Хлорангідриди карбонових кислот

Хлорангідриди карбонових кислот (ацилхлориди) — похідні карбонової кислоти, в яких гідроксильна група -OH в карбоксильної групі -COOH замінена на атом хлору. Загальна формула R-COCl. Перший представник з R = H (хлористий форміл) не існує, хоча суміш CO і HCl в реакції Гаттермана—Коха поводиться подібно хлорангидридами мурашиної кислоти.

Загальна формула Хлорангідридів карбонових кислот

Номенклатура

Назва хлорангідрид походить від назв відповідних кислотних залишків (ацилів) шляхом додавання до них слова хлористий на початку або слова хлорид в кінці.

Фізичні властивості

Хлорангідриди — це здебільшого рідини, що киплять при значно нижчих температурах, ніж відповідна кислота (через відсутність міжмолекулярних водневих зв'язків). Наприклад, оцтова кислота кипить при 118 °C, в той час як ацетилхлорид — при 51 °C.

В ІЧ-спектрах хлорангідридів міститься, як і у інших карбонільних сполук, інтенсивна смуга поглинання при 1800 см⁻¹.

Отримання

Отримують хлорангідриди найчастіше взаємодією безводної карбонової кислоти з тіонілхлоридом (SOCl₂₎^[1], трихлористим фосфором (PCl_{3)^[2] або п'ятихлористим фосфором (PCl5)^[3], фосгеном (COCl2)^[4].}

${\displaystyle {\mathsf {RCOOH+SOCl_{2}\rightarrow RCOCl+SO_{2}+HCl}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3RCOOH+PCl_{3}\rightarrow 3RCOCl+H_{3}PO_{3}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {RCOOH+PCl_{5}\rightarrow RCOCl+POCl_{3}+HCl}}}$

${\displaystyle {\mathsf {RCOOH+COCl_{2}\rightarrow RCOCl+CO_{2}+HCl}}}$

Ще один метод м'якого отримання хлорангидридов заснований на використанні оксалілхлориду:

${\displaystyle {\mathsf {RCOOH+ClCOCOCl\rightarrow RCOCl+CO+CO_{2}+HCl}}}$

Є методи отримання хлорангидридів без виділення хлороводню, наприклад, реакція Аппеля:

${\displaystyle {\mathsf {RCOOH+Ph_{3}P+CCl_{4}\rightarrow RCOCl+Ph_{3}PO+CHCl_{3}}}}$

або використовуючи ціанурхлорид:^[5]

В реакції з тіонілхлоридом утворюються газоподібні діокис сірки і хлороводень, які легко видаляються з реакційної посудини, сприяючи проходженню реакції. Надлишок тіонілхлориду (т.кип. 79 °C) легко видаляється на роторному випарнику. Механізм реакції для тіонілхлориду і пятихлористого фосфору схожі.

Реакція з оксалілхлорид каталізується диметилформамідом. На першій стадії утворюється імінієвий интермедіат:

Імінієва сіль реагує з кислотою, відбираючи кисень, і регенерує диметилформамід.

Хімічні властивості

Нуклеофільні

Наявність кисню і хлору, сильних електроноакцепторів, при одному атомі вуглецю створює великий позитивний заряд на даному атомі, перетворюючи його таким чином в ціль нуклеофільних атак навіть для слабких нуклеофілів. Атом хлору є хорошою групою, що йде, що сприяє нуклефільному заміщенню.

З водою нижчі хлорангидриди реагують надзвичайно енергійно, утворюючи відповідну карбонову кислоту і соляну кислоту:

${\displaystyle \mathrm {R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+H_{2}O\longrightarrow R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}OH+HCl} }$

Менш енергійно відбувається взаємодія зі спиртами:

${\displaystyle \mathrm {R_{1}{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+HO{\mathord {-}}R_{2}\longrightarrow R_{1}{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}O{\mathord {-}}R_{2}+HCl} }$

Аналогічно реагують тіоли:

${\displaystyle \mathrm {R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+HS{\mathord {-}}R_{2}\longrightarrow R_{1}{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}S{\mathord {-}}R_{2}+HCl} }$

Реакція з аміаком, первинними і вторинними амінами приводить до відповідних амідів:

${\displaystyle \mathrm {R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+NH_{3}\longrightarrow R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}NH_{2}+HCl} }$

${\displaystyle \mathrm {R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+CH_{3}NH_{2}\longrightarrow R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}NHCH_{3}+HCl} }$

${\displaystyle \mathrm {R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+(CH_{3})_{2}NH\longrightarrow R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}N(CH_{3})_{2}+HCl} }$

Реакцією з солями карбонових кислот отримують ангідриди карбонових кислот:

${\displaystyle \mathrm {R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}ONa\longrightarrow (R{\mathord {-}}CO)_{2}{\mathord {O}}+NaCl} }$

Також вони реагують з ціанідами:

${\displaystyle \mathrm {R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}Cl+KCN\longrightarrow R{\mathord {-}}CO{\mathord {-}}CN+KCl} }$

Застосування розчину лугу, піридину або надлишку аміну в даних реакціях бажано для видалення побічного продукту — хлороводню — і каталізу реакції. Реакція карбонових кислот зі спиртами та амінами оборотна, що призводить до невисоких виходів. У той же час реакція з хлорангидридами швидка і незворотна, а їх синтез досить простий, що робить двостадійний процес кращим.

З вуглецевими нуклеофілами, такими як реактиви Гріньяра, ацилхлориди реагують з високою швидкістю і утворенням кетонів. Використання надлишку реактиву Гріньяра призводить до отримання теоретичних спиртів. У той же час реакція з кадмійорганічними сполуками зупиняється на стадії утворення кетона. Аналогічним чином проходять реакції з реактивом Гілмана (літій диметилмідь (CH₃)₂CuLi).

В цілому ароматичні ангідриди менш реакційноздатні та вимагають більш жорстких умов проведення реакції, ніж алкільні. Хлорангідриди відновлюються такими сильними відновниками як літій алюміній гідрид або диізобутілалюміній гідрид з утворенням первинних спиртів. Літій три(трет-бутоксі)алюміній гідрид, об'ємистий відновник, відновлює до альдегідів також як і в реакції Розенмунда—Зайцева воднем над «отруєним» паладієвим каталізатором.

Електрофільні

Хлорангідриди карбонових кислот в присутності кислот Льюїса (хлорид заліза(III), хлорид алюмінію) вступають в реакцію Фріделя-Крафтса з ароматичними сполуками, утворюючи ароматичні кетони.

Перша стадія — відщеплення атома хлору кислотою Льюїса:

Далі йде атака ароматичної сполуки карбокатіоном:

Згодом відбувається відщеплення водню з утворенням хлороводню, що звільняється хлорид алюмінію утворює комплекс з ароматичним кетоном по атому кисню

Застосування

Завдяки високій реакційній здатності хлорангидріди широко застосовуються в органічному синтезі як ацилювальні агенти для введення в синтезовану молекулу залишку карбонової кислоти (ацильної групи).

Безпека

Через високу активність ацилхлоридів володіють загальною токсичністю, робота з ними повинна вестися з належною обережністю (захисний одяг, витяжна вентиляція). Ацилхлориди проявляють лакриматорні властивості через гідроліз до хлороводню і карбонової кислоти на слизових оболонках очей і дихальних шляхів.

Див. також

• Галогенангідриди

Примітки

1. Титце, 1999, с. 128.
2. Титце, 1999, с. 481.
3. Титце, 1999, с. 159.
4. Ulrich, H.; Richter, R. 4-Isocyanatophthalic Anhydride. A Novel Difunctional Monomer // Journal of Organic Chemistry. — 1973. — Т. 38, вип. 14 (10 листопада). — С. 2557. — DOI:10.1021/jo00954a034. (англ.)
5. K. Venkataraman, D. R. Wagle. Cyanuric chloride: a useful reagent for converting carboxylic acids into chlorides, esters, amides and peptides // Tetrahedron Letters. — 1979. — Т. 20, вип. 32 (10 листопада). — С. 3037—3040. — DOI:10.1016/S0040-4039(00)71006-9. (англ.)

Джерела

• Титце Л., Айхер Т. Препаративная органическая химия. — М. : Мир, 1999. — 704 с. (рос.)