Эстеры (понятие, общие и специфические, применение в медицине, фармации, промышленности)
Определение, общие понятия
Эстеры (сложные эфиры) - это функциональные производные карбоновых или минеральных кислот, в которых гидроксильная группа замещена остатком спирта или фенола (OR). Например, R-ONO2; RCOOR ", где R, R '- алкил, арил, гетерил. Для многоосновных кислот различают полные (средние) и неполные (кислые) эстеры, например. ROSO2OR "и ROSO2OH, ROCOCH2COOR" и ROCOCH2COOH соответственно. Строение эстеров карбоновых кислот можно представить двумя резонансными структурами.
Эфирное группа планарная или близкая к ней, в разных эстерах длина связи С = О ~ 0,131-0,136 нм, валентный угол esteri02.eps 122-126, Estery_2.eps - 113-118 °.
Классификация, свойства
По заместительной номенклатуре IUPAC названия эстеры образуют от названий алкильной или арильной группы гидроксильной составляющей и названия кислоты путем замены окончания ова и слова «кислота» на суффикс - (о) ат, например:
- НСООСН3 - метилметаноат,
- С2Н5ОSO2OH - этилсульфат,
- НОOС (CH2) 2СООСН3 - монометилсукцинат.
Эстеры также называют по спиртовому радикалом и кислотой, добавляя слово «эфир»: метиловый эфир уксусной кислоты. Общеупотребительные и такие названия: алкилформиат, алкилацетат (этилацетат) и др.
Некоторые эстеры имеют специфические названия (например, уретаны). Эстеры низших карбоновых кислот и низкомолекулярных спиртов - бесцветные летучие жидкости, чаще всего с приятным запахом.
Эфиры высших карбоновых кислот - твердые бесцветные вещества, практически без запаха. Ниже эстеры минеральных кислот (алкилсульфиты, алкилсульфаты, алкокси- и арилоксибораты) - маслянистые жидкости с приятным запахом, а начиная с н-нонилсульфату - твердые соединения. Некоторые эфиры существуют в виде полимерных форм (метафосфат). Эстеры, как правило, малорастворяются в воде, легко растворяются в большинстве органических растворителей. Ткип. низших эстеров обычно ниже t кип. соответствующих карбоновых кислот, которые входят в их состав, что связано с отсутствием межмолекулярных водородных связей. Ткип. сульфитов ниже, чем в соответствующих сульфатов.
Эфиры относительно стабильны по нагрева. Эстеры проявляют электрофильный характер, однако он менее выражен по сравнению с галогенангидриды и ангидридами карбоновых кислот. Эфиры реагируют с нуклеофильными реагентами, образуя соответствующую карбоновую кислоту или разнообразные функциональные производные этой кислоты. Наиболее известные реакции с водой (гидролиз), спиртом (алкоголиз или переэтерификация), аммиаком, аминами (аминолиз), гидразин (гидразинолиз). Эстеры гидролизуются как в кислой (минеральные кислоты), так и в щелочной (водные или спиртовые растворы NaOH, KOH, Ba (OH) 2) среде. Щелочной гидролиз называют также омылением. Кислотный гидролиз является обратным процессом, щелочной - практически необратимым.
Эфиры гидролизуются также под действием ферментов - гидролаз, например. ацетилхолин - ацетилхолинэстеразы (АХЭ):
Взаимодействие с алкоксидами
Взаимодействие с алкоксидами в растворе соответствующего спирта или со спиртами в присутствии кислотного катализатора (H2SO4, HCl сухой) обуславливает обмен алкильных групп эстеров (переэтерификация или алкоголиз).
При взаимодействии эфиров с аммиаком и аминами получают соответственно амиды RCONH2 и N-замещены амиды RCONHR ", RCONR'R '(Kt - NH4Cl или CH3OK). Особенно легко происходит внутримолекулярный аминолиза, например. аминоестеры циклизуються при комнатной температуре, образуя пирролидон.
С NH2OH эстеры образуют гидроксамовые кислоты RCONHOH, с гидразином - гидразиды RCONHNH2, с карбоновыми кислотами и ацеталями (в присутствии минеральных кислот) происходит обменная реакция. Взаимодействие эфиров с реактивом Гриньяра и другими металлоорганических соединений приводит к образованию третичных (в случае формиатов - вторичных) спиртов. Эстеры минеральных и фторзамещенных карбоновых кислот используют как алкилирующие вещества, что связано с повышенной устойчивостью анионов кислот. Средние эфиры серной кислоты имеют большую реакционную способность, чем алкилсульфатной.
При наличии подвижных атомов водорода в α-положении к карбоксильной группы эстеры вступают в ряд реакций конденсации с образованием углерод-углеродной связи. Это взаимодействие с альдегидами, реакции Кневенагеля и Манниха и др. В присутствии NaNH2 или алкоксиды металлов эфиры способны конденсироваться с образованием. β-кетокислоты (конденсация Кляйзена). Сложноэфирной конденсации применяется для промышленного получения ацетоуксусного эфира. Диэстеры двухосновных кислот подвергаются внутримолекулярной конденсации (реакция Дикмана). При воздействии мелкодисперсного натрия в инертной атмосфере эстеры реагируют с образованием α-гидроксикетонов (ацилоинов).
Эфиры устойчивы к действию окислителей. Их восстановление (Na в C2H5OH, LiAlH4, AlH3 и другие) приводит к альдегидов и далее - к первичному спирта. Каталитическое гидрирование Э. (Kt - хромат (iii) меди, T = 200-300, Р 10-30 МПа) является промышленным способом получения спиртов. При T> 300 ° С Е. разлагаются, образуя алкены и кислоты. Основным продуктом при пиролизе метиловых эфиров жирных кислот является формальдегид: RCOOCH3> CH2O + RCOOH. А пиролиз эстеров жирных кислот в присутствии некоторых металлов (Mg, Zn) вызывает образование кетонов.
Для получения эстеров широко применяют этерификацию - взаимодействие кислоты и спирта. Эта реакция является обратимой, на скорость достижения предела этерификации влияют температура и катализаторы (кислоты, ангидриды, кислые соли и кислые катионообменные смолы).
Проще этерифицируются первичные спирты, самое трудное - третичные. Лактоны (циклические н.э.) очень легко образуются при внутримолекулярной этерификации γ- и δ-гидроксикарбонових кислот.
Эстеры могут быть получены ацилированием спиртов и фенолов ангидридами или галогенангидриды кислот, а также кетены. Эфиры получают каталитическим алкилированием кислот или их солей алкилгалогенидами, алкенами, диазосоединений и тому подобное. Распространенным способом получения эстеров является переэтерификация: взаимодействие эфиров со спиртами, карбоновыми кислотами или другими эстерами в присутствии алкоголятов, щелочей, HCl, BF3, солей некоторых металлов. Метод используют при невозможности синтеза эстеров реакцией этерификации, например, виниловые и изопропиловый эфир. высоких кислот. Эстеры могут быть получены также кислотным алкоголизма нитрилов (Kt - H2SO4, HCl, п-толуолсульфокислоты): альдегидов по реакции Тищенко: окислением альдегидов, кетонов, ацеталей Н2О2 или надкислот (реакция Байера - Виллигера).
эстеры высших дикарбоновых кислот могут быть получены из солей кислых эфиров. дикарбоновых кислот по условиям электрохимического синтеза Кольбе: 2ROOC (CH2) nCOONa ROOC (CH2) 2nCOOR.
Эфиры серной и фосфорной кислот получают окислением соответствующих сульфитов и фосфатов.
Применение в медицине и фармации
Эстеры широко представлены в природе среди таких классов соединений, как жиры, масла, воски, которые входят в состав биомембран клеток; в растительном мире - это составляющая эфирных масел (которые обусловливают их приятный запах) и растительных жиров, танинов.
Из лишайников можно выделить эстеры ароматических карбоновых кислот и фенолов, которые называют депсидами.
Микроорганизмы производят множество соединений, содержащих эфирные связи, например, эритромицин, динактин, важных благодаря их бактерицидным свойствам. Существуют природные эстеры с инсектицидными свойствами - это пиретрины, содержащиеся в Chrysanthemum cinerariaefolium. Эфиры серной кислоты являются структурными элементами полисахаридов соединительной ткани (хондроитинсульфат).
Эстеры холина и уксусной кислоты является ацетилхолин - наиболее распространенный посредник при передаче нервного возбуждения в нервных тканях (нейромедиатор). Эстеры применяют как лекарственные препараты:
- нитроглицерин, пентаэритритила тетранитрат - нитровазодилататоры;
- бусульфан - спазмолитик;
- бензокаин, прокаин - местные анестетики.
Кроме того, эфиры являются исходными соединениями в производстве многих фармацевтических препаратов (например, производных салициловой кислоты - метилсалицилата, фенилсалицилата, ацетилсалициловой кислоты).
Эстеры используют как вспомогательные вещества для фармацевтической промышленности (эмульгаторы, эмульсионные мазевые основы, загустители и т.п.). Этилацетат является растворителем для лекарственных форм прогестерона, эстрадиола, тестостерона пропионата.
Применение в промышленности
Техническое использования эфиров очень разнообразна. В промышленном органическом синтезе их применяют в качестве промежуточных продуктов многих производств эстеров серной кислоты - алкилувальные реагенты, некоторые соли эстеров серной кислоты используют для придания огнестойкости бумаги. Эфиры фосфорных кислот является инсектицидами, флотореагент, пластификаторами, присадками к маслам.
Ниже эстеры карбоновых кислот, которые имеют приятный фруктовый запах, используют в парфюмерии и пищевой промышленности для получения эссенций (этилформиат - ромовый, этилбутират - ананасовый, изоамилбутират - грушевой, алкилизовалериат - яблочный, с бензилацетат - жасминовой, с н- октилацетат - апельсиновой), а также как растворители и экстрагенты. На основе полиэфиров полифункциональных кислот (главным образом фталевых) и многоатомных спиртов производятся многочисленные смолы и синтетические волокна. Ненасыщенные эстеры (например, метилметакрилат) используют для производства органического стекла.
Литература
- Жогло Ф., Возняк В., Попович В., Богдан Я. Вспомогательные вещества и их применение в технологии лекарственных форм. - Львов, 1996;
- Нейланд А.Я. Органическая химия. - М., 1990;
- Общая органическая химия: В 12 т. / Под общ. ред. Д. Бартона и У.Д. Оллис. - Т. 4. Карбоновые кислоты и их производные. Соединения фосфора / Под ред. О.И. Сазерленда. - М., 1983;
- Эппликвист Д., где Пюи Ч., Райнхарт К. Введение в органическую химию. - М., 1985.