8 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ и РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КАРБОНОВЫХ

№ 8. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ и РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И их ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ

Классификация Карбоновыми кислотами называются соединения, содержащие карбоксильную группу —СООН.

Классификация

Монокарбоновые кислоты Номенклатура и изомерия этановая кислота бутановая кислота 2 -метилпропановая кислота

Монокарбоновые кислоты Номенклатура и изомерия 2 -метилбензойная кислота 4 -метилбензойная кислота 3 -метилбензойная кислота

Монокарбоновые кислоты Номенклатура и изомерия Систематические и тривиальные названия монокарбоновых кислот С 1 -С 1 Формула Систематическое название Тривиальное название HCOOH метановая кислота муравьиная кислота CH 3 COOH этановая кислота уксусная кислота CH 3 CH 2 COOH пропановая кислота пропионовая кислота CH 3(CH 2)2 COOH бутановая кислота масляная кислота CH 3(CH 2)3 COOH пентановая кислота валериановая кислота CH 3(CH 2)4 COOH гексановая кислота капроновая кислота CH 3(CH 2)5 COOH гептановая кислота энантовая кислота CH 3(CH 2)6 COOH октановая кислота каприловая кислота CH 3(CH 2)7 COOH нонановая кислота пеларгоновая кислота CH 3(CH 2)8 COOH декановая кислота каприновая кислота

Монокарбоновые кислоты Физические свойства

Физические и биологические свойства Низшие жирные кислоты представляют собой легкоподвижные жидкости, средние члены – масла, высшие – твёрдые кристаллические вещества. Рис. 1. Температуры плавления карбоновых кислот.

Монокарбоновые кислоты Физические свойства димерный ассоциат уксусной кислоты линейный ассоциат муравьиной кислоты

Рис. 2. Температуры кипения в гомологическом ряду карбоновых кислот, альдегидов и спиртов. 11 2/13/2018

• Первые члены гомологического ряда карбоновых кислот обладают резким запахом, средние – прогорклым, неприятным, например, масляная кислота пахнет потом, высшие карбоновые кислоты вследствие нелетучести лишены запаха. • Карбоновые кислоты, как правило, не ядовиты, однако приём внутрь концентрированных растворов (например, уксусной эссенции) вызывает тяжёлые ожоги. Нежелательно попадание этих растворов на кожу и тем более внутрь. 12 2/13/2018

Монокарбоновые кислоты Химические свойства

Монокарбоновые кислоты Химические свойства 1. Кислотные свойства

Монокарбоновые кислоты Химические свойства

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Кислотные свойства p. Ka 4, 76 2, 85 дихлоруксусная кислота монохлоруксусная кислота 1, 25 трихлоруксусная кислота 0, 66

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Кислотные свойства p. Ka -хлормасляная кислота 2, 84 -хлормасляная кислота 4, 06 -хлормасляная кислота 4, 52 масляная кислота 4, 82

Монокарбоновые кислоты Функциональные производные карбоновых кислот хлорангидрид сложный эфир амид ангидрид

Монокарбоновые кислоты Функциональные производные карбоновых кислот 2. Реакции нуклеофильного замещения 1. Сильный нуклеофил 2. Хорошая уходящая группа 3. Величина + заряда на >С=О

• кислотный катализ

• щелочной катализ

Монокарбоновые кислоты Ацилирующая способность функциональных производных карбоновых кислот хлорангидрид хлорид-ион ангидрид карбоксилат-ион карбоновая кислота сложный эфир гидроксид-ион алкоксид-ион амид-ион

Гидролиз производных карбоновых кислот

Монокарбоновые кислоты Сложные эфиры — это функциональные производные карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа заменена остатком спирта или фенола —OR.

Сложные эфиры 30 2/13/2018

Монокарбоновые кислоты Сложные эфиры ПОЛУЧЕНИЕ: 1. и 2.

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Реакции нуклеофильного замещения 3. Реакция этерификации по Фишеру

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Реакции нуклеофильного замещения Реакция этерификации по Фишеру МЕХАНИЗМ:

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Реакции нуклеофильного замещения Реакция этерификации

Переэтерификация

Монокарбоновые кислоты Сложные эфиры Гидролиз

Монокарбоновые кислоты Сложные эфиры Механизм щелочного гидролиза

1) Тиоэфирный анион R'S является более сильным нуклеофилом, чем алкоксианион R'O , 2) группа SR' менее, чем ОR', понижает + на углеродном атоме карбоксильной группы вследствие своего меньшего -Iэффекта; 3) группа R'S является лучшей уходящей группой, чем группа R'O , так как на ней лучше делокализовано облако отрицательного заряда.

Кофермент А, Ко. А, кофермент ацетилирования (или ацилирования), , принимает участие в реакциях переноса ацильных групп.

Молекула Со. А состоит из остатка адениловой кислоты (1), связанной пирофосфатной группой (2) с остатком пантотеновой кислоты(3), которая соединена пептидной связью с остатком βмеркаптоэтаноламина (4)

In vivo ацилирование происходит с помощью производного – ацил-Ко. А, который, в свою очередь может образовываться из свободной карбоновой кислоты и коэнзима А с участием АТФ

Синтез в организме нейромедиатора ацетилхолина:

Холин Ацетилхолин

Ацетилхолину принадлежит важная роль как медиатору ЦНС. Он участвует в передаче импульсов в разных отделах мозга, при этом малые концентрации облегчают, а большие — тормозят синаптическую передачу. Изменения в обмене ацетилхолина могут привести к нарушению функций мозга. Недостаток его во многом определяет клиническую картину такого опасного нейродегенеративного заболевания, как болезнь Альцгеймера. Медиатор(-ы) (лат. mediator — посредник; син. нейромедиатор) — биологически активные вещества, выделяемые нервным окончанием и являющиеся посредниками в процессе синаптической передачи.

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Реакции нуклеофильного замещения Образование галогенангидридов

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Реакции нуклеофильного замещения Образование ангидридов кислот

Монокарбоновые кислоты Амиды — это функциональные производные карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа заменена на аминогруппу

Монокарбоновые кислоты Химические свойства Реакции нуклеофильного замещения Образование амидов

Монокарбоновые кислоты Амиды

Монокарбоновые кислоты Амиды пропанамид N-метилбутанамид

Амиды

Монокарбоновые кислоты Амиды Гидролиз

• Альтернативным вариантом превращения амидов в карбоновые кислоты является их обработка азотистой кислотой: R C(=O)NH 2 + HNO 2 [+ HCl] RCOOH + N 2 + H 2 O.

• Конденсация хлорангидрида терефталевой кислоты с п-фенилендиамином приводит к кевлару: Прочность кевлара в пять раз выше, чем у стали и в 10 раз выше, чем у алюминия. Из кевлара изготавливают пуленепробиваемые жилеты, паруса для гоночных яхт, 59 арматуру для пневматических шин и каски для гонщиков 2/13/2018

Монокарбоновые кислоты Ацилирующая способность функциональных производных карбоновых кислот

Монокарбоновые кислоты Реакции с участием радикалов монокарбоновых кислот Галогенирование насыщенных алифатических кислот (реакция Гелля—Фольгарда—Зелинского)

Монокарбоновые кислоты Реакции с участием радикалов монокарбоновых кислот Реакции электрофильного присоединения к ненасыщенным кислотам

Взаимодействие с карбанионами. Сложноэфирная конденсация Клайзена Механизм:

Источник ацетильной группы ацетилфосфат представляет собой производное карбоновой (в данном случае уксусной) и минеральной (фосфорной) кислот:

Аденозинтрифосфат

Ацилфосфаты с различными ацильными группами наряду с тио- эфирами являются переносчиками этих ацильных групп к различным соединениям, имеющим в своих структурах нуклеофильные группы OH, SH, NH 2 –, так как фосфат-анион RO (HPO 3) является очень хорошей уходящей группой.

БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ БЕНЗОЛЬНОГО И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКОГО РЯДОВ, МЕТАБОЛИТЫ И БИОРЕГУЛЯТОРЫ • . САЛИЦИЛОВАЯ КИСЛОТА КАК ПРЕДСТАВИТЕЛЬ ФЕНОЛОКИСЛОТ Она обладает антиревматическим, жаропонижающим и антигрибковым действием, но поскольку является сильной кислотой, применяется только наружно.

ПРОИЗВОДНЫЕ САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТЫ, ИХ СТРОЕНИЕ И МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. обладает противовоспалительным, жаропонижающим и анальгезирующим действием. » Салицилат натрия

Метилсалицилат • Метилсалицилат из-за раздражающего и токсического действия используется только наружно; входит в состав мазей и натирок.

Фенилсалицилат • Фенилсалицилат в кислой среде желудка не гидролизуется, а распадается только в кишечнике. Применяется как дезинфицирующее средство при кишечных заболеваниях, используется также в качестве материала для защитных оболочек некоторых лекарственных средств, которые нестабильны в кислой среде желудка.

Ацетилсалициловая кислота (аспирин) • Ацетилсалициловая кислота (аспирин) обладает противовоспалительным, жаропонижающим и анальгезирующим действием, а также используется как антиагрегант (препятствует агрегации тромбоцитов и тромбообразованию).

п-АМИНОФЕНОЛ И ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ • п-Аминофенол менее токсичен, чем анилин, но действует разрушающе на эритроциты и не обладает жаропонижающим действием. Его производные — фенацетин и парацетамол обладают жаропонижающим и болеутоляющим действием: фенацетин 1 -этокси-4 -ацетаминобензол парацетамол п-ацетаминофенол

п-АМИНОБЕНЗОЙНАЯ КИСЛОТА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫЕ • п-Аминобензойная кислота (ПАБК) обладает свойствами как ароматических кислот, так и ароматических аминов. Ее называют фактором роста микроорганизмов, поскольку ПАБК участвует в синтезе фолиевой кислоты (витамина Вс). При недостатке или отсутствии последней микроорганизмы теряют способность к росту и размножению.

Эфиры ПАБК вызывают местную анестезию.

Кокаин

Листья коки Кокаи н — метиловый сложный эфир бензоилэкгонина, алкалоид тропанового ряда, обладает местноанестезирующим и наркотическим действием. Наряду с другими алкалоидами содержится в растениях рода Эритроксилум (Erythroxylum), в частности: Кокаиновый куст (Erythroxylum coca), Erythroxylum laetevirens, Erythroxylum novogranatense, Erythroxylum recurrens, Erythroxylum steyermarkii и др. , распространённых в тропической зоне Южной Америки.

Ряд новых местных анестетиков — бупивакаин и артикаин (ультракаин) ряд :

СУЛЬФАНИЛОВАЯ КИСЛОТА. СУЛЬФАНИЛАМИДЫ АНТИМЕТАБОЛИТЫ п-АМИНОБЕНЗОЙНОЙ КИСЛОТЫ. КАК Антибактериальное действие сульфаниламидов основано на том, что они являются антиметаболитами по отношению к п-аминобензойной кислоте, участвующей в биосинтезе фолиевой кислоты в микроорганизмах.

Амид сульфаниловой кислоты имеет строение сходное с ПАБК.

Избирательность антимикробного действия основана на том, что в организме человека фолиевая кислота не синтезируется. Человек получает готовую фолиевую кислоту из растительных продуктов питания, а ряд микроорганизмов синтезируют ее самостоятельно. Сульфаниламидные препараты, благодаря структурному и химическому сходству с ПАБК могут конкурентно препятствовать синтезу дигидрофолиевой кислоты и ее превращению в тетрагидрофолиевую кислоту, необходимую для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот, вследствие чего рост и размножение микроорганизмов подавляется.

этазол сульфадиметоксин сульфапиридазин

НИКОТИНОВАЯ КИСЛОТА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫЕ • Никотиновая кислота и ее амид известны как две формы витамина РР и применяются при лечении пеллагры. Кордиамин — является эффективным стимулятором центральной нервной системы (дыхательного и сосудодвигательного центров).

Никотинамид входит в состав никотинамидных коферментов НАД+, НАДН 2, НАДФ+ и НАДФН 2.

В организме человека с участием НАД+ происходит окисление гидроксилсодержащих соединений, например, молочной кислоты в пировиноградную:

ИЗОНИКОТИНОВАЯ КИСЛОТА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫЕ применяются для лечения туберкулеза

БАРБИТУРОВАЯ КИСЛОТА, ТАУТОМЕРНЫЕ ФОРМЫ. БАРБИТУРАТЫ.

5, 5 -Дизамещенные производные барбитуровой кислоты, называются барбитуратами. Для барбитуратов характерна только лактам-лактимная таутомерия:

МОЧЕВАЯ КИСЛОТА И ЕЕ СОЛИ. Мочевая кислота является конечным продуктом обмена пуриновых соединений в организме, выделяется с мочой в количестве 0, 5 – 1 г в сутки. Она представляет собой кристаллическое вещество плохо растворимое в воде, со слабо выраженными кислотными свойствами, обусловленными енолизацией (переходом в лактимную форму) и поэтому растворяется в щелочах, образуя средние соли (ураты) с двумя эквивалентами щелочи. Средние соли щелочных металлов (Na, K, Li) хорошо растворимы в воде, кислые соли, за исключением литиевых, плохо растворимы в воде. Очень плохо растворимы в воде ураты аммония; «мочевые камни» , «мочевой песок» часто состоят из кислого урата аммония.

Особенности химического поведения полифункциональных соединений Полифункциональные соединения Полиолы: гликоли, глицерины, тетриты, пентиты, гекситы Полиамины Поликарбоновые кислоты (дикарбоновые кислоты, трикарбоновые кислоты) Гетерофункциональные соединения Аминоспирты Аминокислоты Оксикислоты Альдегидокислоты Кетокислоты Гетероциклические соединения (азотсодержащие гетероциклы, гетероциклы с разными гетероатомами)

1. Кислотно-основные свойства полифункциональных соединений Вицинальные (от лат. vicinus соседний) диолы (гликоли) Полиолы алифатич. ряда р. Ка СН 2 ОН 13, 3 НОСН 2 ОН (антифриз) 15, 1 18 СН 3 СН 2 ОН Кислотность полиолов растёт в ряду спирты < гликоли < глицерины снизу вверх.

Увеличение числа гидроксильных групп приводит к более высокой растворимости полиолов в воде и повышает температуру кипения и температуру плавления ( за счет образования Н-связей ) Спирты Темп. плав. , С Темп. кип. , С Этанол 114 78 Пропанол 126 97 Этиленгликоль 13 197 Глицерин 18, 6 290 Пентаэритрит (пентаол) 260 Фенол 41 182 п-Крезол 35 202 Пирокатехин (1, 2 -дигидроксибензол) 105 245 Резорцин (1, 3 -дигидроксибензол) 110 280 Гидрохинон (1, 4 -дигидроксибензол) 172 286 Пирогаллол (1, 2, 3 -тригидроксибензол) 132 133 309 Флороглюцин (1, 3, 5 -тригидроксибензол) 217 219 Возгонка

Кислотные свойства фенолов, в отличие от полиолов алифатического ряда, уменьшаются по мере увеличения числа гидроксильных групп.

Пирокатехин (ортодиоксибензол) — двухатомный фенол. Восстановитель. Применяют в фотографии как проявитель, в производстве красителей, лекарственных веществ (адреналин). Катехоламины. Гваякол. Резорцин — мета-диоксибензол применяется в производстве синтетических красителей; некоторых полимеров; в медицине- как обеззараживающее средство при лечении кожных заболеваний (дубящие свойства) Гидрохинон (парадиоксибензол) —легко окисляется (восстанавливает соли серебра на холоду). Применяется в фотографии как проявитель, в синтезе органических красителей, как антиоксидант.

Реакция обратимого окисления гидрохинона в хинон лежит в основе действия кофермента убихинона in vivo.

Схема. Коэнзим Q.

Кислотно-основные свойства дикарбоновых кислот

Кислота р. Ка 1 р. Ка 2 Уксусная СН 3 СООН 4, 76 Щавелевая НООС СООН 1, 23 4, 27 Малоновая НООС СН 2 СООН 2, 83 5, 70 Янтарная НООС (СН 2)2 СООН 4, 19 5, 64 Бензойная С 6 Н 5 СООН 4, 17 Фталевая НООС С 6 Н 4 СООН (орто) Терефталевая (пара) 2, 58 НООС С 6 Н 4 СООН 3, 51 5, 62 Малеиновая (цис) НООС СН=СН СООН 1, 92 6, 23 Фумаровая (транс) НООС СН=СН СООН 3, 02 4, 38

Кислотно-основные свойства дикарбонильных соединений Для ацетилацетона (пентандиона-1, 3) р. Ка = 9, у СН 4 аналогичная С Н-кислотность характеризуется р. Ка = 40

2. Циклизация полифункциональных соединений Циклизация диолов: а) внутримолекулярная дегидратация (цикл. простой эфир)

б) межмолекулярная дегидратация (цикл. простой эфир) в) образование циклических ацеталей из кетонов и 1, 2 -диолов

Циклизация дикарбоновых кислот. Щавелевая и малоновая кислоты – при нагревании до 140 -150 o С не циклизуются, а теряют молекулу СО 2 (декарбоксилируются): НООС–СООН = НСООН + СО 2 ; НООС–СН 2–СООН = СН 3–СООН + СО 2 . Янтарная и глутаровая кислоты претерпевают при нагревании циклодегидратацию

Кислоты с более длинной цепью циклизуются с одновременными дегидратацией и декарбоксилированием

Циклизация 1, 4 дикарбонильных соединений

3. Хелатообразование - процесс возникновения дополнительных нековалентных связей в тех структурах, в которых атом водорода (или металла), связанный ковалентной (или ионной) связью, ориентирован между двумя электронодонорными фрагментами одной и той же молекулы, предоставляющими этому атому водорода (или металла) дополнительное электронное облако.

Комплексный глицерат меди: Комплексы, образуемые 1, 3 -дикарбонильными соединениями с ионами тяжёлых металлов:

Использование хелатирования для качественного и колич. обнаружения как полифункциональных группировок, так и ионов металлов. Ион Fe+3 образует с ацетилацетоном енолят

Дикарбоновые кислоты Номенклатура, изомерия и физические свойства Название Структурная формула p. Ka 1 p. Ka 2 Алифатические 1, 27 4, 27 2, 86 5, 70 4, 21 5, 64 4, 34 5, 27 4, 41 5, 28 Этандиовая (щавелевая) Пропандиовая (малоновая) Бутандиовая (янтарная) Пентандиовая (глутаровая) Гександиовая (адипиновая)

Дикарбоновые кислоты Номенклатура, изомерия и физические свойства Название Структурная формула p. Ka 1 p. Ka 2 Непредельные цис-Бутендиовая (малеиновая) 1, 92 6, 23 транс-Бутендиовая (фумаровая) 3, 02 4, 38 2, 58 5, 64 Ароматические Бензол-1, 2 -дикарбоновая (фталевая)

Дикарбоновые кислоты Номенклатура, изомерия и физические свойства Бензол 1, 2 -дикарбоновая (фталевая кислота) Бензол 1, 3 -дикарбоновая (изофталевая кислота) Бензол 1, 2 -дикарбоновая (терефталевая кислота)

Дикарбоновые кислоты Химические свойства Кислотные свойства

Дикарбоновые кислоты Химические свойства Реакции нуклеофильного замещения

Дикарбоновые кислоты Химические свойства Специфические реакции дикарбоновых кислот

Гидроксикислоты Классификация Гидроксикислоты содержат в молекуле одновременно карбоксильную и гидроксильную группы В зависимости от природы углеводородного радикала гидроксикислоты могут быть алифатическими и ароматическими (фенолокислоты).

Гидроксикислоты Номенклатура и изомерия 2 -гидроксипропановая (молочная) кислота 4 -гидроксибутановая кислота 3 -гидроксипропановая кислота

Гидроксикислоты Способы получения Получение из галогенозамещенных карбоновых кислот Получение из -гидроксинитрилов

Гидроксикислоты Химические свойства Взаимодействие со щелочами Взаимодействие со спиртами

Гидроксикислоты Химические свойства Взаимодействие с галогенидами фосфора

Гидроксикислоты Химические свойства Ацилирование

Гидроксикислоты Химические свойства Взаимодействие с галогенводородами

Гидроксикислоты Химические свойства Окисление

Кислотно-основные свойства оксикислот Оксикислоты диссоциируют незамещённых кислот. сильнее соответствующих

Название Формула р. Ка Гликолевая HOCH 2–COOH 3, 82 Уксусная СН 3–СООН 4, 76 Молочная СН 3–CH(OH)–COOH 3, 85 Пропионовая СН 3–CH 2–COOH 4, 87 Винная НООС–С(ОН)–СН(ОН)– СООН 2, 96 Янтарная HOOC–CH 2–COOH 5, 64

Гидроксикислоты Химические свойства Специфические свойства Циклизация.

Гидроксикислоты Химические свойства Специфические свойства

Оксикислоты с гидроксильными группами в положении δ- ε-Оксикислоты и кислоты с более удалёнными группами ОН HO–CH 2–(CH 2)n–COOH + HO–CH 2–(CH 2)n–COOH → →HO–CH 2–(CH 2)n–(C=O)–O–CH 2–(CH 2)n–COOH межмолекулярно сконденсированные линейные полиэфиры:

Гидроксикислоты Химические свойства Специфические свойства

Хелатообразование Реактив Фелинга, которое образуется при смешивании калий, натриевой соли винной (2, 3 -дигидроксибутандиовой) кислоты с гидроокисью двухвалентной меди:

Гидроксикислоты Химические свойства Разложение -гидроксикислот

Оксокарбоновые кислоты Номенклатура и изомерия Оксокарбоновые кислоты, т. е. альдегидо и кетонокислоты, — это соединения, содержащие наряду с карбоксильной и карбониль ную группу (альдегидную или кетонную). 2 -оксопропановая (пировиноградная) кислота 3 -оксобутановая (ацетоуксусная) кислота

Оксокарбоновые кислоты Получение и химические свойства

Оксокарбоновые кислоты Получение и химические свойства Таутомерия (динамическая изомерия) — это подвижное равновесие между взаимопревращающимися структурными изомерами. 92, 5% 7, 5%

Оксокарбоновые кислоты Получение и химические свойства Кетонная форма ацетоуксусного эфира

Оксокарбоновые кислоты Получение и химические свойства Енольная форма ацетоуксусного эфира

Оксокарбоновые кислоты Получение и химические свойства

Оксокарбоновые кислоты Получение и химические свойства Реакция Кляйзена Людвиг Кляйзен (1851 -1930)