
1 |
|
н— с —он |
|
|
Н— с1 ---------- |
|
1 |
|
|
|
сн ,о н |
|
|
СН2ОН |
|
/ |
|
|
п |
Доказательство строения кольца глюкозы. Метилирование глюкозы при водит к образованию пентаметилглюкозы, частичный гидролиз которой в кислой среде (омыляется только эфир, образованный с участием полуацетального глю козидного гидроксила) приводит к тетраметилглюкозе:
н—с —он |
|
H—Ç—ОСН, |
|
1----------- |
|
|
н —с —он |
н—с —он () |
СН31 ^ |
Н -С-ОСНз |
н,о |
н ç осн3 |
но—с —н |
ABs° *" |
н3со —с —н ‘ |
н+ |
Н3СО—с —н |
н—с —он |
|
н —с —о сн 3 |
|
н—с1—осн3 |
н—с---- - |
|
н —с ---------- |
|
н —с ------- — |
снаон |
|
СН2ОСН3 |
|
I |
|
|
сн2осн3 |
a-D-глюкоза |
|
пентаметнл-a-D- |
|
тетраметшьа-D- |
|
|
•глюкоза |
|
•глюкоза |
|
|
|
|
(циклическая форма) |
* С помощью полярографии было установлено, что раствор D-глюкозы содержит лишь 0,0026% свободного альдегида.
|
н— с = о |
|
|
СООН |
|
н— с — о с н 3 |
|
H— С—ОСН3 |
H3.CO—с —н |
|
|
I |
слабым |
|
н з с о - с - н — |
|
н— с — осн^ окислителем |
н— с —о с н 3 |
|
H— Ç— о н |
|
|
с = о |
|
|
CHsOCH3 |
|
------- -|.—-н |
|
|
|
СН2ОСН3 |
тетраметил-О-глюкоза |
|
|
(открыто-цепная |
форма) |
|
|
|
|
СООН |
|
|
СООН |
|
н— с —о с н 3 |
Н— с —0( |
окисление |
_ |
1 |
и |
Н3СО—А— Н |
более силь-Н3С 0 |
Ç Н |
НлнтелемС" |
Н— С— ОСН3 |
|
СООН |
|
|
СООН |
|
|
СООН |
|
|
С02 |
|
|
1 |
|
|
|
|
СООН |
Окисление тетраметилглюкозы может идти подвум направлениям (на схе |
ме указаны стрелками I и II). Образование при этом метиловых эфиров триокси- |
глутаровой и диоксиянтарной кислот (триметоксиглутаровая и диметоксиянтарная кислоты) свидетельствует о том, что кольцо образовано с участием группы ОН, стоящей у пятого атома углерода. Если бы кольцо было образовано с участиём гидроксила у четвертого, например, атома углерода, то в продуктах окис ления не оказалась бы триметоксиглутаровая кислота.
Так же можно доказать строение кольца и для кетогексозы — фруктозы.
Здесь кольцо может быть образовано за счет гидроксила у пятого и шестого ато мов углерода:
.СН2ОН
I
|
с —о |
|
|
н о — с —н |
|
|
н— с —он"" |
|
|
I |
|
|
н— с —о н |
|
с н ?он |
СН2ОН |
|
a-D -фруктоза |
D-фруктоза |
a-D -фруктоза |
(циклическая |
(открыто |
(кольчатая, цикли* |
пятичленная форма; |
цепная форма) |
ческая. шести |
e-D-фруктофураноэа ) |
|
членная форма; |
|
|
i-D -.фруктопираноза) |
Пятичленное кислородсодержащее гетероциклическое соединение называется фураном (стр. 535), .шестичленное — пйраном. Отсюда пятичленные монозы называются фуранозами, а шестичленные—пи* ранозами.
Глюкоза в форме I (стр. 281) участвует в реакциях, характерных для альдегидов, в форме II — в реакциях, характерных для спиртов, так как глюкозидный гидроксил реагирует в первую очередь.
Цепная формула требует существования 16 (24) изомерных гексоз: eD-ряда и вЬ-ряда, так как ъ соединении имеется 4 асимметричес ких атома углерода. При рассмотрении этих изомеров необходимо пользоваться проекционными формулами (стр. 250), так как эти изо меры различаются между собой только расположением водородных атомов и гидроксильных групп в пространстве по отношению к угле родной цепи.
Отнесение сахаров к D- или L-ряду* не связано со знаком вращения и зависит от строения 5-го тетраэдра, как это показано на схеме (стр. 289). Сахара D-ряда генетически связаны D-глицериновым альде гидом (могут быть из него получены), сахара L-ряда аналогично свя
заны с L-глицериновым альдегидом. Для |
получения |
сахаров из D- |
и L-глицеринового альдегида может быть использован оксинитриль- |
ный синтез |
(стр. |
283). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с н о |
|
|
с н о |
|
|
|
|
г! |
|
|
■ - и п |
но- |
|
-н |
|
|
|
|
и |
|
|
ПТ-Г |
|
|
|
|
|
|
|
H U ' |
|
|
! 1 |
|
н - |
|
-о н |
|
|
|
|
|
|
|
Т| |
|
|
|
|
|
|
|
|
ГГ |
|
|
и п |
но- |
|
-н |
|
|
|
|
14. |
|
|
ПН |
|
|
|
|
|
|
|
1-------- |
л и |
н о |
|
|
|
|
|
. » т |
■— |
|
-н |
|
|
|
1 |
|
■ и п |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
!1 |
|
|
cHjOH ! |
|
|
СН2ОН |
|
|
|
« |
|
|
» |
|
|
L (—)-глюк |
|
|
D (+ ) -глюкоза |
|
|
|
Сахара, отличающиеся строением только одного, обычно второго, |
тетраэдра, |
называют эпимерами: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с н о |
|
|
С:но |
|
|
|
|
Н- |
|
он |
|
нп |
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
■п |
|
|
|
н о - |
|
•н - |
П тп |
|
П |
|
|
|
|
1 |
п и |
|
|
|
|
|
н - |
|
о н |
1 |
н |
• |
ПН |
|
|
|
|
н - |
|
■он |
! |
н ~ |
— он |
|
|
|
I |
|
|
|
СН2ОН |
* |
|
е- и п и |
|
|
|
|
|
|
2___I |
I_______ |
|
|
___ I |
|
|
D (-И-глюк |
|
|
D ( + ) -манноза |
|
Циклическая |
полуацетальная |
формула |
требует |
существования |
уже 32 (2б) |
изомерных |
гексоз: каждый |
из |
8 изомеров D-ряда и 8 |
изомеров L-ряда будет иметь а- |
и P-формы, называемые аномерами |
и .отличающиеся |
положением водорода |
и |
гидроксильной группы в |
верхнем тетраэдре, |
как это видно из схемы: |
|
* Нужно отличать обозначения D- и L-,указывающие конфигурацию, от знака действительного.вращения d(+) и 1(—) (стр. 252).
Hv |
^ о н |
Н\ |
|
Н0\ |
/ Н |
|
'" г ' |
|
|
|
т |
|
т |
|
\ |
|
|
н— с — о н |
Н— С— ОН |
н — с — о н |
|
1 |
|
1 |
|
|
НО— С— Н () |
НО— с — н ^ |
н о — с — н с |
|
1 |
|
1 |
|
1 |
н — с1— о н |
н— с —о н |
н — с —о н |
и |
г1 |
Il |
Р —..ПН |
и, . г |
|
1 |
11 |
Ç |
|| |
L |
|
1 |
|
CHjOH |
|
СН2ОН |
|
с н ,о н |
|
|
|
11а |
|
1 |
|
Пб |
|
|
II а |
|
И б |
|
a-D-глюкопираноза |
|
(3-D-глюкопнраноза |
Свежеприготовленные растворы сахаров в воде с течением време ни изменяют угол вращения плоскости поляризации до некоторой определенной величины. Это явление получило название мутаро- тации. Оно обусловливается тем, что в растворе аномеры (а- и ft-формы сахаров) переходят друг в друга, причем устанавливается подвижное равновесие. Так как аномеры вращают плоскость поля ризации на различные углы, а концентрация их до установления равновесия меняется, то изменяется и угол вращения раствора. Так,
например, удельное вращение a -глюкозы [сх]2в = + 110°, 1, ft-глю козы + 19°,3, равновесной же концентрации отвечает удельное вра
щение [all0 +52°,3.
Можно пользоваться для изображения молекул сахаров более наглядными перспективными формулами (Хеуорс). При переходе от проекционных формул к перспективным следует атомы и группы, расположенные слева, написать наверху, а расположенные справа — внизу кольца:
o-D (-{-) -глюкопнраноза |
a-L (—) -глкжопираноза |
Необходимо обратить внимание на то, что в этих формулах атом водорода у 5-го углеродного атома оказался внизу, хотя в проекцион ных формулах он находится слева. Это объясняется тем, что для обра зования кислородного мостика необходим поворот части молекулы вокруг валентной оси, соединяющей четвертый и пятый углеродные атомы. После такого поворота гидроксил 5-го углеродного атома за-
нимает положение, |
благоприятное для замыкания кольца (прибли- |
‘ жается к группе Н—С = 0, |
см. конфигурацию А): |
Н—jC=sO |
|
/ он |
|
н |
1Î |
|
H-jÇ— о н |
|
н—2с- - он |
|
н о —С—Н 5 |
■н о -тс —н |
о |
3| |
|
3| |
|
н — с —он |
н —с —он |
|
н — о н |
H- 5Ç- |
|
5| |
|
6СН20Н |
|
бСН2ОН |
|
Следует заметить, что для сахаров в циклической форме возможен еще один вид изомерии — конформационная изомерия, связанная с расположением в пространстве углеродных атомов шестичленного кольца. Пиранозный цикл, подобно циклогексановому (стр. 340), способен существовать в виде нескольких конформационных изомеров с различной устойчивостью. От циклогексанового он отличается несимметричностью, обусловленной присутствием в цикле кис лородного атома, что увеличивает число возможных конформационных изоме ров. В то время как для циклогексанового кольца возможно всего два конфор мационных изомера — кресловндный и ваннообразный, — пиранозное кольцо может существовать в виде восьми ненапряженных конформаций, две из. кото рых кресловидные и шесть ваннообразные. Эти шесть ваннообразных конформа ций энергетически менее выгодны и их существование можно не учитывать. Две более устойчивые креслообразные конформации получаются при такой конвер сии пиранозного цикла, в результате которой все аксиальные заместители ста новятся экваториальными и наоборот (1C и CI).
Предпочтительность той или иной конформации для данного сахара опреде ляется имеющимися в пиранозном кольце заместителями и их пространственным расположением.
Так, например, а- и р-аномеры D-глюкозы предпочтительно существуют в виде следующих конформаций:
а* н Р-глюкопираноза
Способы получения моноз (моносахаридов). Моносахариды обыч но получают из природного сырья.
1. Гидролизом ди- и полисахаридов под влиянием кислот или эн зимов (в зависимости от строения дисахарида могут получиться два одинаковых или разных моносахарида):
С12Н22О11+Н2О —► 2CeHi20 e (СоНюОб),,4-лН20 —> яСоНхгОв
днсахарид |
моносахарид полисахарид |
2. Окислением многоатомных спиртов обычными окислителями или под влиянием энзимов. При обычном окислении получается смесь веществ. Например, при химическом окислении шестиатомного спирта D-сорбита наряду с D-глюкозой образуется и L-гулоза: первая — за счет окисления «верхней» группы СН2ОН , а вторая — за счет «ниж ней» группы СН2ОН*:
1 ' |
1 |
но-с1 —н |
Н -С -О Н |
Н -С -О Н |
|
НО—с— н |
[О] Н0 - < Г Н |
но—с—н |
1 |
1 |
н—с—он |
н—d—он |
н -с -о н |
1 |
' 1 |
1 |
н -с -о н |
Н -С -О Н |
НО-С—н |
1 |
1 |
1 |
СН2ОН |
СН2ОН |
СН2ОН |
D-сорбит |
D-глюкоза |
L -гулоза* |
При энзиматическом окислении можно окислить определенную группу — в этом его преимущество. Так, например, при биологичес ком окислении (в присутствии Acetobacter xylinum) D-сорбита полу чается L-сорбоза:
СН2ОН |
|
СН2ОН |
1 |
|
1 |
Н -С -О Н |
|
н - с - о н |
1 |
|
1 |
Н О -С -Н |
|
н о - с - н |
1 |
|
1 |
н—с—он |
-* |
н - с - о н |
1 |
|
1 |
н - с - о н |
|
1 |
|
с = о |
1 |
|
1 |
сн2он |
|
СН2ОН |
D-сорбит |
|
L-сорбоза |
* Для удобства сравнения формула окисленного D-сорбита (L-гулозы) повернута на 180°.