Строение и реакционная способность оксо- и оксикислот

                  

 Глиоксиловая кислота дает реакцию «серебряного зеркала»:

            Под действием окислителей она  может превращаться в углекислый  газ и воду, очевидно, вследствие  окисления образующейся на промежуточной  стадии щавелевой кислоты. Из-за  отсутствия  α−водородных атомов  глиоксиловая кислота не способна к альдольной конденсации и при обработке щелочью или нагревании с водой претерпевает реакцию Канниццаро(Приложение 5):

α−Кетокислоты напоминают по своим свойствам щавелевую  кислоту, что неудивительно, учитывая соседство двух сильных электроноакцепторов.

Например, пировиноградная  кислота легко окисляется даже таким  мягким окислителем, как оксид серебра, при этом реакция сопровождается образованием уксусной кислоты и  диоксида углерода:

2.3 β-Оксокислоты

2.3.1. Получение:

β-Оксокислоты могут быть получены гидролизом сложных эфиров β-ок-сокислот или карбоксилированием енолятов:

β-Оксокислоты и их соли нестабильны, легко декарбоксилируются. Поэтому обычно используют сложные эфиры β-оксокислот.

В сложной эфирной конденсации  получают соли эфиров β-оксокислот, при подкислении реакционной смеси выделяется сложный эфир β-оксокислоты в виде таутомерной смеси енольной и дикарбонильной форм:

Конденсация смеси сложных  эфиров муравьиной кислоты и других кислот дает эфиры β-альдегидокислот:

2.3.2. Физические и химические свойства:

β-Кетокислоты (β-оксокислоты) и их соли – бесцветные, термические нестабильные соединения. Кислоты декарбоксилируются быстрее их солей.       

Предполагают, что декарбоксилированию способствует образование внутримолекулярной водородной связи:

2.4 Сложные эфиры β-оксокислот

2.4.1. Получение

Представителем сложных  эфиров β-оксокислот является ацетоуксусный эфир. Его получают реакцией конденсации Кляйзена(Приложение 6): нагревание этилацетата в присутствии алкоголята. Реакция обратима, поэтому для смещения равновесия используют избыток алкоголята или отгоняют образующийся в реакции спирт.

            Механизм этого превращения аналогичен  альдольной конденсации, в которой основание (алкоголят – ион), отщепляя от молекулы этилацетата α-водородный атом, превращает ее в нуклеофил, атакующий другую молекулу этилацетата и вытесняющий из эфира остаток спирта.

2.4.2. Физические и химические свойства

Сложные эфиры  β-оксокислот – бесцветные ароматные жидкости.

  Ацетоуксусный эфир  существует в двух формах –  кетонной и енольной:

    

 

 Такое сосуществование двух изомерных форм, находящихся в равновесии и способных самопроизвольно переходить друг в друга, называют равновесно-динамической изомерией или таутомерией (от греч. tauto – тот же самый и meros- часть). Переходящие при этом друг в друга формы называют таутомерными. Кето-енольная таутомерия относится к прототропной таутомерии, так как она сопровождается переносом протона.

  За счет влияния  двух карбонильных групп, между  которыми находится метиленовая  группа, водород этой группы становится  подвижным (pK_a= 10,68).

В обычных условиях (при  комнатной температуре) ацетоуксусный  эфир содержит 92,3% кетонной и 7,7% енольн6ой форм. Поэтому ацетоуксусный эфир дает реакции как кетонной, так и енольной форм, т.е. проявляет двойственную природу.

  Реакции кетонной формы:

Взаимные переходы кетонной и енольной форм происходят достаточно быстро. Поэтому трудно оценить степень участия той или иной формы в реакции с данным реагентом. Например, образование циангидрина взаимодействием с цианид-ионом (:CN) можно представить как обычное нуклеофильное присоединение по карбонильной группе и как продукт нуклеофильного присоединения по енольной форме ацетоуксусного эфира:

 

Реакции енольной формы:

Несмотря на малое содержание енольной формы в равновесном ацетоуксусном эфире, при проведении реакций, характерных для этой формы, постоянно будут образовываться все новые количества ее за счет  перехода из кетонной формы. Стабилизация енольной формы облегчается при возникновении водородной связи между кислородном карбонильной группы и водородом гидроксила енольной  группировки и π,π-сопряжения:

Енольная форма ацетоуксусного эфира делает качественную реакцию с FeCl₃. В этом случае происходит образование окрашенной в красный цвет комплексной соли.

Взаимный переход таутомерных форм ацетоуксусного эфира может ускоряться при действии на него кислот или щелочей. Подобрав соответствующие условия, можно выделить две таутомерные формы отдельно. Например, при охлаждении эфирного раствора ацетоуксусного эфира до -78⁰С выделяется  твердая кетонная форма. Если же обработать натрийацетоуксусный эфир в диэтиловом эфире газоообразным хлороводородом при -78⁰С, то можно получить масло, содержащее в основном енольную форму. При повышении температуры эти формы снова превращаются в равновесную смесь с обычным содержанием таутомеров.

2.5 Синтез с ацетоуксусным эфиром

Ацетоуксусный эфир широко применяют в органическом синтезе. С его помощью можно синтезировать  кетоны, модифицировать эфир с образованием различных производных. Целый ряд  дополнительных возможностей для синтеза  обеспечивают еноляты ацетоуксусного эфира, которые способны подвергаться алкилированию и ацилированию с образованием разнообразных замещенных ацетоуксусного эфира. Но в отличии от натриймалонового эфира реакции могут протекать как по атому гидроксильного кислорода, так и по соседнему углеродному атому. Как показывают исследования, механизм этих реакций бимолекулярный (S_N2), где в качестве нуклеофила выступает енолят-ион.

Направление замещения определяется несколькими факторами. Наиболее важным является природа реагента R-X. Чем более мягкой кислотой будет уходящая группа «X», тем легче будет идти реакция по мягкому реакционному центру – атому углерода. Это и происходит при алкилировании енолята-аниона  алкил-иодидами и -бромидами.

Возможности применения ацетоуксусного эфира в синтезах разнообразных  продуктов расширяются благодаря  его способности подвергаться расщеплению  в двух направлениях. При нагревании с разбавленными растворами щелочей  или кислот происходит распад образующейся после гидролиза ацетоуксусной  кислоты с образованием кетонов (кетонное расщепление), обработка концентрированными растворами щелочей приводит к образованию из ацетоуксусного эфира двух молекул уксусной кислоты (кислотное расщепление):

Механизм кислотного расщепления  состоит в нуклеофильной атаке  гидроксил-ионом карбонильного углерода, несущего частичный положительный заряд. После присоединения гидроксила неустойчивый продукт распадается:

Пример синтеза с использованием ацетоуксусного эфира:

Замещенный ацетоуксусный  эфир (метилацетоуксусный эфир, енольная форма) можно подобной обработке, получив диалкилзамещенное производное, последующее расщепление которого приводит к образованию другого кетона или другой кислоты.

2.6 γ- и δ-Оксокислоты

2.6.1. Получение

γ- и δ-Оксокислоты могут быть получены окислением соответствующих гидроксикислот. Большинство из них получают специфическими реакциями.

2.6.2. Физические и химические свойства

γ- и δ-Оксокислоты обладают всеми свойствами карбоновых кислот и карбонильных соединений. Одновременно возможны также реакции внутримолекулярной циклизации за счет присоединения карбоксильной группы к карбонильной:

Такие  кольчато-цепные изомеры  превращения в некоторой степени  аналогичны внутримолекулярным реакциям γ- и δ-гидроксикарбонильных соединений и углеродов.

2.7 Высшие альдегидокислоты и кетокислоты

Для получения кислот с  карбонильными группами в γ-, δ-, ε- и т.д. положении относительно карбоксила известны многочисленные методы синтеза как в алифатическом, так и в ароматическом ряду. Важным представителем класса является левулиновая кислота - γ-кетокислота, получающаяся из гексоз, легче всего из фруктозы (левулозы), при обработке сильными минеральными кислотами.

2.7.1Общие способы получения:

1. Левулиновая кислота, γ-кетовалериановая кислота CH₃COCH₂CH₂COOH получается, конденсацией натрийуксусного эфира с эфиром α-бромуксусной кислоты кетонным расщеплением полученного при этом эфира ацетилянтарной кислоты. Эту реакцию можно распространить на эфиры галоидзамещенных кислот, причем получаются высшие кетокислоты.

2. Высшие кетокислоты  получаются также конденсацией  эфиров монокарбоновых кислот  с циклическими кетонами и  последующем кислотным расщеплением:

3.Конденсацией ангидридов  дикарбоновых кислот с магнийорга-ническими  соединениями получаются высшие кетокислоты

Вместо ангидридов можно  также применять N-метилимиды дикарбоновых кислот.

4. Органические соединения  цинка и кадмия (последние получаются  из магнийорганических соединений  и CdCl₂) легко реагируют с хлорангидридо-эфирами дикарбоновых кислот, давая эфиры кетокислот:

5. Высшие кетокислоты  получаются окислением третичных циклоолефинов перманганатом

или циклических третичных  спиртов хромовым ангидридом:

γ-Кетокислоты. Левулиновая кислота, 4-пентанонкарбоновая кислота, образует кристаллы с т. пл. 33—35°, т. кип. 245° ; она легко растворима в воде, спирте и эфире. Путем изучения спектров было установлено, что левулиновая кислота имеет ациклическое строение, соответствующее  обычной  формуле  СН₃СОСН₂СН₂СООН.

 Во многих своих  реакциях γ-кетокислоты ведут себя, однако, так; как будто они обладают формулой таутомерных γ-оксилактонов. Так, при длительном нагревании левулиновая кислота отщепляет воду, давая смесь двух непредельных γ-лактонов. При нагревании с уксусным ангидридом левулиновая кислота превращается с большим выходом в кристаллическое ацетилпроизводное циклического строения (колъчато-цепная, или оксо-циклическая таутомерия):

Карбоксильная группа левулиновой кислоты может этерифицироваться обычным образом. Однако при обработке эфиров левулиновой кислоты аммиаком получается       γ-амино- γ-валеролактон (левуламид)

Кетонная группа левулиновой кислоты дает нормально оксим, 
фенилгидразон, семикарбазон и циангидрин. При нагревании с концентрированной серной кислотой оксим превращается в N-метилсукцин- 
имид  (бекмановская перегруппировка):

В результате энергичного  восстановления (HJ) левулиновая кислота превращается в валериановую кислоту; при более мягком восстановлении - амальгамой натрия - она превращается в соответствующую  оксикислоту –        γ-оксивалериановую кислоту, которая гладко отщепляет воду с образованием лактона.

При непосредственном бромировании левулиновой кислоты получается β-бромлевулиновая кислота. Последняя претерпевает следующий ряд  превращений :

Бензальдегид конденсируется с левулиновой кислотой, давая в кислом растворе β-бензилиденлевулиновую кислоту, а в щелочном растворе – δ-бензилиденлевулиновую   кислоту.

При электролизе калиевой соли левулиновой кислоты образуется, по  реакции   Кольбе,   1,6-дикетон — октандион-2,7

о-Фталальдегидокислота (т. пл. 100,5°) получается различными методами, например термическим декарбоксилированием фталоновой кислоты (получающейся в свою очередь наряду с фталевой кислотой при неполном окислении нафталина)

 

Опиановая кислота, или диметоксифталалъдегидокислота, образуется при исчерпывающем окислении двух природных продуктов — алкалоидов гидрастина и наркотина.

Фталальдегидокислотам свойствена кольчато-цепная таутомерия, подобная описанной выше таутомерии левулиновой кислоты. В некоторых своих реакциях фталальдегидокислоты превращаются в производные карбоксильной формы, а в других они образуют производные окси-лактонной формы. Таутомерные формы фталальдегидокислот не были выделены; в расплаве и в растворе равновесие, по всей вероятности, полностью смещено в сторону карбоксильной формы.

         При нагревании с уксусным  ангидридом образуется ацетилированное производное оксилактонной формы (I).

      При кипячении  с метанолом образуется соединение, имеющее характер ацеталя (псевдоэфир II); последний превращается под действием небольшого количества серной кислоты в эфир нормальной формы (III) со свободной альдегидной группой.