16. Bezwodniki i halogenki kwasowe.pdf

13. B E Z W O D N I K I I H A L O G E N K I K W A S O W E

Aleksander Kołodziejczyk sierpień 2007

H A L O G E N K I K W A S O W E

Halogenki kwasowe są pochodnymi kwasów karboksylowych , w których funkcja hydroksylowa

została zastąpiona przez halogen.

X : F; Cl; Br; I

R X

Występowanie

Halogenki kwasowe nie występują w stanie naturalnym, ponieważ są bardzo reaktywnymi

związkami. Wszystkie zostały otrzymywane syntetycznie. W praktyce laboratoryjnej i w

przemyśle zastosowanie znalazły głównie chlorki kwasowe .

Nomenklatura

Nazwę halogenków kwasowych tworzy się przez dodanie do nazwy halogenku ( fluorku , chlorku ,

bromku lub jodku ) nazwę reszty acylowej , np. chlorek acetylu .

chlorek

acetylu

bromek

propionylu

chlorek

cykloheksanokarbonylu

bromek

benzoilu

H 3

C 2 H 5

Otrzymywanie

Halogenki kwasowe otrzymuje się z kwasów karboksylowych . Najczęściej stosowanym

odczynnikiem do przekształcania kwasów w chlorki kwasowe jest chlorek tionylu ( SOCl 2 ).

Zaletą, oprócz niskiej ceny odczynnika i dobrej wydajności jest to, że obok chlorku kwasowego

powstają łatwe do usunięcia produkty gazowe ( SO 2 i HCl ). Podobne zalety wykazuje chlorek

oksalilu – ClCOCOCl .

+ HCl + SO 2

SO 2

H 3

CH 3

H 3

CH 3

CHCl 3

CH 3

90%

kwas 2,4,6-trimetylobenzoesowy chlorek 2,4,6-trimetylobenzoilu

CH 2 CH 2 COOH

CH 2 CH 2 COCl

ClCOCOCl

+ HCl + CO + CO 2

kwas 3-fenylopropanowy chlorek 3-fenylopropanoilu (95%)

Reakcja kwasów karboksylowych z chlorkiem tionylu biegnie zgodnie z mechanizmem S N . W

wyniku addycji SOCl 2 do acylowego atomu węgla powstaje chlorosiarczyn acylu , który pod

wpływem anionu chlorkowego traci cząsteczkę SO 2 i przekształca się w chlorek kwasowy .

S O

+ Cl - + SO 2

.. :

H +

: :

chlorek kwasowy

kwas karboksylowy

chlorosiarczyn

Chlorki kwasowe można również otrzymywać za pomocą pochodnych fosforu takich, jak PCl 3 ,

POCl 3 , PCl 5 . Bromki kwasowe syntezuje się z kwasów i PBr 3 lub POBr 3 , zaś jodki kwasowe

powstają z chlorków kwasowych pod wpływem jodowodoru, a fluorki kwasowe z bezwodników

i bezwodnego fluorowodoru.

2 CH 3 COONa + POBr 3 2 CH 3 COBr + NaPO 3 + NaBr

octan sodu bromek acetylu (65%)

COOH

COCl

PCl 5

+ POCl 3 + HCl

kwas p -nitro-

benzoesowy

NO 2

(95%)

NO 2

chlorek p -nitrobenzolilu

Właściwości fizyczne i fizjologiczne

Halogenki kwasowe o niskich ciężarach cząsteczkowych są cieczami; chlorek acetylu wrze w

temperaturze 52 o C , chlorek propionylu w 78 o C , a chlorek benzoilu w 198 o C . Chlorek p -

nitrobenzoilu jest krystaliczny, topnieje w temperaturze 73 o C . Halogenki kwasowe są

nierozpuszczalne w wodzie, ale reagują z nią ulegając rozkładowi do kwasów karboksylowych .

Po wlaniu do wody opadają na dno i w niskiej temperaturze wolno hydrolizują z wydzielaniem

HCl . Niższe halogenki kwasowe reagują z wodą energiczniej, a bardzo gwałtownie z alkoholami

(rozpuszczają się w nich). Halogenki kwasowe mają intensywny, gryzący zapach; nawet te

niskolotne są duszące – dymią na powietrzu.

Właściwości chemiczne

Halogenki kwasowe są bardzo reaktywne, ulegają rozkładowi ( lizie ) pod wpływem wielu

odczynników. Z wodą zachodzi hydroliza do kwasów karboksylowych , z alkoholami w wyniku

alkoholizy powstają estry , z amoniakiem ( amonoliza ) tworzą się amidy niepodstawione , z

aminami ( aminoliza ) – amidy podstawione , a z solami kwasów karboksylowych – bezwodniki

kwasowe .

1 . Hydroliza

Chlorki kwasowe w reakcji z wodą ulegają hydrolizie do kwasów karboksylowych . Im mniejsza

masa cząsteczkowa chlorku tym szybciej reaguje on z wodą.

.. :

- HB

. .

: :

- Cl -

kwas benzoesowy

chlorek benzoilu

W praktyce hydroliza chlorków kwasowych nie jest wykorzystywana do otrzymywania kwasów

karboksylowych , gdyż to z kwasów otrzymuje się chlorki kwasowe . Należy jednak pamiętać o

tym, że chlorki kwasowe są wrażliwe na wilgoć. Powinno się, zatem przechowywać je w

szczelnie zamkniętych naczyniach, a reakcje z nimi prowadzić w warunkach bezwodnych.

Wyższe chlorki kwasowe są mniej reaktywne i można ich roztwory w rozpuszczalniku

niemieszającym się z wodą przemywać zimną wodą w celu oczyszczenia, a następnie suszyć

(usuwać resztki wody).

2. Alkoholiza

Reakcja chlorków kwasowych z alkoholami , zwana reakcją alkoholizy , czyli rozkładu pod

wpływem alkoholu jest szeroko stosowana do otrzymywania estrów .

+ HO(CH 2 ) 3 CH 3

H 3

O(CH 2 ) 3 CH 3

H 3

- HCl

chlorek acetylu butan-1-ol octan butylu (90%)

COCl

- HCl

chlorek benzoilu cykoheksanol benzoesan cykloheksylu (97%)

Reakcję prowadzi się wobec zasad, np. pirydyny ( Py ), NaOH lub NEt 3 , które pochłaniają

wydzielający się chlorowodór.

Alkoholiza chlorków kwasowych biegnie zwykle gwałtowniej niż ich hydroliza , ponieważ są

one rozpuszczalne w alkoholach . Z tego powodu alkoholizę należy prowadzić ostrożnie, w

obniżonej temperaturze, wkraplając chlorek do środowiska reakcji.

Szybkość alkoholizy chlorków kwasowych w dużym stopniu zależy od rzędowości reagującego

alkoholu . Alkohole 1 o reagują znacznie szybciej niż 2 o , dlatego wykorzystując tę zależność

można alkohole niżej rzędowe selektywnie acylować w obecności wyżej rzędowych.

COCl

O CH 2

HOCH 2

- HCl

chlorek benzolilu 4-hydroksymetylocykloheksanol

4-benzoiloksymetylocykloheksanol (80%)

3. Amonoliza i aminoliza

Halogenki kwasowe w obecności amoniaku ulegają amonolizie , a pod wpływem amin 1 o i 2 o –

aminolizie . W obu reakcja tworzą się amidy , z wysokimi wydajnością, odpowiednio

niepodstawione lub podstawione . Zarówno amonoliza jak i aminoliza niskocząsteczkowych

chlorków kwasowyych biegnie gwałtownie.

(CH 3 ) 2 CHCOCl + 2 :NH 3 (CH 3 ) 2 CHCONH 2 + NH 4 Cl

chlorek 2-metylopropanoilu 2-metylopropanoamid (83%)

H 2

NaOH

chlorek benzoilu anilina benzanilid (75%)

Reakcja aminolizy chlorków i bezwodników kwasowych w wodzie wobec NaOH znana jest pod

nazwą reakcji Schottena-Baumanna .

Carl Schotten (1853-1910), ur. w Marburgu, Niemcy; doktorat u Hofmanna w Berlinie; prof. na Uniwersytecie w

Berlinie.

Reakcja Schottena-Baumanna wykorzystywana jest zarówno laboratoryjne, jak i w przemyśle.

Przykładem praktycznego zastosowania amonolizy chlorku kwasowego może być synteza leku

uspokajającego – trimetozyny .

CH 3 O

NaOH/HOH

trimetozyna

morfolina

Syntetyczna trimetozyna jest analogiem (podobna w budowie) do meskaliny , narkotyku

wytwarzanego przez pejot, kaktus rosnący w Meksyku i na południu USA.

CH 3 O

CH 2 -CH 2 NH 2

meskalina

Meskalina , silny, halucynogenny narkotyk wywołuje zaburzenie poczucia czasu i miejsca

przebywania oraz barwne wizje. Zażywana wielokrotnie powoduje uzależnienie i zmiany

psychiczne przypominające schizofrenię. Na przełomie XIX i XX w. była popularna pośród

malarzy, którzy pod jej wpływem tworzyli obrazy zawierające niezwykłe kształty i barwy

(Witkacy). Natomiast morfolina , pomimo podobieństwa w nazwie do morfiny nie jest

narkotykiem.

4. Redukcja

Przez długi czas chlorki kwasowe stanowiły cenny substrat do otrzymywania aldehydów .

Pierwotnym ich substratem były łatwo dostępne kwasy karboksylowe , których przekształcenie w

chlorki kwasowe nie nastręczało trudności. Problem stanowiła ich redukcja , ponieważ łatwiej

jest zredukować chlorki kwasowe do alkoholi 1 o , niż do aldehydów . Przez długi czas jedynym

dostępnym sposobem redukcji chlorków kwasowych było ich uwodornienie wodorem w

obecności katalizatora palladowego zatrutego związkami siarki. Reakcję tę znaną pod nazwą

reakcji Rosenmunda prowadziło się we wrzącym ksylenie . Nie cieszyła się powodzeniem ze

względu na stosunkowo niskie wydajności i niezbyt dogodne warunki jej prowadzenia.

Pd/S

R-COCl + H 2 → R-CHO + HCl

ksylen, tw

Obecnie chlorki kwasowe najdogodniej przeprowadza się w aldehydy za pomocą tri- tert -

butyloksyhydroglinianu litu .

1. LiHAl[OC(CH 3 ) 3 ] 3

2. H + /HOH

chlorek kwasowy aldehyd

Ten selektywny reduktor otrzymuje się w reakcji t -butanolu z tetrahydroglinianem litu.

3 (CH 3 ) 3 COH + LiAlH 4

LiHAl[OC(CH 3 ) 3 ] 3 + 3 H 2

Tri- tert -butyloksyhydroglinian litu selektywnie redukuje chlorki kwasowe , ponieważ ma słabsze

zdolności redukujące niż LiAlH 4 , a jego rozbudowana przestrzennie cząsteczka zawiera tylko

jeden atom H . Odczynnik ten pozwala redukować chlorki kwasowe w obecności grupy nitrowej.

chlorek 3,4,5-tri-

metoksybenzolilu

COCl

1. LiAlH[OC(CH 3 ) 3 ] 3

(81%)

2. H+/HOH

chlorek p -nitrobenzoilu

p -nitrobenzaldehyd

NO 2

Oczywiście nie ma zalet bez wad, tri- tert -butyloksyhydroglinian litu w porównaniu do LiAlH 4

jest mniej wydajny (stechiometrycznie redukuje cztery razy mniej chlorku ). W takim przypadku

mówimy o niskiej wydajności atomowej reakcji. Z powodów ekonomicznych ten sposób

syntezy aldehydów jest stosowany jedynie w badaniach naukowych i do wytwarzania drogich

produktów.

Tetrahydroglinian litu redukuje chlorki kwasowe do alkoholi 1 o .

COCl

chlorek

benzoilu

1. LiAlH 4

CH 2 OH

alkohol

benzylowy

2. H + /HOH

96%

Reduktorem w tej reakcji jest anion wodorkowy: H - . Reakcja biegnie wg mechanizmu S N .

Przejściowo powstaje aldehyd , ale reakcja nie zatrzymuje się na tym etapie i biegnie dalej do

alkoholu

. .

: : -

H + /HOH

+ :H

R-CH 2 OH

- Cl -

:H -

alkohol 1 o

chlorek kwasowy

W praktyce chlorki kwasowe rzadko redukowane są za pomocą LiAlH 4 , ponieważ te same

produkty można otrzymać z kwasu , niepotrzebny jest, więc etap przekształcania kwasów w

chlorki kwasowe .

5. Reakcje ze związkami metaloorganicznymi

Chlorki kwasowe reagują z dwoma molami związku Grignarda ( 2 mole/ 1 mol chlorku ),

ponieważ powstający przejściowo keton ulega w warunkach reakcji kolejnej addycji i po

hydrolizie tworzy się alkohol 3 o . Reakcja biegnie mechanizmem S N .

: MgCl

H + /HOH CH 3 MgCl

+ CH 3 MgCl

CH 3

chlorek

benzoilu

- MgCl 2

CH 3

chlorek metylomagnezowy

acetofenon

2-fenylopropan-2-ol (92%)

Reakcję można zatrzymać na etapie ketonu pod warunkiem, że użyje się mniej reaktywnych

reagentów, takich jak odczynniki Gilmana czy związki kadmoorganiczne . Odczynniki Gilmana

nie reagują z estrami , ani z bezwodnikami . Dietylomiedzian litu został wykorzystany do

otrzymywania manikonu , feromonu alarmowego mrówek Manica .

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: