Лекция 18 - Поли- и гетерофункциональные соединения, часть 2

Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры химии
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры химии
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
2012−
− 2013 учебный год, 4-й семестр
1
Лекция 18(03)
Поли- и гетерофункциональные соединения (II).
Основные классы и химические свойства
полифункциональных соединений
Исходный уровень к лекции 18(03)
– основные классы полифункциональных
соединений и их специфические реакции,
лекция 17(02)
Исходный уровень к лекции 19(04)
– основные классы полифункциональных
соединений и их специфические реакции,
лекция 17(02)
2
Основные классы полифункциональных
соединений и их химические свойства
● Полигалогенопроизводные углеводородов
● Многоатомные спирты и фенолы
● Диамины
● Дикарбоновые кислоты
o
Ненасыщенные дикарбоновые кислоты
3
Полифункциональные соединения
Полигалогенопроизводные углеводородов
Получение
• Присоединение галогенов к алкенам и алкинам
o
CH3
CH
CH2
R C C R' + Br2
+
Br2
CCl4, 0 C
Br2
CH3COOH
R
Br
Br
C
C
Br
Br
R
транс-алкен
алкин
CH3
C
CH
HCl
Cl
HCl
CH3
C
CH3
Cl
4
• Присоединение галогенов к ароматическим соединениям
Cl
+ 3 Cl2
H
H
hν
Cl
H
H
Cl
Cl
Cl
Cl
H
бензол
H
гексахлоран
(смесь стереоизомеров)
o
Гексахлоран –
• Замещение гидроксильной группы на галоген
в многоатомных спиртах
HO(CH 2)3OH
HBr (г), 100 °С
HO(CH 2)3Br
HBr (г), 145 °С
Br(CH 2)3Br
1,2-дибромопропан
75%
5
Химические свойства полигалогенопроизводных
углеводородов и их отдельные представители
• Дегалогенирование вицинальных дигалогеноалканов
– образование алкенов
CH3
Br Br
CH CH CH2 CH3 + Zn
CH3 CH CH CH2CH3 + ZnBr2
• Дегалогенирование дигалогеноалканов − получение циклоалканов
BrCH2CH2CH2Br + Zn
спирт, 25 °С
+ ZnBr2
циклопропан, 80%
H2C
CH 2CH2Br
+ 2 Li/Hg
100 °С
+ 2 LiBr
CH2CH 2Br
циклопентан, 75%
• Гидролиз дигалогеноалканов с образованием гликолей
(см. далее при получении гликолей)
6
Отдельные представители
o Хлороформ (трихлорометан) CHCl3 – средство для ингаляционного
наркоза (невоспламеняемость, быстрое действие).
–
медленно разлагается на свету под действием кислорода воздуха с
образованием фосгена
[O]
CHCl3
хлороформ
ClC(O)Cl + HCl
фосген
o Иодоформ (трииодометан) CHI3 – твердое вещество желтоватого цвета с
характерным запахом; антисептическое (обеззараживающее) средство.
o Тетрахлорометан CCl4 – тяжелая бесцветная негорючая жидкость
с характерным запахом; используется в огнетушителях; токсичен;
вызывает повреждение печени и почек.
o Трихлороэтилен CCl2=CHCl – мощное наркотическое средство;
вызывает кратковременный наркоз.
o Фторотан (2-бромо-1,1,1-трифторо-2-хлороэтан) СF3CH(Cl)Br
– одно из эффективных средств для общего наркоза.
7
Отдельные представители
o Тетрафтороэтилен СF2=CF2 – при полимеризации образует достаточно
инертный полимер тефлон, применяющийся, в том числе для
изделий медицинской техники.
o Перфтороуглеводороды (перфторан, «голубая кровь») – продукты
исчерпывающего фторирования углеводородов; могут растворять и
переносить кислород по кровяному руслу, что ценно при больших
кровопотерях и позволяет использовать их в качестве кровезаменителей.
o Ароматические полигалогенопроизводные – полихлорированные
бифенилы («арохлоры», попадающие в окружающую среду как отходы
промышленности) и 4,4'-дихлородифенилтрихлороэтан (ДДТ, ранее
широко применявшийся инсектицид).
Их использование сопряжено с экологической опасностью, т.к. они
медленно разлагаются и способны накапливаться в живых организмах.
X
X
X
X
X
X
X
X X
X
ДДТ
«арохлоры» (X = Cl, Br)
8
Многоатомные спирты и фенолы
Двухатомные спирты – диолы (гликоли), трехатомные спирты – триолы
(глицерины); спирты с большим числом гидроксильных групп – полиолы.
Получение спиртов и фенолов
BrCH2CH2Br + H2O
е
и
н
е
ч
я
п
и
к
• Гидролиз дигалогенопроизводных
K2CO3
HOCH2CH2OH + 2 KBr + CO2
• Гидроксилирование алкенов
20 °С
3
+ 2 KMnO4 + 4 H2O
+ 2 MnO2 + 2 KOH
OH OH
алкен
1,2-диол
(мягкое окисление по Вагнеру, 1898)
Обесцвечивание водного раствора перманганата калия на холоду
− качественная проба на двойную связь.
9
• Восстановление дикарбоновых кислот и их
функциональных производных
O
O
эфир
C2H5OC
(CH2)4
H3O
COC2H5 + LiAlH4
HOCH2(CH2)4CH2OH + C2H5OH
этилгександиоат
гександиол-1,6
90%
H
O
H+
H
O
a
N
O
a
N
3
O
S
4 NaOH, 320 °C
2 Na2SO3
a
N
O
a
N
3
O
S
• Щелочной плав сульфокислот
o Резорцин (м-дигидроксибензол) – антисептик и дезинфицирующее
средство при кожных заболеваниях.
SO3Na
ONa
2 NaOH, 300 °C
OH
H
O
a
N
O
a
N
O
Na2SO3
H+
10
Химические свойства спиртов и фенолов
и их отдельные представители
CH2
CH2
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
OH
OH
o Нетоксичная вязкая жидкость
сладкого вкуса; входит в состав
многих омыляемых липидов;
применяется как компонент мазей
для смягчения кожи.
o Токсичная высококипящая жидкость;
из-за спиртового запаха может быть
причиной тяжелых интоксикаций
используется в технике для приготовления антифризов – жидкостей с низкой
температурой замерзания.
Многоатомные спирты высшей атомности – ксилит, сорбит (см. углеводы)
OH OH
H
Инозиты
HO
H H
OH H
H
OH
H
OH
o Витаминоподобное
вещество;
структурный компонент
сложных липидов.
11
• Образование внутрикомплексных (хелатных) соединений
CH2—OH
2 CH—OH
O–CH2
H2C–O
+ Cu(OH)2 + 2 NaOH
CH2—OH
Cu
+
2Na
–4H2O
2–
HC–O
CH2OH
O–CH
CH2OH
Характерстика комплекса:
•
•
•
•
•
•
•
•
синее окрашивание
комплекс с внешней сферой:
ионы внешней сферы – ионы Na+;
заряд комплексного иона 2–;
центральный атом-комплексообразователь – Сu;
его координационное число 4;
степень окисления меди +2;
координирующие атомы в лиганде – атомы кислорода;
–ОСН СН(СН ОН)О– – бидентатный хелатный лиганд.
2
2
Реакция используется как качественная на многоатомные спирты
с открытой цепью и некоторые циклические спирты, в которых
ОН-группы располагаются в одной плоскости.
12
• Образование сложных эфиров
– Триацилглицерины
(жиры, масла)
CH2
– Фосфаты
CH
CH2
CH2
– Нитраты
CH
CH2
OH
OH
OH
H3PO4
– H2O
CH 2
O
CH
OH
CH 2
OH
OH
OH
O
P OH
OH
– 3 H2O
+
O
NO2
CH O
CH2
OH
O
CH O P OH
OH
CH2 OH
OH
CH2
3 HNO3 (H2SO4)
CH2
O
NO2
NO2
(сосудорасширяющее средство; динамит – А. Нобель, 1861)
13
Особенности дегидратации многоатомных спиртов
• Этиленгликоль
–
CH2—CH 2 ZnCl2; t°
OH OH
– H2O
CH2—CH2
OH OH
CH 2=CH—OH
900 °C; 0.02 c
сосуд из стекла "пирекс"
CH2=CH—OH + H2O
период полураспада
~0.5 ч
– межмолекулярная дегидратация (образование диоксана)
(разбавленная H2SO4 при нагревании)
CH2
OH
CH2 OH
этиленгликоль
HO
CH2
H2SO4
HO
CH2
– 2 H 2O
+
этиленгликоль
14
Диоксан и его производные
o
Диоксан – хороший растворитель (смешивается и с водой и с
углеводородами), но весьма токсичен.
Более токсичны по сравнению с диоксаном его хлорсодержащие
дибензопроизводные – диоксины.
диоксин
o
Диоксин (2,3,7,8-тетрахлородибензо-п-диоксин) – в чрезвычайно низких
концентрациях вызывает тяжелые заболевания иммунной и кроветворной систем; его попадание в почву при использовании некоторых
гербицидов (в которых он содержится в виде незначительной примеси)
– серьезная экологическая проблема.
15
– дегидратация этиленгликоля в специальных условиях
O
6
CH2
O
OH
CH2 OH
O
– 6 H2O
O
O
O
K+
O
K+
O
O
O
O
O
этиленгликоль
o
Краун-эфиры – перспективные комплексообразователи,
своеобразные «ловушки» катионов.
• Глицерин
CH2
CH2
OH
t°
CH OH
CH2
OH
– 2 H 2O
O
C
CH
H
O
CH2
CH
C
H
глицерин
слезоточивое действие
16
Максимально прочные комплексы краун-эфиров
с некоторыми катионами
Число атомов О
Диаметр полости,
в кольце
нм
Катион
Диаметр катиона
в кристалле соли,
нм
4
0.12–0.15
Li+
0.136
5
0.17–0.22
Na+
0.194
6
0.26–0.32
NH4+
0.286
K+
0.266
17
• Реакции окисления многоатомных спиртов
– этиленгликоль
H2O2; Fe2+
CH2 —CH2
OH
HO—CH2 —C
HNO3 разб.
O O
H—C—C—H
HNO3 конц.
O O
H—C—C—OH
OH
O
H
– жесткое окисление 1,2-диолов
R2C CHR'
OH OH
KMnO4, H+, t°
18
Особенности реакций окисления и восстановления
двухатомных фенолов
•
Многоатомные фенолы с орто и пара расположением ОН−
− групп
окисляются легче одноатомных фенолов.
Пирокатехин
OH
Ag2O
O
OH
o
Пирокатехин (о-дигидроксибензол, катехол) – структурный фрагмент
многих БАВ, в частности, катехоламинов, см. лекцию 20(05).
OH
(CH3O)2SO2, NaOH, 45 °C
3
CH3OSO3Na
OH
H
C
O
H
O
o
O
Гваякол (монометиловый эфир пирокатехина) – компонент в составе
лекарственных средств при катаре верхних дыхательных путей.
19
• Гидрохинон
[O]
HO
OH
O
O
Гидрохинон (п-дигидроксибензол) – структурный фрагмент ряда;
соединений; в организме восстановительная способность замещенного
гидрохинонового фрагмента делает его участником процесса транспорта
электронов от окисляемого субстрата к кислороду.
В организме окисление гидрохинона в хинон проходит под действием
Н2О2 с участием фермента пероксидазы.
o
Гидрохинон используется и как проявитель в фотографии.
HO
OH
AgBr, NaOH
Ag,
NaBr,
H2O
O
O
Хиноны – соединения, содержащие своеобразную (хиноидную)
систему сопряженных связей, состоящую из двух двойных связей в
цикле и двух карбонильных групп.
20
• Окисление фенолов и нафтолов
OH
O
K2Cr2O7, H+
H
O
O
OH
CrO3
O
• Восстановление многоатомных фенолов
OH
+ 3 H2
OH
Ni, 120 150 oC
OH
OH
21
Диамины
o Этилендиамин H2NCH2CH2NH2 – простейший диамин;
бесцветная, растворимая в воде жидкость.
Синтез аммонолизом 1,2-дихлороэтана или этиленимина
ClCH2CH2Cl
4 NH3
– 2 NH4Cl
H2NCH2CH2NH2
NH3
H2C
CH2
N
H
Используется в производстве гербицидов и инсектицидов.
o Гексаметилендиамин H2N(CH2)6NH2
– легкоплавкое кристаллическое вещество.
Промышленный синтез из динитрила адипиновой кислоты
N C (CH2)4 C N
H2, Ni
H2N (CH2 )6 NH2
Применяется в производстве полигексаметиленадипинамида,
из которого изготавливается полимерное волокно найлон.
22
Дикарбоновые кислоты
Названия некоторых дикарбоновых кислот
и их производных
Название кислоты
Формула
Название аниона
или основы
сложного эфира
Щавелевая (этандиовая)
HOOC─COOH
Оксалат
Малоновая (пропандиовая)
HOOCCH2COOH
Малонат
Янтарная (бутандиовая)
HOOC(CH2)2COOH
Сукцинат
Глутаровая (пентандиовая)
HOOC(CH2)3COOH
Глутарат
Адипиновая (гександиовая)
HOOC(CH2)4COOH
Адипат
23
Получение дикарбоновых кислот
• Из галогенокарбоновых кислот
ClCH2COOH
NaCN
NaCl
N CCH2COOH
H3O+
NH4+
HOOCCH2COOH
промышленный синтез
• Окисление циклических спиртов
OH
HNO3 (50%), 85 °С
HOOC(CH2) 4COOH
промышленный синтез
24
Особенности синтеза ароматических
дикарбоновых кислот
– фталевая кислота получается при окислении нафталина, о-ксилола
или другого о-диалкилзамещенного бензола.
[O]
CH3
[O]
CH3
– при окислении п-ксилола образуется терефталевая кислота —
основа для производства синтетического волокна лавсан.
[O]
CH3
CH3
пара-ксилол
HOOC
COOH
терефталевая кислота
25
Химические свойства дикарбоновых кислот
и их отдельные представители
Получение функциональных производных
• Образование галогенангидридов, сложных эфиров и др.
HOOC COOH + 2 PCl3
HOOCCH2CH2COOH
Cl(O)C C(O)Cl + 2 POCl3 + 2 HCl
2 C2H5OH, H+
кипячение
HOOC COOH + 2 C2H5OH
C2H5OOCCH2CH2COOC2H5
C2H5OOC COOC2H5 + 2 H2O
азеотропная отгонка воды
o Щавелевая кислота – простейшая двухосновная кислота; некоторые ее
соли, например, оксалат кальция, трудно растворимы и часто образуют
камни в почках и мочевом пузыре (оксалатные камни).
Качественная реакция на щавелевую кислоту – образование
нерастворимого оксалата кальция CaC2O4.
26
• Декарбоксилирование дикарбоновых кислот
образование соединений разных классов в зависимости от
строения исходной кислоты и условий реакции
– разложение щавелевой кислоты при нагревании с H2SO4
HOOC COOH
t, H 2SO4
щавелевая кислота
– превращение в циклические кетоны (5 и более атомов С в цикле)
COOH
COOH
Ba(OH)2, 240 °С
BaCO3,
2 H2O
циклопентанон, 80%
– декарбоксилирование малоновой кислоты при нагревании
HOOC CH2
COOH
t
малоновая кислота
Реакция лежит в основе общего способа получения замещенных
производных уксусной кислоты с использованием малонового эфира.
27
Малоновая кислота и малоновый эфир
o Малоновая кислота НООС–СН2–СООН − выделена из сока сахарной
свеклы; сама кислота и ее производные по метиленовой группе легко
декарбоксилируются при нагревании (> 100 °С).
Синтезы на основе малонового эфира
• Получение гомологов уксусной кислоты
O
O
C2H5ONa
C2H5OCCH2COC2H5
C2H5OH
CH3(CH2)2CH2 CH
алкилирование
O O
CH3(CH2)2CH2Br
+
C2H5OCCHCOC2H5 Na
NaBr
COOC2H5
гидролиз
H3O+
COOC2H5
2 C2H5OH
декарбоксилирование
CO2
COOH
CH3(CH2)2CH2 CH
COOH
CH3CH2CH2CH2CH2COOH
28
• Дегидратация янтарной или глутаровой кислот с образованием
циклических ангидридов
O
O
C
C
H2C
H2C
OH
OH
t
H2C
– H2O
H2C
C
O
C
O
O
Глутаровая кислота
o Янтарная кислота – впервые была обнаружена в янтаре, откуда она
получила свое название; ее производные называют сукцинатами
(от лат. succinium – янтарь).
Обработка янтарной кислоты аммиаком с последующим
нагреванием приводит к соответствующему имиду
O
O
O
C
C
C
H2C
H2C
OH
OH
NH3
H2C
OH
H2C
O– NH
C
C
O
O
+
4
O
C
t
H2C
OH
– H2O
H2C
NH2 – H2O H2C
C
O
t
H2C
N
H
C
O
29
Ненасыщенные дикарбоновые кислоты
o Малеиновая и фумаровая кислоты – представители ненасыщенных
дикарбоновых кислот с одной двойной связью.
HOOC
H
HOOC
COOH
C C
H
H
H
C C
COOH
Фумаровая кислота – более стабильный изомер; участвует в обменных
процессах, протекающих в организме; является промежуточным
соединением в цикле трикарбоновых кислот.
На примере этих кислот была впервые изучена цис-транс-изомерия
этиленовых соединений.
H
H
C
O
H
C
C
OH HO
C
t
C
O
– H2O
H
O
C
C
C
O
O
В фумаровой кислоте из-за удаленности карбоксильных групп друг от
друга в пространстве образование циклического ангидрида невозможно.
30