Оксикислоты. Избранные главы из курса ''Органическая химия''

NH2

N

N HO

O

O H

H

O

H

H

O

H

P

O-

O-

hƒK!=……/å ãë="/ ,ƒ *3!“= œn!ã=…,÷å“*= .,ì, B

оксикислоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Избранные главы из курса œОрганическая химияB

Оксикислоты Пособие для студентов специализаций “ХИМИЯ” и “ЭКОЛОГИЯ”

III и IV семестры

Новосибирск 1999

Составители: Проф. В. А. Резников Проф. В. Д. Штейнгарц Рецензент - канд. хим .наук. ст. преподаватель К. Ю. Колтунов Пособие представляет собой часть курса лекций “Органическая химия”, читаемого студентам второго курса специализаций “химия” и “экология”, рекомендуется также студентам отделения “биология и медбиология” и другим студентам, изучающим органическую химию.

 Новосибирский государственный университет, 1999

2

Алифатические оксикислоты Оксикислоты являются представителями бифункциональных соединений, в составе молекулы которых находятся гидроксильная и карбоксильная группы. При этом указанные группы могут быть присоединены как к насыщенному углеводородному фрагменту, так и к ароматическому ядру. Классификация алифатических оксикислот, как и других бифункциональных соединений, основана в первую очередь на взаимном расположении функциональных групп. В качестве простейшей оксикарбоновой кислоты можно рассматривать угольную кислоту, в молекуле которой гидроксильная группа присоединена непосредственно к карбоксильной группе. Однако угольную кислоту можно также отнести и к дикарбоновым кислотам, с некоторыми свойствами и производными которых читатель уже знаком. Следующая группа оксикислот – α-оксикислоты: гликолевая кислота HOCH2CO2H и ее гомологи. Органические соединения, в состав молекулы которых входит фрагмент -CH(OH)COOH, – монооксикарбоновые кислоты, полиоксикарбоновые кислоты, оксиполикарбоновые кислоты и полиоксиполикарбоновые кислоты – известны уже достаточно давно, поскольку многие из них имеют природное происхождение, что нашло отражение в названиях этих соединений. В таблице 1 приведены данные о некоторых распространенных α-оксикислотах. Таблица 1. Некоторые свойства оксикислот Структурная формула

Название кислоты

Температура плавления, °С 63 (α) 79 (β)

Константа диссоциации в воде при 25° . 1.48 10-4

HO CH2COOH

Гликолевая DL-Молочная D-Молочная L-Молочная β-Оксипро-пионовая

18 26 – –

1.39 10-4 . 8.40 10-4 – –

Тартроновая (оксимало-новая)

158

5 10-3

130-131 98-99 – 204-206

3.9 10-4 – – . 1.04 10-3

170 – 140

1.1 10-3 – . 6.0 10-4 . 8.4 10-4

(1) CH3CHCOOH OH

HOCH2CHCOOH HOOCCHCOOH OH HOOCH2CHCOOH OH HOOCCH CHCOOH OH OH

CO2H

DL-Яблочная D-Яблочная L-Яблочная Виноградная (рацемичес-кая винная) D-Винная L-Винная Мезовинная Лимонная

153

CO2H OH CO2H OH OH

D-Глюконовая

125-126

CH CHCH2OH CH

CH-COOH

OH OH

3

.

.

.

.

В таблице для некоторых соединений не приведены температуры плавления и константы диссоциации. Как вы думаете, связано ли это с отсутствием данных? Объясните на качественном уровне, с чем связано различие в силе перечисленных выше кислот на примере гликолевой, молочной и винной.

Методы синтеза алифатических оксикислот. В случае, если гидроксильная и карбоксильная группы находятся в составе молекулы достаточно далеко друг от друга (разделены более чем тремя атомами углерода), для их введения используются обычные приемы, которые обсуждались при изучении спиртов и карбоновых кислот. В то же время для α-, β- и γ-оксикислот применяют и специфические методы синтеза. Простейшую оксикислоту – гликолевую – получают окислением этиленгликоля. Следует отметить, что этот метод синтеза применим только для гликолевой кислоты! OH O2

HO CH2COOH

OH

гликолевая кислота

Общий метод синтеза α-оксикислот основан на гидролизе (нуклеофильном замещении атома галогена на гидроксигруппу) доступных α-галоидзамещенных карбоновых кислот. CH3CHCOOH

CH3CHCOOH

H2O, OH-

Br

OH

молочная кислота

Аминокислоты могут быть превращены в оксикислоты при взаимодействии с азотистой кислотой (реакция диазотирования). Особенно большое значение имеет эта реакция для превращения в оксикислоты доступных природных α-аминокислот. Если в реакцию диазотирования вводить оптически активную α-аминокислоту, то будет ли оптически активной образующаяся оксикислота? Объясните ответ. NaNO2

NH

2

R

COOH

OH

HCl

R

COOH

Историческое значение имеет циангидринный метод синтеза α-оксикислот, первая стадия которого заключается во взаимодействии карбонильных соединений с синильной кислотой, приводящем к образованию циангидринов. Последующий гидролиз в кислой среде приводит к целевым соединениям. Этот метод применим как к альдегидам, так и к кетонам и особенно большое значение имеет в химии углеводов. O R H

HCN

OH R

H CN

H 3O +

RCHCOOH OH

Оксикислоты с любым взаимным расположением гидроксильной и карбоксильной групп могут быть получены восстановлением соответствующих кетокарбоновых кислот. Этот метод не является специфическим в отношении способа восстановления, поскольку основан на том, что карбонильная 4

группа восстанавливается легче карбоксильной. Например, это превращение может быть осуществлено каталитическим гидрированием. В лабораторной практике в качестве восстановителя можно использовать боргидрид натрия или изопропанол в присутствии изопропилата алюминия. CH3CCOOH

[H]

CH3CHCOOH

O

OH

пировиноградная кислота

молочная кислота

CH3CCH2COOH

[H]

CH3CHCH2COOH

O

OH

Весьма доступными по реакции альдольной конденсации являются β-оксиальдегиды – альдоли. Учитывая, что альдегидная группа окисляется легче спиртовой, можно легко окислить альдоль в βоксикислоту, используя в качестве окислителей соли серебра или двухвалентной меди. OH

Cu2+, OH-

O

CH3CHCH2COOH OH

H

альдоль Вспомним, что электроноакцепторная карбоксильная группа обусловливает присоединение реагентов типа НХ по кратной связи С=С, сопряженной с ней, “против правила Марковникова”. Например, присоединение воды к акриловой кислоте и ее аналогам катализируемое кислотами, приводит к β-оксикислотам. O

+

H3O

HO

OH

O OH

Более мягким способом трансформации двойной связи ненасыщенной кислоты в гидроксигруппу с образованием оксикислоты является гидроборирование с последующим окислением борорганического производного перекисью водорода. Другим методом синтеза оксикарбоновых кислот является окисление ненасыщенной кислоты в эпоксид и последующее восстановление алюмогидридом лития, которое происходит неселективно и приводит к смеси двух оксикислот. Гидратация эпоксида в кислой среде приводит к образованию диоксикарбоновых кислот. Последние два метода пригодны для непредельных кислот с любым взаимным расположением олефиновой и карбоксильной групп. O

R'CH CH(CH2)nCOOH

1. BH3 2. H2O2

RCO 3H

R'CH CH(CH ) COOH 2 n

H3O+

LiAlH4

HO R'CH CH (CH ) COOH 2 2 n OH

два изомера

OH

R'CH CH 2

R'CH CH(CH ) COOH 2 n OH

(CH2)nCO 2H

два изомера

Эпоксиды α,β-ненасыщенных карбоновых кислот также могут быть получены по реакции Дарзана – реакции конденсации альдегидов или кетонов с эфирами α-галогенкарбоновых кислот в присутствии сильных оснований. 5

R1

+

O

2

R

3

R CHCO2Et

3 1 R R

NaOEt

1

NaO C CCO2Et

X

R

- NaX

2 R X

2

O R3 C CCO2Et

R

Важное значение в синтезе β-оксикислот имеет реакция Реформатского – взаимодействие эфиров α-галоидзамещенных карбоновых кислот с карбонильными соединениями – альдегидами или кетонами – и цинком. 2

R O

1

R

+ Zn +

R

R

R2CHClCO2R3

R1

3

CH CO2R

H2O

OZnCl

2

R

R R1

3

CH CO2R OH

γ-оксикислоты получают гидролизом циклических сложных эфиров – γ-бутиролактонов, которые, в свою очередь, получают либо восстановлением циклических ангидридов карбоновых кислот, либо циклизацией β,γ-непредельных кислот при нагревании в присутствии разбавленных минеральных кислот. Следует отметить, что γ-оксикислоты в свободном состоянии способны самопроизвольно превращаться в γ-лактоны. O O

[H]

O

H3O

O

O

HO

OH

- H2O

лактон

O

+

O OH

Предложите механизм реакции образования γ-бутиро-лактона из β,γ-непредельной кислоты. Общий метод получения оксикислот с удаленными гидроксильной и карбоксильной группами основан на окислении циклических кетонов надкислотами по Байеру-Виллигеру и последующем гидролизе образующихся лактонов в щелочной среде. Осторожное подкисление завершается образованием соответ-ствующей оксикислоты. O

O (CH2)

RCO3H

O

O (CH2)n

OH-; H+

HO

(CH2)n

OH

Существуют специфические методы синтеза полиоксикарбоновых кислот, с которыми читатель ознакомится при изучении химии углеводов. Что же касается синтеза дигидроксикислот, то они легко могут быть получены окислением ненасыщенных кислот по связи С=С одним из методов, используемых для окисления алкенов. Например, при окислении акриловой кислоты перманганатом калия в щелочной среде (окисление по Вагнеру) образуется глицериновая кислота.

6

OH

O

KMnO4/OH-

H2C CHCO2H

OH OH

акриловая кислота

глицериновая кислота

RCO3H OH

O

+

O

H3O

CO2H

OH OH

Гликоли также могут быть получены окислением соединений, содержащих связь С=С, при действии тетраоксида осмия, либо перекиси водорода в присутствии OsO4, органическими надкислотами или кислородом воздуха в присутствии оксида серебра с последующим гидролизом первоначально образующегося эпоксида. Напишите схемы этих реакций на примере акриловой кислоты. В чем заключаются стереохимические особенности получения гликолей окислением алкенов перманганатом калия и последовательным превращением алкена в эпоксид, а затем в гликоль? Охарактеризуйте пространственное строение продуктов окисления малеиновой и фумаровой кислот каждым из методов.

?

CO2H

KMnO4/OH-

1. RCO3H + 2. H3O

CO2H

?

малеиновая кислота

?

CO2H

KMnO4/OH-

1. RCO3H 2. H3O+

HO C 2

?

фумаровая кислота Последний из методов получения оксикислот (молочной кислоты), который заслуживает упоминания, – это ферментативное окисление сахаров – глюкозы, лактозы или сахарозы – которое приводит в зависимости от используемого штамма бактерий либо к левовращающей, либо к рацемической молочной кислоте. CHO OH OH OH OH OH

[O]

OH H3C

COOH

Свойства и реакции алифатических оксикислот Как и все другие полифункциональные соединения, оксикарбоновые кислоты проявляют свойства, обычные для каждой функциональной группы, входящей в состав молекулы, хотя обладают и специфическими свойствами, обусловленными наличием обеих функциональных групп. Так, 7

оксикислоты, естественно, образуют соли. Сила оксикислот несколько больше, чем сила незамещенных карбоновых кислот вследствие индуктивного эффекта гидроксильной группы. Это H касается в первую очередь α-оксикарбоновых кислот и в какой-то мере βO R оксикислот, поскольку влияние индуктивного эффекта быстро уменьшается при увеличении числа связей С-С, разделяющих гидроксильную и карбоксильную O O H группы. Силу α-оксикарбоновых кислот увеличивает также стабилизация карбоксилат – карбоксилат-аниона внутримолекулярной водородной связью. анион Взаимодействие оксикислот со спиртами в присутствии кислотного катализатора (например, серной кислоты) приводит к образованию сложных эфиров. Взаимодействие с сильными основаниями, например с алкоголятами металлов, приводит к образованию дианиона. Последующее взаимодействие этого аниона с галоидным алкилом происходит по обоим нуклеофильным центрам, приводя к соединению, являющемуся одновременно простым и сложным эфиром. Если в реакцию с алкоголятом металла вводить не кислоту, а ее эфир, то образующийся алкоголят также можно превратить в эфир действием галоидного алкила. H+

OH COOH

H C 3

H3C

-

C2H5ONa

OH COO

COOC H 2 5

H C 3

-

H3C

CH3I

O COO

H3C

COOCH3

H3C

COOC2H5 CH3I OCH

OH

3

-

-

CH3I

OCH H3C

OH

Na2CO3

C2H5ONa O

+ С2H5OH

3

COOCH3

H3C

COOC2H5

При взаимодействии оксикислот с диазометаном образуется сложный эфир, а спиртовая гидроксигруппа при этом не затрагивается. Объясните это явление. Гидролиз диэфира оксикислоты, катализируемый как кислотами, так и щелочами, приводит к расщеплению только сложноэфирной группы (с чем это связано?). При взаимодействии оксикислот с ангидридами или хлорангидридами кислот происходит реакция ацилирования спиртовой гидроксигруппы с образованием соответствующего сложного эфира, а карбоксильная группа при этом сохраняется. Спиртовую гидроксигруппу оксикислоты можно окислить в карбонильную группу одним из окислителей, используемых обычно для окисления спиртов, например хромовой кислотой, и, напротив, карбоксильную группу можно восстановить в спиртовую группу действием алюмогидрида лития. Молочная кислота при взаимодействии с йодистоводородной кислотой восстанавливается в пропионовую кислоту.

8

OH COOH

H C 3

[H]

OCOCH

3

CH3COCl [O]

HI

OH

O

CH3CH2COOH

CH2OH

H C 3

COOH

H3C

COOH

H C 3

Реакции оксикислот с галогенангидридами неорганических кислот обычно происходят по обеим функциональным группам с образованием галогенангидридов галогенкарбоновых кислот. PCl5

OH Ph Ph

Cl

O

Ph Ph

CO2H

C Cl

В зависимости от взаимного расположения гидроксильной и карбоксильной групп оксикислоты способны претерпевать различные химические трансформации при нагревании. Так, α-ок-сикислоты при нагревании легко расщепляются с образованием альдегидов (реакция декарбонилирования). Механизм этой реакции включает протонирование гидроксигруппы карбоксильной группировки, отщепление молекулы воды с образованием сравнительно устойчивого ацилий-катиона, отщепление молекулы СО и последующее депротонирование катиона А, приводящее к образованию альдегида. Легкость протекания этой реакции связана в основном с тем, что катион А стабилизирован мезомерным эффектом гетероатома. Ph

COOH

H2SO4 (разб.)

PhCHO

OH

миндальная кислота - H+

H+ O Ph OH

O +H O H

H 2O

Ph

Ph

Ph

+

- CO

OH

OH

OH

Характерной особенностью оксикислот является образование сложных эфиров в результате взаимодействия двух функциональных групп, входящих в состав молекулы. Так, α-окси-кислоты при нагревании образуют циклический сложный диэфир – лактид в результате взаимодействия спиртовой группы одной молекулы с карбоксильной группой другой. O H3C

HOOC

OH COOH

+

CH HO

3

O

- 2H2O

α-оксикислота

O

O

лактид

9

HO

O

O

COOH

β-оксикислота

O

β-лактон

O

O

O

- H2O

COOH

O=C=CH2 + CH2O

В тех же условиях β-оксикислоты подобно спиртам претерпевают дегидратацию с образованием α.β-ненасыщенных – акриловых кислот. Образования β-лактонов не происходит вследствие малой устойчивости четырехчленного цикла, а межмолекулярная диэтерификация с образованием восьмичленного цикла также не реализуется, возможно, вследствие малой вероятности необходимого взаимного пространственного расположения функциональных групп на стадии замыкания цикла (энтропийный фактор). Следует отметить, что, хотя β-лактоны и не образуются при дегидратации βоксикислот, они тем не менее известны и могут быть получены, например, взаимодействием кетена с формальдегидом. Для γ-оксикислот характерна склонность к образованию внутримолекулярного сложного эфира настолько велика, что γ-лактоны могут образовываться уже при подкислении водных растворов солей этих кислот, несмотря на присутствие большого избытка воды (вспомните об обратимости реакции этерификации!). H+

CO Na 2

HO

O

CO H 2

HO

соль γ-оксикислоты

- H2O

O

γ-лактон

γ-Лактоны могут быть также получены восстановлением ангидридов янтарных кислот, однако это не очень удобный метод, так как лактоны также могут легко восстанавливаться, например комплексными гидридами металлов – боргидридом натрия и алюмогидридом лития. При этом могут быть получены либо гликоли, либо альдегидоспирты. Последние образуются при медленном прибавлении восстановителя к раствору лактона. Исчерпывающее восстановление янтарного ангидрида при действии водорода в присутствии обычных катализаторов гидрирования при повышенном давлении приводит к тетрагидрофурану. Подобно тому как происходит реакция γ-лактонов с гидрид-ионом, происходит взаимодействие этого соединения и с некоторыми другими нуклеофильными реагентами. Реакция с цианистым калием приводит к солям γ-цианокарбоновых кислот, взаимодействие с реактивами Гриньяра приводит после гидролиза к оксикетонам. O

O [H]

[H]

O

HO

O

O

O [H]

KCN CN O

O

1.RMgX 2. H2O

[H]

O HO

HO R

OH

OK

10

Предложите механизм превращения γ-оксимасляной кислоты в γ-бутиролактон. Известны также лактоны и с б?льшим размером цикла, однако они образуются только при нагревании соответствующих оксикислот. Лактоны с девятью и десятью углеродными атомами в цикле присутствуют в молоке и в молочных продуктах, обуславливая наряду с диацетилом и 2гидроксипропаноном-2 сливочный запах. Следует, однако, отметить, что при нагревании оксикислот, в молекуле которых гидрокси- и карбоксильная группа достаточно удалены друг от друга, вероятность сближения этих групп в пространстве весьма мала, и поэтому становится значимой конкурирующая реакция межмолекулярного образования сложного эфира, приводящая к высокомолекулярному полиэфиру. Для того чтобы исключить или во всяком случае снизить вероятность протекания этой реакции, применяют метод высокого разбавления, при котором снижается вероятность межмолекулярной реакции. O

-[O-(CH2)nCO-]n полиэфир

HO(CH2)nCOOH

O (CH2)n

макроциклический лактон

Методы получения ароматических оксикислот Наибольшее значение в синтезе ароматических оксикислот имеет реакция карбоксилирования фенолов и нафтолов. Реакция протекает при взаимодействии фенолята или нафтолята натрия с диоксидом углерода при повышенном давлении (5 атм.) и температуре (130-220 °С) (реакция КольбеШмидта). Это превращение является примером электрофильного замещения, в котором достаточно слабый электрофил – молекула CO2 атакует очень активный арен – фенолят-анион. O

O

O C O + O- M

-O (M = Na)

C

H

C O

+ O- Na OH

H+

O C

OH OH

салициловая кислота Эта реакция обладает двумя важными особенностями. Во-первых, она обратима, то есть образующаяся соль салициловой кислоты способна претерпевать декарбоксилирование в условиях реакции, и равновесие сдвигается в сторону продукта реакции присутствием большого избытка СО2. Это означает, что в принципе реакция может быть проведена в условиях кинетического или термодинамического контроля. Во-вторых, строение термодинамического или кинетического продуктов зависит от природы катиона щелочного металла, используемого в этой реакции в виде щелочи. В случае иона Na+ термодинамически более выгодным продуктом является орто-изомер, а в случае К+ - пара-изомер. Причиной этого явления является большая устойчивость хелатного комплекса, образуемого Na-солью, по сравнению с К-солью, что определяется размером катиона. Следствием этих особенностей реакции является возможность варьирования структуры продукта путем изменения температуры реакции и природы используемого катиона. Так, при проведении реакции карбоксилирования фенолята калия при 125 °С образуется смесь орто- и пара-изомеров, а при более высокой температуре образуется только термодинамически более выгодный пара-изомер. При нагревании калиевой соли салициловой кислоты при 230 °С в атмосфере СО2 образуется дикалиевая соль пара-окси-бензойной кислоты и продукт 11

декарбоксилирования – фенол. В этих же условиях натриевая соль салициловой кислоты претерпевает лишь декарбоксилирование с образованием фенола и динатриевой соли салициловой кислоты. Натриевая соль пара-оксибензойной кислоты при нагревании в атмосфере СО2 при 280 °С образует динатриевую соль салициловой кислоты. Натриевую соль салициловой кислоты получают при взаимодействии фенолята натрия с СО2 при 125 °С и 6 атм. OK CO2K

+ PhOH + CO2

230

OH

CO2

2

CO2K CO2Na

CO2Na

230

OH

ONa

CO2

2 OH

+ PhOH + CO2

CO2Na ONa

280

2

CO2

+ PhOH CO2

+

CO2Na

Подобные превращения претерпевают и нафтоляты калия и натрия. Общие закономерности здесь те же, что и в случае фенолятов – термодинамически выгодным является орто-изомер для натриевых солей и пара-изомер – для калиевых солей. ONa

OH CO2

CO2Na

120 OH

OK

CO2K 2

OH

240

+

- CO2 CO2K

OK OH

O-M+

CO2 -

240o M=K

260o M = Na

+

CO2 Na

CO2

260

KO2C

240

M = Na

M=K CO2-M+ OH

Таким образом, строением продукта реакции можно управлять, варьируя температуру реакции и катион в составе исходного фенолята или нафтолята. При этом указанные превращения могут быть проведены и в одну стадию при обеспечении условий, указанных на схеме.

12

Аналогично фенолу реагируют и его гомологи. Полифенолы вступают в реакцию карбоксилирования в более мягких условиях (почему?). Например, резорцин образует резорциловую кислоту при нагревании с водным раствором бикарбоната аммония. COOH

OH

NH4HCO3

OH

OH OH

резорцин

резорциловая кислота

Другой способ введения карбоксильной группы в молекулу фенола – взаимодействие фенолята натрия с четыреххлористым углеродом в присутствии соединений меди как катализатора. В этом случае образуется 25% салициловой и 35% 4-оксибензойной кислоты. COOCuOH

основной бензоат меди t - Cu

OH

CO2H

ONa

OH

CCl4 Cu

+ CO2H

С образованием соответствующих оксибензойных кислот окисляются крезолы при их сплавлении со щелочью в присутствии оксидов металлов. Гидроксиацетофеноны окисляются в соответствующие оксибензойные кислоты йодом в присутствии пиридина ONa

OH

OH

1.NaOH/CuO, t

CH3

2. H+

CO2H

I2 пиридин

COCH3

При нагревании основного бензоата меди в инертном растворителе также образуется салициловая кислота, ион меди при этом восстанавливается до металла. Для введения гидроксигруппы в молекулу бензойной кислоты можно также использовать и традиционные методы получения гидроксиаренов, например, щелочное плавление мета-карбоксибензолсульфокислоты или диазотирование аминобензойной кислоты и последующий гидролиз образующейся соли диазония, и такие методы получения ароматических карбоновых кислот, как окисление метильной группы или галоформное расщепление метиларилкетона.

13

COOH

COOH

CH3

MOn + KOH

1. NaOH 2. H+

,ë, KClO3 OH

OH

SO3H

мета-крезол -

1. I2/OH

COCH

2. H+

H3O+ t COO-

3

COOH NaNO2 H+ NH2

N2+

OH

Показанные на схеме методы получения мета-оксибензойной кислоты применимы также и для синтеза других изомерных оксибензойных кислот.

Свойства ароматических оксикислот В свойствах ароматических оксикислот много общего со свойствами алифатических оксикислот. Константа диссоциации ароматических оксикислот обычно несколько меньше, чем у бензойной кислоты, поскольку гидроксигруппа является одним из самых сильных электронодонорных -O O (по мезомерному эффекту) заместителей, а индуктивное ее влияние через H ароматическое кольцо невелико. Исключением являются орто-оксибензойные O кислоты, которые значительно сильнее своих изомеров и сильнее соответствующих бензойных кислот. Причина этого та же, что и у алифатических α-оксикислот, – =…,%… “=ë,ö,ë%"%L стабилизация карбоксилат-аниона внутримолекулярной водородной связью с *,“ë%2/ участием гидроксигруппы. Оцените сравнительную силу салициловой и орто-метоксибензойной кислот. Отметим, что салициловая кислота благодаря благоприятному взаимному расположению гидроксии карбоксигрупп легко образует хелатные комплексы с ионами переходных металлов. Как и алифатические оксикислоты, ароматические оксикислоты способны образовывать два ряда эфиров - по оксигруппе и по карбоксильной группе. C

O OH OH

O PCl3

O

PhOH

H

+

CH3OH

O

O

OH

O

C

C

салол

OCH

3

OH

OH

OCOCH3

ацетилсалициловая кислота (аспирин)

O

OPh C

метилсалицилат

14

Объясните направления реакций получения эфиров салициловой кислоты. Какое соотношение реагентов следует использовать для получения салола, почему? Получить простой эфир оксибензойной кислоты в одну стадию, исходя из самой кислоты, достаточно затруднительно, так как в обычных условиях получения простых эфиров в реакцию этерификации будет вступать и карбоксильная группа. Правда, полученный диэфир можно легко и селективно гидролизовать в алкоксибензойную кислоту. C

O

RO

OH OH

1. OH-

C

O

C

H2O/ OH-

OR

2. RX

,ë, H3O+

O OH OR

Объясните селективность гидролиза диэфира оксибензойной кислоты. Алкоксипроизводные бензойных кислот получают также из соответствующих бромалкоксибензолов, превращая их в реактив Гриньяра или литийорганическое соединение, которое вводят во взаимодействие с диоксидом углерода. Анисовую кислоту (пара-метоксибензойную) в промышленности получают окислением анетола. Br

MgBr

CO2H 1. CO2

Mg

OR

2. H3O+

OR

OR

OCH

3

OCH3

[O]

HO C 2

анетол

анисовая кислота

Интересной особенностью орто- и пара-оксибензойных кислот является то обстоятельство, что при их взаимодействии с электрофильными реагентами в качестве уходящей группы часто выступает карбоксильная группа. Так, при нитровании или бромировании салициловой кислоты в жестких условиях образуются соответственно пикриновая кислота и трибромфенол. OH O2N

NO2

HNO3

O

OH C OH

H2SO4

NO

OH Br2

Br

Br

Br

2

4-Гидроксибензойная кислота реагирует с солями диазония с замещением карбоксильной группы, а не атомов водорода в свободных орто-положениях. OH HO C 2

+ ArN2

N=NAr HO

Причиной такого направления приведенных реакций является легкость декарбоксилирования оксибензойных кислот, которая обсуждалась выше (21-23).

Оксикислоты в природе

15

Многие алифатические оксикислоты имеют природное происхождение и встречаются в различных растениях, а также участвуют в обменных процессах живого организма. Так, гликолевая кислота встречается в свекле и винограде, молочная кислота, как уже отмечалось выше, является продуктом жизнедеятельности некоторых бактерий, например, обеспечивающих молочнокислое брожение молока и многих овощей при консервировании, квашении капусты и засолке огурцов. Молочная кислота является естественным консервантом, и ее накапливание предохраняет продукты от дальнейшего разложения. В организме человека D-молочная кислота образуется в мышцах при физической нагрузке в результате расщепления глюкозы через стадию образования простейшей кетокислоты – пировиноградной кислоты, и ее повышенная концентрация воспринимается как мышечная усталость. Яблочная кислота содержится в недозрелых яблоках, рябине, клюкве и многих других плодах. Там же находится и D-винная кислота, которая в виде калиевой соли выпадает в осадок при брожении вина, откуда ее и получают. Много лимонной кислоты, естественно, содержится в лимонах, однако поскольку в нашей стране лимоны не растут, то ее выделяют из махорки после предварительного извлечения никотина, а также из зеленой массы хлопчатника. Лимонная кислота может быть получена и синтетически. Ниже приведены две из возможных схем синтеза этого соединения, в основе которых лежит один и тот же метод –циангидринный. Cl

Cl

HCN

Cl H3O+

CN OH

O

Cl

Cl

CN CO2H OH

KCN

Cl

CO2H

CO2H OH

CO2H OH

H3O+

CN

CO2H

дихлорацетон

лимонная кислота CO2H

CO2H O

CN OH

HCN

CO2H

H3O+

CO2H

лимонная кислота

ацетондикарбоновая кислота Салициловая кислота известна главным образом как предшественник ацетилсалициловой кислоты – аспирина. Метилсалицилат и салол также являются лекарственными препаратами. Широко распространены в природе полиоксибензойные кислоты, которые содержатся в виде гликозидов во многих растениях: протокатеховая кислота (I) и ее производные – ванилиновая (II), изованилиновая (III) и вератровая (IV) кислоты. Из триоксибензойных кислот наибольшее значение имеет галловая кислота (V), которая в виде производных широко распространена в природе, в частности она находится в коре дуба, гранатового дерева, листьях чая и чернильных орешках – наростах на тканях растений, образующихся в результате некоторых заболеваний, вызываемых паразитами. Ранее из чернильных орешков, содержащих производные галловой кислоты, изготавливали чернила. Соли оксикислот, входящих в состав чернильных орешков, с двухвалентным железом, неокрашены и растворимы в воде. На воздухе они легко окисляются в производные трехвалентного железа, имеющие черный цвет и нерастворимые в воде. Реакция окисления идет во времени, и для того чтобы чернила были видны на бумаге сразу после нанесения, в них добавляли краситель синего цвета. OH

OH OH

COOH

OCH

OCH

3

OCH

OH

3

COOH

OH

3

COOH

OCH

3

COOH

HO

OH

COOH

III I II IV V Другое название чернильных орешков – дубильные орешки – обусловлено тем, что из них извлекают таннин – вещество, обладающее дубильными свойствами, то есть способностью превращать шкуру животного в кожу. Процесс дубления основан на сшивке белковых цепей в трехмерную структуру, обеспечивающую высокую прочность кожи.

16