15. Pochodne kwasów karboksylowych.

(konwersatorium, gr. D1 – Chemia, II rok, 2011/2012Z)

Zagadnienia

a) Nazewnictwo systematyczne

i zwyczajowe pochodnych kwasów karboksylowych: chlorków

i bezwodników kwasowych, estrów (w tym laktonów), amidów (w tym laktamów) oraz nitryli.

b) Nazewnictwo systematyczne i zwyczajowe związków wielofunkcyjnych. Reguły ważności grup

funkcyjnych (kwasy karboksylowe > estry > amidy > nitryle > aldehydy > ketony > alkohole >aminy >
alkeny > alkiny).

c) Substytucja nukleofilowa przy grupie acylowej: a) mechanizmy reakcji (!) (bezpośrednia substytucja

poprzez tetraedryczny produkt pośredni oraz substytucja katalizowana kwasem); b) względna reaktywność
pochodnych kwasów karboksylowych; c) zależność szybkości reakcji od objętości podstawników R grupy
acylowej, wielkości nukleofila oraz sprzężenia grupy karbonylowej (w obrębie jednego typu pochodnych
kwasów karboksylowych).

d) Zastosowanie substytucji nukleofilowej przy grupie acylowej:

• otrzymywanie kwasów karboksylowych i ich pochodnych R

1

COG (G=Cl, OH, R

2

COO,

NH

2

/NHR

3

/NR

3

R

4

) na drodze ich wzajemnych przekształceń: a) hydroliza (R

1

COG +H

2

O→R

1

COOH,

kat. H

+

lub OH

-

); b) alkoholiza chlorków i bezwodników kwasowych (R

1

COG+R

2

OH→R

1

COOR

2

,

ew. kat. H

+

); c) amonoliza (R

1

COG /oprócz amidów/+NH

3

/lub aminy I-rz. i II-rz./→R

1

CONH

2

/lub

amidy II-rz. i III-rz./);

• otrzymywanie alkoholi: a) redukcja kwasów karboksylowych, chlorków kwasowych lub estrów za

pomocą LiAlH

4

(→alkohole I-rz.); b) reakcja chlorków kwasowych lub estrów z odczynnikami

Grignarda (→alkohole III-rz.);

• otrzymywanie aldehydów lub ketonów: a) redukcja chlorków kwasowych za pomocą tri-tert-butoksy-

hydroglinianu litu (Li

+

Al[OC(CH

3

)

3

]

3

H; →aldehydy); b) redukcja estrów za pomocą wodorku

diizobutyloglinowego (DIBAH lub DIBAL-H, [(CH

3

)

2

CHCH

2

]

2

AlH, -78ºC; →aldehydy); c) reakcja

chlorków kwasowych ze związkami diorganomiedziowymi (tzw. odczynnikami Gilmana, R'

2

Cu

-

Li

+

;

→ketony);

• otrzymywanie amin (redukcja amidów za pomocą LiAlH

4

/podobnej redukcji ulegają również azydki i

nitryle);

• otrzymywanie laktonów (wewnątrzcząsteczkowa estryfikacja odpowiednich hydroksykwasów, kat. H

+

)

oraz laktamów (wewnątrzcząsteczkowa cyklizacja

γ

- i

δ

-aminokwasów lub aminoestrów).

e) Inne, laboratoryjne metody otrzymywania pochodnych kwasów karboksylowych: a) chlorki kwasowe (kwas

karboksylowy+chlorek tionylu /SOCl

2

/ lub chlorek oksalilu /(COCl)

2

/); b) bezwodniki kwasowe

(odwadnianie kwasów dikarboksylowych o odpowiedniej strukturze /tylko w przypadku otrzymywania
niektórych bezwodników wewnątrzcząsteczkowych/); c) estry (i. estryfikacja Fischera /kwas karboksy-
lowy+alkohol, kat. H

+

/; ii. anion karboksylanowy+alifatyczny halogenek I-rz. lub II-rz. (S

N

2);

iii. transestryfikacja estrów /podstawienie istniejącej grupy alkoksylowej inną gr. alkoksylową/); d) amidy
(i. kwas karboksylowy+amoniak lub amina, wysoka temperatura /metoda małoefektywna i rzadko
stosowana/; ii. przegrupowanie Beckmanna oksymów /kat. H

+

lub PCl

5

/); e) nitryle (i. I-rz. halogenek

alkilowy+CN

-

(S

N

2); ii. dehydratacja amidów I-rz. pod wpływem SOCl

2

/stosuje się też P

2

O

5

, POCl

3

lub

bezwodnik octowy/; iii. wymiana grupy diazoniowej na gr. –CN /reakcja Sandmeyera z CuCN; →nitryle
aromatyczne/; iv. addycja nukleofilowa CN

-

do ketonów lub aldehydów /→cyjanohydryny/).

f) Reakcje nitryli: a) hydroliza (H

2

O, kat. H

+

lub OH

-

; →amidy lub powstające w wyniku dalszej hydrolizy

kwasy karboksylowe); b) redukcja (i. LiAlH

4

; aminy /pośrednia imina ulega dalszej redukcji kolejną

cząsteczką LiAlH

4

/; ii. wodorek diizobutyloglinowy /DIBAH lub DIBAL-H/, [(CH

3

)

2

CHCH

2

]

2

AlH, -78ºC;

→aldehyd /pośrednia imina nie ulega dalszej redukcji; może być hydrolizowana do aldehydu/); c) reakcja
z odczynnikami Grignarda (→ketony /w wyniku hydrolizy pośrednich anionów iminowych/).

g) Inne (wybrane) reakcje z udziałem pochodnych kwasów karboksylowych: a) degradacja Hofmanna amidów

I-rz. (Br

2

, OH

-

; →aminy); b) acylowanie Friedla-Craftsa (zw. aromatyczny+chlorek lub bezwodnik

kwasowy, kat. np. AlCl

3

; →ketony).

Zadania

1. Nazwij poniższe związki.

a)

b)

c)

d)

f)

g)

e)

O

Cl

O

O

O

H

O

N

H

O

H

N

O

O

O

O

O

C

N

O

Cl

h)

CN

i)

j)

k)

O

O

O

O

l)

O

O

O

O

O

O

m)

O

N

n)

N

O

H

o)

N

O

O

Br

p)

O

O

O

OH

CN

s)

r)

O

NH

2

O

H

2. Narysuj wzory strukturalne następujących związków.

a)

α

-metylo-

γ

-walerolaktam

b) bezwodnik bursztynowy

c) ftalimid

d)

β

-bromomaślan p-nitrofenylu

e) N-fenylo-N,2-dimetylopropanoamid

f) chlorek propanoilu

3. Wskaż główne produkty reakcji chlorku benzoilu z poniższymi reagentami. Przedstaw dokładny

mechanizm reakcji dla przypadku b).

a) etanol

b) octan sodu

c) anilina

d) anizol (kat. AlCl

3

)

d) nadmiar bromku fenylomagnezowego, następnie rozcieńczony kwas

4. Zaproponuj produkty poniższych reakcji. Przedstaw dokładny mechanizm przemiany a).

a) anilina + bezwodnik octowy (kat. H

+

)

b) fenol + bezwodnik mrówkowo-octowy

c) anizol + bezwodnik bursztynowy (kat. AlCl

3

)

d) 2-amino-1-fenyloetanol + bezwodnik octowy (1 mol)

e) 2-amino-1-fenyloetanol + bezwodnik octowy (nadmiar)

5. Zaproponuj sposób wydajnego przeprowadzenia poniższych syntez.

a)

COCl

O

b)

COOH

O

O

O

c)

H

H

OH

OH

H

H

O

O

O

O

d)

COOH

COOH

COOH

O

O

e)

CHO

CH

2

OH

O

O

f) O

COOCH

3

COOCH

3

O

CH

2

OH

CH

2

OH

6. Przedstaw i nazwij produkty poniższych reakcji.

a)

b)

c)

d)

e)

COCl

OH

COOCH

3

CH

3

NH

2

ogrzew.

COCl

N

H

O

O

O

NH

2

COOCH

2

CH

3

1. LiAlH

4

2. H

2

O

f)

N

O

H

2. H

2

O

1. LiAlH

4

g)

h)

O

O

1.PhMgBr

(nadmiar)

2. H

2

O

i)

1. CH

3

MgI

2. H

2

O

C

N

j)

N

O

H

NaOH

H

2

O

O

NH

2

Br

2

, NaOH

7. W każdej grupie wskaż związek najszybciej i najwolniej ulegający hydrolizie w środowisku zasadowym.

I. a) bezwodnik benzoesowy

b) chlorek acetylu

c) acetanilid

II. a) 2,2-dimetylopropionian metylu

b) benzoesan tert-butylu

c) octan izobutylu

8. Przedstaw sposób przeprowadzenia poniższych syntez (niektóre z nich wymagają więcej niż jednego

etapu).

a) alkohol izopentylowy → octan izopentylu (olejek bananowy)

b) kwas 3-etylopentanowy → 3-etylopentanonitryl

c) izobutyloamina → N-izobutyloformamid → N-metyloizobutyloamina

d) octan etylu → 3-metylopentan-3-ol

e) cykloheksyloamina → N-cykloheksyloacetamid

f) bromocykloheksan → dicykloheksylometanol

g)

szczawian

dimetylu

N

H

H

N

O

O

h)

CH

2

OH

C

N

i)

O

O

O

O

OH

9. Zaproponuj sposób przeprowadzenia poniższych, wieloetapowych syntez, używając przedstawionych

substratów i innych niezbędnych reagentów.

CH

2

Br

CH

2

CH

2

NH

2

b)

c)

COOH

HO

OH

OH

CH

2

CH

2

NH

2

O

O

O

kwas galusowy

meskalina

a)

O

O

O

NH

2