Эпоксиды (оксираны, a -оксиды) – циклические простые эфиры, содержащие атом кислорода в трехчленном цикле.

Получение

1. Окисление алкенов.
2. Из галогенгидринов путем внутримолекулярного нуклеофильного замещения.

Химические свойства

В отличие от других типов простых эфиров эпоксиды – высокореакционноспособные соединения. Термодинамически неустойчивый трехчленный цикл легко раскрывается под действием нуклеофильных регентов.

Предполагают, что эпоксиды образуются в качестве промежуточных продуктов ферментативного окисления кислородом двойных связей углерод-углерод. Дальнейшие их превращения приводят к введению гидроксильной группы в природные соединения.

этилена окись, этиленоксид, оксиран,

Простейший представитель эпоксидов (циклических простых эфиров с a-окисным трёхчленным кольцом), бесцветный газ с эфирным запахом; Этилена окись хорошо растворима в воде, спирте, эфире и многих других органических растворителях; легко воспламеняется; образует с воздухом взрывоопасные смеси. Химические свойства этилена окиси определяются наличием напряжённого и вследствие этого сравнительно легко размыкающегося (под действием высокой температуры и различных химических реагентов) эпоксидного цикла. Так, при нагревании до 400°С (в присутствии Al 2 O 3 - при 150-300°С) этилена окись изомеризуется в ацетальдегид; гидрирование этилена окиси (над никелем при 80°С) приводит к этиловому спирту.

Строение, получение карбонильных соединений. Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе; кислотный и основной катализ. Реакции карбонильных соединений с криптооснованиями. Енолизация карбонильных соединений. Реакции карбонильных соединений, протекающие через стадию енолизации.

Свойства альдегидов и кетонов определяются строением карбонильной группы >C=O.

Атомы углерода и кислорода в карбонильной группе находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Углерод своими sp 2 -гибридными орбиталями образует 3 s-связи (одна из них - связь С–О), которые располагаются в одной плоскости под углом около 120° друг к другу. Одна из трех sp 2 -орбиталей кислорода участвует в s-связи С–О, две другие содержат неподеленнные электронные пары.

p-Связь образована р -электронами атомов углерода и кислорода.

Связь С=О сильно полярна. Ее дипольный момент (2,6-2,8D) значительно выше, чем у связи С–О в спиртах. Электроны кратной связи С=О, в особенности более подвижные p-электроны, смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда. Карбонильный углерод приобретает частичный положительный заряд.

Поэтому углерод подвергается атаке нуклеофильными реагентами, а кислород -электрофильными, в том числе Н + .

В молекулах альдегидов и кетонов отсутствуют атомы водорода, способные к образованию водородных связей. Поэтому их температуры кипения ниже, чем у соответствующих спиртов. Метаналь (формальдегид) - газ, альдегиды С 2 –C 5 и кетоны С 3 –С 4 - жидкости, высшие - твердые вещества. Низшие гомологи растворимы в воде, благодаря образованию водородных связей между атомами водорода молекул воды и карбонильными атомами кислорода. С увеличением углеводородного радикала растворимость в воде падает.

Изомерия кетонов связана со строением радикалов и с положением карбонильной группы в углеродной цепи. Кетоны часто называют по наименованию радикалов, связанных с карбонильной группой, или по систематической номенклатуре: к названию предельного углеводорода добавляют суффикс -он и указывают номер атома углерода, связанного с карбонильным кислородом. Нумерацию начинают с ближайшего к кетонной группе конца цепи. В молекуле кетона радикалы могут быть одинаковыми или разными. Поэтому кетоны, как и простые эфиры, делятся на симметричные и смешанные.
Способы получения .
1. Окисление или окислительное дегидрирование спиртов

1. Озонолиз алкенов

1. Окисление алкенов Pb(OOCCH 3) 4 и KIO 4

1. Каталитическое окисление алкенов в присутствии комплексов палладия

важнейшие способы получения простых эфиров связаны с нуклеофильными реакциями спиртов и их производных (алкоголятов) - гл. 3.3.3.1 и 3.2.2.1. Этими способами являются:

Межмолекулярная дегидратация спиртов:

2 R -ОН  R - O - R

Однако такой способ в наибольшей степени подходит для получения симметричных эфиров, так как при попытке получить смешанный эфир ROR  из спиртов R -ОН и R -ОН в реакционной смеси будут обнаружены значительные количества примесей эфиров состава ROR и R О R .

Реакция Вильямсона - способ, пригодный для получения как симметричных, так и смешанных эфиров:

R-X + R -O ¯Na +  R-O-R  + NaX

Для получения метилалкиловых эфиров применяют метилирование спиртов, для чего используется диметилсульфат (гл. 3.5.1) или диазометан.

R- ОН + (С H 3 ) 2 SO 4 + NaOH  R-O-CH 3 + NaCH 3 SO 4 + H 2 O

диметилсульфат

диазометан

3.4.4. Циклические простые эфиры

Циклические простые эфиры содержат внутримолекулярную эфирную связь и по структуре представляют собой гетероциклические кислородсодержащие соединения. Они могут быть классифицированы в зависимости от размера цикла и числа кислородных атомов. Для названия циклических простых эфиров применяются заместительная, радикало-функциональная, заменительная номенклатуры (гл. 1.5) и номенклатура гетероциклических соединений. При этом для полиэфиров, т. е. для соединений, содержащих несколько атомов кислорода, применяются как заменительная номенклатура (гл. 1.5.3), так и номенклатура гетероциклических соединений (гл. 12.1).

По заместительной номенклатуре используется неотделяемая приставка эпокси - с указанием цифровыми локантами атомов углерода, связанных с кислородным мостиком.

По радикало-функциональной номенклатуре к названию двухвалентного углеводородного радикала, связанного с кислородным атомом, прибавляют используемое здесь название функционального класса «оксид».

Основой названия по заменительной номенклатуре является циклический углеводород (гл. 8.1) и используется заменительная приставка окса -.

По номенклатуре гетероциклических соединений название первого представителя циклических простых эфиров оксиран .

Примеры циклических простых моноэфиров и их названий:

1,2-эпоксиэтан, 1,2-эпоксибутан, 1,4-эпоксибутан,

этиленоксид, бутиленоксид, тетраметиленоксид,

оксиран этилоксиран тетрагидрофуран

3.4.4.1. Особенности строения и свойств 1,2-эпоксисоединений (оксиранов)

Эпоксиэтан представляет собой почти правильный треугольник со значительно деформированными валентными углами ( 60), сильно отличающимися от углов в обычных простых эфирах. Напомним, что в диалкиловых эфирах СОС составляет 109-112, а валентные углы насыщенного атома углерода также близки к 109.

Химические свойства оксиранов определяются наличием в молекуле полярных связей С–О , атома кислорода с неподелёнными парами электронов и угловым напряжением в трёхчленном цикле. Принципиальное отличие их превращений лишь в том, что реакции, характерные для простых эфиров, здесь протекают легко и сопровождаются раскрытием цикла, т.е. образуются продукты присоединения.

Реакции могут протекать и со слабыми нуклеофилами без катализатора, например с водой, но при повышенной температуре; с сильными нуклеофилами (амины, металлорганические соединения) взаимодействие протекает легко:

Кислотный катализ значительно увеличивает реакционную способность эпоксидов за счёт увеличения полярности связи С–О в исходном субстрате:

настолько, что присоединение воды и спиртов протекает легко.

В тех случаях, когда R и R  являются разными углеводородными радикалами, направление расщепления эпоксидного цикла определяется механизмом реакции. Если механизм бимолекулярный, то нуклеофил атакует менее экранированный (замещённый) атом углерода. Если же в присутствии кислот может образоваться стабилизированный карбокатион, то реакция протекает по мономолекулярному механизму, первой стадией которой является разрыв одной из С–О -связей субстрата, и нуклеофил затем присоединяется по карбокатионному центру. Например:

Кислоты Льюиса в безводных средах вызывают димеризацию, олигомеризацию и полимеризацию 1,2-эпоксисоединений:

3.4.4.2. Способы получения 1,2-эпоксисоединений

Оксираны можно получить внутримолекулярным алкилированием -галогенозамещённых спиртов (галогенгидринов) и прямым окислением алкенов.

Кислотные свойства галогенгидринов повышены вследствие акцепторного влияния галогена, и в присутствии сильных оснований происходит образование аниона, в котором протекает нуклеофильное замещение:

Прямое окисление алкенов протекает по схеме:

Например, эпоксиэтан образуется при окислении этена кислородом воздуха на серебряном катализаторе при 520 К :

Эта реакция имеет большое промышленное значение. Мировое производство этиленоксида составляет 5 млн т в год.

Эпоксипроизводные других алкенов можно получить применением органических пероксикислот (RCOOOH ) - реакция Прилежаева * (гл. 4.1.4.3, 6.4.6).

3.4. 4 .3. Краун-эфиры

Краун-эфиры - циклические полиэфиры, содержащие 9-60 атомов в цикле, в том числе от 3 до 20 эфирных атомов кислорода. Они открыты Чарльзом Педерсеном в 1960-х годах, за что ему в 1987 году (совместно с Дональдом Крамом и Жан-Мари Лёном) была присуждена Нобелевская премия.

Эти макроэфиры представляют собой бесцветные кристаллические или маслообразные вещества, устойчивые к действию кислот и оснований.

Ч. Педерсеном была предложена также и номенклатура краун-эфиров, общие правила которой заключаются в следующем. Название краун-эфира включает: 1) общее число атомов макроцикла, 2) термин «краун», 3) число атомов кислорода, то есть число эфирных звеньев в кольце краун-соединения. Имеющиеся в этой молекуле ароматические или циклогексановые кольца обозначают приставками бензо - и циклогексил -. Например:

дибензо-18-краун-6

Эти номенклатурные правила не всегда точно могут описать тип связей в соединении и положение заместителей, однако они очень удобны для обычных краун-эфиров с симметричными и сравнительно простыми структурами.

Самое важное свойство краун-эфиров - образование комплексов с металлами. Полость внутренней части, например, такой молекулы:

достаточна по размеру для того, чтобы там разместился ион калия, а наличие шести атомов кислорода обеспечивает возможность образования прочной системы координационных связей:

Чем ближе ионный диаметр металла к диаметру полости макроцикла, тем устойчивее комплекс. Так, 18-краун-6 больше подходит для ионов калия, а 15-краун-5 - для ионов натрия. Поэтому комплексы такого типа достаточно хорошо растворимы в органических растворителях.

В общем случае наличие полости в центре макроциклической полиэфирной системы обусловливает способность таких соединений поглощать неорганический катион, размер которого соответствует размеру этой полости, и удерживать его там за счёт сильных ион-дипольных взаимодействий положительного заряда иона с неподелёнными электронными парами шести атомов кислорода, обрамляющих полость.

Применение краун-эфиров в органических реакциях связано с образованием таких катионных комплексов, что делает возможным растворение неорганических солей в неполярных растворителях и способствует образованию несольватированного аниона. Это приводит к возрастанию основности аниона и, кроме того, за счёт малого размера несольватированный анион в качестве нуклеофила способен атаковать пространственно затруднённые реакционные центры.

В определённой степени краун-эфиры моделируют действие некоторых природных веществ (например, антибиотика пептидной природы валиномицина), облегчающих транспорт ионов через клеточные мембраны.

Синтезируют краун-эфиры алкилированием этиленгликоля, диэтиленгликоля НОСН 2 СН 2 ОСН 2 СН 2 ОН , триэтиленгликоля НО C Н 2 СН 2 ОСН 2 СН 2 ОСН 2 СН 2 ОН подходящими реагентами, например, 2,2-дихлордиэтиловым эфиром O (CH 2 CH 2 Cl ) 2 .

Если группы R и R" в простом эфире одинаковы, то его называют симметричным, если разные – несимметричным. В название эфира включают названия органических групп, упоминая их в алфавитном порядке, и добавляют слово эфир, например, C 2 H 5 OC 3 H 7 – пропилэтиловый эфир. Для симметричных эфиров перед названием органической группы вводят приставку «ди», например, C 2 H 5 OC 2 H 5 – диэтиловый эфир. Для многих эфиров часто используют тривиальные (упрощенные) названия, сложившиеся исторически. К простым эфирам иногда относят соединения, которые содержат эфирный фрагмент С–О–С в составе циклической молекулы (рис. 1), одновременно их причисляют к другому классу соединений – гетероциклическим соединениям. Есть также соединения (см. АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ), в состав которых входит фрагмент С–О–С, но к классу эфиров их не относят, это полуацетали – соединения, содержащие одновременно алкокси- и гидрокси-группу у одного атома углерода: >C(OH)OR, а также ацетали – соединения, где у одного атома углерода находятся одновременно две RО-группы: >C(OR) 2 (рис. 1). Наличие у одного атома углерода сразу двух химически связанных атомов О делает эти соединения непохожими по химическим свойствам на простые эфиры.

Рис. 1. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ , содержащие эфирный фрагмент в составе циклической молекулы (чаще такие соединения относят к гетероциклическим), а также полуацетали и ацетали, содержащие эфирный фрагмент, но не относящиеся к классу простых эфиров.

Химические свойства простых эфиров.

Простые эфиры представляют собой бесцветные жидкости с характерным (так называемым эфирным) запахом, практически не смешиваются с водой и неограниченно смешиваются с большинством органических растворителей. В сравнении со спиртами и альдегидами простые эфиры химически менее активны, например, они устойчивы к действию щелочей и щелочных металлов (металлический Na применяют даже для удаления следов воды из эфиров). В отличие от щелочей, кислоты расщепляют эфирный фрагмент, для этого чаще применяют галоидоводороды, особенно эффективен HI. При комнатной температуре образуется и спирт, и йодистый алкил (рис. 2А), а при нагревании – йодистый алкил и вода (рис.2А), т.е. реакция протекает более глубоко. Простые эфиры, содержащие ароматические циклы, более устойчивы к расщеплению, для них возможна только стадия, аналогичная А, образуется фенол, а йод к ароматическому ядру не присоединяется (рис. 2В).

Рис. 2. РАСЩЕПЛЕНИЕ ЭФИРНОГО ФРАГМЕНТА при действии HI

Атом кислорода в эфирном фрагменте содержит свободную электронную пару С–Ö–C , благодаря этому эфиры оказываются способными присоединять различные нейтральные молекулы, склонные к образованию донорно-акцепторных связей, атом кислорода дает для образования связи электронную пару (донор), роль акцептора, принимающего эту пару, играет присоединяющаяся молекула или ион (см . АМИНЫ). В результате возникают комплексные соединения (рис. 3).

Рис. 3. ОБРАЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧАСТИЕМ ПРОСТЫХ ЭФИРОВ

В присутствии кислорода воздуха на свету эфиры частично окисляются с образованием перекисных соединений R–O–O–R", которые способны взрываться даже при слабом нагреве, поэтому, приступая к перегонке эфира, его предварительно обрабатывают восстановителями, разрушающими перекиси, часто вполне достаточно хранить эфир над металлическим Na.

Получение простых эфиров.

Наиболее удобный способ – взаимодействие алкоголятов щелочных металлов R"ONa с алкилгалогенидами RHal, таким методом можно получать как симметричные (рис. 4А), так и несимметричные простые эфиры (рис. 4Б). В промышленности симметричные простые эфиры получают дегидратацией (отщеплением воды) спиртов с помощью серной кислоты (рис. 4В), этот метод позволяет получать эфиры, у которых в органической группе R не более 5 атомов С.

Рис. 4. ПОЛУЧЕНИЕ ПРОСТЫХ ЭФИРОВ

Применение простых эфиров

определяется, в основном, тем, что они очень хорошо растворяют многие жиры, смолы и лаки. Наиболее широко используют ДИЭТИЛОВЫЙ ЭФИР (С 2 Н 5) 2 О, техническое название – «серный эфир», поскольку его получают в присутствии серной кислоты (рис. 4В). Помимо применения в качестве растворителя, а также в роли реакционной среды при проведении различных органических синтезов его используют и для экстрагирования (извлечения) некоторых органических веществ, например, спиртов, из водных растворов, поскольку сам эфир очень мало растворим в воде. В медицине серный эфир применяют для наркоза.

Диизопропиловый эфир (СН 3) 2 СНОСН(СН 3) 2 используют как растворитель и как добавку к моторному топливу для повышения октанового числа.

Анизол С 6 Н 5 ОСН 3 (рис. 4) и ФЕНЕТОЛ С 6 Н 5 ОС 2 Н 5 (рис. 3) используют в качестве промежуточных продуктов при получении красителей, лекарств и душистых веществ.

Дифениловый эфир (дифенилоксид) (С 6 Н 5) 2 О из-за высокой температуры кипения (259,3° С) и химической устойчивости применяют как теплоноситель. Чтобы при остывании до комнатной температуры он не переходил в твердое состояние (его т. пл. 28–29° С), в него добавляют дифенил (С 6 Н 5) 2 . Такая смесь, называемая в технике даутермом, может работать как теплоноситель в широком диапазоне температур.

Диоксан, циклический эфир (СН 2 СН 2 О) 2 (рис.), по химическим свойствам близок обычным простым эфирам, но в отличие от них неограниченно смешивается с водой и большинством органических растворителей. Растворяет жиры, воски, масла, эфиры, целлюлозы, его широко применяют и как реакционную среду при проведении различных органических синтезов.

Михаил Левицкий

Cтраница 1

Циклические эфиры, получающиеся из у - ксикислот являются - у-лактонами. Пятичленная кольцевая система этих соединений образуется настолько легко, что у оксикислоты часто бывает трудно выделить в свободном состоянии, так как при подкислении щелочного раствора они стремятся снова превратиться в лактоны, даже если выделе-ние проводится при низкой температуре и без избытка минеральной кислоты. Лактоны представляют собой устойчивые нейтральные вещества, но обычно их кольцо может быть раскрыто действием щелочи при нагревании.  

Циклические эфиры являются представителями гетероциклических соединений.  

Циклические эфиры различаются величиной циклов и числом атомов кислорода в цикле.  

Циклические эфиры являются гетероциклическими соединениями, в сравнении с алифатическими эфирами обладают большей растворяющей способностью. Получают гидратацией двухатомных спиртов. Промышленное производство циклических эфиров базируется на отгонке из смесей полигликолей в присутствии концентрированной серной кислоты. К циклическим эфирам относятся 1 4-диоксан, тетрагидрофуран, морфолин.  

Циклические эфиры, например 4-метил - 1 3-диоксан , в присутствии BF3 расщепляются с последующей полимеризацией продуктов расщепления. Природные смолы, такие, как канифоль , при нагревании с BF3 декарбоксили-руются.  

Циклические эфиры, например 4-метил - 1 3-диоксан , в присутствии ВРз расщепляются с последующей полимеризацией продуктов расщепления. Природные смолы, такие, как канифоль , при нагревании с BF3 декарбоксилируются.  

Циклические эфиры (лактоны), точно так же, как лактаны, образуются с легкостью только тогда, когда они содержат пяти - или шестичленное кольцо.  

Циклические эфиры, получающиеся из у 0ксикислот являются у-лактонами, Пятичленная кольцевая система этих соединений образуется настолько легко, что у-оксикислоты часто бывает трудно выделить в свободном состоянии, так как при подкислении щелочного раствора они стремятся снова превратиться в лактоны, даже если выделение проводится при низкой температуре и без избытка минеральной кислоты. Лактоны представляют собой устойчивые нейтральные вещества, но обычно их кольцо может быть раскрыто действием щелочи при нагревании. Вещества этого типа часто образуются при изомеризации ненасыщенных кислот путем нагревания или обработки броми-стоводородной или серной кислотой.  

Циклические эфиры такого типа называют краун-эфирами. В начале названия указывают число звеньев в цикле, в конце - число эфирных атомов кислорода.  

Циклические эфиры являются гетероциклическими соединениями, содержащими кислород (см. стр.  

Циклический эфир (эпоксидное кольцо) образуется вследствие того, что как ОН-группа, так и галоген являются частью одной и той же молекулы.  

Циклические эфиры, которые относятся к ряду гетероциклических соединений, нашли наименьшее применение в качестве растворителей, хотя и обладают более высокой растворяющей способностью, чем алифатические эфиры.  

Циклические эфиры с меньшим числом членов в кольце реагируют при бе низких температурах.  

Циклические эфиры вступают в реакцию с серой, образуя тиоэфиры, взаимодействуют с водой с выделением большого количества тепла. При соприкосновении с концентрированной азотной кислотой циклические эфиры фосфористой кислоты воспламеняются. Одним из наиболее интересных свойств циклических эфиров фосфористой кислоты является их способность реагировать со многими веществами с размыканием кольца.  

Эфиры — это один из видов кислородосодержащих углеводородных соединений. Эфиры делятся на два больших класса: сложные (о них мы расскажем в следующей статье) и простые.

Простые эфиры оказывают на человека наркотическое воздействие, раздражают слизистую органов дыхания и глаз, вызывают головную боль, тошноту, слезотечение; влияют на нервную систему, вызывая сначала возбуждение, потом сонливость и глубокий сон. В организм реактивы попадают, как правило, через органы дыхания. При регулярном воздействии могут служить причиной бронхита, трахеита, пневмонии, снижения уровня гемоглобина, болезней почек и сердечно-сосудистой системы.

Большая часть простых эфиров относится к четвертому классу опасности, и не требуют специальных средств защиты на производстве.

Применение простых эфиров

— Как растворитель в органическом синтезе, экстракции; растворитель для масел, жиров, красок и лаков.
— Антиоксидант при производстве каучуков и резин.
— Необходимый ингредиент при изготовлении высокомолекулярных полимеров.
— Поверхностно-активные вещества (ПАВ) в бытовой химии.
— Средство наркоза в медицине.
— Добавка в топливо для увеличения октанового числа; промежуточный продукт в синтезе лекарств, ароматизаторов, красителей.

На нашем сайте можно купить реактивы , относящиеся к классу простых эфиров, например, . Это циклический простой эфир, один из самых востребованных простых эфиров. Используется как растворитель красок, органических и неорганических масел, солей лития; в качестве стабилизатора хлорных растворителей.