Upload
dotu
View
239
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
1
PREDNÁŠKA Č. 6
KARBOXYLOVÉ KYSELINY
VLASTNOSTI, PRÍPRAVA
A REAKTIVITA
2
KARBOXYLOVÉ KYSELINY
2
Kyselina octová
6.5 mil. ton/rok Kyselina mravčia
0.5 mil. ton/rok
CH3OH + CO → HCO2CH3
HCO2CH3 + H2O → HCO2H + CH3OH
CH3OH + CO → CH3CO2H
Katalyzátor [Ir(CO2)I2]-
Cativa proces
(British Petroleum)
Katalyzátor MeO-Na+
(BASF)
KARBOXYLOVÉ KYSELINY – Prírodné biogénne molekuly
3
Kyselina nikotínová (Niacín)
Tuniak, avokádo, orechy
Esenciálny vitamín B3
Giberelín 452D
Ryža siata (Oryza sativa)
Rastový fytohormón
Prostaglandín E1 (PGE1)
Tkanivá a orgány cicavcov
Drasticky znižuje krvný tlak
Didraselná soľ kyseliny jablčnej
Mimóza citlivá (Mimosa pudica)
Induktor pohybu listov
+K-O2C
OH
CO2-K+
OH
CO2H
HO2C
HO
H3C
H
HHO
O
CO2H
HO
4
3
N
OH
O
KARBOXYLOVÉ KYSELINY – Syntetické medikamenty
4
OH
O OH
Aspirin® (Bayer, 1897)
Felix Hoffmann, Heinrich Dreser
Antipyretikum, antiflogistikum
Prevencia vzniku trombov
Vŕba biela (Salix alba)
Eberov papyrus (3500 pr. n. l.)
Horká chuť a dráždenie žalúdka
O CH3
O
O OH
KARBOXYLOVÉ KYSELINY – Neuroaktívne molekuly
5
Kyselina g-hydroxybutánová
„Date rape drug“ (GHBA)
Liečba narkolepsie
Chemosenzor na detekciu GHBA
Kyselina g-aminobutánová
Neurotransmiter (GABA)
Inhibičné účinky na CNS
KARBOXYLOVÉ KYSELINY – Gastromolekuly
6
Kyselina etánová (octová)
Zoxidované kyslé víno
8% vodný roztok = ocot
Kyselina etándiová (šťaveľová)
Šťaveľ, mangold, rebarbora
Obličkové kamene, artritída
Kyselina 2-hydroxypropánová (mliečna)
Produkt mliečnej fermentácie
Spôsobuje zubný kaz
pKa=3.86
pKa=4.76
pKa1=1.27
pKa2=4.28
Kyselina 2-hydroxy-1,2,3-propán
trikarboxylová (citrónová)
Citrusové plody, Konzervant
E 260
E 330
E 270
pKa1=3.15
pKa2=4.77
pKa3=6.40
KARBOXYLOVÉ KYSELINY – Senzorické molekuly
7 Kyselina (E)-3-metyl-2-hexénová
Podpazušie, rozkladajúci sa pot
Kyselina 4-etylheptánová
Typický zápach kozy a capa
Kyselina hexánová (kaprová)
Limburger
CO2H
3
2 CO2H2
CO2H2
Kyselina propánová
Ementál
CO2H
KARBOXYLOVÉ KYSELINY – Drogistické molekuly
8
• Karboxylové kyseliny s počtom uhlíkov C12-C20 sa nazývajú mastné kyseliny (tuky & oleje).
• Soli karboxylových kyselín sú iónové zlúčeniny a tuhé látky dobre rozpustné vo vode (mydlá).
Kyselina p-aminobenzoová (PABA)
Absorbuje v oblasti 290-320 nm
ÚVB filter v opaľovacích krémoch
Oktadekanoát sodný (Stearát sodný)
Emulgátor, vytvára amfifilné micely
Súčasť mydiel a detergentov
9
Nomenklatúra karboxylových kyselín • Systematické (IUPAC) názvoslovie:
- nájdi najdlhší reťazec (najväčší kruh) s -CO2H skupinou,
- pridaj k názvu (cyklo)alkánu príponu –ová
(bez -CO2H skupiny pridaj k názvu príponu –karboxylová),
- očísluj molekulu tak, aby:
- v prípade –ová mal -CO2H uhlík číslo 1.
- v prípade –karboxylová mal a-uhlík C-CO2H číslo 1.
Kyselina benzén-1,2-
dikarboxylová (ftalová)
Kyselina 3,3-dimetyl
butánová
Kyselina butándiová
(sukcínová)
Kyselina (E)-but-2-énová
(krotónová)
Kyselina propénová
(akrylová)
CO2HCO2H
HO2CCO2H
CO2H
CO2H
CO2H
Kyselina o-hydroxybenzén-
karboxylová (salicylová)
Kyselina (R)-2-fenyl
propánová
CO2H
OH
CO2H
10
Štruktúra a elektronické vlastnosti karboxylových kyselín
• Karboxylový uhlík je sp2 hybridizovaný
(trigonálne planárny).
• Dĺžka C=O väzby je rovnaká ako pri
aldehydoch/ketónoch a zároveň
kratšia ako C=C u alkénov.
• Dipólový moment 1.7-1.9 D.
• Formálne sa jedná o kombináciu alkoholu a karbonylovej zlúčeniny, v skutočnosti sa nespráva
ani ako alkohol, ani ako aldehyd/ketón.
• Voľné elektrónové páry C=O a O-H väzieb sú delokalizované, v dôsledku čoho je karboxylový
uhlík menej elektrofilný, ako je tomu pri aldehydoch a ketónoch.
11
Fyzikálne vlastnosti RCO2H – Vodíkové väzby & Bod varu • Karboxylové kyseliny sú ako donormi (O-H), tak aj akceptormi (C=O) vodíkovej väzby.
• V nepolárnych aprotických rozpúšťadlách, ako aj v plynnej fáze vytvárajú karboxylové kyseliny
prostredníctvom intermolekulových vodíkových väzieb príslušné diméry vyššie body varu.
• Nízkomolekulové karboxylové kyseliny (<C6) sú vo všeobecnosti dobre rozpustné v H2O, vyššie
mastné kyseliny sú už skôr lipofilné a rozpúšťajú sa v menej polárnych éteroch a alkoholoch.
Zlúčenina Mól. hmot. Bod varu
CH3COOH 60.0 g/mol 118°C
CH3CH2CH2OH 60.1 g/mol 97°C
CH3COCH3 58.1 g/mol 56°C
CH3CH2CHO 58.1 g/mol 49°C
CH3CH2CH2CH3 58.1 g/mol - 0.5°C
Karboxylové kyseliny
Alkoholy
Aldehydy / Ketóny
Alkány
Bod varu:
12
Fyzikálne vlastnosti karboxylových kyselín – Acidita
• Karboxylové kyseliny majú kyslé COO-H vodíky, ich pKa hodnoty sa pohybujú v rozmedzí 1-5.
• Sú kyslejšie ako alkoholy (pKa ~ 15-17), ale menej kyslé ako minerálne kyseliny (HCl, pKa = -7).
• Vo vode sú RCO2H disociované (ionizované) v miere vyjadrenej rovnovážnou konštantou Ka.
(Napríklad 0.1 M vodný roztok kyseliny octovej je ionizovaný na približne 1.3% (Ka = 1.8 x 10-5)).
Karboxylová
kyselina
Karboxylátový
anión
Dôvodom vyššej acidity RCO2H v porovnaní s ROH je zvýšená stabilita RCO2- voči RO-, nakoľko:
• existuje elektrostatická stabilizácia záporného náboja -I-efektom elektrofilného C=O uhlíka,
• existuje rezonančná stabilizácia záporného náboja jeho delokalizáciou medzi C=O a C-O-.
10-16
10-5
(DG°=91 kJ/mol)
(DG°=27 kJ/mol)
13
Fyzikálne vlastnosti karboxylových kyselín – Acidita Vplyv substitúcie RCO2H (indukčný efekt)
• Substituenty majú významný vplyv na aciditu karboxylových kyselín, kľúčovým faktorom je
(ne)schopnosť stabilizácie vzniknutého záporného náboja RCO2- po deprotonácii RCO2H.
• Stabilizácia môže nastať v dôsledku či už záporného indukčného efektu alebo rezonancie.
• Vplyv -I-efektu na stabilizáciu RCO2- je zrejmý z porovnania pKa halooctových kyselín:
• Vplyv -I-efektu na stabilizáciu RCO2- so zväčšujúcou sa vzdialenosťou významne klesá:
14
Fyzikálne vlastnosti karboxylových kyselín – Acidita Vplyv substitúcie ArCO2H (rezonancia, o-efekt)
• Vplyv rezonancie na stabilizáciu ArCO2- je zrejmý v prípade (substituovanej) kyseliny benzoovej.
• Elektrónovo-akceptorná NO2-skupina spôsobuje zvýšenie acidity, naopak elektrónovo-donorná
MeO-skupina spôsobuje zníženie acidity príslušnej kyseliny voči nesubstituovanej PhCO2H.
+M-effect -M-effect
• Orto-substituované PhCO2H sú vo všeobecnosti kyslejšie ako ich m-/p-deriváty orto-efekt.
• Dôvodom sú zvýšené stérické nároky, ktoré „nútia“ -CO2H skupinu vytočiť sa z roviny kruhu.
• Dôsledkom je strata koplanarity a následné zníženie konjugácie s aromatickým systémom.
R1
R2
OH
O R1
R2
OH
OR1 R2 pKa
CH3 H 3.90
C(CH3)3 H 3.53
CH3 CH3 3.24
Príprava karboxylových kyselín – Oxidácie alkoholov
15
• Oxidáciou primárnych alkoholov silnými oxidačnými činidlami (Cr6+, Mn7+) sa získajú RCO2H.
4 KMnO4
H2O
Primárnyalkohol
Draselná soľ karboxylovej kyseliny
+ H2O + 4 MnO2 + KOHR OH R O-K+
O
Draselná soľ karboxylovej kyseliny
R O-K+
O
Karboxylová kyselina
+ KClR OH
OHCl
3 3
Použitie KMnO4:
2 K2Cr2O7
8 H2SO4
Primárny alkohol Karboxylová kyselina
+ 11 H2O + 2 K2SO4 + 2 Cr2(SO4)3R OH R OH
O
3 3
Použitie K2Cr2O7:
Príprava karboxylových kyselín – Oxidácie aldehydov/ketónov
16
• Analogickou oxidáciou aldehydov/ketónov sa získavajú príslušné (di)karboxylové kyseliny.
+ Strieborné
zrkadlo
Ag0
Tollens:
Jones:
KMnO4:
Benzaldehyd Kyselina benzoová
HNO3:
O HNO3
CO2H
CO2H
Cyklohexanón Kyselina adipová
Príprava karboxylových kyselín – Oxidačné štiepenie alkénov
17
- MnO2
Mechanizmus:
• Oxidáciou alkénov s KMnO4 v kyslom prostredí dochádza najprv k vzniku nestabilného mangánového
esteru, ktorý poskytne príslušné (di)aldehydy. Tie sú in situ zoxidované na (di)karboxylové kyseliny.
Cyklohexén
Kyselina
adipová
Kyselina
pentánová
(E)-Dekán-5-én
2
• Ozonolýzou alkénov dochádza najprv k vzniku nestabilného molozonidu, ktorý rýchlo prešmykuje
na stabilnejší ozonid. Jeho oxidatívnym spracovaním sa získa príslušná (di)karboxylová kyselina.
Cyklohexén Kyselina adipová
Príprava karboxylových kyselín – a-Oxidácie aromátov
18
• Oxidáciou a-uhlíka alkylaromátov sa získajú príslušné karboxylové kyseliny.
Syntetické využitie - výroba sacharínu:
O2, Co2+
200°C
1,4-Dimetylbenzén(p-Xylén)
Kyselina benzén-1,4-dikarboxylová(tereftalová)
HO2C
CO2H
2 KMnO4
H2O
Metylbenzén(Toluén)
Draselná soľ kyselinybenzénkarboxylovej (benzoovej)
CO2-K+
+ H2O + 2 MnO2 + KOH
- H2O
Príprava karboxylových kyselín – Hydrolýza nitrilov
19
• Nitrily (R-C≡N) sú vynikajúcimi prekurzormi na syntézu karboxylových kyselín.
• V kyslom a/alebo bázickom prostredí podliehajú hydrolýze za vzniku RCOOH.
• Samotné nitrily sú dobre dostupné nukleofilnou adíciou CN- na alkyl halidy.
Príprava nitrilov:
Hydrolýza nitrilov:
Príprava karboxylových kyselín – Kyslá hydrolýza nitrilov Mechanizmus
20
Príprava karboxylových kyselín – Grignardova adícia na CO2
21
• Oxid uhličitý je excelentný elektrofil a využíva sa v AdN Grignardových činidiel za vzniku
horečnatých solí karboxylových kyselín. Finálnou kyslou hydrolýzou sa získajú RCOOH.
Mechanizmus:
Príprava karboxylových kyselín – Malónesterová syntéza
22
• C-alkyláciou enolu dimetylesteru kyseliny propán-1,3-diovej sa zavedie požadovaný substituent.
• Bázickou hydrolýzou oboch esterov sa získa disodná soľ, ktorá následne termicky dekarboxyluje.
dimethyl malonate
R-X
MeO-Na+
(pKa 13 resp. 15.9)
Príprava karboxylových kyselín – SEAr fenolu – Kolbe-Schmitt
23
• Zahrievaním fenolátu sodného (100 atm., 125°C) v prítomnosti oxidu uhličitého a následnou kyslou
hydrolýzou disodnej soli sa získa kyselina 2-hydroxybenzoová.
Mechanizmus:
Fenol Kyselina
salicylová Adolph Wilhelm
Hermann Kolbe
(1818-1884)
University of Marburg
Rudolf William Schmitt
(1830-1898)
University of Marburg
(pKa = 10)
24
Reakcie karboxylových kyselín – Klasifikácia
REAKCIE HYDROXYLOVEJ SKUPINY
- s bázami príprava solí
- s kovmi dekarboxylácie
- s CH2N2 príprava metylesterov
- s SOCl2 príprava chloridov
REAKCIE KARBONYLOVEJ SKUPINY
- AdN-E príprava esterov
príprava amidov
REAKCIE NA a-UHLÍKU
- AdE a-halogenácia
C O
O
H
H
25
Reakcie RCO2H s bázami – Príprava solí • V prítomnosti silných báz sú karboxylové kyseliny deprotonované za vzniku príslušných solí.
R O
O
H-OH+
R O
O-
H2O+
Silná kyselina
(pKa ~ 5)
Slabá kyselina(pKa ~ 16)
K = 1011
26
Reakcie RCO2H s kovmi – Dekarboxylácie • Sodné/draselné soli karboxylových kyselín termicky dekarboxylujú za vzniku uhľovodíkov.
• Hunsdiecker-Borodin: Strieborné soli karboxylových kyselín reagujú s halogénmi za vzniku
nestabilných intermediátov, ktoré termicky dekarboxylujú za vzniku príslušných halidov.
Heinz Hunsdiecker & Cläre Hunsdiecker
(1904-1981) (1903-1995)
University of Göttingen
OH
O NaOH
DT
CH4 + NaHCO3
OH
O
NaOH
DT
+ NaHCO3
27
Reakcie RCO2H s CH2N2 – Príprava metylesterov • Diazometán (CH2N2) metyluje (aj stéricky bránené) karboxylové kyseliny za vzniku metylesterov.
• Najprv dochádza k protonácii CH2N2 karboxylovou kyselinou za vzniku extrémne nestabilného
diazóniového katiónu, ktorý následne eliminuje dusík za súčasného nukleofilného ataku RCO2-.
• Nevýhodou je nízky bod varu CH2N2 (-24°C) a jedná sa o toxický (TLV=0.2 ppm) a výbušný plyn.
• Používa sa vo forme zriedeného éterického roztoku, ktorý sa pripravuje vždy čerstvý a to buď
z N-metyl-N-nitrózomočoviny alebo N-metyl-N-nitrózotoluénsulfónamidu v bázickom prostredí.
Mechanizmus:
Syntetické využitie: Diazald Kit
Generátor CH2N2
(Sigma-Aldrich)
28
Reakcie RCO2H s SOCl2 – Príprava chloridov • Reakciou karboxylových kyselín s tionylchloridom (SOCl2) vznikajú príslušné chloridy kyselín.
• Nukleofilný kyslík –CO2H skupiny atakuje elektrofilnú síru a vzniknutý nestabilný tetraédrický
intermediát je následne protonovaný. Atak Cl- a finálna fragmentácia poskytne chlorid, HCl a SO2.
-
Mechanizmus:
+
29
Reakcie RCO2H s ROH – Príprava esterov • Reakciou karboxylových kyselín s alkoholmi v kyslom prostredí vznikajú príslušné estery.
• Protón zvyšuje jednak elektrofilitu C=O skupiny a jednak schopnosť H2O odstupovať.
• Rovnováhu je možné posúvať v prospech produktu odstraňovaním vody z reakčnej zmesi.
Mechanizmus:
70%
30
Reakcie RCO2H s amínmi – Príprava amidov • Amíny sú nukleofilnejšie a bázickejšie ako ROH, ich reakciou s RCO2H za nízkej teploty vznikajú soli.
• Nakoľko deprotonovaná karboxylová kyselina nie je elektrofilná, amidy nemôžu vzniknúť.
• Riešením je silné zahriatie primárne vzniknutej amóniovej soli, v dôsledku čoho dôjde
k dehydratácii za vzniku želaného amidu. Sú to pomerne drastické reakčné podmienky.
O- NH4+
ODT
OH
ONH3+
O-
OHNH3
+
OH
OHNH2
-H2O
NH2
O
Mechanizmus:
31
Reakcie RCO2H na a-uhlíku – Halogenácia – HVZ • Hell-Volhard-Zelinského halogenácia poskytuje príslušné a-haloderiváty karboxylových kyselín.
Mechanizmus: a) Prvým krokom je AdN-E reakcia RCH2CO2H s kat. PX3 za vzniku acylhalidu.
b) Tautomerizácia acylhalidu a následná SN enolu s X2 poskytne príslušný a-halo-acylhalid.
c) Finálnou hydrolýzou sa získa RCH(X)CO2H, regenerovaný acylhalid a reakcia sa opakuje.
kat.
Br2
Br2 RCO2H
32
Reakcie RCO2H na a-uhlíku – Halogenácia – HVZ (Hell - Volhard - Zelinskij)
Karl Magnus von Hell
(1849-1926)
Technical University of
Stuttgart
Jacob Volhard
(1834-1910)
Universität Halle
Nikolaj Dmitrijevič
Zelinskij
(1861-1953)
University of Moscow