HCOOH
metanowy
(mrówkowy)
CH3COOH
etanowy
(octowy)
CH3CH2COOH
propanowy
(propionowy)
CH3CH2CH2COOH
butanowy …
(masłowy)
CH3(CH2 )3COOH
(walerianowy)
OH
Br
COOH
COOH
Cl
kwas 1-bromo- t-2-chloro-1-cyklopentanokarboksylowy kwas 2-hydroksybenzoesowy
Ważność grup funkcyjnych: RCOOH > RCOOR’ > RCOX > RCONR’2 . RCN > RCOR’ > ROH > RNH2 > RCH=CHR > RC≡CR
(COOH)2
k. etanodiowy
(szczawiowy)
CH2(COOH)2
k. propanodiowy (malonowy)
(CH2COOH)2
k. butanodiowy
(bursztynowy)
HOOCCH=CHCOOH k. but-2-endiowy ( cis-maleinowy, trans-fumarowy)
Struktura, właściwości
O
C
O
H
O
R
H
O
R
C
C
R
O
H
O
polarność, wysokie t.t., t.wrz., zapach, lotność
t.t. [°C]
t.wrz. [°C]
CH3CH2OH
-114.7
78.5
CH3CHO
-121.0
20.8
CH3COOH
16.7
118.2
Właściwości kwasowo-zasadowe O
R
C
+ H2O
RCOO + H3O
O
H
Ka = 10-4 - 10-5
pKa
CH3COOH
4.8
ClCH2COOH
2.9
Cl3CHCOOH
0.65
CH3CH2CHClCOOH
2.8
CH3CHClCH2COOH
4.06
1
CH3
NaOH
H
C
3C
CH2CH2COOH
H
C
3C
CH2CH2COO Na + H2O
CH3
CH3
4,4-dimetylopentanian sodowy
LABORATORYJNE METODY OTRZYMYWANIA
A. Utlenianie alkoholi 1°, aldehydów:
[O]
[O]
RCH
RCHO
RCOOH
2OH
B. Reakcja zw. organometalicznych z CO2 (karboksylowanie związków Grignarda): O
O
O
THF
H, HOH
+ Mg(OH)X
R - MgX + C
R
C
R
C
OMgX
OH
O
C. Hydroliza nitryli:
1. HO
CN
R-X
R-CN
RCOOH + NH3
2. H, HOH
D. Rozszczepienie alkenów/alkinów w warunkach utleniających: R
R'
R'
C
C
R-COOH +
O
C
H
R"
R"
E. Utlenianie alkilobenzenów:
R
COOH
[O]
F. Synteza malonowa
COOEt
COOEt
COOH
1. EtO Na
1. NaOH
CH2
CH-R
CH2-R
2. R-Cl
2. H3O, T
COOEt
COOEt
2
Substytucja nukleofilowa do grupy karboksylowej (mechanizm addycji + eliminacji): O
O
O
R
C
+ Nu
R
C
OH
R
C
O
H
Nu
Nu
- trudno odchodząca grupa;
- kwasowy H
1. Otrzymywanie halogenków kwasowych i bezwodników:
O
O
B
Br
RCOOH + PBr3
R
C
R
C
+
- HBr
O
PBr
HOPBr2
2
Br
O
O
O
O
T
+
C
R
+ HCl
C
H
C
C
R
O
R
O
R
Cl
zaktywowany przez Cl karbonyl ulega nawet słabemu Nu Bezwodniki w zw. dikarboksylowych:
O
O
C
C
H
H
T
2C
2C
OH
O
+ H2O
H
H2C
2C
OH
C
C
O
O
2. Otrzymywanie estrów
O
O
H
+
H
R
C
+
R'OH
R
C
2O
O
H
O
R'
3
OH
OH
H
CH3OH
- H
R
C
R
C
R
C
OH
O
H
O
H
O
H3C
H
OH
O
- H
H
- H2O
R
C
OH
R
C
O
O
CH3
H3C
Wewnątrzcząsteczkowa estryfikacja: O
O
C
H2SO4
H2C
O
HOCH2CH2CH2CH2C
OH
H2C
CH2
C
H2
laktony
3. Otrzymywanie amidów
Aminy – Nu i B względem kwasów
Tworzenie soli – odwracalne, ∆ → amidy O
O
O
O
R
C
R
C
+
NH3
R
C
OH
R
C
OH2
NH2
O
H
NH3
NH2
O
O
T
CH
CH
+
(CH3)2NH
3CH2C
3CH2C
N(CH
OH
3)2
H2
laktam
O
C
T
H2C
NH
C
O
2CH2CH2CH2C
H2C
Analogicznie jak hydroksykwasy.
OH
N
H
4. Redukcja do alkoholi (LiAlH4)
O
1. LiAlH4, THF
R
C
R-CH2-OH
2. H, H2O
O
H
4
5. α - Bromowanie (reakcja Hella – Volharda – Zielinskiego) Br2, P (ślad)
PBr3 (ślad)
O
O
PBr3
R-H
R-HC
C
2C
C
OH
OH
Br
NaOH
NH3
O
O
R-HC
C
R-HC
C
OH
OH
OH
NH2
BIOLOGICZNA AKTYWNOŚĆ KWASÓW
HCOOH – feromon alarmowy
CH3COOH – feromon obronny, najpopularniejszy prekursor biosyntetyczny → kwasy tłuszczowe, jednostka izoprenowa
CH2COOH
CH2
ENZYMY
ENZYMY
3 CH3COOH
H
C
3C
OH
H
C
3C
O
O
CH2CH2OH
CH2CH2OP O
P
OH
OH
OH
Kwasy tłuszczowe (C12 – C22)
NNKT – niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe, np kw. oleinowy
> 90% cis C=C
CH3(CH2)14COOH
kwas heksadekanowy (palmitynowy), 16:0
CH3(CH2)7-CH=CH-(CH2)7COOH
kwas cis-oktadek-9-enowy (oleinowy), 18:1
margaryna twarda
35% KT
12% t-NKT
masło
50% KT
3 – 4% t-NKT
KT / t-NKT ?
margaryna miękka
15% KT
5% t-NKT
Rośliny: k. oleinowy + linolowy (18:2) = 70%
Zwierzeta: k. oleinowy (50%) + k. palmitynowy = 70%
Mydła (sole sodowe kwasów tłuszczowych).Tworzą micelle. Mg+2, Ca+2 → osady
POCHODNE KWASÓW KARBOKSYLOWYCH
O
O
O
O
O
R
C
N
R
C
C
C
R
C
R
C
R
O
R
X
OR'
NR'2
halogenek
bezwodnik
ester
amid
nitryl
kwasowy
kwasowy
Niezwykle istotne w przyrodzie: zw. zapachowe, woski, tłuszcze, mocznik, białka …
5
REAKCJA SUBSTYTUCJI W POCHODNYCH KWASÓW KARBOKSYLOWYCH
O
O
O
R
C
+ NuH
R
C
L
R
C
+ H + L
L
Nu
NuH
tetraedryczny zw. przejściowy
Reaktywność ← jakość L
O
O
R
C
R
C
L
L
Im większy udział struktury polarnej, tym krótsze wiązanie C-L, dłuższe C-O
REAKTYWNOŚĆ:
O
O
O
O
O
>
>
R
C
R
C
>
C
C
R
C
R
O
R
NR'
X
OR'
2
halogenki acylowe - RCOX – elektroujemność X, rozmiar orbitala p Właściwości zasadowe:
O
O
H
OH
OH
H
R
C
R
C
R
C
R
C
L
L
L
L
Właściwości kwasowe:
O
O
O
O
<
<
<
CH3-C-N(CH3)2
CH3-C-OCH3
CH3-C-CH3
CH3-C-Cl
pKa = ~ 30
pKa = ~ 25
pKa = ~ 20
pKa = ~ 16
HALOGENKI ACYLOWE
O
O
C
F
Br
CH3-C-Cl
O
fluorek pentanoilu bromek cykloheksanokarbonylu
6
Reakcje substytucji w halogenkach acylowych: O
R
C
+ HX hydroliza (czesto gwaltowna)
O H
HOH
O
R
C
+ HX estryfikacja
R'OH
O R'
O
O
R'NH2
R
C
R
C
aminoliza
X
NHR'
RCOOH
R-C-O-C-R
+ HX
O
O
NaBH4 (LiAlH4)
R-CH2-OH
O
O
R'
OH
R'MgX
R
C
+ R'MgX
R
C
C
R
R'
X
R'
BEZWODNIKI KWASOWE
O
O
O
O
C
C
C
C
H3C
O
CH3
H3C
O
CH2CH3
bezwodnik octowy
bezwodnik octowo-propanowy
( b. octowo-propionowy)
bezwodnik benzoesowy
O
C
C
O
O
O
O
bezwodnik glutarowy
C
C
O
O bezw. ftalowy
C
C
O
O
Reagują jak chlorki, L = RCOO-
7
O
C
O
2H5OH
+ CH3COOH
C
C
C
C2H5
H3C
O
CH3
H3C
O
ESTRY
Najważniejsza klasa pochodnych kwasowych.
O
O
O
CH3
C
CH3CH2-C-OC2H5
CH
OR
3-C-OCH2CH2CHCH3
propanian etylu
octan 3-metylobutylu
alkoksykarbonyl
(zapach banana)
O
C
C
O
C
O
OCH3
O
O
H3C
NH2
oksa-2-cyklopentanon 5-metylooksacyklopentan-2-on
2-aminobenzoesan metylu (γ-butyrolakton)
(γ-walerolakton)
(antranilan metylu)
REAKCJE:
1. Hydroliza – konieczność katalizy Katalizowana kwasowo – odwrotność estryfikacji (odwracalna) Katalizowana zasadowo – nieodwracalna (A + E) 2. Transestryfikacja
O
O
H lub CH3O
C
+ CH
+ CH
17H35COCH2CH3
3OH
C17H35COCH3
3CH2OH
oktadekanian etylu
laktony → hydroksyestry
O
+ CH
C
O + ROH
HOCH2CH2CH2C
3CH2OH
OR
O
3. Tworzenie amidów
O
O
T
R-C-OCH
+ R'NH
R-C-NHR'
+ CH
3
2
3OH
aminy bardziej Nu niż alkohole; bez katalizatora, skuteczniej z T
8
4. Tworzenie alkoholi przez działanie odczynnikiem Grignarda O
OMgBr
O
R'-MgBr
R-C-OCH3
+ R'-MgBr
R
C
OCH3
R
C
R'
R'
magnezowa sól hemiacetalu
OMgBr
OH
H
R
C
R'
R
C
R'
°
°
R'
R'
3 alkohol (z mrowczanu - 2 )
5. Redukcja estrów do alkoholi
O
1. LiAlH4, Et2O
R
C
R-CH2OH + CH3CH2OH
2. H , H
O
CH
2O
2CH3
6. Kondensacja Claisena → zw. β-dikarbonylowe Enolany estrów ulegają r-cji addycji-eliminacji, analogicznej do kondensacji aldolowej: C
O
O
2H5O Na
O
O
+
CH3-C-OC2H5
CH3-C-OC2H5
CH
C
3-C-CH2-C-
2H5OH
OC2H5
acetylooctan etylu
O
O
C
O
CH
2H5O Na
2COOC2H5
CH3-C-OC2H5
CH3-C-OC2H5
CH2-C-OC2H5
H3C
C
OC2H5
O
O
O
O
O
C2H5O Na
H
CH3-C-CH2-C-OC2H5
CH2-C-CH-C-OC2H5
Na
O
O
CH3-C-CH2-C-OC2H5
pKa = 11
O
(CH
brak reakcji Claisena
3)2CH-C-OC2H5
9
Aniony β-dikarbonylowe = nukleofile - można alkilować
Synteza malonowa → kwasy karboksylowe O
O
O
O
1. C2H5O Na, C2H5OH
H
C
C
C
C
C2H5O
C
OC2H5
2. R-Br
C2H5O
CH
OC2H5
H2
R
O
O
C
C
R-CH2-COOH
HO
CH
OH
KWASY
R
3-Ketokwasy łatwo dekarboksylują.
TIOESTRY
Transfer acylu (halogenki, bezwodniki – zbyt O
aktywne).
acetylokoenzym A
Bardziej aktywne od estrów (RS- - słabsza
H3C
C
zasada = lepsza gr. odchodząca), ale w
S
CoA
warunkach fizjologicznych nie hydrolizują.
ESTRY W NATURZE
Lipidy:
- proste: tłuszcze, woski;
- złożone: fosfolipidy, glikolipidy…
Woski – estry długołańcuchowych kwasów i długołańcuchowych alkoholi O
CH
wosk pszczeli
3(CH2)nCO(CH2)mCH3
n = 24, 26
m = 29, 31
Wosk owczy po oczyszczeniu – lanolina
Woski złożone: estry cholesterolu, estry witaminy D czy A
Tłuszcze i oleje = triacyloglicerole (TAG) = triglicerydy
H2C
OCOR
Kwasy tłuszczowe – zwykle nierozgałęzione, parzysta il. at. C
Nienasycone – zwykle cis
HC
OCOR'
Rezerwy energetyczne → CO2, H2O
H2C
OCOR"
KT: palmitynowy (16:0), mirystynowy (14:0), laurowy (12:0) ) ⇒ LDL, arterioskleroza Tłuszcze strukturyzowane – przeestryfikowane w celu wzbogacenia w NKT
czekolada (masło kakaowe) – trigliceryd z 2 cząsteczkami kwasu stearynowego(18C) i 1 cząst.
oleinowego (Z) – nie są odpowiedzialne za LDL! Dodatkowo – fenolowe antyoksydanty.
10
Fosfolipidy (składniki ściany komórkowej) Fosfoglicerydy – glicerol zacylowany 2 cząst. KT i resztą kw. fosforowego, który związany jest z innym niskocząsteczkowym alkoholem np. choliną.
lecytyny – fosfoglicerydy z choliną (fosfatydylocholiny – mózg, układ nerwowy).
Inne: fosfatydyloseryny, fosfatydyloetanoloaminy…
Jedna z lecytyn:
O
H2C
OCR
R = CH3(CH2)14- k. palmitynowy
HC
OCOR'
R' = CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7- k. oleinowy
O
R" = (CH3)3N(CH2)2-
H2C
O-P-OR"
O
Fosfolipidy – niezbędne składniki błon komórkowych. Tworzą micelle (<200Å) lub podwójną warstwę lipidową
AMIDY
CH3CH2CH2CH2CONH2 pentanoamid
O
O
C
H
HCONH
3C
C
2
N
NH2
formamid (1)
°
Br
acetamid (1
° )
4-bromo-N-etylo-N-metyloheksanoamid (3 °)
11
H
RCOHN
S
CH3
O
CH
N
3
N
H
O
COOH
H
γ−butyrolaktam
azacyklopentan-2-on
Pokrewne grupy funkcyjne:
O
O
O
C
C
C
RHN
NHR
RHN
OH
RHN
OR'
kwas karbaminowy
karbaminian (uretan)
Biologicznie istotne – białka…
1. Hydroliza (silne kwasy lub silne zasady + grzanie)
NH
H
OH
2
2SO4
+ (NH4)2SO4
T
O
O
Mechanizm - jak estry
O
O
NaOH, T
O
H
CH
CH
3CH2C
3CH2C
+ NH
CH
2CH3
3CH2C
NHCH
O Na
OH
3
+ CH3NH3
2.
Redukcja
Otrzymywanie amin:
O
1. LiAlH4
CH3
CH
CH
3CH2CH2C
3CH2CH2CH2N
2. H , H2O
N
CH2CH3
H3C
CH2CH3
Laktamy → aminy cykliczne
3. Halogenowanie amidów; przegrupowanie Hofmanna
12
O
O
RCHCNH2
RCH
RCH
2CNH2
2CNH
amid jonu enolanowego
anion amidowy
pKa = ok. 30
pKa = ok. 22
Halogenowanie wobec zasad → aminy (n-1 C) O
X2, NaOH
RCNH
R-NH
2
2 + CO2
O
O
O
O
OH
X-X
OH
RCNH
RCNH
R--C-N
RCNH2
-H
- X
2O
- H2O
X
X
O
- X
H2O
O=C=N-R
HO-C-NHR
R-NH2 + CO2
NITRYLE
R
C
N
Ten sam stopień utlenienia C, przekształcają się w pochodne kwasowe
C
N
C
N
CH3CH2C
N
CH3C
N
propanonitryl
acetonitryl
cykloheksanonitryl
benzonitryl
(propionitryl)
(cyjanocykloheksan)
REAKCJE NITRYLI:
1. Hydroliza (kwasowa / zasadowa, T)
OH2
H
H2O
R
C
N
R
C
N
H
R
C
N
H
OH
OH
O
- H
H
R
C
N
H
R
C
N
H
R
C
H
tautomer amidu
NH2
O
H
H2O
R
C
+ NH4
OH
13
NaOH, T
CH
CH
+ NH
3(CH2)4C
N
3(CH2)4C
4
ONa
3. Redukcja → aminy (niepełna – ketony)
(iBu)
N-AlR'
2AlH
2
H , H
O
2O
R-C
N
R
C
R
C
R' = iBu
H
H
1. LiAlH4
R-C
N
R-CH2NH2
2. H , H2O
14