Ацилгалогениды, ангидриды и кетены
Общие сведения
Ацилгалогениды, ангидриды карбоновых кислот и кетены представляют собой группы высокореакционноспособных органических соединений, генетически связанных с карбоновыми кислотами и выступающих важнейшими интермедиатами в органическом синтезе. Общей структурной особенностью ацилгалогенидов и ангидридов является наличие ацильной группы, что определяет их основное химическое предназначение — они являются эффективными ацилирующими агентами, способными вводить ацильную группу в различные молекулы под действием разнообразных нуклеофильных реагентов. Кетены структурно отличаются наличием кумулированной системы двойных связей, включающей карбонильную группу, однако их химическое поведение и пути образования позволяют рассматривать их в едином контексте с производными кислот. Высокая реакционная способность этих классов соединений обуславливает их исключительно широкое применение для конструирования сложных органических структур в лабораторной практике и промышленности.
Классификация
Классификация данных соединений базируется на природе функциональной группы, связанной с ацильным радикалом. Ацилгалогениды (наиболее часто используемыми представителями которых являются хлорангидриды) содержат атом галогена, непосредственно связанный с карбонильным атомом углерода.
Ангидриды карбоновых кислот представляют собой продукты формальной межмолекулярной дегидратации двух молекул карбоновых кислот. Они могут быть симметричными, если образованы из двух молекул одной и той же кислоты, или смешанными, когда образованы из разных кислот (примерами служат ацетилформиат, ацетилтрифторацетат, ацетилкарбонаты). Отдельную структурную группу составляют циклические ангидриды, образующиеся в результате внутримолекулярного отщепления воды от дикарбоновых кислот.
Кетены представляют собой специфический класс кумулированных соединений, содержащих группировку, в которой атом углерода соединен двойной связью как с соседним углеродным атомом, так и с атомом кислорода. Ввиду крайне высокой реакционной способности мономерные кетены в нормальных условиях нестабильны и склонны к димеризации с образованием дикетенов.
Способы получения
Синтез ацилгалогенидов традиционно осуществляется на основе свободных карбоновых кислот путем реакций нуклеофильного замещения. Наиболее распространенным реагентом для получения хлорангидридов является хлористый тионил. Реакция протекает через стадию образования смешанного ангидрида с последующим нуклеофильным замещением у ацильного атома углерода под действием хлорид-иона. Процесс катализируется добавлением третичных аминов, которые способствуют генерации хлорид-ионов и разрушению промежуточного интермедиата. Использование тионилхлорида удобно с препаративной точки зрения, так как побочные продукты (диоксид серы и хлороводород) выделяются в газообразном состоянии, оставляя чистый жидкий целевой продукт. Для синтеза галогенангидридов из соединений, чувствительных к кислым средам, применяется нейтральный реагент — оксалилхлорид, который получают из щавелевой кислоты и пентахлорида фосфора. Реакции с оксалилхлоридом эффективно протекают в мягких условиях, в том числе при охлаждении до 5 градусов Цельсия в растворе бензола. Альтернативными галогенирующими агентами служат фосген, а также комбинация трифенилфосфина с тетрахлорметана.
Ангидриды кислот синтезируют путем взаимодействия ацилгалогенидов с нуклеофильными агентами, в роли которых выступают соли карбоновых кислот. Препаративно более удобным является использование смеси свободной карбоновой кислоты с третичным амином (например, пиридином) и соответствующего ацилгалогенида. Ангидриды сильных кислот эффективно синтезируются простым нагреванием кислот с мощными дегидратирующими агентами, такими как оксид фосфора(V). Наилучшим современным методом получения ангидридов считается использование N,N'-дициклогексилкарбодиимида, несмотря на его высокую стоимость. Циклические ангидриды, включающие пяти- и шестичленные циклы, могут быть получены термической дегидратацией дикарбоновых кислот. Смешанные ангидриды, в частности ацетилформиат, получают реакцией формиата натрия с ацетилхлоридом.
Общие методы синтеза кетенов сводятся к реакциям элиминирования, а именно к дегалогенированию альфа-галогенацилгалогенидов или дегидрогалогенированию ацилгалогенидов. Простейший представитель этого класса — кетен — в промышленности и лаборатории получают посредством высокотемпературного пиролиза ацетона.
Свойства
Ацилгалогениды выступают исключительно активными ацилирующими агентами, взаимодействуя с водой, спиртами, аммиаком, аминами, карбанионами и гидрид-ионами. При взаимодействии с водой происходит гидролиз до соответствующих карбоновых кислот. Алкоголиз ацилгалогенидов приводит к образованию сложных эфиров. Для связывания выделяющегося в ходе алкоголиза галогеноводорода, способного спровоцировать побочные процессы, в систему вводят третичные амины, такие как пиридин, триэтиламин или диметиланилин. Аминолиз осуществляется действием аммиака, первичных, вторичных аминов или гидразина с образованием амидов и гидразидов. В этом случае часто применяется метод Шоттена — Баумана, при котором галогеноводород нейтрализуется холодным водным раствором щелочи, что исключает необходимость расходования избытка ценного амина на солеобразование. Третичные амины реагируют с ацилгалогенидами с образованием ионных солей, содержащих ацильную группу на положительно заряженном атоме азота. Более мягкими ацилирующими свойствами обладают N-ацилимидазолы, способные вступать в реакции с аминами даже в отсутствие катализаторов. Ангидриды карбоновых кислот обладают свойствами, полностью аналогичными химическому поведению ацилгалогенидов.
Восстановление ацилгалогенидов является важной препаративной задачей. Алюмогидрид лития восстанавливает их до алкоголятов первичных спиртов, но этот путь не имеет большого практического значения. Для селективного восстановления галогенангидридов до альдегидов применяют стерически затрудненный три-трет-бутоксиалюмогидрид лития. Также используется метод Розенмунда — каталитическое восстановление водородом на палладиевом катализаторе, дезактивированном хинолином или серой, нанесенном на сульфат бария.
Взаимодействие ацилгалогенидов с металлоорганическими соединениями открывает путь к конструированию углерод-углеродных связей. Магнийорганические соединения (реактивы Гриньяра) реагируют с ацилгалогенидами через образование тетраэдрического интермедиата, давая кетоны, которые при избытке реактива далее превращаются в третичные спирты. Синтез можно остановить на стадии кетона при использовании избытка ацилгалогенида и безводного хлорида железа(III) в условиях низких температур. Менее полярные кадмийорганические и ртутьорганические соединения реагируют медленно, что также позволяет получать несимметричные кетоны. Однако универсальным и наиболее эффективным методом синтеза несимметричных кетонов является использование диалкил- или диарилкупратов лития. Купраты реагируют с ацилгалогенидами и ангидридами с выходом целевых кетонов до 95 процентов, при этом они совершенно инертны по отношению к сложным эфирам, амидам и нитрилам.
Ацилгалогениды применяются в реакции Арндта — Эйстерта для удлинения углеродной цепи карбоновой кислоты на одну метиленовую группу. В ходе реакции ацилгалогенид реагирует с диазометаном (используется два моля для связывания хлороводорода с образованием хлористого метила), давая диазокетон. При нагревании диазокетона в водной суспензии оксида серебра протекает перегруппировка Вольфа: образующийся интермедиат ацилкарбен претерпевает анионотропную перегруппировку в кетен. Последующее взаимодействие кетена с водой дает карбоновую кислоту-гомолог, а реакция в спиртовой среде приводит к образованию сложного эфира.
Кетены проявляют экстремально высокую химическую активность, энергично реагируя с любыми нуклеофильными агентами. Они легко присоединяют воду с образованием карбоновых кислот, реагируют со спиртами, тиолами и аминами, образуя соответствующие производные. Из-за своей высокой активности мономерные кетены стабильны лишь при сильном охлаждении (до минус 20 градусов Цельсия). В нормальных условиях они немедленно димеризуются с образованием дикетенов. Дикетен, в свою очередь, может взаимодействовать со спиртами, приводя к образованию эфиров ацетоуксусной кислоты.
Применение
Производные карбоновых кислот незаменимы в тонком органическом и промышленном синтезе. Метод ацилирования по Шоттену — Бауману нашел применение в фармацевтике для синтеза ряда препаратов, например, седативного средства триметазидина. Реакция Арндта — Эйстерта широко применяется в лабораторной практике для гомологизации кислот, а также для введения изотопных меток в карбоксильную группу молекулы. Смешанные ангидриды, в частности ацетилформиат, используются в синтезе как специфические реагенты для формилирования — введения формильной группы в спирты, тиолы и амины. Диалкилкупраты активно применяются в связке с ацилгалогенидами для селективного получения несимметричных кетонов без затрагивания других функциональных групп в молекуле. В крупнотоннажной химической промышленности кетен играет ключевую роль, так как его взаимодействие с уксусной кислотой является основным методом промышленного производства уксусного ангидрида.