Οργανική Χημεία. Κεφάλαια 20 & 21: Καρβοξυλικά οξέα, παράγωγα τους και αντιδράσεις ακυλο υποκατάστασης

Transcript

1 Οργανική Χημεία Κεφάλαια 20 & 21: Καρβοξυλικά οξέα, παράγωγα τους και αντιδράσεις ακυλο υποκατάστασης

2 1. Καρβοξυλικά οξέα Σημαντικά ακυλο (-COR) παράγωγα Πλήθος καρβοξυλικών ενώσεων στη φύση, π.χ. οξικό οξύ (συστατικό ξιδιού), βουτανοϊκό οξύ (βούτυρο) κλπ. Βιολογικά σημαντικά μόρια. π.χ. χολικό οξύ (συστατικό χολής), ελαϊκό & λινελαϊκό οξύ (πρόδρομες ενώσεις λιπών & άλλων λιπιδίων)

3 2. Ονοματολογία 1. Καρβοξυλικά οξέα από αλκάνια ανοιχτής αλυσίδας ονομάζονται αντικαθιστώντας κατάληξη ιο με οϊκό οξύ. Καρβοξυλικός άνθρακας αριθμείται σαν C1 2. Ενώσεις με ομάδα COOH συνδεδεμένη με δακτύλιο ονομάζονται χρησιμοποιώντας την κατάληξη καρβοξυλικό οξύ. Άνθρακας του COOH συνδέεται με τον C1 και ο ίδιος δεν αριθμείται

4 3. Εμπειρικά ονόματα

5 4. Δομή και φυσικές ιδιότητες Καρβοξυλικός άνθρακας έχει υβριδισμό sp 2, συνεπώς καρβοξυλικές ομάδες επίπεδες με γωνία δεσμών C-C-O και O-C-O περίπου 120 ο Καρβοξυλικά οξέα συνδέονται ισχυρά μεταξύ τους λόγω δεσμών Η (περισσότερα οξέα απαντούν ως κυκλικά διμερή) Αποτέλεσμα, ψηλά σημεία ζέσης (>> και από αλκοόλες)

6 5. Διάσταση καρβοξυλικών οξέων Καρβοξυλικά οξέα όξινα, αντιδρούν με βάσεις προς σχηματισμό καρβοξυλικών αλάτων μετάλλων π.χ. καλίου και νατρίου Διίστανται σε αραιό υδατικό διάλυμα προς σχηματισμό H 3 O + και καρβοξυλικών ανιόντων RCOO - Σταθερά οξύτητας Κ α Καρβοξυλικά οξέα ισχυρότερα οξέα από αλκοόλες

7 6. Γιατί καρβοξυλικά οξέα ισχυρότερα οξέα από αλκοόλες; Σύγκριση σχετικής σταθερότητας καρβοξυλικών ανιόντων σε σχέση με αλκοξειδικά ανιόντα 1. Στααλκοξείδιαανιόντατο(-) εντοπίζεται σε ένα Ο 2. Στα καρβοξυλικά ανιόντα το (-) απεντοπίζεται σε δύο Ο

8 7. Ενεργειακό διάγραμμα διάστασης αλκοολών και καρβοξυλιών οξέων Σταθεροποίηση λόγω συντονισμού στα καρβοξυλικά οξέα ελαττώνει ΔG ο της διάστασης καρβοξυλικών οξέων οδηγώντας σε ψηλότερες τιμές Κ α

9 8. Ισοδυναμία δύο οξυγόνων καρβοξυλικών ιόντων Κρυσταλλογραφικές μελέτες από ακτίνες Χ του φορμικού νατρίου έδειξαν ότι δεσμοί C-O είναι ισοδύναμοι

10 9. Επίδραση υποκαταστατών στην οξύτητα Παράγοντες που σταθεροποιούν το καρβοξυλικό ιόν σε σχέση με το αδιάστατο καρβοξυλικό οξύ οδηγεί την ισορροπία προς αυξημένη διάσταση αυξάνοντας την οξύτητα Ομάδες δέκτες e - συνδεδεμένες με το -COOH έλκουν επαγωγικώς ηλεκτρονική πυκνότητα και σταθεροποιούν το καρβοξυλικό ανιόν Ομάδες δότες e - συνδεδεμένες με το -COOH αποσταθεροποιούν το καρβοξυλικό ανιόν

11 10. Οξύτητα καρβοξυλικών οξέων Ηλεκτροαρνητικοί υποκαταστάτες (αλογόνα) σταθεροποιούν καρβοξυλικά ιόντα έλκοντας επαγωγικώς ηλεκτρόνια

12 11. Οξύτητα Cl-υποκατεστημένων καρβοξυλικών οξέων Εισαγωγή χλώρουποκαταστατών αυξάνει οξύτητα οξικού οξέος Επίδραση υποκαταστάτη αλογόνου ελαττώνεται όσο υποκαταστάτης απομακρύνεται από το καρβοξύλιο (επίδραση λόγω επαγωγικού φαινομένου που εξαρτάται από απόσταση)

13 12. Επίδραση υποκαταστατών σε υποκατεστημένα βενζοϊκά οξέα Ομάδες δέκτες e - (απενεργοποιητές) αυξάνουν την οξύτητα σταθεροποιώντας το καρβοξυλικό ανιόν Ομάδες δότες e - (ενεργοποιητές) ελαττώνουν την οξύτητα αποσταθεροποιώντας το καρβοξυλικό ανιόν

14 13. Αντιδράσεις καρβοξυλικών οξέων

15 14. Αναγωγή καρβοξυλικών οξέων Αναγωγή παρουσία αλουμίνοϋδριδίου του λιθίου (LiAlH 4 ) αλλά όχι βοροϋδριδίου του νατρίου (NaΒΗ 4 ) - δύσκολή αντίδραση απαιτεί θέρμανση σε THF Εναλλακτικά, βοράνιο (BH 3 ) σε THF ανάγει καρβοξυλικά οξέα σε πρωτοταγείς αλκοόλες - ταχύτατη αντίδραση σε θερμοκρασία δωματίου που επιτρέπει εκλεκτικούς μετασχηματισμούς

16 15. Αντίδράσεις πυρηνόφιλης ακυλο υποκατάστασης καρβοξυλικών οξέων Αντιδράσεις μετατροπής της καρβοξυλικής ομάδας σε άλλο παράγωγο οξέος, RCOOH RCOY

17 16. Παράγωγα καρβοξυλικών ενώσεων RCOY Ενώσεις όπου ακυλο ομάδα συνδέεται με ένα ηλεκτραρνητικό άτομο ή έναν υποκαταστάτη που μπορεί να δράσει σαν αποχωρούσα ομάδα Χημεία παραγώγων οξέων καθορίζεται από μία γενική αντίδραση, την αντίδραση πυρηνόφιλης ακυλο υποκατάστασης

18 17. Ονοματολογία παραγώγων καρβοξυλικών ενώσεων

19 18. Αντιδράσεις πυρηνόφιλης ακυλο υποκατάστασης Αντιδράσεις πυρηνόφιλης ακυλο υποκατάστασης πραγματοποιούνται σε 2 στάδια (προσθήκη Nu -, απόσπαση Y - ) και περιλαμβάνουν το σχηματισμό 4εδρικού ενδιάμεσου

20 19. Σύγκριση αλδευδών/κετονών με παράγωγα καρβοξυλικών οξέων Αλδεϋδες-Κετόνες Παράγωγα καρβοξυλικών οξέων

21 20. Σχετική δραστικότητα παραγώγων καρβοξυλικών οξέων Αντιδράσεις πυρηνόφιλης ακυλο υποκατάστασης πραγματοποιούνται σε 2 στάδια, την προσθήκη του πυρηνόφιλου Nu - και την απόσπαση της αποχωρούσας ομάδας Y - Το πρώτο είναι το καθοριστικό στάδιο της ταχύτητας Οποιοδήποτε υποκαταστάτης καθιστά την καρβονυλική ομάδα πιο ευπρόσβλητη από τα Nu - ευνοεί την αντίδραση υποκατάστασης

22 21. Παράγοντες που επηρεάζουν δραστικότητα παραγώγων καρβοξυλικών οξέων Στερεοχημικοί και ηλεκτρονικοί Μη παρεμποδισμένες καρβονυλομάδες αντιδρούν πιο γρήγορα από στερεοχημικά παρεμποδισμένες Ισχυρά πολωμένα παράγωγα προσβάλλονται πιο γρήγορα απόταλιγότεροπολικά

23 22. Αλληλομετατροπές παραγώγων καρβοξυλικών οξέων Συνέπεια σχετικής δραστικότητας παραγώγων καρβοξυλικών οξέων να μετασχηματίζεται ένα δραστικότερο σε ένα λιγότερο δραστικό Στη φύση απαντούν ευρέως μόνο οι εστέρες και τα αμίδια

24 23. Θείολο εστέρες - βιολογικά παράγωγα καρβοξυλικών οξέων Ακέτυλο συνένζυμο Α (ακέτυλο CoA) συνηθέστερος θείολο εστέρας στη φύση Χρησιμοποιείται ως δραστικό ακυλιωτικό αντιδραστήριο σε αντιδράσεις πυρηνόφιλης ακυλο υποκατάστασης

25 24. Παράδειγμα Σύνθεση Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης (συστατικό κυτταρικών μεμβρανών στα θηλαστικά) κατά την ακετυλίωση γλυκοζαμίνης από το ακέτυλο CoA