КАРБОНОВІ КИСЛОТИ

АЛЬДЕГІДИ ТА КЕТОНИ.КАРБОНОВІ КИСЛОТИ. ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ СПОЛУКИ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ.

 

 

Альдегіди та кетони – це похідні вуглеводнів, до складу яких входить карбонільна (оксо) група

Реакції альдегідів та кетонів досить подібні, що дозволяє розглядати їх одночасно в контексті одного класу оксосполук.

 

Класифікація. Номенклатура

 

 

 

 В залежності від природи та будови радикалів R і R’ бути, згідно до наведених формул, відповідно:

Ø аліфатичними (насиченими та ненасиченими),

Ø ароматичними

Ø змішаними:

 

 

 

 

Методи добування альдегідів та кетонів

 

 

 

 

 

 

При дії реактивів Гриньяра, наприклад, на похідні мурашиної кислоти (етилформіати) або інші диполярні сполуки добувають альдегіди або кетони:

 

 

При піролізі солей карбонових кислот, які містять двохвалентні атоми металів (M: Ca, Ba, Mn, Th) утворюються альдегіди або кетони за загальною схемою:

 

 

 

Будова карбонільної групи

 

Альдегіди більш реакційноздатні сполуки, ніж кетони. Тому як, по-перше, наявність у кетонах ще однієї алкільної групи за рахунок +І-ефекту зменшує позитивний заряд на атомі Карбону карбонільної групи, а по-друге, при цьому виникають додатково стеричні фактори.

Сильно поляризована карбонільна група (carbonyl group) впливає також і a-положенні відносно на рухливість атомів Гідрогену, що знаходяться в  групи C=O > a-атомі Карбону; у разі зменшення електронної густини на  (Х – донор електронів) маємо зворотній ефект. Враховуючи впив індукційного ефекту, а також стеричні фактори, за реакційною здатністю карбонільні сполуки можна розташувати в ряд:

 

 

Хлораль і формальдегід здатні приєднувати навіть такий слабкий нуклеофіл, як воду, а дифенілкетон не взаємодіє з таким полярним реагентом, як гідросульфіт натрію.

Можна констатувати, що практично всі хімічні реакції альдегідів та кетонів обумовлені розподілом електронної густини в молекулі і найбільш характерними для них є:

– реакції нуклеофільного приєднання (A_N);

– a-положенні відносно карбонільної групи; реакції за участю атома гідрогену, що знаходиться в 

– реакції заміщення карбонільного Оксигену;

– реакції окиснення та відновлення;

– реакції полімеризації.

 

 

Фізичні властивості альдегідів та кетонів.

Альдегіди та кетони, на відміну від спиртів, не утворюють міжмолекулярних водневих зв’язків, тому їх температури кипіння значно нижче, ніж у спиртів. Найпростіші альдегіди та кетони (ацетон, формальдегід, ацетальдегід) – розчинні у воді, а вищі добре розчинні у більшості органічних розчинників (спирти, етери, естери тощо). Альдегіди С₁ С₄ мають різкий та неприємний запах, вищі – запах квітів (використовуються у парфюмерії).

 

 

Хімічні властивості альдегідів та кетонів

Реакція нуклеофільного приєднання.

 

 

 

При взаємодії ацетальдегіду або ацетону із надлишком хлору в лужному середовищі реакція відбувається із повним хлоруванням метильної групи:

 

 

Таким чином, якщо конденсація альдегідів супроводжується відщепленням води, то вона називається кротоновою.

Кето-енольна таутомерія визначається наявністю рухливих атомів гідрогену в  a-положенні відносно карбонільної групи:

 

 

За звичайних умов рівновага практично націло зміщується у бік кето-форми. Лише в окремих випадках енольна форма може існувати за рахунок, наприклад, внутрішньомолекулярного водневого зв’язку:

 

 

Взаємодія альдегідів та кетонів із гідразином та його похідними відбувається з утворенням гідразонів:

 

 

Гідразони – кристалічні речовини, які використовуються для ідентифікації альдегідів і кетонів, наприклад, реакцією із 2,4-динітрофеніл-гідразином.

Взаємодією альдегідів і кетонів з гідроксиламіном, що відбувається за наведеною схемою, отримують відповідні оксими:

 

 

 

 

Перегрупування Бекмана (Beakman’s regrouping) (1886 р.) відбувається з оксимами кислот (син- та анти-ізомерами) в кислому середовищі з утворенням відповідних амідів кислот:

 

 

 

 

Медико-біологічне значення

Екологічні питання хімії альдегідів та кетонів пов’язані, перш за все, з їх виробництвом та використанням як індивідуальних реагентів, так і вихідних речовин для синтезу багатьох органічних продуктів.

 

 

Суміш 40 % формальдегіду (газ), 52 % води і 8 % метилового спирту називають формаліном, і використовують як дезинфікуючий засіб, а також як консервант для анатомічних препаратів.

З аміаком формальдегід через гексагідро-1,3,5-триазин утворює уротропін:

 

 

Уротропін використовують як діуретик, для лікування ревматизму, подагри, а також як складовий компонент промислових інгібіторів корозії чорних металів.

Обробка уротропіну концентрованою нітратною кислотою призводить до утворення 1,3,5-тринітрогексагідро-1,3,5-триазину (гексогену) – вибухової речовини:

 

 

 

 

Вивчення структури та хімічних властивостей карбонових кислот необхідне для розуміння обмінних процесів в організмі людини, оскільки перетворення багатьох речовин зв’язані з утворенням кислот та їх похідних (гліколіз, цикл Кребса, утворення і розщеплення ліпідів). Ряд кислот є важливими біологічно активними речовинами (ненасичені жирні кислоти).

Ліпіди виконують в живих організмах ряд важливих функцій. Вони є джерелом енергії, основними структурними компонентами клітинних мембран, виконують захисну роль, вони є формою, у вигляді якої відкладається і транспортується енергетичне “паливо”. Гетерофункціональні сполуки поширені у природі, містяться в плодах і листках рослин, беруть участь в матаболізмі. Так, молочна кислота в організмі людини є одним з продуктів перетворення глюкози (гліколізу). Вона утворюється в м’язах при інтенсивній роботі. Яблучна і лимонна кислоти беруть участь в циклі трикарбонових кислот, що називається також циклом лимонної кислоти або циклом Кребса. Важливу роль у біохімічних процесах відіграють кетокислоти: піровиноградна, ацетооцтова, щавелевооцтова, a-кетоглутарова.

Карбонові кислоти – органічні сполуки, що містять одну або більше карбоксильних груп  -СООН, зв’язаних з вуглеводневим радикалом.

Карбоксильна група містить дві функціональні групи –

карбоніл >С=О і гідроксил  -OH, безпосередньо зв’язані один з одним:

 

 

Насичені одноосновні кислоти та їх назви

 

НСООН – метанова, мурашина, форміатна

СН₃СООН – етанова, оцтова, ацетатна

СН₃СН₂СООН – пропанова, пропіонова

СН₃СН₂СН₂СООН – бутанова, масляна

СН₃СН₂СН₂СН₂СООН – пентанова, валеріанова

СН₃СН₂СН₂СН₂СН₂СООН – гексанова, капронова

СН₃СН₂СН₂СН₂СН₂СН₂СООН – гептанова, енантова

 

С₁₅Н₃₁СООН – пальмітинова

С₁₆ Н₃₃СООН – маргаринова

С₁₇Н₃₅СООН – стеаринова

Класифікація карбонових кислот

Карбонові кислоти класифікують по двох структурних ознаках.

1.     За числом карбоксильних груп кислоти поділяються на:

o    Одноосновні       (монокарбонові)
 Наприклад:

o    багатоосновні

o    дикарбонові, двоосновні               трикарбонові 

2.     За характером вуглеводневого радикалу розрізняють кислоти:

o    насичені (наприклад, CH₃CH₂CH₂COOH);

o    ненасичені (CH₂=CHCH₂COOH);

o    ароматичні (RC₆H₄COOH).

Номенклатура карбонових кислот

Систематичні назви кислот даються за назвою відповідного вуглеводню (алкану) з додаванням суфікса –ова й слова кислота.

Часто використаються також тривіальні назви.

Деякі насичені одноосновні кислоти

 

Ізомерія карбонових кислот

·  Cтруктурная ізомерія
 – ізомерія в вуглеводневому радикалі (починаючи з C₄).

 

 Просторова ізомерія
 Можлива цис-транс ізомерія у випадку ненасичених карбонових кислот. Наприклад:

 

 

Будова карбоксильної групи

          Карбоксильна група сполучає в собі дві функціональні групи – карбоніл і гідроксил, що взаємно впливають один на одного:

Кислотні властивості карбонових кислот обумовлені зсувом електронної густини до карбонільного кисню й викликаної цим додаткової (у порівнянні зі спиртами) поляризації зв’язку О-Н.

У водному розчині карбонові кислоти дисоціюють на іони:

Розчинність у воді й високі температури кипіння кислот обумовлені утворенням міжмолекулярних водневих зв’язків.

 

Зі збільшенням молекулярної маси розчинність кислот у воді зменшується.

Функціональні похідні карбонових кислот

        Карбонові кислоти проявляють високу реакційну здатність. Вони вступають у реакції з різними речовинами й утворять різноманітні сполуки, серед яких велике значення мають функціональні похідні, тобто сполуки, отримані в результаті реакцій по карбоксильній групі.

1. Утворення солей

а) при взаємодії з металами:

2RCOOH + Mg ® (RCOO)₂Mg + H₂

б) у реакціях з гідроксидами металів:

2RCOOH + NaOH ® RCOONa + H₂O

2. Утворення складних ефірів (естерів) R’-COOR”:

 

 

Реакція утворення складного ефіру з кислоти й спирту називається реакцією естерифікації (від лат. ether – ефір).

3. Утворення амідів:

 

Замість карбонових кислот частіше використають їх галогенангідриди:

 

 

Аміди утворяться також при взаємодії карбонових кислот (їх галогенангидридів або ангідридів) з органічними похідними аміаку (амінами):

Аміди відіграють важливу роль у природі. Молекули природних пептидів і білків побудовані з a-амінокислот за участю амидних груп – пептидних зв’язків

 Складні ефіри (естери

Складні ефіри – сполуки із загальною формулою R–COOR’,  де R й R’ – вуглеводневі радикали.

Складні ефіри можуть бути отримані при взаємодії карбонових кислот зі спиртами (реакція естерифікації). Каталізаторами є мінеральні кислоти.

Дана реакція оборотна. Зворотний процес – розщеплення складного ефіру при дії води з утворенням карбонової кислоти й спирту – називають гідролізом складного ефіру. Гідроліз у присутності лугу протікає необоротньо (тому що утворений негативно заряджений карбоксилат-аніон RCOO^– не вступає в реакцію з нуклеофильним реагентом – спиртом).

Ця реакція називається омиленням складного ефіру.

     Ефіри нижчих карбонових кислот і нижчих одноатомних спиртів мають приємний запах квітів, ягід і фруктів. Ефіри вищих одноосновних кислот і вищих одноатомних спиртів – основа природних восків. Наприклад, бджолиний віск містить складний ефір пальмітинової кислоти й мірицилового спирту (мірицилпальмітат)

CH₃(CH₂)₁₄–CO–OCH₂(CH₂)₂₉CH₃.

 

Властивості форміатної кислоти (мурашиної

 

 

 

 

б) взаємодія форміатної кислоти з амоніачним розчином аргентум оксиду (реакція “срібного дзеркала”) – реакція, що відрізняє її від інших карбонових кислот. Отже, форміатна кислота має відновні властивості і дає реакцію “срібного дзеркала”, характерну для альдегідів.

 

 

в) розклад форміатної кислоти концентрованою сульфатною кислотою Для зупинення реакції нагрівання припиняють.

 

 

г) взаємодія форміатної кислоти з натрій карбонатом. У пробірку наливають 2 мл 10%-ного розчину натрій карбонату і обережно краплями форміатну кислоту (Обережно! Спінювання!). Реакційну суміш швидко закривають корком з газовідвідною трубкою, кінець якої опускають у пробірку з 2 мл вапняної (баритової) води. Спостерігають виділення газоподібного продукту СО₂ і помутніння вапняної (баритової) води. Отже, форміатна кислота сильніша за карбонатну і витісняє її з солей.

 

 

Добування ацетатної кислоти і вивчення її властивостей.

 

а) добування ацетатної кислоти з її солей.

 

 

б) взаємодія ацетатної кислоти з натрій карбонатом. Ацетатна кислота сильніша за карбонатну і витісняє її з солей.

 

 

в) утворення і гідроліз ферум(ІІІ) ацетату (якісна реакція на ацетатну кислоту).

Цю реакцію часто використовують для видалення іонів Fe³⁺ з розчину.

СН₃СООН +  NaОН  = СН₃СООNa  + Н₂О

3 СН₃СООNa + Fe Cl₃ = (СН₃СОО)₃Fe + 3NaCl

(СН₃СОО)₃Fe + HOH = (СН₃СОО)₂ (OH)Fe  + СН₃СООН

В осад випадає диацетатгідроксид феруму (ІІІ) червоно-коричневого кольору.

Аналогічну реакцію з ферум(ІІІ) хлоридом дають солі форміатної і пропанової кислот.

Добування кислот.

Окиснення  кетонів відбувається тільки в присутності сильних окисників, таких як перманганат або дихромат калію, при цьому відбувається розрив зв’язків С—С між атомами Карбону карбонільної групи та  вуглеводневого радикалу. В результаті реакції утворюється суміш кислот:

 

 

Гетерофункціональні сполуки.

Загальна формула гетерофункціональних сполук:

l      Х – R – Y

l  Аміноспирти, амінокислоти. гідроксикислоти, кетокислоти, альдегідокислоти

l  –NН2 , -OH, =CO, -COOH

Гідроксикислоти характеризуються наявністю в молекулі крім карбоксильної ще гідроксильної групи О–Н, їх загальна формула R(OH)n(COOH).

Першим представником органічних гідроксикислот є гідроксиетанова кислота ( гліколева кислота).

    СН2(ОН)СООН

ГІДРОКСИКИСЛОТИ (оксикислоти, гідроксикарбонові кислоти) — органічні сполуки, які містять карбоксильну і гідроксильну групи.

Залежно від природи вуглеводневого радикала виділяють аліфатичні та ароматичні гідроксикислоти (спиртокислоти, фенолокислоти). Кількість карбоксильних груп у молекулі гідроксикислоти  визначає основність, а загальна кількість гідроксильних груп (враховуючи і гідроксили, які входять до складу карбоксильних груп) — їх атомність.

За взаємним положенням гідроксильної та карбоксильної груп в аліфатичних гідроксикислотах  розрізняють α-, β-, γ-, δ- гідроксикислоти  та ін.

 

 

α-гідроксикислоти

 

β- гідроксикислота

 

Для гідроксикислот  широко застосовують тривіальні назви. Гідроксикислоти — безбарвні густі сиропоподібні рідини або кристалічні речовини, добре розчинні у воді та органічних розчинниках. Більшість природних гідроксикислот містить один або кілька асиметричних атомів карбону й існує у вигляді оптичних ізомерів, вступає в реакції, характерні для карбонових кислот, спиртів, фенолів. Кислотні властивості виражені сильніше, ніж у відповідних карбонових кислот.

 Гідроксикислоти виявляють низку специфічних властивостей; α- гідроксикислоти при нагріванні зазнають міжмолекулярної дегідратації та утворюють естери — лактиди (І):

 

При нагріванні β-гідроксикислоти у результаті внутрішньомолекулярної дегідратації утворюються α,β-ненасичені карбонові кислоти (ІІ):

 

Самовільно або при незначному нагріванні в результаті внутрішньомолекулярної дегідратації γ- і δ-Г. здатні утворювати циклічні естери — лактони (ІІІ):

Утворення лактонів Гідроксикислот  з більш віддаленою ОН-групою (понад 7 атомів карбону в ланцюгу) утруднене, відбувається міжмолекулярна естерифікація з виділенням лінійних макромолекул. При кип’ятінні у присутності концентрованої сульфатної кислоти α-Гідроксикислот  розщеплюються на форміатну кислоту і відповідну карбонільну сполуку (альдегід, кетон):

 

 

 

Специфічною властивістю фенолокислот є їх здатність реагувати з галоген-ангідридами фенолокислот з утворенням сполук типу естерів — полідепсидів. При нагріванні фенолокислоти досить легко піддаються декарбоксилюванню.   Синтезують Гідроксикислоти  гідролізом галогенозаміщених кислот, гідратацією ненасичених кислот, діазотуванням амінокислот, відновленням кетокислот, окисненням гліколів, гідроксіальдегідів, гідролізом оксинітрилів, сплавленням з лугами аренсульфокислот, окисненням гомологів фенолу, в умовах реакцій Реформатського, Кольбе — Шмітта, ціаногідринового синтезу та ін.

Гідроксикислоти відіграють важливу роль у біохімічних процесах, входять до складу багатьох природних сполук.

 Гліколева кислота — НОСН2СООН, Тпл = 79–80 °С, К 1,48·10–4 (25 °С). Міститься у цукровій тростині. Її солі та естери називають гліколятами і застосовують при фарбуванні шерсті, дубленні шкір, для протравлювання літографічних пластин.

Молочна кислота –СН3СН(ОН)СООН.

     Для (–) і (+)-форм Тпл = 25–26 °С, для рацемату — 18 °С, К 1,38·10–4 (25 °С). Утворюється при молочнокислому бродінні цукристих сполук (при квашенні капусти, дозріванні сиру та ін.). Солі та естери молочної кислоти називають лактатами. Лактати кальцію та феруму (ІІ) застосовують при дефіциті кальцію в організмі та хронічних анеміях.

 γ-Оксимасляна кислота — НОСН2СН2СН2СООН.

У вільному стані нестійка, легко утворює лактон. Натрієву сіль γ-оксимасляної кислоти (натрію оксибутират) застосовують як засіб для неінгаляційного наркозу. Яблучна кислота — НOОССН(ОН)СН2СООН.

Для (–) і (+)-форм Тпл = 100 °С, для рацемату — 128 °С. У природі виявляють (-)-яблучну кислоту у нестиглих яблуках, ягодах горобини, журавлини, малини, барбарису та ін.. Застосовують при виробництві вина, фруктових вод, кондитерських виробів, а також у синтезі ЛП.

Винні кислоти — НОOС СН(ОН)СН(ОН)СООН.

Для (+)-кислоти (виннокам’яної, винної) Тпл = 170 °С, К1 1,3·10–3, К2 6,9·10–5 (25 °С). Еквімолярна суміш D(–)- і L(+)-ізомерів (рацемат) називається виноградною кислотою з Tпл = 205 °С, К1 10,2·10–4, К2 4,0·10–5 (25 °С). Мезовинна (антивинна) кислота: Tпл = 140 °С, К1 6,0·10–4, К2 1,4·10–5 (25 °С). У природі існує лише (+)-винна кислота. Утворює кислі (гідротартрати) і середні (тартрати) солі.

 

 

 

Гідро-L(+)-тартрат калію KOОССН(ОН) СН(ОН)СООН виділяється у вигляді осаду під час зберігання вина (винний камінь). Тетрагідрат тартрату калію-натрію KOОССН(ОН)СН(ОН)СООNa (сегнетову сіль) використовують для приготування реактиву Фелінга. Винну кислоту також застосовують при консервуванні харчових продуктів, фарбуванні, приготуванні штучних дріжджів, у виробництві дзеркал.

Лимонна кислота —

НООССН2С(ОН)(СООН)СН2СООН,

Тпл = 153,5 °С, К1 8,4·10–4, К2 1,7·10–5, К3 4·10–6 (18 °С). Міститься у ягодах, плодах, хвої, стеблах махорки, а також у молоці і крові. Це один з найважливіших продуктів обміну речовин, який бере участь у циклі Кребса. Її солі та естери називають цитратами. Тринатрієву сіль лимонної кислоти застосовують у медицині як консервант донорської крові.

 

До ненасичених гідроксикислот належить рицинолова — СН3(СН2)5СН(ОН)СН2СН = СН(СН2)7СООН, гліцерид якої становить основу рицинової олії. Застосовують для одержання себацинової, ундециленової кислоти, гептаналю, ПАР, емульгаторів тощо. У плодах персика, груші, кавового дерева, у корі хінного дерева міститься аліциклічна Гідроксикислота — хінна (1,3,4,5-тетраоксициклогексан-1-карбонова кислота), яка є проміжним продуктом у біосинтезі флавоноїдів. Застосовують як засіб проти артриту.

Серед ароматичних Гідроксикислот велике практичне значення має саліцилова кислота — 2‑НОС6Н4СООН, Тпл = 159 °С, Ткип = 211 °С/20 мм рт.ст., Тсубл = 76 °С. Застосовують у виробництві лікарських препаратів ЛП (ацетилсаліцилової кислоти, саліциламіду, метилсаліцилату, фенілсаліцилату, оксафенаміду та ін.), як індикатор в аналітичній хімії, антисептик у харчовій промисловості.

Галова кислота — 3,4,5‑(ОН)3С6Н2СООН, Тпл = 240 °С (з розкладанням), міститься у вигляді естерів у танінах дубової кори, у листі чаю, плодах гранату та ін. Галову кислоту застосовують у синтезі барвників, для одержання пірогалолу, а також як аналітичний реагент.

о-Оксикорична кислота 2-НОС6Н4СН=СНСООН існує у вигляді двох геометричних ізомерів: цис-ізомера — кумаринової кислоти, транс-ізомера — кумарової кислоти. Кумаринова кислота на відміну від кумарової існує у вигляді похідних. При спробі виділити її у вільному стані перетворюється на лактон — кумарин, поширений у рослинному світі.

 

АЛЬДЕГІДО- І КЕТОКИСЛОТИ

      АЛЬДЕГІДО- і КЕТОКИСЛОТИ (оксокарбонові кислоти, оксокислоти) — органічні сполуки, які містять карбоксильну й альдегідну або кетонну групу. Залежно від взаєморозташування функціональних груп розрізняють α, β- γ- та інші оксокарбонові кислоти.

Для багатьох оксокарбонових кислот широко використовують тривіальні назви. За замісною номенклатурою IUPAC до назви карбонільної групи додають префікс оксо-, напр. НС(О)СООН — гліоксалева (гліоксилова), або оксоетанова; СН3СОСООН — піровиноградна, або 2-оксопропанова кислота. А. і К. сильніші за алканкарбонові кислоти; найсильнішими є α‑оксокислоти.

Реакційна здатність альдегідо- і кетокислот зумовлена наявністю в їх структурі –СООН-груп. За карбоксильною групою вони утворюють різні функціональні похідні — солі, естери, аміди тощо; за участю карбонільної групи вступають у реакції, характерні для альдегідів і кетонів, утворюють гідразони, оксими, ціангідрини та ін. А. легко окиснюються до дикарбонових кислот. Разом з цим альдегідо- і кетокислоти мають специфічні властивості: α- та β-А. і К. відносно нестійкі сполуки і легко декарбоксилюються, перетворюючись в альдегіди або кетони. На відміну від кислот, естери α-, β-оксокислот — стійкі сполуки, найбільше практичне і теоретичне значення має ацетооцтовий ефір (етиловий естер ацетооцтової кислоти), який використовують у синтезі антипірину, амідопірину, анальгіну та ін.

Можливим і єдиним представником α-альдегідокислот є гліоксалева кислота (НС(О)СООН) — безбарвна в’язка рідина, легкорозчинна у воді, міститься в нестиглих фруктах.

Утворення солей гліоксилової кислоти

Під час взаємодії гліоксилової кислоти з натрій гідрокарбонатом активно виділяються пухирці карбон(ІV) оксиду, а з кальцій хлоридом гліоксилова кислота утворює важкорозчинну сіль білого кольору, яка випадає в осад:

Альдегідні властивості гліоксилової кислоти

Спостерігають утворення осаду металічного срібла на стінках пробірки (“срібне дзеркало”). Це свідчить про наявність альдегідної групи в гліоксиловій кислоті.

 

Одержують окисненням етиленгліколю чи гліколевої кислоти азотною (нітратною) кислотою або відновленням щавлевої кислоти на Hg- або Pb-катоді. Легко приєднує воду, утворюючи кристалогідрат НС(ОН)2СООН з Tпл 98 °С. Кислоту застосовують у виробництві ароматичних (ванілін), лікарських речовин та барвників.

Виявлення кислотних властивостей “ацетооцтового естеру”

 “Ацетооцтовий естер” має кислотні властивості і нейтралізує луг.

Взаємодія “ацетооцтового естеру” з металічним натрієм

 Натрій активно взаємодіє з “ацетооцтовим естером” і виділяється газоподібний продукт (водень). Газ запалюється зі звуком, характерним для загоряння суміші водню з повітрям (гримучий газ) і горить злегка блакитим полум’ям, характерним для горіння водню. Під час реакції утворюється “натрійацетооцтовий естер”, який при охолодженні реакційної суміші випадає в осад.

Виявлення подвійного зв’язку в “ацетооцтовому естері”

 Знебарвлюється бромна вода, що свідчить про ненасиченість “ацетооцтового естеру”.

Виявлення енольної форми “ацетооцтового естеру”

З’являється фіолетове забарвлення, зумовлене утворенням комплексної солі енольної форми “ацетооцтового естеру” з іонами Fe³⁺:

Енольна форма “ацетооцтового естеру” стійка за рахунок утворення внутрімолекулярного водневого зв’язку:

Доведення наявності рівноваги між таутомерними формами (кетонною і енольною) “ацетооцтового естеру”

 Фіолетове забарвлення розчину зникає, але через декілька секунд знову з’являється. Коли фіолетове забарвлення відновиться, до реакційної суміші знову додають кілька краплин бромної води. Фіолетове забарвлення спочатку зникає, але швидко відновлюється. Явище, що спостерігається, пояснюється існуванням двох таутомерних форм “ацетооцтового естеру”, які завжди існують разом і перебувають у стані динамічної рівноваги:

Залежно від природи хімічного реагенту одна із цих форм буде вступати у хімічну реакцію. Це призводить до порушення динамічної рівноваги. Щоб відновити рівновагу, друга таутомерна форма буде ізомеризуватися у ту, що вступила в реакцію. Так, поява фіолетового забарвлення при додаванні до “ацетооцтового естеру” розчину ферму(ІІІ) хлориду свідчить про наявність в “ацетооцтовому естері” енольної форми (енольної гідроксильної групи). При додаванні бромної води фіолетове забарвлення розчину зникає, оскільки бром приєднується до подвійного зв’язку, і гідроксильна група втрачає енольний характер:

Зв’язування бромом енольної форми порушує динамічну рівновагу і тому частина кетонної форми “ацетооцтового естеру”, що не вступила в реакцію, щоб відновити рівновагу, ізомеризується в енольну форму. При цьому фіолетове забарвлення з’являється знову.

В енольну форму може ізомеризуватися також монобромацетооцтовий естер, який містить активний (рухливий) атом гідрогену:

Додавання бромної води знову зумовить зникнення фіолетового забарвлення, яке через декілька секунд знову з’являється. Процес може тривати до повного заміщення активних атомів гідрогену “ацетооцтового естеру” на бром. При цьому утворюється дибромацетооцтовий естер, що вже не здатний до таутомерних перетворень:

Кетонне розщеплення “ацетооцтового естеру”

Відбувається гідроліз “ацетооцтового естеру” і утворюється нестійка ацетооцтова кислота, яка легко декарбоксилюється. Карбон(IV) оксид, який при цьому утворюється викликає помутніння вапняної (баритової) води. Крім карбон(IV) оксиду при декарбоксилюванні ацетооцтової кислоти утворюється також етанол і ацетон. В одержаному розчині виявляють етанол і ацетон йодоформною пробою.

 

Важливим представником α-кетокислот є піровиноградна кислота

Піровиноградна кислота – хімічна сполука з формулою СН₃СОСООН, органічна кетокислот.

 

 

 Одержання піровиноградної кислоти

Визначають кетокислоту реакцією з гідросульфітом натрію або нітропрусидом натрію.

Порівняння сили піровиноградної і пропіонової кислот

Піровиноградна кислота значно сильніша за пропіонову. Підвищення кислотності піровиноградної кислоти зумовлене впливом карбонільної групи:

Добування фенілгідразону піровиноградної кислоти

Випадає жовтий осад фенілгідразону піровиноградної кислоти. Утворення фенілгідразону підтверджує наявність у піровиноградній кислоті карбонільної групи.

 

 

Біохімічна роль

Пирувати (солі піровиноградної кислоти) – важливі хімічні сполуки в біохімії. Вони є кінцевим продуктом метаболізму глюкози в процесі гліколізу. Одна молекула глюкози перетворюється при цьому в дві молекули піровиноградної кислоти. Подальший метаболізм піровиноградної кислоти можливий двома шляхами – аеробним та анаеробним.

В умовах достатнього надходження кисню, піровиноградна кислота перетворюється в ацетил- кофермент А, що є основним субстратом для серії реакцій, відомих як цикл Кребса, або дихальний цикл, цикл трикарбонових кислот. Піруват також може бути перетворений в анаплеротіческой реакції в оксалоацетат. Оксалоацетат потім окислюється до вуглекислого газу і води. Ці реакції названі по імені Ханса Адольфа Кребса, біохіміка, який отримав разом з Фріцем Ліпман Нобелівську премію по фізіології в 1953 за дослідження біохімічних процесів клітини. Цикл Кребса називають також циклом лимонної кислоти, оскільки лимонна кислота є одним з проміжних продуктів ланцюга реакцій циклу Кребса.

Якщо кисню недостатньо, піровиноградна кислота піддається анаеробного розщеплення з утворенням молочної кислоти у тварин і етанол [1] у рослин. [2] При анаеробному диханні в клітинах піруват, отриманий при гліколізі, перетворюється в лактат за допомогою ферменту лактатдегідрогенази і NADP в процесі лактатний ферментації, або в ацетальдегід і потім в етанол в процесі алкогольної ферментації.

Піровиноградна кислота є “точкою перетину” багатьох метаболічних шляхів. Піруват може бути перетворений назад в глюкозу в процесі глюконеогенезу, або в жирні кислоти або енергію через ацетил- КоА, в амінокислоту аланін, або в етанол. Таким чином піруват об’єднує кілька ключових метаболічних процесів клітини і є універсальною “метаболічної валютою” живої клітини.

 (СН3СОСООН) — безбарвна рідина з різким запахом, Tпл 13,6 °С, Tкип 165 °С, розчинна у воді, спирті, ефірі. Піровиноградна кислота — проміжний продукт обміну вуглеводів і білків у живих організмах, є одним з метаболітів у циклі трикарбонових кислот, утворюється також при спиртовому та інших видах бродіння вуглеводів. Застосовують у синтезі ЛЗ, напр. цинхофену (атофану).

      β- кетокислота  — ацетооцтова (β-кетомасляна кислота) є найпростішою β-кислотою. СН3СОСН2СООН — в’язка рідина, Tкип. 100 °С (з розкладанням), змішується в усіх співвідношеннях з водою, розчинна в спирті, ефірі. Легко декарбоксилюється при кімнатній температурі або при незначному нагріванні, утворюючи ацетон; міститься в сечі хворих на діабет.

       Важливими представниками γ-К. є левулінова та пеніцилова кислоти. Левулінова (γ-кетовалеріанова) кислота (СН3СОСН2СН2СООН) — кристалічна речовина з Tпл 37 °С, Tкип. 246 °С, легкорозчинна у воді, спирті, ефірі. При тривалому нагріванні з дегідратаційними засобами утворює суміш двох ненасичених γ-лактонів. Використовується в синтезі лікарських речовин.

        Пеніцилова кислота (І) виявляє властивості антибіотика, у кристалічному стані та у водному розчині знаходиться у формі гідроксилактону (ІІ):

Велике біологічне значення мають також α‑К. дикарбонові кислоти. Мезоксалева (кетомалонова) кислота (НООССОСООН) відома тільки у вигляді гідрату НООС‑С(ОН)2‑СООН (безбарвні кристали з Tпл 121 °С (з розкладанням)), розчинна у воді, спирті, ефірі. Гідрат легко розкладається при нагріванні у водному розчині до СО2 і гліоксалевої кислоти. Виявляє сильні відновні властивості.

      Щавлевооцтова (2-оксобутандіова) кислота

(НООССОСН2СООН) є водночас α- та β-оксокислотою, перебуває лише в енольній формі, може бути виділена у формі цисгідроксималеїнової (ІІІ) і трансгідроксифумарової кислот (IV):

Відіграє важливу роль у вуглеводному обміні; є проміжним продуктом у циклі трикарбонових кислот.

α-Кетоглутарова (2-оксопентандіова) кислота (НООССО(СН2)2СООН) — біла кристалічна речовина (Tпл 115–116 °С), розчинна у воді та етанолі. Має важливе значення в біологічних процесах (цикл Кребса), є проміжним продуктом синтезу та розпаду амінокислот.

моноаміномонокарбонові кислоти

Розчини моноаміномонокарбонових кислот мають нейтральну реакцію середовища, оскільки ці кислоти містять дві протилежні за своїм характером функціональні групи: карбоксильну, яка надає їм кислотних властивостей, і аміногрупу, яка надає їм основних властивостей. Отже, амінокислоти є амфотерними сполуками і існують у вигляді біполярних іонів (цвіттер-йонів). Основність аміногрупи і кислотність карбоксильної групи приблизно однакові і тому водні розчини моноаміномонокарбонових кислот мають нейтральну реакцію:

 

Властивості аміноацетатної кислоти (гліцину).

а) амфотерні властивості гліцину.

 Аміноацетатна кислота (гліцин) має основні властивості (завдяки аміногрупам) і взаємодіє із хлоридною кислотою. Продуктом такої взаємодії є сіль – гідрогенхлорид гліцину.

б) утворення комплексної солі купрум(ІІ) аміноацетатної кислоти. В разі взаємодії аміноацетатної кислоти з купрум(ІІ) оксидом утворюється не звичайна сіль купруму, а внутрішньокомплексна хелатна сполука, в якій атом купруму зв’язаний не тільки з атомом оксигену карбоксильної групи, а й з атомом нітрогену аміногрупи:

Такі внутрішньомолекулярні комплекси a-амінокислот з іонами купруму дуже стійкі і при дії лугів не розкладаються. Охолодження реакційної суміші призводить до поступового випадання в осад даної комплексної сполуки.

Сіль купрум (ІІ) аміноацетату можна добути також взаємодією аміноацеьаьної кислоти з купрум(ІІ) гідроксидом.

в) взаємодія гліцину з нітритною кислотою

 Спостерігають за інтенсивним виділенням бульбашок газу (азоту).

г) взаємодія аміноацетатної кислоти з формальдегідом.

Формальдегід взаємодіє з аміногрупою молекули амінокислоти, зв’язує її, а карбоксильна група при цьому вивільняється і зумовлює кислу реакцію розчину.

У разі додавання розчину формальдегіду до моноамінокарбонових кислот можна визначити їх концентрацію титруванням за допомогою лугу (формольне титрування за Серенсеном).

Гетерофункціональні карбонові кислоти

 

Оксокарбонові кислоти

 

Оксокарбонові кислоти, тобто альдегідо- і кетонокислоти, — це сполуки, що містять поряд з карбоксильною і карбонільну групу (альдегідну або кетонну).

Загальна характеристика

Оксокислоти можуть містити одну, дві або більш карбоксильних груп. По взаємному розташуванню функціональних груп розрізняють альфа- бета-, гама-оксокарбонові кислоти; існують також оксокислоти і з іншим розташуванням функціональних груп.

Багато оксокислот є важливими метаболітами, що беруть участь в обміні речовин. Біологічна роль осоксокислот полягає також в тому, що вони є інтермедіатами в біосинтезі альфа-амінокислот в живих організмах.

У назвах альдегідо- і кетонокислот наявність карбонільної групи позначають префіксом оксо-. Для деяких оксокислот укорінялися тривіальні назви (піровиноградна, левулінова); для оксокислот, що беруть участь в біохімічних циклах в живих організмах, використовуються назви, що традиційно склалися в біохімічній літературі, — ацетооцтова, щаве-левооцтова, кетоглутарова та ін.

Оксикислоти є представниками біфункціональних сполук, у складі молекули яких перебувають гідроксильна й карбоксильна групи. При цьому зазначені групи можуть бути приєднані як до насиченого вуглеводородного фрагменту, так і до ароматичного ядра. Класифікація аліфатичних оксикислот, як і інших біфункціональних сполук, заснована в першу чергу на взаємному розташуванні функціональних груп. У якості найпростішої оксикарбонової кислоти можна розглядати вугільну кислоту, у молекулі якої гідроксильна група приєднана безпосередньо до карбоксильної групи. Однак вугільну кислоту можна також віднести й до дикарбонових кислот, з деякими властивостями й похідними. Наступна група оксикислот – α-оксикислоти: гліколева кислота НОСН2О2Н та її гомологи. Органічні сполуки, до складу молекули яких входить фрагмент – СН (ОН) СООН, – монооксикарбонові кислоти, поліоксикарбонові кислоти, оксиполікарбонові кислоти й поліоксиполікарбонові кислоти – відомі вже досить давно, оскільки багато хто з них мають природне походження, що знайшло відбиття в назвах цих сполук.

Оксикислоти класифікують за основністю і за атомністю. Кількість карбоксильних груп вказує на основність кислоти, а кількість гідроксильних груп, враховуючи і гідроксил карбоксилу, – на її атомність. Наприклад, оксиоцтова кислота, α і β-оксипропіонові кислоти є одноосновними двохатомними оксикислотами, а яблучна кислота – двохосновною трьохатомною оксикислотою, винна – двохосновною чотирьохатомною оксикислотою і т.д.

Часто оксикислоти називають за назвою відповідних карбонових кислот, позначаючи грецькими буквами положення спиртової групи в молекулі відносно карбоксилу, наприклад: α-оксипропіонова, β-оксипропіонова і т.д. За систематичною номенклатурою назву оксикислоти утворюють з назви відповідної карбонової кислоти, перед якою ставлять префікс окси- (гідрокси-), що вказує на наявність ОН-групи в молекулах цих кислот. Місцеположення гідроксильної групи в ланцюгу вказують номером вуглецевого атома, з яким вона сполучена, наприклад: 2-оксипропанова кислота, 3-окси-пропанова кислота і т.д. У таблиці наведено назви найпоширеніших оксикислот.

Ізомерія в ряду оксикислот залежить від структури вуглецевого ланцюга і положення спиртового гідроксилу. Гліколева кислота ізомерів не має. Наступний гомолог ряду оксикислот існує у вигляді двох ізомерів – α-оксипропіонової і β-оксипропіонової кислот, які відрізняються положенням спиртового гідроксилу.

 

Відомо багато речовин, які здатні обертати (змінювати) площину поляризації світла, тобто відхиляти її вправо (за годинниковою стрілкою) або вліво (проти годинникової стрілки). Ця здатність речовин була названа оптичною активністю, а самі речовини, що мають таку здатність, – оптично активними. Оптично активні речовини існують у вигляді оптичних ізомерів. Явище оптичної активності особливо поширене серед органічних речовин природного походження (оксикислоти, амінокислоти, вуглеводи, білки, нуклеїнові кислоти, алкалоїди тощо). Це явище має велике біологічне значення, оскільки воно пов’язане з асиметрією речовин, що входять до складу живих організмів, і з явищем життя.

 

Способи отримання

Способи отримання оксокислот вельми різноманітні, багато з них специфічні. Існують і деякі загальні методи синтезу.

У випадку, якщо гідроксильна та карбоксильна групи перебувають у складі молекули досить далеко один від одного (розділені більш ніж трьома атомами вуглецю), для їхнього введення використаються звичайні прийоми, як для спиртів і карбонових кислот. У той же час для α-, β – і γ-оксикислот застосовують і специфічні методи синтезу. Найпростішу оксикислоту – гліколеву – одержують окислюванням етиленгліколя. Слід зазначити, що цей метод синтезу застосуємо тільки для гліколевої кислоти!

Загальний метод синтезу α-оксикислот заснований на гідролізі (нуклеофільному заміщенні атома галогену на гідроксигрупу) доступних α-галоідозаміщених карбонових кислот.

Амінокислоти можуть бути перетворені в оксикислоти при взаємодії з азотистою кислотою (реакція диазотирування). Особливо велике значення має ця реакція для перетворення в оксикислоти доступних природних α-амінокислот.

Історичне значення має циангідринний метод синтезу α-оксикислот, перша стадія якого полягає у взаємодії карбонільних з’єднань із синильною кислотою, що приводить до утворення циангідритів. Наступний гідроліз у кислому середовищі приводить до цільових з’єднань. Цей метод застосуємо як до альдегідів, так і до кетонів і особливо велике значення має в хімії вуглеводів.

Оксикислоти з будь-яким взаємним розташуванням гідроксильної й карбоксильної групи можуть бути отримані відновленням відповідних кетокарбонових кислот. Цей метод не є специфічним відносно способу відновлення, оскільки заснований на тім, що карбонільна група відновлюється легше карбоксильної. Наприклад, це перетворення може бути здійснено каталітичним гідруванням. У лабораторній практиці в якості відновлювача можна використати боргідрид натрію або ізопропанол у присутності ізопропілата алюмінію.

Досить доступними по реакції альдольної конденсації є β-оксиальдегіди – альдолі. З огляду на, що альдегідна група окисляється легше спиртової, можна легко окислити альдоль в β-оксикислоту, використовуючи як окислювачі солі срібла або двовалентної міді.

Згадаємо, що електронноакцепторна карбоксильна група обумовлює приєднання реагентів типу НХ по кратному зв’язку С=С, сполученої з нею, “проти правила Марковникова”. Наприклад, приєднання води до акрилової кислоти та її аналогів каталізуємими кислотами, приводить до β-оксикислот.

Більш м’яким способом трансформації подвійного зв’язку ненасиченої кислоти в гідроксигрупу з утворенням оксикислоти є гідроборирування з наступним окислюванням борорганічного похідного перекисом водню. Іншим методом синтезу оксикарбонових кислот є окислювання ненасиченої кислоти в епоксид і наступне відновлення алюмогідридом літію, що відбувається неселективно та приводить до суміші двох оксикислот. Гідратація епоксиду в кислому середовищі приводить до утворення диоксикарбонових кислот. Останні два методи придатні для неграничних кислот з будь-яким взаємним розташуванням олефинової і карбоксильної групи.

Епоксиди α, β – ненасичених карбонових кислот також можуть бути отримані за реакцією Дарзана – реакції конденсації альдегідів або кетонів з ефірами α-галогенкарбонових кислот у присутності сильних основ.

γ-оксикислоти одержують гідролізом циклічних складних ефірів – γ-бутиролактонів, які, у свою чергу, одержують або відновленням циклічних ангідридів карбонових кислот, або циклізацією β, γ-неграничних кислот при нагріванні в присутності розведених мінеральних кислот. Слід зазначити, що γ-оксикислоти у вільному стані здатні мимовільно перетворюватися в γ-лактони.

Загальний метод одержання оксикислот з вилученими гідроксильної та карбоксильної групи заснований на окислюванні циклічних кетонів надкислотами по Байеру-Віллігеру і наступному гідролізі лактонів, що утворяться, у лужному середовищі. Обережне підкислення завершується утворенням відповідної оксикислоти.

Існують специфічні методи синтезу поліоксикарбонових кислот. Що ж стосується синтезу дигідроксикислот, то вони легко можуть бути отримані окислюванням ненасичених кислот по зв’язку С=С одним з методів, використовуваних для окислювання алкенів. Наприклад, при окислюванні акрилової кислоти перманганатом калію в лужному середовищі (окислювання за Вагнером) утвориться гліцеринова кислота

Гліколі також можуть бути отримані окислюванням сполук, що містять зв’язок С=С, при дії тетроксиду осмію, або перекису водню в присутності ОsО₄, органічними надкислотами або киснем повітря в присутності оксиду срібла з наступним гідролізом спочатку утвориться епоксид.

Останній з методів одержання оксикислот (молочної кислоти), що заслуговує згадування, – це ферментативне окислювання сахаров – глюкози, лактози або сахарози – яке приводить залежно від використовуваного штаму бактерій або до лівообертального, або до рацемічної молочної кислоти.

 

Фізичні властивості

Одноосновні оксикислоти з невеликою молекулярною масою – це густі сироподібні рідини або тверді речовини. Двохосновні оксикислоти кристалічні речовини. Оксикислоти краще розчиняються в воді, ніж відповідні їм карбонові кислоти, але обмежено розчиняються в ефірі та інших органічних розчинниках. Оксикислоти мають значно вищі температури плавлення і кипіння, ніж карбонові кислоти з такою самою кількістю вуглецевих атомів. Багато оксикислот виявляють оптичну активність.

 

Хімічні властивості

Оксокислоти проявляють багато властивостей, характерних як для карбонових кислот, так і для альдегідів і кетонів. Оксокислоти утворюють похідні по карбоксильній групі— солі, складні ефіри, аміди і так далі, по оксогрупі — оксими, гидразони, гідроксинітрили.

Хімічні властивості оксокислот істотно залежать від взаємного розташування функціональних груп. Обидві групи роблять один на одного певний вплив. Зокрема, при близькому їх розташуванні спостерігається взаємне посилення електрофільних властивостей атомів вуглецю карбонільної і карбоксильної груп і, як наслідок, посилення їх реакційної здатності при взаємодії з нуклеофілами.

Кислотні властивості оксокарбоновых кислот знижуються у міру видалення оксогруппы від карбоксильної групи, що ілюструється приведеними нижче значеннями рКа для деяких оксокислот з різним взаємним розташуванням функціональних груп:

В цьому випадку спостерігається чітка закономірність (як, наприклад, і для галогенозамещенных кислот): у міру видалення електроноакцепторної оксо-гругшы від карбоксильної групи кислотні властивості оксокислоты знижуються унаслідок загасання негативного індуктивного ефекту.

Оксикислоти містять дві функціональні групи і їх хімічні властивості визначаються наявністю як карбоксильної, так і гідроксильної груп. Тому оксикислоти одночасно виявляють властивості і карбонових кислот, і спиртів. Причому карбоксильна і гідроксильна групи можуть брати участь у хімічних реакціях окремо, незалежно одна від одної, або обидві разом.

Так, оксикислоти, природно, утворюють солі. Сила оксикислот трохи більше, ніж сила незаміщених карбонових кислот внаслідок індуктивного ефекту гідроксильної групи. Це стосується в першу чергу α-оксикарбонових кислот і якоюсь мірою β-оксикислот, оскільки вплив індуктивного ефекту швидко зменшується при збільшенні числа зв’язків С-С, що розділяють гідроксильну й карбоксильну групи. Силу α-оксикарбонових кислот збільшує також стабілізація карбоксилат-аніона внутрімолекулярним водневим зв’язком.

Взаємодія оксикислот зі спиртами в присутності кислотного каталізатора (наприклад, сірчаної кислоти) приводить до утворення складних ефірів. Взаємодія з сильними основами, наприклад з алкоголятами металів, приводить до утворення дианіона. Наступна взаємодія цього аніона з галоідним алкілом відбувається по обох нуклеофільным центрах, приводячи до сполуки, що є одночасно простим і складним ефіром. Якщо в реакцію з алкоголятом металу вводити не кислоту, а її ефір, то алкоголят, що утвориться, також можна перетворити в ефір дією галоідного алкілу.

Оксикислоти, вступаючи в реакції як спирти, утворюють алкоголяти, прості ефіри, заміщують гідроксил на галоген. Так, при взаємодії оксикислот з лужними металами, лугами спочатку утворюються солі цих кислот, які далі реагують з цими ж речовинами і дають алкоголяти.

При дії на оксикислоти галогеноводнів спиртовий гідроксил їх молекул заміщується на галоген і утворюються відповідні галогенокислоти:

Оксикислоти, подібно до спиртів, можуть окислюватись. Ця властивість оксикислот відрізняє їх від карбонових кислот, які, як правило, стійкі до окислення. Оксикислоти, що містять первинну ОН-групу, при окисленні перетворюються на альдегідокислоти, а оксикислоти з вторинною ОН-групою – на кетокислоти.

Аналогічне окислення молочної кислоти до піровиноградної відбувається і в живих організмах.

Крім реакцій, які відбуваються з участю карбоксильної і спиртової груп, оксикислотам властиві також специфічні реакції, зумовлені взаємним впливом двох функціональних груп у їх молекулах. Так, α-,β-,γ-, δ-, і ε-оксикислоти по-різному перетворюються при нагріванні. Оксикислоти при підвищених температурах дегідруються. Але залежно від взаємного розміщення спиртової і карбоксильної груп дегідратація їх проходить по-різному і з утворенням різних продуктів реакції.

α-Оксикислоти при нагріванні відщеплюють воду міжмолекулярно за рахунок гідроксилу карбоксильної групи однієї молекули оксикислоти і атома водню спиртової групи другої молекули оксикислоти. Продуктами такої дегідратації є циклічні міжмолекулярні складні ефіри, які називають лактидами.

Оксикислоти при нагріванні дегідрауються внутрішньомолекулярно. Вода при цьому відщеплюється за рахунок спиртового гідроксилу і α-водневого атома метиленової групи. В результаті утворюються α-, β-ненасичені кислоти. Так, β-оксипропіонова кислота при цьому перетворюється на акрилову кислоту.

γ – і δ-Оксикислоти при нагріванні вступають у внутрішньомолекулярну етерифікацію між спиртовим гідроксилом і карбоксильною групою, утворюючи внутрішньомолекулярні циклічні складні ефіри, які називають лактонами. Так, γ-оксимасляна кислота при дегідратації перетворюється на бутиролактон (Ткип = 204°С).

 Реакцію лактонізації оксикислот відкрив у 1873 р.О.М. Зайцев. Лактони є біологічно активними речовинами і використовуються для синтезу замінників крові. Деякі лактони мають приємний запах і їх застосовують у парфюмерії.

 

ε-Оксикислоти і оксикислоти з ще більш віддаленою спиртовою групою при нагріванні вступають у реакції конденсації і утворюють при цьому лінійні полімери.

Гідроліз диефіру оксикислоти, каталізуємий як кислотами, так і лугами, приводить до розщеплення тільки скланоефірної групи. При взаємодії оксикислот з ангідридами або хлорангідридами кислот відбувається реакція ацилірування спиртової гідроксигрупи з утворенням відповідного складного ефіру, а карбоксильна група при цьому зберігається.

Спиртову гідроксигруппу оксикислоти можна окислити в карбонільну групу одним з окислювачів, використовуваних звичайно для окислювання спиртів, наприклад хромовою кислотою, і, навпроти, карбоксильну групу можна відновити в спиртову групу дією алюмогидріду літію. Молочна кислота при взаємодії з йодистоводородною кислотою відновлюється в пропіонову кислоту.

П’ятихлористий фосфор заміщує на галоген одночасно як спиртовий гідроксил, так і гідроксил карбоксилу молекули оксикислоти і перетворює їх таким чином на хлорангідриди хлорорганічних кислот.

Залежно від взаємного розташування гідроксильної й карбоксильної групи оксикислоти здатні перетерплювати різні хімічні трансформації при нагріванні. Так, α-оксикислоти при нагріванні легко розщеплюються з утворенням альдегідів (реакція декарбонілюрування). Механізм цієї реакції включає протонірування гідроксигруппи карбоксильного угрупування, відщіплення молекули води з утворенням порівняно стійкого ацилий-катіона, відщіплення молекули СО і наступне депротонірування катіона А, що приводить до утворення альдегіду. Легкість протікання цієї реакції зв’язана в основному з тим, що катіон А стабілізований мезомерним ефектом гетероатома.

Характерною рисою оксикислот є утворення складних ефірів у результаті взаємодії двох функціональних груп, що входять до складу молекули. Так, α-оксикислоти при нагріванні утворять циклічний складний диефір – лактид у результаті взаємодії спиртової групи однієї молекули з карбоксильною групою іншої.

У тих же умовах β-оксикислоти подібно спиртам перетерплюють дегідратацію з утворенням α, β-ненасичених – акрилових кислот. Утворення β-лактонів не відбувається внаслідок малої стійкості чотиричленного циклу, а міжмолекулярна диєтеріфікація з утворенням восьмичленного циклу також не реалізується, можливо, внаслідок малої ймовірності необхідного взаємного просторового розташування функціональних груп на стадії замикання циклу (ентропійний фактор). Слід зазначити, що, хоча β-лактони й не утворяться при дегідратації β-оксикислот, вони проте відомі й можуть бути отримані, наприклад, взаємодією кетена з формальдегідом. Для γ-оксикислот характерна схильність до утворення внутрімолекулярного складного ефіру настільки велика, що γ-лактони можуть утворюватися вже при підкисленні водяних розчинів солей цих кислот, незважаючи на присутність великого надлишку води.

Найбільше значення в синтезі ароматичних оксикислот має реакція карбоксилірування фенолів і нафтолів. Реакція протікає при взаємодії феноляту або нафтолята натрію з діоксидом вуглецю при підвищеному тиску (5 атм) і температурі (130-220 °С) (реакція Кольбе-Шмідта). Це перетворення являє приклад електрофільного заміщення, у якому досить слабкий електрофіл – молекула СО2 атакує дуже активний арен-фенолят-аніон.

По-друге, будова термодинамічного або кінетичного продуктів залежить від природи катіона лужного металу, використовуваного в цій реакції у вигляді лугу. У випадку іона Na+ термодинамично більше вигідним продуктом є орто-ізомер, а у випадку К+ – пар-ізомер. Причиною цього явища є більша стійкість хелатного комплексу, утвореного Nа-сіллю, у порівнянні з К-сіллю, що визначається розміром катіона. Наслідком цих особливостей реакції є можливість варіювання структури продукту шляхом зміни температури реакції й природи використовуваного катіона. Так, при проведенні реакції карбоксилірування феноляту калію при 125 °С утвориться суміш орто- і пара-ізомерів, а при більше високій температурі утвориться тільки термодинамічно більше вигідний пара-ізомер. При нагріванні калієвої солі саліцилової кислоти при 230°С у атмосфері СО2 утвориться дикаліва сіль пара-окси-бензойною кислоти та продукт декарбоксилірування – фенол.

Подібні перетворення перетерплюють і нафтоляти калію та натрію. Загальні закономірності тут ті ж, що й у випадку фенолятів – термодинамично вигідним є орто-ізомер для натрієвих солей і пара-ізомер – для калієвих солей.

Таким чином, будовою продукту реакції можна управляти, варіюючи температуру реакції й катіон у складі вихідного феноляту або нафтоляту. При цьому зазначені перетворення можуть бути проведені й в одну стадію при забезпеченні умов, зазначених на схемі.

Аналогічно фенолу реагують і його гомологи. Поліфеноли вступають у реакцію карбоксилірування в більш м’яких умовах. Наприклад, резорцин утворить резорцилову кислоту при нагріванні з водяним розчином бікарбонату амонію.

Інший спосіб введення карбоксильної групи в молекулу фенолу – взаємодія феноляту натрію із чотирихлористым вуглецем у присутності сполук міді як каталізатора. У цьому випадку утвориться 25% саліцилової та 35% 4-оксибензойной кислоти.

З утворенням відповідних оксибензойних кислот окисляються крезоли при їхній сплавці з лугом у присутності оксидів металів. Гідроксиацетофенони окисляються у відповідні оксибензойні кислоти йодом у присутності піридину.

При нагріванні основного бензоату міді в інертному розчиннику також утвориться саліцилова кислота, іон міді при цьому відновлюється до металу. Для введення гідроксигрупи в молекулу бензойної кислоти можна також використати й традиційні методи одержання гідроксиаренів, наприклад, лужне плавлення мета-карбоксибензолсульфокислоти або диазотирування амінобензойної кислоти і наступний гідроліз солі, що утвориться, диазонія, і такі методи одержання ароматичних карбонових кислот, як окислювання метильної групи або галоформне розщеплення метиларилкетона.

У властивостях ароматичних оксикислот багато загального із властивостями аліфатичних оксикислот. Константа дисоціації ароматичних оксикислот звичайно трохи менше, ніж у бензойної кислоти, оскільки гідроксигрупа є одним із самих сильних електроннодонорних (по мезомерному ефекті) заступників, а індуктивний її вплив через ароматичне кільце невеликий. Виключенням є орто-оксибензойні кислоти, які значно сильніші своїх ізомерів і сильніші відповідних бензойних кислот. Причина цього та ж, що й в аліфатичних α-оксикислот, – стабілізація карбоксилат-аніона внутрішньомолекулярним водневим зв’язком за участю гідроксигрупи.

Відзначимо, що саліцилова кислота завдяки сприятливому взаємному розташуванню гідрокси- та карбоксигруп легко утворюють хелатні комплекси з іонами перехідних металів.

Як і аліфатичні оксикислоти, ароматичні оксикислоти здатні утворювати два ряди етерів- по оксигрупі та по карбоксильній групі.

Одержати простий етер оксибензойної кислоти в одну стадію, виходячи із самої кислоти, досить важко, тому що у звичайних умовах одержання простих ефірів у реакцію етерифікації буде вступати й карбоксильна група. Правда, отриманий диетер можна легко й селективно гідролізувати в алкоксибензойну кислоту.

Цікавою особливістю орто- і пара-оксибензойних кислот є та обставина, що при їхній взаємодії з електрофільними реагентами в якості відхідної групи часто виступає карбоксильна група. Так, при нітруванні або броміруванні саліцилової кислоти в жорстких умовах утворяться відповідно пікринова кислота й трибромфенол.

4-Гідроксибензойна кислота реагує із солями диазонія із заміщенням карбоксильної групи, а не атомів водню у вільних орто-положеннях.

Причиною такого направлення приведеннях реакцій являється легкість декарбоксилірування оксибензойних кислот.

 

Багатоосновні та багатоатомні оксикислоти

Багатоосновні оксикислоти можуть містити в молекулі дві, три і більше карбоксильних груп. Представниками дикарбонових оксикислот є оксі- і діоксіянтарні кислоти. Оксіянтарна, або яблучна, кислота вперше була виділена ще 1785 р. К. Шеєле з недостиглих яблук. Вона широко поширена в природі і міститься в кислих яблуках, горобині, аґрусі, барбарисі, махорці тощо. Яблучна кислота має один асиметричний атом вуглецю С*, виявляє оптичну активність і існує у вигляді (+) D – і (-) L-стереоізомерів.

У природі поширена (-) L – яблучна кислота. Рацемічну яблучну кислоту (Тпл. =130 °С) можна добути гідратацією малеїнової кислоти або дією вологого оксиду срібла на рацемічну бром’янтарну кислоту.

Діоксіянтарні кислоти називають винними. Вони містять два асиметричних атоми Кількість оптичних ізомерів, як уже зазначають обчислюють за формулою 2п, де п – число асиметричних атомів С*. Отже, стереоізомерних діоксіянтарних кислот повинно бути чотири (два ізомери D-ряду, два – L-ряду), Кожна пара цих оптичних ізомерів повинна давати по одному рацемату. В природі існують, а також добуті синтетично такі винні кислоти: (+) – винна (І), її антипод (-) – винна (II), мезовинна (III) і рацемат – (±) – винна кислота, яка називається виноградною. У молекулі мезовинної кислоти обидва асиметричні атоми С* сполучені з однаковими лігандами і вона має внутрішню симетрію. Крім того, в мезовинній кислоті відбувається внутрішня компенсація обертання площини поляризації світла протилежно побудованими асиметричними центрами з однаковими лігандами. Тому мезовинна кислота є оптично неактивною і в неї немає антипода.

Причину оптичної неактивності мезовинної кислоти можна уяснити так. Припустимо, що розміщення Н, СООН і ОН біля асиметричного атома С* в такому порядку – від атома водню через карбоксил до гідроксилу за годинниковою стрілкою – зумовлює обертання площини поляризації світла вправо, а розміщення цих груп у протилежному порядку (проти годинникової стрілки) – обертання площини поляризації світла вліво. Після такого, припущення легко помітити, що в мезовинній кислоті Н, СООН і ОН біля верхнього атома С* розміщені за годинниковою стрілкою і повинні зумовлювати праве обертання, а біля нижнього атома С* ці самі групи розміщені проти годинникової стрілки і повинні зумовлювати ліве обертання. Оскільки групи біля верхнього і нижнього атомів С* однакові, то праве обертання верхньої частини молекули повинно повністю компенсуватися лівим обертанням нижньої частини молекули. В кінцевому результаті така винна кислота, хоч і мав асиметричні атоми С*, оптичної активності не виявляє.

(+) – ” (-) – Винні кислоти є оптичними антиподами. Мезовинна кислота відносно цих винних кислот вже не е їх антиподом.

Такі стереоізомери, які не є антиподами, називають діастереоізомерами. Отже, (+) – винна і мезовинна, (-) – винна і мезовинна кислоти є діастереоізомерами. Діастереоізомери різняться між собою не тільки оптичним обертанням, але й іншими фізико-хімічними властивостями, тоді як у антиподів фізико-хімічні властивості однакові, а відмінні тільки напрямки обертання площини поляризації світла.

Діастереоізомери утворюють також відмінні за властивостями похідні. Так, солі діастереоізомерних винних кислот значною мірою відрізняються за розчинністю у воді. Ця властивість має важливе практичне значення і використовується для розділення даних діастереоізомерів.

З винних кислот найбільше значення має (+) – винна кислота, яка називається D-винною, або виннокам’яною, кислотою.

Солі винної кислоти називають тартратами. Винна кислота і її солі містяться в багатьох плодах рослин, наприклад у винограді, горобині. Кисла калієва сіль винної кислоти важко розчиняється у воді. Вона міститься у виноградному соку і під час його переробки випадає в осад у вигляді “винного каменю”.

Винну кислоту застосовують у харчовій промисловості, наприклад при виготовленні охолодних напоїв. Подвійна калій-натрієва сіль винної кислоти КООС-СНОН-СНОН-COONa відома під назвою сегнетової солі і використовується для виготовлення реактиву Фелінга, а також у радіотехніці (п’езокристали). Подвійна сіль калію і сурми 2С4Н4О6К • (SbO) a • Н20 під назвою “рвотного каменю” застосовується в медицині, а також при протравному фарбуванні. Антипод виннокам’яної кислоти – (-) – винна кислота в природі не зустрічається. її можна добути з рацемічної (+) – винної (виноградної) кислоти розділенням кристалів на ліво – і правообертаючі ізомери. Виноградна, або (±) – винна, кислота є рацематом. Вона являє собою хімічну сполуку рівномолярних кількостей (+) – винної і (-) – винної кислот і тому не є оптично активною. У водному розчині виноградна кислота має мономерну, а не подвоєну молекулярну масу. Це свідчить про те, що при розчиненні рацемат дисоціює на (+) – і (-) – винні кислоти. Виноградну кислоту можна добути при тривалому нагріванні (+) – або (-) – винної кислоти, а також при окисленні фумарової кислоти водним розчином КМnО₄.

Представником трьохосновних оксикислот є лимонна кислота

Вона не містить асиметричного атома С* і тому є оптично неактивною. Лимонну кислоту вперше добув у 1784 р. Шеєле з лимонного соку, в якому її міститься 6÷10%. Ця кислота є також у смородині, малині, аґрусі, буряковому і виноградному соках, а у вигляді солей – в махорці, у невеликій кількості вона міститься в молоці і крові. Лимонна кислота відіграє важливу роль в процесах обміну речовин в живих організмах. У промисловості лимонну кислоту добувають лимоннокислим бродінням глюкози і патоки, а також з махорки після виділення з неї нікотину. Лимонна кислота використовується в харчовій промисловості при виготовленні кондитерських виробів, у медицині, текстильній промисловості при фарбуванні тканин тощо. Хлор’яблучні, або оксихлор’янтарні, кислоти належать до дикарбонових оксикислот з двома асиметричними атомами вуглецю:

Речовини, в молекулах яких однакові замісники розміщені біля асиметричних атомів С* з одного боку, називають еритро-ізомерами; якщо ж ці замісники розміщені з різних боків, то їх називають трео-ізомерами. Крім стереоізомерів І-IV, існують дві рацемічні хлор’яблучні кислоти: рацемат (Тпл = 146 °С), який складається з (+) і (-) – еритро-форм і рацемат (Тпл =153 °С), який складається з (+) – і (-) – треоформ.

Суміш стереоізомерних хлоряблучних кислот можна добути приєднанням хлорнуватистої кислоти до малеїнової або фумарової кислоти.

 

 Оксикислоти в природі

Багато аліфатичних оксикислот мають природне походження й зустрічаються в різних рослинах, а також беруть участь в обмінних процесах живого організму. Так, гликолева кислота зустрічається в буряку й винограді, молочна кислота, як ми вже відзначали вище, є продуктом життєдіяльності деяких бактерій, наприклад, що забезпечують молочнокисле шумування молока й багатьох овочів при консервуванні, квашенні капусти й засолюванню огірків. Молочна кислота є природним консервантом, і її нагромадження охороняє продукти від подальшого розкладання. В організмі людини D-молочна кислота утвориться в м’язах при фізичному навантаженні в результаті розщеплення глюкози через стадію утворення найпростішої кетокислоти – пировиноградної кислоти, і її підвищена концентрація сприймається як м’язова утома.

Яблучна кислота міститься в недоспілих яблуках, горобині, журавлині й багатьох інших плодах. Там же перебуває й D-винна кислота, що у вигляді калієвої солі випадає в осад при шумуванні вина, звідки її й одержують. Багато лимонної кислоти, природно, утримується в лимонах, однак оскільки в нашій країні лимони не ростуть, то її виділяють із махорки після попереднього витягу нікотину, а також із зеленої маси бавовнику. Лимонна кислота може бути отримана й синтетично. Нижче наведені дві з можливих схем синтезу цього з’єднання, в основі яких лежить той самий метод – циангідринний.

Саліцилова кислота відома головним чином як попередник ацетилсаліцилової кислоти – аспірину. Метилсалицилат і салол також є лікарськими препаратами.

Широко поширені в природі поліоксибензойні кислоти, які втримуються у вигляді гликозидів у багатьох рослинах: протокатехова кислота (I) і її похідні – ванілінова (II), ізованилінова (III) і вератрова (IV) кислоти. Із триоксибензойних кислот найбільше значення має галова кислота (V), що у вигляді похідних широко поширена в природі, зокрема вона перебуває в корі дуба, гранатового дерева, листах чаю і чорнильних горішках – наростах на тканинах рослин, що утворяться в результаті деяких захворювань, викликаних паразитами. Раніше із чорнильних горішків, що містять похідні галової кислоти, виготовляли чорнило. Солі оксикислот, що входять до складу чорнильних горішків, із двовалентним залізом, непофарбовані й розчинні у воді. На повітрі вони легко окисляються в похідні тривалентного заліза, що мають чорний колір і нерозчинні у воді. Реакція окислювання йде в часі, і для того щоб чорнило були видні на папері відразу після нанесення, у них додавали барвник синього кольору.

Інша назва чорнильних горішків – дубильні горішки – обумовлена тим, що з неї проводять витяжку танина – речовини, що має дубильні властивості, тобто здатністю перетворювати шкуру тварини в шкіру. Процес дублення заснований на зшивці білкових ланцюгів у тривимірну структуру, що забезпечує високу міцність шкіри.

Спеціальна серія, заснована на фруктових кислотах, одержуваних при переробці цукрового очерету.

Препарати лінії фруктових кислот ЖЛС зі спеціальним складом, що включають α – і β-оксикислоти, розроблені на основі новітніх наукових досліджень, що переконливо показують, що оксикислоти сприяють приведенню шкіри в стан максимальної ефективності, повертаючи їй молодість.

У препаратах ЖЛС використовується комбінована дія гліколевої, молочної та саліцилової кислоти. Ці три кислоти проникають між ороговілими клітинами й сприяють їх м’якому й поступовому відшелушуванню, що дозволяє більш молодим і зволоженим клітинам вийти на поверхню, надаючи шкірі пружність, еластичність і гнучкість, властиві їй замолоду.

Відшелушуюча дія косметичних засобів ЖЛС створює умови для усунення всіх естетичних недоліків шкіри людини і, таким чином, дозволяє звести до мінімуму присутність комедонів і вугрів і швидко знизити до нормального рівня надлишкову жирність епідерміса.

Гліколева (оксиоцтова, оксиетанова) кислота є найпростішою з оксикислот. Вона є складовою частиною соку незрілого винограду й цукрового очерету. Синтетично вона може бути отримана електролітичним відновленням щавлевої кислоти або з формальдегіду, оксиду вуглецю й води в присутності кислих каталізаторів під тиском при 160-170 °С.

Молочну кислоту додають у безалкогольні напої. Лимонна кислота була виділена в 1784 р. Шеєле з лимонного соку, у якому її зміст 6-10%. Вона виявлена також і в багатьох інших фруктах, а також у молоці й крові. Лимонна кислота відіграє визначальну роль у процесах обміну речовин.

 

Альфа-Оксикислоти

Ці продукти очищення шкіри допомагають у видаленні осередків омертвілої шкіри від поверхні шкіри.

Кето-енольна таутомерія. Термін «таутомерія» (від греч. tautos — той же самий) запропонований німецьким хіміком К. Лааром (1885). Таутомерія властива різним класам речовин, частіше гетерофункціональним сполукам. Таутомерія — здатність хімічних сполук існувати у вигляді двох або декілька, що знаходяться в рівновазі, структурних ізомерів.

В більшості випадків таутомерні перетворення супроводжуються перенесенням протона від одного атома до іншого, тому такі види таутомерії об’єднуються загальним поняттям прототропній таутомерії. Одним з різновидів прототропній таутомерії є кето-енольна таутомерія, суть якої полягає в перенесенні протона від а-СН-кислотного центру карбонільного сполука до атома кисню карбонільної групи як основного центру:

Положення рівноваги таутомерів залежить від будови карбонільного сполука. Аліфатичні альдегіди і кетон, у якого у вуглеводневих радикалах відсутні електроноакцепторні заступники, існують практично тільки в оксоформе (кетонною). Помітні кількості енольной форми в рівноважній суміші з’являються тоді, коли СН-кислотность карбонільного сполука посилюється за рахунок додаткової електроноакцепторної групи, наприклад, у ацетону зміст енольной форми низький, а у аце-тилацетона вона переважає в рівноважній суміші. За наявності в Р-положе-нии об’ємних заступників стійкість енольной форми знижується, оскільки об’ємні групи перешкоджають утворенню внутрішньомолекулярного водневого зв’язку. Так, зміст енольной форми знижується в ряду: ацетооцтовий ефір — метилацетооцтовий ефір — етилацетооцетовий ефір.

Вплив на стан кето-енольної рівноваги надає і розчинник: полярні розчинники стабілізують кетонну форму, неполярні — енольную, що можна бачити на прикладі ацетооцтового ефіру. Вважають, що енольна форма за рахунок внутрішньомолекулярного водневого зв’язку менш полярна і гірше сольватується полярними розчинниками.

Таутомерні перетворення дикарбонільних сполук протікають з досить низькою швидкістю, що дозволило виділити таутомери деяких речовин в індивідуальному вигляді. При низьких температурах кетонна форма стійка і не піддається енолизации протягом задоволеного довгого часу. Так, при охолоджуванні ацетооцтового ефіру до —78 °С вдалося виділити в кристалічному вигляді кетонну форму (т. пл. -39 °С). При пропусканні сухого хлороводорода через суспензію натрієвого енолята ацетооцтового ефіру в диметиловом ефірі була виділена чиста енольная форма.

Існування двох таутомерних форм виявляється в хімічних властивостях (3-оксоэфиров. Ацетооцтовий ефір може вступати в реакції як в кетонній, так і в енольной формі. Як кетон він здатний приєднувати циановодневу кислоту і гідросульфіт натрію, а в реакції з етилгліколем — утворювати циклічний ацеталь:водородную кислоту и гидросульфит натрия, а в реакции с этиленгликолем — образовывать циклический ацеталь:

У реакціях з такими нуклеофілами, як гідразин і його похідні або гідроксиламін, ацетооцтовий ефір утворює пятичленные гетероциклічні сполука.

Якісною пробою для виявлення енольной форми ацетооцтового ефіру служить реакція з хлоридом заліза(Ш), що приводить до появи вишневого фарбування реакційної суміші.

Для кількісного визначення змісту енольной форми в рівноважній суміші застосовують титрування бромом. Бромування подвійного зв’язку протікає значно швидше, ніж енолизация карбонільного сполука, тому при швидкому проведенні титрування вдається досить точно встановити зміст енольной форми

Продукт бромування відщеплює бромоводород, перетворюючись на похідне кетонної форми. Таким чином, за допомогою вдосконалених методик титрування можна визначити вміст енольной форми практично у всьому діапазоні концентрацій.

 

Хімічні властивості ацетооцтового естеру

Піровиноградна кислота значно сильніша за пропіонову. Підвищення кислотності піровиноградної кислоти зумовлене впливом карбонільної групи:

Добування фенілгідразону піровиноградної кислоти

Випадає жовтий осад фенілгідразону піровиноградної кислоти. Утворення фенілгідразону підтверджує наявність у піровиноградній кислоті карбонільної групи.

Утворення солей гліоксилової кислоти

Під час взаємодії гліоксилової кислоти з натрій гідрокарбонатом активно виділяються пухирці карбон (ІV) оксиду, а з кальцій хлоридом гліоксилова кислота утворює важкорозчинну сіль білого кольору, яка випадає в осад.

 

Альдегідні властивості гліоксилової кислоти

Спостерігають утворення осаду металічного срібла на стінках пробірки (“срібне дзеркало”). Це свідчить про наявність альдегідної групи в гліоксиловій кислоті.

Знебарвлюється бромна вода, що свідчить про ненасиченість “ацетооцтового естеру”.

Виявлення енольної форми “ацетооцтового естеру”

З’являється фіолетове забарвлення, зумовлене утворенням комплексної солі енольної форми “ацетооцтового естеру” з іонами Fe3+:

Енольна форма “ацетооцтового естеру” стійка за рахунок утворення внутрімолекулярного водневого зв’язку.

Доведення наявності рівноваги між таутомерними формами (кетонною і енольною) “ацетооцтового естеру”

 Фіолетове забарвлення розчину зникає, але через декілька секунд знову з’являється. Коли фіолетове забарвлення відновиться, до реакційної суміші знову додають кілька краплин бромної води. Фіолетове забарвлення спочатку зникає, але швидко відновлюється. Явище, що спостерігається, пояснюється існуванням двох таутомерних форм “ацетооцтового естеру”, які завжди існують разом і перебувають у стані динамічної рівноваги.

Залежно від природи хімічного реагенту одна із цих форм буде вступати у хімічну реакцію. Це призводить до порушення динамічної рівноваги. Щоб відновити рівновагу, друга таутомерна форма буде ізомеризуватися у ту, що вступила в реакцію. Так, поява фіолетового забарвлення при додаванні до “ацетооцтового естеру” розчину ферму(ІІІ) хлориду свідчить про наявність в “ацетооцтовому естері” енольної форми (енольної гідроксильної групи). При додаванні бромної води фіолетове забарвлення розчину зникає, оскільки бром приєднується до подвійного зв’язку, і гідроксильна група втрачає енольний характер.

Зв’язування бромом енольної форми порушує динамічну рівновагу і тому частина кетонної форми “ацетооцтового естеру”, що не вступила в реакцію, щоб відновити рівновагу, ізомеризується в енольну форму. При цьому фіолетове забарвлення з’являється знову.

В енольну форму може ізомеризуватися також монобромацетооцтовий естер, який містить активний (рухливий) атом гідрогену.

Додавання бромної води знову зумовить зникнення фіолетового забарвлення, яке через декілька секунд знову з’являється. Процес може тривати до повного заміщення активних атомів гідрогену “ацетооцтового естеру” на бром. При цьому утворюється дибромацетооцтовий естер, що вже не здатний до таутомерних перетворень.

Кетонне розщеплення “ацетооцтового естеру”

Відбувається гідроліз “ацетооцтового естеру” і утворюється нестійка ацетооцтова кислота, яка легко декарбоксилюється. Карбон(IV) оксид, який при цьому утворюється викликає помутніння вапняної (баритової) води. Крім карбон(IV) оксиду при декарбоксилюванні ацетооцтової кислоти утворюється також етанол і ацетон. В одержаному розчині виявляють етанол і ацетон йодоформною пробою.

 Галогено-, окси- та амінокислоти та їх функціональні похідні. Фенолкарбонові кислоти. Синтез препаратів похідних саліцилової кислоти та ПАБК.

 

Загальна характеристика

У попередніх розділах були розглянуті найважливіші класи органічних сполук, що містять функціональні групи одного типу, тобто моно- і поліфункціональні сполуки. Речовини природного походження часто є гетерофункціональними сполуками, в молекулах яких є різні функціональні групи. В ролі таких груп частіше виступають гідроксильна, карбонільна, карбоксильна, а також аміногрупа. Не виключено, що при цьому в молекулі може бути і декілька однакових функціональних груп (досить пригадати будову глюкози, знайому з курсу середньої школи). Гетерофункциональні сполуки, разом з поліфункціональними, грають важливу роль в біологічних процесах і часто є початком лікарських засобів, що діє.

 

Різні комбінації тільки двох функціональних груп приводять до гетерофункціональних класів, найбільш важливі з яких представлені в табл. 23.1. Зрозуміло, можливі і інші поєднання функціональних груп. У першому наближенні хімічні властивості гетерофункціональних сполук є сумою властивостей, обумовлених кожною групою окремо. Проте у багатьох випадках наявність два (або більш) функціональних груп приводить до посилення або ослаблення властивостей, властивих монофункціональним сполукам, і, що важливіше, викликає появу специфічних хімічних властивостей, властивих тільки гетерофункціональним сполукам. Саме цим особливостям буде приділено основну увагу в частині IV, яка починається з розгляду гідроксикислот.

Гідроксикислотами   називаються   сполуки,   в   молекулах   яких містяться гідроксильна і карбоксильна групи.

Ці функціональні групи можуть бути приєднані до аліфатичного ланцюга (аліфатичні гідроксикислоти) або до ароматичного кільця, в останньому випадку використовують іноді родову назву фенолокислоти.

По взаємному розташуванню функціональних груп розрізняють альфа-, бета-, гама -гідроксикислоти і так далі Букви грецького алфавіту указують положення гідроксильної групи щодо карбоксильної, причому відлік ведеться від найближчого до карбоксильної групи атома вуглецю, тобто від атома С-2. Слід звернути увагу на те, що в замісній номенклатурі ІЮПАК для заміщених карбонових кислот локанти і так далі не уживаються.

 

Способи отримання

Для синтезу аліфатичних гідроксикислот часто використовують шляхи перетворення в гідроксильну групу інших функціональних груп, що містяться в заміщених карбонових кислотах. Це можуть бути реакції заміщення атомів галогену, відновлення оксогруппы, приєднання води по подвійному зв’язку, тобто реакції, що приводять до отримання спиртів.

 

Лужний гідроліз галогенокислот. Досяжні а-галогенокисло-ты, а також їх у- і 6-аналоги при нагріванні з водними лугами утворюють відповідні гідроксикислоти (у вигляді солей). З хлорооцтової кислоти цим способом в промисловості отримують гліколеву кислоту

 

RCH(CH2)nCOOH   +   2NaOH    =    RCH(CH2)nCOONa +   NaHal   H2ORCH(CH2)nCOOH   +   2NaOH   =    RCH(CH2)nCOONa +   NaHal

 

Бета-гідроксикислоти не можуть бути отримані цим шляхом, оскільки відповідні початкові галогенокислоти (і = 1) в лужному середовищі легко відщеплюватимуть галогеноводород і утворюватимуть а, р-ненасыщенные кислоти.

Ціаногідрінний спосіб. Цей спосіб, завдяки доступності початкових сполук — гідроксинитрилів, що мають стару назву ціаногидрини, служить найбільш загальним методом синтезу а-гідроксикислот. Так, ціаногидрин, що виходить в результаті приєднання ціановодорода до бензальдегіду, при подальшому гідролізі перетворюється на а-гідроксикис-лоту, яка містить на один атом вуглецю більше, ніж початковий альдегід.

 Отримання бета-гідроксикислот. Спосіб, відомий під назвою реакції Реформатського (1887), полягає у взаємодії а-галогенокислот, а точніше їх складних ефірів, з карбонільними сполукими у присутності цинку.

Формально ця реакція аналогічна реакції Гриньяра. Виходи продукту зазвичай високі (50—95%), хоча іноді реакція Реформатського супроводжується побічними процесами у вигляді здвоювання галогеноэфира по реакції Вюрца, альдольній або кротоновій конденсації початкового карбонільного сполуки і дегідратації продукту в ефіри а, р-ненасыщенных кислот. Здатність піддаватися дегідратації часто використовується саме для отримання ненасичених ефірів.

Гідроліз лактонів. Лактони є доступними початковими речовинами у зв’язку з тим, що їх легко отримують окисленням циклічного кетону, наприклад, по реакції Байера—Віллігера.  При гідролізі лактонів розривається зв’язок між карбонільним атомом вуглецю і кислородом циклу, внаслідок чого утворюються гідроксикислоти, в яких положення ОН-групи зумовлене розміром циклу

 

Хімічні властивості

Специфічні властивості гідроксикислот обумовлені приналежністю цих сполук одночасно до спиртів і карбонових кислот і багато в чому залежать від взаємного розташування функціональних груп.

 

 Утворення лактонів

Лактонами називаються внутрішні складні ефіри гідроксикислот, тобто сполуки, в яких сложноефірнае угрупування — С(О) О— включене в циклічну структуру.

Легкість лактонізации гамагідроксикислот пояснюється підвищеною термодинамічною стійкістю пяти- і шестичленних циклічних сполук. Цикли меншого або більшого розміру в цих умовах не утворюються.

По номенклатурі ІЮПАК лактоны, утворені з аліфатичних кислот, називають, додаючи суфікс -олид до назви вуглеводня з тим же числом атомів вуглецю. Цифрою указують місце замикання циклу, починаючи нумерацію від карбонільного атома вуглецю. Так, приведений вище гама-бутиролактон має систематична назва 4-бутанолід.

Допускаються (і навіть частіше використовуються) загальноприйняті назви, що походять від тривіальних назв відповідних  кислот. В цьому випадку місце замикання циклу позначається грецькими буквами. Обидва типи номенклатури показано в приведених нижче прикладах: Хоча гідроксикислоти з більш видаленою гідроксильною групою не утворюють лактонів в розглянутих вище умовах, при застосуванні спеціальних мерів їх лактонизация стає можливою. Такі умови полягають у видаленні води з сфери реакції для зсуву рівноваги управо і у використанні дуже низьких (нижче 0,01 міль/л) концентрацій субстрата для запобігання протіканню міжмолекулярної етерифікації. Цим шляхом був синтезований макроциклическии лактон рослинного походження тибетолид:

Аналогічно складним ефірам лужний гідроліз лактонів незворотній, тоді як в кислому середовищі у-гідроксикислоти знаходяться в рівновазі з лактонами. Найбільшу стійкість до гідролізу проявляють у-лактоны.

Лактони містяться в молоці і молочних продуктах, в мускусах — пахучих речовинах, ушляхетнюючих і фіксуючих запах парфюмерних композицій. Наприклад, макроциклическии лактон тибетолид входить до складу ефірного масла з коріння дуднику звичайного, або дягеля лікарського (Angelica archangelica L.).

Утворення лактидів

Лактидами називаються циклічні ефіри, побудовані з двох і більш за залишки гідроксикислот (необов’язково а-гідроксикислот).

а-Гідроксикислоти не здатні утворювати лактоны (тричленні а-лактоны взагалі не відомі). Проте при нагріванні цих кислот в результаті міжмолекулярної етерифікації утворюється димірний продукт, що легко перетворюється на стійкіший шестичленний циклічний диефір — лактид.

Назву лактидів включає корінь тривіальної латинської назви гідроксикислоти, суфікс -ид і умножаючий префікс ди-, три- і т. д., вказуючий число молекул, створюючих лактид.

По хімічних властивостях лактиди подібні до складних ефірів. При кип’яченні з водою або лугами вони легко гідролізуються.в гідроксикислоти. Гліколід і лактид при 150—220 °С у присутності каталізаторів перетворюються на лінійні полиэфіри — полігліколід і полілактид відповідно:

Сублімація і розкладання саліцилової кислоти.

Саліцилова кислота при нагріванні сублімується у вигляді білого нальоту на холодних стінках пробірки. Продовжують нагрівати не тільки дно пробірки, але і стінки вище рівня рідини, щоб пари кислоти проходили через нагріту зону. У результаті декарбоксилування кислоти утворюється фенол, який визначають за характерним запахом.

Видлений карбон (ІV) оксид при пропусканні через вапняну воду утворює білий осад кальцію карбонату.

 

Реакції саліцилової кислоти.

А. У пробірці з саліциловою кислотою спостерігають виділення бульбашок газу. У пробірці з фенолом видимих змін не спостерігають.

Б. Спостерігають появу інтенсивно фіолетового забарвлення.

При додаванні у пробірку рівного об’єму етанолу забарвлення комплексу зберігається, на відміну від хелатного комплексу фенолу з ферум (ІІІ) хлоридом.

В. У пробірці із саліциловою кислотлою, на ввідміну від бензой ної кислоти випадає осад білого кольору

При додаванні надлишку бромної води забарвлення осаду стає ясно-жовтим, що пов’язано з декарбоксилуванням і утворенням 2,4,6-трибромфенолу.

У фармацевтичній практиці ця реакція покладена в основу броматометричного методу визначення саліцилової кислоти.

 

Гідроліз ацетилсаліцилової кислоти.

Вміст пробірки, яка піддавалась нагріванню, набуває фіолетового забарвлення, що свідчить про наявність фенольного гідроксилу, котрий утворився в результаті гідролізу ацетилсаліциової кислоти.

 

Відношення моноаміномонокарбонових кислот до індикаторів.

Розчини моноаміномонокарбонових кислот мають нейтральну реакцію середовища, оскільки ці кислоти містять дві протилежні за своїм характером функціональні групи: карбоксильну, яка надає їм кислотних властивостей, і аміногрупу, яка надає їм основних властивостей. Отже, амінокислоти є амфотерними сполуками і існують у вигляді біполярних іонів (цвіттер-йонів).

Властивості аміноацетатної кислоти (гліцину):

 а) амфотерні властивості гліцину. Спостерігають за реакцією, яка супроводжується виділенням газоподібного продукту – карбон(ІV) оксиду. Отже, гліцин має кислотні властивості і вони сильніші, ніж у карбонатної кислоти.

Після цього досліджують взаємодію гліцину з хлоридною кислотою. Отже, аміноацетатна кислота (гліцин) має основні властивості (завдяки аміногрупам) і взаємодіє із хлоридною кислотою. Продуктом такої взаємодії є сіль – гідрогенхлорид гліцину.

б) утворення комплексної солі купрум(ІІ) аміноацетатної кислоти. При додаванні до одержаного розчину солі купрум(ІІ) аміноаміноацетату лугу осад купрум(ІІ) гідроксиду не утворюється, як це має місце в разі дії лугу на інші солі купруму. Отже, в разі взаємодії аміноацетатної кислоти з купрум(ІІ) оксидом утворюється не звичайна сіль купруму, а внутрішньокомплексна хелатна сполука, в якій атом купруму зв’язаний не тільки з атомом оксигену карбоксильної групи, а й з атомом нітрогену аміногрупи:

Такі внутрішньомолекулярні комплекси a-амінокислот з іонами купруму дуже стійкі і при дії лугів не розкладаються. Охолодження реакційної суміші призводить до поступового випадання в осад даної комплексної сполуки.

Сіль купрум (ІІ) аміноацетату можна добути також взаємодією аміноацеьаьної кислоти з купрум(ІІ) гідроксидом.

в) взаємодія гліцину з нітритною кислотою.  Спостерігають за інтенсивним виділенням бульбашок газу (азоту). До отвору пробірки підносять тліючу скалку. Вона гасне.

г) взаємодія аміноацетатної кислоти з формальдегідом.  Спостерігають, як жовте забарвлення розчину змінюється на червоне. Отже, середовище в реакційній суміші стало кислим. Це зумовлене тим, що формальдегід взаємодіє з аміногрупою молекули амінокислоти, зв’язує її, а карбоксильна група при цьому вивільняється і зумовлює кислу реакцію розчину.