Hydroksykwasy i laktony, czyli reakcje wewnątrzcząsteczkowe

1. Hydroksykwasy

Tak naprawdę to nie hydroksykwasy czy laktony będą głównym tematem tego postu, a reakcje wewnątrzcząsteczkowe. To bez wątpienia najtrudniejszy rodzaj reakcji, który z tego samego powodu dominuje na Olimpiadzie Chemicznej. W rzeczywistości dzisiaj nie pojawi się nic nowego, musimy tylko umiejętnie i na spokojnie podejść do tematu!

W każdym razie hydroksykwasy to jedne z nielicznych związków wielofunkcyjnych, które poznamy na maturze, aczkolwiek właśnie wchodzimy w te zakamarki chemii organicznej, także czas się przyzwyczajać. Związki wielofunkcyjne to nic innego jak związki, które mają więcej niż jedną grupę funkcyjną.

Nietrudno się zatem domyśleć, że hydroksykwasy to połączenie alkoholu (hydroksy) z kwasem karboksylowym. Tak samo aminokwasy będą połączeniem amin (amino) z kwasami karboksylowymi. Za chwilę poznamy także cukry, które będą połączeniem aldehydu/ketonu z alkoholem.

Ogólnie związki tego typu (na maturze) są naprawdę proste, bo będą po prostu reagowały tak samo jak związki, które miałyby tylko jedną grupę. Hydroksykwasy będą zatem reagować tak samo jak alkohole i kwasy karboksylowe.

Hydroksykwasy to po prostu połączenie alkohol + kwas karboksylowy

Powyżej mamy jeden bardzo ważny hydroksykwas, który musisz znać, czyli kwas mlekowy, ale na spokojnie, bo znajduje się on w tablicach maturalnych.  Powstaje podczas spalania glukozy przy niedoborze tlenu (fermentacja mlekowa).

C6H12O6 ⟶ 2CH3CH(OH)COOH 

Takim drugim ważnym hydroksykwasem jest kwas salicylowy, z którego łatwo można otrzymać aspirynę, a więc pewnie dobrze znany Ci lek przeciwbólowy i przeciwgorączkowy.

Kwas salicylowy to prekursor aspiryny.

Trzeba niestety także znać dość nietypową syntezę otrzymywania tego nieszczęsnego kwasu salicylowego.

Otrzymywanie kwasu salicylowego, który jest prekursorem aspiryny. Druga reakcja nazywa się karboksylacją, ponieważ przyłącza się grupa karboksylowa.

2. Reakcje hydroksykwasów

Reakcje kwasu mlekowego (hydroksykwasu) nie różnią się niczym od reakcji zwykłych alkoholi czy kwasów karboksylowych. Reakcja z kwasem octowym i metanolem to reakcje estryfikacji !

Reakcje kwasu mlekowego (hydroksykwasu) nie różnią się niczym od reakcji zwykłych alkoholi czy kwasów karboksylowych. Reakcja z kwasem octowym i metanolem to reakcje estryfikacji !

Ale, ale! Mamy tutaj jeden haczyk, że tak się wyrażę! Hydroksykwas składa się z alkoholu oraz kwasu karboksylowego. A przecież te dwie grupy mogą reagować same ze sobą tworząc estry!

Weźmy taki najprostszy hydroksykwas (kwas hydroksyoctowy[1]) i połączmy go samego ze sobą!

Połączenie ze sobą dwóch takich samych cząsteczek hydroksykwasu :

W sumie nic nie stoi na przeszkodzie, aby dołączyć trzecią taką cząsteczkę:

Możemy dodawać te cząsteczki hydroksykwasu bez końca (i też nie ma znaczenia z której strony i tak wyjdzie na to samo).

I tak dalej, i tak dalej! Na pewno zdążyłeś się zorientować, że powstał nam polimer! Możemy zatem spróbować zapisać ogólny schemat polimeryzacji :

Polimeryzacja hydroksykwasu

Powyższy schemat nie jest łatwy, przyznaję bez bicia. Tutaj być może kusi Cię zostawienie też czerwonego atomu tlenu w polimerze, ale sam zobacz (w ramce kropkowanej), że to błąd, bo wtedy wychodzi wiązanie OーO , które przecież nie istnieje w polimerze. To w ogóle jest ciężki przykład, bo również poprawne byłoby przedstawienie polimeru w taki sposób:

Tutaj polimer można zapisać na dwa różne sposoby !

Powyższy zapis jest nawet bardziej intuicyjny i chyba wygodniejszy, bo widać w nim ewidentnie wiązanie estrowe, które się utworzyło w trakcie reakcji polimeryzacji. Tutaj porównanie dwóch alternatywnych sposobów zapisu polimeru :

Porównanie dwóch alternatywnych sposobów zapisu polimeru

W tym przypadku reakcję tą można zaklasyfikować jako polikondensację. Skąd się bierze początek ,,poli−” to wiadomo, natomiast jest to reakcja kondensacji, ponieważ towarzyszy jej wydzielanie cząsteczki wody (nie zaznaczane na schematach, ale pamiętasz przecież, że w estryfikacji wydzielało się właśnie H2O).

3. Reakcje wewnątrzcząsteczkowe

Kluczem do ogarnięcia reakcji wewnątrzcząsteczkowych (ładnie powiedziane : intramolekularnych) jest odpowiednie podejście. Podążaj za tymi wskazówkami :

Znajdź grupy funkcyjne, które będą ze sobą reagować (np. ーOH oraz ーCOOH) i tak przerysuj cząsteczkę, aby je do siebie zbliżyć, a także narysuj pełne wzory strukturalne właśnie w tych grupach.

➦ Najpierw zawsze sobie narysuj brzydko, a potem dopiero przerysuj ładnie. Po to właśnie masz brudnopis!

Tworzenie laktonu, czyli cyklicznego estru niczym nie różni się od tworzenia zwykłego estru, jest to zatem klasyczna reakcja między kwasem karboksylowym a alkoholem.

Jak zapamiętać, który to lakton, a który laktam? Prosta sprawa :

Lakton vs laktam, zawsze się myli, chociaż niepotrzebnie!

Podobnie będzie wyglądała wewnątrzcząsteczkowa reakcja aminokwasu : skoro amina + kwas karboksylowy daje amid, to również tutaj powstanie amid, po prostu cykliczny, co zgodnie z fanaberią chemików zasługuje na inną nazwę (laktam), jednak tu nic nowego się nie dzieje !

Tworzenie laktamu jako kolejny przykład reakcji intramolekularnej

Wracając jeszcze do hydroksykwasów, które są tematem dzisiejszej lekcji, to zauważ, że z nimi również jest możliwa reakcja wewnątrzcząsteczkowa, oprócz wspomnianej wcześniej polimeryzacji !

Dwie cząsteczki hydroksykwasu można jeszcze połączyć ze sobą na dwóch końcach, robiąc estryfikację podwójne i też uzyskując cząsteczkę cykliczną z dwoma wiązaniami estrowymi. W drugim przykładzie użytym hydroksykwasem jest kwas mlekowy.

Również ważnym przykładem reakcji wewnątrzcząsteczkowej może być synteza Wurtza, z której śmialiśmy się już wcześniej.

Wewnątrzcząsteczkowa reakcja Wurtza

[1] Zauważ, że w tym przypadku nie ma potrzeby pisania, że jest to kwas 2−hydroksyoctowy, bo nie ma innej opcji gdzie by indziej przyłączyć to grupę hydroksylową. Ale oczywiście nie byłoby błędem napisanie tego ,,dokładniej”. Również kwas 2−hydroksyetanowy jest poprawnie, a wręcz najbardziej poprawnie (niczym czarny klasyczny garnitur na wesele).

Leave a Reply

%d bloggers like this: