Сложные эфиры. Кислотный и щелочной гидролиз сложных эфиров. Переэтерификация. Аммонолиз. Сложноэфирная конденсация

Сложными эфирами называются функциональные производные карбоновых кислот общей формулы RC(0)0R'.

Способы получения. Наиболее значимым способом получения сложных эфиров является ацилирование спиртов и фенолов различными ацилирующими агентами, например, карбоновой кислотой, хлорангидридами, ангидридами. Они могут быть также получены по реакции Тищенко.

Сложные эфиры с высокими выходами получают путем алкилирования солей карбоновых кислот алкилгалогенидами:

Сложные эфиры образуются в результате электрофильного присоединения карбоновых кислот к алкенам и алкинам. Реакция часто применяется для получения сложных эфиров третичных спиртов, например трет -бутиловых эфиров:

Присоединением уксусной кислоты к ацетилену получают промышленно важный мономер винилацетат, в качестве катализатора используют ацетат цинка на активированном угле:

Гидролиз. Важнейшей из реакций ацилирования является гидролиз сложных эфиров с образованием спирта и карбоновой кислоты:

Реакция осуществляется как в кислой, так и в щелочной среде. Кислотно-катализируемый гидролиз сложных эфиров — реакция, обратная этерификации, протекает по тому же самому механизму Алс 2

Щелочной гидролиз необратим, в процессе реакции на моль эфира расходуется моль щелочи, т. е. щелочь в этой реакции выступает в качестве расходуемого реагента, а не катализатора:

Гидролиз сложных эфиров в щелочной среде протекает по бимолекулярному ацильному механизму ВАС2 через стадию образования тетраэдрического интермедиата (I). Необратимость щелочного гидролиза обеспечивается практически необратимым кислотно-основным взаимодействием карбоновой кислоты (И) и алкоксид-иона (III). Образовавшийся анион карбоновой кислоты (IV) сам является довольно сильным нуклеофилом и потому не подвергается нуклеофильной атаке.

Переэтерификация. С помощью этой реакции осуществляется взаимопревращение сложных эфиров одной и той же кислоты по схеме:

Переэтерификация — обратимый процесс, катализируется как кислотами, так и основаниями, и протекает по тем же механизмам, что и реакции этерификации и гидролиза сложных эфиров. Равновесие смещают общеизвестными приемами, а именно применением избытка спирта-реагента (R"OH на приведенной схеме — для смещения вправо) или отгонкой одного из продуктов реакции, если он — самый низкокипящий компонент. Переэтерификацией, например, получают известный анестетик новокаин (основание) из этилового эфира л-аминобензойной кислоты:

Сложноэфирная конденсация. При конденсации двух молекул сложного эфира в присутствии основного катализатора образуются эфиры β-оксокислот:

Молекула этилацетата обладает слабыми СН-кислотными свойствами за счет индуктивного эффекта сложноэфирной группы и способна взаимодействовать с сильным основанием — этоксид-ионом:

Амиды карбоновых кислот. Способы получения. Строение амидной группы. Кислотно-основные свойства амидов. Кислотный и щелочной гидролиз. Расщепление амидов галогенами в щелочной среде и азотистой кислотой. Дегидратация в нитрилы.

Амидами называются функциональные производные карбоновых кислот обшей формулы R—С(О)—NH2_nR'„, где п = 0—2.

Способы получения. Наиболее важным методом получения амидов является ацилирование аммиака и аминов галогенангидридами, ангидридами и сложными эфирами.

Ацилирование аммиака и аминов галогенангидридами. Реакция ацилирования аммиака и аминов галогенангидридами экзотермична и проводится при охлаждении:

Ацилирование аммиака и аминов ангидридами. Для ацетилирования аминов чаще всего используется самый доступный из ангидридов — уксусный ангидрид:

Аммонолиз сложных эфиров. Амиды получают с помощью аммонолиза сложных эфиров. Например, при действии водного аммиака на диэтилфумарат образуется полный амид фумаровой кислоты:

Строение амидов. Электронное строение амидной группы в значительной степени сходно со строением карбоксильной группы. Амидная группа является р,л-сопряженной системой, в которой неподеленная пара электронов атома азота сопряжена с электронами л-связи С=0. Делокализация электронной плотности в амидной группе может быть представлена двумя резонансными структурами:

За счет сопряжения связь С—N в амидах имеет частично двоесвязанный характер, длина ее существенно меньше длины одинарной связи в аминах, тогда как связь С=0 несколько длиннее, чем связь С=0 в альдегидах и кетонах. Амидная группа из-за сопряжения имеет плоскую конфигурацию. Ниже приведены геометрические параметры молекулы iV-замещенного амида, установленные с помощью рентгеноструктурного анализа:

Кислотно-основные свойства. Амиды обладают слабыми как кислотными, так и основными свойствами. Основность амидов лежит в пределах значений рА"вн+ от -0,3 до —3,5. Причиной пониженной основности аминогруппы в амидах является сопряжение неподеленной пары электронов атома азота с карбонильной группой. При взаимодействии с сильными кислотами амиды протонируются по атому кислорода как в разбавленных, так и в концентрированных растворах кислот. Такого рода взаимодействие лежит в основе кислотного катализа в реакциях гидролиза амидов:

Реакции ацилирования. Вследствие наличия в сопряженной системе амидов сильной электронодонорной аминогруппы электрофильность карбонильного атома углерода, а следовательно, и реакционная способность амидов в реакциях ацилирования очень низкая. Низкая ацилирующая способность амидов объясняется также и тем, что амид-ион NH2- — плохая уходящая группа. Из числа реакций ацилирования практическое значение имеет гидролиз амидов, который можно проводить в кислой и щелочной средах. Амиды гидролизуются намного труднее, чем другие функциональные производные карбоновых кислот. Гидролиз амидов проводится в более жестких условиях по сравнению с гидролизом сложных эфиров.

Кислотный гидролиз амидов — необратимая реакция, приводящая к образованию карбоновой кислоты и аммониевой соли:

Щелочной гидролиз тоже необратимая реакция; в результате ее образуются соль карбоновой кислоты и аммиак или амин:

Расщепление азотистой кислотой. При взаимодействии с азотистой кислотой и другими нитрозирующими агентами амиды превращаются в соответствующие карбоновые кислоты с выходами до 90%:

Угольная кислота и ее функциональные производные; фосген, хлоругольные эфиры, карбаминовая кислота и ее эфиры (уретаны). Карбамид (мочевина), основные и нуклеофильные свойства. Гидролиз мочевины. Ацилмочевины (уреиды), уреидокислоты. Взаимодействие мочевины с азотистой кислотой и гипобромитами. Гуанидин, основные свойства.

Угольная кислота традиционно не относится к органическим соединениям, но она сама и ее функциональные производные имеют определенное сходство с карбоновыми кислотами и их производными, поэтому и рассматриваются в настоящей главе.

Двухосновная угольная кислота — неустойчивое соединение, легко распадается на диоксид углерода и воду. В водном растворе углекислого газа лишь 0,1% его существует в виде угольной кислоты. Угольная кислота образует два ряда функциональных производных — полные (средние) и неполные (кислые). Кислые эфиры, амиды и другие производные нестабильны и разлагаются с выделением диоксида углерода:

Полный хлорангидрид угольной кислоты — фосген СОС1₂ — низкокипящая жидкость с запахом прелого сена, очень ядовит, вызывает отек легких, образуется в качестве вредной примеси при фотохимическом окислении хлороформа в результате неправильного хранения последнего.

В промышленности фосген получают радикальным хлорированием оксида углерода (II) в реакторе, заполненном активированным углем:

Фосген, подобно хлорангидридам карбоновых кислот, обладает высокой ацилирующей способностью, из него получают многие другие функциональные производные угольной кислоты.

При взаимодействии фосгена со спиртами образуются сложные эфиры двух типов — полные (карбонаты) и неполные (хлороугольные эфиры, или хлороформиаты), последние одновременно являются и сложными эфирами, и хлорангидридами. В качестве акцептора хлороводорода и нуклеофильного катализатора при этом используют третичные амины или пиридин.

Карбаминовая кислота — неполный амид угольной кислоты — неустойчивое соединение, распадается с образованием аммиака и диоксида углерода:

Эфиры карбаминовой кислоты — карбаматы, или уретаны, — устойчивые соединения, получаемые в результате присоединения спиртов к изоцианатам или ацилированием аммиака и аминов соответствующим хлороформиатом:

Мочевина (карбамид) — полный амид угольной кислоты — впервые была выделена из мочи И. Руэлем (1773). Она является важнейшим конечным продуктом белкового обмена у млекопитающих; взрослый человек выделяет в сутки 25—30 г мочевины. Мочевина была впервые синтезирована Ф. Вёлером (1828) при нагревании цианата аммония:

Этот синтез был первым примером получения органического вещества из неорганического соединения.

В промышленности мочевину получают из аммиака и диоксида углерода при повышенных давлении и температуре (180—230 °С, 150—200 атм):

Мочевина обладает слабыми основными свойствами (р.йГвн+0,1), образует соли с сильными кислотами. Соли азотной и щавелевой кислот нерастворимы в воде.

Мочевина протонируется по атому кислорода, а не азота. Это, вероятно, связано с делокализацией неподеленных пар электронов атомов азота за счет р,π-сопряжения.

В кипящей воде мочевина гидролизуется с образованием аммиака и диоксида углерода; кислоты и основания катализируют эту реакцию:

Первичными продуктами, образующимися при нагревании мочевины, являются аммиак и изоциановая кислота. Изоциановая кислота может тримеризоваться в циануровую кислоту или конденсироваться со второй молекулой мочевины с образованием биурета. В зависимости от скорости нагрева доминирует тот или иной путь разложения мочевины:

Действие гипогалогенитов также приводит к разложению мочевины. В зависимости от условий могут образовываться азот или гидразин; последний именно так получают в промышленности:

Мочевина проявляет нуклеофильные свойства также в реакциях алкилирования и ацилирования. Алкилирование мочевины в зависимости от алкилирующего агента может приводить к О- и TV-алкильным производным:

Гуанидин, или иминомочевину (H₂N)₂C=NH, в промышленности получают сплавлением мочевины с нитратом аммония или при нагревании эфиров ортоугольной кислоты с аммиаком:

Гуанидин — бесцветное кристаллическое вещество, обладает сильными основными свойствами. Высокая основность на уровне гидроксидов щелочных металлов обусловлена полной делокализацией положительного заряда в симметричном катионе гуанидиния:

Остатки гуанидина и бигуанидина содержатся в некоторых природных соединениях и лекарственных веществах: