Хлорангидриды карбоновых кислот
Хлорангидри́д карбо́новой кислоты́ (ацилхлорид) — производное карбоновой кислоты, в которой гидроксильная группа -OH в карбоксильной группе -COOH заменена на атом хлора. Общая формула R-COCl. Первый представитель с R=H (хлористый формил) не существует, хотя смесь CO и HCl в реакции Гаттермана — Коха ведёт себя подобно хлорангидриду муравьиной кислоты.
Номенклатура
Названия хлорангидридов производятся от названий соответствующих кислотных остатков (ацилов) путём добавления к ним слова хлористый в начале или слова хлорид в конце.
Физические свойства
Хлорангидриды по большей части жидкости, кипят при значительно более низких температурах чем соответствующая кислота из-за отсутствия межмолекулярных водородных связей. Например, уксусная кислота кипит при 118 °C, в то время как ацетилхлорид при 51 °C. В ИК-спектрах хлорангидридов содержится, как и у других карбонильных соединений, интенсивная полоса поглощения при 1800 см−1.
Получение
Получают хлорангидриды чаще всего взаимодействием безводной карбоновой кислоты с тионилхлоридом (SOCl2)[1], трёххлористым фосфором (PCl3)[2] или пятихлористым фосфором (PCl5)[3], фосгеном (COCl2)[4].
- [math]\displaystyle{ \mathsf{RCOOH + SOCl_2 \rightarrow RCOCl + SO_2 + HCl} }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{3RCOOH + PCl_3 \rightarrow 3RCOCl + H_3PO_3} }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{RCOOH + PCl_5 \rightarrow RCOCl + POCl_3 + HCl} }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{RCOOH + COCl_2 \rightarrow RCOCl + CO_2 + HCl} }[/math]
Ещё один метод мягкого получения хлорангидридов основан на использовании оксалилхлорида
- [math]\displaystyle{ \mathsf{RCOOH + ClCOCOCl \rightarrow RCOCl + CO + CO_2 + HCl} }[/math]
Есть методы получения хлорангидридов без выделения хлороводорода, например, реакция Аппеля.
- [math]\displaystyle{ \mathsf{RCOOH + Ph_3P + CCl_4 \rightarrow RCOCl + Ph_3PO + CHCl_3} }[/math]
или используя цианурхлорид[5]
В реакции с тионилхлоридом образуются газообразная двуокись серы и хлороводород, которые легко удаляются из реакционного сосуда, способствуя прохождению реакции. Избыток тионилхлорида (т.кип. 79 °C) легко удаляется на роторном испарителе. Механизм реакции для тионилхлорида и пятихлористого фосфора похожи.
Реакция с оксалилхлоридом катализируется диметилформамидом. На первой стадии образуется иминевый интермедиат
Иминиевая соль реагирует с кислотой, отбирая кислород и регенирируя диметилформамид.
Реакции
Хлорангидриды химически исключительно активны.
Нуклеофильные
Наличие кислорода и хлора, сильных электроноакцепторов, при одном атоме углерода создаёт большой положительный заряд на данном атоме, превращая его таким образом в цель нуклеофильных атак даже для слабых нуклеофилов. Атом хлора является хорошей уходящей группой, что способствует нуклефильному замещению.
С водой низшие хлорангидриды реагируют чрезвычайно энергично, образуя соответствующую карбоновую кислоту и соляную кислоту:
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R\mathord-CO\mathord-Cl + H_2O \longrightarrow R\mathord-CO\mathord-OH + HCl} }[/math]
Менее энергично происходит взаимодействие со спиртами
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R_1\mathord-CO\mathord-Cl + HO\mathord-R_2 \longrightarrow R_1\mathord-CO\mathord-O\mathord-R_2 + HCl} }[/math]
Аналогично реагируют тиолы
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R\mathord-CO\mathord-Cl + HS\mathord-R_2 \longrightarrow R_1\mathord-CO\mathord-S\mathord-R_2 + HCl} }[/math]
Реакция с аммиаком, первичными и вторичными аминами приводит к соответствующим амидам:
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R\mathord-CO\mathord-Cl + NH_3 \longrightarrow R\mathord-CO\mathord-NH_2 + HCl} }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R\mathord-CO\mathord-Cl + CH_3 NH_2 \longrightarrow R\mathord-CO\mathord-NHCH_3 + HCl} }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R\mathord-CO\mathord-Cl + (CH_3)_2 NH \longrightarrow R\mathord-CO\mathord-N(CH_3)_2 + HCl} }[/math]
Реакцией с солями карбоновых кислот получают ангидриды карбоновых кислот
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R\mathord-CO\mathord-Cl + R\mathord-CO\mathord-ONa\longrightarrow (R\mathord-CO)_2\mathord O + NaCl} }[/math]
Также они реагируют с цианидами
- [math]\displaystyle{ \mathrm{R\mathord-CO\mathord-Cl + KCN \longrightarrow R\mathord-CO\mathord-CN + KCl} }[/math]
Применение раствора щёлочи, пиридина или избытка амина в данных реакциях желательно для удаления побочного продукта — хлороводорода и катализа реакции. Реакция карбоновых кислот со спиртами и аминами обратима, что приводит к невысоким выходам. В то же время реакция с хлорангидридами быстра и необратима, а их синтез довольно прост, что делает двухстадийный процесс предпочтительнее.
С углеродными нуклеофилами такими как реактивы Гриньяра ацилхлориды реагируют быстро с образованием кетонов. Использование избытка реактива Гриньяра приводит к получению третичных спиртов. В то же время реакция с кадмийорганическими соединениями останавливается на стадии образования кетона. Аналогичным образом проходят реакции с реактивом Gilman (литий диметилмедь (CH3)2CuLi). В целом ароматические ангидриды менее реакционноспособны и требуют более жестких условий проведения реакции чем алкильные. Хлорангидриды восстанавливаются такими сильными восстановителями как литий алюминий гидрид или диизобутилалюминий гидрид с образованием первичных спиртов. Литий тритретбутоксиалюминий гидрид, объёмистый восстановитель, восстанавливает до альдегидов также как и в реакции Розенмунда — Зайцева водородом над «отравленном» паладиевым катализатором.
Электрофильные
Хлорангидриды карбоновых кислот в присутствии кислот Льюиса (хлорид железа(III), хлорид алюминия) вступают в реакцию Фриделя-Крафтса с ароматическими соединениями, образуя ароматические кетоны.
Первая стадия — отщепление атома хлора кислотой Льюса
далее следует атака ароматического соединения карбкатионом
затем происходит отщепление водорода с образованием хлороводорода, освобождающийся хлорид алюминия образовывает комплекс с ароматическим кетоном по атому кислорода
Применение
Благодаря высокой реакционной способности хлорангидриды широко применяются в органическом синтезе в качестве ацилирующего агента для введения в синтезируемую молекулу остатка карбоновой кислоты (ацильная группа).
Безопасность
Из-за высокой активности ацилхлориды обладают общей токсичностью, работа с ними должна вестись с должной осторожностью (защитная одежда, вытяжная вентиляция). Ацилхлориды проявляют лакриматорные свойства из-за гидролиза до хлороводорода и карбоновой кислоты на слизистых оболочках глаз и дыхательных путей.
Ссылки
- ↑ Титце, Айхер Препаративная органическая химия М.:1999, стр. 128
- ↑ Титце, Айхер Препаративная органическая химия М.:1999, стр. 481
- ↑ Титце, Айхер Препаративная органическая химия М.:1999, стр. 159
- ↑ Ulrich, H.; Richter, R. 4-Isocyanatophthalic Anhydride. A Novel Difunctional Monomer, Journal of Organic Chemistry 1973, 38, 2557
- ↑ K. Venkataraman, and D. R. Wagle (1979). «Cyanuric chloride : a useful reagent for converting carboxylic acids into chlorides, esters, amides and peptides». Tetrahedron Letters 20 (32): 3037-3040
