Гидроксипроизводные углеводородов. Простые эфиры

Е.Б.ЦУПАК

ГИДРОКСИПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ В лекциях «Гидроксипроизводные углеводородов» рассмотрены способы получения, строение и свойства спиртов, фенолов, простых эфиров. Печатается по рекомендации кафедры органической химии (протокол №8 от 19 мая 2003 года).

СПИРТЫ Гидроксипроизводные алифатических углеводородов называют спиртами. Названия спиртов образуют путем прибавления окончания -ол к названию соответствующего углеводорода. CH3 OH

CH3

CH3 CH2 OH CH3 CH2 CH2 OH CH3 CH2 CH2 CH2 OH

OH

CH3

C OH

CH3 CH CH3

CH3

CH3

CH3 CH CH2 CH3

CH3 CH CH2 OH

OH В гомологическом ряду алканолов наблюдается структурная изомерия (изомерия цепи и изомерия положения гидроксила) и стереоизомерия. Непредельные спирты бывают двух типов: с гидроксилом при двойной связи и аллильные спирты. H CH2 C

CH2 CH CH2 OH

CH2 OH

OH В молекуле может присутствовать несколько гидроксильных групп. CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH2

OH OH

OH

OH

OH OH OH

СТРОЕНИЕ СПИРТОВ Гидроксильная группа –ОН придает спиртам кислотность и основность. Кислотность обусловлена полярностью связи О-Н. Об этом позволяют судить величины дипольных моментов. H 1.5 D H3C O 0.9 D 1.69 D

2 Неподеленные пары электронов атома кислорода делают спирты основаниями, способными реагировать с протоном и различными кислотами Льюиса. ПОЛУЧЕНИЕ СПИРТОВ Способы получения гидроксипроизводных можно объединить в группы реакций, замещения, присоединения и окисления. Реакции замещения H2O CH3 CH2 OH CH3 CH2 Br

H2O

CH2 CH CH2 Cl

CH2 CH CH2 OH

HNO2

CH3 CH2 NH2

CH3 CH2 OH

Реакции присоединения

H2O/H

CH3 CH CH2

CH3 CH CH3 OH

O

RMgBr

C

OH C

H

R

H

Реакции восстановления

O CH3 C

H

H2 Ni O

CH3 CH2 CH2 C

CH3 CH2OH LiAlH4

CH3 O CH3 CH2 CH2 C

LiAlH4

OCH3

OH CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH3

CH3 CH2 CH2 CH2OH

СВОЙСТВА СПИРТОВ Кислотность спиртов обусловлена полярной связью О-Н. Величины рКа, измеренны в водных растворах: CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH H2O

рКа

15,2

15,8

16,9

19,2

15,7

Достаточно сильные основания способны оторвать протон от гидроксильной группы.

3

Na

NaH

CH3 OH

RMgBr

CH3 O

Na

CH3 O

Na

CH3 O MgBr

Константы кислотности низших алканолов и воды близки, поэтому при взаимодействии их со щелочами устанавливается динамическое равновесие, которое почти нацело смещено влево. CH3CH2OH

NaOH

+

CH3CH2O Na

+

H2O

Анионы спиртов являются сильными нуклеофилами CH3I CH3 CH2 O Na CH3 CH2 O CH3 Характерным свойством спиртов является основность. С кислотами Льюиса спирты образуют оксониевые катионы (в случае протона - гидроксониевые). H

H

CH3CH2 O

CH3CH2OH

H H

ZnCl2

CH3CH2 O

ZnCl2

Наличие у спиртового гидроксила одновременно кислотных и основных свойств является причиной более высоких температур кипения спиртов в сравнении с алканами с такой же или даже большей молярной массой. Например, метанол (М=32) кипит при 64оС, бутан (М=58) - при 4оС. Это явление объясняется способностью спирта образовывать ассоциаты за счет межмолекулярных водородных связей.

R

R

H O

R

H O

H O

R

R H O

H

H O

H O

Электронные пары кислорода обусловливают также нуклеофильность спиртов. Это проявляется во взаимодействии с сильными электрофилами.

C O O CH3CH2OH

+

CH3C CH3C

O

O

O CH3C

O

C O

+

OCH2CH3

CH3C

OH

4 В аналогичное превращение вступают карбоновые кислоты в присутствии протонов. Гидроксипроизводные можно ацилировать не только органическими кислотами, но так же минеральными - серной, фосфорной, борной и др.

CH3 O NH3

+

O S

CH3 O

NH2CH3

O

+

HO

SO2 OCH3

В молекулах спиртов можно осуществить замещение гидроксильной группы. Считают, что реакция, исходя из полярности связи С-О, идет как нуклеофильное замещение, механизм которого определяется, главным образом, строением спирта. H

CH3CH2 OH

Br

CH3CH2 OH2

CH3CH2Br

Соляная кислота редко используется для превращения спиртов в хлоропроизводные. Она легко реагирует лишь с третичными спиртами, что объясняется, вероятно, низкой нуклеофильностью хлорид-иона, который способен успешно атаковать "чистый" карбкатион (SN1), но не гидроксониевую частицу, образующуюся в кислой среде из первичного спирта (SN2). SN1

CH3

H

CH3 C OH

CH3 CH3 C

CH3 SN2

CH3

Cl

CH3 C Cl

CH3 ZnCl2

CH3 OH

CH3

CH3 O

ZnCl2

Cl

CH3 Cl

H

Йодоводородная кислота обладает достаточной кислотностью и йодид-ион является сильным нуклеофилом, но его сильные восстановительные свойства не позволяют превращать с хорошими выходами спирты в алкилйодиды.

CH3CH2 OH

H

CH3CH2 OH2

I

CH3CH2I

I

CH3CH3

Поэтому замещение гидроксила проводят действием трийодида фосфора.

CH3CH2OH

P + I2

CH3CH2I

Считают, что сначала трийодид фосфора образует со спиртом эфир (сродство фосфора к кислороду очень велико), который в качестве электрофила участвует в реакции нуклеофильного замещения. CH3CH2OH

PI3 _ HI

CH3CH2 O

PI2

H I _ PI2OH

CH3CH2 I

Для превращения спиртов в галогеналканы используют пентахлорид фосфора, тионилхлорид. На первой стадии взаимодействия спирта с тионилхлоридом образуется сложный эфир и затем происходит внутримолекулярное нуклеофильное замещение (механизм SNi).

5

H

SOCl2

CH3OH

CH3 O Cl _ HCl S O S Cl Cl O

CH3 O

_ SO

2

CH3Cl

Сильные окислители превращают спирты в альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты. (KMnO 4) Na2Cr2O7 + H2SO 4

CH3 CH2 OH CH3

CH3 C

O

[O]

CH3 C

H

OH

CH3

[O]

CHOH

O

C O

CH3

CH3

Спирты превращаются в альдегиды и кетоны при нагревании с катализаторами Cu, Pt, Pd.

O

Cu

CH3 CH2 OH

CH3 C

500 oC

CH3

CH3

Cu

CHOH

H

C O

CH3

CH3

Спирты на холоду или при умеренном нагревании с концентрированными минеральными кислотами образуют сложные эфиры. Сложные эфиры первичных спиртов с серной или фосфорной кислотой превращаются в алкены при высокой температуре. H2SO 4 160 oC

CH3 CH2 OH

CH2 CH2

Этот процесс описывают как реакцию бимолекулярного элиминирования (Е2механизм) H H H2O

H C C O

SO 3H

H3O

+

CH2 CH2

+

HSO 4

H H Третичные спирты не образуют эфиров, но очень легко теряют молекулу воды (Е1реакция) CH3 CH3 C OH CH3

CH3

H

CH3 C OH2 _ CH3 C H2O CH3 CH3 CH3

_

H3O

CH3

CH3 C

CH2

CH3 CH3 C H C H

H H

O H

6 Дегидратация вторичных и третичных спиртов может происходить при нагревании с другими кислотами (кислотами Льюиса), а также на поверхности оксида алюминия при высокой температуре. Ориентация отщепления подчиняется правилу Зайцева (образуются наиболее устойчивые, т.е. более замещенные алкены). Промежуточные карбкатионы в ряде случаев претерпевают превращение, которое называется ретропинаколиновой перегруппировкой. CH3 CH3 C

OH CH CH3

CH3 C

CH3 H2O

CH3

OH2

CH3

H

CH CH3_

CH3 CH3 CH3 C CH3

H2O

CH3 C

_

H

CH3 CH3

CH3

C CH3

CH CH3

C C

H3O

CH3

CH3

H2O

МНОГОАТОМНЫЕ СПИРТЫ Ряд многоатомных спиртов начинается со второго члена, потому что по правилу, открытому, 1,1-Дигидроксипроизводные неустойчивы (правило Эльтеков-Эрленмейера) OH

H C O

CH2

+

H2O

H

OH

Этандиол-1,2, обычно называют этиленгликоль и все двухатомные спирты объединяют под названием гликоли. Трехатомные спирты называются глицеринами по названию самого простого из них - пропантриола-1,2,3. По свойствам этиленгликоль, глицерин большей частью похожи на алканолы, но имеются специфические реакции. Этиленгликоль является более сильной кислотой (рКа 14,2), чем этанол (15,9), При действии сильных оснований он образует два ряда алкоголятов CH2 CH2 OH OH

Na

CH2 CH2

Na

CH2 CH2

OH ONa

ONa ONa

Присутствие двух гидроксильных групп у соседних атомов углерода создает условия для образования устойчивых координационных соединений с катионами тяжелых металлов

H CH2 OH

Cu(OH)2

CH2 O

Cu

CH OH

CH O

CH2 OH

CH2 OH

H

O CH2 O CH HO CH2

Алкандиоляты щелочных металлов могут быть проалкилированы.

7

CH2 CH2

Na

OH OH

CH3I

CH2 CH2

CH3O CH2 CH2 OCH3

ONa ONa

Гликоли образуют два ряда сложных эфиров, глицерины - три. Эфиры образуются не только с карбоновыми, но так же с неорганическими кислотами. Глицерин встречается в природе в виде сложных эфиров высших алифатических (жирных) кислот, называемых жирами. Среди эфиров глицерина с минеральными кислотами известен тринитрат (тринитроглицерин), применяемый как бризантное вещество, его также используют в медицине в качестве сосудорасширяющего препарата.

O CH2 O C CH O C CH2 O C

O CH2 O N

C17H35 O

O O

CH O

N O O CH2 O N O

C17H35 O C17H35

Окисление этиленгликоля в зависимости от природы окислителя дает разные продукты HNO 3 (разбавл.)

++

CH2 CHO

H2O2, Fe

O H

OH

O C C H

CH2 CH2 OH OH O HO

O

HNO 3 (конц.)

KMnO 4

O

C C

HO

OH

O C C H

Действие йодной кислоты приводит к разрушению углеродного скелета и образованию карбонильных соединений (реакция перйодатного расщепления CH3 CH CH2

HIO 4

O CH3C H

OH OH

O +

HC H

Этиленгликоль относительно легко дегидратируется. В присутствии серной кислоты нагревание приводит к образованию диоксана (межмолекулярная дегидратация), хлорид цинка направляет реакцию по внутримолекулярному механизму. При этом образуется виниловый спирт, тотчас перегруппировывающийся в ацетальдегид. O O

H2SO 4

CH2 CH2 OH OH

ZnCl2

[CH2 CHOH]

CH3CHO

8 Образование ацетальдегида объясняют промежуточным возникновением карбокатиона, который путем отщепления протона превращается в виниловый спирт. Последний в кислой среде моментально таутомеризуется в ацетальдегид. CH2 CH2

H

ZnCl2

CH2 CH2 OH

H O

OH OH

_

CH2 C OH _

ZnCl2OH

H

CH2 CHOH

H

ZnCl2 Дегидратация глицерина действием гидросульфата калия при нагревании приводит к образованию непредельного альдегида акролеина. Превращение имеет механизм, аналогичный описанному выше. Гидроксильные группы многоатомных спиртов замещаются на галоген. Этиленгликоль при действии соляной кислоты превращается в этиленхлоргидрин, который переводят в дихлорэтан пентахлоридом фосфора.

CH2 CH2

HCl

CH2 CH2

OH OH

PCl5

OH Cl

CH2 CH2 Cl

Cl

Фенолы Соединения, в которых гидроксил соединен с ароматическим кольцом, называются фенолами. OH

OH

OH

OH OH

CH3

CH3 OH

CH3 OH

В соответствии с количеством гидроксигрупп фенолы могут быть двух- , трехатомными… OH

OH

OH

OH

OH OH

OH

OH HO

OH

OH OH

OH

HO

OH

Получение фенолов Фенолы могут быть получены действием щелочей на

OH

9 галогенсодержащие ароматические соединения Cl

+

NaOH

H

O

OH

300oC

натриевые соли аренсульфокислот O S

+

NaOH

O

H

O

OH

O

сплавление

ариламины NH2

HNO2

+

N

H2SO4

N

HSO4-

H2O

OH

N2

Гидроксил может быть введен в ароматическое электрофильного замещения водорода.

+ HO В

OH

OH

BF3

промышленности

фенол

получают

CH3

CH2=CH-CH3 AlCl3

кумольным

OH

H2SO4

+

способом:

CH3

[O]

O

CH3

H2O

кольцо путем реакции

OH

CH3

H3C O H3C

СТРОЕНИЕ ФЕНОЛОВ О полярности фенолов позволяют судить величины дипольных моментов.

H3C

O

H 1,5D

H O

0,9D 1,6D 1,69D Рассчитанная энергия ВЗМО фенола (α+0,880β), чем у бензола ВЗМО (α+β), что подтверждается величинами энергии ионизации Еи 8,6 и 9,24эВсоответственно.

10 1,970 +0,03 H O

O 0,237

1,010 -0,01

H 0,647 0,670 0,664

-0,01 эл. плотность

порядки связей

СВОЙСТВА ФЕНОЛОВ Кислотность фенола значительно выше любого спирта и воды. OH CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH 16,9 рКа 15,2 15,8 19,2

CH3CH2OH

NaOH

+

H2O

CH3CH2O Na

OH

9,9

15,7

H2O

+

O Na NaOH

+

+

H2O

Анионы фенолов являются сильными нуклеофилами и могут участвовать в этом качестве в реакциях алкилирования

O Na

OCH3

CH3I

Фенолы образуют комплексные соединения с катионами железа (III) и других переходных металлов. [Fe(H2O)6]Cl3 + 2C6H5OH Æ [Fe(H2O)4·C6H5OH·C6H5O•]Cl2 + HCl + H2O Электронные пары кислорода обусловливают нуклеофильность спиртов и фенолов: основность фенола составляет рКВН+ = -6, спиртов -2. H3C

OH

H

+

OH

H3C H

+

OH2

pKBH+ = -2

+ +

OH2

pKBH+ = -6

Действие ацилгалогенидов облегчается присутствием оснований.

11 CH3COCl

OH

O

Et3N

O H3C

Замещение фенольного гидроксила галогеном происходит в жестких условиях при действии пентахлорида фосфора. Фенол при хранении постепенно окисляется кислородом воздуха, образуя сложную смесь соединений, одним из которых является 4,4'-дигидроксидифенил. O

H

O

[O]

O

H

O C H

O

2

HO

OH

Феноксильные радикалы, имеющие в орто- и пара-положениях объемные заместители, высоко стабильны. H3C

CH3

O

H3C

H3C

CH3 CH3

CH3

Реакции ароматического электрофильного ароматического.

кольца

фенолов

протекают

по

механизму

При действии брома в водном растворе образуется 2,4,6-трибромофенол, который при избытке брома превращается в 2,4,4,6-тетрабромоциклогексадиен-2,5-он. O

OH

OH

3 Br2

Br

Br

3 HBr

Br

Br

Br2 HBr

Br

Br

Br

Нитрование фенола протекает при действии разбавленной азотной кислоты и приводит к двум изомерам. Дальнейшее взаимодействие с концентрированной азотной кислотой дает сначала динитрофенолы и затем 2,4,6-тринитрофенол.

12 OH

OH O2N

NO2

OH

HNO3

NO2 OH

HNO3

+

HNO3 O2N

+

OH

NO2

OH NO2

O2N

NO2

NO2

С увеличением количества нитрогрупп происходит усиление кислотных свойств. OH

O

O

O

+

N

O

O

+

O

N

OH

+

N

O

O

Сульфирование фенола приводит в смеси изомерных сульфокислот: орто-изомер кинетический продукт, пара-изомер - термодинамический. OH OH

OH O

S

H2SO4

O OH

<100oC

>100oC HO

H2SO4

S

O

O

>100oC

Легко идет реакция с ацилгалогенидами в присутствии кислот Льюиса (реакция Фриделя-Крафтса). OH

OH

CH3COCl AlCl3

OH COCH3

+ COCH3

пара-Изомер может быть получен из фенилацетата в результате перегруппировка Фриса

13 O CH3

O

OH +

H

COCH3

Фенолы обладают настолько сильным электронодонорным характером (нуклеофильностью), что вступают во взаимодействие даже со слабыми электрофилами, с которыми другие ароматические соединения не реагируют. Нуклеофильность усиливается с переводом фенола в феноляты. Реакция азосочетания проводится в щелочной среде N

+

N

+

O

N

N

OH

В щелочной среде проводят реакции Тимана-Реймера и Кольбе. Формилирование по Тиману-Реймеру идет с участием дихлоркарбена Cl Cl

H

NaOH

Cl C Cl

Cl Cl

O

O

Cl

C

OH Cl

Cl

Cl

+

Cl

H

H

H

OH

O

H2O

H

В реакции Кольбе в качестве электрофила участвует диоксид углерода. OH OH

CO2 NaOH

CH3

CO2 KOH HO

COOH

Большое промышленное значение имеет конденсация фенола с формальдегидом, в результате которой получают фенолоформальдегидные смолы.

14 +

H H

H

H O

H

OH

H H

H

+

OH

H

+

C

OH

OH +

C

OH

OH

OH

+

H

+

+

OH

OH

CH2

OH2

OH

OH OH

OH

ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ К простым эфирам относятся соединения, в которых два углеводородных радикала связаны атомом кислорода. Их называют, указывая соответствующие радикалы: диэтиловый эфир, дифениловый эфир. Иногда применяется "оксидная" номенклатура: дифенилоксид. Распространены тривиальные названия: анизол, фенетол, эфир. CH3CH2 O CH2CH3 CH3 O CH2CH2 O CH3

O CH3 O

O

CH2 CH2 O

O

O

Свойства простых эфиров основаны на том, что атом кислорода связан с Сатомами. Две несвязывающих пары электронов кислорода обусловливают основность (по Льюису) простых эфиров. Низшие представители сравнительно неплохо растворимы в воде (водородные связи), с сильными кислотами они образуют гидроксониевые соли.

CH3CH2 O CH2CH3

HCl

H

Cl

CH3CH2 O CH2CH3

Простые эфиры дают с кислотами Льюиса солеобразные оксониевые соединения, которые называют эфиратами.

CH3CH2 O CH2CH3

BF3

BF3 CH3CH2 O CH2CH3

Несмотря на полярность связи С-О в молекулах простых эфиров (µ=1,6D), они проявляют устойчивость к действию нуклеофилов и оснований. Напротив, в кислой среде,

15 где плохая уходящая группа алкоксил превращается в хорошую уходящую группу спиртовую молекулу, оксониевые соли простых эфиров расщепляются действием сильных нуклеофилов. H CH3 O CH2CH3

H

H

CH3 O CH2CH3

Br

CH3 O CH2CH3

Br

H Br

CH3 O CH2CH3

CH3Br

+

HO CH2CH3

Простые эфиры легко вступают реакции свободно-радикального замещения по αС-атому. Так, получение хлордиэтилового эфира ведут действием хлора на эфир при минус 20оС. CH3CH2OCH2CH3

Cl2

CH3CH2OCHCH3

hν, 20 oC

Cl

Это объясняют тем, что в результате отрыва атома водорода возникает частица, стабилизированная за счет нахождения неспаренного электрона в поле атома кислород ("три электрона в поле двух атомов"). H CH3 C O H

Cl CH3

HCl

CH3 C O H

CH3

Это же обстоятельство является причиной легкости окисления простых эфиров. α-Хлорзамещенные эфиры вступают в реакции нуклеофильного замещения хлора как электрофилы по мономолекулярному механизму (с цианид-ионом, йодид-ионом, ацетат-ионом). Предпочтительность SN1-механизма легко объясняется резонансной стабилизацией карбокатиона. CH3 O CH2

CH3 O CH2

Среди циклических простых эфиров выделяется своей реакционной способностью этиленоксид. В лаборатории его получают из этиленхлоргидрина действием щелочи. Этиленоксид реагирует с водой и спиртами в присутствии протонных кислот. CH2 CH2 O

H

CH2 CH2 OH H2O HOCH2CH2OH _ _ H H CH2 CH2 OH HOCH2CH2OCH2 CH2 OH _ H CH2 CH2 OH

Реакции этиленоксида с протонными кислотами можно остановить на стадии винилового спирта и получить таким образом ацетальдегид.

16

H

CH2 CH2 O

H CH2 CH2 O H

H CH3 CH O

CH2 CH OH

_

O CH3C

H

H

Этиленоксид в присутствии кислот Льюиса может участвовать в реакции ФриделяКрафтса с ароматическими соединениями, образуя β-гидроксиэтилпроизводные.

CH2 CH2 O

CH2CH2OH +

AlCl3

Действие нуклеофилов на окись этилена так же приводит к раскрытию цикла и присоединению метиленовому углероду нуклеофила, к кислороду - протона.

CH3 CH3

C CH2 O

CH2 CH2

+

NH2CH3

CH3

C

CH3 C2H5OH

OH

C2H5ONa

O

CH2 NHCH3

CH2 CH2 OC2H5 OH

В органическом синтезе также находят широкое применение макроциклические простые эфиры. Их называют краун-эфирами за схожесть графических формул с изображениями короны. Краун-эфиры обладают уникальной способностью удерживать в растворе в малополярных органических средах соли щелочных металлов. Это возможно за счет координирования катиона внутри "короны". O O

O

O

O

O

O

O O

O K

O O

+

O O

O O

Это качество краун-эфиров позволяет вводить в реакцию соединения, которые в обычных условиях не могут реагировать, например, из-за негомогенности среды. Так, в присутствии 18-краун-6 легко проходит окисление перманганатом калия алкенов в карбоновые кислоты в бензольном растворе, где перманганат калия нерастворим.