15.6: Реакції, що включають C-O зв'язок спиртів

Електрофільні властивості спиртів

Утворення алкілгалогенідів зі спирту та галогеніду водню дає важливий приклад реакції, в якій\(\ce{C-O}\) зв'язок спирту порушується:

Реакція оборотна, а сприятливий напрямок залежить від концентрації води. Первинні броміди часто готують найкраще, пропускаючи сухий бромід водню в спирт, нагрітий трохи нижче його температури кипіння.

Освіта галогенідів протікає з корисною швидкістю тільки в присутності сильної кислоти, яка може бути забезпечена надлишком броміду водню або, як правило, і більш економічно, сірчаної кислотою. Спирт приймає протон з кислоти, щоб дати іон алкілоксонію, який є більш реактивним при подальшому витісненні з іоном броміду, ніж спирт (за будь-яким\(S_\text{N}2\) або\(S_\text{N}1\) механізмами), оскільки\(\ce{H_2O}\) є кращою групою виходу, ніж\(\ce{OH}^\ominus\):

або

Чи є реакція витіснення\(S_\text{N}1\) або\(S_\text{N}2\) процес залежить від структури спирту. Загалом, вважається, що первинні спирти реагують,\(S_\text{N}2\) а вторинні та третинні спирти\(S_\text{N}1\) механізмами.

Хлористий водень менш реактивний, ніж бромід водню, до первинних спиртів, і може знадобитися каталізатор (хлорид цинку). Розчин хлориду цинку в концентрованій соляній кислоті (реагент Лукаса) є зручним реагентом для диференціації між первинним, вторинним та третинним спиртами з менш ніж вісьмома або близько того вуглецями. Третинні спирти дуже швидко реагують, даючи нерозчинний шар алкілхлориду при кімнатній температурі. Вторинні спирти вступають в реакцію через кілька хвилин, тоді як первинні спирти утворюють хлориди тільки при нагріванні. Порядок реактивності характерний для\(S_\text{N}1\) реакцій. Хлорид цинку, ймовірно, сприяє розриву\(\ce{C-O}\) зв'язку спирту так само, як іонізація іонів срібла\(\ce{RCl}\) (Розділ 8-7D):

Тіонілхлорид\(\ce{O=SCl_2}\), корисний для приготування алкілхлоридів, особливо коли використання сильнокислих реагентів, таких як хлорид цинку і соляна кислота, небажано. Тіонілхлорид можна розглядати як хлорид кислоти сірчистої кислоти, і\(\ce{O=S(OH)_2}\), як і більшість хлоридів кислот, галоген легко витісняється спиртами. Додавання 1 моль спирту до 1 моль тіонілхлориду дає нестійкий алкілхлорсульфіт, який зазвичай розкладається при слабкому нагріванні з отриманням алкілхлориду і діоксиду сірки:

Хлориди можуть бути отримані таким способом з первинних і вторинних, але не третинних, спиртів. На практиці для нейтралізації утворюється хлористого водню додають еквівалент слабкої основи, такий як піридин (азабензол). Якщо кислоту не видалити, можуть виникнути небажані реакції деградації, ліквідації та перестановки.

Реакція тіонілхлориду, мабуть, може виходити зі стадії алкілхлорсульфіту більш ніж одним механізмом: іонна\(S_\text{N}2\) ланцюгова реакція з хлорид-іоном,

або\(S_\text{N}1\) подібна іонізація і колапс отриманої\(\ce{R}^\oplus \ce{Cl}^\ominus\) іонної пари, щоб дати\(\ce{RCl}\):

або

Очевидно, що чим більша\(S_\text{N}2\) реакційна здатність, пов'язана з кращою\(S_\text{N}2\) реакцією, і, навпаки, якщо\(\ce{R}^\oplus\) вона утворюється легко від\(S_\text{N}1\) реакції, швидше за все, буде сприятлива.

Інші галогеніди, які корисні при перетворенні спиртів в алкілгалогеніди\(\ce{PCl_5}\), є\(\ce{PCl_3}\),\(\ce{PBr_3}\), і\(\ce{PI_3}\), які є кислотними галогенідами фосфорних оксикислот. Як і у випадку з тіонілхлоридом, для полегшення реакції часто використовується слабке підставу. Основа діє на нейтралізацію утвореної кислоти, а також на генерацію іона броміду для\(S_\text{N}\) реакцій:

Сульфат і сульфонатні ефіри

Віддати перевагу ефіри сірчаної кислоти можна за реакцією спирту з кислотою:

Реакція тісно пов'язана з утворенням алкілгалогенідів в сильно кислих умовах, внаслідок чого перетворення спирту в оксонієву сіль є першим кроком:

Перетворення оксинію гідросульфату в ефір ймовірно протікає\(S_\text{N}2\) механізмом з первинними спиртами і\(S_\text{N}1\) механізмом з третинними спиртами:

Альтернативним механізмом, який діє або в\(100\%\), або в димить сірчану кислоту (яка містить розчинену\(\ce{SO_3}\)), є додавання триоксиду сірки до\(\ce{OH}\) групи:

Натрієві солі ефірів алкілгідросульфату мають корисні властивості в якості миючих засобів, якщо алкільна група велика,\(\ce{C_{12}}\) або так:

Механізм дії миючого засобу буде більш детально розглянуто в главі 18.

В принципі, діалкілсульфати можуть утворюватися в результаті\(S_\text{N}2\) реакції між алкілоксонієвою сіллю та іоном алкілсульфату:

Дійсно, якщо нагріти метанол димить сірчаною кислотою\(\ce{CH_3O(SO_2)OCH_3}\), виходить диметилсульфат; але інші спирти краще перетворюються в діалкілсульфати шляхом окислення відповідних діалкілсульфітів, утворених реакцією 1 моль тіонілхлориду\(\left( \ce{SOCl_2} \right)\) з 2 молями алкоголь:

Причина того, що діалкілсульфати рідко отримують шляхом прямої реакції спирту з,\(\ce{H_2SO_4}\) полягає в тому, що моноефіри швидко реагують на нагрівання, щоб усунути сірчану кислоту та утворювати алкени, як пояснено в розділі 15-5С.

Сульфонові кислоти,\(\ce{R-SO_2-OH}\) або\(\ce{Ar-SO_2-OH}\), є оксикислотами сірки, які нагадують сірчану кислоту\(\ce{HO-SO_2-OH}\), але в яких сірка знаходиться в більш низькому ступені окислення.

Сульфонатні ефіри є корисними проміжними продуктами в реакціях витіснення (Розділ 8-7С) і забезпечують шлях для перетворення алкоголю\(\ce{ROH}\), щоб\(\ce{RX}\) за послідовністю:

Сульфонатні ефіри зазвичай готують шляхом обробки спирту хлоридом кислоти (сульфонілхлорид) у присутності піридину (азабензол):

Зневоднення спиртів сильними кислотами

При реакції спирту з гарячою концентрованою сірчаною кислотою спирт зневоднюється до алкену:

Це зворотна кислотно-каталізована гідратація алкенів, розглянутих раніше (розділ 10-3Е) і йде до завершення, якщо алкену дозволяється дистилювати з реакційної суміші в міру її утворення. Один з механізмів зневоднення передбачає перехід протонів з сірчаної кислоти в спирт з подальшою\(E2\) реакцією іона сульфату водню або води з оксонієвої сіллю спирту:

Як варіант, алкілгідросульфат може утворитися і усунути сірчану кислоту\(E2\) реакцією:

При більш низьких температурах оксонієва сіль або алкілгідросульфат можуть реагувати механізмом\(S_\text{N}\) витіснення з надлишком спирту в реакційній суміші, утворюючи тим самим діалкіловий ефір. Незважаючи на те, що кожен етап реакції є оборотним, формування ефіру можна посилити, переганяючи ефір так швидко, як він утворюється. Діетиловий ефір виготовляється комерційно цим процесом:

Більшість спиртів також зневоднюються при досить високих температурах у присутності твердих каталізаторів, таких як силікагель або оксид алюмінію, щоб дати алкени або ефіри. Поведінка етанолу досить характерно для первинних спиртів і підсумовується в наступних рівняннях:

\(\ce{C-O}\)Розщеплення зв'язків третинних спиртів

Третинні спирти вступають в реакцію з сірчаною кислотою при значно нижчих температурах, ніж більшість первинних або вторинних спиртів. Реакції, як правило, є\(S_\text{N}1\) і\(E1\) шляхом третинного карбокатіону, як показано тут для трет-бутилового спирту та сірчаної кислоти:

2-метилпропен може бути видалений з реакційної суміші шляхом дистиляції і легко виготовляється основним продуктом шляхом відповідного регулювання умов реакції. Якщо 2-метилпропен не видаляється в міру його утворення, важливе значення набувають полімер і продукти окислення. Сірчана кислота часто є надмірно напруженим реагентом для зневоднення третинних спиртів. Гідросульфат калію, сульфат міді, йод, фосфорна кислота або пентоксид фосфору можуть дати кращі результати, спричиняючи меншу полімеризацію та меншу окислювальну деградацію, що з сірчаною кислотою призводить до утворення діоксиду сірки.

The\(S_\text{N}1\) -\(E1\) поведінка третинних спиртів у сильних кислотах може бути використана для отримання трет-бутилових ефірів. Якщо, наприклад, суміш трет-бутилового спирту і метанолу нагрівається в присутності сірчаної кислоти, третинний спирт швидко, але оборотно реагує на отримання 2-метилпропену шляхом трет-бутилкатіону. Цей катіон може бути захоплений метанолом для утворення трет-бутилметилового ефіру. Високі врожаї ефірів можна отримати таким чином:

Перестановки карбокації

Перебудова алкільних груп спиртів дуже поширена при зневодненні, особливо в присутності сильних кислот, які сприяють утворенню карбокатів. Типові приклади, що показують міграцію метилу та водню:

Ключовим кроком у кожній такій перестановці є ізомеризація карбокатіону, про що йдеться у розділі 8-9B. Під кінетичним контролем кінцеві продукти завжди відповідають перестановці менш стабільного карбокатіону до більш стабільного карбокатіону. (Термодинамічний контроль може призвести до зовсім інших результатів, розділ 10-4А.)

При зневодненні 3,3-диметил-2-бутанолу спочатку утворюється вторинний карбокат, який перебудовується в третинний карбокат, коли сусідня метильна група зі своєю зв'язковою електронною парою мігрує до позитивного вуглецю. Заряд тим самим переноситься на третинний вуглець:

Фосфатні ефіри

Фосфорна кислота\(\left( \ce{H_3PO_4} \right)\) часто використовується замість сірчаної кислоти для зневоднення спиртів. Це пояснюється тим, що фосфорна кислота менш руйнівна; вона є і слабшою кислотою, і менш потужним окислювачем, ніж сірчана кислота. Зневоднення, ймовірно, протікає за механізмами, подібними до описаних для сірчаної кислоти (Розділ 15-5С) і дуже ймовірно через проміжне утворення фосфатного ефіру:

Ефір може усунути\(\ce{H_3PO_4}\), як сульфатні ефіри усунути\(\ce{H_2SO_4}\), дати алкени:

Хімія ефірів фосфатів складніша, ніж у сульфатних ефірів, оскільки можна мати одну, дві або три алкільні групи, замінені на кислі водні фосфорної кислоти:

Також фосфорна кислота утворює великий ряд ангідридів (з\(\ce{P-O-P}\) зв'язками), які ще більше урізноманітнюють кількість і вид ефірів фосфатів. Найбільш важливими фосфатними ефірами є похідні моно-, ді- та трифосфорної кислоти (іноді класифікуються як орто-, піро- та метафосфорні кислоти відповідно):

Рівновага між ефірами будь-якої з цих фосфорних кислот і води сприяє гідролізу:

Однак ефіри фосфатів повільно гідролізуються у воді (якщо немає каталізатора). Різниця в кінетичній та термодинамічній стійкості ефірів фосфатів до гідролізу використовується для великого ефекту в біологічних системах.

Особливе значення має перетворення більшої частини енергії, що виникає в результаті фотосинтезу, або від окислення жирів, вуглеводів і білків в клітині в утворення фосфатних ефірних зв'язків\(\left( \ce{C-O-P} \right)\) або фосфатних ангідридних зв'язків\(\left( \ce{P-O-P} \right)\). Накопичена таким чином енергія використовується в інших реакціях, чистим результатом яких є гідроліз:

Речовина, що є безпосереднім джерелом енергії для багатьох біологічних реакцій, є аденозинтрифосфат (АТФ). Хоча це досить велика і складна молекула, бізнес-кінець з метою цієї дискусії - трифосфатна група. Гідроліз цієї групи може відбуватися для отримання аденозиндифосфату (АДФ), аденозинмонофосфату (АМФ) або самого аденозину:

(Фосфатні групи представлені тут як основна іонізована форма, присутня при рН\( \cong 7\) в розчині АТФ.)

Всі ці реакції гідролізу енергетично сприятливі\(\left( \Delta G^0 < 0 \right)\), але вони не відбуваються безпосередньо, оскільки АТФ повільно реагує з водою. Однак гідроліз АТФ є непрямим результатом інших реакцій, в яких він бере участь. Наприклад, як ми показали в розділі 15-4D, рівновага для безпосереднього утворення ефіру з карбонової кислоти і спирту в рідкій фазі не дуже сприятлива (Рівняння 15-2). Однак, якщо етерифікація може бути поєднана з гідролізом АТФ (рівняння 15-3), загальна реакція (рівняння 15-4) стає набагато сприятливішою термодинамічно, ніж пряма етерифікація.

Гідроліз АТФ може бути пов'язаний з етерифікацією (або іншими реакціями) різними способами. Найпростішим було б перетворити АТФ одного з учасників на більш реактивний проміжний. Для етерифікації реактивним проміжним продуктом є ацильне похідне АМФ, утворене витісненням дифосфату з АТФ:

Ациловий AMP схожий на ацилхлорид\(\ce{RCOCl}\), маючи групу виходу (AMP), яку можна витіснити спиртом:

Чистим результатом послідовності у рівняннях 15-5 та 15-6 є етерифікація відповідно до Рівняння 15-4. Це не каталізована етерифікація, оскільки в процесі одна молекула АТФ перетворюється в АМФ і дифосфат для кожної молекули утвореного ефіру. AMP повинен бути перетворений в ATP, щоб знову взяти участь. Ці реакції здійснюються клітинами під каталітичним впливом ферментів. Аденозиновая частина молекули має вирішальне значення для специфічності дії цих ферментів. Якраз те, як ці ферменти функціонують, очевидно, має великий інтерес і важливість.

Якщо роль ефірів фосфатів, таких як АТФ, в проведенні таких реакцій, як етерифікація у водних середовищах під впливом ферментів в клітині, вам не зрозуміла, подумайте, як би ви спробували провести етерифікацію етанолу в розведеному водному розчині. Пам'ятайте, що при великому надлишку води рівновага буде досить несприятливим для реакції етерифікації Рівняння 15-2. Ви можете розглянути можливість додавання\(\ce{CH_3COCl}\), для якого рівновага для утворення ефіру набагато сприятливіша (Розділ 15-4D). Однак бурхливо\(\ce{CH_3COCl}\) реагує з водою, щоб утворитися\(\ce{CH_3CO_2H}\), і ця реакція руйнує\(\ce{CH_3COCl}\) перед тим, як вона має багато шансів вступити в реакцію з етанолом, щоб дати ефір. Зрозуміло, що вам знадобиться реагент, який\(\ce{CH_3CO_2H}\) перетворить у щось, що буде реагувати з етанолом у воді, щоб дати ефіру зі сприятливою постійною рівноваги, але не дуже швидко реагувати з водою. Фосфатні ефіри забезпечують цю функцію в біохімічних системах, будучи досить нереактивними до води, але здатні реагувати з карбоновими кислотами під впливом ферментів, даючи ацилфосфати. Потім ці ацилфосфати можуть реагувати зі спиртами під впливом інших ферментів з утворенням складних ефірів у присутності води.

Автори та авторства

Template:ContribRoberts