PREDNÁŠKA Č. 6 KARBOXYLOVÉ KYSELINY VLASTNOSTI, PRÍPRAVA A REAKTIVITA

Transkript

1 PREDNÁŠKA Č. 6 KARBXYLVÉ KYSELINY VLASTNSTI, PRÍPRAVA A REAKTIVITA 1

2 KARBXYLVÉ KYSELINY CH 3 H + C HC 2 CH 3 HC 2 CH 3 + H 2 HC 2 H + CH 3 H Katalyzátor Me - Na + (BASF) CH 3 H + C CH 3 C 2 H Katalyzátor [Ir(C 2 )I 2 ] - Cativa proces (British Petroleum) Kyselina mravčia 0.5 mil. ton/rok Kyselina octová 6.5 mil. ton/rok 2

3 KARBXYLVÉ KYSELINY Prírodné biogénne molekuly N H Kyselina nikotínová (Niacín) Tuniak, avokádo, orechy Esenciálny vitamín B 3 + K - 2 C H C 2 - K + Didraselná soľ kyseliny jablčnej Mimóza citlivá (Mimosa pudica) Induktor pohybu listov H 4 H C 2 H 3 H 2 C H 3 C H H C 2 H H H Prostaglandín E 1 (PGE 1 ) Tkanivá a orgány cicavcov Drasticky znižuje krvný tlak Giberelín 452D Ryža siata (ryza sativa) Rastový fytohormón 3

4 KARBXYLVÉ KYSELINY Syntetické medikamenty H H Vŕba biela (Salix alba) Eberov papyrus (3500 pr. n. l.) Horká chuť a dráždenie žalúdka H CH 3 Aspirin (Bayer, 1897) Felix Hoffmann, Heinrich Dreser Antipyretikum, antiflogistikum Prevencia vzniku trombov 4

5 KARBXYLVÉ KYSELINY Neuroaktívne molekuly Kyselina g-aminobutánová Neurotransmiter (GABA) Inhibičné účinky na CNS Kyselina g-hydroxybutánová Date rape drug (GHBA) Liečba narkolepsie Chemosenzor na detekciu GHBA 5

6 KARBXYLVÉ KYSELINY Gastromolekuly E 260 pk a =4.76 pk a1 =1.27 pk a2 =4.28 Kyselina etánová (octová) Zoxidované kyslé víno 8% vodný roztok = ocot Kyselina etándiová (šťaveľová) Šťaveľ, mangold, rebarbora bličkové kamene, artritída E 330 pk a1 =3.15 pk a2 =4.77 pk a3 =6.40 E 270 pk a =3.86 Kyselina 2-hydroxypropánová (mliečna) Produkt mliečnej fermentácie Spôsobuje zubný kaz Kyselina 2-hydroxy-1,2,3-propán trikarboxylová (citrónová) Citrusové plody, Konzervant 6

7 KARBXYLVÉ KYSELINY Senzorické molekuly C 2 H 3 C 2 H Kyselina propánová Ementál Kyselina hexánová (kaprová) Limburger 2 C 2 H 2 2 C 2 H Kyselina (E)-3-metyl-2-hexénová Podpazušie, rozkladajúci sa pot Kyselina 4-etylheptánová Typický zápach kozy a capa 7

8 KARBXYLVÉ KYSELINY Drogistické molekuly 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). ktadekanoát sodný (Stearát sodný) Emulgátor, vytvára amfifilné micely Súčasť mydiel a detergentov Kyselina p-aminobenzoová (PABA) Absorbuje v oblasti nm ÚVB filter v opaľovacích krémoch 8

9 Nomenklatúra karboxylových kyselín Systematické (IUPAC) názvoslovie: - nájdi najdlhší reťazec (najväčší kruh) s -C 2 H skupinou, - pridaj k názvu (cyklo)alkánu príponu ová (bez -C 2 H skupiny pridaj k názvu príponu karboxylová), - očísluj molekulu tak, aby: - v prípade ová mal -C 2 H uhlík číslo 1. - v prípade karboxylová mal a-uhlík C-C 2 H číslo 1. C 2 H C 2 H H 2 C C 2 H C 2 H Kyselina 3,3-dimetyl butánová Kyselina propénová (akrylová) Kyselina butándiová (sukcínová) Kyselina (E)-but-2-énová (krotónová) C 2 H C 2 H C 2 H C 2 H H Kyselina benzén-1,2- dikarboxylová (ftalová) Kyselina o-hydroxybenzénkarboxylová (salicylová) Kyselina (R)-2-fenyl propánová 9

10 Štruktúra a elektronické vlastnosti karboxylových kyselín Karboxylový uhlík je sp 2 hybridizovaný (trigonálne planárny). Dĺžka C= väzby je rovnaká ako pri aldehydoch/ketónoch a zároveň kratšia ako C=C u alkénov. Dipólový moment 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= a -H väzieb sú delokalizované, v dôsledku čoho je karboxylový uhlík menej elektrofilný, ako je tomu pri aldehydoch a ketónoch. 10

11 Fyzikálne vlastnosti RC 2 H Vodíkové väzby & Bod varu Karboxylové kyseliny sú ako donormi (-H), tak aj akceptormi (C=) 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 H 2, vyššie mastné kyseliny sú už skôr lipofilné a rozpúšťajú sa v menej polárnych éteroch a alkoholoch. Bod varu: Karboxylové kyseliny Alkoholy Aldehydy / Ketóny Alkány Zlúčenina Mól. hmot. Bod varu CH 3 CH 60.0 g/mol 118 C CH 3 CH 2 CH 2 H 60.1 g/mol 97 C CH 3 CCH g/mol 56 C CH 3 CH 2 CH 58.1 g/mol 49 C CH 3 CH 2 CH 2 CH g/mol C 11

12 Fyzikálne vlastnosti karboxylových kyselín Acidita Karboxylové kyseliny majú kyslé C-H vodíky, ich pk a hodnoty sa pohybujú v rozmedzí 1-5. Sú kyslejšie ako alkoholy (pk a ~ 15-17), ale menej kyslé ako minerálne kyseliny (HCl, pk a = -7). Vo vode sú RC 2 H disociované (ionizované) v miere vyjadrenej rovnovážnou konštantou K a. (Napríklad 0.1 M vodný roztok kyseliny octovej je ionizovaný na približne 1.3% (K a = 1.8 x 10-5 )). Karboxylová kyselina Karboxylátový anión Dôvodom vyššej acidity RC 2 H v porovnaní s RH je zvýšená stabilita RC 2 - voči R -, nakoľko: existuje elektrostatická stabilizácia záporného náboja - I-efektom elektrofilného C= uhlíka, existuje rezonančná stabilizácia záporného náboja jeho delokalizáciou medzi C= a C (DG =91 kj/mol) 10-5 (DG =27 kj/mol) 12

13 Fyzikálne vlastnosti karboxylových kyselín Acidita Vplyv substitúcie RC 2 H (indukčný efekt) Substituenty majú významný vplyv na aciditu karboxylových kyselín, kľúčovým faktorom je (ne)schopnosť stabilizácie vzniknutého záporného náboja RC 2 - po deprotonácii RC 2 H. Stabilizácia môže nastať v dôsledku či už záporného indukčného efektu alebo rezonancie. Vplyv - I-efektu na stabilizáciu RC 2 - je zrejmý z porovnania pk a halooctových kyselín: Vplyv - I-efektu na stabilizáciu RC 2 - so zväčšujúcou sa vzdialenosťou významne klesá: 13

14 Fyzikálne vlastnosti karboxylových kyselín Acidita Vplyv substitúcie ArC 2 H (rezonancia, o-efekt) Vplyv rezonancie na stabilizáciu ArC 2 - je zrejmý v prípade (substituovanej) kyseliny benzoovej. Elektrónovo-akceptorná N 2 -skupina spôsobuje zvýšenie acidity, naopak elektrónovo-donorná Me-skupina spôsobuje zníženie acidity príslušnej kyseliny voči nesubstituovanej PhC 2 H. + M-effect - M-effect rto-substituované PhC 2 H sú vo všeobecnosti kyslejšie ako ich m-/p-deriváty orto-efekt. Dôvodom sú zvýšené stérické nároky, ktoré nútia -C 2 H skupinu vytočiť sa z roviny kruhu. Dôsledkom je strata koplanarity a následné zníženie konjugácie s aromatickým systémom. R 1 R 1 H H R 1 R 2 pk a CH 3 H 3.90 C(CH 3 ) 3 H 3.53 R 2 R 2 CH 3 CH

15 Príprava karboxylových kyselín xidácie alkoholov xidáciou primárnych alkoholov silnými oxidačnými činidlami (Cr 6+, Mn 7+ ) sa získajú RC 2 H. Použitie KMn 4 : 4 KMn 4 3 R H 3 R - K + H 2 Primárny alkohol Draselná soľ karboxylovej kyseliny + H Mn 2 + KH R - K + HCl R H + KCl Draselná soľ karboxylovej kyseliny Karboxylová kyselina Použitie K 2 Cr 2 7 : 2 K 2 Cr R H 3 R H 8 H 2 S 4 Primárny alkohol Karboxylová kyselina + 11 H K 2 S Cr 2 (S 4 ) 3 15

16 Príprava karboxylových kyselín xidácie aldehydov/ketónov Analogickou oxidáciou aldehydov/ketónov sa získavajú príslušné (di)karboxylové kyseliny. Tollens: Ag 0 Benzaldehyd Kyselina benzoová + Strieborné zrkadlo Jones: HN 3 : HN3 C 2 H C 2 H KMn 4 : Cyklohexanón Kyselina adipová 16

17 Príprava karboxylových kyselín xidačné štiepenie alkénov zonolýzou alkénov dochádza najprv k vzniku nestabilného molozonidu, ktorý rýchlo prešmykuje na stabilnejší ozonid. Jeho oxidatívnym spracovaním sa získa príslušná (di)karboxylová kyselina. Cyklohexén 2 Kyselina adipová xidáciou alkénov s KMn 4 v kyslom prostredí dochádza najprv k vzniku nestabilného mangánového esteru, ktorý poskytne príslušné (di)aldehydy. Tie sú in situ zoxidované na (di)karboxylové kyseliny. (E)-Dekán-5-én Kyselina pentánová Mechanizmus: - Mn 2 Kyselina adipová Cyklohexén 17

18 Príprava karboxylových kyselín a-xidácie aromátov xidáciou a-uhlíka alkylaromátov sa získajú príslušné karboxylové kyseliny. C 2 - K + 2 KMn 4 H 2 + H Mn 2 + KH Metylbenzén (Toluén) Draselná soľ kyseliny benzénkarboxylovej (benzoovej) 2, Co C H 2 C C 2 H 1,4-Dimetylbenzén (p-xylén) Kyselina benzén-1,4-dikarboxylová (tereftalová) Syntetické využitie - výroba sacharínu: - H 2 18

19 Príprava karboxylových kyselín Hydrolýza nitrilov Nitrily (R-C N) sú vynikajúcimi prekurzormi na syntézu karboxylových kyselín. V kyslom a/alebo bázickom prostredí podliehajú hydrolýze za vzniku RCH. Samotné nitrily sú dobre dostupné nukleofilnou adíciou CN - na alkyl halidy. Príprava nitrilov: Hydrolýza nitrilov: 19

20 Príprava karboxylových kyselín Kyslá hydrolýza nitrilov Mechanizmus 20

21 Príprava karboxylových kyselín Grignardova adícia na C 2 xid uhličitý je excelentný elektrofil a využíva sa v Ad N Grignardových činidiel za vzniku horečnatých solí karboxylových kyselín. Finálnou kyslou hydrolýzou sa získajú RCH. Mechanizmus: 21

22 Príprava karboxylových kyselín Malónesterová syntéza 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. Me - Na + dimethyl malonate (pk a 13 resp. 15.9) R-X 22

23 Príprava karboxylových kyselín S EAr fenolu Kolbe-Schmitt Zahrievaním fenolátu sodného (100 atm., 125 C) v prítomnosti oxidu uhličitého a následnou kyslou hydrolýzou disodnej soli sa získa kyselina 2-hydroxybenzoová. Fenol Mechanizmus: Kyselina salicylová Adolph Wilhelm Hermann Kolbe ( ) University of Marburg (pk a = 10) Rudolf William Schmitt ( ) University of Marburg 23

24 Reakcie karboxylových kyselín Klasifikácia REAKCIE HYDRXYLVEJ SKUPINY - s bázami príprava solí - s kovmi dekarboxylácie - s CH 2 N 2 príprava metylesterov - s SCl 2 príprava chloridov REAKCIE KARBNYLVEJ SKUPINY - Ad N -E príprava esterov príprava amidov C H H REAKCIE NA a-uhlíku - Ad E a-halogenácia 24

25 Reakcie RC 2 H s bázami Príprava solí V prítomnosti silných báz sú karboxylové kyseliny deprotonované za vzniku príslušných solí. R H + - H K = R - + H 2 Silná kyselina (pka ~ 5) Slabá kyselina (pka ~ 16) 25

26 Reakcie RC 2 H s kovmi Dekarboxylácie Sodné/draselné soli karboxylových kyselín termicky dekarboxylujú za vzniku uhľovodíkov. H NaH DT CH 4 + NaHC 3 H NaH DT + NaHC 3 Hunsdiecker-Borodin: Strieborné soli karboxylových kyselín reagujú s halogénmi za vzniku nestabilných intermediátov, ktoré termicky dekarboxylujú za vzniku príslušných halidov. Heinz Hunsdiecker & Cläre Hunsdiecker ( ) ( ) University of Göttingen 26

27 Reakcie RC 2 H s CH 2 N 2 Príprava metylesterov Diazometán (CH 2 N 2 ) metyluje (aj stéricky bránené) karboxylové kyseliny za vzniku metylesterov. Najprv dochádza k protonácii CH 2 N 2 karboxylovou kyselinou za vzniku extrémne nestabilného diazóniového katiónu, ktorý následne eliminuje dusík za súčasného nukleofilného ataku RC 2-. Nevýhodou je nízky bod varu CH 2 N 2 (-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 CH 2 N 2 (Sigma-Aldrich) 27

28 Reakcie RC 2 H s SCl 2 Príprava chloridov Reakciou karboxylových kyselín s tionylchloridom (SCl 2 ) vznikajú príslušné chloridy kyselín. Nukleofilný kyslík C 2 H skupiny atakuje elektrofilnú síru a vzniknutý nestabilný tetraédrický intermediát je následne protonovaný. Atak Cl - a finálna fragmentácia poskytne chlorid, HCl a S 2. Mechanizmus:

29 Reakcie RC 2 H s RH Príprava esterov Reakciou karboxylových kyselín s alkoholmi v kyslom prostredí vznikajú príslušné estery. Protón zvyšuje jednak elektrofilitu C= skupiny a jednak schopnosť H 2 odstupovať. Rovnováhu je možné posúvať v prospech produktu odstraňovaním vody z reakčnej zmesi. 70% Mechanizmus: 29

30 Reakcie RC 2 H s amínmi Príprava amidov Amíny sú nukleofilnejšie a bázickejšie ako RH, ich reakciou s RC 2 H 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. Mechanizmus: - NH 4 + DT H + NH 3 - NH + 3 H H NH 2 H -H 2 NH 2 30

31 Reakcie RC 2 H na a-uhlíku Halogenácia HVZ Hell-Volhard-Zelinského halogenácia poskytuje príslušné a-haloderiváty karboxylových kyselín. kat. Br 2 RC 2 H Br 2 Mechanizmus: a) Prvým krokom je Ad N -E reakcia RCH 2 C 2 H s kat. PX 3 za vzniku acylhalidu. b) Tautomerizácia acylhalidu a následná S N enolu s X 2 poskytne príslušný a-halo-acylhalid. c) Finálnou hydrolýzou sa získa RCH(X)C 2 H, regenerovaný acylhalid a reakcia sa opakuje. 31

32 Reakcie RC 2 H na a-uhlíku Halogenácia HVZ (Hell - Volhard - Zelinskij) Karl Magnus von Hell ( ) Technical University of Stuttgart Jacob Volhard ( ) Universität Halle Nikolaj Dmitrijevič Zelinskij ( ) University of Moscow 32