Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот

Только с чисто формальных позиций можно рассматривать кар­боксильную группу как комбинацию карбонильной и гидроксильной функций. Фактически их взаимное влияние друг на друга таково, что полностью изменяет их собственные свойства.

Поляризация двойной связи С=О силь­но возрастает за счет дополнительного сдвига свободной элек­тронной пары с соседнего атома кислорода гидроксильной группы:

Следствием является значительное ослабление связи О–Н в гидроксиле и легкость отщепления атома водорода от него в виде про­тона (Н⁺). Появление пониженной электронной плотности (d+) на центральном углеродном атоме карбоксила приводит также к оттяги­ванию s-электронов соседней связи С – С к карбоксильной группе и появлению (как у альдегидов и кетонов) пониженной электронной плотности (d+) на a- углеродном атоме кислоты.

Самыми слабыми кислотными свойствами обладают предельные монокарбоновые кислоты. Кислотность двухосновных, непредельных или замещённых кислот (галогенкислоты, гидрокси- и оксокислоты и т.п.) заметно выще, что определяется электроноакцепторным действием заместителей и стабилизацией промежуточного аниона.

В общем производные карбоновых кислот по сравнению с альдегидами и кетонами труднее подвергаются нуклеофильной атаке, так как электрофильность карбонильного атома углерода обычно снижается за счет - М-эффекта функционального заместителя, связанного с атомом углерода карбонильной группы. По этой причине для проведения реакций оказывается необходимым кислотный катализ – протонирование aтома кислорода карбонильной группы, что ведет к появлению дополнительного заряда на атоме углерода, что облегчает атаку нуклеофилом.

В итоге механизм катализируемой кислотой реакции по сравнению с механизмом некатализируемой реакции включает предварительную стадию протонирования и заключительную стадию депротонирования.

Реакции конденсации, в основе которых лежит способность одного карбонильного соединения присоединяться к карбонильной группе этого же или другого карбонильного вбединения, характерны и для производных карбоновых кислот, в частности рюжных эфиров и тиоэфиров. Такие реакции имеют большое биологическое значение. С их помощью в организме происходит образование новых связей углерод—углерод. Непременными участниками реакций по типу альдольного присоединения in vivo являются тиоэфиры карбоновых кислот — производные кофермента А. При конденсации ацетилкофермента А по типу альдольного присоединения из двух молекул ацетилкофермента А образу­ются ацетоацетилкофермент А и кофермент А.

Контрольные задания

1. Примером биологически важной реакции является присоединение аминов и некоторых других азотсодержащих соединений к карбонильным соединениям – альдегидам и кетонам. Напишите уравнение присоединения гидразина к пентаналю. Назовите продукт реакции. Поясните, можно ли с помощью этой реакции провести выделение и идентификацию пентаналя?

2. Наличие какой функциональной группы в молекуле формальдегида подтверждает реакция получения его динитрофенилгидразона:

а) карбоксильной; б) гидроксильной; в) карбонильной; г) метильной; д) атома водорода.

3. Для чего можно использовать реакцию альдегида с динитрофенилгидразином:

1) идентификации альдегида; 2) окисления альдегида; 3) восстановления альдегида; 4) выделения альдегида из смеси с карбоновой кислотой; 5) выделения альдегида из смеси с кетоном.

4. Приведите формулу изомера пропаналя. Будут ли для него характерны те реакции нуклеофильного присоединения, которые характерны для пропаналя?

5. Одним из феромонов является этиловый эфир 4-фенил-2-бутеновой кислоты (этилциннамат). Получите это соединение по реакции этерификации.

6. В реакции этерификации группа –ОН отщепляется (для образования воды) от молекулы: а) спирта; б) альдегида; в) кетона; г) кислоты? Приведите уравнение реакции этерификации.

7. Почему реакцию этерификации ведут, как правило, при температуре 100-105 °С:

1) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования сложного эфира;

2) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования кислоты;

3) чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования спирта.