Сложные эфиры. 
Органическая химия

Сложные эфиры чаще всего получают ацилированием гидроксипроизводных карбоновыми кислотами, их хлорангидридами и ангидридами, а также кетенами (см. ниже); достаточно широко используется взаимодействие солей карбоновых кислот с галогенидами и тозилатами по Б^-механизму (стр. 112). Из других способов можно отметить присоединение карбоновых кислот к ацетилену (стр. 142, ч. 1), перегруппировку Байера-Виллигера (стр. 35), реакцию Тищенко (стр. 41). Для получения метиловых эфиров используют реакцию карбоновых кислот с диазометаном (будет рассмотрено позднее).

Названия сложных эфиров R-CO-OR¹ обычно складываются из названия радикала R¹ и названия кислоты с прибавлением окончания am: этиловый эфир уксусной кислоты — этилацетат; пропиловый эфир бензойной кислоты — пропилбензоат; диметиловый эфир щавелевой кислоты — диметил оксалат.

Химические свойства

Свойства сложных эфиров обнаруживают, с одной стороны, определенное сходство со свойствами ранее рассмотренных производных — хлорангидридов и ангидридов, с другой — заметное своеобразие; в частности, появляются новые типы реакций, такие, как ацилоиновая конденсация, пиролиз и другие.

Химические реакции сложных эфиров можно разделить на следующие группы: I. Нуклеофильные реакции карбонильной группы; II. Реакции расщепления связи О-алкил; III. Реакции восстановления; IV. Реакции пиролитического отщепления. Весьма важные реакции a-положения отдельно не рассматриваются; часть материала (сложноэфирная конденсация) будет рассмотрена в разделе «Нуклеофильные реакции карбонильной группы», а часть — в специальном разделе, посвященном метиленактивным соединениям.

I.Нуклеофильные реакции карбонильной группы.

Наиболее характерными реакциями этой группы являются взаимодействие сложных эфиров с Ои N-нуклеофилами и металлорганическими соединениями, а также реакции конденсации с карбанионами.

Сложные эфиры, как и предыдущие типы производных, подвергаются гидролизу и ацилируют Ои N-нуклеофилы по общей схеме:

Для группыOR'* донорный +М-эффект заметно превосходит акцептормалоактивна по отношению к нуклеофилам (примерно на уровне активности карбонильной группы самих карбоновых кислот). Сложные эфиры не относятся к активным ацилирующим реагентам; при взаимодействии со слабыми нуклеофилами (вода, спирты) требуется катализ.

Гидролиз сложных эфиров проходит под действием водных растворов кислот или оснований (обычно щелочей). Гидролиз с кислотным катализом приводит к образованию соответствующих карбоновой кислоты и спирта; механизмы гидролиза обратны механизмам кислотно-катализируемой этерификации; в зависимости от строения эфиров и условий это могут быть механизмы Аде2 или А_ас1 (см. стр. НО, 111). Гидролиз под действием щелочей, естественно, приводит к образованию солей карбоновых кислот: R’CO-OR² + Na⁺OH -> R'-CO-CTNa⁺ + R²-OH Механизм здесь иной: это типичный механизм взаимодействия производных карбоновых кислот с анионными нуклеофилами (был рассмотрен выше на примере ацил галогенидов). В данном случае он выглядит так:

Вначале происходит присоединение анионного нуклеофила — гидроксиданиона, затем — выталкивание алкоксид-аниона, который, естественно, депротонирует возникающую при этом кислоту с образованием спирта и более устойчивого карбоксилат-аниона. Поскольку скоростьопределяющая стадия здесь бимолекулярна, механизм обозначается как Вдс2, т. е. бимолекулярная реакция ацильных производных, катализируемая основаниями (В — Base). В отличие от кислотного гидролиза, щелочной гидролиз практически необратим., т.к. соли карбоновых кислот пассивны по отношению к нуклеофилам.

Г идролиз циклических эфиров — лактонов — приводит к образованию гидроксикислот (при кислотном гидролизе) или их солей (при щелочном гидролизе):

Ацилирование спиртов сложными эфирами приводит к образованию новых сложных эфиров со спиртами-реагентами с вытеснением «исходных» спиртов:

Эту реакцию иначе называют переэтсрификациеи (иногда, особенно в биохимии, используется термин «трансэстерификация») или алкоголизом сложных эфиров (по аналогии с гидролизом). Реакция протекает обычно при кислотном катализе по механизму А_Лс2:

Механизм полностью аналогичен механизму этерификации (стр. 110). Реакция микроскопически обратима и ее можно сдвинуть как в одну, так и в дру;

гую сторону, используя избыток спирт используют в качестве растворителя.

r²-oh.

либо R ОН: обычно избыточный Переэтерификация происходит и при действии на сложные эфиры алкоголятов других спиртов:

Реакция идет по механизму Вдс2, аналогично щелочному гидролизу, с той разницей, что здесь не образуется соль кислоты, и реакция обратима.

Реакции переэтерификации используют как для синтеза, так и для расщепления сложных эфиров. В частности, метиловые эфиры природных жирных кислот (удобные формы для хромато-масс-спектрометрического анализа) можно получать из природных сложных эфиров этих кислот при обработке избытком метанола в присутствии H2SO4. Алкоголиз используется при синтезе полиэфиров (будет расмотрено позднее). Некоторые биохимические реакции также относятся к переэтерификации; в частности, так образуются в организме сложные эфиры холестерина.

Алкоголиз лактонов приводит к сложным эфирам гидроксикислот:

Помимо алкоголиза существует еще один вариант переэтерификации — ацидолиз; это — обменная реакция с молекулой карбоновой кислоты, причем образуется эфир этой новой кислоты, а «старая» кислота вытесняется:

Ацилирование N-нуклеофилов сложными эфирами приводит к образованию амидов (при ацилировании аммиака, первичных и вторичных аминов), гидразидов (при ацилировании гидразина и его замещенных), гидроксамовых кислот (при ацилировании гидроксиламина):

Используемые N-нуклеофилы (особенно гидразин и гидроксиламин) более активны, чем О-нуклеофилы, поэтому их взаимодействие со сложными эфирами может проходить без катализа, хотя в ряде случаев используют основный или кислотный катализ. Механизм некаталитического взаимодействия — частный случай механизмов реакций производных кислот с реагентами типа H-Y:

Для получения алш*)0в_ацилирование сложными эфирами используется реже, чем ацилирование хлорангидридами и ангидридами, но все же известно достаточно много примеров таких синтезов. Для получения гидразидов и гидроксамовых кислот ацилирование сложными эфирами является наилучшим методом, т.к. гидразин и гидроксиламин — сильные нуклеофилы, и при их взаимодействии с энергичными ацилирующими реагентами — ацилгалогенидами и ангидридами — реакции могут протекать слишком бурно и приводить к продуктам диацилирования, а для гидразина — также трии тетраацилирования.

Взаимодействие сложных эфиров с металлорганическими соединениями, как и для ацилгалогенидов, может приводить к кетонам или идти дальше — до образования третичных спиртов. При взаимодействии с литийалкилами реакцию можно в определенных условиях остановить на стадии образования кетона:

При взаимодействии с реактивами Гриньяра реакция, как правило, не останавливается на стадии образования кетона и идет дальше, до образования третичного спирта:

Реакции конденсации с участием карбонильной группы сложных эфиров имеют большое препаративное значение. Одна из них — конденсация сложных эфиров с кетонами (выступающими в роли метиленовой компоненты):

Реакция была рассмотрена ранее (стр. 27); в результате образуются 1,3- дикетоны, широко используемые в органическом синтезе.

Другая чрезвычайно важная реакция — конденсация двух молекул сложного эфира в присутствии сильного основания (сложноэфирная конденсация или конденсация Клаизена):

Реакция аналогична предыдущей, с той разницей, что в роли метиленовой компоненты выступает не кетон, а вторая молекула сложного эфира. Продуктами реакции являются эфиры p-оксокарбоновых кислот. Широко используется вариант конденсации двух одинаковых молекул сложного эфира (Rⁱ⁼CH2R R²=R⁴), т. е. самоконденсации сложных эфиров при действии сильных оснований. Простейший и известнейший пример — конденсация двух молекул этилацетата с образованием ацетоуксусного эфира (622) — одного из наиболее широко используемых в органическом синтезе веществ:

В ряде случаев используют конденсацию разных эфиров (перекрестная конденсация); в этих случаях необходимо, чтобы один из эфиров (карбонильная компонента) не содержал а-метиленовой группы и при этом его карбонильная группа имела повышенную активность (чтобы подавить самоконденсацию метиленовой компоненты). Таким эфиром, в частности, является диэтиловый эфир щавелевой кислоты (диэтилоксалат) (623), один из типичных партнеров в реакциях перекрестной конденсации:

Важным частным случаем сложноэфирной конденсации является внутримолекулярная конденсация сложных эфиров дикарбоновых кислот; при этом замыкается карбоциклическая структура; образуется 2-алкоксикарбонильное производное циклического кетона:

Этот вариант часто называют конденсацией Дикмана наиболее успешно она протекает при образовании 5- и 6- членных циклов (п=3, 4). Конденсация Дикмана — один из классических методов карбоциклизации.

Для проведения сложноэфирной конденсации необходимо использовать сильное основание, ибо только с его помощью можно генерировать карбанион из a-положения сложного эфира (a-положение сложных эфиров имеет меньшую СН-кислотность, чем а-положение карбонильных соединений, т.к. группа COOR является менее электроноакцепторной, чем карбонильная группа альдегидов и кетонов). Наиболее часто в качестве основания используют алкоголят того спирта, который образует исходный сложный эфир [если использовать алкоголят другого спирта, реакция будет осложняться переэтерификацией (см. выше)]. Иногда используют амиды металлов, а в отдельных случаях такое супероснование, как фениллитий. Механизм сложноэфирной конденсации вполне аналогичен рассмотренному ранее механизму конденсации сложных эфиров с кетонами:

Здесь сочетаются механизм, аналогичный альдольной конденсации (образование карбаниона и его атака на карбонильную группу), и механизм типа В_ас-2 (внутримолекулярное вытеснение алкоксид-аниона).

II. Реакции расщепления связи О-алкил.

В реакциях, описанных в предыдущем разделе, расщепляется связь О-ацил. В то же время ряд реакций, приводящих к аналогичным результатам, протекает с расщеплением связи О-алкил. Это — реакции нуклеофильного замещения при алкильном атоме углерода, где нуклеофуг вытесняется в виде карбоновой кислоты или карбоксилат-аниона.

Характерным примером таких реакций является кислотный гидролиз сложных эфиров третичных, бензиловых и аллиловых спиртов:

Ключевой стадией реакции является диссоциация протонированного эфира (624), содержащего «хорошую» уходящую группу; диссоциация облегчается устойчивостью третичных, аллильных и бензильных катионов (625). Это — типичная S_N1 — реакция, обозначаемая здесь как A_al1; она обратна этерификации по механизму A_al1 (стр. 111).

Своеобразным вариантом расщепления связи О-алкил является превращение фенолфталеина (620) в щелочной среде:

Под действием щелочи вначале образуется фенолят-дианион (626); далее происходит внутримолекулярная 8^-реакция с вытеснением карбоксилатаниона и с образованием соединения (627), содержащего хиноидную структуру и поэтому интенсивно окрашенного. При подкислении лактонный цикл замыкается, и регенерируется бесцветное соединение (620). И прямая и обратная реакции очень быстро протекают при комнатной температуре, что и позволяет использовать фенолфталеин в качестве кислотно-основного индикатора.

III. Восстановление сложных эфиров.

Наиболее распространенные реакции этой группы — восстановление сложных эфиров до первичных спиртов и альдегидов, а также их восстановительное сочетание, называемое ацилоиновой конденсацией.