Kwasy Karboksylowe

I Karboksylowe kwasy alifatyczne – tzw. tłuszczowe

grupa karboksylowa, złożona z grup
karbonylowej i hydroksylowej

Alifatyczne kw. karboksylowe znane były od dawna, gdyż wiele z nich
występuje w naturze np. kwas mrówkowy obecny jest w jadzie mrówek.

Związki te mają ogólny wzór CnH2n+1COOH

Kwasy karboksylowe noszą nazwy zwyczajowe.
Oczywiście mają również nazwy systematyczne. Wg. IUPAC tworzenie
nazw kwasów organicznych polega na dodaniu końcówki „owy” lub
„okarboksylowy” do nazwy wyjściowego węglowodoru posiadającego
taką samą ilość atomów C jak kwas.

Szereg homologiczny kwasów alifatycznych:

1. HCOOH – kw. metanowy (mrówkowy)
2. CH

3

COOH – kw. etanowy (octowy)

3. CH

3

CH

2

COOH – kw. propanowy (propionowy)

4. CH

3

CH

2

CH

2

COOH – kw. butanowy (masłowy)

5. CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

COOH - kw. pentanowy (walerianowy)

6. CH

3

(CH

2

)

4

COOH - kw. heksanowy (kapronowy)

7. CH

3

(CH

2

)

5

COOH – kw. heptanowy (enantowy)

8. CH

3

(CH

2

)

6

COOH – kw. oktanowy (kaprylowy)

9. CH

3

(CH

2

)

7

COOH – kw. nonanowy (pelargonowy)

10.

CH

3

(CH

2

)

8

COOH – kw. dekanowy (kaprynowy)

11.

CH

3

(CH

2

)

9

COOH – kw. undekanowy (undecylowy)

12.CH

3

(CH

2

)

10

COOH – kw. dodekanowy (laurynowy)

16.CH

3

(CH

2

)

14

COOH – kw. heksadekanowy (palmitynowy)

17.17. CH

3

(CH

2

)

15

COOH – kw. heptadekanowy (margarynowy)

18.

CH

3

(CH

2

)

16

COOH – kw. oktanodekanowy (stearynowy)

W nazwie systematycznej, miejsce przyłączenia podstawnika wskazuje
się cyfrą odpowiadającą kolejnemu numerowi atomu C w łańcuchu. Za
atom C-1 uważa się atom C grupy karboksylowej, np.

C

C

C

C

COOH

5

4

3

2

1

a

b

g

d

Nazwa systematyczna

Nazwa zwyczajowa

Izomeria pojawia się od kwasu butanowego:

CH

3

CH

2

CH

2

COOH (n-butanowy, masłowy)

C

H

3

CH

COOH

CH

3

lub (CH

3

)

2

CH-COOH (2-propanokarboksylowy,

izomasłowy)

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

COOH (n-pentanowy, walerianowy)

C

H

3

CH

CH

3

CH

2

COOH

(3-metylobutanowy, izowalerianowy)

C

H

3

C

CH

3

C

H

3

COOH

(2,2-dimetylopropanowy, piwalonowy,
trimetylooctowy)

C

H

3

CH

2

C

H

CH

3

COOH

(2-metylobutanowy, 2-butanokarboksylowy)

Kwasy karboksylowe zawierające od 1-4 atomów C w cząsteczce są
rozpuszczalne w wodzie. Kwas walerianowy rozpuszcza się częściowo.

Niższe kw. karboksylowe występują w formie asocjatów (nawet w fazie
gazowej), ponieważ grupa karboksylowa stwarza możliwość powstania 2
wiązań wodorowych.

C

O

O

H

H

H

O

O

C

R

R

Metody otrzymywania kwasów karboksylowych

Istnieje kilka metod ogólnych, oraz pewne specjalne metody np. do
otrzymywania, kwasów aromatycznych.

- utlenianie alkoholi I rz. do aldehydów a następnie kwasów

C

H

3

CH

2

CH

2

OH

propan-1-ol

KMnO

4

C

H

3

CH

2

C

H

O

KMnO

4

C

H

3

C

H

3

CH COOH

2-methylpropanoic acid

kwas izomaslowy

C

H

3

CH

C

H

3

CH

2

OH

KMnO

4

CH

3

C

H

3

CH

COOH

kwas izomaslowy

izobutanal

- hydroliza nitryli

C

H

3

CH

2

Cl

C

H

3

CH

2

CN

K C N

- K C l

cyjanek etylu

C

H

3

CH

2

CN

C

H

3

CH

2

C

OH

O

H

OH

C

H

3

CH

2

C

CH

3

O

- H

2

O

H

2

O , K O H

- N H

3

cyjanek etylu

kw propanowy

(W metodzie tej z niższych związków otrzymuje się kwasy wyższe)
Hydroliza nitryli jest głównie stosowana dla otrzymywania kwasów
aromatycznych.

CN

COOH

kw benzoesowy

benzonitryl

- utlenianie węglowodorów
Metoda ta jest również stosowana dla otrzymania kwasów
aromatycznych:

CH

3

COOH

utl

CH

3

COOH

K

2

Cr

2

O

7,

H

2

SO

4

CH

3

COOH

p-ksylen

kw o-ftalowy

- ze związków Gringarda z suchym lodem (CO2)

C

O

O

C

+

O

-

O

+

RMgI

R

C

O

OMgI

R

C

O

OH

+

MgOHJ

H

2

O

H

3

C

CH

2

HC

CH

3

Cl

M g

s u c h y e t e r

C

H

3

CH

2

CH

C

H

3

MgCl

zw Grignarda

C

O

O

+

C

H

3

CH

2

CH

C

H

3

MgCl

C

H

3

CH

2

CH

CH

3

C

O

OMgCl

H

2

O

C

H

3

CH

2

CH

CH

3

C

O

OH

+

MgOHCl

kw 2 - metylobutanowy

- reakcja Kocha (z alkenów)

C

H

2

CH

2

+

CO

+

O

H

2

C

H

3

CH

2

COOH

C u C l

2

l u b C o C l

2

2 0 0

-

4 0 0 �C , 7 0 0 a t m

Jest to katalityczne przyłączanie wody i tlenku węgla do olefin.

Mechanizm tej reakcji:

R

CH

CH

2

H

+

R

CH

CH

3

addycja protonu

+

R

CH

CH

3

+

+

C=O

(+)(-)

R

CH

C

H

3

C

+

O

karbokation

R

CH

C

H

3

C

O

+

karbokation

hh

H O H

R

CH

CH

3

C

O

O

+

H

H

- H

+

R

CH

CH

3

C

O

OH

kw izotluszczowy

- reakcja Arndt’a i Eistert’a

Reakcja pozwala otrzymać wyższe kwasy z niższych homologów.
Produktem wyjściowym nie są kwasy karboksylowe lecz ich chlorki, na
które działa się diazometanem.

R

C

Cl

O

+

C

H

2

-

N

+

N

R

C

Cl

O

CH

2

N

+

N

- H C l

R

C

O

CH

N

N:

produkt przejsciowy

- N

2

R

C

CH

O

..

R

CH

C

O

keten

H O H

R

CH

2

C

OH

O

Kwasowość kwasów karboksylowych

Dla kwasu karboksylowego i jego anionu, można narysować po 2
struktury:

R

C

O

OH

R

C

O

-

OH

+

I nierownowazne z II

H

+

+

R

C

O

O

-

R

C

O

-

O

III rownowazne z IV

Zarówno cząsteczka kwasu jak i anion, są hybrydami rezonansowymi.
Znacznie bardziej stabilne są równoważne struktury III i IV. W związku z
tym stabilizacja jest większa dla anionu niż dla kwasu, co w konsekwencji
prowadzi do wzrostu jonizacji i zwiększenia wartości Ka.
Oznacza to, że rezonans w przypadku kwasu ma mniejsze znaczenie gdyż
struktury graniczne znacznie różnią się trwałością.
W przypadku jonu równoważne struktury wykazują taką samą trwałość.
Całkowita równocenność tych struktur oznacza, że oba skrajne położenia
elektronów są jednakowo prawdopodobne, czyli że delokalizacja jest
całkowita.
Kwasowość kwasów karboksylowych jest więc spowodowana silną
stabilizacją ich anionu przez rezonans.

Budowa grupy karboksylowej

Grupa karboksylowa jest płaska. (rentgenografia, dyfrakcja elektronów)

C

O

O

H

W niezdysocjowanej cząsteczce kwasu, w grupie karboksylowej istnieją
2 wiązania pomiędzy C i O: –C=O (0,124nm) i –C-OH (0,143nm) o
różnej długości.

Natomiast w anionach kwasów karboksylowych, wiązania C-O mają
jednakową długość 0,126nm. Wyrównanie długości wiązań oznacza, że
dysocjacja zaciera różnice między atomami O, czyli, że są one połączone
w jednakowy sposób z atomem C. Stan taki jest możliwy, gdy ujemny
ładunek anionu jest jednakowo rozdzielony na obu atomach O.

C

O

OH

0,124nm

0,143nm

C

O

+

O

+

0,126nm

0,126nm

Reakcje chemiczne kwasów karboksylowych

W obrębie grupy funkcyjnej:

I - wymiana H; sole
II - podstawienie grupy hydroksylowej; estry,
amidy, chlorki kwasowe, bezwodniki
III - reakcje w obrębie grupy karbonylowej;
alkohole
IV - wymiana grupy karboksylowej; halogenki
alkilowe

Sole powstają w reakcji kwasów metali lub zasad z kwasami

2CH

3

COOH + Zn  (CH

3

COO)

2

Zn + H

2

RCOOH + NaOH  RCOONa +H

2

O

RCOOH +NH

4

OH  RCOONH

4

+ H

2

O

Wiele soli kwasów organicznych ma praktyczne zastosowanie np. octany
glinu i żelaza hydrolizując w gorącej wodzie, tworzą zasadowe octany,
stosowane jako sole zaprawowe do barwienia tkanin. Benzoesan sodu
służy jako środek konserwujący. Sole sodowe wyższych kwasów
tłuszczowych są mydłami.

C

15

H

31

COOH + NaOH  C

15

H

31

COONa +H

2

O (palmitynian sodowy)

Sole sodowe i potasowe są w wodzie rozpuszczalne. Powyżej C=22 stają
się trudno rozpuszczalne. Zasada działania mydła polega na właściwej
orientacji hydrofilowego kationu i hydrofobowego łańcucha alkilowego w
zależności od środowiska.

Mydła otrzymuje się w procesie zmydlania tłuszczów.
Tłuszcze są to estry kwasów tłuszczowych i gliceryny.

CH

2

C

H

CH

2

OOC

COO

COO

C

17

H

35

C

17

H

35

H

35

C

17

+

3NaOH

3C

17

H

35

COONa

+

CH

2

CH

CH

2

O

H

OH

O

H

tluszcz (gliceryd)

reakcja zmydlania

stearynian sodu (mydlo)

gliceryna

h y d r o f o b o w e

w n e t r z e m i c e li

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

COO

-

Na

+

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

Schematyczny
przekrój miceli
soli sodowej
kwasu
tłuszczowego w
roztworze
wodnym.

W wyniku reakcji podstawienia grupy hydroksylowej powstają chlorki

kwasowe, bezwodniki, estry i amidy.

Charakter zasadowy grup podstawiających grupę –OH w kwasach:
–Cl
–RCOO
–OR
-NH2
Cechą charakterystyczna związków acylowych, (kwasów karboksylowych i

ich

pochodnych) jest substytucja nukleofilowa, podczas której grupy –OH, -Cl,

-RCOO,

-OR i -NH2 zostają zastąpione innymi grupami o charakterze zasadowym.

Związki acylowe wykazują pewne podobieństwo do aldehydów i ketonów,

ponieważ posiadają grupę karbonylową.

Obecność grupy karbonylowej w związkach acylowych powoduje, że są one

podatne na atak nukleofilowy.

Występuje tu jednak pewna różnica:
W reakcji aldehydu lub ketonu tetraedryczny produkt przejściowy

przyjmuje proton, co w rezultacie prowadzi do addycji.

W reakcji zwązków acylowych, tetraedryczny produkt przejściowy,

odszczepia grupę W prowadząc do substytucji. (powstaje związek o
budowie trygonalnej).

R

C

O

R'

+

:Z

R

C

O

-

R'

Z

H

+

R

C

OH

R'

Z ADDYCJA (aldehydy + ketony)

R

C

O

W

:Z

+

R

C

O

-

W

Z

R

C

O

Z

+

:W

SUBSTYTUCJA (zw acylowy)

W= X

-

,ROO

-

,OR

-

,NH

-

2

Metody otrzymywania chlorków kwasowych

(bromki i jodki są również znane, ale nie mają znaczenia praktycznego)

3R-COOH + PCl

3



R

C

O

Cl

3

+

H

3

PO

3

R-COOH + PCl

5



R

C

O

Cl

+

POCl

3

+

HCl

R-COOH + SOCl

2



R

C

O

Cl

+

SO

2

+

HCl

R-COOH + SO

2

Cl

2



R

C

O

Cl

+

SO

3

+

Cl

H

Chlorki kwasowe są używane jako środki acylujące (acetylujące), gdyż
reagują z dawcami elektronów.

Są to najbardziej reaktywne pochodne kwasów karboksylowych. Ulegają
reakcji substytucji nukleofilowej, a słabo zasadowy charakter grupy –Cl,
pozwala na natychmiastowe podstawienie jej inna zasadą.
Reaktywność chlorków kwasowych wyraża się w przemianach
zachodzących przy karbonylowym (acylowym) atomie C oraz w jego
bezpośrednim sąsiedztwie.

C

C

H

O

Cl

C

C

Cl

OH

- H

+

C

C

Cl

O

-

C

-

C

Cl

O

stabilizowany anion enolu

W przypadku chlorków kwasowych jedyną reakcją wykorzystującą
reaktywność C- α
jest reakcja bromowania metodą Hella, Volharda i Zielińskiego:

Wiązanie C-H w pozycji α chlorków jest reaktywne, ponieważ istnieje
możliwość powstania form enolowych, których aniony są stabilizowane
przez mezomeryczną delokalizację ładunku.

R

C

H

C

H

O

Cl

miejsca reaktywne

(a)

Okazuje się, że szczególną rolę odgrywa tu fosfor, który reagując z Br2
tworzy PBr3 a ten przekształca kwas karboksylowy w jego bromek.

3R-CH

2

-COOH + PBr

3



R

CH

2

C

O

Br

+

H

3

PO

3

3

R

CH

2

C

O

Br

+

Br Br

R

C

H

C

O

Br

Br

H O H

R

C

H

C

O

O

H

Br

R

CH

2

COOH

+

Br Br

P

R

CH

COOH

Br

+

Br

H

Substytucja nukleofilowa w chlorkach kwasowych

1) Przemiana w kwasy i ich pochodne:

Analogicznie przebiega reakcja z aniliną, w wyniku której powstają anilidy

- H C l

chlorek acetylu

acetanilid

C

H

3

COCl

+

H

2

NC

6

H

5

CH

3

CH

2

CH

2

CONH

2

2) Redukcja do aldehydów (reakcja Rosenmunda)

3) Acylowanie metodą Friedela – Craftsa

4) Reakcja ze związkami Grignarda

reakcje można prowadzić dalej:

C

H

3

C

O

CH

3

+

C

H

3

Mg

Cl

C

H

3

C

CH

3

C

H

3

O

Mg

Cl

H O H

- M g C l

2

OH

C

H

3

C

CH

3

CH

3

2 - metylopropanol -

2 (alkohol)

Ze względu na dużą reaktywność chlorków kwasowych, częściej
stosuje się słabszy związek metaloorganiczny CH3CdCl, nie
reagujący z ketonami.

Metody otrzymywania bezwodników kwasowych

Teoretycznie można je otrzymywać przez odszczepienie cząsteczki H

2

O z

kwasu.

O

C

H

3

C

OH

O

O

H

C

CH

3

- H

2

O

O

O

CH

3

C

O

C

CH

3

bezwodnik octowy

ale można :

O

C

H

3

C

OH

O

O

H

C

C

3

H

7

- H

2

O

O

O

CH

3

C

O

C

C

3

H

7

bezwodnik mieszany

Praktyczne metody otrzymywania bezwodników

O

C

H

3

C

Cl

O

O

CH

3

C

O

C

CH

3

bezwodnik octowy

+

NaOOCCH

3

- N a C l

z ketenu, otrzymywanego z bromków bromokwasów

C

H

2

C

Br

O

Br

+

Zn

- Z n B r

2

C

H

2

C

O

lub

keten

C

H

3

COOH

A l P O

4

- H

2

O

C

H

2

C

O

keten

C

H

2

C

O

+

C

H

3

COOH

- H

2

O

O

O

CH

3

C

O

C

CH

3

Przemysł stosuje bardzo ekonomiczne metody otrzymywania
bezwodnika octowego oparte na acetylenie:

C

H

CH

+

HOOCCH

3

s o l e H g

C

H

2

CHOOCCH

3

acetylen

lod kw octowy

octan winylu

C

H

3

C

H

OOCCH

3

OOCCH

3

dioctan etylidenu

C

H

3

C

H

OOCCH

3

OOCCH

3

Z n C l

2

d e s t y l

C

H

3

C

O

H

aldehyd octowy

+

O

COCH

3

CH

3

CO

bezwodnik octowy

Bezwodnik octowy używany jest w przemyśle jako odczynnik do
acylowania. Największe jego ilości zużywa przemysł produkujący
acetylocelulozę, z której otrzymuje się sztuczny jedwab.

Bezwodniki ulegają takim samym reakcjom jak chlorki kwasowe, choć z
dużo mniejszą szybkością.

Podobnie jak chlorki kwasowe ulegają reakcjom substytucji, a słaby
charakter zasadowy grupy –RCOO pozwala na zastąpienie jej inną zasadą.
Ich reaktywność jest następstwem obecności grupy karbonylowej oraz jej
bliskiego sąsiedztwa.

O

O

H

R

C

H

C

O

C

R

miejsca reaktywne

a

Jedyną reakcją wykorzystującą reaktywność C α w bezwodnikach jest
kondensacja Perkina. Bezwodnik kondensując ze związkiem
karbonylowym daje produkt o rozbudowanym szkielecie węglowym.

C

O

H

+

O

O

CH

3

C

O

C

CH

3

*

a

C H

3

C O O N a

- C H

3

C O O H

CH

CH COOH

aldehyd benzoesowy bezwodnik octowy

kwas cynamonowy

Substytucja nukleofilowa w bezwodnikach kwasowych

- przemiana w kwasy i ich pochodne

(hydroliza)

(RCO)

2

O + HOH  2RCOOH

(CH

3

CO)

2

O + HOH  2CH

3

COOH (kwas octowy)

(alkoholiza)

(RCO)

2

O + R'OH

- R C O O H

RCOOR'

(CH

3

CO)

2

O + HOCH

2

CH

3

CH

3

COOCH

2

CH

3

ester

(amonoliza)

(RCO)

2

O + NH

3

RCONH

2

(CH

3

CO)

2

O + NH

3

- C H

3

C O O H

- R C O O H

CH

3

CONH

2

amid

(CH

3

CO)

2

O

+

N

H

2

C

6

H

5

- C H

3

C O O H

CH

3

CO - NHC

6

H

5

acetanilid

Bezwodniki podobnie jak chlorki reagują z aniliną:

Acylowanie metodą Friedela –Craftsa.

Kondensacja bezwodników ze związkami karbonylowymi

Najprostszym przykładem reakcji Perkina jest otrzymywanie kwasu
cynamonowego z aldehydu benzoesowego i bezwodnika octowego w
obecności octanu potasowego:

C

O

H

+

(CH

3

CO)

2

O

C H

3

C O O K

1 7 0 �C , 5 H

C

C

H

H

COOH

+

CH

3

COOH

kwas trans - cynamonowy (60%)

Jest to reakcja typu kondensacji aldolowej, której pierwszym etapem
jest utworzenie karboanionu z bezwodnika pod wpływem obecnego w
układzie (w postaci soli) anionu kwasu octowego. Karboanion przyłącza
się następnie do grupy karbonylowej aldehydu, po czym następuje
szereg przemian, prowadzących do powstania kwasu cynamonowego.
Pełny mechanizm reakcji Perkina przedstawia schemat:

CH

3

COO

+

C

H

3

C

O

C

CH

3

O

O

CH

3

COOH

+

C

H

2

-

C

O

C

CH

3

O

O

O

H

5

C

6

C

H

+

C

H

2

-

C

O

C

CH

3

O

O

C

6

H

5

C

H

C

H

2

C

O

O

C

O

-

O

C

H

3

C

H

3

C

O

-

O

O

CH

C

CH

2

O

H

5

C

6

O

CH

3

C

O

CH

CH

2

C

O

O

-

H

5

C

6

H

+

CH

3

COO

CH

2

C

O

OH

CH

C

6

H

5

Powstały produkt, będący zestryfikowanym przy grupie OH kwasem 2-
fenylo-2-hydroksypropionowym, ulega następnie eliminacji z wydzieleniem
cząsteczki kwasu octowego i utworzenia kwasu cynamonowego:

CH

3

COO

CH

2

C

O

OH

CH

C

6

H

5

CH

3

COOH

+

H

5

C

6

CH CH

C

O

OH

Metody otrzymywania estrów

RCOOH + HOR'

- H

2

O

RCOOR' (estryfikacja)

RCOCl + HOR'

- H C l

RCOOR'

(RCO)

2

O + HOR'

RCOOR'

- R C O O H

I

II

III

Reakcje chlorków i bezwodników prowadzące do estrów zachodzą
również z fenolami.

IV reakcja Arndt’a i Estert’a:

RCOOH + CH

2

N2  RCOOCH

3

+ N

2

(skuteczna metoda otrzymywania estrów metylowych)

V Transestryfikacja (alkoholiza estrów)
Metoda służy do otrzymywania estrów z estrów bardziej dostępnych.
Jest szeroko stosowana w przemyśle, np. przy produkcji elany.

O

R

C

O

R'

+

HOR"

H

+

l u b O H

-

R

C

O

O

R"

+

R'OH

Mechanizm transestryfikacji jest całkowicie zbieżny z mechanizmem
estryfikacji, ze względu na to, że procesy są podobne. Transestryfikacja
jest procesem odwracalnym, z wyjątkiem transestryfikacji dioli (glikoli).

VI Reakcja Tiszczenki
Reakcja polega na przekształcaniu aldehydów w estry w obecności
alkoholanów glinu. Jest to reakcja analogiczna do reakcji Canizzaro, gdyż
polega na dysproporcjonowaniu aldehydów do alkoholi i kwasów.

C

H

3

C

O

H

( C H

3

C H

2

O )

3

A l

O

C

H

3

C

O

CH

2

CH

3

octan etylu

VII Estryfikacja wewnątrzcząsteczkowa

Reakcja charakterystyczna dla hydroksykwasów, które tracąc wodę, tworzą
cykliczny ester – lakton.

R

CH

OH

CH

2

CH

2

COO

-

Na

+

H

+

- H

2

O

O

CH

2

CH

2

CH

O

C

R

p - lakton

sol p - hydroksykwasu

Reakcje estrów
Podobnie jak wcześniej omawiane pochodne kwasów, estry ulegają
reakcji substytucji nukleofilowej.
Wobec odczynników nukleofilowych, estry są mniej reaktywne od
chlorków i bezwodników kwasowych.
Zmniejszona reaktywność grupy karbonylowej estrów, widoczna
zwłaszcza gdy porównuje się estry z ketonami, jest wynikiem sprzężenia
wolnej pary elektronów eterowego atomu O z wiązaniem podwójnym
C=O. Sprzężenie to utrudnia powstanie ładunku dodatniego na acylowym
atomie C.

C

O

C

+

O

-

struktury graniczne

grupy karbonylowej

w aldehydach i ketonach

C

O

C

+

O

-

struktury graniczne grupy estrowej

Dlatego też reakcje substytucji nukleofilowej przeprowadza się niekiedy w
obecności kwasu. W reakcjach katalizowanych przez kwas, proton
przyłącza się do atomu O grupy karbonylowej, wskutek czego atom C tej
grupy staje się bardziej podatny na atak odczynnika nukleofilowego.

C

O

R

R

O

+

H

+

C

+

O

R

R

OH

C

C

O

C

O

a

a

Miejsca reaktywne
w grupie estrowej

C

R

OH

O

H

Cl

: :

C

R

OH

OH

+

O

H

R'

:**

:

CH

O

H

R

OH

O

+

R'

H'

CH

O

H

R

OR'

O

+

H

H

:OH

2

**

C

R

OR'

O

+

O

H

3

+

Protonowanie karbonylowego atomu
tlenu
Aktywuje kwas karboksylowy...

..na nukleofilowy atak alkoholu, co
prowadzi
do tetraedrycznego produktu pośrednieg.

Przeniesienie protonu z jednego atomu tlenu
na drugi daje drugi tetraedryczny produkt
pośredni
i przekształca grupę OH w grupę łatwo
opuszczającą

Utrata protonu regeneruje katalizator
kwasowy
i prowadzi do produktu estrowego

Rysunek przedstawia mechanizm reakcji estryfikacji Fishera. Reakcja
stanowi katalizowaną kwasem substytucję nukleofilową grupy acylowej
kwasu karboksylowego.

Podczas ogrzewania estru z wodnym roztworem kwasu lub zasady, ester
ulega hydrolizie do kwasu karboksylowego i alkoholu lub fenolu.
W przypadku hydrolizy zasadowej, kwas otrzymuje się w postaci soli, z
której może być wyparty wskutek dodania mocnego kwasu mineralnego.
Hydroliza zasadowa jest procesem zasadniczo nieodwracalnym, gdyż sól
kwasu wykazuje małą skłonność do reakcji z alkoholem.
W środowisku zasadowym, nukleofilem atakującym acylowy atom C, jest
anion –OH.

Mechanizm hydrolizy zasadowej estru:

R

C

O

O

R

+

O

H

-

C

O

H

O

-

O

R

R

C

H

3

C

O

OH

+

R

O

-

R

C

O

-

O

+

R

OH

anion kwasu

Hydroliza stanowi przykład reakcji substytucji
nukleofilowej.

Hydroliza zasadowa zwana jest potocznie zmydlaniem.

Procesem odwrotnym do estryfikacji jest hydroliza kwasowa. Mocne
kwasy nieorganiczne zwiększają podatność estrów na hydrolizę, na skutek
protonowania atomu O grupy karbonylowej, dzięki czemu zwiększają
podatność atomu C tej grupy na atak nukleofilowy.
W reakcji hydrolizy kwasowej, nukleofilem atakującym acylowy atom C,
jest cząsteczka wody.

Mechanizm hydrolizy kwasowej estrów:

R

C

O

O

R

+

H

+

R

C

+

OH

O

R

z kwasu

R

C

+

OH

O

R

+

O

H

2

R

C

OH

O

R

OH

2

+

R

C

OH

O

+

H

O

H

R

R

C

+

OH

OH

+

ROH

-H

+

R

C

O

OH

kwas

Inne przykłady podstawienia nukleofilowego w estrach:

RCOOR' + NH

3

RCONH

2

+ R'OH (amonoliza)

CH

3

COOC

2

H

3

+ NH

3

- C

2

H

5

O H

CH

3

CONH

2

(acetamid)

- transestryfikacja, czyli alkoholiza

RCOOR' + R"OH

k w l u b z a s

RCOOR" + R'OH

C

H

2

CH C

O

O

CH

3

+

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

OH

O

CH

2

C

H

C

O

CH

2

C

H

2

CH

2

CH

3

+

C

H

3

OH

akrylan metylu

butanol

akrylan butylu

- reakcja ze związkami Grignarda

ROOR' + 2R"MgX

C

OH

R

R'

R"

alkohol III rz

CH

3

CH

2

CH

2

COOC

2

H

5

+

2CH

3

MgJ

C

H

3

CH

2

CH

2

C

CH

3

OH

C

2

H

5

maslan etylu

jodek metylomagnezowy

2 - metylo - 2 pentan

- redukcja estrów do alkoholi.
Metoda służy do otrzymywania wyższych alkoholi z tłuszczów.

CH

3

(CH

2

)

14

COOC

2

H

5

L i A l H

4

CH

3

(CH

2

)

14

CH

2

OH

+

C

2

H

5

OH

palmitynian etylu

1 - heksadekanol

Reakcje z udziałem C



w estrach

Grupa karbonylowa, prócz specyficznych właściwości w jej obrębie,
wpływa na najbliższe sąsiedztwo, zwiększając kwasowość atomów
wodoru przy sąsiednim atomie C. W wyniku jonizacji atomu wodoru a,
powstaje karboanion, który jest hybrydą rezonansową następujących
struktur:

:C

-

C

H

+

:O:

C

C

:O

-

:

**

karboanion

Zwiększona kwasowość atomów H przy węglu a jest przyczyną licznych
reakcji.

Są to reakcje typu kondensacji aldolowej, polegającej na ataku
karboanionu na grupę karbonylową. We wszystkich przypadkach,
karboanion powstaje w ten sam sposób, a mianowicie w wyniku
oderwania przez zasadę atomu H, zajmującego położenie a w stosunku
do grupy karbonylowej.

Typowym przykładem reakcji z udziałem C α w estrach jest kondensacja
Claisena:
Kondensujące ze sobą cząsteczki estru, prowadzą do rozbudowy szkieletu
węglowego

2CH

3

COOC

2

H

5

C

2

H

5

O N a

( z a s )

C

H

3

C

O

CH

2

COOC

2

H

5

+

C

2

H

5

OH

ester eylowy kw acetylooctowego

octan etylu

Mechanizm reakcji jest następujący:
Zasada, którą jest etanolan sodowy, reagując z estrem tworzy anion
estru

C

2

H

5

O

-

+

C

H

3

C

O

O

C

2

H

5

C

2

H

5

OH

+

C

H

2

-

C

O

O

C

2

H

5

C

H

3

C

O

O

C

2

H

5

+

C

H

2

-

C

O

O

C

2

H

5

CH

3

C

O

CH

2

C

O

O

C

2

H

5

+

C

2

H

5

O

-

ketonoester

Innym typem kondensacji aldolowej, jest kondensacja estrów z ketonami.
Produktem kondensacji są β-diketony:

O

O

C

2

H

5

+

*CH

3

C

O

(a)

C

2

H

5

O N a

O

C

O

CH

2

C

benzoesan etylu

acetofenon

diketon (dibenzoilometan)

Możliwa jest również, wspomniana przy bezwodnikach kwasowych,
kondensacja Perkina:

C

O

H

*CH

3

C

O

O

C

2

H

5

(a)

+

C

2

H

5

O N a

- H

2

O

CH

CH

COOC

2

H

5

cynamonian etylu

octan etylu

benzaldehyd

Występowanie w przyrodzie i znaczenie estrów

Grupa estrowa jest często spotykanym elementem budowy produktów
naturalnych, pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Obok estrów kwasów
karboksylowych, w przyrodzie występują także estry kwasu siarkowego i
fosforowego. Szczególne znaczenia mają estry kwasu fosforowego, do
których należą kwasy nukleinowe.
Naturalne estry kwasów karboksylowych można podzielić na kilka grup:
są to esencje owocowe i kwiatowe, woski, tłuszcze proste i ich fosforowe
pochodne tzw. fosfoglicerydy (woski, glicerydy i fosfoglicerydy noszą
ogólną nazwę lipidów).
Większość estrów naturalnych charakteryzuje się przyjemnym zapachem
np. octan oktylu – zapach pomarańczy, octan benzylu – zapach jaśminowy,
walerian izoamylu – zapach jabłek.

Przemysł stosuje wiele estrów jako środki zapachowe lub esencje do ciast.
Pewne estry są stosowane jako detergenty, np. proszek IXI, jest estrem
alkoholu laurynowego i kwasu siarkowego.

C

12

H

25

OH + HOSO

3

H

C

12

H

25

OSO

3

H

gdy podstawi sie Na, rosnie rozpuszczalnosc

Triazotan gliceryny znany jest jako nitrogliceryna – materiał wybuchowy.

Pierwszym handlowo dostępnym wybuchowym materiałem kruszącym
była nitrogliceryna, otrzymana w 1847 roku w reakcji gliceryny z kwasem
azotowym, w obecności kwasu siarkowego:

Zgodnie z oczekiwaniem, reakcja ta była niezwykle niebezpieczna.

W 1865 roku, szwedzki chemik Alfred Nobel sukcesem zakończył
poszukiwania bezpiecznej metody otrzymywania nitrogliceryny i
wprowadził ją na rynek jako znacznie bezpieczniejszy środek wybuchowy
o nazwie dynamit.
Współczesny dynamit przemysłowy stosowany w kamieniołomach i przy
przygotowaniu podkładów drogowych jest mieszaniną azotanu amonu i
nitrogliceryny zaabsorbowanej na ziemi okrzemkowej.

Wszystkie materiały wybuchowe stosowane w postaci wypełnienia do
bomb lub do amunicji muszą wykazywać małą czułość na wstrząs
spowodowany odpaleniem. Muszą też wykazywać dobrą trwałość w trakcie
długoterminowego przechowywania. TNT (trinitrotoluen), HMX (środek
wybuchowy Jej Wysokości, z ang. His Majesty’s eXplosive) i RDX (środek
wybuchowy ośrodka badawczego – z ang. Research Department eXplosive)
są najpopularniejszymi militarnymi materiałami silnie wybuchowymi. RDX
jest również preparowany z woskami lub syntetycznymi polimerami, dając
tzw. plastikowe materiały wybuchowe, często stosowane przez terrorystów.

CH

3

NO

2

O

2

N

NO

2

N

N

N

N

NO

2

NO

2

O

2

N

O

2

N

N

N

N

NO

2

NO

2

O

2

N

TNT

HMX

RDX

Tłuszcze zwierzęce i roślinne dzieli się na stałe i ciekłe. Do stałych
tłuszczów zwierzęcych należą: smalec i łój a tran rybi stanowi przykład
tłuszczu ciekłego. Wśród stałych tłuszczów roślinnych wymienić należy
oleje palmowy i kokosowy oraz margarynę a wśród ciekłych: oliwę, olej
rzepakowy, olej słonecznikowy, itd.
Margaryna i olej rzepakowy zawierają rakotwórczy kwas erukowy.

CH

3

(CH

2

)

7

CH=CH(CH

2

)

11

COOH

Prócz znaczenia w życiu człowieka, tłuszcze (glicerydy) są surowcami dla
przemysłu. Są one podstawą produkcji pokostu, farb olejnych, lakierów,
mydła, świec. Niektóre gatunki są używane jako smary.
Z mniej energetycznych tłuszczów roślinnych, złożonych głownie z
glicerydów kwasów nienasyconych otrzymuje się tłuszcze stałe w procesie
utwardzania.

C

3

H

5

(OOCC

17

H

33

)

3

H '

2

N i

C

3

H

5

(OOC

17

H

35

)

3

tristearynian

Woski są również estrami wyższych kwasów tłuszczowych i wyższych
alkoholi zawierającymi dodatek wolnych kwasów (tym różnią się od
kwasów), np. wosk pszczeli jest palmitynianem mircylowym
C

17

H

31

COOC

30

H

61

z domieszką kwasu cerotynowego C

25

H

51

COOH.

Wosk służy do wyrobu świec kościelnych i pasty do podłóg.
Innym typem wosku jest lanolina, otrzymywana jako surowiec odpadowy
przy myciu wełny owczej. Stosowana jest w przemyśle kosmetycznym.

Metody otrzymywania amidów kwasowych

1.RCOOH + NH

3

RCONH

2

(m. teoretyczna)

2. RCOOH + R'NH

2

- R 'O H

- H

2

O

3. RCOOCl + NH

3

4. (RCO)

2

O + NH

3

5. RCOOR' + NH

3

6. RCOONH

4

+ NH

3

- H C l

- R C O O H

- R O H

o g r z

- H

2

O

RCONH

2

RCONH

2

RCONH

2

RCONH

2

RCONH

2

Pewne znaczenie przemysłowe posiada synteza amidów z oksymów,
znana jako przegrupowanie Beckmanna.

Reakcja ta zachodzi pod wpływem silnych kwasów protonowych lub
pod wpływem odczynników typu PCl

5

.

7.

C

N

OH

R

R

H

+

C

NH R

O

R

oksym

przegrupowanie

Metoda wykorzystywana jest do otrzymywania kaprolaktamu, surowca do
syntezy włókien poliamidowych.

Przemysłowa produkcja kaprolaktamu polega na przegrupowaniu
Beckmanna oksymu cykloheksanonu.

N

OH

H

2

S O

4

NH

O

kaprolaktan

oksym cykloheksanonu

8. Mocznik otrzymuje się z CO

2

i NH

3

CO

2

NH

3

H

2

N - COONH

4

karbaminian amonu

- H

2

O

N

H

2

C

O

NH

2

+

Reakcje amidów kwasowych

Ze względu na zasadowy charakter grupy –NH

2

, amidy kwasowe są

mało reaktywne i tylko w ostrych warunkach zachodzi substytucja
nukleofilowa przy acylowym atomie C. Charakterystyczną cechą
amidów jest brak reaktywności wiązań C-H w położeniu α w
stosunku do grupy –CO oraz pewna reaktywność wiązania N-H.

O

C

N

miejsca reaktywne

W budowie grupy amidowej, znaczną rolę
odgrywa sprzężenie wolnej pary elektronów
atomu N z podwójnym wiązaniem grupy
karbonylowej, wyrażające się w powstawaniu
zdelokalizowanych orbitali, które można
przedstawić strukturami granicznymi:

O

C

N

O

-

C

N

+

Reakcje podstawienia nukleofilowego w amidach kwasowych

1. Hydroliza amidów
Amidy wszystkich typów (RCONH2,RCONHR i RCONR2 oraz imidy), ulegają

hydrolizie kwasowej i zasadowej do amoniaku lub amin i kwasów.

Mechanizm hydrolizy amidów jest analogiczny do hydrolizy estrów.

W hydrolizie kwasowej, nukleofilem atakującym wiązanie amidowe jest

woda.

Hydroliza kwasowa amidów jest nieodwracalna, ponieważ w ostatnim

etapie powstaje jon amoniowy pozbawiony właściwości nukleofilowych.

R

C

O

NH

2

+

H

+

R

C

+

OH

NH

2

R

C

+

OH

NH

2

+

O

H

2

R

C

OH

NH

2

OH

2

+

R

C

OH

NH

3

+

OH

C

H

3

C

O

OH

+

NH

4

+

kwas

W hydrolizie zasadowej amidów, współdziałają ze sobą jony OH- i
cząsteczki H

2

O. Reakcja zaczyna się od ataku nukleofilowego jonu OH- na

acylowy atom C, po czym następuje odłączenie protonu, a powstały
dianion reaguje z H

2

O.

Redukcja amidów za pomocą LiAlH

4.

LiAlH

4

redukuje amidy do amin o tej samej liczbie

atomów C.

R

C

O

NR'

2

+

LiAlH

4

2

2R - CH

2

NR'

2

+ LiAlH

4

H

5

C

2

C

O

NH

2

+

LiAlH

4

C

6

H

5

CH

2

NH

2

+ LiAlO

2

benzyloamina

2. Dehydratacja amidów

Pod wpływem środków odwadniających np. Pb

2

O

5

lub SOCl

2

, amidy tracą

H

2

O i przechodzą w nitryle

R

C

O

NH

2

P b

2

O

5

- H

2

O

R - CN (nitryl)

3. Degradacja amidów Hofmana (reakcja podbrominowa)

Metoda służy do otrzymywania amin I rz. o krótszym łańcuchu
węglowym w stosunku do łańcucha wyjściowego amidu

R

C

O

NH

2

R - NH

2

+ CO

2

( C l O

-

) B r O

-

, O H

-

Mechanizm reakcji jest złożony, ponieważ w jej trakcie następuje
przegrupowanie podstawnika R od karbonylowego atomu C do amidowego
atomu N.
Podbromin reaguje w roztworze wodnym jak mieszanina kwasu
podbromowego i wodorotlenku sodu.

NaOBr + HOH

NaOH + HOBr(kwas podbromowy)

O

C

H

3

C

NH

2

H O B r

- H

2

O

O

C

H

3

C

NH

Br

O H

-

- H

2

O

O

C

H

3

C

N

-

Br

- B r

-

O

C

N

R

H

2

O

RNH

2

+ CO

2

amina

Przemiana w imidy

Imidy są to związki, w których atom N połączony jest

z 2 grupami karbonylowymi.

C

C

O

O

O

2 N H

3

CONH

2

COO

-

NH

+

4

(COOH)

C

O

NH

2

COOH

aminokwas

C

O

NH

2

COOH

o g r z

-

H

2

O

C

C

NH

O

O

ftalimid

Do amidów należy również zaliczyć kwasy hydroksamowe, hydrazydy i
azydki kwasowe, ponieważ zawierają one charakterystyczną grupę:

C

O

N

C

H

3

C

O

NH

OH

kwas acetohydroksamowy

O

CH

3

C

H

2

C

NH

NH

2

hydrazyd kw propionowego

H

5

C

6

C

O

N

N

2

azydek benzoilu

Hydrazydy powstają w reakcji chlorków kwasowych lub estrów z
hydrazyną.

C

H

3

C

O

Cl

+

N

H

2

NH

2

C

H

3

C

NH

NH

2

O

hydrazyd (wl red)

hydrazyna

Azydki kwasowe powstają w reakcji hydrazydów z kwasem azotowym
(III).

C

H

3

C

NH

NH

2

O

hydrazyd (wl red)

+

HONO

- 2 H

2

O

O

R

C

NH

N

NH

azydek kwasowy

Kwasy hydroksamowe powstają z chlorków kwasowych lub amidów pod
działaniem hydroksyloaminy:

R

C

Cl

O

+

N

H

2

OH

hydroksyloamina

- H C l

R

C

NH

O

OH

kwas hydroksamowy

Kwasy hydroksamowe pod wpływem silnych kwasów ulegają
przegrupowaniu Lossena do amin.

R

C

NH

O

OH

kwas hydroksamowy

k w h i g r o s k o p i j n y

- H

2

O

R

N

C

O

izocyjanian

+ H

2

O

C

H

3

NH

2

+

CO

2

amina

W obrębie grupy karbonylowej kwasu karboksylowego możliwa jest tylko
1 reakcja polegająca na jej redukcji do –CH

2

-.

C

11

H

23

COOH

kw laurynowy

H

2

/ N i

2 0 0 - 3 0 0 A t m

C

11

H

23

CH

2

OH

alkohol laurynowy

Grupę karboksylową można zastąpić grupą karbonylową. Sucha
destylacja soli wapniowych kwasów organicznych prowadzi do ketonów
lub aldehydów:

CH

3

- COO

CH

3

- COO

Ca

octan wpania

o g r z

C

H

3

C

C

H

3

O

+

CaCO

3

aceton

Grupą karboksylową można zastąpić także chlorowcem (Br lub J) w
reakcji Hansdieckera:

R

-

COOAg + Br

2

C C l

4

R - Br + CO

2

+ AgBr

WĘGLOWODANY

Węglowodany ogólnie klasyfikuje się w dwóch grupach: węglowodany
proste i złożone.
Cukry proste, albo monosacharydy, są to węglowodany, takie jak glukoza
i fruktoza, których nie da się przekształcić w procesie hydrolizy w
mniejsze cząsteczki.
Cukry złożone składają się z co najmniej dwóch cukrów prostych
połączonych ze sobą, na przykład, sacharoza - cukier stołowy, jest
disacharydem (dwucukrem), złożonym z jednej cząsteczki glukozy
połączonej z jedną cząsteczką fruktozy. Podobnie, celuloza jest
polisacharydem (wielocukrem) składającym się z kilku tysięcy cząsteczek
glukozy połączonych razem.

1 sacharoza

H

3

O

+

1 glukoza + 1 fruktoza

celuloza

H

3

O

+

~3000 czsteczek glukozy

Monosacharydy można podzielić na aldozy i ketozy.

Przyrostek –oza używany jest w celu oznaczeniu cukru, a przedrostki
aldo- lub keto- oznaczają charakter grupy karbonylowej.

Konfiguracje monosacharydów: projekcje Fischera
Większość z naturalnie występujących cukrów to aldopentozy albo
aldoheksozy.

C

C

C

C

C

CH

3

H

H

H

H

H

O

OH

O

H

OH

OH

C

H

2

C

C

C

C

CH

2

H

H

H

OH

O

OH

OH

OH

O

H

C

C

C

C

H

H

OH

H

O

O

H

H

OH

CH

2

O

H

glukoza (aldoheksoza) fruktoza (ketoheksoza) ryboza (aldopentoza)

Ponieważ wszystkie węglowodany zawierają stereogeniczne atomy
węgla, już dawno stwierdzono, że konieczna jest standardowa metoda
opisu umożliwiająca przedstawienie stereochemii węglowodanu.
Najczęściej używaną współcześnie metodą jest projekcja Fischera
umożliwiająca przedstawienie struktury centrów stereogenicznych na
płaszczyźnie.

CHO

CH

2

OH

OH

H

=

OH

CHO

CH

2

OH

H

CHO

C

CH

2

OH

OH

H

wiazania wychodzace

ponad plaszczyzne

wiazania wchodzace

pod plaszczyzne

projekcja Fischera (R)-
gliceroaldehydu

obraz trojwymiarowy

Projekcje Fischera można obracać na płaszczyźnie o 180

o

, nie zmieniając

konfiguracji ich centrum stereogenicznego, podczas gdy obrót o 90 lub o
270

o

powoduje zmianę konfiguracji.

CHO

CH

2

OH

OH

H

CHO

CH

2

OH

H

O

H

taki sam jak

(R)-gliceroaldehyd

Konfiguracje węglowodanów z więcej
niż 1 centrum stereogenicznym
przedstawia się przez układanie
centrów jedno nad drugim, z
karbonylowym atomem węgla
umieszczonym jak najbliżej górnej
części rysunku, np. glukoza ma w
projekcji Fischera 4 centra
stereogeniczne ułożone jedno nad
drugim.

C

C

C

C

C

CH

2

OH

H

H

H

H

H

O

OH

O

H

OH

OH

C

C

C

C

C

CH

2

OH

H

H

H

H

H

O

OH

O

H

OH

OH

=

=

O

H

H

H

H

OH OH

CHO

CH

2

OH

OH

H

glukoza
grupa karbonylowa na
górze

Gliceroaldehyd ma tylko 1 centrum stereogeniczne i w związku z tym
tworzy dwie formy enancjomeryczne (lustrzane).

Z przyczyn historycznych, datujących się na długo przed przyjęciem
systemu R/S, (R)-(+)-gliceroaldehyd nazywany jest też D-
gliceroaldehydem (D oznacza prawoskrętny „dexterus”). Drugi enancjomer
(S)-(-)-gliceroaldehyd, znany jest jako L-gliceroaldehyd (L-oznacza
lewoskrętny „levo”).

Glukoza, fruktoza i niemal wszystkie istniejące naturalnie monosacharydy
mają taką samą konfigurację stereochemiczną jak D-gliceroaldehyd z
centrum stereogenicznym najdalszym od grupy karbonylowej.
Takie związki nazywamy D-cukrami.

Należy zauważyć, że określenie D lub L nie ma związku z obserwacją
doświadczalną, w którą stronę zostaje skręcona płaszczyzna polaryzacji
światła. W ten sposób D-cukier może zarówno być prawo-, jak i
lewoskrętny.
Przedrostek D oznacza jedynie, że stereochemia najniższego
stereogenicznego atomu węgla w projekcji Fischera jest taka sama, jak w
D-gliceroaldehydzie.

CHO

OH

H

H

HO

OH

H

OH

H

CH

2

OH

CHO

H

HO

OH

H

H

HO

H

HO

CH

2

OH

lustro

L-glukoza

(nie wystepuje w naturze)

D-glukoza

CHO

H

HO

CH

2

OH

L-gliceroaldehyd

[(S)-(-)-gliceroaldehyd]

CH

2

OH

O

H

HO

OH

H

OH

H

CH

2

OH

CH

2

OH

O

OH

H

H

HO

H

HO

CH

2

OH

lustro

L-fruktoza

D-fruktoza

Podział aldoz:

Aldotetrozy to cukry zawierające cztery atomy węgla z dwoma centrami
stereogenicznymi. Istnieje 2

2

= 4 możliwych stereoizomerycznych

aldotetroz albo dwie pary enancjomerów D i L, o nazwach erytroza i
treoza.

Aldopentozy mają trzy centra stereogeniczne, co prowadzi do 2

3

= 8

możliwych stereoizomerów albo czterech par enancjomerów D,L.
Te cztery pary nazywamy rybozą, arabinozą, ksylozą oraz liksozą.

Aldoheksozy mają cztery centra stereogeniczne, czyli razem 2

4

= 16

stereoizomerów albo osiem par enancjomerów D i L. Nazwy ośmiu form to:
alloza, altroza, glukoza, mannoza, guloza, idoza, galaktoza i taloza.

Projekcje Fischera cztero-, pięcio- i sześciowęglowych D-aldoz przedstawia
rysunek.

Konfiguracja aldoz:

- g l i c e r o a l d e h y d

D - e r y t r o z a

D - t r e o z a

D - r y b o z a

D - a r a b i n o z a

D - k s y lo z a

D - l i k s o z a

D - a l l o z a

D - a lt r o z a

D - g l u k o z a

D - m a n n o z a

D - g u l o z a

D - id o z a

D - g a l a k t o z a

D - t a l o z a

CHO

O

H

H

O

H

H

O

H

H

OH

H

CH

2

OH

CHO

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

H

CH

2

OH

CHO

H

OH

H

OH

O

H

H

OH

H

CH

2

OH

CHO

O

H

H

O

H

H

H

OH

OH

H

CH

2

OH

CHO

OH

H

H

O

H

H

O

H

OH

H

CH

2

OH

CHO

H

OH

H

OH

H

OH

OH

H

CH

2

OH

CHO

H

OH

CH

2

OH

OH

H

OH

H

CH

2

OH

OHC

OH

H

OH

H

CH

2

OH

OHC

OH

H
OH

H

OH

H

CH

2

OH

OHC

H

OH

OH

H

OH

H

CH

2

OH

OHC

OH

H

H

O

H

O

H

H

CH

2

OH

OHC

H

OH

H

O

H

OH

H

CH

2

OH

OHC

CHO

OH

H

H

O

H

OH

H

OH

H

CH

2

OH

CHO

H

O

H

OH

H

H

O

H

OH

H

CH

2

OH

Struktury D-aldoz ustawiono kolejno od prawej tak, że grupy hydroksylowe
na atomie C2 są ułożone naprzemiennie prawa/lewa(R\L). Podobnie grupy
hydroksylowe na atomie C3 są ułożone według zasady dwie po
prawej/dwie po lewej (2R/2L); grupy hydroksylowe na atomie C4 są
ułożone zgodnie z zasadą 4R/4L, a wszystkie grupy hydroksylowe na
atomie C5 znajdują się po prawej stronie (8R).

Cykliczna struktura monosacharydów: tworzenie hemiacetali

O

C

R

H

+

R'OH

H

+

k a t a l i z a t o r

OH

C

R

OR'

H

aldehyd

hemiacetal

Gdy w tej samej cząsteczce występuje zarówno grupa karbonylowa, jak i
hydroksylowa, możliwa jest wewnątrzcząsteczkowa reakcja addycji
nukleofilowej, prowadząca do utworzenia cyklicznego hemiacetalu.
Pięcio- i sześcioczłonowe hemiacetale cykliczne są szczegółnie trwałe i z
tego powodu wiele węglowodanów istnieje jako równowagowa
mieszanina form cyklicznych i otwartołańcuchowych. Np. glukoza w
roztworze wodnym istnieje głównie w postaci sześcioczłonowej formy
piranozowej, która jest wynikiem wewnątrzcząsteczkowej addycji
nukleofilowej grupy –OH przy atomie C5 do grupy karbonylowej atomu
C1, natomiast fruktoza istnieje w ok. 80% w formie piranozowej i w ok.
20% jako pięcioczłonowa forma furanozowa, powstała z przyłączenia
grupy –OH z atomu C5 do grupy karbonylowej atomu C2.

Cykliczna struktura monosacharydów tworzenie hemiacetali

D - g l u k o z a

F is c h e r

D - f r u k t o z a

( F is c h e r )

D - g l u k o z a , f o r m a p i r a n o z o w a

( H a w o r t h )

D - f r u k t o z a , f o r m a f u r a n o z o w a

( H a w o r t h )

O

CH

2

OH

CH

2

OH

OH

OH

OH

OH

OH

H

O

OH

OH

CH

2

OH

CHO

OH

H

H

O

H

OH

H

OH

H

CH

2

OH

CH

2

OH

O

H

O

H

OH

H

OH

H

CH

2

OH

O

OH

OH

H

OH

OH

CH

2

OH

OH

CH

2

OH

CH

2

OH

OH

OH

O

**

**

**
**

O

O

piran

furan

Cząsteczki glukozy i fruktozy
przedstawione w ich
cyklicznych formach:
furanozowej i piranozowej

Pierścienie piranozowe i furanozowe są często przedstawiane za pomocą
projekcji Hawortha. W projekcji Hawortha pierścień hemiacetalowy rysuje
się jako strukturę płaską widzianą ukośnie z boku, z atomem tlenu
znajdującym się w prawej górnej części. Mimo, że sposób ten jest
wygodny, nie odzwierciedla dokładnie rzeczywistej struktury, gdyż
pierścienie piranozowe są w rzeczywistości pofałdowane i przyjmują
konformację krzesłową, podobnie jak w cykloheksanie.
Gdy przechodzi się od jednej formy projekcji do drugiej, należy pamiętać,
że grupa –OH po prawej stronie w projekcji Fischera jest skierowana na dół
w projekcji Hawortha. Odwrotnie, grupa –OH po lewej stronie w projekcji
Fischera jest skierowana do góry w projekcji Hawortha. Dla D-cukrów
końcowa grupa –CH

2

OH jest zawsze skierowana do góry w projekcji

Hawortha, podczas gdy dla L-cukrów ta grupa –CH

2

OH jest skierowana na

dół.

C

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

H

O

D-glukoza

(Fischer)

obróc na bok

CH

2

OH

H

O

OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

H

O

OH

OH

OH

OH

obr�� wok�

wi�zania

OH

H

O

OH

OH

OH

CH

2

OH

O

OH

H

OH

OH

OH

CH

2

OH

zamknij

pier�cie�

D-glukoza (Haworth)

Wzajemne przejście między projekcjami Fischera i
Hawortha w przypadku D-glukozy.

Anomery monosacharydów: mutarotacja
Gdy monosacharyd otwartoiłańcuchowy cyklinuje do formy furanozowej
lub piranozowej, tworzy się nowe centrum stereogeniczne na atomie
węgla, który uprzednio był atomem karbonylowey. Dwa
diastereoizometryczne produkty nazywamy anomerami, a chemiacetalowy
atom węgla nazywany jest centrum anomerycznym. Np. w roztworze
wodnym glukoza cyklinuje odwracalnie do mieszaniny dwóch anomerów w
stosunku 36:64. Anomer z grupą –OH w pozycji C1, która znajduje się w
konfiguracj trans do podstawnika
–CH

2

OH na atomie C5 (na dół w projekcji Hawortha), nazywany jest

anomerem a6 . jego pełna nazwa brzmi a-D-glukopiranoza i jest to
anomer, którego jest mniej. główny anomer z grupy –OH na atomie C1, cis
do podstawnika –CH

2

OH na atomie C5 (ku górze w projekcji Hawortha),

nazywany jest anomerem b, a jego pełna nazwa brzmi b-D-glukopiranoza.

OH

OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

O

D-glukoza

O

OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

Trans

alfa-D-glukopiranoza (

36%)

(alfaanomer: OH i CH

2

OH

s� trans wzgl�dem siebie)

+

O OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

Cis

beta-D-glukopiranoza (

64%)

(betaanomer: OH i CH

2

OH

s� cis wzgl�dem siebie)

Mutarotacja przebiega przez odwracalne otwarcie pierścienia każdego z
anomerów do otwartołańcuchowego aldehydu, a następnie zachodzi
ponowne zamknięcie pierścienia. mimo iż to równowagowanie jest
procesem powolnym obojętnym pH, ale jest ono katalizowane zarówno
przez kwas, jak i przez zasadę.

OH

H

OH

OH

OH

CH

2

OH

O

D-glukoza

O

OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

alfa-D-glukopiranoza (

36%)

O OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

beta-D-glukopiranoza (

64%)

Konformacje monosacharydów
Projekcje Hawortha są łatwe w percepcji, ale nie dają one dokładnego
trójwymiarowego obrazu konformacji cząstkowej. Pierścienie piranozowe,
tak jak pierścienie cykolehsanowe przyjmują kształt podobny do krzesła z
podstawnikami aksjonalnymi i ekwatorialnymi. Każdy podstawnik
skierowany w górę w projekcji Hawortha jest skierowany w górę również w
konformacji krzesłowej, a każdy podstawnik skierowany w dół w projekcji
Hawortha jest skierowany w dół również w konformacji krzesłowej.

O

OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

atom tlenu w g�rze po prawej stronie

=

O

HO

HO

HOH

2

C

HO

OH

alfa-D-glukopiranoza

O OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

=

O

HO

HO

HOH

2

C

OH

OH

beta-D-glukopiranoza

Reakcje monosacharydów
Ponieważ węglowodany zawierają tylko dwa rodzaje grup funkcyjnych:
grupy hydroksylowe i karbonylowe, większość właściwości chemicznych
monosacharydów to znana już nam chemia alkoholi i związków
karbonylowych.

O

HO

HO

HOH

2

C

OH

OH

(CH

3

CO)

2

O

pirydyna, O�C

O

O

2

CH

3

C

O

2

CH

3

C

H

3

COCOH

2

C

OCOCH

3

OCOCH

3

beta-D-glukopiranoza

penta-O-acetylo-beta-D-glukopiranoza

( 91%)

Węglowodany przekształcane są w etery przez traktowanie
halogenkiem alkilowym w obecności zasady (synteza Williamsona).

O

OH

OH

OH

OH

CH

2

OH

alfa-D-glukopiranoza

Ag

2

O

CH

3

I

O

OH

3

C

OH

3

C

H

3

COH

2

C

H

3

CO

CH

3

O

eter pentametylowy alfa-D-glukopiranozy

( 85%)

Tworzenie glikozydów

O

HO

HO

HOH

2

C

H

OH

OH

CH

3

OH, HCl

H

3

O

+

O

HO

HO

HOH

2

C

H

OH

OCH

3

+

O

H

2

beta-D-glukopiranoza

(hemiacetal)

beta-D-glukopiranozyd metylowy

(acetal)

Nazwy acetyli węglowodanów, zwanych glikozydami, tworzy się przez
zastąpienie końcówki –oza przyrostkiem –ozyd, przyrostkiem następnie
określenie grupy alkilowej.

Redukcja monosacharydów
Traktowanie aldozy lub ketozy NaBH4 redukuje je do pilialkoholu o nazwie
alditol.

C

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

H

O

O

HO

HO

HOH

2

C

H

OH

OH

beta-D-glukopiranoza

D-glukoza

NaBH

4

H

2

O

CH

2

OH

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

D-glucitol (d-sorbit), alditol

Utlenianie monosacharydów
Aldozy, podobnie jak i inne aldehydy łatwo ulegają reakcji utleniania,
dając odpowiednie kwasy karboksylowe zwane kwasami aldonowymi.
Aldozy reagują z odczynnikiem Tollensa (Ag+ w wodnym roztworze NH

3

) i

odczynnikiem Fehlinga (Cu

2

+ w wodnym roztworze winianu sodu).

D-fruktoza

NaOH, H

2

O

(tautometria

keto-enolowa)

enodiol

NaOH, H

2

O

(tautometria

keto-enolowa)

aldoheksoza

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

C

CH

2

OH

O

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

C

OH

C

OH

H

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

C

C

O

H

OH

H

Choć reakcje Fehlinga i Tollensa służą jako użyteczne testy na cukry
redukujące, nie dają dobrych wydajności kwasów aldonowych, gdyż
warunki zasadowe powodują rozkład węglowodanu. do celów
preparatywnych najlepszym utleniaczem jest buforowany wodny roztwór
Br

2

. Reakcja ta jest specyficzna dla aldoz; ketozy nie ulegają utlenieniu

przez wodny roztwór Br

2

.

beta-D-galaktoza

C

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

H

O

Br

2

, H

2

O

pH = 6

C

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

HO

O

kwas D-galaktonowy

(kwas aldonowy)

O

OH

HO

CH

2

OH

OH

OH

Gdy w reakcji wykorzystany zostanie silniejszy środek utleniający taki jak
rozcieńczony HNO

3

w podwyższonej temperaturze, aldozy utleniają się do

kwasów dikarboksylowych zwanych kwasami aldarowymi. W reakcji tej
utlenianiu ulegają zarówno grupa –CHO na atomie C1, jak i końcowa grupa
–CH

2

OH.

O

HO

HO

HOH

2

C

OH

OH

beta-D-glukoza

C

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

HO

O

HNO

3

C

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

C

HO

O

HO

O

kwas D-glukarowy

(kwas aldarowy)

Przedłużanie łańcucha: synteza
Kilianiego-Fischera.
Jedną z najważniejszych metod
jest synteza Kilianiego-Fischera,
której wynikiem jest wydłużenie
łańcucha aldozy o jeden atom
węgla. Grupa aldehydowa C1
wyjściowego cukru staje się
atomem C2 cukru o wydłużonym
łańcuchu.

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

C

H

O

D-arabinoza

HCN

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

H

OH

C

N

+

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

HO

H

C

N

dwie

cyjanohydryny

H

2

Pd/BaSO

4

katalizator

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

HO

H

C

H

NH

+

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

H

OH

C

H

NH

dwie iminy

H

3

O

+

H

3

O

+

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

H

OH

C

H

O

+

HO

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

HO

H

C

H

O

D-glukoza

D-mannoza

Skracanie łańcucha: degradacja Wohla
Tak jak reakcja syntezy Kilianiego-Fischera,
pozwala wydłużyć łańcuch aldozy o jeden
atom węgla, tak reakcja degradacji Wohla
pozwala ten łańcuch skrócić o jeden atom
węgla. Przekształcenia aldehydu w nitryl
dokonuje się przez traktowanie aldozy
hydroksyloaminą, po czym następuje
odwodnienie (dehydratacja) oksymu
zachodzące pod wpływem bezwodnika
octowego. Np. D-galaktoza ulega
przekształceniu w D-liksozę w degradacji
Wohla:

HO

H

HO

H

H

OH

CH

2

OH

C

C

O

H

OH

H

D-galaktoza

H

2

NOH

HO

H

HO

H

H

OH

CH

2

OH

C

C

NOH

H

OH

H

oksym D-galaktozy

(CH

3

CO)

2

O

CH

3

CO

2

Na

HO

H

HO

H

H

OH

CH

2

OH

C

C

OH

H

N

cyjanohydryna

Na

+

CH

3

O-

HO

H

HO

H

H

OH

CH

2

OH

O

H

+

HCN

Disacharydy

Celobioza i maltoza
Disacharydy są to związki, które zawierają glikozydowe wiązanie
acetalowe między atomem węgla C1 jednej cząsteczki cukru i jakąkolwiek
grupą hydroksylową –OH drugiej cząsteczki cukru. Wiązanie glikozydowe
między atomem C1 pierwszego cukru i grupą hydroksylową –OH na
atomie C4 drugiego cukru jest szczególnie często spotykane w przyrodzie.
Takie wiązanie nazywane jest połączeniem 1,4’. Znak „’ „ wskazuje, że
pozycja 4’ dotyczy innej cząsteczki cukru niż pozycja 1 bez tego znaku.

maltoza, 1, 4'-alf-glikozyd

[ 4-O-(alfa-D-glukopiranozylo)-alfa-D-glukopiranoza]

O

HO

CH

2

OH

OH

H

O

HO

HO

CH

2

OH

OH

OH

1

4'

H

O

O

HO

CH

2

OH

OH

OH

O

OH

HO

CH

2

OH

OH

O

H

H

1

4'

celobioza,

1, 4'-beta-glikozyd

[ 4-O-(beta-D-glukopiranozylo)-beta-D-glukopiranoza]

Laktoza
Laktoza jest disacharydem, który występuje naturalnie w mleku ludzkim i
krowim. Jest szeroko stosowana w cukiernictwie i jako składnik
sztucznych odżywek dla niemowląt. Laktoza, podobnie jak celobioza i
maltoza jest cukrem redukującym. Wykazuje mutarotację i jest 1,4’-β-
glikozydem. W odróżnieniu od celobiozy i maltozy, laktoza zawiera dwie
różne jednostki monosacharydowe: D-glukozę i D-galaktozę połączone
wiązaniem ß-glikozydowym między atomami C1 galaktozy i C4 glukozy.

O

HO

CH

2

OH

OH

OH

O

OH

HO

CH

2

OH

OH

H

1

4'

O

H

beta-galaktopiranozyd

beta-glukopiranoza

laktoza, 1, 4'-beta-glikozyd

[ 4-O-(beta-D-galaktopiranozylo)-beta-D-glukopiranoza]

Sacharoza
Sacharoza, czyli cukier stołowy, jest prawdopodobnie
najpowszechniejszym na świecie, czystym związkiem organicznym i także
jednym z najlepiej znanych ludziom, którzy nie są chemikami. Niezależnie
od tego czy pochodzi z trzciny cukrowej (20% masy trzciny cukrowej), czy
z buraków cukrowych (15% masy buraka) i czy jest surowy, czy
rafinowany, cukier ten jest sacharozą. Sacharoza jest disacharydem, który
w wyniku hydrolizy daje równoważne molowo ilości glukozy i fruktozy. Tę
mieszaninę glukozy i fruktozy, często nazywa się cukrem inwertowanym,
ponieważ znak skręcalności optycznej zmienia się (ulega inwersji) podczas
hydrolizy sacharozy. Owady takie jak pszczoły mają enzymy zwane
inwertazami, które katalizują hydrolizę sacharozy do mieszaniny
glukoza+fruktoza.
Miód pszczeli jest w zasadzie mieszaniną
glukozy, fruktozy i sacharozy.

W przeciwieństwie do większości
disacharydów sacharoza nie jest cukrem
redukującym i nie wykazuje mutarotacji.
Obserwacje te oznaczają, że sacharoza
nie ma grup hemiacetalowych, i sugerują,
że zarówno glukoza jak i fruktoza są
glikozydami. Jest to możliwe jedynie
wtedy, gdy te dwa cukry połączone są
ze sobą wiązaniem glikozydowym,
miedzy atomem C1 glukozy i atomem C2 fruktozy.

O

CH

2

OH

OH

OH

CH

2

OH

O

HO

HO

CH

2

OH

OH

O

1

2'

glukoza

fruktoza

sacharoza, 1, 2'-glikozyd

[ 2-O-(alfa-D-glukopiranozylo)-beta-D-fruktofuranozyd]

Polisacharydy
Polisacharydy to węglowodany, w których dziesiątki, setki, a nawet tysiące
cukrów prostych połączone są ze sobą wiązaniami glikozydowymi.
Polisacharydy, ponieważ nie zawierają anomerycznych grup
hydroksylowych (poza jedną na końcu łańcucha), nie są cukrami
redukującymi i nie wykazują mutarotacji. Najpowszechniej występujące
polisacharydy to celuloza i skrobia.

Celuloza
Celuloza składa się z jednostek D-glukozy połączonych ze sobą wiązaniami
1,4’-ß-glikozydowymi, takimi jak w celobiozie. Kilka tysięcy jednostek
glukozy połączonych jest w jedną cząsteczkę i cząsteczki takie
oddziałujące sobą, tworząc wielkie agregaty, których struktura
stabilizowana jest przez wiązania wodorowe.

O

HO

CH

2

OH

OH

O

O

O

HO

CH

2

OH

OH

O

O

HO

CH

2

OH

OH

O

celuloza, polimer

1, 4'-O-(beta-D-glukopiranozydowy)

W naturze celuloza wykorzystywana jest głównie jako materiał budulcowy,
nadający roślinom mechaniczną wytrzymałość i sztywność. Liście, źdźbła
traw oraz bawełna składają się głównie z celulozy. Celuloza jest też
surowcem do produkcji octanu celulozy, znanego pod nazwą jedwabiu
octanowego.

O

AcO

AcO

OAc

O

O

O

AcO

AcO

OAc

O

O

AcO

AcO

OAc

O

Ac

CH

3

C

O

gdzie

fragment �a�cucha octanu celulozy (jedwiabiu octanowego)

Skrobia i glikogen
Ziemniaki, kukurydza i ziarna zbóż zawierają olbrzymi ilości skrobi,
polimeru glukozy, w których jednostki monosacharydowe są połączone
wiązaniem 1,4’-α-glikozydowym, takim jak w maltozie. Skrobię można
rozdzielić na dwie frakcje: frakcję nierozpuszczalną w zimnej wodzie,
zwaną amylazą, oraz frakcję rozpuszczalną w zimnej wodzie, zwaną
amylopektyną. Amyloza stanowi ok. 20% masy skrobi i składa się z
kilkuset jednostek glukozowych połączonych wiązaniami 1,4’-α-
glikozydowymi.

O

HO

CH

2

OH

OH

O

O

HO

CH

2

OH

OH

O

O

HO

CH

2

OH

OH

O

H

H

H

amyloza, polimer

1, 4'-O-(alfa-D-glukopiranozydowy)

Amylopektyna stanowi pozostałe 80% masy skrobi i charakteryzuje się
bardziej złożoną strukturą niż amyloza. Odmiennie, niż celuloza i
amyloza, które są polimerami liniowymi, amylopektyna zawiera
rozgałęzienia 1,6’-α-glikozydowe, powtarzające się co około 25 jednostek.
W rezultacie amylopektyna ma niezwykle złożoną strukturę
trójwymiarową.

O

HO

CH

2

OH

OH

O

O

HO

O

OH

O

O

HO

CH

2

OH

OH

O

H

H

H

O

CH

2

OH

OH

H

HO

6'

1

amylopektyna

Organiczne związki azotu

Organiczne związki azotu obejmują 4 główne typy połączeń
I związki nitrowe
II aminy
III nitryle i izonitryle (cyjanki i izocyjanki)
IV cyjaniany i izocyjaniany

Ad.I

Związki nitrowe zawierają w swej cząsteczce grupę nitrową –NO

2

.

Atom azotu w grupie nitrowej znajduje się w stanie hybrydyzacji sp2.
Ponieważ badania wykazały jednakową długość wiązań pomiędzy
atomami O i N, przyjmuje się, że rozmieszczenie elektronów w grupie
nitrowej, odpowiada stanowi pośredniemu, między dwoma
strukturami granicznymi.

N

+

O

-

O

N

+

O

-

O

Grupa nitrowa jest więc hybrydą rezonansową (mezomerem). Polarny
charakter grupy nitrowej (rozmieszczenie ładunków pomiędzy N i O)
powoduje, że wszystkie związki nitrowe mają duże momenty dipolowe.

Otrzymywanie związków nitrowych
Istnieje tylko jedna powszechnie stosowana metoda otrzymywania
związków nitrowych, a mianowicie nitrowanie.
W zależności od reaktywności nitrowanego związku, stosuje się
rozcieńczony lub stężony HNO

3

wraz z H

2

SO

4

.

Alifatyczne związki nitrowe nie mają większego zastosowania, natomiast
aromatyczne związki nitrowe są szeroko stosowane jako ostateczne
produkty reakcji oraz półprodukty do dalszych reakcji.

C

H

3

CH

3

H N O

3

, H

2

S O

4

C

H

3

CH

2

NO

2

nitroetan

Nitrowanie związków aromatycznych jest najbardziej typową i najlepiej
poznaną reakcją podstawiania elektrofilowego w układach
aromatycznych. Czynnikiem nitrującym, jest w tej reakcji jon nitroniowy
NO

2+

+

NO

+

2

C

+

NO

2

H

NO

2

+

H

2

Grupa nitrowa jest podstawnikiem II rodzaju, dezaktywującym pierścień
aromatyczny (wyciąga elektrony z najbliższego sąsiedztwa), w związku z
tym atak elektrofilowy następnej grupy nitrowej zachodzi w położenie
meta:

NO

2

NO

2

NO

2

H N O

3

, H

2

S O

4

H N O

3

, H

2

S O

4

NO

2

O

2

N

NO

2

m-dinitrobenzen

(1,3 - dinitrobenzen)

1,3,5 - trinitrobenzen

benzen wybuchowy

p-dinitrobenzen można otrzymać przez utlenianie odpowiedniej diaminy

NH

2

NH

2

u t l

k w . n a d o c t o w y

NO

2

NO

2

p - dinitrobenzen

CH

3

CH

3

NO

2

NO

2

O

2

N

2

H N O

3

, H

2

S O

4

toluen

(trotyl) material wybuchowy

OH

fenol

H N O

3

, H

2

S O

4

r o z c

OH

NO

2

i

OH

NO

2

H N O

3

, H

2

S O

4

r o z c

OH

NO

2

NO

2

O

2

N

o - nitrofenol

2

(kw piksynowy) - material wybuchowy

Kwas pikrynowy zawierający 3 grupy –NO

2

jest znacznie silniejszym

kwasem od fenolu i stąd jego nazwa, np. rozkłada węglany z
wydzieleniem CO

2

.

NO

2

NO

2

NO

2

H N O

3

, H

2

S O

4

H N O

3

, H

2

S O

4

1 - nitronaftalen

1,5 - dinitronaftalen

NO

2

NO

2

H N O

3

, H

2

S O

4

NO

2

NO

2

NO

2

NO

2

1,8 - dinitronaftalen

1,81,4,5,8 - tetranitronaftalen

W 1872 r. Meyer, do otrzymywania związków nitrowych, zastosował
chlorowcopochodne alkilowe i azotyn sodu lub srebra. Okazało się jednak,
że w wyniku reakcji powstała mieszanina związku nitrowego i azotynu.

Obecnie wiadomo, że w takiej reakcji zawsze powstaje mieszanina
związków, z tego względu, że jon azotynowy może reagować w dwojaki
sposób:

2CH

3

J + 2AgNO

2

C

H

3

NO

2

C

H

3

O

NO

nitrometan

azotyn metylu

I

R

+

O

-

N

O

O

N

O

R

+

I

-

atak at O

azotyn alkilu

I

I

R

+

O

-

N

O

II

O

-

N

+

O

R

+

I

-

atak at N

zw nitrowy

Azotyny są połączeniami o charakterze estrów. Poddane hydrolizie dają
HNO

2

i odpowiedni alkohol.

Nitrozwiązki nie ulegają hydrolizie.

Prócz budowy przestrzennej cząsteczek, azotyny i związki nitrowe różnią
się produktami redukcji.

R

NO

2

R

O

NO

H

2

- H

2

O

H

2

R

NH

2

R

OH

+

NH

3

amina

nitrozwiazek

azotyn alkilu

alkohol

Właściwości chemiczne związków nitrowych

1. Grupa nitrowa ma wpływ na reaktywność wiązań C-H w położeniu

, w alifatycznych związkach nitrowych. Badania wykazały, że dla

związków nitrowych posiadających H w położeniu  zachodzi

przemiana tautomeryczna, polegająca na wędrówce protonu od
atomu C do atomu O grupy nitrowej.

Związek nitrowy posiadający H przy atomie O grupy nitrowej nosi nazwę

związku aci (postać aci nitrozwiązku).

CH

2

R

N

+

O

O

CH

R

N

+

O

O

-

H

CH

R

N

+

O

-

O

-

odmiana nitrowa

postac aci kwasowa

anion postaci aci



-

Okazuje się, że dla związków nitrowych, zawierających wodór przy Cα,
występuje zjawisko desmotropii, które zaobserwowano dla tych związków,
których wzajemne przemiany wymagały dość długiego czasu np.
fenylonitrometan w roztworze NaOH tworzy sól sodową, będącą odmianą
aci, która po kilku dniach przekształca się w związek nitrowy

H

5

C

6

CH

2

N

+

O

-

O

N a O H

H

+

H

5

C

6

CH

2

N

+

O

O

Na

fenylonitrometan (ciecz)

postac aci (zw krystaliczny)

Reaktywność atomów H przy węglu , wyraża się w reakcjach z HNO

2

C

H

3

CH

2

NO

2

+

ON

OH

-H

2

O

R

NO

2

N

O

H

kw azotawy

C

H

3

CH

NO

2

R

+

ON

OH

-H

2

O

R

NO

2

N

O

R

N

OH

kw nitrolowy

gr izonitrozowa

N

O

gr nitrozowa

pseudonitrol

2.

Ze względu na to, że N w grupie nitrowej znajduje się na

najwyższym stopniu utlenienia dla tego pierwiastka, związki nitrowe nie
ulegają utlenianiu. Duża dostępność różnych związków nitrowych
umożliwia natomiast otrzymywanie różnych amin, które są produktami
redukcji związków nitrowych.

C

6

H

5

NO

2

C

6

H

5

NH

2

r e d

nitrobenzen

anilina(amina)

Redukcja związków nitrowych do amin nie jest reakcją jednoetapową,
lecz zachodzi poprzez produkty pośrednie:

C

6

H

5

NO

2

nitrobenzen

C

6

H

5

NO

C

6

H

5

NHOH

C

6

H

5

NH

2

nitrozobenzen

fenylohydroksyloamina

anilina

2 H

+

- H

2

O

2 H

+

2 H

+

- H

2

O

Istnieje również możliwość kondensacji produktów pośrednich między
sobą. Wówczas liczba produktów pośrednich rośnie.

Ich obecność została potwierdzona doświadczalnie, poprzez stosowanie
różnych reduktorów, które pozwalały zahamować redukcję nitrobenzenu
na odpowiednim etapie.

C

6

H

5

NO

2

nitrobenzen

C

6

H

5

NO

C

6

H

5

NHOH

nitrozobenzen

fenylohydroksyloamina

- H

2

O

H

5

C

6

N

+

OH

N

C

6

H

5

azoksybenzen

-H

2

O

2 H

H

5

C

6

N

N

C

6

H

5

azobenzen

2 H

H

5

C

6

N

N

C

6

H

5

H

H

hydrazobenzen

2 H

H

5

C

6

NH

2

anilina

Ad.II
Aminy można traktować jako pochodne amoniaku, powstałe przez
podstawienie atomów H grupami alkilowymi lub arylowymi. Zależnie od
liczny podstawionych atomów H rozróżnia się:
-aminy I rz., o ogólnym wzorze R-NH

2

, zawierające grupę aminową –NH2

- aminy II rz., o wzorze: zawierające grupę liniową
=NH

- aminy III rz., o wzorze:

nie zawierające wodoru

oraz w pewnych uzasadnionionych
wypadkach
- aminy IV rz., o wzorze:

R

1

NH

R

R

1

N

R

2

R

N

R

R

R

R OH

wodorotlenek tetraalkiloamoniowy

Podstawowe właściwości, tj. zasadowość i charakter nukleofilowy, są

podobne u amin różnych typów; wynikają bowiem z obecności wolnej
pary elektronowej przy atomie N.

Atom N w grupie aminowej, znajduje się w stanie hybrydyzacji sp3, lecz ma

tylko 3 niesparowane elektrony, zajmujące 3 orbitale sp3; czwarty
orbital atomu N obsadzony jest przez wolną parę elektronową. Grupa
aminowa ma budowę tetraedru, z wolną parą elektronową na jednym
wierzchołku.

Tylko w aminach czwartorzędowych wszystkie wierzchołki tetraedru

obsadzone są podstawnikami alkilowymi.

Izomeria związków aminowych
a) izomeria łańcuchowa

C

H

3

CH

2

CH

2

CH

2

NH

2

n – butyloamina

2 – metylo – 1aminopropan (2 – metylo –
1propyloamina)

C

H

3

CH

C

H

3

CH

2

NH

2

b) izomeria położeniowa

c) metameria

dietyloamina

metylo – n – propyloamina

C

H

3

CH

2

CH

CH

3

NH

2

2-aminobutan

H

5

C

2

NH

C

2

H

5

H

7

C

3

NH

CH

3

d) izomeria optyczna
Ten rodzaj izomerii pojawia się zwłaszcza dla amin czwartorzędowych, w

których atom N związany jest z 4 różnymi podstawnikami, oraz tych
amin, w których atom C związany jest z różnymi podstawnikami, np.

H

5

C

6

N

+

CH

3

H

7

C

3

C

2

H

5

OH

lub

H

5

C

2

C

H

N

H

2

CH

3

Nazwy amin alifatycznych tworzy się przez dodanie słowa – „amina”, do
nazwy grupy lub grup alkilowych związanych z atomem N.
Bardziej złożone nazwy tworzy się czasem przez dodanie przedrostka –
„amino”

CH

3

C

C

H

3

CH

3

NH

2

tert - butyloamina

(2-dimetyletyloamina)

H

5

C

6

NH

CH

3

N - metylofenyloamina

N

H

2

CH

2

CH

2

OH

2-aminoacetal

(etanoloamina)

Nazwy amin aromatycznych pochodzą często od aniliny. Wyjątek
stanowią toluidyny

CH

CH

C

C

C

H

C

H

NH

2

Br

CH

CH

C

C

C

H

C

H

NH

2

CH

3

C

CH

C

CH

C

C

H

NH

2

CH

3

C

H

3

CH

CH

C

CH

C

H

C

H

N

H

CH

3

p - bromoanilina

p - toluidyna

2,6 - dimetyloanilina

N - metyloanilina

Metody otrzymywania amin

I rz. aminy alifatyczne
1. Amonoliza halogenków – Hoffmanna (alkilowanie amoniaku).
W wyniku zastąpienia chlorowca grupą aminową, powstaje sól aminy, z
której pod wpływem –OH można wyprzeć wolną aminę.

RX + NH

3

RNH

+

3

X

-

RNH

+

3X

-

+ OH

-

RNH

2

+ H

2

O + X

-

Amonoliza jest reakcją substytucji nukleofilowej.

H

3

N: + R -X

N

H

3

R

X

d

+

d

-

N

H

3

+

R

+

X

-

Reakcja nadaje się głównie do otrzymywania amin I rz, gdyż w tych
warunkach dla halogenków II i III rz. przeważa eliminacja np.

C

CH

3

CH

3

C

H

3

Br

+

NH

3

C

H

3

C

CH

2

CH

3

+

NH

4

Br

1. Z alkoholu i amoniaku (odmiana metody Hofmanna).
Pary alkoholu przepuszcza się przez rury wypełnione katalizatorem ThO

2

C

H

3

OH

+

NH

3

C

H

3

NH

2

+

O

H

2

2. Degradacja amidów Hofmanna (reakcja podbrominowa)
Metoda prowadzi do otrzymania produktu zawierającego w cząsteczce o

jeden atom węgla mniej niż substrat.

C

H

3

C

NH

2

O

( C l O

-

) B r O

-

, O H

-

R

NH

2

+

CO

2

3. Redukcja nitryli (cyjanków)

R -X + KCN

R -CN + KX

nitryl

R

C

N

R -CN

N a ( a l k o h o l )

R -CH

2

-NH

2

Metoda pozwala na wydłużanie łańcucha węglowego aminy, w stosunku
do wyjściowego halogenku alkilu.

4. Redukcja oksymów.

C

H

3

C

H

N

OH

oksym

P t ( r e d )

R

CH

2

NH

2

5. Reakcja Gabriela – z imidu kwasu ftalowego

NH

C

C

O

O

K O H , C

2

H

5

O H

N

C

C

O

O

K

R - X

D M F

N

C

C

O

O

R

H O H

COOH

COOH

+

R -NH

kw ftalowy

6. Metoda Curtiusa – z azydków kwasowych

R

C

OR'

O

ester

+

N

H

2

NH

2

hydrazyna

O

C

H

3

C

NH

NH

2

hydrazyd

H O N O

k w a z o to w y

R

C

O

NH N

+

N

azydek kwasowy

(przegr)

o g r z

- N

2

C

H

3

N

C

O

izoyjanian

H O H

R -NH

2

+ CO

2

7. Metoda Losena – z kwasów hydroksamowych z SOCl

2

R

C

Cl

O

+

H

2

N -OH

hydroksyloamina

- H C l

R

C

O

NH

OH

kw hydroksamowy

S O C l

2

- H

2

O

R

C

N

O

przegr

R

N

C

O

izocyjanian

-CO

2

R

NH

2

II rz. aminy alifatycze
1. Wyczerpująca amonoliza halogenków.
Przy otrzymywaniu amin II i III rz. nie stosuje się amoniaku, a

odpowiednią aminę.

CH

3

CH

2

CH

2

NH

2

n -propyloamina

+

CH

3

CH

2

Br

CH

3

CH

2

CH

2

NHCH

2

CH

3

N -etylo - n -propyloamina

NH

2

CH

3

Br

N

H

CH

3

N -metyloanilina

CH

3

Br

N

C

H

3

CH

3

N,N - dimetyloanilina

2. Redukcja izocyjanków (izonitryli) alkilowych

C

H

3

CH

2

N

CH

2

CH

3

CH

2

NHCH

3

izocyjanek etylu

N -metylo -etyloamina

III rz. aminy alifatyczne

Wyczerpująca amonoliza halogenków.
Metoda daje dobre rezultaty, w przypadku amin aromatycznych,

natomiast dla amin alifatycznych obserwuje się małe wydajności.

Aminy aromatyczne
Przedstawicielem amin aromatycznych jest anilina, wykryta w produktach
suchej destylacji indyga. Syntetycznie, anilinę otrzymuje się przez
redukcję nitrobenzenu.

1. redukcja nitrozwiązków

NO

2

NH

2

F e \ H C l

2. reakcja Dow – podstawienie chlorowca, grupą aminową, w
odpowiedniej chlorowcopochodnej aromatycznej

Cl

+

NH

3

2 5 0

-

3 0 0 �C

3 5 0 a t m

NH

2

+

NH

4

Cl

Rozróżnianie rzędowości amin

Obecność aminy 1º potwierdza próba izonitrylowa.
1. W wyniku pozytywnej próby izonitrylowej, wydziela się izonitryl
(izocyjanek) o bardzo przykrym zapachu.

R -NH

2

+ CHCl

3

chloroform

�r o d N a O H

R

N

CH

2

+

(NaCl +H

2

O)

2. Z kwasem azotowym (III), aminy zależnie od rzędowości dają
produkty różnego typu

Produktem reakcji amin 1

o

aromatycznych są sole diazoniowe.

NH

2

+

NaNO

2

+

HX

< 1 0 �C

N

N

X

s�l diazoniowa

+

(NaX +H

2

O)

Sole diazoniowe tworzą się również w reakcji 1

o

amin alifatycznych, ale

są tak nietrwałe, że natychmiast rozkładają z wydzieleniem azotu.

R -NH

2

+ NaNO

2

+ HX

< 1 0 �C

R -OH + N

2

+ NaX

alkohol

Produktami reakcji amin 2º, zarówno alifatycznych jaki i aromatycznych z
kwasem azotowym (III), są N-nitrozoaminy:

NH

CH

3

+

NaNO

2

+ HX

N

CH

3

N

O

+

NaX + H

2

O

N -metylo -N - nitrozoanilina

N -metyloanilina

CH

3

CH

2

NHCH

2

CH

3

+ NaNO

2

+ HX

C

H

3

CH

2

N

N

CH

2

CH

3

O

N -dietyloamina

N,N -dietylo -N -nitrozoamina

Aromatyczne aminy 3º ulegają substytucji w pierścieniu

(H

3

C)

2

N

N a N O

2

, H X

(H

3

C)

2

N

N

O

N,N -dimetylo -p -nitrozoanilina

3. Skuteczną metodą określania rzędowości amin jest próba Hinsberga.
Próba polega na wytrząsaniu amin z chlorkami kwasów
benzenosulfonowych:

Powstałe pochodne amin 1º, jako zdysocjowane, rozpuszczają się w
wodnym roztworze KOH

Pochodne amin 2

o

są nierozpuszczalne

Aminy 3º nie reagują z chlorkiem kwasu benzenosulfonowego

[C

6

H

5

SO

2

NR

-

]K

+

lub C

6

H

5

SO

2

NR

2

RNH

2

+ ClSO

2

C

6

H

5

RNHSO

2

C

6

H

5

R

2

NH

2

+ ClSO

2

C

6

H

5

R

2

NSO

2

C

6

H

5

Właściwości chemiczne amin
1. Zasadowość.
Aminy alifatyczne są mocniejszymi zasadami od amoniaku, natomiast

aminy aromatyczne są nieco słabsze, ze względu na sprzężenie wolnej
pary elektronowej atomu N z pierścieniem aromatycznym.

Z wodnymi roztworami kwasów, aminy tworzą sole. Swoje właściwości

zasadowe, aminy alifatyczne i aromatyczne wykazują nawet wobec
kwasów Lewisa, co eliminuje kwasy Lewisa jako związki katalizujące
reakcje, w których biorą udział aminy

R -NH

2

H

+

O H

-

NH

3

+

R

Cl

-

NH

2

NH

2

*HCl

chloroodorek aniliny

N:

H

H

+

AlCl

3

NH

2

+

Al

-

Cl

Cl

Cl

kompleks

Sole amin są typowymi związkami jonowymi, dobrze rozpuszczalnymi w
wodzie

2. Nukleofilowść amin
Aminy, podobnie jak amoniak, są dobrymi odczynnikami nukleofilowymi,

przewyższającymi swą reaktywnością wodę, alkohole i estry.
Nukleofilowy charakter amin jest widoczny w reakcjach z
chlorowcopochodnymi alkilowymi, podczas których tworzy się wiązanie
C-N, atom N przyjmuje ładunek dodatni, a chlorowiec oddala się w
postaci anionu.

N:

(R)H

(R)H

+

H

C

H

H

X

R

N

+

C

+

X

-

CH

2

Cl

+

N

H

2

CH

2

NH

np

chlorek benzylu

anilina

N -benzyloanilina

Aminy reagują z aldehydami i ketonami. Z aldehydów powstają
aldoiminy, a z ketonów ketoiminy.

Mechanizm powstawania imin jest następujący: I etapem jest
nukleofilowa addycja aminy do atomu C grupy karbonylowej a II
dehydratacja (eliminacja H

2

O).

Połączenia powstałe w wyniku reakcji amin z aldehydami lub ketonami
noszą nazwę zasad Schiffa

NH

2

+

C

O

H

N

OH

H

H

N

H

aldehyd benzoesowy

hydroksyloamina

benzylideno -anilina (aldoimina)

NH

2

+

C

CH

3

C

H

3

O

keton metylowy

CH

3

N

CH

3

O

H

H

N

C

CH

3

CH

3

metyloetylidenoanilina (ketonina)

Acylowanie – aminy reagują z kwasami karboksylowymi, bezwodnikami i
chlorkami kwasowymi

NH

2

+

C

OH

O

CH

3

kwas octowy

- H

2

O

O

NH

C

CH

3

acetanilid (antyfebryna)

NH

2

+

C

O

Cl

chlorek benzoidylu

- H C l

C

NH

O

benzanilid

Analogicznie
przebiega
reakcja z
bezwodnika
mi
kwasowymi.

Interesująca jest reakcja aniliny z fosgenem (chlorkiem kwasu
węglowego)

NH

2

+

COCl

2

- H C l

O

NH

C

Cl

chlorek fenylokarbonylu

o g r z

- H C l

N

C

O

izocyjanian

Izocyjaniany z alkoholami tworzą estry kwasu fenylokarbaminowego tzw.
uretany

N

C

O

izocyjanian

+

HOC

2

H

5

O

NH

C

OC

2

H

5

uretan (fenylokarbaminian etylu)

Poliuretany są tworzywami poliaddycyjnymi o dużym znaczeniu
praktycznym, powstającymi z diamin i dioli:

OCN -R -NCO + HO -R -OH

OC -[HN -R -NH -(CO) -O -R -O] -H

poluretan

N

H

2

OH

O

kwas karbaminowy

Ważna jest również reakcja aniliny z CS

2

(bezwodnik kwasu tiowęglowego)

NH

2

+

C

S

S

N

+

H

C

S

SH

H

N

H

C

S

SH

kwas fenyloditiokarbaminowy

o g r z

N

C

S

izotiocyjanian (olejek fenylogorczyczny)

Sole i estry kwasu fenyloditiokarbaminowego są surowcami do produkcji

pestycydów, gdyż mają silnie właściwości bakteriobójcze.

3. Utlenianie i redukcja.
Ze względu na to, że atom N w grupie aminowej posiada najniższy stopień

utleniania dla tego pierwiastka, aminy nie ulegają redukcji. Grupy
aminowe można natomiast utleniać do grup nitrowych, co ułatwia
powstawanie odpowiednich nitrozwiązków.

Aminy 3

o

można utlenić do N-tlenków, w wyniku eliminacji Cope’a.

Produktami utleniania są wówczas nietrwałe aminotlenki, które po
ogrzaniu ulegają eliminacji do alkenów

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

N(CH

3

)

2

H

2

O

2

C

H

3

CH

2

CH

2

CH

2

N

CH

3

O

CH

3

o g r z

- ( C H

3

) N O H o k s y n

C

C

C

H

3

CH

3

H

H

+

C

C

C

H

3

CH

3

H

H

+

CH

3

CH

2

CH=CH

2

12%

21%

67%

4. Reakcje podstawiania elektrofilowego w aminach aromatycznych

Grupa aminowa jest podstawnikiem bardzo silnie atakującym pierścień

(oddaje elektrony wywołując zagęszczenie ładunku ujemnego w
najbliższym sąsiedztwie).

Atak grupy elektrofilowej następuje więc w położenie orto- i para.

Olbrzymia reaktywność grupy aminowej powoduje, że reakcje
substytucji elektrofilowej przebiegają poprzez etap podstawienia w
grupie funkcyjnej a nie w pierścieniu

NH

C

H

3

N

N

+

CH

3

NH

2

X

-

moweina Perkina (I syntetyczny

barwnik purpurowy uzyskany podczas

utleniania aniliny K2Cr2O7 w ko�cu XIXw

np. sulfonowanie

N

H

2

H

2

S O

4

- H

2

O

N

H

SO

3

H

o g r z

NH

2

SO

3

H

NH

3

+

SO

3

(-)

kw sulfanilowy

kw fenyloaminosulfonowy

bromowanie

NH

2

H

2

S O

4

- H

2

O

N

H

Br

N -bromoanilina

o g r z

NH

2

Br

Ze względu na dużą podatność grupy aminowej na utlenianie,
niemożliwe jest bezpośrednie nitrowanie amin. W związku z tym
zabezpiecza się grupę aminową, przekształcając ją w grupę amidową
(mniej aktywującą pierścień ale również kierującą w położenie orto i
para) w wyniku reakcji acylowania.

Po zacylowaniu, nitrowanie nie nastręcza trudności. Grupę amidową
usuwa się przez hydrolizę.

NH

2

C H

3

C O O H

N

H

O

CH

3

acetanilid

NHCOCH

3

H N O

3

, H

2

S O

4

NHCOCH

3

NO

2

+

NHCOCH

3

NO

2

H

2

O

NH

2

NO

2

NH

2

NO

2

+

p i orto nitroacetanilidy

5. Wewnątrzcząsteczkowe przegrupowanie pochodnych aniliny
Izomeryzacja zachodzi dla wszystkich pochodnych aniliny, w których 1

atom H grupy aminowej podstawiony jest inną grupą

N

H

OH

o g r z

O

H

NH

2

p -hydroksyanilina

N -fenylohydroksyloamina

N

Br

COCH

3

o g r z

Br

NHCOCH

3

o -bromoacetamid

Gdy położenie para- jest zajęte, przegrupowanie może zajść w położenie

orto.

6. Diazowanie.
Bardzo ważną reakcją I

o

amin aromatycznych jest reakcja diazowania.

Aminy 1

o

w roztworze kwasu azotowego (III) ulegają przemianie w sól

diazoniową.

Reakcja została odkryta przez Griess’a

NH

2

+

NaNO

2

+ HX

< 1 0 �C

N

N

+

: X

-

+ NaX +H

2

O

s�l diazoniowa

Natychmiast po otrzymaniu roztworu soli diazoniowej, przeprowadza się
następną reakcję, ponieważ związki te ulegają rozkładowi.
Związki diazoniowe (dobrze rozpuszczalne w wodzie) odznaczają się
szczególnie dużą reaktywnością, dzięki której znalazły szerokie
zastosowanie w syntezie organicznej. W szeregu aromatycznym, sole
diazoniowe odgrywają podobną rolę, jeśli chodzi o różnorodność
zastosowań w syntezie, jak chlorowcopochodne w szeregu alifatycznym.
Budowa kationu diazoniowego była przedmiotem długich badań, z powodu
skomplikowanych oddziaływań dodatnio naładowanej grupy N

2

z

pierścieniem aromatycznym:

N

+

N

C

H

+

N

+

N

-

CH

+

N

+

N

-

CH

+

N

+

N

-

Sole diazoniowe ulegają licznym reakcjom, np:

1. reakcje wymiany, w których od soli odrywa się cząsteczka, a na jej

miejsce przyłącza się do pierścienia inny atom lub grupa

2. reakcje sprzęgania, w których atomy N pozostają w cząsteczce
3. redukcja

Ad 1.
Redukcja Sandmeyera.
Jest to reakcja wymiany grupy diazoniowej na chlor, brom lub grupę
cyjanową w obecności soli miedziowych

N

N

+

C u C l

Cl

+

N

2

chlorobenzen

N

N

+

Br

+

N

2

bromotoluen

C u B r

CH

3

N a N O

2

, H C l

N

N

CH

3

+

Cl

-

C u C N

chlorek o -toluenodiazoniowy

CH

3

CN

N

2

+

o -tolunitryl

reakcja Gattermanna
Jest reakcją wymiany grupy diazoniowej na jod, w obecności
sproszkowanej miedzi.

N

N

+

I

+

N

2

K I

reakcja Schiemanna
Jest to reakcja wymiany grupy diazoniowej na fluor, polegająca na
termicznym rozkladzie suchych fluoroboranów diazoniowych

N

N

+

NH

2

+

N

2

N a N O

2

, H B F

4

BF

-

4

1 5 0 �C

F

+

BF

3

Jest to niebezpieczna reakcja, ponieważ sole diazoniowe, w stanie
suchym a zwłaszcza po podgrzaniu, są wybuchowe.

Reakcja powstawania fenoli

NO

2

N

+

N

+

NO

2

NH

2

N

2

Cl

-

NO

2

OH

+

N a N O

2

, H C l

H

2

O

1 0 0 �C

m -nitrofenol

Wymiana na grupę –SH zachodzi w sposób analogiczny.

Redukcja Gomberga i Bachmanna.
W reakcji pomiędzy benzenem lub innym węglowodorem aromatycznym
z solą diazoniową powstaje pochodna bifenylu.

N

N

+

+

bifenyl

N

2

+

Psorr wykazał, że istnieje również możliwość otrzymania węglowodorów o
pierścieniach skondensowanych.

CH

2

NH

2

difenylometan

N a N O

2

, H C l

CH

2

N

+

N

CH

2

fluoren

Wymiana na wodór lub grupę alkoksylową zachodzi w obecności
niewielkich ilości soli miedzi, podczas ogrzewania soli diazoniowych z
alkoholami lub H

3

PO

4

N

N

N

N

lub

+

+

C

2

H

5

O H

H

3

P O

4

C

2

H

5

O H

OC

2

H

5

N

2

+

N

2

+

fenetol (eter fenylowoetylowy)

Ad.2
W środowisku zasadowym kationy diazoniowe przekształcają się w
aniony kwasów diazowych, które można wyodrębnić z roztworu w postaci
soli z metalami

N

N

Cl

-

+

N

N

O

-

K

+

+

N

N

O

-

K

+

anion kw cis(syn)diazowegoanion kw trans(anty)diazowego

Skłonność związków diazoniowych do reakcji z odczynnikami nukleofilowymi
prowadząca do soli kwasów diazowych, stała się przesłanką do prób
przeprowadzenia reakcji związków diazoniowych ze związkami
aromatycznymi.

Okazało się, że reakcje, znane jako reakcje sprzęgania zachodzą bardzo
łatwo w niskiej temperaturze(0

o

C), ale tylko ze związkami aromatycznymi

posiadającymi silnie aktywujące grupy, tj. z fenolami i aminami. Sprzęganie
jest przykładem reakcji substytucji elektrofilowej, w której pierścień ulega
atakowi soli diazoniowej. Substytucja zachodzi najczęściej w położenie para-
w stosunku do grupy aktywującej pierścień.

Produkty sprzęgania noszą nazwę związków azowych. Związki azowe
stanowią grupę związków o wyraźnym zabarwieniu.

Ze względu na barwę lub jej zmianę w zależności od pH, związki azowe są
powszechnie stosowane jako barwniki oraz wskaźniki kwasowo-zasadowe.

N

+

N

+

Cl

-

OH

fenol

N a O H

N

N

OH

p -hydroksyazobenzen

zw azowy (zolty)

Gdy polozenie para jest zajete, sprzeganie zachodzi w pozycji orto

-

.

N

+

N

+

Cl

-

C

H

3

OH

+

N a O H

N

N

O

H

CH

3

zw azowy

benzoazo -p -krezol

N

+

N

+

Cl

-

N

CH

3

CH

3

+

N

N

N

CH

3

CH

3

benzenoazodimetyloanilina

(zolcien maslowa)

SO

3

H

NH

2

N a N O

2

, H C l

SO

3

-

N

+

N

+

N

CH

3

CH

3

kw sulfakilowy

N,N -dimetyloanilina

sol wew po diazowaniu

N

N

N

CH

3

CH

3

SO

3

H

p -sulfonobenzeno -azodimetyloanilina (heliantyna,oranz metylowy)

N

H

2

COOH

kw antranilowy

N a N O

2

, H C l

N

+

N

COO

-

sol wew po diazowaniu

+

N

CH

3

CH

3

N

N

N

CH

3

CH

3

COOH

o -karboksybenzeno -azodimetyloaminobenzen

(czerwien metylowa)

NH

2

N

H

2

(benzydyna)

+

NH

2

SO

3

H

NH

2

SO

3

H

N

N

SO

3

H

NH

2

[(czerwien kongo)

W wyniku sprzęgania z aminami 1

o

powstają najpierw związki diazowe,

które po ogrzaniu z solami amin aromatycznych, ulegają przekształceniu
w związki aminoazowe.

N

+

N

+

Cl

-

N

H

2

+

diazoaminobenzen

C

6

H

5

N H

2

* H C l

N

N

NH

N

N

NH

N

N

NH

2

p -aminoazobenzen (zolcien anilinowa)

Ad.3
Pod wpływem

, grupę diazoniową można zredukować do

grupy hydrazynowej. Metoda jest wykorzystywana do otrzymywania
aromatycznych pochodnych hydrazyny

NaHSO

3

lub SnCl

2

N

+

N

+

Cl

-

N a H S O

3

+ H

2

O

NH

NH

2

(*HCl)

chlorowodorek fenylohydrazyny

Występowanie i znaczenie amin
W przyrodzie występuje olbrzymia różnorodność związków aminowych,
od najprostszej metyloaminy do złożonych amin zwanych alkoloidami,
znanych ze swego działania biologicznego.

Aminy są licznie reprezentowane wśród syntetycznych leków, jakimi
dysponuje współczesna terapia, np. acetanilid noszący nazwę
antyfebryny, trujący alkaloid atropina służący w małych dawkach do
rozszerzania źrenicy w trakcie leczenia oczu, fenacetyna i anestezyna –
środki przeciwbólowe stanowiące składniki gazów anestetycznych.

Nie można zapominać o szkodliwości większości amin. Wiele z nich ma
silne właściwości narkotyczne, w większych dawkach działają paraliżująco
na układ nerwowy np. morfina, strychnina, muskaryna (składnik
muchomorów), meskalina (wyodrębniona z kaktusa).

N

N

CH

3

nikotyna

OH

3

C

OH

3

C

OH

3

C

CH

2

CH

2

NH

2

meskalina

N

C

H

3

COOCH

3

COOCH

3

kokaina

Kodeina, która jest eterem metylowym morfiny. Jest ordynowana przez
lekarzy jako lek przeciwkaszlowy i przeciwbólowy. Heroina, inna bliska
pochodna morfiny, nie występuje w postaci naturalnej, ale jest
otrzymywana na drodze diacetylowania morfiny

O

H

O

H

H

O

H

H

N

CH

3

morfina

OH

3

C

O

H

H

OH

H

N CH

3

kodeina

OH

3

C

O

H

H

OCH

3

C

H

N CH

3

O

O

heroina

Morfina i jej pochodne są wyjątkowo użytecznymi substancjami
farmakologicznymi, pomimo to stwarzają one poważny problem społeczny
ze względu na ich właściwości wywołania uzależnienia narkotycznego.
Wiele wysiłku włożono więc, w rozpoznawanie sposobu działania morfiny i
opracowanie zmodyfikowanych analogów morfiny, które zachowują jej
działania analegtyczne, ale nie powodują uzależnienia fizycznego.
Meperydyna (Demerol), szeroko stosowany analgetyk, oraz Metadon,
substancja stosowana w leczeniu uzależnienia heroinowego, to dwa
związki, które spełniają „regułę morfinową”

C

C

C

C

C

N

C

C

C

6

H

5

CH

3

O

N

CH

3

CH

3

metadon

CO

2

H

5

C

2

N

CH

3

meperydyna

Produkowane masowo przez przemysł organiczny aminy aromatyczne są
bardzo szkodliwe dla zdrowia. Są to związki toksyczne, w większości
rakotwórcze. Począwszy od aniliny wywołują one nie gojące podrażnienia
skóry; wchłaniane przez skórę mogą doprowadzić do zatrucia organizmu.
Do najbardziej niebezpiecznych należą naftyloaminy i benzydyna.

Naftyloaminy otrzymuje się w procesie redukcji nitronaftalenów, natomiast
benzydynę w wyniku przegrupowania benzydynowego związków
hydrazowych.

NH

NH

o g r z

N

H

2

NH

2

hydrazobenzen

benzydyna

Największym zagrożeniem dla zdrowia są nitrozoaminy, stanowiące
produkty niecałkowitego utleniania amin 2º. Są to związki silnie
rakotwórcze

(CH

3

)

2

NH

u t l

1 0 �C

(CH

3

)N -NO

N,N -dimetylo -N -nitrozoamina

dimetyloamina

Obecność związków nitrozowych została wykryta w konserwowanych
produktach spożywczych.

Przykładem aminy 3º, mającym duże znaczenie, jest tzw. iperyt azotowy
i jego pochodne. Związek ten wywołuje silne podrażnienia skóry
wchodząc w reakcję z białkiem i niszcząc je (hamuje podział komórek).
Pochodne iperytu stosowane są jako składniki leków
antynowotworowych.

N

H

CH

2

CH

2

Cl

CH

2

CH

2

Cl

i

R

CH

2

CH

2

OH

CH

2

CH

2

OH

iperyt azotowy (gaz bojowy)

N -alkilo,N,N -dietanoloamina

R

NH

2

( C H

2

)

2

O

R

CH

2

CH

2

OH

CH

2

CH

2

OH

S O C l

2

R

CH

2

CH

2

Cl

CH

2

CH

2

Cl

Ad.III
Nitryle i izonitryle (cyjanki i izocyjanki) są pochodnymi cyjanowodoru.
Cyjanowodór istnieje tylko w postaci H-CΞN, natomiast jego pochodne
tworzą 2 odmiany tautometryczne

R

C

N

R

N

NH

nitryl (cyjanek)

izonitryl (izocyjanek)

W chemii organicznej ważną rolę odgrywają nitryle, związki o bardzo
reaktywnej grupie funkcyjnej.

Izonitryle mają mniejsze znaczenie.

Reaktywnym miejscem w grupie nitrylowej jest atom C grupy -CN; ponadto
wykazują one reaktywność przy atomie C 

C

C

N

C

N

miejsca aktywne w nitrylach

W związkach aromatycznych, grupa -CN wywiera wpływ dezaktywujący
na pierścień i kieruje podstawniki elektrofilowe w położenie –meta.

Metody otrzymywania nitryli i izonitryli.
1.

z chlorowcopochodnych z cyjankami metali

R-X + NaCN



R-CN cyjanek

R-X + AgCN



R-NC izocyjanek

Różnica w produktach reakcji jest wynikiem różnic budowy cyjanków
metali. Cyjanek sodowy jest zdysocjowany, a zatem nukleofilem
atakującym chlorowcopochodną jest anion CN

-

.

Cyjanek srebrowy (nierozpuszczalny) o budowie kowalencyjnej
uniemożliwia reakcję przy atomie C.

2.

z amidów kwasowych

O

NH

2

CN

S O C l

2

, p i r y d y n a

8 0 �C

benzonitryl

benzoamid

3.

z amin 1

o

przez odwodnienie

CH

2

NH

2

CH

2

NH

2

benzyloamina

N i O

2

- 2 H

2

N a O H , C H C l

3

CN

benzonitryl

N

CH

2

Właściwości chemiczne nitryli

1. hydroliza do kwasów karboksylowych.
Nitryle ulegają hydrolizie do kwasów zarówno w środowisku kwaśnym jak

i zasadowym. Produktem przejściowymi są w tej hydrolizie amidy
kwasowe, ale reakcji nie udaje się zatrzymać na etapie amidu.

W hydrolizie zasadowej nukleofilem atakującym atom C grupy CN jest

OH-.

R

C

N

O H

-

R

C

N

-

OH

H

+

OH

R

C

NH

O

R

C

NH

2

H

2

O

R -COOH

W hydrolizie kwasowej, najpierw proton przyłącza się do atomu N grupy
-CN a potem następuje atak nukleofilowy cząsteczki wody na atom C

R

C

N

R

C

N

+

H

OH

2

+

R

C

NH

O

H

R

C

NH

H

2

O

R -COOH

H

+

H

2

O

- H

+

O

R

C

NH

2

2. redukcja do amin 1

o

R-CN

N a ( a l k o h o l )

l u b L iA lH

4

lu b n ik ie l R a n e y a

R

2

CH

2

NH

2

3. reakcja Rittera.
Nitryle z alkoholami 3º tworzą N-acylowe pochodne amin

R

C

R

R

OH

+

R -CN

H

2

S O

4

, H

2

O

R

C

R

R

NH

C

R

O

Jest to rzadka reakcja, w której grupa aminowa łączy się z 3º
atomem C

Reakcje zachodzące przy węglu 

4. alkilowanie w położenie 

R -CH

2

-CN

R - X

C

H

3

C

H

3

CH CN

5. reakcje kondensacyjne – zachodzą tylko dla nitryli posiadających H
przy węglu . Są to reakcje analogiczne do kondensacji aldolowej

Ad. IV
Cyjaniany i izocyjaniany
Kwas cyjanowy istnieje tylko w postaci zawierającej H przy atomie N, a
więc w postaci kwasu izocyjanowego

N

C

OH

N

H

2

CH O

kw cyjanowy

kw izocyjanowy (tantomeria kw cyjanowego)

Trwałe są pochodne organiczne kwasu izocyjanowego. Kwas cyjanowy
otrzymuje się z kwasu cyjanurowego a ten z mocznika

N

H

2

N

H

2

O

3

- 3 N H

3

NH

N

H

N

H

O

O

O

3HNCO

mocznik

kw cyjanurowy

kw izocyjanowy

Izocyjaniany są związkami
o dużej reaktywności
względem odczynników
nukleofilowych. Cyjaniany
nie mają większego
znaczenia

Właściwości chemiczne izocyjanianów

1. hydroliza do amin.
Produktem przejściowym, w reakcji są nietrwałe kwasy karbaminowe,

ulegające samorzutnej dekarboksylacji

R

N

C

O

H O H

R

NH

COOH

kw karbaminowy

- C O

2

R

NH

2

amina

2. z alkoholami tworzą karbaminiany tzw. uretany

R

N

C

O

R

NH C

O

OR

R O H

(karbaminian,uretan)

3. z NH

3

i aminami tworzą pochodne mocznika

R

N

C

O

R

NH C

O

NH

R

(pochodna dialkilowa mocznika)

R N H

2

Ważną pochodną kwasu cyjanowego, z punktu widzenia praktycznego,
jest melamina, czyli cyjanamid, służąca do wyrobu tworzyw melaminowo-
fenolowych

N

C

NH

2

3

cyjanamid

N

C

C

N

N

C

NH

2

NH

2

N

H

2

Organiczne związki fosforu, arsenu, antymonu i bizmutu

W celu uzupełnienia wiadomości o organicznych związkach azotu, zostaną
scharakteryzowane związki organiczne pozostałych pierwiastków grupy V.

Im pierwiastek grupy V jest położony w wyższym okresie układu

okresowego, tym wykazuje bardziej metaliczny charakter.
Azot ma wyraźnie niemetaliczny charakter, o czym świadczy jego trwały
związek z wodorem – amoniak i jego nietrwałe tlenki.

Różnice zasadowości między NH

3

i analogicznymi związkami pozostałych

pierwiastków są następujące:

NH

3

>PH

3

>AsH

3

>SbH

3

c h a ra k te r z a s a d o w o �c i

Podobnie w przypadku związków analogicznych do amin.
a)

Aminy – zasadowe

b)

Fosfiny – słabo zasadowe.

c)

Arsyny – obojętne

a) Związki fosfoorganiczne
Fosfor tworzy połączenia analogiczne do amin, noszące nazwę – fosfiny.

Fosfiny wywodzą się z fosforiaku –PH

3

.

Istnieją fosfiny 1, 2, 3 i 4

o

.

Wykazują mniej zasadowy charakter od amin. Utleniają się bardzo łatwo:
1 i 2

o

do odpowiednich kwasów fosfonowych a 3

o

do tlenków trialkilofosfin

R -PH

2

u t l

OH

P

R

OH

O kw alkilofosforowy

Ist

IIst

R

2

-PH

u t l

OH

P

R

O

R kw alkilofosfinowy

IIIst

R

3

-P

u t l

R

P

R

O

R kw trialkilofosfinowy

Fosfiny są związkami o bardzo
nieprzyjemnych zapachach. Są trujące

F

P

OHC(H

3

C)

2

O

CH

3

sarin (ester izopropylowy kwasu fluorometylofosfinowego)

b) Związki arsenoorganiczne.
Arsen tworzy arsyny, będące pochodnymi arsenowodoru. – AsH

3

.

Istnieją arsyny 1, 2, 3 i 4

o

.

W powietrzu, utleniają się samorzutnie, najczęściej są samozapalne.

Otrzymuje się je z kakodylu.

Kakodylem nazywane są wszystkie związki arsenoorganiczne zawierające

ugrupowania (CH

3

)

2

As-

Kakodyl został odkryty przez Cadeta, w czasie destylacji arszeniku z

octanem potasu.

As

O

O

As

O

arszenik

+

4CH

3

COOK

- C O

2

CH

3

CH

3

As

O

As

C

H

3

CH

3

tlenek kakodylu

Wolny kakodyl powstaje w reakcji chlorku kakodylu z cynkiem

CH

3

As

CH

3

C

H

3

O

As

CH

3

tlenek kakodylu

+

2

As Cl

C

H

3

C

H

3

2

Z n

- Z n C l

2

chlorek kakodylu

As

CH

3

C

H

3

dimer

c) Organiczne związki antymonu
Antymon tworzy tylko stybiny 3 i 4

o

.

Wykazują charakter metaliczny.
Wobec kwasów zachowują się jak metale, wypierając wodór

R

3

Sb + 2 HCl

C

H

3

Sb

Cl

Cl

+ H

2

d) Organiczne związki bizmutu.
Bizmut tworzy co prawda, połączenia typu R

3

Bi o nazwie bizmutyny, ale

nie są to związki o charakterze zasadowym.

Pod wpływem kwasów rozkładają się:

(CH

3

)

3

bI + 3HCl

BiCl

3

+ 3CH

4

Bizmutyny, częściej traktuje się jako metaliczne pochodne
węglowodorów, tj.

C

H

3

H

C

H

3

H

C

H

3

H

+

Bi

(CH

3

)

3

Bi

trimetylobizmut

Bizmutyny stanowią pomost pomiędzy związkami czysto organicznymi
a związkami metaloorganicznymi

Związki metaloorganiczne

Związkami metaloorganicznymi określa się te substancje, w których atom
metalu jest bezpośrednio połączony z atomem C.
Spośród znanych obecnie związków metaloorganicznych do
najważniejszych należą pochodne: litu, sodu, potasu, magnezu, glinu,
cynku, kadmu, rtęci, cyny i ołowiu.

Nazwy ich tworzy się, traktując grupy organiczne jako podstawniki przy
atomach metalu. (Wyjątek stanowią pochodne acetylenu zwane
acetylenkami).
Można je uważać za związki pochodne alkanów lub bardziej
skomplikowanych połączeń, w których atom H został zastąpiony metalem

C

H

3

H

C

H

3

H

+

Zn

CH

3

CH

3

Zn

cynkodimetyl lub dimetylocynk

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

-H + Li

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

Li
n

-

butylolit lub litobutyl

CH

3

CH

2

MgBr bromek etylomagnezowy

C

6

H

5

HgCl chlorek fenylorteciowy

Br -CH

2

-COOC

2

H

5

+ Zn ------> Br -Zn -CH

2

-COOC

2

H

5

ester etylowy kw

a - bromooctowego (r. Reformackiego))

Wszystkie związki metaloorganiczne odznaczają się dużą reaktywnością
chemiczną, przy czym najbardziej reaktywnym miejscem cząsteczki jest
wiązanie węgiel-metal. Przyjmuje się, że wiązanie to jest typu jonowego
lub jest to wiązanie atomowe spolaryzowane.
Wyjątkowo reaktywne są połączenia metaloorganiczne: litu, sodu, potasu,
magnezu, glinu i cynku. Związków tych nie udaje się wyodrębnić w stanie
czystym. Istnieją tylko jako roztwory, produkty lub substraty, pewnych
reakcji chemicznych.
Na powietrzu łatwo się utleniają, są samozapalne!

Każdy metal, tworzący związek metaloorganiczny, jest mniej
elektroujemnym pierwiastkiem od węgla i dlatego wiązanie między
atomem C i metalem jest silnie polarne

R -M

d

-

d

+

Związki metaloorganiczne mają ogromne zastosowanie, głównie dzięki
jednej wspólnej właściwości: mogą służyć jako źródło atomów C.

Przyjmuje się, że reakcja wymiany metalu jest reakcją podstawiania
elekrofilowego S

E2

przy atomie C, ponieważ w stanie przejściowym z

atomem C połączona jest zarówno grupa odchodząca jak i przyłączony
odczynnik elektrofilowy:

C

M

+

X

+

C

X

Md

+

d

-

C

X

+

M

+

schemat podstawienia elektrofilowego SE

2

Wśród związków metaloorganicznych, najbardziej znane i
rozpowszechniane są związki magnezoorganiczne, zwane związkami
Grignarda (1900r.)
Związki Grignarda otrzymuje się w reakcji halogenków z metalem w
obecności suchego eteru. Większość z nich jest wybuchowa!

Znane są 2 typy połączeń magnezoorganicznych

R

Mg

R

1

R

Hg

R

+

Mg

R

Mg

R

+

Hg

2

R -MgX

RX + Mg

s u c h y

e t e r

RMgX

Połączenia typu 1 otrzymuje się w reakcji wymiany dialkilortęci z
magnezem, podobnie jak w przypadku otrzymywania dialkilosodu.

Reakcja halogenku alkilu z Mg lub Na typu 2 zawsze prowadzi do bardziej
złożonych, symetrycznych alkilów. (synteza Wurtza).

CH

3

J 2Na

CH

3

J CH

3

Na

CH

3

Na

CH

3

-CH

3

2CH

3

J 2Mg

C

H

3

Mg

C

H

3

+

MgJ

2CH

3

J

C

H

3

Mg

C

H

3

2CH

3

-CH

3

+

+

+

+

Podstawienie elektrofilowe przy atomie C w związkach Grignarda

CH

3

MgJ + HOH

CH

4

+ MgOHJ

CH

3

MgJ + HO -R

CH

4

+

OR

Mg

I

RMgX + HNH

2

R -H

Mg

NH

2

X

+

RMgX + R -NH

2

R -H

+

Mg

NHR

X

RMgX

+

R

1

R

1

O

R

1

R

1

R

OMgX

H O H

R

1

R

1

R

OH

+

Mg

OH

X

alkohol 3st

RMgX

+

R

1

H

O

R

1

H

R

OMgX

H O H

R

1

H

R

OH

+

Mg

OH

X

alkohol 2st

RMgX + HSH

R -SH (tiol) +

RMgX + CO

2

R -COOMgX

H

+

R -COOH kwas

3(C

6

H

5

)MgBr + PCl

3

P(C

6

H

5

)

3

+

Mg

Cl

Br

3

fosfina

Drugą grupą związków metaloorganicznych są związki rtęcioorganiczne. Są one
mniej reaktywne od związków Grignarda, ale za to nie utleniają się na
powietrzu (są bezpieczne) i są odporne na działanie wody. Wiązanie C-Hg jest
jednak bardzo reaktywne i dlatego służy między innymi do otrzymywania
innych związków metaloorganicznych. Ze względu na bardzo łatwy sposób
powstawania tych związków, są one bardzo niebezpieczne dla zdrowia. Mogą
się kumulować np. w rybach, gdyż środowisko wodne nie przeszkadza w
tworzeniu tego typu połączeń i ich pochodnych.

Dość często wykorzystuje się w syntezie organicznej organiczne związki talu

+

(CF

3

COO)

3

Tl

Tl(OOCCF

3

)

2

+

CF

3

COOH

90%

Praktyczne znaczenie reakcji talowania w syntezie organicznej wynika z kilku

powodów:

1. grupa Tl(OOCCF

3

)

2

może być łatwo zastąpiona innymi podstawnikami

2. talowanie podstawionych pochodnych benzenu prowadzi do powstawania

prawie wyłącznie tylko jednego izomeru, a nie mieszaniny wynikającej z
wpływu skierowującego podstawników. Fluorowce i grupy alkilowe
skierowują grupę Tl(OOCCF

3

)

2

w pozycję para, a niektóre podstawniki

zawierające tlen skierowują wyłącznie w położenie orto, nawet jeśli jest to
niezgodne z ich normalnym wpływem skierowującym.

Grupę

można szczególnie łatwo zastąpić atomem jodu przez

proste ogrzewanie z wodnym roztworem KI. Jest to w tej chwili najprostsza
metoda otrzymywania dość trudno dostępnych aromatycznych
pochodnych jodu

Tl(OOCCF

3

)

2

+

(CF

3

COO)

3

Tl

Tl(OOCCF

3

)

2

+

CF

3

COOH

90%

C(CH

3

)

3

( C F

3

C O O )

3

T l

Tl(OOCCF

3

)

2

C(CH

3

)

3

K I , H

2

O

I

C(CH

3

)

3

93%

Do innych grup, które można wprowadzić na miejsce wiązania węgiel –
tal, należą OH, CN, SH, SCN, NH

2

.

Przykładem przebiegu reakcji niezgodnego z wpływem skierowującym
podstawnika jest talowanie kwasu benzoesowego.

COOH

( C F

3

C O O )

3

T l

COOH

Tl(OOCCF

3

)

2

K I

COOH

I

kwas o -jodobenzoesowy

Ferrocen
Jednym z najbardziej osobliwych związków metaloorganicznych jest
dicyklopentadienylożelazo (ferrocen), najważniejszy przedstawiciel grupy
związków zwanych metalocenami. Ferrocen można łatwo otrzymać
różnymi sposobami, np. w reakcji sodowej pochodnej cyklopentadienu z
chlorkiem żelazawym

2C

5

H

5

Na + FeCl

2

(C

5

H

5

)

2

Fe + 2NaCl

Atom żelaza w ferrocenie jest połączony z pierścieniami
cyklopentadienowymi za pośrednictwem elektronów ¶, które w łącznej
liczbie 12 uzupełniają wypełnianie poziomów 3d i 4s żelaza do trwałej
konfiguracji 18 elektronów. Dzięki temu ferrocen jest wyjątkowo trwałym
związkiem o wyraźnie zaznaczonych właściwościach aromatycznych. W
cząsteczce ferrocenu atom żelaza znajduje się między ułożonymi
równolegle, jeden nad drugim, pierścieniami cyklopentadienowymi. Inne
metaloceny są zbudowane podobnie

Fe

budowa ferrocenu

Organiczne związki siarki

Spośród organicznych związków siarki najważniejsze to:

I

Tioalkohole (merkaptany, tiole)

II

Tioetery (sulfidy, siarczki alkilowe)

III

Kwasy sulfonowe

Ad. I
Tioalkohole są to związki zawierające grupę -SH. Są one pochodnymi H

2

S

i jako takie mają bardziej kwaśny charakter od alkoholi, których
pierwowzorem jest H

2

O. Ich kwaśny charakter ujawnia się w zdolności do

tworzenia soli, noszących nazwę merkaptydów.

Metody otrzymywania tioalkoholi

RX

+

KSH

RSH

+

KJ

C

2

H

5

J

KSH

+

wodorosiarczek potasowy

C

2

H

5

SH

+

KJ

merkaptan etylowy

ROH

+

S

H

2

300�C

ThO

2

RSH

+

O

H

2

C

H

3

OH

+

S

H

2

-H

2

O

CH

3

SH

merkaptan metylu

Właściwości merkaptanów

Merkaptany bardzo łatwo utleniają się do disiarczków (disulfidów)

2C

2

H

5

SH

H

2

O

2

C

2

H

5

- S - S - C

2

H

5

disiarczek etylu

Pod wpływem silniejszych utleniaczy merkaptany ulegają przekształceniu
w kwasy sulfonowe

2C

2

H

5

SH

+

6MnO

4

+

18H

+

C

H

3

S

O

O

OH

+

6Mn

2

+

+

9H

2

O

Taki proces redox jest podstawą wielu reakcji zachodzących w
organizmach żywych, w których białka zawierające grupę –SH podlegają
procesom utleniania i redukcji.

W obecności zasad tworzą sole (merkaptydy)

C

2

H

5

SH

+

NaOH

-H

2

O

C

2

H

5

SNa

etylomerkaptyd sodowy

2C

2

H

5

SH

+

HgO

-H

2

O

(C

2

H

5

S)Hg

merkaptyd rteci

Merkaptany są oleistymi cieczami o odrażającym zapachu, nawet w
stanie wielkiego rozcieńczenia.
C

4

H

9

SH – merkaptan butylu jest głównym składnikiem płynu

wydzielanego przez skunksa.

Poddane redukcji w obecności silnych reduktorów, rozpadają się do
odpowiednich węglowodorów i H

2

S. Reakcja jest bardzo przydatna, w

procesie oczyszczania zasiarczonej ropy naftowej

RSH

red. H

2

S

H

2

+

RH

Ad. II
Tioetery można także traktować jako pochodne H

2

S

S

H

H

S

R

R

(tioeter, sulfid, siarczek)

W stanie czystym mają dość przyjemny zapach, np. disulfid allilu
CH

2

=CH-CH

2

-S-S-CH

2

-CH=CH

2

znajduje się w olejku eterycznym czosnku.

Metody otrzymywania tioeterów

1. W reakcjach K

2

S z chlorowcopochodnymi alkilowymi

2C

2

H

5

Cl

+

K

2

S

-2KCl

C

2

H

5

- S - C

2

H

5

siarczek dietylu

(sulfid dietylowy)

2. W reakcji Williamsona, z merkaptydów z chloropochodnymi
alkilowymi

C

2

H

5

SNa

+

JCH

3

etylomerkaptyd sodowy

-NaJ

C

2

H

5

- S - CH

3

sulfid metylowo-etylowy

tioeter metylowo-etylowy

Właściwości tioeterów

Tioetery można utleniać w zależności od środka utleniającego do
sulfotlenków lub do sulfonów

C

2

H

5

- S - C

2

H

5

H

2

O

2

C

H

3

S

O

CH

3

sulfotlenek dietylu

C

2

H

5

- S - C

2

H

5

KMnO

4

C

H

3

S

O

CH

3

O

dietylosulfan

Tioetery mają bardzo słabo zasadowy charakter, ujawniający się w
reakcjach z halogenkami alkilowymi. W wyniku reakcji tworzą się sole
sulfoniowe (analogiczne do soli amoniowych).

S

R

R

+

RX

S

+

R

R

R

X

-

s�l sulfoniowa

Oderwanie atomu wodoru w pozycji  przekształca sole sulfoniowe w

osobliwe związki, zawierające ujemnie naładowany atom węgla, połączony
bezpośrednio z dodatnio naładowanym atomem siarki.

(CH

3

)

2

S

+

- CH

3

I

-

+

NaH

NaI

H

2

+

+

(CH

3

)

2

S

+

- CH

2

-

(CH

3

)

2

S=CH

2

dwie struktury graniczne ylidu siarkowego

Związki tego typu, w których ujemny atom węgla sąsiaduje z dodatnim
heteroatomem, a jednocześnie mogą utworzyć wiązanie podwójne
węgiel-heteroatom, są nazywane ylidami.
Ylidy są z reguły mało trwałymi związkami, ale można je łatwo otrzymać
i wykorzystywać jako reaktywne czynniki w syntezie organicznej, pod
warunkiem, że natychmiast po otrzymaniu zostaną użyte do dalszych
reakcji.
Przykładem zastosowania ylidów siarkowych są reakcje, w których
ylidowy atom węgla przyłącza się do wiązań podwójnych C=O, C=C.

(CH

3

)

2

S

+

- CH

2

-

+

O

O

-

H

2

C

S

+

(CH

3

)

2

O

H

2

C

+

(CH

3

)

2

S

2(C

6

H

5

)

2

S

+

- C

-

(CH

3

)

2

+

COOCH

3

COOCH

3

COOCH

3

C

H

3

C

H

3

CH

3

CH

3

COOCH

3

Ylidy fosforowe
Ylidy siarkowe, aczkolwiek ich znaczenie w chemii organicznej jest
pokaźne, nie znajdują tak szerokiego zastosowania, jak odkryte w roku
1954 przez Wittiga ylidy fosforowe. Ogólna metoda syntezy tych ylidów
polega na reakcji trifenylofosfiny z fluorowcopochodnymi alkilowymi, po
czym na otrzymaną w ten sposób czwartorzędową sól fosfoniową działa
się silną zasadą. Wytworzony ylid bez wydzielania z mieszaniny
reakcyjnej poddaje się dalszym reakcjom

(C

6

H

5

)

3

P

+

C

X

H

trifenylofosfina

halogenopochodna

C

P

+

(H

5

C

6

)

3

X

H

X

-

czwartorzedowa s�l fosfinowa

C

P

+

(H

5

C

6

)

3

X

H

X

-

butylolit

P

+

(H

5

C

6

)

3

C

-

P(H

5

C

6

)

3

C

struktury graniczne ylidu fosforowego

Najprostszym przykładem ylidu fosforowego jest
trifenylometylenofosforan, ale przez zastosowanie fluorowcopochodnych
o różnej budowie możliwe jest otrzymywanie ylidów fosforowych z
różnymi podstawnikami przy ylidowym atomie węgla.

(C

6

H

5

)

3

P

+

CH

3

I

[(C

6

H

5

)

3

P-CH

3

]I

butylolit

(C

6

H

5

)

3

P - CH

2

trifenylometylenofosforan

(C

5

H

5

)

3

P

+

Br - CH

2

- CO

2

C

2

H

5

[(C

6

H

5

)

3

P - CH

2

- CO

2

C

2

H

5

]Br

butylolit

(C

6

H

5

)

3

P - CH - CO

2

C

2

H

5

trifenylokarboetoksymetylenofosforan

Ylidy fosforowe ulegają rozmaitym reakcjom, wśród których największe
znaczenie ma synteza związków nienasyconych, przebiegająca wg
schematu.

C

O

+

C

P(C

6

H

5

)

3

C

H

3

C

C

H

3

C

CH

3

CH

3

+

P(C

6

H

5

)

3

O

aldehyd lub keton

ylid fosforowy

tlenek trifenylofosfiny

Ad. III
Alifatyczne kwasy sulfonowe nie mają większego znaczenia, natomiast
aromatyczne kwasy sulfonowe i wszelkie możliwe ich pochodne znalazły
liczne zastosowanie. Są powszechnie produkowane przez przemysł
farmaceutyczny jako tzw. sulfonamidy (sulfamidy), leki o działaniu
antybakteryjnym.
Aromatyczne kwasy sulfonowe można traktować jako arylowe pochodne
kwasu siarkowego

H

SO

3

H

SO

3

H

Kwasy sulfonowe, podobnie jak kwas siarkowy, są silnymi kwasami. Z
metalami tworzą sole, zwane sulfonianami. Sole wapnia i baru są lepiej
rozpuszczalne w wodzie od soli metali alkaicznych.
Kwasy sulfonowe powstają w reakcji sulfonowania odpowiednich
substratów aromatycznych. Środkiem sulfonującym jest kwas siarkowy.
Wprowadzona do pierścienia aromatycznego grupa sulfonowa -SO

3

H jest

podstawnikiem II rodzaju, dezaktywującym pierścień, co oznacza, że
atak elektrofilowy innej grupy będzie kierowany w położenie –meta.

Otrzymywanie kwasów sulfonowych
1.

Sulfonowanie stęż. H

2

SO

4

H

2

SO

4

SO

3

H

kwas benzenosulfonowy

2.

Sulfonowanie oleum

HO

3

S

oleum

HO

3

S

SO

3

H

kwas meta-benzenosulfonowy

3.

Chlorosulfonowanie kwasem chlorosulfonowym – HOSO

2

Cl

W wyniku chlorosulfonowania otrzymuje się sacharynę i chloraminę T.

CH

3

HSO

2

Cl

CH

3

SO

2

Cl

CH

3

SO

2

Cl

i

p-sulfochlorek (sta�y)

o-sulfochlorek (ciek�y)

Z o-sulfachlorku otrzymuje się sacharynę

CH

3

SO

2

Cl

NH

3

CH

3

SO

2

NH

2

KMnO

4

COOH

SO

2

NH

2

NH

S

O

O

O

sacharyna

(imid kwasu o-sulfonobenzoesowego)

Sacharyna była I syntetycznym słodzikiem, odkrytym w 1879.
Sacharyna jest kilkaset razy bardziej słodka od sacharozy.

NH

S

O

O

O

saccharin

NHSO

3

Na

cyclamate

W 1937 zsyntezowano następny syntetyczny słodzik – cyklamat.

W 1969 r. udowodniono, że cyklamat wywołuje raka u zwierząt
doświadczalnych. Rok później został wycofany z użycia.
W 1977 r. odkryto kancerogenne działanie sacharyny. Pojawienie się raka
u szczurów skarmianych sacharyną spowodowało zakaz jej stosowania.
W latach 1980 popularnym środkiem słodzącym był aspartam. Aspartam
nadawał się do słodzenia jedynie napojów chłodzących, gdyż w
podwyższonych temperaturach tracił słodki smak. Szybko stwierdzono, że
spożywanie aspartamu wywołuje problemy medyczne, zwłaszcza u osób
cierpiących na fenyloketonurię.
Obecnie stosuje się sorbitol – cukier prosty, którego główną zaletą jest to,
że nie powoduje próchnicy zębów, gdyż jego rozkład w jamie ustnej ma
inny przebieg niż sacharozy.

O

N

H

2

O

OH

NH

O

O

CH

3

C

6

H

5

aspartam

CH

2

OH

H

OH

OH

H

H

OH

H

OH

CH

2

OH

sorbitol

Z p-sulfochlorku otrzymuje się chloraminę T – środek antyseptyczny.

CH

3

SO

2

Cl

NH

3

CH

3

SO

2

NH

2

NaOH

NaCl

CH

3

O

2

S

N

Na

Cl

chloramina T

(s�l sodowa chloramidu

kw. p-toluenosulfonowego)

Wielkie znaczenie w tej grupie związków ma kwas sulfanilowy, powstający
z aniliny

NH

2

H

2

SO

4

-H

2

O

NH - SO

3

H

anilina

kwas fenyloaminobenzoesowy

izomeryzacja

200�C

NH

2

SO

3

H

kwas sulfanilowy

(p-aminobenzenosulfonowy)

Kwas sulfanilowy z metalami nie tworzy soli, natomiast tworzy tzw. sól
wewnętrzną (jest jonem dwubiegunowym).

N

H

2

SO

3

H

H

3

N

SO

3

Znaczenie praktyczne kwasów sulfonowych
Amid kwasu sulfanilowego i niektóre jego podstawione pochodne mają
duże znaczenie w medycynie jako leki sulfamidowe. Sulfanilamid (amid
kwasu sulfanilowego) ma działanie przeciwbakteryjne.
Do chwili obecnej otrzymano i zbadano aktywność przeciwbakteryjną
ponad 6000 sulfamidów, ale tylko kilkanaście znajduje zastosowanie w
medycynie.
Działanie sulfanilamidu jest przykładem działania biologicznego opartego
na analogii strukturalnej. Sulfanilamid wykazuje podobieństwo
strukturalne do kwasu
p-aminobenzoesowego i może blokować miejsca aktywne białek
przeznaczone dla tego kwasu. Sulfanilamid hamuje więc rozwój bakterii,
zbudowanych z takiej konfiguracji białek, które nie odróżniają kwasu p-
aminobenzoesowego (powstającego w jednym etapów biosyntezy) od
sulfanilamidu.

Bakterie wykorzystują kwas p-aminobenzoesowy do biosyntezy kwasu
foliowego, niezbędnego do ich rozwoju.

N

H

2

CO

2

H

kwas p-aminobenzoesowy

Sulfanilamid strukturalnie przypomina kwas p-aminobenzoesowy

N

H

2

SO

2

NH

2

sulfanilamid

Sulfamidy otrzymuje się z kwasów sulfonowych, a właściwie z ich
chlorków

SO

3

H

PCl

5

SO

2

Cl

NH

3

SO

2

NH

2

kwas

benzenosulfonowy

chlorek kw.

amid kw. benzenosulfonowego

Sulfanilamidy otrzymuje się najczęściej aniliny przez sulfonowanie,
stosując acetylowanie grupy aminowej, w celu zabezpieczenia przed
ubocznymi reakcjami pomiędzy grupą –NH

2

jednej cząsteczki z –SO

3

Cl

drugiej

NH

2

CH

3

COOH

anilina

NHCOCH

3

acetanilid

H

2

SO

4

NHCOCH

3

SO

3

H

kwas p-acetamidobenzenosulfonowy

PCl

5

NHCOCH

3

SO

2

Cl

chlorek p-acetamidobenzenosulfonowy

NHCOCH

3

SO

2

Cl

chlorek

NH

3

NHCOCH

3

SO

2

NH

2

amid

HOH

rozc. HCl

NH

2

SO

2

NH

2

sulfanilamid

W 1930 roku po raz pierwszy zaobserwowano antybakteryjne działanie
barwnika azowego, będącego pochodną sulfanilamidu, o nazwie Prontosil

SO

2

NH

2

NH

2

NaNO

2

HCl

SO

2

NH

2

N

2

Cl

SO

2

NH

2

N

2

Cl

+

NH

2

NH

2

m-fenylenodiamina

N

N

NH

2

H

2

N

SO

2

NH

2

Obecnie stosuje się dziesiątki leków sulfonowych

N

H

2

SO

2

NH

sulfapridyna

N

H

2

SO

2

N

NH

2

NH

2

sulfaguanidyna

N

H

2

S

SO

2

N

N

OCH

3

OCH

3

madroksim

Synteza sulfatiazolu

O

Cl

+

N

H

2

S

NH

2

N

S

NH

2

aldehyd chlorooctowy

tiomocznik

2-aminotiazol

N

S

NH

2

+

H

3

N

SO

3

N

S

NH

SO

2

NH

2

Właściwości kwasów sulfonowych
I

Reakcje w obrębie grupy sulfonowej

1.

Z metalami tworzą sole

SO

3

H

NaOH

SO

3

Na

benzenosulfonian sodu

2.

Dają analogiczne pochodne jak kwasy karboksylowe. Nie dają

się tylko bezpośrednio estryfikować, w związku z czym, amidy i estry
otrzymuje się z chlorków kwasów sulfonowych

SO

3

H

PCl

5

SO

2

Cl

benzenosulfochlorek

SO

2

Cl

NH

3

SO

2

NH

2

benzenosulfoamid

SO

2

Cl

C

2

H

5

ONa

SO

2

OC

2

H

5

ester etylowy kwasu benzenosulfonowego

3.

Chlorki kwasów sulfonowych ulegają reakcjom Friedla-Craftsa

SO

2

Cl

+

AlCl

3

SO

2

difenylosulfan

II

Reakcje z rozerwaniem wiązania C-S

1.

Hydroliza rozcieńczonym H

2

SO

4

SO

3

H

HOH

rozc. H

2

SO

4

150-160�C

+

H

2

SO

4

2.

Otrzymywanie fenoli przez stapianie sulfonianów sodu z NaOH

SO

3

Na

NaOH

300�C

ONa

+

NaHSO

3

fenolan sodu

3.

Otrzymywanie nitryli (reakcja nie ma znaczenia praktycznego)

SO

3

Na

KCN

200�C

CN

K

2

SO

4

+

cyjanek fenylu

4.

Otrzymywanie aromatycznych merkaptanów

SO

3

Na

NaHS

SH

merkaptan fenylu

SH

KMnO

4

SO

3

H

Reakcje utleniania aromatycznych markaptanów świadczą o
bezpośrednim wiązaniu S z pierścieniem.

Aromatyczne związki heterocykliczne

Związki heterocykliczne zawierają jako podstawę budowy pierścień,
którego jeden lub więcej członów stanowi heteroatom, zazwyczaj O, S lub
N. Znane są również układy heterocykliczne zawierające bor, krzem, fosfor,
arsen, selen. Istnieje ogromna różnorodność związków heterocyklicznych
zwłaszcza, jeśli wziąć pod uwagę te z nich, które zawierają więcej niż jeden
heteroatom.
Do chwili obecnej poznano kilkanaście tysięcy podstawowych układów
pierścieniowych zawierających heteroatomy.

Przedmiotem wykładu będą układy najważniejsze i najczęściej spotykane,
czyli heterocykle o pierścieniach pięcio- i sześcioczłonowych, zawierające
atomy O, S i N.

W nazewnictwie pierścieni heterocyklicznych obowiązują dwa systemy.
I – opiera się na nazwach zwyczajowych
II – opracowany przez IUAPC, polegający na tym, że za podstawę nazwy
uważany jest nasycony lub aromatyczny węglowodór, a obecność
heteroatomu oznacza się przez umieszczenie przedrostka oksa (tlen), aza
(azot), tia (siarka).
Pozycję heteroatomu, określa się takim numerem, aby był jak najmniejszy.
Jeśli w pierścieniu znajdują się dwa lub więcej heteroatomów tego samego
rodzaju np. N numerację zaczyna się od nasyconego atomu N.

N

H

azol (pirol)

N

N

H

1, 2-diazol (pirazol)

O

N

S

oksol (furan)

S

tiol (tiofen)

1, 2-tiazol (tiazol)

O

oksan

O

O

1, 4-diokan

I. Związki heterocykliczne o pierścieniach pięcioczłonowych

Najprostszymi związkami heterocyklicznymi
pięcioczłonowymi zawierającymi
1 heteroatom są: pirol, furan i
tiofen. Każdy z omawianych związków
wykazuje charakter aromatyczny,
który jest wynikiem budowy.

Każdy atom pierścienia pirolu, zarówno C jak i N połączony jest z 3
innymi atomami za 3 wiązań σ. Wiązania te są utworzone przez trzy
orbitale sp2 leżące w tej samej płaszczyźnie. Po oddaniu po jednym
elektronie do każdego wiązania σ, każdy atom C ma jeszcze po 1
elektronie, natomiast atom N ma jeszcze 2 elektrony. Elektrony te
zajmują orbitale p.
Na skutek bocznego nałożenia orbitali p powstają 2 chmury elektronów
¶, powyżej i poniżej płaszczyzny pierścienia. Każda z tych chmur zawiera
po 6 elektronów, czyli sekstet elektronowy.
Delokalizacja elektronów ¶ powoduje stabilizację pierścienia.

N

H

azol (pirol)

O

oksol (furan)

S

tiol (tiofen)

Dodatkowa para elektronów N, która jest odpowiedzialna za zasadowość
wykazywaną zazwyczaj przez związki azotu, wchodzi w skład chmury
elektronów ¶
i nie może być wykorzystana do wiązania kwasów. Efektem tego jest
bardzo słabo zasadowy charakter pirolu.
Z tej samej przyczyny, pierścień pirolu charakteryzuje duża gęstość
elektronowa powodująca, że jest on bardzo reaktywny w reakcjach
substytucji elektrofilowej, nawet takich jak nitrozowanie i sprzęganie z
solami diazoniowymi.

Strukturę pirolu najlepiej przedstawia wzór, z którego jasno wynika, że N
oddaje elektrony do pierścienia.

Analogicznie przedstawia się struktury furanu i tiofenu

N

H

lub

N

H

O

lub

O

S

lub

S

Cząsteczki furanu i tiofenu mają wolną parę elektronową na orbitalu sp2.
Podobnie jak atom N w pirolu, atomy O i S dostarczają po 2 elektrony do
chmury elektronów ¶, w wyniku czego furan i tiofen zachowują się jak
bardzo reaktywne pochodne benzenu.

Metody otrzymywania pirolu, furanu i tiofenu.
Pirol
Pirol został odkryty przez Rungego, w produktach suchej destylacji olejku
kostnego. Syntetycznie pirol otrzymuje się wieloma metodami
1.

Z bursztynianiu amonu przez destylację i redukcję powstałego

imidu

COONH

4

COONH

4

bursztynian amonu

ogrz.

O

N

H

O

imid kwasu bursztynowego

H

2

/Zn (py�)

N

H

pirol

2.

Z acetylenu i amoniaku podczas przepuszczania przez

rozżarzone rury

C

H

CH

+

NH

3

+

C

H

CH

ogrz.

N

H

pirol

+

H

2

Furan
Furan znajduje się w produktach drewna drzew iglastych. Furan
otrzymuje się z furfuralu, który powstaje podczas działania kwasami
mineralnymi na łuski owsa, ryżu lub kaczany kukurydzy.

Furfural powstaje z zawartych w nich pentoz.

O

H

O

H

OH

OH

O

H

pentoza

cyklizacja

-3H

2

O

O

O

H

furfural

kat. tlenkowy

para wodna

400�C

O

furan

Tiofen
Na skale przemysłową tiofen otrzymuje się z butanu i siarki, dawniej
stosowano ogrzewanie acetylenu z siarką

1.

Z butanu z siarką

C

H

3

CH

3

+

S

560�C

S

+

H

2

S

2.

Z bursztynianu sodu przez ogrzewanie z P

2

S

3

COONa COONa

bursztynian sodu

P

2

S

3

ogrz.

S

tiofen

Reakcje podstawienia elektrofilowego w pierścieniach pirolu,
furanu i tiofenu

Ze względu na to, że pierścienie aromatyczne pirolu, furanu i tiofenu są
wzbogacone w elektrony podstawienie elektrofilowe w pierścieniu
zachodzi bardzo łatwo.
W reakcjach podstawienia elektrofilowego związki te wykazują
reaktywność podobną do fenoli i amin. Uprzywilejowanym miejscem
przyłączenia odczynnika elektrofilowego są pozycje sąsiadujące z
heteroatomem, a więc 2 i 5.
Mechanizm podstawienia elektrofilowego w pierścieniach pirolu, furanu i
tiofenu jest dokładnie taki sam jak w pierścieniu benzenu i polega na
przyłączeniu odczynnika elektrofilowego i następującej po tym eliminacji
protonu.
Warto zwrócić uwagę na łagodne warunki, w których zachodzą reakcje
podstawienia elektrofilowego, np.

N

H

+

C

H

3

Br

N

H

CH

3

2-propylopirol

O

+

(CH

3

CO)

2

O

bezwodnik octowy

eter dietylowy

BF

3

0�C

O

CO

CH

3

2-acetylofuran

S

+

HNO

3

(CH

3

CO)

2

O

S

NO

2

2-nitrotiofen

O

+

SO

3

pirydyna

20�C

O

SO

3

H

kwas 2-furanosulfonowy

SO

3

O

SO

3

H

HO

3

S

kwas 2, 3-furanodisulfonowy

O

+

Br Br

dioksan

25�C

O

Br

2-bromofuran

N

H

+

C

6

H

5

N

N Cl

0�C

N

H

N=N-C

6

H

5

2-(fenyloazo)pirol

O

+

HNO

2

O

NO

2

2-nitrozofuran

Pochodne pirolu, furanu i tiofenu
W wyniku katalitycznego uwodornienia (Ni) reakcje Sabatiera, każdy ze
związków traci charakter aromatyczny a zyskuje właściwości odpowiednich
związków cyklicznych.

N

H

H

2

, Ni, 200-250�C

N

H

pirolidyna (amina)

O

H

2

, Ni, 50�C

O

tetrahydrofuran (eter)

S

H

2

, Ni, 50�C

S

tetrahydrotiofen (tioeter)

Tetrahydrotiofen otrzymywany jest innymi metodami, gdyż obecność
siarki w jego cząsteczce zatruwa katalizator

Najważniejszą pochodną furanu jest fural (furfural), związek ulegający
reakcji Cannizzaro

O

CHO

fural

OH

O

CH

2

OH

+

O

COOH

alkohol alfa-furynowy

kwas piro�luzowy

Pod wpływem KCN fural ulega kondensacji do furoiny:

O

CHO

KCN

O

OH

O

O

furoina

(zwi�zek analogiczny do benzoiny)

Do najważniejszych pochodnych pirolu należą związki będące jego
homologami, a mianowicie, hemopirol i kryptopirol, stanowiące produkty
degradacji barwnika krwi – hemoglobiny (hemopirol) i zielonego barwnika
roślin – chlorofilu (kryptopirol)

N

H

H

3

C

H

3

C

CH

2

CH

3

hemopirol

N

H

H

3

C

CH

2

CH

3

CH

3

kryptopirol

Związek złożony z 2 skondensowanych pierścieni: pirolowego i
benzenowego o nazwie benzopirol (indol) jest bardzo rozpowszechnioną
pochodną pirolu. Indol jest produktem gnicia substancji białkowych,
wchodzi w skład niektórych hormonów (ludzkich), oraz np. hormonu
wzrostu roślin.
Indol ulega substytucji elektrofilowej w pozycji 3.
3-metyloindol (skatol) ma zapach kału.

N

H

indol

N

H

CH

3

skatol

Pochodną indolu jest indygotyna, podstawowy składnik indyga (błękitu
indygowego) barwnika znanego już w starożytności, obecnie
stosowanego do barwienia jeansów.
Indygotyna jest ciemnoniebieskim proszkiem, przesublimowana ma
postać miedzianoczerwonych igiełek. Nie rozpuszcza się w wodzie,
eterze, alkoholu, rozcieńczonych kwasach i zasadach, natomiast
rozpuszcza się na gorąco w anilinie i terpentynie. Stąd pochodzi trwałość
barwienia.
Ponieważ indygotyna nie rozpuszcza się w wodzie, aby umożliwić
barwienie tkanin, redukuje się ją do tzw. bieli indygowej, rozpuszczalnej
w wodzie i dopiero nasyca tkaninę. Roztwór natychmiast utlenia się
wprost na tkaninie tlenem z powietrza i regeneruje błękitny kolor.

Analogiczną pochodną tiofenu jak indol dla pirolu, jest tionaften. Z
tionaftenu otrzymuje się barwnik o nazwie czerwień tioindygowa.

S

tionaften

II. Związki heterocykliczne o pierścieniach sześcioczłonowych
Z aromatycznych związków o pierścieniach sześcioczłonowych
najważniejszym jest pirydyna.

N

alfa

beta

gamma

pirydyna

Konfiguracja elektronowa atomu N w cząsteczce pirydyny, różni się
znacznie od konfiguracji N w cząsteczce pirolu. Tak samo, jak w
cząsteczce pirolu, atom N i wszystkie atomy C są w stanie hybrydyzacji
sp2. Każdy z atomów C dostarcza 1 elektron do chmury elektronowej ¶
(razem 5). Atom N tworzy 2 wiązania, natomiast trzeci orbital sp2
atomu N zawiera po prostu wolną parę elektronową, która nie wchodzi
w skład chmury elektronów ¶. Ta wolna para elektronowa może wiązać
kwasy.

W wyniku takiej struktury pierścień pirydyny, jest zubożony w elektrony
i w związku z tym z trudnością ulega podstawieniu elektrofilowemu.

Otrzymywanie pirydyny
Głównym źródłem otrzymywania pirydyny oraz jej metylowych
pochodnych zwanych pikolinami jest smoła pogazowa z węgla
kamiennego. Pirydyna została odkryta przez Andersena w oleju kostnym.
Wyizolowano ją również z licznych alkaloidów np. koniiny. Syntetycznie
otrzymano ją kilkoma metodami. Najprostszy sposób polega na suchej
destylacji chlorowodorku pentametylenodiaminy, czyli kadaweryny, i
utlenianiu powstałej przy tym piperydyny

C

H

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

NH

2

* HCl

NH

2

* HCl

ogrz.

-NH

4

Cl

NH * HCl

chlorowodorek kadaweryny

chlorowodorek piperydyny

utl.

N

pirydyna

Reakcje pirydyny

1.

Reakcje substytucji elektrofilowej

Pirydyna, w swych reakcjach substytucji elektrofilowej przypomina silnie
zdezaktywowane pochodne benzenu. Tylko w drastycznych warunkach
ulega nitrowaniu, sulfonowaniu i chlorowcowaniu.
Nie ulega natomiast reakcjom Friedla-Craftsa.

Substytucja w cząstce pirydyny zachodzi głównie w pozycji 3 ().

N

KNO

3

, H

2

SO

4

300�C

N

O

2

N

3-nitropirydyna

N

H

2

SO

4

350�C

N

HO

3

S

kwas 3-pirydynosulfonowy

N

Br

2

300�C

N

Br

Br

2

N

Br

Br

3-bromopirydyna

3, 5-bromopirydyna

2.

Reakcja substytucji nukleofilowej

Ze względu na to, że pirydyna wykazuje słabe właściwości aromatyczne
(ma osłabiony pierścień), możliwe są w jej przypadku reakcje substytucji
nukleofilowej, za pomocą amidku sodowego lub fenylolitu.
Atak nukleofilowy ma miejsce w pozycjach 2 i 4 ( i ).

a)

reakcja Cziczibabina – aminowanie za pomocą amidu sodowego

N

NaNH

2

100�C

N

NH

2

2-aminopirydyna

+

H

2

b)

reakcja z fenylolitem

C

6

H

5

Li

100�C

N

C

6

H

5

2-fenylopirydyna

N

3.

Utlenianie i redukcja

W wyniku katalitycznej redukcji pirydyny, powstaje piperydyna będąca
alifatyczną aminą 2º.

N

H

2

, Pt, HCl

25�C

NH

Pirydyna utlenia się z trudnością, do N-tlenku pirydyny

N

kwas nadbenzoesowy

N

O

N-tlenek pirydyny

Natomiast pikoliny utleniają się z łatwością do odpowiednich kwasów:

N

COOH

kwas nikotynowy

N

COOH

kwas pikolinowy

N

CH

3

kwas izonikotynowy

Kwasy te mają charakter amfoteryczny, w roztworach występują jako
sole wewnętrzne.
Kwas nikotynowy, niacyna, jest otrzymywany na szerszą skalę przez
przemysł farmaceutyczny jako witamina PP.

Dietylowy amid kwasu nikotynowego
tzw. koramina, jest znany jako
popularny lek pobudzający akcję
serca, kardiamid.

N

N

O

C

2

H

5

C

2

H

5

koramina

Przedstawicielem tej grupy związków
(sześcioczłonowe z 1 heteroatomem) jest
także piran, związek zawierający O w
pierścieniu.

O

piran

Piran nie ma większego znaczenia, natomiast jego pochodna benzo--

piran znana jest jako kumaryna.

O

kumaryna

O

O

i

Kumaryna jest substancją zapachową występującą między innymi w
marzannie wonnej.
Dikumarol jest pochodną kumaryny, stosowaną jako trucizna na szczury.
Jest to związek o silnie toksycznych właściwościach.

III. Związki heterocykliczne o pierścieniach skondensowanych
Najważniejszą pochodną pirydyny jest chinolina, zawierająca pierścień
benzenowy, skondensowany z pierścieniem pirydynowym

N

1

2

3

4

5

6

7

8

a

b

chinolina

Chinolina ma budowę przypominającą naftalen i w związku z tym należy
oczekiwać podobnych izomerów. Istnieje 7 jednopodstawionych
pochodnych chinoliny. Właściwości chinoliny są wynikiem jej budowy,
tzn. połączenia czysto aromatycznego pierścienia benzenowego z
pierścieniem pirydyny, posiadającym słabo aromatyczny charakter.
Utlenianie chinoliny, prowadzące do kwasu chinolinowego, świadczy o
tym, że pierścień benzenowy skondensowany jest z pierścieniem
pirydynowym w położeniach 2 i 3.

N

1

2

3

4

5

6

7

8

utl.

N

COOH

COOH

kwas chinolinowy

Metody otrzymywania chinoliny
1.

Synteza Skraupa – z aniliny z gliceryną, stężonym H

2

SO

4

i

utleniaczem

NH

2

+

OH

OH

OH

anilina

gliceryna

C

6

H

5

NO

2

+

H

2

SO

4

N

chinolina

+

C

6

H

5

NH

2

Synteza Skraupa biegnie przez kilka etapów:
- dehydratacja gliceryny do akroleiny (aldehydu akrylowego)

OH

OH

OH

gliceryna

H

2

SO

4

-2H

2

O

C

H

2

H

O

akroelina

- addycja nukleofilowa aniliny do akroleiny

NH

2

+

H

O

CH

2

akroleina

NH

O

aldehyd beta-(fenyloamino)-propionowy

(akroleinoanilina)

- cyklizacja (elektrofilowy atak karbonylowego atomy C aldehydu na
pierścień aromatyczny)

NH

H

O

H

2

SO

4

NH

H

OH

H

2

SO

4

-H

2

O

N

H

1, 2-dihydrochinolina

- utlenianie 1,2-dihydrochinoliny za pomocą nitrobenzenu

N

H

C

6

H

5

NO

2

-H

2

O

N

C

6

H

5

NH

2

+

chinolina

+

1, 2-dihydrochinolina

2.

Metoda Friedlandera – kondensacja aldehydu o-

aminobenzoesowego z aldehydem octowym w środowisku zasadowym

NH

2

H

O

aldehyd o-aminobenzoesowy

+

CH

3

H

O

aldehyd octowy

N

chinolina

3.

Kondensacja o-toluidyny z glioksalem

NH

2

CH

3

o-toluidyna

+

O

O

H

H

NaOH

N

chinolina

glioksal

4.

Metoda Döbnera i Millera

W wyniku tej reakcji można np. otrzymać chinaldyny (metylochinoliny)
przez kondensację aniliny z aldehydem octowym w obecności
stężonego HCN.

NH

2

O

CH

3

H

O

CH

3

H

+

anilina

2 cz. aldehydu octowego

HCl

NH

2

O

H

CH

3

O

H

dimer aldehydu

HCl

-H

2

O

NH

CH

3

O

HCl

NH

CH

3

OH

posta� enolowa

HCl

N

H

CH

3

dysmutacja

N

CH

3

+

N

H

CH

3

chinaldyna

tetrahydrochinolina

Chinolina występuje obok pirydyny w smole pogazowej i olejku kostnym.
Powstaje również przy degradacji wielu alkaloidów np. chininy i
cynchoniny występującej w korze pewnych drzew w Ameryce
Południowej.

Reakcje chinoliny
Chinolina w przeciwieństwie do pirydyny nie rozpuszcza się w wodzie.

1.

Jest znacznie słabszą zasadą od pirydyny, co jest wynikiem jej

budowy chemicznej. Z mocnymi kwasami chinolina tworzy sole
chinoliniowe, łączy się również z halogenkami alkilowymi dając także sole
chinoliniowe.

N

CH

3

J

N

CH

3

J

jodek N-metylochinoliny

2.

Hydrogenizacja chinoliny przebiega stopniowo, najpierw tworzy

się tetrahydrochinolina, ciecz zawierająca uwodorniony pierścień
pirydynowy. Później, hydrogenizacji ulega pierścień benzenowy, w skutek
czego tworzy się dekahydrochinolina, substancja stała o właściwościach
mocnej zasady.

N

H

2

N

H

chinolina

tetrahydrochinolina

H

2

N

H

dekahydrochinolina

3.

W przypadku nitrowania i sulfonowania chinoliny, podstawniki

wchodzą do pierścienia benzenowego.

N

HNO

3

N

NO

2

Z sulfonowych pochodnych
przez stapianie z alkaliami
otrzymuje się
hydroksypochodne.

N

NaNH

2

N

N

H

2

4.

Kwasy karboksylowe chinoliny tworzą się podczas utleniania

odpowiednich metylopochodnych. Powstają one również w wyniku
utleniania niektórych alkaloidów, np. chinina utleniana daje kwas
chininowy, cynchonina zaś – kwas cynchoninowy.

N

COOH

OCH

3

kwas chininowy

N

COOH

kwas cynchoninowy

Plazmochina jest chlorowodorkiem 6-metoksy-8-(4’-dietyloamino-1’-
metylo)-butylo-aminochinoliny

N

N

H

CH

3

N(C

2

H

5

)

2

OCH

3

plazmochina

Znajduje ona zastosowanie jako
środek przeciwmalaryczny,
zabijający jedną z form
rozwojowych pierwotniaka malarii
tzw. gamety.

Związkiem izomerycznym do chinoliny jest izochinolina

N

1

2

3

4

5

6

7

8

izochinolina

Izochinolina oprócz licznych alkaloidów, występuje w smole pogazowej.
Jest nieco silniejszą zasadą od chinoliny.
Utlenianie izochinoliny prowadzi do kwasu ftalowego, lub do kwasu
cynchomerowego, w zależności od warunków.

Izochinolinę otrzymuje się metodą Bischlera-Napieralskiego, w wyniku
kondensacji -fenyloetyloaminy z aldehydem mrówkowym i utleniania

powstałej 1,2,3,4-tetrahydroizochinoliny

N

izochinolina

utl.

COOH

COOH

N

COOH

COOH

lub

kwas ftalowy

kwas cynchomerowy

NH

2

+

HCHO

beta-fenylortyloamina

aldehyd mr�wkowy

cyklizacja

P

2

O

5

NH

tetrahydroizochinolina

utlenianie

Pd

N

izochinolina

Głównym alkaloidem kurary, trucizny stosowanej przez Indian, jest -

tubokuraryna, zawierająca w swojej cząsteczce dwa pierścienie
izochinolinowe, połączone ze sobą przez dwa pierścienie benzenowe.

IV. Związki heterocykliczne pięcioczłonowe zawierające 2
heteroatomy

Pirazol (1,2-diazol)

N

N

H

pirazol

Pirazol jest słabą zasadą, którą można otrzymać z acetylenu i
diazometanu w zimnym roztworze eterowym.

CH

CH

+

CH

2

N

N

acetylen

diazometan

N

N

N

H

N

pirazol

Pochodne pirazolu dają się nitrować, chlorowcować, sulfonować w
pozycji 5, wykazują, więc charakter aromatyczny.
Pod wpływem wodoru redukują się do pirazolin lub pirazolidyn.

N

H

N

pirazolina

N

H

NH

pirazolityna

Pirazoliny znajdują zastosowanie
w medycynie jako leki
przeciwgorączkowe i
przeciwbólowe.
Ketopochodne pirazoliny noszą
nazwę pirazolonu.

NH

HC

HC

N

H

O

Najważniejsze leki z tej grupy to antypiryna i piramidon.

N

N

O

CH

3

CH

3

C

6

H

5

antypiryna

N

N

CH

3

CH

3

C

6

H

5

O

N

CH

3

C

H

3

piramidon

Imidazol
Imidazol jest związkiem izomerycznym do pirazolu

N

N

H

imidazol (glioksalina)

Imidazol i jego pochodne są to mocne
zasady występujące mi. wśród produktów
hydrolizy substancji białkowych

Pierścień imidazolowy jest nietrwały, w przyrodzie występuje jako
składnik budowy wielu związków np. alkaloidów i puryn. Imidazol zwany
glioksaliną, można syntetycznie otrzymać w wyniku kondensacji
glioksalu z amoniakiem i formaldehydem.

O

H

H

O

glioksal (dialdehyd)

+

NH

3

NH

3

+

O

H

H

formaldehyd

-H

2

O

N

N

N

N

imidazol

Pochodne imidazolu znajdują również zastosowanie jako środku lecznicze
(choroby układy nerwowego).

Tiazol
Pierścień tiazolowy zawiera jako heteroatomy azot i siarkę, oddzielone od
siebie atomem C.

N

S

tiazol

Właściwości chemiczne i fizyczne (nawet zapach) tiazolu są bardzo
podobne do pirydyny.
Tiazol powstaje podczas ogrzewania tioformamidu z aldehydem
chlorooctowym.

O

H

Cl

+

N

H

2

S

aldehyd chlorooctowy

tioformamid

ogrz.

O

H

Cl

+

N

H

S

H

N

S

tiazol

Pochodne tiazolu są bardzo ważnymi lekami, z grupy antybiotyków.
Najważniejsze z nich to sulfatiazol i penicyliny – antybiotyki działające
przeciw bakteriom Gram-dodatnim.
Sulfatiazol powstaje z 2-aminotiazolu z kwasem sulfanilowym.

N

S

NH

S

O

O

NH

2

sulfatiazol

( 2-tiazoliloamid kwasu sulfanilowego)

Penicyliny są pochodnymi tetrahydrotiazolu

S

N

HOOC

C

H

3

C

H

3

O

NH

R

O

penicyliny

W tzw. penicylinie krystalicznej R=CH

2

-C

6

H

5

V. Związki heterocykliczne sześcioczłonowe zawierające 2
heteroatomy
Z biologicznego punktu widzenia najważniejszymi układami pierścieni
heterocyklicznych są pirymidyna i puryna. Pirymidyna zawiera
sześcioczłonowy pierścień z dwoma atomami azotu, natomiast puryna
ma cztery atomu azotu w strukturze dwóch pierścieni
skondensowanych. Oba te
związki heterocykliczne są
podstawowymi składnikami
kwasów nukleinowych,
niezwykle ważnej klasy
biocząsteczek

N

N

1

2

3

4

5

6

pirymidyna

N

N

N

N

H

1

2

3

4

5

6

7

8

9

puryna

Pirymidyna ulega reakcjom substytucji elektrofilowej w pozycji 5.
W kwasie dezoksyrybonukleinowym DNA występują cztery różne,
podstawowe zasady heterocykliczne. Dwie z nich to podstawione puryny
(adenina i guanina), a dwie są podstawionymi pirymidynami (cytozyna i
tymina). Adenina, guanina i cytozyna występują również w RNA, ale tymina
jest w RNA zastąpiona inną zasadą pirymidynową zwaną uracylem.

N

N

N

N

H

N

H

2

adenina (A) DNA RNA

N

N

N

N

H

O

H

NH

2

guanina (G) DNA RNA

N

H

N

NH

2

O

cytozyna (C) DNA RNA

N

H

NH

O

O

C

H

3

tymina (T) DNA

N

H

NH

O

O

uracyl (U) RNA

Kwasy nukleinowe i nukleotydy
Kwasy nukleinowe, kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i rybonukleinowy
(RNA), są chemicznymi nośnikami informacji genetycznej w komórce. W
komórkowym DNA zakodowana jest cała informacja, która decyduje o
naturze komórki, kontroluje jej wzrost i podział oraz kieruje biosyntezą
enzymów i innych białek potrzebnych do funkcjonowania komórki.
Składnikiem cukrowym w RNA jest ryboza, a element cukrowy obecny w
DNA to 2’-deoksyryboza (przedrostek 2’-deoksy- oznacza, że brakuje
atomu tlenu w pozycji 2’ rybozy. Liczby ze znakiem „’„ odnoszą się do
cukrowego fragmentu nukleotydu, a liczby bez tego znaku oznaczają
pozycję pierścienia zasady heterocyklicznej).

O

HOH

2

C

OH

HO

OH

ryboza

O

HOH

2

C

OH

HO

2-deoksyryboza

Zarówno w DNA, jak i w RNA zasada heterocykliczna jest związana z
pozycją C1’ pierścienia cukrowego, a kwas fosforowy związany jest
wiązaniem fosfoestrowym z pozycją C5’ cukru.
Chociaż chemicznie są podobne, DNA i RNA różnią się rozmiarami i pełnią
różne funkcje w komórce. Cząsteczki DNA są olbrzymie. Ich ciężary
cząsteczkowe sięgają 150 miliardów, a długość może wynosić do 12 cm i
znajdują się one głównie w jądrach komórkowych. W przeciwieństwie do
nich cząsteczki RNA są o wiele mniejsze (masa cząsteczkowa zaledwie
35 000) i znajdują się głównie poza jądrem komórkowym.
Cząsteczki DNA można, przyrównać do nici skręconej z dwóch
pojedynczych nitek.

Ich budowę oddaje słynny model „podwójnej spirali” zaproponowany dla
DNA przez Watsona i Cricka w przełomowym dla biochemii i genetyki roku
1953. Według tego modelu wewnątrz podwójnej spirali znajdują się i
stykają ze sobą heterocykliczne pierścienie zasad purynowych i
pirymidynowych, a na zewnątrz, niejako na powierzchni nitek, leżą
łańcuchy cukrowo-fosforowe.
Oddziaływanie między heterocyklicznymi zasadami polega na wiązaniach
wodorowych.
Tak więc, względy strukturalne natury raczej subtelnej decydują o tym, że
w DNA tylko pary A-T i C-G mogą leżeć naprzeciwko siebie w podwójnej
spirali, Są to tzw. zasady komplementarne czyli uzupełniające się.

N

N

H

H

N

O

H

O

N

N

N

H

N

C

C

C1 dezoksyrybozy

C1 dezoksyrybozy

108 nm

N

H

3

C

O

C

O

H

H

N

N

N

H

N

C

111 nm

tymina

adenina

Wiązania wodorowe między
komplementarnymi parami
zasad C-G i A-T.

AIDS
The drug most used to treat AIDS patients in the Unitek States is
zidovudine, also known as azidothymine or AZT. AZT does not kill the
AIDS wirus but rather intereferes with its ability to reproduce. Thus AZT
controls an AIDS indefction but does not cure it.

O

HOH

2

C

N

3

N

NH

H

3

C

O

O

Zidovudine (AZT)