Методические указания c органической химии для студентов II курса специальности „Фармация”
Альдегидо- и кетокислоты. Использование ацетоуксусное эстеру в органическом синтезе.
Цель занятия:
сформировать знание о строении, номенклатуре, изомерии, методах добывания, химических свойствах и практическом значении гетерофункціональних карбоновых кислот на примере альдегідо- и кетокислот;
Практические навыки:
завладеть лабораторными методами добывания и идентификации оксокислот;
Программа самоподготовки студентов.
1. Классификация, номенклатура, изомерия и способы получения оксокарбонових кислот.
2. Особенности проявления химических свойств оксокислот как бифункциональных соединений. Взаимное влияние функциональных групп.
3. Декарбоксилирование – и -оксокислот.
4. СН-кислотність, таутомерия и двойная реакционная способность ацетоуксусного эстеру. Синтез карбоновых кислот и кетонів на основе ацетоуксусного эстеру.
5. Отдельные представители альдо- и кетокислот и их практическое приложение (глиоксиловая, пировиноградная, ацетоуксусная).
Ситуационные задачи.
1. Напишите структурные формулы соединений: 1) глиоксиловая кислота; 2) пировиноградная кислота; 3) оксалооцтова кислота (кетобурштинова кислота); 4) 5-оксовалеріанова кислота; 5) 3-ацетил-2-формілгександіова кислота; 6) метиловый эстер ацетоуксусной кислоты; 7) гідразон “ацетоуксусного эстеру”; 8) оксим -кетомасляної кислоты; 9) нитрил мезоксалевой кислоты; 10) диамид оксалооцтової кислоты.
2. Назовите приведенные соединения:
3. Наведите схемы реакций получения пировиноградной кислоты: 1) из хлороангідриду ацетатной кислоты; 2) нагреванием (пиролизом виновной кислоты; 3) окисает соответствующей гідроксикислоти.
4. Одержить “ацетоуксусный эстер” из этилацетата. Рассмотрите механизм естерової конденсации Кляйзена. Приведите таутомерные формы “ацетоуксусного эстеру”. Объясните, почему конденсирующим реагентом может служить лишь сильная основа (алкоголят щелочных металлов, натрий амід или натрий гидрид) и почему выход кетоестеру при відгонці спирту во время синтеза.
5. Какие превращения испытывает “ацетоуксусный эстер”: 1) во время нагревания с разведенной кислото; 2) во время действия концентрированного раствора луга? Наведите химизм реакций.
6. Объясните, чем предопределена СН-кислотність, которая растет в такой последовательности для соединений: 1) ацетон Сн3-с(О)-СН3 (Ка = 3 · 10–25); 2) діетилмалонат С2н5о-с(О)-СН2С(О)-ОС2Н5 (Ка = 2 · 10–15); 3) “ацетоуксусный эстер” Сн3-с(О)-СН2-С(О)-ОС2Н5 (Ка = 7 · 10–11); 4) ацетилацетон Сн3-с(О)-СН2С(О)-СН3 (Ка = 1,5 · 10–9). Совпадает ли эта последовательность со склонностью их к энолизации? Напишите энольные формы этих соединений. Дайте определение понятию кето-енольна таутомерия.
7. Напишите реакции “ацетоуксусного эстеру” с веществами: 1) HCN; 2) NaHSO3; 3) NH2OH; 4) CH3C(O)Cl; 5) PCl5; 6) Br2; 7) Na.
8. Выходя из “ацетоуксусного эстеру” и других необходимых реагентов предложите схему получения: 1) метилэтилкетону; 2) 2-метилбутанової кислоты; 3) ізовалеріанову кислоту; 4) ізобутилметилкетон; 5) глутаровую кислоту; 6) гептадіон-2,6.
9. В какие соединения превратится пировиноградная кислота во время взаимодействия с такими веществами: 1) HCN (NAOH); 2) NaHСO3; 3) C6H5-NH-NH2; 4) NaHSO3; 5) C2H5OH (H+); 6) 150C, H2SO4 разведена; 7) 60 …80C, H2SO4 конц.?
10. Напишите схемы реакций глиоксиловой с такими реагентами: 1) HCN; 2) NaHІO3; 3) NH2OH; 4) [Ag(NH3)2]OH; 5) избыток 40%-ного NaOH/ Назовите продукты.
11. Какие соединения образуются во время нагревания таких соединений: 1) b-кетокапронової; 2) етилацетооцтової; 3) диметилацетооцтової; 4) a-метил–b–кетовалеріанової.
12. Напишите реакции -метил- и “a,a-диметилацетооцтового эстеру” с реагентами: 1) H2SO4 розв., t; 2) NAOH розв., t; 3) NAOH конц., t. Наведите их механизм. Укажите, когда наблюдается кетонное, а когда – кислотное расщепление -кетоестеру.
13. Как химическим путем можно отличить такие пары соединений: 1) формілоцтова кислота и пировиноградная кислота; 2) этилацетат и “ацетоуксусный эстер”; 3) ацетат натрия и “натрійацетооцтовий эстер”?
14. Установите строение соединения С5н8о3, какая стойка к нагреванию, образует оксим, не реагирует из [Ag(NH3)2]OH, во время возобновления амальгованим цинком в хлоридній кислоте превращается в н-валеріанову кислоту.
15. Вещество С7н12о3 образует вишнево-красный раствор из FeCl3, а во время нагревания с разведенной хлоридною кислотой образует метанол, Со2 и соединение С5н10о, которое во время возобновления LiAlH4 образует пентанол-2. Какое строение вещества С7н12о3.
16. В трех пробирках находятся ацетон, пировиноградная кислота и “ацетоуксусный эстер”. Как их распознать химическим путем?
Практическая часть.
Опыт 1. Добывание и свойства пировиноградной кислоты.
Реактивы: 5%-ний раствор молочной кислоты; 10%-ний раствор натрий карбоната; 1%-ний раствор калий перманганата, 0,5%-ний раствор натрий нитропруссида, насыщен раствор натрий гидросульфиту, 5%-ний раствор пировиноградной кислоты, 5%-ний раствор пропионовой кислоты, универсальная индикаторная бумага со шкалой рН; гідрогенхлорид фенилгидразину; натрий ацетат.
Методика выполнения. а) получение пировиноградной кислоты. В пробирку вносят 2 мл 5%-ного раствора молочной кислоты и добавляют каплями при стряхивании 10%-ний раствор натрий карбоната к нейтральной по лакмусу реакции. Потом доливают 1 мл 1%-ного раствора калий перманганата и смесь нагревают к кипению:
После охлаждения раствор фильтруют и в фильтрате определяют кетокислоту реакцией с гидросульфитом натрия или нитропруссидом натрия. Что спостерагєте?
б) сравнение силы пировиноградной и пропионовой кислот. На полоску универсальной индикаторной бумажки по каплям наносят 5%-ного раствору пировиноградной кислоты и 5%-ного раствора пропионовой кислоты. С помощью шкалы определяют рН этих растворов.
Пировиноградная кислота значительно сильнее пропионовой. Повышение кислотности пировиноградной кислоты предопределено влиянием карбонильной группы:
в) добывание фенилгидразона пировиноградной кислоты. В пробирку вносят 1 мл 5%-ного раствора пировиноградной кислоты, 0,1 граммов гідрогенхлориду фенилгидразина и 0,1 граммов натрий ацетата. Полученную реакционную смесь нагревают на кипящей водяной бане в течение 15-20 хв. После охлаждения выпадает желтый осадок фенилгидразона пировиноградной кислоты. Образование фенилгидразона подтверждает наличие в пировиноградной кислоте карбонильной группы.
Опыт 2. Свойства глиоксиловой кислоты.
Реактивы: 5%-ний раствор глиоксиловой кислоты; 5%-ний раствор натрий гидрокарбоната; 5%-ний раствор кальций хлорида, 1%-ний раствор аргентум нитрата; 5%-ний раствор аммоний гидроксида.
Методика выполнения. а) образование солей глиоксиловой кислоты. В две пробирки вносят по 1 мл 5%-ного раствора глиоксиловой кислоты. Потом в одну из них каплями добавляют 1 мл 5%-ного раствора натрий гидрокарбоната, а в другую – 0,5 мл 5%-ного раствора кальций хлорида. Наблюдают, как во время взаимодействия глиоксиловой кислоты из натрий гидрокарбонатом активно выделяются волдырьки карбон(ІV) окисла, а из кальций хлоридом глиоксиловая кислота образует важкорозчинну соль белого цвета, которая выпадает в осадок:
б) альдегидные свойства глиоксиловой кислоты. В хорошо обезжиренной пробирке смешивают 1 мл 5%-ного раствора глиоксиловой кислоты из 1 мл 5%-ного раствора натрий гидрокарбоната. После того, как углекислый газ заканчивает выделяться, к полученному натрий гліоксилату добавляют 4-5 капель амоніачного раствору аргентум окисла. Полученную реакционную смесь не стряхивают и ставят в горячую водяную баню. Через 5-6 хв. наблюдают образование осадка металлического серебра на стенках пробирки (“серебряное зеркало”). Это свидетельствует о наличии альдегидной группы в глиоксиловой кислоте.
Опыт 3. Свойства и доказательство строения “ацетоуксусного эстеру”.
Реактивы: ацетоуксусный эстер; 2 н. раствор натрий гидроксида; 1%-ний спиртной раствор фенолфталеина; натрий металлический; насыщен раствор бромної воды; 5%-ний раствор ферум(ІІІ) хлорида.
Методика выполнения. а) выявление кислотных свойств “ацетоуксусного эстеру”. В пробирку вносят 3 мл воды и по капли 1%-ного раствора фенолфталеина и 2 н. раствору натрий гидроксида. Полученный раствор окрашивающийся в малиновый цвет. К полученной реакционной смеси добавляют 2-3 капли “ацетоуксусного эстеру”. Наблюдают, как исчезает расцветка фенолфталеина. Следовательно, “ацетоуксусный эстер” имеет кислотные свойства и нейтрализует луг.
б) взаимодействие “ацетоуксусного эстеру” с металлическим натрием. В сухую пробирку вносят 1 мл “ацетоуксусного эстеру” и небольшой кусочек (размером как четвертая часть горошины) очищенного от пленки окисла и высушенного фильтровальной бумагой от керосина металлического натрия. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой и закрепляют на штативе. Наблюдают, как активно взаимодействует натрий с “ацетоуксусным естером” и выделяется газообразный продукт (водород). Через 1 хв. от начала реакции, газ, который выделяется из реакционной смеси, поджигают вблизи газоотводной трубки. Газ зажигается со звуком, характерным для загорания смеси водорода с воздухом (гремучий газ) и горит слегка блакитим пламенем, характерным для горения водорода. Во время реакции образуется “натрійацетооцтовий эстер”, который при охлаждении реакционной смеси выпадает в осадок. (Будьте внимательные! По окончании опыта в пробирке не должно быть кусочков металлического натрия.)
в) выявление двойной связи в “ацетоуксусном эстере”. В пробирку вносят 10 капель “ацетоуксусного эстеру” и при интенсивном перемешивании 10 капель насыщенной бромної воды. Наблюдают, как обесцвечивающаяся бромна вода, которая свидетельствует о ненасыщенности “ацетоуксусного эстеру”.
г) выявление энольной формы “ацетоуксусного эстеру”. В пробирке смешивают 10 капель “ацетоуксусного эстеру” с 10 каплями 5%-ного раствора ферум(ІІІ) хлорида. Наблюдают, как появляется фиолетовая расцветка, предопределенная образованием комплексной соли энольной формы “ацетоуксусного эстеру” с ионами Fe3+:
Энольная форма “ацетоуксусного эстеру” стойка за счет образования внутрімолекулярного водородной связи:
д) доведение наличия равновесия между таутомерными формами (кетонной и энольной) “ацетоуксусного эстеру”. В пробирке смешивают 1 мл воды, 5 капель “ацетоуксусного эстеру” и 2-3 капли 5%-ного раствора ферум(ІІІ) хлорида. Наблюдают, как окрашивающаяся реакционная смесь в фиолетовый цвет, который свидетельствует о наличии в “ацетоуксусном эстере” энольной формы. К полученной окрашенной реакционной смеси добавляют несколько капель бромної воды. Фиолетовая расцветка раствора исчезает, но через несколько секунд опять появляется. Когда фиолетовая расцветка возобновится, к реакционной смеси опять добавляют несколько капель бромної воды. Фиолетовая расцветка сначала исчезает, но быстро возобновляется. Явление, которое наблюдается, объясняется существованием двух таутомерных форм “ацетоуксусного эстеру”, которые всегда существуют вместе и находятся в состоянии динамического равновесия:
В зависимости от природы химического реагента одна из этих форм будет вступать в химическую реакцию. Это приводит к нарушению динамического равновесия. Чтобы возобновить равновесие, вторая таутомерная форма будет изомеризоваться в ту, которая вступила в реакцию. Да, появление фиолетовой расцветки при добавлении к “ацетоуксусному эстеру” раствора ферму(ІІІ) хлорида свидетельствует о наличии в “ацетоуксусном эстере” энольной формы (энольной гидроксильной группы). При добавлении бромної воды фиолетовая расцветка раствора исчезает, поскольку бром присоединяется к двойной связи, и гидроксильная группа теряет энольный характер:
Связывание бромом энольной формы нарушает динамическое равновесие и потому часть кетонной формы “ацетоуксусного эстеру”, которая не вступила в реакцию, чтобы возобновить равновесие, изомеризуется в энольную форму. При этом фиолетовая расцветка появляется опять.
В энольную форму может изомеризоваться также монобромацетооцтовий эстер, который содержит активный (подвижный) атом гідрогену:
Добавление бромної воды опять обусловит исчезновение фиолетовой расцветки, которая через несколько секунд опять появляется. Процесс может длиться к полному замещению активных атомов гідрогену “ацетоуксусного эстеру” на бром. При этом образуется дибромацетооцтовий эстер, что уже не способный к таутомерным превращениям:
Объясните, свойственная кето-енольна таутомерия ли для ацетилацетону, ацетонилацетона, этилового эстеру пропіонілоцтової кислоты .
е) кетонное расщепление “ацетоуксусного эстеру”. В пробирку вносят 1 мл “ацетоуксусного эстеру” и 2 мл 10%-ної сульфатной кислоты. В полученную смесь добавляют несколько кипятильных камней. Пробирку с реакционной смесью закрывают пробкой с газоотводной трубкой и закрепляют на штативе. Конец газоотводной трубки опускают в пробирку из 2 мл известковой (баритової) воды. Реакционную смесь осторожно нагревают к кипению. Происходит гидролиз “ацетоуксусный эстеру” и образуется неустойчивая ацетоуксусная кислота, которая легко декарбоксилюється. Карбон(IV) окисел, который при этом образуется вызывает помутнение известковой (баритової) воды. Кроме карбон(IV) окисла при декарбоксилировании ацетоуксусной кислоты образуется также этанол и ацетон. Для их выявления конец газоотводной трубки опускают в пробирку-приемник из 1-2 мл воды, которую охлаждают ледяной водой. Реакционную смесь продолжают нагревать. Отгоняют в пробирку-приемник 5-6 капель жидкого продукта. В полученном растворе обнаруживают этанол и ацетон йодоформной пробой.
Контрольные вопросы:
1. Напишите схему таутомерных превращений ацетоуксусного эстеру. Какой структурный фрагмент обусловливает появление характерной расцветки с раствором ферум(ІІІ) хлоридом?
2. Напишите схему кислотного и кетонного расщепления ацетоуксусного эстеру. Укажите условия реакций.
3. С помощью каких химических реакций можно обнаружить продукты расщепления ацетоуксусного эстеру?
Студент должен знать:
– способы получения, физические и химические свойства гетерофункціональних карбоновых кислот на примере оксокислот (альдегідо- и кетокислоты).
Студент должен уметь:
– распознавать с помощью качественных реакций альдегідо- и кетонокислоти;
– идентифицировать их с помощью физических методов анализа.
Список заказной литературы: 1. В.П. Черних, Б.С. Зименковский, И.С. Грищенко. Органическая химия. В 3-х ч. Харьков “Основа”, 1986. Ч.
2. С. 438-445. 2. Ю.О. Ластухин, С.А. Воронов. Органическая химия. Львов “Центр Европы”, 2000. С. 494-506.
3. Тексты лекций.
Методическое указание составил: к.х. н., доц. Загричук Г.Я.
асист. Демид А.Е.
Утверждено на заседании кафедры
“___” ___________ 200__ г. Протокол № _____
Пересмотрено на заседании кафедры
“___” ___________ 200__ г. Протокол № _____
