27. Карбоновые кислоты: кислотные свойства, строение карбоксилат-аниона; сравнительная характеристика кислотных свойств алифатических и ароматических моно- и дикарбоновых кислот; образование солей.

Кислотные свойства.

Карбоновые кислоты обладают более сильными кислотными свойствами, чем спирты и фенолы. В водных растворах они слабо диссоциированы, кислая среда обнаруживается с помощью индикаторов. При взаимодействии с осно­ваниями карбоновые кислоты образуют соли:

Карбоновые кислоты в целом — слабые кислоты: в водных растворах их соли сильно гидролизованы. Дикарбоновые кислоты образуют два ряда солей — кислые и средние. Соли некоторых карбоновых кислот, например ацетаты и цитраты, используются для приготовления буферных растворов.

Более сильные кислотные свойства карбоновых кислот по сравнению с другими ОН-кислотами (спиртами и большинством фенолов) объясняются тем, что их анионы стабилизированы за счет сопряжения. В анионе происхо­дит полная делокализация π-электронной плотности, вследствие чего отрица­тельный заряд поровну распределяется между двумя атомами кислорода:

Симметричное строение аниона, равноценность атомов кислорода, оди­наковые длины связей углерод—кислород подтверждаются данными рентге­ноструктурного анализа.

Строение радикала влияет на кислотные свойства карбоновых кислот. В целом электроноакцепторные заместители усиливают кислотность, а электронодонорные — снижают. Длина и разветвленность насыщенного алкиль­ного радикала не оказывают существенного влияния на кислотные свойства. Так, значения рК_а насыщенных алифатических кислот С₂—С₉ изменяются в пределах 4,8—5,0.

Ненасыщенные и ароматические кислоты обладают несколько большей кислотностью, чем насыщенные алифатические кислоты. Ароматические кис­лоты с заместителем в орто-положении более сильные кислоты, чем мета- и пара-изомеры, независимо от типа заместителя. В ряде случаев, например, у салициловой кислоты, повышенная кислотность орто-изомеров объясняется стабилизацией аниона за счет образования внутримолекулярных водородных связей:

Влияние электроноакцепторных заместителей на кислотные свойства карбоновых кислот в алифатическом ряду подчиняется довольно четким зако­номерностям как по числу этих заместителей, так и по взаимному расположе­нию электроноакцепторной и карбоксильной групп. Вследствие затухания индуктивного эффекта второй карбоксильной группы кислотные свойства дикарбоновых кислот (по первой ступени диссоциации) уменьшают­ся по мере удаления карбоксильных групп друг от друга.

27. Карбоновые кислоты: реакции нуклеофильного замещения, механизм; образование функциональных производных.

Реакции нуклеофильного замещения.

Одну из важнейших групп реакций, характерных для карбоновых кислот, составляют реакции нуклеофильного замещения у sp²-¹²C карбоксильной группы, в результате которых гидроксильная груп­па замещается на другой нуклеофил. За счет положительного мезомерного эф­фекта гидроксильной группы электрофильность атома углерода карбоксиль­ной группы значительно ниже, чем у атома углерода карбонильной группы альдегидов и кетонов, поэтому реакции нуклеофильного замещения в карбок­сильной группе проводятся в присутствии кислотного катализатора. Исполь­зуются также иные приемы, суть которых сводится к превращению плохой уходящей группы НО^- в хорошую. В результате этих реакций образуются функциональные производные карбоновых кислот — сложные эфиры, амиды, ангидриды, галогенангидриды и др.

Реакции замещения у sp²-гибридизованного атома углерода карбоксиль­ной группы по своему результату относительно участвующего во взаимодейст­вии нуклеофильного реагента могут рассматриваться как реакции ацилирования, поскольку они сопровождаются введением в молекулу нуклеофильного реагента ацильной группы R—СО—. Важнейшие ацильные группы — ацетил СН₃СО—, формил НСО—, бензоил С₆Н₅СО—.

Образование сложных эфиров. При взаимодействии карбоновых кислот со спиртами в присутствии кислотных катализаторов образуются сложные эфиры, а сама реакция называется реакцией этерификации:

В качестве катализаторов используют концентрированную серную кислоту, газообразный хлороводород, сульфоновые кислоты, катионообменные смолы в Н⁺-форме.

В случае сильных карбоновых кислот, таких, как щавелевая, му­равьиная, трифтороуксусная, отпадает необходимость добавления минеральной кислоты, так как подобные карбоновые кислоты сами катализируют реакцию:

Реакция этерификации, как и многие другие реакции замещения у тригонального атома углерода, чаще всего протекает по тетраэдрическому механиз­му, обозначаемому А_АС2 (кислотнокатализируемая ацильная бимолекулярная реакция). На стадии катализа протонируется карбонильный атом кислорода молекулы карбоновой кислоты; гидроксильная группа не присоединяет про­тон, потому что неподеленная пара электронов атома кислорода находится в сопряжении с карбонильной группой. Возникший карбокатион (I) обладает значительно более сильными электрофильными свойствами, чем исходная карбоновая кислота, и поэтому может присоединять даже слабый нуклеофил, каким является молекула спирта. В образовавшемся катионе (II) происходит перенос протона к одной из гидроксильных групп, и при этом формируется хорошая уходящая группа — молекула воды. После отщепления воды от кати­она (III) и возврата катализатора образуется сложный эфир.

Все стадии реакции этерификации обратимы; обратная реакция представ­ляет собой катализируемый кислотой гидролиз сложных эфиров. При получе­нии сложных эфиров смещение равновесия вправо достигается разными спо­собами: удалением воды азеотропной отгонкой или с помощью осушителей, либо с применением большого избытка спирта или кислоты, если тот или дру­гой реактив достаточно доступен. Смещение равновесия достигается также путем отгонки образующегося сложного эфира.

Одним из доказательств приведенного выше механизма является то, что при гидролизе сложных эфиров водой, меченной по кислороду, изотопная метка целиком оказывается в образовавшейся кислоте:

Образование галогенангидридов. При взаимодействии карбоновых кислот с галогенидами фосфора(III) или фосфора(V), а также с фосфорилхлоридом РOС1₃, образуются галогенангидриды, иначе называемые ацилгалогенидами:

Для получения хлорангидридов, особенно высококипящих, часто исполь­зуют также тионилхлорид SOC1₂:

Механизм реакции включает образование промежуточного смешанного ангидрида карбоновой и сернистой кислот (I), неорганическая часть которого является хорошей уходящей группой. Далее смешанный ангидрид подвергается нуклеофильной атаке хлорид-ионом и через тетраэдрический интермедиат (II) превращается в хлорангидрид.

Образование ангидридов. Под действием такого сильного водоотнимаю­щего средства, как оксид фосфора(V), карбоновые кислоты превращаются в ангидриды:

Образование амидов. При нагревании аммониевых солей карбоновых кислот получаются амиды:

При взаимодействии карбоновых кислот с первичными или вторичными аминами образуются соответственно моно- и дизамещенные амиды:

27. Функциональные производные карбоновых кислот. Реакции нуклеофильного замещения у sp²–гибридного атома углерода (вопр. 43 и др.), механизм, роль кислотного и основного катализа. Ацилирующая способность функциональных производных карбоновых кислот. Химическая идентификация функциональных производных.

Функциональными производными называют производные карбоновых кислот, у которых ОН-группа замещена нуклеофильной частицей Z. Нуклеофильное замещение в карбок­сильной группе приводит к образованию функциональных производных кар­боновых кислот общей формулы R— C(О)Z. Химическая природа фрагмента Z варьирует в широком диапазоне, что обусловливает разнообразие функци­ональных производных.

Функциональные производные, подобно карбоновым кислотам, способ­ны вступать в реакции ацилирования, и поэтому их можно рассматривать как ацильные производные различных нуклеофилов. Реакции ацилирования приво­дят к образованию других функциональных производных карбоновых кислот.

Реакции ацилирования с участием функциональных производных карбо­новых кислот представляют собой реакции нуклеофильного замещения у sp²-гибридизованного атома углерода:

Реакционная способность функциональных производных в реакциях аци­лирования (ацилирующая способность) зависит от природы частицы Z и коррелируется со стабильностью уходящего аниона Z^-: (!) чем стабильнее анион, тем выше реакционная способность ацильного производного.

Наибольшей ацилирующей активностью обладают галогенангидриды и ангидриды, так как их ацильные остатки соединены с хорошими уходящими группами — галогенид-ионами и анионами карбоновых кислот. Сложные эфиры и амиды проявляют более низкую ацилирующую способность, потому что соответственно алкоксид- и амид-ионы не относятся к стабильным анио­нам и не являются хорошими уходящими группами. Такой подход к оценке ацилирующей способности показан ниже на примере сопоставления наиболее важных функциональных производных карбоновых кислот:

Место других ацильных производных в этом ряду можно прогнозировать, сравнивая относительную стабильность уходящих групп. При этом положение в ряду функциональных производных не следует рассматривать как раз и на­всегда заданное. Например, известно, что сложные эфиры менее реакцион­носпособны, чем карбоновые кислоты, но имеются случаи, когда уходящая группа R'O^- более стабильна, чем гидроксид-ион.

Так, сложные эфиры п-нит­рофенола продуцируют хорошую уходящую группу — п-нитрофенолят-ион, а потому являются более сильными ацилирующими агентами, чем карбоновые кислоты (это обстоятельство используется в пептидном синтезе).

Реакции ацилирования протекают в основном по тетраэдрическому меха­низму, который включает две стадии. Первая, медленная стадия состоит в при­соединении нуклеофила по двойной связи С=О и образовании тетраэдриче­ского интермедиата. На стадии происходит отщепление уходящей группы.

Реакции ацилирования катализируются как кислотами, так и основания­ми. Катализируемая кислотами бимолекулярная реакция А_АС2 включает до­полнительно стадию присоединения протона (катализатора) и стадию регене­рации катализатора. По этому механизму протекают уже упоминавшиеся ре­акции этерификации и кислотного гидролиза сложных эфиров. Тетраэдрический механизм реализуется также в условиях основного катализа и сокращенно обозначается В_АС2, т. е. катализируемая основанием ацильная бимолекулярная реакция.

Галогенангидриды.

Галогенангидридами называются функциональные производные карбоно­вых кислот общей формулы RC(О)Hal. Термин «галогенангидрид» нельзя признать удачным, так как «ангидрид» означает удаление воды, чего не наблюдается при превращении карбоновой кислоты в галогенангидрид. Тем не менее именно этот термин используется в русской химической номенклатуре.

Галогенангидриды представляют собой жидкости или твердые вещества с резким навязчивым запахом, сильно раздражают кожу и слизистые оболочки. Практическое значение имеют ацилхлориды и ацилбромиды.

Реакции ацилирования. Галогенангидриды относятся к наиболее актив­ным ацилирующим агентам, их используют для получения большинства дру­гих функциональных производных карбоновых кислот [(2)-(6)]. Ацилгалогениды очень легко гидролизуются в карбоновые кислоты [(1)], поэтому их хранят в условиях, исключающих доступ влаги воздуха. C помощью галогенангидридов удается проацилировать такие соедине­ния, которые не вступают в реакцию с другими ацилирующими агентами, на­пример, третичные спирты и фенолы.

Восстановление. Галогенангидриды восстанавливают комплексными гид­ридами металлов в первичные спирты:

Гидрирование галогенангидридов на палладиевом катализаторе приводит к альдегидам:

Ангидриды.

Ангидридами называются функциональные производные карбоновых кислот общей формулы RC(O)OC(O)R’.

Ангидриды можно рассматривать как продукты отщепления воды от кар­боксильных групп двух молекул монокарбоновой кислоты или одной молеку­лы дикарбоновой кислоты. Существуют три основных типа ангидридов — сим­метричные, включающие остатки одинаковых карбоновых кислот, смешанные, содержащие остатки разных кислот, в том числе минеральных, и циклические ангидриды — производные дикарбоновых кислот:

Ангидриды представляют собой жидкости или твердые вещества, низшие ангидриды имеют раздражающий запах, похожий на запах соответствующей кислоты.

Реакции ацилирования. Высокая ацилирующая способность ангидридов используется для получения большинства функциональных производных кар­боновых кислот, как показано на примере уксусного ангидрида:

Реакции ацилирования протекают в условиях как кислотного, так и ос­новного катализа или без катализатора. В качестве кислотных катализаторов применяют серную и фосфорную кислоты, хлорид цинка, n-толуолсульфоновую кислоту и др. Ацетат натрия, алкоголяты и феноляты щелоч­ных металлов применяют как основные катализаторы. Ангидриды, как и гало­генангидриды, способны ацилировать такие малоактивные нуклеофилы, как третичные и другие пространственно затрудненные спирты, алкилфенолы, низкоосновные ароматические амины.

Из симметричных ангидридов наибольшее значение имеет уксусный ан­гидрид (ацетангидрид). Использование других симметричных ангидридов в реакциях ацилирования не оправдано из-за того, что при ацилировании ан­гидридами на один моль нуклеофила расходуется один моль ангидрида, т. е. идет двойной расход исходной карбоновой кислоты.

С помощью смешанных ангидридов в молекулу нуклеофила вводится остаток более слабой кислоты, потому что анион сильной кислоты является хорошей уходящей группой. Так, при ацилировании муравьиноуксусным или уксуснотрифтороуксусным ангидридом уходящими группами будут соответ­ственно формиат- и трифтороацетат-ионы: