Синтез ізобутилового ефіру оцтової кислоти реакцією етерифікації

Федеральне агентство з освіти

Державна освітня установа вищої професійної освіти

Самарський державний технічний університет

Кафедра: «Органічна хімія»

"СИНТЕЗ ізобутилового ефір оцтової кислоти"

Курсова робота

Виконав:

Керівник:

Самара, 2007 р.

Зміст

1. Введення

1.1. Загальні відомості

1.2. Практичне застосування

2. Синтези ізобутілацетата

Спосіб 1. Реакція етерифікації

Спосіб 2. Отримання на катіонітових каталізаторах

Спосіб 3. На іонообмінних каталізаторах

3. Літературний пошук. Сольволіза

3.1. З карбонових кислот (реакція етерифікації)

3.2. З хлорангидридов кислот

3.3. З ангідридів кислот

3.4.Із Кьотен, ацетатів кетонів і ізотіаналей

3.5. Діефіров або α-заміщені ефіри з карбонільних сполук

3.6. З нітрилів

3.7. З складних ефірів та спиртів (реакція переетерифікації)

3.8. З лактонов і спиртів (реакція переетерифікації)

3.9. З складних ефірів та кислот (реакція переетерифікації)

3.10. З солей при взаємодії з алкилгалогенидами

3.11. З солей і кислот та інших алкілуючих агентів

3.12. З мідних солей

3.13. З тетраалкіламмоіевих солей

3.14. З амідів

3.15. З трігалогензамещенних

3.16. З дігалогензамещенних простих ефірів

3.17. З карбонових кислот і дівінілртуті

3.18. Механізм реакції етерифікації

4.Вивод

Список літератури

1. Введення

1. Загальні відомості

Ізобутілацетат (ізобутіловий ефір оцтової кислоти) - безбарвна прозора рідина з фруктовим запахом; добре розчинний в органічних розчинниках, обмежено розчинний у воді. Легко гідролізується в присутності кислот і лугів. Молекулярна маса 116.16; температура кипіння 116.5 ° C, температура плавлення -98.9 ° C; n _d ²⁰ 1.3901.

2. Практичне застосування

Ізобутілацетат широко застосовується як розчинник перхлорвінілових, поліакрилових та інших лакофарбових матеріалів; розчинника нітро-, етил-і ацетилцелюлози, хлоркаучук, натуральних і синтетичних смол, рослинних масел, жирів; екстрагента запашних речовин; компонента фруктових есенцій і парфумерних композицій;

В даний час в світі випускається близько 850 найменувань запашних речовин, одержуваних або синтетичним шляхом, або виділяються з натуральних олій. Споживання в парфумерії та косметиці синтетичних речовин в 5-6 разів перевищує споживання натуральних продуктів.

Сучасна ситуація на Російському ринку синтетичних запашних речовин (СДВ) склалася таким чином, що левова частка всієї продукції надходить з-за кордону і, враховуючи той факт, що в країні практично відсутня конкуренція, для вітчизняних виробників склалася вельми сприятлива ситуація.

Ізобутілацетат - знаходить застосування як розчинник у лакофарбовій промисловості, застосовується також у харчовій промисловості та при виробництві ароматів (вищий сорт).

У промисловості ізобутілацетат синтезують прямий етерифікації оцтової кислоти ізобутилового спиртом при 100-110 ° C в присутності H ₂ SO ₄ по безперервній схемі. Ізобутілацетат відганяють у вигляді потрійного азеотроп з водою та спиртом.

2. Синтези ізобутілацетата

Спосіб 1. Реакція етерифікації

Отримання ізобутилового ефіру оцтової кислоти. До бромистого магнійетілу, приготовленого з 8,2 г магнію, 37 г бромистого етилу і 200 см ³ ефіру повільно при охолодженні доливають 25 г ізобутилового спирту. Потім суміш слабо кип'ятять протягом 30 хв., Охолоджують льодом, доливають ефірний розчин 35 г оцтового ангідриду і знову кип'ятять кілька хвилин. Через 12 год реакційну масу виливають на лід, суміш слабо підкисляють і витягують ефіром. Витяжку промивають розчином соди, сушать, відганяють ефір і залишок переганяють. У техніці реакцію ведуть в автоклавах, а замість бромистого етилу застосовують хлористий метил, хлористий етил або хлористий бензил.

Спосіб 2. Отримання на катіонітових каталізаторах

н-Бутил-і ізобутілацетат дуже широко використовуються як розчинники і в ряді синтезів. Як відомо, синтез складних ефірів проводиться в присутності мінеральних кислот в якості каталізаторів, що використовуються тільки одноразово, що призводить до великої витрати води при промиванні.

При застосуванні катионитов цей недолік виключається; крім того, в меншій мірі йдуть побічні процеси, зокрема, утворення ненасичених сполук.

Схема синтезу

Характеристика основної сировини

Бутиловий спирт, ч., ГОСТ 6006-51 або 5980-51. Ізобутиловий спирт, ч., ГОСТ 6016-51. Оцтова кислота, ч, ГОСТ 61-51. Катіоніт КУ-2, ГОСТ 5696-51.

Умови отримання

Синтез речовин проводять в трехгорлой колбі з механічною мішалкою, термометром і зворотним холодильником з водоотделітельной насадкою. Нагрівання виробляють на гліцеринової або олійною бані, температуру якої підтримують контактним термометром.

У колбу завантажують 17 г катіоніту в Н-формі (див. примітка 1), 74,86 г (1,01 М) н - або ізобутилового спирту, 60,06 г (1 М) оцтової кислоти і нагрівають. Після досягнення 98 ° начищають виділятися вода (воду, що зібралася у Флорентіно, зливають з таким розрахунком, щоб до кінця синтезу вона залишалася заповненою водою майже повністю). Перед завершенням реакції температура підвищується для н-бутилацетата ~ до 115 °, для ізобутілацетата -110 °. Реакцію ведуть до виділення приблизно 98-99% води (17,7-17,8 мл) так як крім реакції етерифікації три накопиченні ефіру, йде дегідратація складного ефіру з утворенням ненасичених сполук і кислоти. Синтез речовин з н-бутиловим спиртом закінчується за 45-50 хвилин, а з ізобутилового спиртом за 60-62 хвилини (див. примітка 2). Потім реакційну суміш охолоджують, відокремлюють каталізат від катіоніту декантацією, пропускають через колонку з аніонітів АВ-17 або АВ-16 в ОН-формі, або нейтралізують 18-20%-ним розчином соди до слабощелочной реакції і промиванням водою до нейтральної реакції. Далі каталізат піддають разгонке на ректифікаційної колонці з ефективністю 10 теоретичних тарілок.

Першу фракцію н-бутилацетата збирають до 122 ° з виходом 8,9-9 г, вона складається приблизно з 51-52% спирту і 48-49% бутилацетата. Другу фракцію, яка була ефір, збирають за 122 -127 ° / 745 мм. Його вихід становить 106,8-106,9 г (або 92% від теоретичного по кислоті) з вмістом бутилацетата не менше 99% і кислотністю не більше 0,05%.

Першу фракцію ізобутілацетата збирають до 110 ° з виходом 6,5-8 г, вона складається також приблизно з 51-52% спирту і 48-49% ізобутілацетата. Другу фракцію, яка була ефір, збирають при 110-1157745 мм. Його вихід становить 108-110,3 г (або 93-95% від теоретичного по кислоті) з вмістом ізобутілацетата не менше 99,0% і кислотністю не більше 0,05%.

Перші фракції з урахуванням вмісту спирту і ефіру знову використовуються в синтезі або повторної разгонке, останнє менш бажано.

Примітки:

1. При розрахунку кількість катіоніту краще висловлювати не у відсотках по відношенню до спирту або кислоті, а в грамах на грам-моль гідроксильних або карбоксильних груп. Ці дані для порівняння більш реальні і не змінюються залежно від коливання молекулярного ваги кислоти або спирту. В даному випадку необхідно 17 г катіоініта КУ-2 на 1 грам-моль гндроксільних (17 г) або карбоксильних (45 г) груп. Якщо синтез вести з надлишком 0,25 М спирту, то досить вже 10 г катіоніту і реакція закінчується приблизно в два рази швидше. Слід також зазначити, що перші два-три синтезу протікають трохи довше.

2. Необхідно зауважити, що швидкість утворення ефірів із спиртів ізостроенія помітно повільніше, тобто тривалість реакції залежить від прямої і зворотної швидкості дифузії всередині зерна іонообмінної смоли реагують речовин і утворилися продуктів. Це спостерігалося також на прикладі утворення н-аміл-і ізоамілацетата, н-бутил-і ізобутіл-, н-аміл-і ізоамілсаліцілатов.

Спосіб 3. На іонообмінних каталізаторах

Існуючий метод отримання ефірів оцтової кислоти заснований на дії оцтового ангідриду або оцтової кислоти на відповідні спирти в присутності сірчаної кислоти. Можливість побічних процесів, труднощі очищення від не вступив у реакцію спирту є недоліками методу гомогенного кислотного каталізу.

Останнім часом розроблено метод одержання деяких ефірів оцтової кислоти етерифікації оцтової кислоти відповідними спиртами в присутності іонообмінної смоли КУ-2.

Використання іонітів як каталізаторів реакції етерифікації дозволяє застосувати еквівалентні кількості реагуючих речовин, що значно полегшує очищення готового продукту.

Схема синтезу

Характеристика основної сировини

Оцтова кислота, техн., ГОСТ 7077-54, ізобутиловий спирт техн., ТУ МХП 1704-47, іонообмінна смола КУ-2, ВТУ ГХПК М-661-55, використовується без попередньої обробки.

Умови отримання

У круглодонну колбу ємністю 1 л, забезпечену мішалкою з затвором, зворотним холодильником і водороздільники, завантажують 360 г оцтової кислоти, 440 г ізобутилового спирту і 44 г смоли КУ-2 з 20% вмістом вологи. Вміст колби при енергійному перемішуванні кип'ятять протягом 5-6 годин, до припинення відділення води (температура лазні 110-120 °). Потім реакційну масу охолоджують до кімнатної температури, фільтрують і фільтрат промивають спочатку 250 мл води, потім 250 мл 10%-ного розчину соди і знову водою до нейтральної реакції промивних вод. Промитий ефір сушать хлористим кальцієм. Вихід технічного продукту дорівнює 550-570 м. Очищення ізобутілацетата проводять перегонкою, збираючи фракцію з температурою кипіння 115-118 °.

Вихід чистого продукту становить 470 г або 67,5% від теоретичного; ~ 1,390; - 0,8710. За літературними даними, -1,39066; -0,8712.

3. Літературний пошук. Сольволіза

Сольволітіческіе методи складають найбільшу групу методів синтезу складних ефірів, оскільки всі похідні киць лот так чи інакше здатні до взаємоперетворення. За зменшення відносної реакційної здатності ці похідні распола гаются в наступний ряд: хлорангидрид> ангідрид кислоти>> складний ефір> амід, нітрил> сіль. Можна очікувати, що складні ефіри, що знаходяться в середині цього ряду, легко будуть утворюватися з хлорангидридов або ангідридів кислот, сущест вова в рівновазі з іншими ефірами (в умовах кислотного каталізу) і з дещо великими труднощами утворюватися з амідів і солей. Отримання ефірів з солей полегшується, якщо при цьому про виходить виділення або осадження нерозчинної неорганічної солі. Коротше кажучи, складні ефіри можуть бути отримані з кислот (реакція етерифікації), а також із з'єднань п'яти інших наведених вище типів. Крім того, для синтезу складних ЕФД рів можна застосовувати й інші вихідні речовини, наприклад ке тени - сполуки, споріднені ангідриду, і 1,1,1-трігалоген-заміщені або а-дігалогензамещенние прості ефіри, які мають ту ж ступінь окислення, що і складні ефіри. Єдиним у своєму роді методом отримання є розглянутий приклад піролізу мідних солей, при якому відбувається не звичайна орієнтація.

1. З карбонових кислот (реакція етерифікації)

RCOOH + R 'OH = RCOOR' + Н ₂ О

Реакція етерифікації - один із самих звичайних методів, при міняних для синтезу складних ефірів, оскільки часто і необ дімая кислота, і спирт є в готовому вигляді. Найкращі резуль тати цей метод дає в разі первинних спиртів, менш задовольнив рітельно - для вторинних і ще менш задовільні - у разі третинних спиртів. Для якнайшвидшого досягнення рівноваги застосовують такі каталізатори, як сірчана кислота, хлористий водень, арілсульфокіслота або ефірат трехфтористого бору, хоча деякі ефіри бензилового спирту і мурашиної кислоти можна отримати за відсутності каталізатора. Якщо спирт або кислота змінюються під дією кислот, слід віддати перевагу ефірат трехфтористого бору. Для етерифікації ароматичних, кислот краще брати 2 екв трехфтористого бору. Якщо при прове дении реакції небажана присутність кислоти в реакційній середовищі, як каталізатор можна використовувати сильнокислому іонообмінні смоли. Швидкість утворення ефіру залежить or площі поверхні іонообмінної смоли, а в разі кислот високої молекулярної ваги площа поверхні може бути ще більше обмежена поганий дифузією кислоти всередину смоли. Нижче наведено приклад етерифікації за допомогою кислої іонообмінної смоли фурилового спирту, який при наявності кислоти в реакційно ної середовищі полімеризується (приклад а).

Нещодавно для отримання метилового ефіру пеларгоновой кислоти з цієї кислоти, спирту і сірчаної кислоти були використані молі кулярние сита Лінде ЗА у вигляді таблеток; вихід ефіру склав 96%.

Для того щоб максимально змістити рівновагу в сторону про разования складного ефіру, одне з вихідних речовин (зазвичай спирт застосовують у надлишку або один з виходять продуктів (воду) видаляють азеотропной перегонкою, а розчинник (бензол або толуол) повертають в реакційну суміш за допомогою пастки Ді на-Старка. Іншими методами видалення води можуть слу жити наступні: азеотропная перегонка в апараті Сокслета, в патрон якого поміщають осушувач, наприклад сульфат магнію, або хімічний спосіб, що полягає в реакції з діметілацеталем ацетону, що приводить до утворення ацетону і метилового спирту. азеотропна перегонка за допомогою апарату Діна - Старка - кращий метод одержання складних ефірів, особливо ЕФД рів висококиплячих спиртів. Застосування метилового спирту при цьому представляє труднощі внаслідок його летючості. У цьому випадку використовують спеціальну барботажние колону для видалення; проміжних фракцій, що містять воду. Однак у тих випадках , коли великі кількості сірчаної кислоти не надають вплив ня на карбонову кислоту, з якої отримують ефір, цю кисло ту, метиловий спирт і сірчану кислоту просто можна кип'ятити з зворотним холодильником, а утворений метиловий ефір Кекст рагіровать толуолом за методом Клостергарда, призначеному для отримання етилових ефірів, таких, як тріетіловий ефір лимонної кислоти. Розроблено простий полумикрометодом, за хожій на наведений вище, при якому метилові ефіри про утворюються і розділяються так само ефективно, як і при реакції кислоти з діазометаном. Нарешті, зручним методом отримання метилових ефірів аліфатичних і ароматичних киць лот, що дає виходи 87-98%, є кип'ятіння відповідаю щей кислоти (1 моль), метилового спирту (3 моля) і сірчаної кисло ти в етилен або метиленхлориду протягом 6-15 ч. Цей метод не потребує складного обладнання, як метод Вайсбергераі Кіблера, і більш зручний для отримання ефірів у великих масштабах, ніж метод Бейкера.

Схема реакції етерифікації наступна:

Електрофільне атака протона кислоти призводить до утворення іона карбону (I), який піддається нуклеофільного атаці спиртом, даючи з'єднання II; при перегрупуванні та виділення молекули води і протона з нього виходить складний ефір (III). Безсумнівно, що алліловий і бензиловий спирти, а так само третинні спирти схильні реагувати по карбон-іонного механізму. У зв'язку з існуванням такої тенденції третинні спирти перетворюються в основному в олефіни, а не в складні ефіри, а для отримання складних ефірів третинних алкіл обхідно шукати інші шляхи синтезу, як показано в наступних пара графах.

Істотну роль в реакції етерифікації грають стеріче ські ефекти, оскільки атом вуглецю карбонільної групи кислоти в перехідному комплексі II переходить з плоскою тригональной структури в тетраедричну структуру (sp 3 - тібрідізація). Для визначення впливу стерично ефектів на швидкість етерифікації аліфатичних кислот корисно «правило шести» Ньюмена, але кращим способом оцінки стерично факто рів є вивчення моделей. При застосуванні звичайних мето дів етерифікації вплив роблять також заступники, знаходячи щиеся в орто-положенні ароматичних кислот. У разі о, о-ді-алкілзаміщених можна проводити етерифікації, доливаючи рас твор кислоти в 100%-ної сірчаної кислоти до спирту. Успіх цієї реакції, мабуть, залежить від освіти плоского іона кар бонія (звичайна протонированнаякарбоксильная група в цьому випадку не може стати копланарной з кільцем), який реагує зі спиртом, даючи складний ефір. Виходи при застосуванні цього методу бувають від задовільних до хороших.

Етилові ефіри можуть бути отримані (з виходами 84-94%) при нагріванні відповідної кислоти з надлишком ортомуравьіного ефіру аж до утворення однорідного розчину. У двох випадках додають толуолсульфокіслоту або диметилформамід. Просторово утруднені кислоти, наприклад 2,4,6-трінітро-і 2,4,6-тріметілбензойние кислоти, етеріфіціруются з поміркований ними виходами.

Нещодавно опубліковано новий метод етерифікації пространствен але утруднених кислот. У цьому випадку реакція між спиртом і кислотою каталізується ангідридом тріфторуксусной кислоти. Відмінні виходи зазвичай отримують з просторово утруднений ними кислотами, такими, як антрацен-9-карбонова і 2,4,6-три-метілбензойная, і простими або просторово утрудненим спиртами або фенолами . Якщо і фенол, і кислота просторово утруднені і можливий інший шлях протікання реакції, наприклад ацилирование атома вуглецю фенолу, етерифікація може не співай ти. Згідно передбачуваному механізму, реакція йде по двох напрямах, які обидва включають освіта протоніро ванного ангідриду

Цей останній може реагувати безпосередньо зі спиртом, утворюючи сложнийефір (V)

или в образовании эфира V может участвовать ион ацилия ( VI )

Аналогичным методом является реакция раствора кислоты в 20 частях пиридина с 2 экв бензол- или толуолсульфохлорида, приводящая к образованию ангидрида кислоты. К этому раствору на холоду добавляют 1 экв спирта (или фенола) и смесь разбавляют ледяной водой. Этот метод рекомендуется для получения трет- алкильных сложных эфиров и сложных эфиров третичных ацетиленовых спиртов. Для этерификации кислот в мягких условиях пригоден диэтилацеталь диметилформамида. Так, например, при реакции бен зойной кислоты и 2 экв формамида в бензоле при 80 °С в течение 1 ч выход сложного эфира превышает 90%.

Сложные эфиры аминокислот можно с успехом получать при взаимодействии аминокислот со спиртом в присутствии хлористого тио нила в качестве катализатора, а в некоторых случаях при взаимодействии с а -толуолсульфокислотой и большим избытком диметилсульфита

Стероидные спирты часто лучше ацетилируются уксусной кис лотой и уксусным ангидридом в присутствии следов хлорной кис лоты.

Ариловые сложные эфиры можно получать взаимодействием кислоты с фенолом в присутствии хлорокиси фосфора или полифес форной.

Если в молекуле имеется как первичная, так и вторичная спир товая группа, как, например, в антибиотике хлорамфениколе (син томицин), частичная этерификация обычно приводит к образова нию первичных моноэфиров. Эфир со вторичной спиртовой группой получают, проводя реакцию по остроумной схеме, приведенной ниже :

Диэфиры из кетонов или альдегидов и кислот можно получать, вероятно, через ангидрид кислоты (пример г) и из эфира.

2. Из хлорангидридов кислот

Этот метод синтеза находит широкое применение, поскольку эта реакция необратима в отличие от реакции этерификации. Выделяю щийся при реакции хлористый водород можно уводить из сферы реакции или поглощать его каким-нибудь основанием, например едким натром, диметиланилином или пиридином, или магнием. Иногда желательно применение алкоголята натрия. Диметиланилин и магний применяют для. получения эфиров третичных спир тов, имеющих тенденцию в отсутствие вещества, способного поглощать выделяющийся хлористый водород, образовывать галогенпро изводные. При этерификации фенолов часто применяют магний; эта реакция исследована количественно. Наиболее высокие вы ходы фениловых эфиров получают из таллиевых солей фенолов и хлорангидрида соответствующей кислоты .

Простейший метод — метод Шоттена — Баумана, состоящий во встряхивании хлорангидрида кислоты с водным раствором едкого натра, содержащим соответствующий спирт. Самые высокие выходы получаются тогда, когда хлорангидрид кислоты (и образующийся эфир) нерастворимы в воде, так что реакция протекает на границе раздела между органическим и водным слоем. Нерастворимость образующегося сложного эфира в водной фазе препятствует его омылению. По окончании реакции эфир получается свободным от хлор ангидрида кислоты и хлористого водорода и его можно сразу экст рагировать и сушить. В довольно старом и незаслуженно забытом

Исследовании реакции Шоттена — Баумана было установлено, что (выходы сложных эфиров возрастают при понижении температуры Макции, при увеличении концентрации спирта (что можно осуществлять , добавляя щелочь постепенно) и при применении едкого кали, а не едкого натра. Кроме того, ангидрид уксусной кислоты дает более высокий выход эфира, чем хлорангидрид. Наиболее об щим методом служит метод, в котором используют пиридин; если бы не неудобства, связанные с необходимостью избавляться от сле дов пиридина, который обычно отмывают разбавленной кислотой, вероятно, применяли бы только этот метод.

Эффективность реакции галогенангидридов кислот со спиртами может быть повышена проведением предварительной реакции гало генангидрида с кислотой Льюиса с целью получения соли ацилия. Простейшей такой солью является, по-видимому, метилоксокар бонийгексафторантимонат, который сам по себе или в нитрометане быстро реагирует со спиртами, образуя ацетаты с вы ходами от 62 до 87% .

Эта реакция, вероятно, происходит в результате нуклеофильной атаки спирта на атом углерода карбонила хлорангидрида кислоты.

Образующийся при этом комплекс быстро теряет хлористый водород, давая сложный эфир R ' COOR .

В случае образования реакционноспособных и нестабильных бен зилтозилатов желательно сначала получить соответствующий алко голят с гидридом натрия, а затем обрабатывать его хлор ангидридом кислоты. Аналогичный метод, но без выделения алкоголята натрия, применялся для получения тозилата 2-нитро-3,4,5-триметок- сибензилового спирта, в котором гидроксил спирта прочно связан с нитрогруппой.]

Многие функциональные группы при этом методе синтеза не затрагиваются. В хлорангидридах кислот, содержащих двойные связи, ацетокси- , алкиламино- и 2-фуранакрилогруп пы, эти группы не изменяются. Оксиэфиры можно получать из двухатомных спиртов и хлорангидридов кислот; аналогичным образом хлорзамещенные сложные эфиры можно получать из галог ендоинов. При этом часто получают высокие выходы

3. Из ангидридов кислот

Или

Как и хлорангидриды кислот, ангидриды кислот широко при меняют для получения сложных эфиров из соединений, содержащих оксигруппу. Эту реакцию проводят как в отсутствие катализаторов, так и с применением таких катализаторов, как серная кислота, хлористый цинк, хлорсульфокислота, хлористый ацетил , ацетат натрия. борная кислота, сульфат железа(Ш) , метилат натрия и моногидрат я-толуолсульфокислоты. Ацетилирование многих фенолов можно осуществить в водном рас творе щелочи, а циклические ангидриды можно полностью или частично этерифицировать. Механизм этой реакции такой же, как и при реакции с хлорангидридом кислоты, только при этом происходит отрыв аниона карбоксилата, а не галоген-аниона. Поскольку анион карбоксилата в растворе менее термодинамически стабилен, чём анион галогена, можно ожидать, что реакция ангид рида кислоты со спиртом будет несколько менее экзотермической, чем реакция соответствующего хлорангидрида. Вопреки тому, что написано в некоторых учебниках, третичные спирты можно этери фицировать ангидридами кислот при применении кислых катализа торов или трифенилметилнатрия.

Способные енолизоваться альдегиды можно превратить в енол- ацетаты нагреванием с уксусным ангидридом и ацетатом калия . Для трех ангидридов, для которых была проведена эта реакция, выходы составляли от 35 до 61%. Способные к енолизации кетоны реагируют не с такой легкостью, но, применяя уксусный ангидрид и л-толуолсульфокислоту, можно добиться успеха. Выходы для трех изученных кетонов составляли от 32 до 68%. Интересно отметить, что в условиях, применявшихся при реакции с кетонами, в реакцию вовлекались только метиленовые водородные атомы. При получении а -бром альдегидов и кетонов в качестве промежуточных соединений используют енолацетаты, как показано ниже:

Смешанные ангидриды, получающиеся из алкиловых эфиров хлормуравьиной кислоты, разлагаются при нагревании, образуя сложные эфиры по следующим схемам:

Ряд смешанных ангидридов из алифатических кислот разла гается с образованием сложных эфиров по пути А, а смешанные ангидриды ароматических кислот разлагаются по пути либо А, либо Б. При 250 °С происходит также реакция В . Трифторуксусная кис лота и фениловый эфир хлормуравьиной кислоты при смешивании образуют фениловый эфир трифторуксусной кислоты с выходом 75—80%. Рассмотренные реакции декарбоксилирования, по- видимому, протекают через промежуточное циклическое состояние, причем происходит сдвиг электронов в цикле.

4. Из кетенов, ацетатов кетонов и изотианалей

Несмотря на то что эти реакции часто дают высокие выходы, этот метод синтеза не находит широкого распространения вследствие того, что химик обычно не имеет готового кетена, а его получение иногда бывает довольно сложным. Реакцию промотируют такие катализаторы, как серная кислота или толуолсульфокислота. Этот метод с успехом применяют при ацетилировании сложных эфиров молочной кислоты, а также при ацетилировании третичных спиртов и фенолов. Некоторые функциональные группы, например функциональные группы альдегидов и кетонов, подвержены атаке кетенами. В некоторых случаях эти карбониль ные соединения превращаются в енолацетаты

Присоединение спирта к кетену, вероятно, идет как присоединение к карбонильным группам. Сначалаобразуется енол

таутомеризующийся затем собразованием сложного эфира

Поскольку кетены образуются в качестве промежуточных соеди нений при облучении большинства кетонов, кетоны представляют собой потенциальные источники получения сложных эфиров, если проводить их облучение в присутствии спиртов

Спирты присоединяются к дикетенам с образованием ацетоацетатов следующим образом:

Этот метод выгодно применять для получения ацетоацетатов с нена сыщенными группами R . Оказалось, что в этих случаях лучше всего в качестве катализатора использовать алкоголят натрия. Такие сложные эфиры можно также получать из хлорангидридов кислот через дикетен в одну стадию.

Ацетали кетенов также могут самопроизвольно превращаться в сложные эфиры с количественным выходом

Получение карбаматов из изоцианатов и спиртов напоминает обра зование сложных эфиров из кетенов

Эта реакция происходит самопроизвольно в отсутствие катализатора и дает высокие выходы карбаматов. Третичные спирты, однако, склонны к образованию олефинов. При получении фенилкарбаматов из изоцианатов и фенолов в качестве катализатора используют не сколько капель триэтиламина или пиридина. Получение сложного эфира изоцианата представляет собой способ идентификации спиртов.

5. Диэфиры или α- замещенные эфиры из карбонильных соединений

або

Эти реакции присоединения применяют в ограниченных масштабах для синтеза а -галогензамещенных сложных эфиров или ацилалей . Сложные эфиры получают, смешивая компоненты либо сами по себе, либо в присутствии следов хлористого цинка, причем выходы составляют примерно 50%. Ацилали лучше всего получать действием уксусного ангидрида, если реакцию вести с добавлением небольших количеств эфирата трехфтористого бора, но с ангидридами пропионовой и и-масляной кислот наилучшие результаты достигаются при добавлении 10%-ного избытка катализатора сверх эквивалентного количества. При проведении реакции как с малым количеством катализатора, так и с избытком уксусный ангидрид и формальдегид образуют смеси, а с янтарным и пропионовым альде гидами реакция не идет. Выходы при этих реакциях присоеди нения составляют 60—80%. При реакциях присоединения ангид рида можно использовать кислоты, например серную кислоту, но выходы при этом обычно получаются более низкими, кроме тех случаев, когда добавляют ацетат натрия.

Выше уже приводились примеры получения изопропилиденмало ната и а -ацетокси-М-циклогексилизовалерамида.

3 .6 Из нитрилов

Хотя от нитрилов можно перейти к сложным эфирам через амиды, обычный метод состоит в превращении их в иминоэфир, который можно выделять в качестве промежуточного соединения, а можно и не выделять. Для этой реакции применяют различные катализаторы, такие, как хлористый водород, бромистый и йодистый водород, серную кислоту и моногидраты бен зол- и толуолсульфокислот. Следует отдать предпочтение аренсульфокислотам по сравнению с хлористым водородом или серной кислотой. С хлористым водородом получаются, более высокие выходы, чем с бромистым и йодистым водородом. Как показы вает приведенное уравнение реакции, если исключить из участия в реакции воду, можно получить иминоэфиры. В некоторых слу чаях для реакции, ведущей к образованию иминоэфира, вода не нужна совсем, а иногда в отсутствие воды реакция не идет .

Этот метод синтеза находит широкое применение для получения полифункциональных соединений. Так, например, малоновые эфиры обычно синтезируют из эфиров а -цианкарбоновых кислот . Из циангидринов получают оксиэфиры, из кетоцианидов — кетоэфиры, а из аминоцианидов—аминоэфиры . Выходы при этом обычно бывают удовлетворительные.

3.7. Из сложных эфиров и спиртов (реакция переэтерификации)

Переэтерификация представляет собой равновесную реакцию, которую можно сдвинуть в прямом направлении, применяя избыток одного из реагентов или, что предпочтительно, удаляя один из компонентов — RCOOR " или R ' OH . Если температура кипения R ' OH ниже, чем R " OH , можно проводить разделение, при помощи фракционирования: иногда для удаления получающихся продуктов пользуются образованием азеотропных смесей. Катализато рами такой реакции обмена служат кислоты, например серная или толуолсульфокислота, или основания, напри­ мер алкоголяты алюминия. Как правило, превращение лучше протекает с первичными спиртами, причем наиболее реак ционноспособен метиловый спирт, хотя в некоторых случаях с успе хом можно применять вторичные спирты.

Этот метод синтеза пригоден для синтеза алкиловых эфиров высших жирных кислот из жиров, масел и восков. Путем такого обмена удобно получать и многие другие сложные эфиры, например эфиры акриловой и диэтиламино- а -фенилмасляной кислот. Наиболее важным эфиром енола, применяемым для получения сложных эфиров, является изопропенилацетат. Этот реагент легко доступен, и из него можно получать различные слож ные эфиры с высоким выходом в результате обмена со спиртом в присутствии кислых катализаторов

Эта реакция может протекать с образованием кетена, из которого получают изопропенилацетат, но возможно также, что при реак ии, катализируемой кислотой, образуется ион ацилия, атакующий спирт. Приведен пример образования сложного эфира, а также эфира енола.

Механизм переэтерификации обычных сложных эфиров сходен с механизмом гидролиза сложных эфиров, катализируемого кисло тами и щелочами . Кетоэфиры не требуют катализаторов для переэтерификации, и обмен спиртовых групп происходит количественно при температуре паровой бани. трет-Бутиловый спирт, однако, обме нивается очень медленно

3.8. Из лактонов и спиртов (реакция переэтерификации)

Этот метод синтеза находит лишь ограниченное применение при получении сложных эфиров. Бромистый водород в спиртовом растворе дает бромзамещенный сложный эфир, а хло ристый водород приводит к образованию оксиэфира. Вместо галогеноводорода применяют и другие галогенпроизводные, например пятибромистый фосфор и тионилхлорид. Наи­ более детально изучена, по-видимому, реакция пропиолактона . В этом случае при взаимодействии со спиртом в зависимости от природы катализатора образуются два продукта. С основаниями происходит расщепление по связи кислород—углерод карбонила, приводящее к образованию оксиэфиров

В отсутствие катализатора или с кислыми катализаторами про исходит расщепление связи кислород — углерод метиленовой груп пы с образованием р-алкоксикислот

Механизм этого расщепления сходен с механизмом, предложен ным для сложных эфиров, поскольку лактоны можно рассматривать как внутримолекулярные сложные эфиры. Выходы при этой реакции получаются удовлетво рительные.

3.9. Из сложных эфиров и кислот (реакция переэтерификации)

Этот обмен происходит, и часто с хорошими выходами, в случае ациламинокислот и при получении виниловых эфиров различных алифатических и ароматических карбоновых кислот. N -Ациламино кислоты, например фталоилглицин или тозилглицин, превращаются в метиловые или этиловые эфиры под действием алкилформиата или алкилацетата. Обычно в качестве катализаторов используют 96% -ную серную кислоту или моногидрат толуолсульфокислоты. Неацилированные аминокислоты, за исключением фенилаланина нельзя превратить в сложные эфиры при помощи такого катализа тора, как серная кислота.

«Винильный обмен» требует применения в качестве катализато ра ртутной соли сильной кислоты. Температура при этой реак ции должна поддерживаться в области 20—80 °С; более высокие температуры приводят к образованию диэфиров этилидена и ангид ридов кислот. Этот метод синтеза позволяет получать более чистые мономеры, чем те, которые образуются в результате присоединения ацетилена к кислоте. Считают, что в этом случае соль ртути образует ацетиленовый комплекс ( I )

реагирующий с кислотой с образованием сложного эфира ( II )

3.10 Из солей при взаимодействии с алкилгалогенидами

Эта реакция обмена дает высокие выходы с галогенпроизводными, способными к реакции замещения по механизму SN 2 в апротонных растворителях. Хорошие выходы метиловых эфиров высокой степени чистоты получаются с йодистым метилом, бикарбонатом нат рия и соответствующей кислотой при проведении реакции в диметил ацетамиде при комнатной температуре. При реакции с другими алкилгалогенидами синтезирован ряд сложных эфиров. Можно использовать для этой реакции соль натрия или серебра с триэтиламином в качестве катализатора или саму сво бодную кислоту с триэтиламином. Фенациловые эфиры, получаемые этим методом, используют для характеристики карбоновых кислот.

При получении тритиловых эфиров следует предпочесть броми стый триэтил хлористому, поскольку он более реакционноспособен и менее гигроскопичен и его можно применять с безводной серебря ной, натриевой или калиевой солью.

При реакции соли, уксуснокислого тетраэтиламмония, с опти чески активным галогенпроизводным образуется сложный эфир с меньшей степенью рацемизации, чем при применении уксусной кислоты

Реакция медной соли кислоты с каким-либо арилгалогенидом в высококипящем растворителе — единственно пригодный способ по­ лучения ариловых эфиров из арилгалогенидов. В качестве проме жуточного соединения образуется медьорганическое соединение

Эту реакцию можно применять также в случае винилгалогенидов с целью получения виниловых эфиров.

3.11. Из солей и кислот и других алкилирующих агентов

При этом методе синтеза обычно в качестве алкилирующегс агента применяют диметилсульфат; кроме того, используются ал килпирокарбонаты, алкилсиликаты, алкилфосфонаты , ацетали и даже алкилхлорсульфиты. В по следнем случае эфир получается в результате пиролиза реакционной смеси с выделением двуокиси серы. Алкилирование, как правило, проводят в щелочной среде; в этих условиях алкилируется как пространственно затрудненная, так и незатрудненная карбоксиль­ ная группа. При проведении реакции в кислых условиях алки лируется только пространственно незатрудненная карбоксильная группа. Выходы часто получаются высокие.

В методе, предложенном недавно, свободную кислоту алкили- руют при помощи какого-нибудь алкилсульфата и дициклогексил- этиламина в качестве акцептора протонов

Выходы некоторых эфиров составляют 96—97% (метиловые эфиры) и 84% (этиловые эфиры).

3.12. Из медных солей

Эта реакция дает возможность осуществить весьма необычный синтез эфиров арилбензойных кислот. При пиролизе медной соли ароматической кислоты образуется с хорошим выходом сложный эфир. Необычным является то, что арильная группа становится в орто-положение по отношению к присутствующей вначале карбоксильной группе, выделяющейся в процессе реакции, как показано ниже:

Механизм этой реакции, возможно, представляет собой циклозамещение, но он еще не установлен окончательно. Окись меди частично может быть заменена воздухом.

3.13. Из тетраалкиламмоиевых солей

Этот метод синтеза первоначально применялся для получения сложных эфиров пространственно затрудненных бензойных кислот. Метиловые эфиры 2,4,6-триметил- и 2,4,6-триэтилбензойной кислот получены с выходом от 63 до 90%. Сложный эфир также образуется при непосредственном нагревании четвертичного галогенида аммония с ацетатом натрия и уксусной кислотой.

3.14. Из амидов

Превращение амидов в сложные эфиры — термодинамически невыгодная реакция и поэтому требует специальных условий . И действительно, реакция легко осуществ ляется лишь в необычных условиях. В качестве одного из примеров приведем гладкое превращение о- или п-нитроацетанилидов в слож ные эфиры при взаимодействии со спиртами в присутствии алкого лята натрия. При этом очевидно, происходит алкоголиз че рез анион нитроацетанилида.

Амиды можно превратить в изоцианаты реакцией Гофмана с гипобромитом, а изоцианаты затем превратить в карбаматы дейст вием спирта. Поскольку мочевина при нагревании прев ращается в изоциановую кислоту HN = C = O , она может реагировать со спиртами, образуя в качестве производных сначала изоциановую кислоту, а затем алкилкарбаматы (уретаны). Так, например, бен зилкарбамат легко получается при кипячении мочевины и бензило вого спирта до прекращения выделения аммиака

Любое соединение, приводящее к образованию изоцианата, является потенциальным источником карбамата, если проводить реакцию каком-нибудь спирте в качестве растворителя. Так, например, : облучении азида кислоты в этиловом спирте образуется уретан

- о

Из изоциановой кислоты, которая, вероятно, в кислых раствор ax сначала димеризуется, можно получить эфиры аллофановой кислоты

Многие эфиры аллофановой кислоты и целлосольва представляют собой кристаллические соединения и удобны для получения про водных.

Наиболее удобным, хотя и имеющим ограниченное применен методом превращения амида в сложный эфир является перегруппи ровка р-оксиэтиламида под влиянием концентрированной соляной кислоты

3.15. Из тригалогензамещенных

Эта реакция проводилась с различными замещенными бензотри фторидами и бензотрихлоридами, причем выходы составляли от 42 до 90%. Для более лабильных тригалогензамещенных, таких, как 3,3,3-трихлор-1,1-ди-(п-хлорфенил)пропен-1, при кипячении его с метиловым спиртом выход сложного эфира составляет 95%.

3.16. Из дигалогензамещенных простых эфиров

Сложные эфиры можно получить из а , а -дихлоралкилзамещенных простых эфиров при гидролизе их водой. Для гидролиза а,а - дифторалкилзамещенных простых эфиров необходимо применять более сильные гидролизующие агенты, такие, как 95%-ную сер ную кислоту. Выходы при этих реакциях гидролиза со ставляют от 55 до 83%. Механизм этого расщепления точно не уста новлен, но можно предполагать, что этот гидролиз протекает с большей легкостью, чем гидролиз тригалогензамещенных, в ре зультате влияния простой эфирной группы.

3.17. Из карбоновых кислот и дивинилртути

Этот метод синтеза применим только для получения сложных виниловых эфиров, простых виниловых эфиров (из фенола) и винилсульфидов (из тиофенола или алкилтиола). Для проведения реакции ароматическую или алифатическую карбоновую кислоту нагревают саму по себе или в каком-нибудь растворителе с дивинилртутью, полученной из хлорида ртути и винилмагнийбромида в тетрагидрофуране. В отсутствие растворителя реакция обычно проходит более чем на 50% за время меньше 5 мин при нагревании на паровой бане. Для безопасности реакцию необходимо проводить в хорошо вентилируемой тяге, поскольку дивинилртуть высоко токсична. Если проводить реакцию в инертном растворителе, можно выделить образующийся в качестве промежуточного соединения винилртутный эфир RCOOHgCH = CH ₂ - Выходы виниловых сложных эфиров составляют от 38 до 74%.

3.18. Механизм реакции этерификации

Роль катализатора заключается в протонировании карбонильного кислорода: при этом карбонильный атом углерода становится более положительным и более «уязвимым» по отношению к атаке нуклеофильного агента, которым является молекула спирта. Образующийся вначале катион ( VIII ) присоединяет молекулу спирта за счет неподеленных электронов кислородного атома, давая катион ( IX ):

Далее катион ( IX ) отщепляет молекулу воды, превращаясь в катион сложного эфира ( X ):

Катион ( X ) в результате отщепления протона образует молекулу сложного эфира:

Использование метода «меченых атомов» дало возможность решить вопрос о месте разрыва связей при реакции этерификации. Оказалось, что обычно молекула воды образуется из гидроксила кислоты и водорода спирта. Следовательно, в молекуле кислоты разрывается связь между ацилом и гидроксилом, а в молекуле спирта — связь водорода с кислородом. Такой именно вывод следует из результатов работы по этерификации бензойной кислоты метанолом, содержащим тяжелый изотоп кислорода О ¹⁸ . Полученный сложный эфир содержал в своем составе указанный изотоп кислорода:

Присутствие О ¹⁸ установлено сжиганием образца эфира и анализом образующихся продуктов сгорания ( CO ₂ и Н ₂ О) на присутствие тяжелого изотопа кислорода.

Гидролиз сложных эфиров представляет собой реакцию, обратную реакции их образования. Гидролиз может быть осуществлен как в кислой, так и в щелочной среде. Для кислого гидролиза сложных эфиров справедливо все, что было сказано выше применительно к реакции этерификации, об обратимости и механизме процесса, о методах смещения равновесия. Щелочной гидролиз сложных эфиров проходит через следующие стадии:

Он является процессом необратимым, поскольку богатый электронами анион кислоты не способен взаимодействовать с нуклеофильной молекулой спирта.

Практически щелочной гидролиз сложных эфиров проводят в присутствии едких щелочей КОН, NaOH , а также гидроокисей щелочноземельных металлов Ва(ОН) ₂ , Са(ОН) ₂ Образующиеся при гидролизе кислоты связываются в виде солей соответствующих металлов, поэтому гидроокиси приходится брать по крайней мере в эквивалентном отношении со сложным эфиром. Обычно используют избыток основания. Выделение кислот из их солей осуществляется с помощью сильных минеральных кислот.

В качестве растворителя основания для реакции гидролиза чаще всего применяют воду, которая, однако, не растворяет сложный эфир. Реакция идет на поверхности раздела двух фаз и требует, поэтому хорошего перемешивания. Иногда реакцию бывает целесообразно проводить в гомогенной среде, используя в качестве растворителя водный спирт. При этом, однако, нужно иметь в виду, что для выделения кислоты перед подкислением раствора спирт необходимо удалить (отогнать).

Список літератури

1. Терне А. Сучасна органічна хімія: У 2 т. - М.: Мир, 1981. - Т.1 - 670 с; Т.2 - 615 с.

2. В. Ф. Травень. Органічна хімія. Том 1. - М.: Академкнига, 2004, - 708 с.

3. Загальна органічна хімія. Карбонові кислоти та їх похідні. Том 4. М., Хімія, 1983, 729с.

4. Богословський Б.М., Казакова З.С. Скелетні каталізатори, їх властивості та застосування в органічній хімії. М., Госхіміздат, 1957.

5. Голодніков Г.В. Практичні роботи з органічного синтезу. Л., Изд-во ЛДУ, 1966, 697с.

6. Дорофієнко Г.Н., Жданов Ю.А., Дуленко В.І. та ін Хлорне кислота та її сполуки ворганіческом синтезі. Ростов, изд-во Ростовського ун-ту, 1965.

7. Голодніков Г.В., Нізовкіна Т.В., Рискальчук А.Т. Практикум з органічного синтезу. Л., Изд-во ЛДУ, 1967.

8. Крешков А.П., Курбатов І.М. Лабораторні роботи по синтезу та аналізу органічних коннекту. М., изд-во Артилерійського ордена Леніна академії Червоної армії ім. Дзержинського, 1940.

9. Лабораторні роботи з органічної хімії. Изд. 3-е. М., Вища школа, 1974.

10. Шабаров Ю.С. Органічна хімія: У 2-х кн. - М.: Хімія, 1994 .- 848 с.

11. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органічна хімія. - М.: Вища. шк., 1973. - 623 с.

12. Препаративна органічна хімія. Изд. 2-е, М., Госхіміздат, 1964.

13. Храмкіна М.Н. Практикум з органічного синтезу. Изд. 4-ое, Л., Хімія. 1977.