6. Ацилювання

Заміна атома водню аміно- або гідроксогрупи залишком кисневмісної мінеральної, карбонової або сульфокислоти називається ацилюванням.

Метод ацилювання застосовується для двох різних цілей. В одних випадках введена ацильна група зберігається до утворення кінцевого продукту. В інших – ацилювання здійснюється для захисту аміно- або гідроксогрупи зі звільненням їх від ацила після використання ацильованого продукту в яких-небудь реакціях.

Механізм реакції. Ацилювання спиртів (фенолів) і амінів відбувається за механізмом нуклеофільного заміщення. Встановлено, що в цій реакції роль субстратів виконують ацилюючі агенти, а їх взаємодія з нуклеофілами протікає через стадію утворення тетраедричної проміжної сполуки (I):

(де B – OR', NHR'; X – OH, Hal, OCOR, OR).

Реакції, які каталізують кислоти, протікають з утворенням аналогічних проміжних продуктів. Наприклад, у процесі етерифікації реакційноздатною частинкою є сполука (II):

яка, приєднуючи молекулу спирту, утворює комплекс (III) з подальшим відщепленням води:

Катіон IV, регенеруючи каталізатор, утворює молекулу складного ефіру (V):

Ацилюючі агенти. У практиці ацилювання найширше застосування отримали кислоти, серед яких особливе значення мають мурашина, оцтова, щавлева, рідше бензойна. В порівнянні з карбоновими кислотами їх ангідриди є значно більш активними реагентами. Найчастіше застосовуються оцтовий і фталевий ангідриди, а з неорганічних – оксид сірки (VI). Великого значення в реакціях ацилювання набули галогенангідриди, зокрема хлорангідриди: хлористий ацетил СН₃СОС1, хлористий бензоїл C₆H₅COCl і ряд його заміщених, які містять в ядрі нітрогрупи, атоми хлору й інші замісники, а також ізо- і терефталоїлхлориди С₆Н₄(СОС1)₂, хлорсульфонова кислота HSO₃Cl, фосген СОС1₂, хлористий оксаліл (СОС1)₂.

З ефірів значне застосування отримали ефіри -кетокарбонових кислот, наприклад ацетооцтовий ефір СН₃СОСН₂СООС₂Н₅ і його аналоги. Останнім часом застосування знайшов кетен СН₂=СО.

Умови проведення реакція. Вплив будови реагентів. Швидкість реакції ацилювання спиртів і амінів у значній мірі залежить від природи ацилюючого агента. Карбонові кислоти менш реакційноздатні унаслідок того, що карбонільна група, будучи зв'язана з гідроксильною у складі карбоксилу, в значній мірі стабілізується.

Хімічна активність ацилюючого агента збільшується у міру зростання позитивного заряду δ⁺ атома вуглецю, який безпосередньо вступає в зв'язок з нуклеофільним атомом кисню або азоту. Таким чином, за ацилюючою здатністю функціональні похідні карбонових кислот і самі кислоти можна розташувати в такий ряд: галогенангідриди > ангідриди > кислоти > складні ефіри.

Утворення складних ефірів і амідів у реакції ацилювання в значній мірі залежить від нуклеофільності спиртів і амінів. Останні у всіх випадках проявляють більшу реакційну здатність, ніж спирти.

Сильного впливу на процес етерифікації надають просторові чинники. Із збільшенням об'єму радикала в спирті швидкість етерифікації знижується. При переході від первинних спиртів до третинних різко падає також вихід ефірів. Реакційна здатність амінів при ацилюванні, яке правильніше слідувало б називати амідуванням, оскільки в ролі атакуючого нуклеофільного агента виступає амін, росте у міру збільшення їх основності, але падає зі зростанням розгалуженості вуглеводневого радикала. Нуклеофільність ароматичних реагентів збільшується за наявності в ядрі донорних замісників і зменшується під впливом акцепторних.

Співвідношення реагентів. Враховуючи, що реакція етерифікації

ROH + НООС–R  ROOCR' + H₂O

є рівноважною, для того, щоб змістити рівновагу управо, застосовують надлишок однієї з вихідних речовин. При цьому використовують 5 – 10-кратну кількість більш дешевого компоненту – спирту.

При ацилюванні амінів кислотами для повного перетворення їх в аміди застосовують надлишок кислоти і відганяють воду, що утворюється. У разі взаємодії амінів з галогенангідридами і ангідридами кислот (реакції практично необоротні) співвідношення реагентів береться близьким до теоретичного.

Температура реакції. Реакція етерифікації при кімнатній температурі протікає надзвичайно повільно. Наприклад, при змішуванні еквімолярних кількостей етилового спирту і оцтової кислоти для досягнення рівноважних концентрацій потрібно за цих умов майже 16 років, а при 155°С процес закінчується через декілька годин. Для зсуву рівноваги у бік утворення складного ефіру вдаються до відгонки останнього, якщо його температура кипіння не дуже висока. У протилежному випадку зручніше в процесі реакції відганяти воду.

При проведенні реакції амідування з реакційної суміші завжди видаляють воду, оскільки більшість амідів є висококиплячими рідинами або речовинами, що добре кристалізуються.

Каталізатори. Збільшення швидкості реакції етерифікації досягається застосуванням каталізаторів – мінеральних кислот. Найчастіше використовується концентрована сірчана кислота, а також галогеноводні (хлороводень і бромоводень).

Кількість каталізатора може бути різною залежно від природи реагуючих компонентів. Відомо, наприклад, що для добування оцтово-етилового ефіру достатньо додати в реакційну суміш 0,01% сірчаної кислоти.

У реакціях амідування аміни, узяті в надлишку, виконують роль каталізаторів основного характеру. Як нуклеофільні каталізатори застосовують третинні аміни, гетероциклічні азотовмісні сполуки типу піридину, N-алкілімідазолу й ін.

Розчинники. Якщо реагенти є рідкими речовинами, то ацилювання проводять без використання розчинників. У тому випадку, коли одна з реагуючих сполук є твердою речовиною, реакцію ведуть в надлишку другого компоненту.

Іноді для здійснення азеотропної відгонки води додають хлороформ, чотирихлористий вуглець, бензол і т.п. Якщо ж і субстрат, і нуклеофільний агент – тверді речовини, то реакцію проводять в діоксані, бензолі й інших розчинниках, які не вступають у взаємодію з ацилюючим агентом.

Запобіжні засоби. При добуванні низькокиплячих ефірів синтез необхідно проводити на водяній бані при повній відсутності джерел відкритого вогню.

Ідентифікація. Ідентифікацію ацильованих сполук можна проводити за смугами поглинання карбонільних, сульфоксидних й інших аналогічних груп введених ацилів в ІЧ-спектрах, а також за хімічними зсувами протонів, які входять до складу ацильних груп, або протонів, що залишилися після ацилювання при атомах азоту або вуглецю, в спектрах ЯМР.