<img src="http://e-biotechnologia.pl/obrazki/logopl.jpg" ALIGN="left" alt="Wydział Farmaceutyczny UJ" HSPACE=5 VSPACE=70/>
PRZEDRUK, oryginał dostępny pod adresem www
Tytuł oryginalny: Materiały dodatkowe – kwasy i pochodne
Autor: dr Marek Żylewski
Uniwersytet Jagielloński (
www)
Wydział Farmaceutyczny Collegium Medicum (
www)
Katedra Chemii Organicznej (
www)
Kierownik: Prof. UJ, dr hab. Marek Cegła
Adres:
ul. Medyczna 9
30-688 Kraków
Kontakt: tel. 012 620 55 00
Kwasy karboksylowe - kwasowość
Kwasy karboksylowe są kwasami o stosunkowo niewielkiej mocy. Ich stała dysocjacji najczęściej mieści się w zakresie 10
-4 – 10
-5. Obecność podstawników elektronoakceptorowych może w sposób zdecydowany zwiększyć moc kwasu
karboksylowego poprzez stabilizację anionu powstałego w wyniku dysocjacji grupy
karboksylowej. Wprowadzenie atomu chloru do cząsteczki kwasu octowego zwiększa
jego moc 100-krotnie, natomiast kwas trifluorooctowy należy już do kwasów o dość
sporej mocy (pK=0,2), będąc kwasem silniejszym od kwasu fosforowego(V) ale
słabszym od kwasu azotowego(V). Podobnie na moc kwasu aromatycznego wpływają
podstawniki obecne w pierścieniu, przy czym należy pamiętać, że ich wpływ jest
największy, jeśli występują one w pozycji orto lub para względem grupy
karboksylowej.
Reakcje redox kwasów karboksylowych
Proste kwasy karboksylowe są zupełnie odporne na działanie nawet silnych środków
utleniających i dlatego można je stosować do ich otrzymywania w procesie utleniania
alkoholi czy aldehydów. Istnieją jednak kwasy bardzo podatne na utlenianie.
Najłatwiej utlenianiu ulega kwas mrówkowy, który, podobnie jak aldehydy, ulega
reakcji lustra srebrnego, redukując odczynnik Tollensa. Sam przy tym utlenia się do
CO
2. Kolejnym przykładem kwasu ulegającego łatwo utlenieniu jest kwas
szczawiowy, który pod wpływem KMnO
4 utlenia się do CO
2. Reakcja ta jest
wykorzystywana do ustalania stężenia KMnO
4 w roztworze na potrzeby
manganometrii. Szczególnym przypadkiem utleniania jest reakcja kwasów z
nadtlenkiem wodoru. Prowadzi ona do otrzymania peroksokwasów (nadkwasów)
służących jako środki utleniające w licznych syntezach organicznych:

Reakcja ta jest reakcją substytucji nukleofilowej przy karbonylowym atomie węgla, w
której wymianie ulega grupa -OH na grupę -OOH
Grupa karboksylowa bardzo trudno ulega redukcji, tylko pod wpływem najsilniej
działających reduktorów. Kwasy udaje się zredukować do alkoholi jedynie za pomocą
LiAlH
4 lub B
2H
6 – bez udziału tych odczynników bezpośrednia redukcja grupy
karboksylowej nie jest możliwa:
Reakcje dekarboksylacji
Usunięcie grupy karboksylowej na drodze reakcji dekarboksylacji prowadzi do
otrzymania, w najprostszych warunkach, produktu, w którym w miejscu grupy COOH
pojawia się atom wodoru. Powodzenie tej reakcji w sposób ścisły zależy od budowy
wyjściowego kwasu.
Prosta dekarboksylacja niepodstawionych kwasów tłuszczowych (alifatycznych) nie
jest możliwa do przeprowadzenia, ponieważ w jej trakcie powstają złożone
mieszaniny węglowodorów. Wyjątkiem jest kwas octowy, którego sól sodowa
reagując z mieszaniną NaOH i CaO daje metan:

Reakcja ta służy jako dogodna metoda otrzymywania czystego metanu. Znacznie
łatwiej ulegają dekarboksylacji kwasy aromatyczne, jednak ta reakcja przeważnie nie
znajduje praktycznego zastosowania (odpowiednie związki aromatyczne są łatwiej
dostępne niż wyjściowe kwasy).
Największe znaczenie praktyczne ma dekarboksylacja β-oksokwasów i kwasów
zawierających dwie grupy karboksylowe przy jednym atomie węgla (pochodne kwasu
malonowego). W pierwszym przypadku produktami są ketony:

Wyjściowe β-oksokwasy można łatwo otrzymać na drodze kondensacji Claisena i
hydrolizie powstałego estru. Stanowi to razem kolejną, dogodną metodę otrzymywania
ketonów, często o urozmaiconej budowie.
W wyniku dekarboksylacji pochodnych kwasu malonowego otrzymuje się kwasy
monokarboksylowe:
Estryfikacja kwasów karboksylowych
Reakcja estryfikacji jest typową reakcją odwracalną, w której stała równowagi często
jest rzędu jedności. Reakcja ta wymaga katalizy kwaśnej i rozpoczyna się od
protonowania karbonylowego atomu tlenu:

Dalej następuje atak nukleofilowy pary elektronowej tlenu grupy OH alkoholu na
karbonylowy atom węgla:

W dalszym ciągu reakcji odłączeniu ulega cząsteczka wody oraz proton:

Ze względu na odwracalność każdego z przedstawionych powyżej etapów mechanizm
syntezy estrów jest jednocześnie mechanizmem ich hydrolizy w środowisku kwaśnym.
Otrzymywanie estrów w wyniku bezpośredniej syntezy jest często wykorzystywane w
praktyce, przy czym najlepsze rezultaty (ze względu na położenie stanu równowagi)
otrzymuje się, jeżeli w trakcie prowadzenia procesu można jednocześnie usuwać
produkt reakcji np., na drodze destylacji.
Otrzymywanie chlorków kwasowych
Działając na kwas karboksylowy SOCl2, PCl3 lub PCl5 otrzymuje się jego reaktywną
pochodną – chlorek kwasowy, szeroko stosowany środek acylujący:
Reakcja z amoniakiem
Działając na kwas karboksylowy amoniakiem, otrzymuje się sól amonową tego kwasu.
Sole te na drodze ogrzewania można przekształcić w amidy kwasowe:
Fluorowcowanie w pozycji α
Reakcja wprowadzania atomu chloru lub atomu bromu w pozycję α zachodzi łatwo z
udziałem czerwonego fosforu jako katalizatora:

Reakcja ta jest bardzo ważna z punktu widzenia syntezy organicznej, ponieważ
otwiera ona możliwość zastosowania tak otrzymanej halogenopochodnej kwasu do
przekształcenia ją w inne pochodne (np. aminokwasy, hydroksykwasy) na drodze
substytucji nukleofilowej.
Otrzymywanie kwasów karboksylowych
Uzyskanie grupy karboksylowej jest możliwe na wielu drogach:
a) utlenianie alkoholi I-rzędowych i aldehydów:

b) utlenianie łańcuchów bocznych węglowodorów aromatycznych

c) hydroliza nitryli:

d) reakcja związków Grignarda z CO2:
Synteza Kolbego
Synteza ta służy głównie do otrzymywania kwasu salicylowego i dalej z niego –
aspiryny, czyli kwasu acetylosalicylowego. Reakcja polega na addycji dwutlenku
węgla do soli sodowej fenolu:

Jest to reakcja o nie do końca poznanym mechanizmie, w której dość istotną rolę gra
kation metalu. Użycie w miejsce soli sodowej soli potasowej powoduje otrzymanie
mieszaniny dwóch izomerów:
Chlorki i bezwodniki kwasowe
1. Reaktywność pochodnych kwasów karboksylowych
Chlorki i bezwodniki kwasów karboksylowych należą do najaktywniejszych środków
acylujących, czyli umożliwiających wprowadzenie grupy acylowej do np. amin
(synteza amidów) czy alkoholi (synteza estrów). Aktywność kwasów i ich pochodnych
jako środków acylujących można zestawić w poniższy szereg:
chlorki kwasowe > bezwodniki > estry > kwasy karboksylowe.
Ze względu na swą dużą reaktywność w wielu reakcjach chlorki i bezwodniki reagują
w ten sam sposób, zatem ich reakcje będą opisywane łącznie.
2. Hydroliza
Chlorki i bezwodniki bardzo łatwo reagują z wodą, dając odpowiednie kwasy. Reakcja
ta nie ma żadnego znaczenia preparatywnego (chlorki i bezwodniki otrzymuje się z
odpowiednich kwasów, a nie na odwrót), natomiast stanowi istotne ograniczenie w
preparatywnym wykorzystaniu tych związków. Aby zapewnić jak najwyższe
wydajności rozlicznych procesów, w których substratami są chlorki czy bezwodniki
kwasowe należy zapewnić bezwodne środowisko reakcji (poza nielicznymi
wyjątkami).
3. Reakcja z alkoholami i fenolami.
W wyniku reakcji chlorków i bezwodników kwasowych z alkoholami i fenolami
otrzymuje się estry:

Ze względu na nieodwracalny charakter tej reakcji jest to jedna z najdogodniejszych
metod syntezy estrów, będąca jednocześnie metodą z wyboru dla otrzymywania estrów
fenoli (fenole nie reagują z kwasami w bezpośredniej syntezie).
4. Reakcja z amoniakiem i aminami.
Chlorki i bezwodniki kwasowe są bardzo dogodnymi substratami do syntezy amidów
zarówno niepodstawionych (reakcja z amoniakiem) jak i N-podstawionych (reakcja z
aminami I- i II-rzędowymi):

5. Reakcje z innymi odczynnikami nukleofilowymi
Bezwodniki a szczególnie bardziej od nich reaktywne chlorki kwasowe reagują
również z wieloma innymi odczynnikami nukleofilowymi, dając różne pochodne.
Jednym z ważnych zastosowań jest otrzymywanie nitryli α-oksokwasów jako
substratów do otrzymywania odpowiednich kwasów:

6. Reakcja chlorków kwasowych i bezwodników ze związkami Grignarda
Chlorki i bezwodniki kwasowe reagują ze związkami Grignarda w sposób
charakterystyczny dla związków karbonylowych. W pierwszym etapie reakcji
następuje addycja cząsteczki związku Grignarda do grupy karbonylowej, zgodnie z
rozkładem ładunku w obu substratach:

W następnym etapie odłączeniu ulega sól podwójna magnezu (w przypadku
bezwodników jest bromek acylowomagnezowy – w omawianym przykładzie bromek
octan magnezu; w przypadku chlorków – bromek chlorek magnezu) i powstaje
cząsteczka ketonu. Keton natychmiast reaguje z kolejną cząsteczką związku
Grignarda, dając alkoholan:

Z powstałego alkoholanu uzyskuje się wolny alkohol na drodze hydrolizy.
7. Acylowanie pierścieni aromatycznych w reakcji Friedela-Craftsa
Chlorki kwasowe (również bezwodniki) reagują z układami aromatycznymi, w
obecności AlCl3 jako katalizatora dając ketony:

Reakcja podlega tym samym ograniczeniom co reakcja alkilowania pierścieni
aromatycznych.
8. Otrzymywanie chlorków i bezwodników kwasowych
Chlorki kwasowe otrzymuje się w wyniku reakcji kwasów karboksylowych z SOCl2,
PCl3 lub PCl5 jak zostało to przedstawione powyżej. Bezwodniki otrzymuje się w
wyniku dehydratacji kwasów. W przypadku kwasów dikarboksylowych łatwo
powstają cykliczne bezwodniki posiadające pierścienie 5- lub 6-członowe –
dehydratacja następuje po podgrzaniu:

Ogólną metodą dehydratacji kwasów jest reakcja kwasu z bezwodnikiem octowym:

Ponieważ jest to proces równowagowy, o powodzeniu reakcji decyduje możliwość
oddestylowania powstającego bezwodnika w trakcie jego powstawania – musi być
więc bardziej lotny od kwasu octowego.
Metodą ogólną syntezy bezwodników zarówno prostych, jak i mieszanych jest reakcja
pomiędzy chlorkiem kwasowym a solą kwasu: