Karboxylové kyseliny a jejich deriváty
O
OH
H2N
1
2
3
4
4-aminobutanová
kyselina
γ-aminomáselná
kyselin
α
β
γ
COOH
OH
2-hydroxybenzenkarboxylová
kyselina
o-hydroxybenzoová kyselina
kyselina salicylová
1
2
3
4
5
6
Triviální názvy karboxylových kyselin a solí (esterů):
H OH
O
H3C OH
O
OH
O
H3C
OH
O
H3C
mravenčí octová propionová máselná
formiát acetát propionát butyrát
21. dubna 2020 1 / 40
Karboxylové kyseliny a jejich deriváty
OH
O
H3C
OH
O
H3C
OH
O
H3C
OH
OH
O
valerová kapronová mléčná benzoová
valerát kapronát laktát benzoát
OH
O
OH HOOC COOH HOOC COOH HOOC
COOH
salicylová šťavelová malonová jantarová
salicylát oxalát malonát sukcinát
21. dubna 2020 2 / 40
Karboxylové kyseliny a jejich deriváty
HOOC COOH HOOC
COOH
H3C COOH
O
COOH
OH
HOOC
glutarová adipová pyrohroznová jablečná
glutarát adipát pyruvát malát
COOH
OH
HOOC
OH COOH
hroznová akrylová
tartrát akrylát
21. dubna 2020 3 / 40
Vlastnosti karboxylových kyselin
Teploty varu:
CH3CH2OH H3C C
O
OH
b.v. 78 °C 118 °C
Tvorba dimerů:
H3C C
O
O H O
C CH3
OH
Kyselost:
H3C C
O
O H
O
H
H
H3C C
O
O
+
H
O
H H
CH3CH2OH H3C C
O
OH
pKa 16 4,76
21. dubna 2020 4 / 40
Vlastnosti karboxylových kyselin
Stabilizace karboxylátového aniontu konjugací:
R C
O
O
R C
O
O
R C
O
O1/2
1/2
Vliv indukčního efektu na kyselost:
C C
O
OH
pKa 4,76 2,9 1,3 0,9
H
H
H
C C
O
OH
H
Cl
H
C C
O
OH
Cl
Cl
H
C C
O
OH
Cl
Cl
Cl
CH C
O
OH
pKa 2,9 4,1 4,5 4,8
CH2CH3
Cl
CH2 C
O
OH
CHCH3
Cl
CH2 C
O
OH
CH2CH2
Cl
CH2 C
O
OH
CH2CH3
21. dubna 2020 5 / 40
Příprava karboxylových kyselin
Průmyslová výroba kyseliny octové
H3C OH + CO
katalyzátor
H3C C
O
OH
HI + [Ir(CO)2I2]Příprava
karboxylových kyselin:
CH2 OH
H2SO4; H2O
CH2 C
O
H
R
Na2Cr2O7
obvykle nelze
izolovat
H2SO4; H2O
CH2 C
O
OH
Na2Cr2O7
R R
C C R2R1
2. H2O
1. O3
R1 C
OH
O
+ R2C
HO
O
CH3
CH3
KMnO4
∆T
C
OH
O
+ CO2
21. dubna 2020 6 / 40
Příprava a reakce karboxylových kyselin
Br
Mg
sychý
ether
MgBr
CO2 O
O
Mg
Br
2
HCl OH
O
Br KCN
− KBr
C
N
H2O
kyselina
nebo báze
∆T
C
NH2
O
H2O
kyselina
nebo báze
∆T
C
OH
O
Redukce karboxylových kyselin:
R C
O
OH
1. LiAlH4
2. H2O
R C
O
H
H
H
21. dubna 2020 7 / 40
Reakce karboxylových kyselin
Dekarboxylace karboxylových kyselin s elektronakceptorními substituenty na
α-atomu uhlíku.
H3C
C
C
O
C
OH
O
H H
∆T
H3C C
O
H
H
H
+ CO2
HO
C
C
O
C
OH
O
H H
∆T
HO C
O
H
H
H
+ CO2
O2N
C
C
OH
O
H H
∆T
O2N C H
H
H
+ CO2
C
C
OH
O
∆T
+ CO2
Cl
Cl
Cl
C
Cl
Cl H
Cl
H3C C O
O
H
O
H3C C
H
O
H H
H
H
C
O
O
+
H3C C
O
H
H
H
21. dubna 2020 8 / 40
Funkční deriváty karboxylových kyselin
R
O
OH
R
O
N
náhrada -OH
skupiny
R'
R'
amid
R
O
O
O
R' R
O
O R'
R
O
X
anhydrid ester halogenid kyseliny
(acylhalogenid)
Nukleofilní acylová substituce
R Z
O
Nu
adice
R
O
Nu
Z
eliminace R Nu
O
+ Z
Probíhá adičně-eliminačním mechanismem.
Reaktivita vůči nukleofilům:
R
O
N
R'
R'
amid
R
O
O
O
R' R
O
O R'
R
O
X
anhydrid esterhalogenid kyseliny
(acylhalogenid)
> > >
21. dubna 2020 9 / 40
Funkční deriváty karboxylových kyselin
R C
O
Z
H3C C
Z
O
M+I−
R C
O
Z
O C N O C Cl
M+ > I− I− > M+
R C
NH2
O
R C
Cl
O
Nukleofilní acylovou substitucí lze převádět funkční deriváty mezi sebou – snadno
lze z derivátu reaktivnějšího připravit derivát méně reaktivní.
21. dubna 2020 10 / 40
Funkční deriváty karboxylových kyselin
Příprava acylazidů:
R Cl
O
adice
R
O
N3
Cl
eliminace R N3
O
+
N3
Cl
Na
Na
Na
Pokud je nukleofilem organokov nebo komplexní hydrid, může produkt
substituce (aldehyd nebo keton) dále reagovat s nukleofilem:
H3C
O
O CH3
H3C
O
H
H
LiAlH4
H3C
O
H
LiAlH4
substituce adice
H2O
H3C
O
H
H
H
H3C
O
Cl
H3C
O
CH3
CH3
CH3MgBr
H3C
O
CH3
substituce adice
H2O
H3C
O
CH3
CH3
H
CH3MgBr
21. dubna 2020 11 / 40
Funkční deriváty karboxylových kyselin
Esterifikace:
H3C
O
OH
+ HO CH3
H
adice
(kat.)
H3C
O
O
O CH3
H
H
H
eliminace
(kat.)
H3C
O
O
+ O
H
HCH3
Mechanismus:
H3C
O
O
OHH3C
H
H3C
O
O
O H
H H
H3C
O
O
+
O
HH
CH3
H3C
O
O
H
HH3C
H H
H3C
O
O
O H
H
H3C
H
H3C
O
O
O H
H
H3C
H3C
O
O
O
H
H3C
H
H
H
H3C
O
O CH3
H
21. dubna 2020 12 / 40
Halogenidy karboxylových kyselin
H3C
O
Br
bromid kyseliny octové
acetylbromid
O
Cl
chlorid kyseliny benzoové
benzoylchlorid
Obvykle připravovány reakcí karboxylových kyselin s halogenidy
anorganických kyselin.
R
OH
O
R
O
O
S
O
Cl
+ HCl
aktivace -OH
skupiny
R
OH
Cl
O S
O
Cl
R
Cl
O
+
HO
S
O
Cl
nukleofilní acylová substituce
(adice - eliminace)
HO
S
O
Cl HCl + SO2
Cl
S
O
Cl
21. dubna 2020 13 / 40
Halogenidy karboxylových kyselin
Hydrolýza halogenidů:
H3C
O
Cl
+ H2O H3C
O
OH
+ HCl
Acylace nukleofilů (alkoholů a aminů):
H3C
O
Br
+ H3C
O
O
+ HClHO CH3
CH3
N
N
HCl+
N
H
Cl
21. dubna 2020 14 / 40
Halogenidy karboxylových kyselin
Acylace nukleofilů (alkoholů a aminů):
H3C
O
Cl
+ H3C
O
N
+ HClN
CH3
Cl
CH3
H CH3
H3C
druhý ekvivalent aminu:
2
N
CH3
H CH3
+ HCl N
CH3
H
H
CH3
Reakce acylhalogenidů s organokovy a LiAlH4:
C
O
Cl
1. LiAlH4
2. H2O
C
O
H
H
H
1. 2 x CH3MgBr
2. H2O
C
O
H
CH3
CH3
21. dubna 2020 15 / 40
Anhydridy karboxylových kyselin
H3C
O
OH
+ CH3
O
HO
800 °C
OH3C CH3
O O
+ H2O
kyselina octová anhydrid kyseliny
octové
(acetanhydrid)
OHHO
O O
SOCl2
− OSO
− 2 HCl
OO O
anhydrid kyseliny
jantarové
(sukcinanhydrid)
kyselina jantarová
H3C
O
Cl
+
O
NaO
H3C O
OO
acetylchlorid natrium-benzoát smesný anhydrid kyselin
octové a benzoové
− NaCl
21. dubna 2020 16 / 40
Anhydridy karboxylových kyselin
Acylace nukleofilů (alkoholů a aminů):
COOH
OH
+ H3C O CH3
OO
H2SO4
katalyzátor
COOH
O
+
O CH3
O CH3
O
H
kyselina
salicylová
kyselina
acetylsalicylová
NH2
+ H3C O CH3
OO N
+ O CH3
O
H
4-aminofenol N-(4-hydroxyfenyl)acetamid
paracetamol
HO HO
H
CH3
O
21. dubna 2020 17 / 40
Estery karboxylových kyselin
H3C
O
O
ethylester kyseliny octové
ethyl-acetát
O
O
methylester kyseliny benzoové
methyl-benzoát
CH2CH3 CH3
O
O O
O
CH2CH3CH3CH2
diethylester kyseliny malonové
diethyl-malonát
isopentylester kyseliny octové
isopentyl-acetát
3-methylbutyl-acetát
H3C
CH3
O
O
CH3
Fischerova esterifikace:
ethyl-acetát
H3C
OH
O
+ HO CH2CH3
H
katalyzátor
H3C
O
O
+
CH2CH3
H
O
H
kyselina
octová
ethanol
21. dubna 2020 18 / 40
Estery karboxylových kyselin
Příprava esterů:
R
NaOH
− H2O
Na
H3C Br
SN2
O
OH
R
O
O
R
O
O CH3
+ NaBr
R
O
O CH3
+ HO CH3 +
H
katalyzátorR O R
O O
R
O
O
H
R
O
O
+ HO +
bázeR
O
ClHCl
Transesterifikace:
H3C
O
O CH2CH3
+ HO CH3
kyselina
nebo báze
H3C
O
O CH3
+ HO CH2CH3
21. dubna 2020 19 / 40
Estery karboxylových kyselin
Mechanismus bazické transesterifikace:
H3C
O
O CH2CH3
O CH3
H3C
O
O CH3
+ O CH2CH3H3C
O
O
CH3
O CH2CH3
O CH2CH3H3C O H O CH2CH3H3C O H+
Hydrolýza esterů:
Kysele katalyzovaná hydrolýza – mechanismus je opakem kysele
katalyzované esterifikace.
Bazická hydrolýza – saponifikace:
R
O
O R'
+ NaOH R
O
HO R'+Na
O
21. dubna 2020 20 / 40
Estery karboxylových kyselin
21. dubna 2020 21 / 40
Amidy karboxylových kyselin
H3C
NH2
O
amid kyseliny
octové
acetamid
ethanamid
N
NH2
O
amid kyseliny nikotinové
nikotinamid
H N
O
CH3
CH3
N,N-dimethylformamid
Příprava amidů:
RCOOH + NH3 RCOO NH4 R
O
NH2
+ H2O
∆T
R
O
N
R'
R'
R
O
Cl
R
O
O CH3
O
R
O
O R''
N
R'R'
H
21. dubna 2020 22 / 40
Amidy karboxylových kyselin
Hydrolýza amidů:
R
O
N
R'
R'
+ H2O
kyselina
nebo báze
R
O
OH + H N
R'
R'
Mechanismus bazické hydrolýzy amidů:
H3C
O
NH2
O H
H3C
O
O
H
NH2
O
O
H +
H3C
O
O H
H3C
O
O
NH2
O H
H
+ N
H
H
N
H
H
O H
H
N
H
H
H
21. dubna 2020 23 / 40
Amidy karboxylových kyselin
Mechanismus kyselé hydrolýzy amidů:
H3C
O
NH2
O
H
H3C
O
O
NH2
H H
H3C
O
O
+
N
HH
H
H3C
O
NH2
H
HH
H3C
O
O
NH2
H
H
H
H3C
O
O
NH2
H
H
H3C
O
O
N
H
H
H
H
H
H3C
O
O H
H
H H
H
H
N
HH
H
H
H N
H
H
H
21. dubna 2020 24 / 40
Nitrily karboxylových kyselin
H3C C N C N
nitril kyseliny benzoové
benzonitril
benzenkarbonitril
nitril kyseliny octové
acetonitril
ethannitril
Příprava nitrilů:
Br
+ NaCN
C
+ NaBrN
H3C
O
NH2
+ SOCl2 H3C C N + SO2 + 2 HCl
Hydrolýza nitrilů:
R C
O
NH2
+
H2O
R C N NH3
kyselina
nebo báze
R C
O
OH
H2O
kyselina
nebo báze
21. dubna 2020 25 / 40
Claisenova reakce
H3C
C
OEt
O
báze H2C
C
OEt
O
H3C
C
OEt
O
deprotonace nukleofilní
acylová substituce
H3C
C
C
O
C
OEt
O
H H
+ EtO
C
C
OEt
O
H2C
C
OEt
O
CH3
C
EtO
O
H3C
C
C
O
C
OEt
O
H H
EtO
H
H
H
EtO H
CH2
C
OEt
O
C
O
EtO
CH3
EtO
H3C
C
C
O
C
OEt
O
H
+
zpracování:
H3C
C
C
O
C
OEt
O
H
H3O
H3C
C
C
O
C
OEt
O
H H
mechanismus:
21. dubna 2020 26 / 40
Claisenova reakce
EtO
O
OEt
O
1. EtONa
2. H3O
O O
OEt
H3O
∆T
O O
OH
O
+ CO2
Zkřížená Claisenova reakce:
EtO CH3
O
1. EtONa
2. H3O
+ EtO
OEt
O
O
EtO
O O
OEt
O
EtO CH3
O
2. H3O
EtO
O O
LDA
EtO CH2
O
H3CO
O
CH3
1.
CH3
21. dubna 2020 27 / 40
Malonesterové syntézy
EtO
C
C
C
OEt
OO
H H
EtONa
EtO
C
C
C
OEt
OO
H
CH2 Br
EtO
C
C
C
OEt
OO
H CH2
H3O
∆T
HO
C
C
C
OH
OO
H CH2
− CO2
HO
C
C
O
H CH2
H
deprotonace alkylace enolátu hydrolýza
esteru
dekarboxylace
Syntetické použití:
− CO2
R X R
COOH
COOH
R COOH
21. dubna 2020 28 / 40
Malonesterové syntézy
Výchozí látkou může být i jiná 1,3-dikarbonylová sloučenina:
H3C
C
C
C
OEt
OO
H H
EtONa
H3C
C
C
C
OEt
OO
H
CH2 Br
H3C
C
C
C
OEt
OO
H CH2
H3O
∆T
H3C
C
C
C
OH
OO
H CH2
− CO2
H3C
C
C
O
H CH2
H
deprotonace alkylace enolátu hydrolýza
esteru
dekarboxylace
Syntetické použití:
− CO2
R X R
COOH
R
H3C
O
CH3
O
21. dubna 2020 29 / 40
Thioestery
H3C
O
S CoA
+
COOHO
COOH
kys. oxaloctová
HO COOH
COOH
S
O
CoA
+ H2O
HO COOH
COOH
COOH
kys. citronová
− CoASH
N
NN
N
NH2
O
OHO
O
P OO
O
P
O
O
OP
O
O
O
CH3
H3CHO
N
O
H
O
N
H
HS
HSCoA
21. dubna 2020 30 / 40
Thioestery
H3C O
Et
O
H3C O
Et
O
H3C S
Et
O
H3C S
Et
O
O C O O C S
21. dubna 2020 31 / 40
Thioestery
CH3S
CoA
O
CH2S
CoA
O
O
COOH
COOH
S
CoA
O O
COOH
HOOC
H H
S
CoA
O OH
COOH
HOOC
H2O
HOOC
OH
COOH
COOH+CoA-SH
21. dubna 2020 32 / 40
β Oxidace
H3C OH
O
HSCoA + ATP
H3C S
O
CoA
FAD
FADH2
H3C S
O
CoA
H
O
H
H3C S
O
CoA
OH
21. dubna 2020 33 / 40
β Oxidace
NAD+
NADH + H+
H3C S
O
CoA
OH
H3C S
O
CoA
O
+ HSCoA
H3C S
O
CoA
OS
H
CoA
transfer protonu
H3C S
O
CoA + H3C S
O
CoA
21. dubna 2020 34 / 40
Fixace oxidu uhličitého při fotosyntéze
H2C O
O
H OH
H OH
H2C O P
P
ribulosa-1,5-bisfofát
H2C O
OH
OH
H OH
H2C O P
P
C
O
O
H2C O
OH
OH
H OH
H2C O P
P
HOOC
H O
H
H2C O
OH
OH
H OH
H2C O P
P
HOOC
O
H
H OH
H2C O P
OHO
+
H2C O P
HOOC OHdeprotonace +
enantioselektivní
protonace
H OH
H2C O P
OO
+H OH
H2C O P
OO
2 x 3-fosfoglycerát
21. dubna 2020 35 / 40
Kyselina uhličitá a její deriváty
CO2 + H2O H2CO3
Khydr =
[H2CO3]
[CO2]
= 2,8 × 10−3
pKhydr = − log Khydr = 2,55
Maximální rozpustnost kyseliny uhličité ve vodě je asi 0,034 mol dm−3
, nad touto
koncentrací se rozkládá na oxid uhličitý a vodu.
Najdeme dvě rozdílné hodnoty pKa1 pro disociaci do prvního stupně:
Ka1 =
[H+
] · [HCO−
3 ]
[H2CO3]
pKa1 = 3,8
Ka1,poz =
[H+
] · [HCO−
3 ]
[CO2]
= Ka1 · Khydr pKa1,poz = 6,35
21. dubna 2020 36 / 40
Kyselina uhličitá a její deriváty
Pro disociaci do druhého stupně:
Ka2 =
[H+
] · [CO2−
3 ]
[HCO−
3 ]
pKa2 = 10,2
Funkční deriváty kyseliny uhličité
Některé z funkčních derivátů jsou nestálé:
Cl
C
OH
O
CO2 + HCl
H2N
C
OH
O
CO2 +
H
N
H
H
O
C
OH
O
CO2 + ROHR
21. dubna 2020 37 / 40
Kyselina uhličitá a její deriváty
Funkční deriváty kyseliny uhličité
Stálé jsou např. soli monoalkyl- nebo monoaryl-karbonátů:
CO2+
O Na O
C
O
O
Na
Další stálé deriváty kyseliny uhličité:
H2N
C
O
R
O
Cl
C
Cl
O
Cl
C
O
O
R
H2N
C
NH2
O
H2N
C
Cl
O
Močovina
Diamid kyseliny uhličité.
H2N
C
NH2
O
21. dubna 2020 38 / 40
Kyselina uhličitá a její deriváty
Močovina
Odpadní látka u savců, obojživelníků a některých ryb.
Průmyslová výroba:
CO2 + 2 NH3
150 °C
3,55 MPa H2N
C
NH2
O
+ H2O
Wöhler (1828):
C
O
H2N NH2
NH4NCO
∆T
NH3 + HCNO
Také:
H2N
C
NH2
O
+ HClCl
C
Cl
O
+ 4 NH3 2
21. dubna 2020 39 / 40
Kyselina uhličitá a její deriváty
Močovina
Při zahřívání se močovina rozkládá na kyselinu kyanatou a amoniak:
H2N
C
NH2
O
+ NH3
∆T
H N C O
C
O
H2N NH2
NH4NCO
∆T
NH3 + HCNO
C
O
H2N NH2
C
O
H2N N
H
C
O
N
H
H
biuret
∆T
21. dubna 2020 40 / 40