Struktura, właściwości

O

C

O

H

O

R

H

O

R

C

C

R

O

H

O

polarność, wysokie t.t., t.wrz., zapach, lotność

t.t. [°C]

t.wrz. [°C]

CH3CH2OH

-114.7

78.5

CH3CHO

-121.0

20.8

CH3COOH

16.7

118.2

Właściwości kwasowo-zasadowe O

R

C

+ H2O

RCOO + H3O

O

H

Ka = 10-4 - 10-5

pKa

CH3COOH

4.8

ClCH2COOH

2.9

Cl3CHCOOH

0.65

CH3CH2CHClCOOH

2.8

CH3CHClCH2COOH

4.06

1

CH3

CH3

NaOH

H

C

3C

CH2CH2COOH

H

C

3C

CH2CH2COO Na + H2O

CH3

CH3

4,4-dimetylopentanian sodowy

LABORATORYJNE METODY OTRZYMYWANIA

A. Utlenianie alkoholi 1°, aldehydów:

[O]

[O]

RCH

RCHO

RCOOH

2OH

B. Reakcja zw. organometalicznych z CO2 (karboksylowanie związków Grignarda): O

O

O

THF

H, HOH

+ Mg(OH)X

R - MgX + C

R

C

R

C

OMgX

OH

O

C. Hydroliza nitryli:

1. HO

CN

R-X

R-CN

RCOOH + NH3

2. H, HOH

D. Rozszczepienie alkenów/alkinów w warunkach utleniających: R

R'

R'

C

C

R-COOH +

O

C

H

R"

R"

E. Utlenianie alkilobenzenów:

R

COOH

[O]

F. Synteza malonowa

COOEt

COOEt

COOH

1. EtO Na

1. NaOH

CH2

CH-R

CH2-R

2. R-Cl

2. H3O, T

COOEt

COOEt

2

REAKCJE

Substytucja nukleofilowa do grupy karboksylowej (mechanizm addycji + eliminacji): O

O

O

R

C

+ Nu

R

C

OH

R

C

O

H

Nu

Nu

- trudno odchodząca grupa;

- kwasowy H

1. Otrzymywanie halogenków kwasowych i bezwodników:

O

O

B

Br

RCOOH + PBr3

R

C

R

C

+

- HBr

O

PBr

HOPBr2

2

Br

O

O

O

O

T

+

C

R

+ HCl

C

H

C

C

R

O

R

O

R

Cl

zaktywowany przez Cl karbonyl ulega nawet słabemu Nu Bezwodniki w zw. dikarboksylowych:

O

O

C

C

H

H

T

2C

2C

OH

O

+ H2O

H

H2C

2C

OH

C

C

O

O

2. Otrzymywanie estrów

O

O

H

+

H

R

C

+

R'OH

R

C

2O

O

H

O

R'

3

O

OH

OH

H

CH3OH

- H

R

C

R

C

R

C

OH

O

H

O

H

O

H3C

H

OH

O

- H

H

- H2O

R

C

OH

R

C

O

O

CH3

H3C

Wewnątrzcząsteczkowa estryfikacja: O

O

C

H2SO4

H2C

O

HOCH2CH2CH2CH2C

OH

H2C

CH2

C

H2

laktony

3. Otrzymywanie amidów

Aminy – Nu i B względem kwasów

Tworzenie soli – odwracalne, ∆ → amidy O

O

O

O

R

C

R

C

+

NH3

R

C

OH

R

C

OH2

NH2

O

H

NH3

NH2

O

O

T

CH

CH

+

(CH3)2NH

3CH2C

3CH2C

N(CH

OH

3)2

H2

laktam

O

C

T

H2C

NH

C

O

2CH2CH2CH2C

H2C

Analogicznie jak hydroksykwasy.

OH

N

H

4. Redukcja do alkoholi (LiAlH4)

O

1. LiAlH4, THF

R

C

R-CH2-OH

2. H, H2O

O

H

4

5. α - Bromowanie (reakcja Hella – Volharda – Zielinskiego) Br2, P (ślad)

PBr3 (ślad)

O

O

PBr3

R-H

R-HC

C

2C

C

OH

OH

Br

NaOH

NH3

O

O

R-HC

C

R-HC

C

OH

OH

OH

NH2

BIOLOGICZNA AKTYWNOŚĆ KWASÓW

HCOOH – feromon alarmowy

CH3COOH – feromon obronny, najpopularniejszy prekursor biosyntetyczny → kwasy tłuszczowe, jednostka izoprenowa

CH2COOH

CH2

ENZYMY

ENZYMY

3 CH3COOH

H

C

3C

OH

H

C

3C

O

O

CH2CH2OH

CH2CH2OP O

P

OH

OH

OH

Kwasy tłuszczowe (C12 – C22)

NNKT – niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe, np kw. oleinowy

> 90% cis C=C

CH3(CH2)14COOH

kwas heksadekanowy (palmitynowy), 16:0

CH3(CH2)7-CH=CH-(CH2)7COOH

kwas cis-oktadek-9-enowy (oleinowy), 18:1

margaryna twarda

35% KT

12% t-NKT

masło

50% KT

3 – 4% t-NKT

KT / t-NKT ?

margaryna miękka

15% KT

5% t-NKT

Rośliny: k. oleinowy + linolowy (18:2) = 70%

Zwierzeta: k. oleinowy (50%) + k. palmitynowy = 70%

Mydła (sole sodowe kwasów tłuszczowych).Tworzą micelle. Mg+2, Ca+2 → osady

POCHODNE KWASÓW KARBOKSYLOWYCH

O

O

O

O

O

R

C

N

R

C

C

C

R

C

R

C

R

O

R

X

OR'

NR'2

halogenek

bezwodnik

ester

amid

nitryl

kwasowy

kwasowy

Niezwykle istotne w przyrodzie: zw. zapachowe, woski, tłuszcze, mocznik, białka …

5

REAKCJA SUBSTYTUCJI W POCHODNYCH KWASÓW KARBOKSYLOWYCH

O

O

O

R

C

+ NuH

R

C

L

R

C

+ H + L

L

Nu

NuH

tetraedryczny zw. przejściowy

Reaktywność ← jakość L

O

O

R

C

R

C

L

L

Im większy udział struktury polarnej, tym krótsze wiązanie C-L, dłuższe C-O

REAKTYWNOŚĆ:

O

O

O

O

O

>

>

R

C

R

C

>

C

C

R

C

R

O

R

NR'

X

OR'

2

halogenki acylowe - RCOX – elektroujemność X, rozmiar orbitala p Właściwości zasadowe:

O

O

H

OH

OH

H

R

C

R

C

R

C

R

C

L

L

L

L

Właściwości kwasowe:

O

O

O

O

<

<

<

CH3-C-N(CH3)2

CH3-C-OCH3

CH3-C-CH3

CH3-C-Cl

pKa = ~ 30

pKa = ~ 25

pKa = ~ 20

pKa = ~ 16

HALOGENKI ACYLOWE

O

O

C

F

Br

CH3-C-Cl

O

fluorek pentanoilu bromek cykloheksanokarbonylu

6

Reakcje substytucji w halogenkach acylowych: O

R

C

+ HX hydroliza (czesto gwaltowna)

O H

HOH

O

R

C

+ HX estryfikacja

R'OH

O R'

O

O

R'NH2

R

C

R

C

aminoliza

X

NHR'

RCOOH

R-C-O-C-R

+ HX

O

O

NaBH4 (LiAlH4)

R-CH2-OH

O

O

R'

OH

R'MgX

R

C

+ R'MgX

R

C

C

R

R'

X

R'

BEZWODNIKI KWASOWE

O

O

O

O

C

C

C

C

H3C

O

CH3

H3C

O

CH2CH3

bezwodnik octowy

bezwodnik octowo-propanowy

( b. octowo-propionowy)

bezwodnik benzoesowy

O

C

C

O

O

O

O

bezwodnik glutarowy

C

C

O

O bezw. ftalowy

C

C

O

O

Reagują jak chlorki, L = RCOO-

7

O

O

C

O

2H5OH

+ CH3COOH

C

C

C

C2H5

H3C

O

CH3

H3C

O

ESTRY

Najważniejsza klasa pochodnych kwasowych.

O

O

O

CH3

C

CH3CH2-C-OC2H5

CH

OR

3-C-OCH2CH2CHCH3

propanian etylu

octan 3-metylobutylu

alkoksykarbonyl

(zapach banana)

O

C

C

O

C

O

OCH3

O

O

H3C

NH2

oksa-2-cyklopentanon 5-metylooksacyklopentan-2-on

2-aminobenzoesan metylu (γ-butyrolakton)

(γ-walerolakton)

(antranilan metylu)

REAKCJE:

1. Hydroliza – konieczność katalizy Katalizowana kwasowo – odwrotność estryfikacji (odwracalna) Katalizowana zasadowo – nieodwracalna (A + E) 2. Transestryfikacja

O

O

H lub CH3O

C

+ CH

+ CH

17H35COCH2CH3

3OH

C17H35COCH3

3CH2OH

oktadekanian etylu

laktony → hydroksyestry

O

+ CH

C

O + ROH

HOCH2CH2CH2C

3CH2OH

OR

O

3. Tworzenie amidów

O

O

T

R-C-OCH

+ R'NH

R-C-NHR'

+ CH

3

2

3OH

aminy bardziej Nu niż alkohole; bez katalizatora, skuteczniej z T

8

4. Tworzenie alkoholi przez działanie odczynnikiem Grignarda O

OMgBr

O

R'-MgBr

R-C-OCH3

+ R'-MgBr

R

C

OCH3

R

C

R'

R'

magnezowa sól hemiacetalu

OMgBr

OH

H

R

C

R'

R

C

R'

°

°

R'

R'

3 alkohol (z mrowczanu - 2 )

5. Redukcja estrów do alkoholi

O

1. LiAlH4, Et2O

R

C

R-CH2OH + CH3CH2OH

2. H , H

O

CH

2O

2CH3

6. Kondensacja Claisena → zw. β-dikarbonylowe Enolany estrów ulegają r-cji addycji-eliminacji, analogicznej do kondensacji aldolowej: C

O

O

2H5O Na

O

O

+

CH3-C-OC2H5

CH3-C-OC2H5

CH

C

3-C-CH2-C-

2H5OH

OC2H5

acetylooctan etylu

O

O

C

O

CH

2H5O Na

2COOC2H5

CH3-C-OC2H5

CH3-C-OC2H5

CH2-C-OC2H5

H3C

C

OC2H5

O

O

O

O

O

C2H5O Na

H

CH3-C-CH2-C-OC2H5

CH2-C-CH-C-OC2H5

Na

O

O

CH3-C-CH2-C-OC2H5

pKa = 11

O

(CH

brak reakcji Claisena

3)2CH-C-OC2H5

9

Aniony β-dikarbonylowe = nukleofile - można alkilować

Synteza malonowa → kwasy karboksylowe O

O

O

O

1. C2H5O Na, C2H5OH

H

C

C

C

C

C2H5O

C

OC2H5

2. R-Br

C2H5O

CH

OC2H5

H2

R

O

O

C

C

R-CH2-COOH

HO

CH

OH

KWASY

R

3-Ketokwasy łatwo dekarboksylują.

TIOESTRY

Transfer acylu (halogenki, bezwodniki – zbyt O

aktywne).

acetylokoenzym A

Bardziej aktywne od estrów (RS- - słabsza

H3C

C

zasada = lepsza gr. odchodząca), ale w

S

CoA

warunkach fizjologicznych nie hydrolizują.

ESTRY W NATURZE

Lipidy:

- proste: tłuszcze, woski;

- złożone: fosfolipidy, glikolipidy…

Woski – estry długołańcuchowych kwasów i długołańcuchowych alkoholi O

CH

wosk pszczeli

3(CH2)nCO(CH2)mCH3

n = 24, 26

m = 29, 31

Wosk owczy po oczyszczeniu – lanolina

Woski złożone: estry cholesterolu, estry witaminy D czy A

Tłuszcze i oleje = triacyloglicerole (TAG) = triglicerydy

H2C

OCOR

Kwasy tłuszczowe – zwykle nierozgałęzione, parzysta il. at. C

Nienasycone – zwykle cis

HC

OCOR'

Rezerwy energetyczne → CO2, H2O

H2C

OCOR"

KT: palmitynowy (16:0), mirystynowy (14:0), laurowy (12:0) ) ⇒ LDL, arterioskleroza Tłuszcze strukturyzowane – przeestryfikowane w celu wzbogacenia w NKT

czekolada (masło kakaowe) – trigliceryd z 2 cząsteczkami kwasu stearynowego(18C) i 1 cząst.

oleinowego (Z) – nie są odpowiedzialne za LDL! Dodatkowo – fenolowe antyoksydanty.

10

Fosfolipidy (składniki ściany komórkowej) Fosfoglicerydy – glicerol zacylowany 2 cząst. KT i resztą kw. fosforowego, który związany jest z innym niskocząsteczkowym alkoholem np. choliną.

lecytyny – fosfoglicerydy z choliną (fosfatydylocholiny – mózg, układ nerwowy).

Inne: fosfatydyloseryny, fosfatydyloetanoloaminy…

Jedna z lecytyn:

O

H2C

OCR

R = CH3(CH2)14- k. palmitynowy

HC

OCOR'

R' = CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7- k. oleinowy

O

R" = (CH3)3N(CH2)2-

H2C

O-P-OR"

O

Fosfolipidy – niezbędne składniki błon komórkowych. Tworzą micelle (<200Å) lub podwójną warstwę lipidową

AMIDY

CH3CH2CH2CH2CONH2 pentanoamid

O

O

C

H

HCONH

3C

C

2

N

NH2

formamid (1)

°

Br

acetamid (1

° )

4-bromo-N-etylo-N-metyloheksanoamid (3 °)

11

H

H

RCOHN

S

CH3

O

CH

N

3

N

H

O

COOH

H

γ−butyrolaktam

azacyklopentan-2-on

Pokrewne grupy funkcyjne:

O

O

O

C

C

C

RHN

NHR

RHN

OH

RHN

OR'

kwas karbaminowy

karbaminian (uretan)

Biologicznie istotne – białka…

1. Hydroliza (silne kwasy lub silne zasady + grzanie)

NH

H

OH

2

2SO4

+ (NH4)2SO4

T

O

O

Mechanizm - jak estry

O

O

NaOH, T

O

H

CH

CH

3CH2C

3CH2C

+ NH

CH

2CH3

3CH2C

NHCH

O Na

OH

3

+ CH3NH3

2.

Redukcja

Otrzymywanie amin:

O

1. LiAlH4

CH3

CH

CH

3CH2CH2C

3CH2CH2CH2N

2. H , H2O

N

CH2CH3

H3C

CH2CH3

Laktamy → aminy cykliczne

3. Halogenowanie amidów; przegrupowanie Hofmanna

12

O

O

O

RCHCNH2

RCH

RCH

2CNH2

2CNH

amid jonu enolanowego

anion amidowy

pKa = ok. 30

pKa = ok. 22

Halogenowanie wobec zasad → aminy (n-1 C) O

X2, NaOH

RCNH

R-NH

2

2 + CO2

O

O

O

O

OH

X-X

OH

RCNH

RCNH

R--C-N

RCNH2

-H

- X

2O

- H2O

X

X

O

- X

H2O

O=C=N-R

HO-C-NHR

R-NH2 + CO2

NITRYLE

R

C

N

Ten sam stopień utlenienia C, przekształcają się w pochodne kwasowe

C

N

C

N

CH3CH2C

N

CH3C

N

propanonitryl

acetonitryl

cykloheksanonitryl

benzonitryl

(propionitryl)

(cyjanocykloheksan)

REAKCJE NITRYLI:

1. Hydroliza (kwasowa / zasadowa, T)

OH2

H

H2O

R

C

N

R

C

N

H

R

C

N

H

OH

OH

O

- H

H

R

C

N

H

R

C

N

H

R

C

H

tautomer amidu

NH2

O

H

H2O

R

C

+ NH4

OH

13

O

NaOH, T

CH

CH

+ NH

3(CH2)4C

N

3(CH2)4C

4

ONa

3. Redukcja → aminy (niepełna – ketony)

(iBu)

N-AlR'

2AlH

2

H , H

O

2O

R-C

N

R

C

R

C

R' = iBu

H

H

1. LiAlH4

R-C

N

R-CH2NH2

2. H , H2O

14