Получение ангидридов карбоновых кислот: методы синтеза

Ангидриды карбоновых кислот - реактивные ацилирующие агенты, которые широко применяют в органическом синтезе: от получения сложных эфиров и амидов до синтеза лекарственных веществ и полимеров. Знать, каким способом получить конкретный ангидрид, - значит уметь выбрать метод под нужный субстрат, температуру и требуемый выход. Ниже разберём четыре основных пути к ангидридам и сравним их прямо в интерактивном калькуляторе.

Строение и номенклатура ангидридов

Ангидрид карбоновой кислоты - соединение общей формулы (RCO)$_2$O, в котором два ацильных остатка связаны через атом кислорода. Название образуется добавлением слова «ангидрид» к названию кислоты: уксусный ангидрид (CH$_3$CO)$_2$O, масляный ангидрид (C$_3$H$_7$CO)$_2$O. Смешанные ангидриды содержат два разных ацильных остатка - их называют по обеим кислотам: уксусно-бензойный ангидрид (CH$_3$CO)(C$_6$H$_5$CO)O.

С точки зрения строения ангидриды - «дегидратированные» кислоты: молекулу воды как будто вынули между двумя карбоксильными группами. Именно это делает ангидриды реакционноспособными: связь C-O-C нестабильна к нуклеофилам, и атака нуклеофила на карбонил быстро раскрывает молекулу. Реакционная способность ангидридов в реакциях ацилирования выше, чем у сложных эфиров, но ниже, чем у хлорангидридов - это выгодно, когда нужно контролируемое ацилирование без слишком жёстких условий.

Физические свойства простых ангидридов - бесцветные жидкости с резким запахом. Уксусный ангидрид кипит при 140 °C, реагирует с водой с образованием уксусной кислоты, поэтому хранится в герметичных ёмкостях. Ангидриды высших кислот - твёрдые вещества; фталевый ангидрид плавится при 131 °C и применяется в производстве алкидных смол и красителей.

Рассчитать для своей задачи

Прямая дегидратация карбоновых кислот

Самый очевидный путь - нагреть карбоновую кислоту и удалить образующуюся воду:

$2\,\text{RCOOH} \xrightarrow{\Delta,\,-\text{H}_2\text{O}} (\text{RCO})_2\text{O} + \text{H}_2\text{O}$

Реакция эндотермическая: $\Delta H^\circ \approx +20{,}5$ кДж/моль. Константа равновесия при 180 °C невелика (K ~ 0,01), поэтому без принудительного удаления воды равновесный выход не превышает 30-35 %. Для простых кислот (уксусная, масляная) применяют азеотропную перегонку воды с толуолом или работают под вакуумом - это смещает равновесие вправо и поднимает выход до 55-65 %.

На практике прямая дегидратация удобна для муравьиной и некоторых дикарбоновых кислот, у которых ангидридизация идёт внутримолекулярно: янтарная кислота при 200-250 °C образует янтарный ангидрид с выходом более 95 %, поскольку пятичленный цикл образуется легко.

Рассчитать для своей задачи

Получение ангидридов через хлорангидриды

Наиболее универсальный лабораторный метод - двухстадийный синтез через хлорангидрид:

Стадия 1. Кислоту обрабатывают хлорирующим агентом (тионилхлорид SOCl$_2$, пятихлористый фосфор PCl$_5$):

$\text{RCOOH} + \text{SOCl}_2 \rightarrow \text{RCOCl} + \text{SO}_2 + \text{HCl}$

Стадия 2. Хлорангидрид реагирует с солью той же кислоты (реакция Герхардта):

$\text{RCOCl} + \text{RCOONa} \rightarrow (\text{RCO})_2\text{O} + \text{NaCl}$

Выход по этому методу достигает 80-90 %. Реакция на второй стадии идёт при 60-80 °C в присутствии третичного основания (пиридин, триэтиламин), которое нейтрализует выделяющийся HCl и не допускает гидролиза хлорангидрида. Метод применяют для получения ангидридов жирных кислот, ароматических и гетероциклических кислот.

Промышленный метод: кетен

Для производства уксусного ангидрида в промышленных масштабах используют кетен CH$_2$=C=O - высокореакционный кетон-аналог с кумулированными двойными связями:

Пиролиз уксусной кислоты при 700-750 °C в присутствии катализатора (триэтилфосфат):

$\text{CH}_3\text{COOH} \xrightarrow{700\,°C} \text{CH}_2{=}\text{C}{=}\text{O} + \text{H}_2\text{O}$

Присоединение кетена к уксусной или другой карбоновой кислоте:

$\text{CH}_2{=}\text{C}{=}\text{O} + \text{RCOOH} \rightarrow (\text{CH}_3\text{CO})(\text{RCO})\text{O}$

При R = CH$_3$ получается уксусный ангидрид с выходом 90-95 %. Метод требует специального реактора для работы при 700 °C, но отличается высокой производительностью - именно так производится большая часть промышленного уксусного ангидрида (мировое производство более 2,5 млн тонн/год).

Реакция обмена с уксусным ангидридом

Для получения ангидридов других кислот удобно использовать готовый уксусный ангидрид как ацилирующий агент:

$\text{RCOOH} + (\text{CH}_3\text{CO})_2\text{O} \xrightarrow{120\text{-}150\,°C} \frac{1}{2}\,(\text{RCO})_2\text{O} + \text{CH}_3\text{COOH}$

Движущая сила реакции - отгонка уксусной кислоты (т. кип. 118 °C), которая смещает равновесие в сторону продукта. Выход составляет 70-85 %. Этот метод особенно ценен для субстратов с термолабильными функциональными группами, поскольку проводится при умеренных температурах. Именно так получают ангидриды ароматических кислот - например, фталевый ангидрид из фталевой кислоты.

Важный практический момент: при реакции RCOOH с уксусным ангидридом сначала образуется смешанный ангидрид RC(O)OC(O)CH$_3$. Затем молекулы смешанного ангидрида диспропорционируют с образованием симметричного (RCO)$_2$O и уксусного ангидрида. Диспропорционирование катализируется кислотой и ускоряется при нагреве. Если нужен именно смешанный ангидрид (а не симметричный), реакцию останавливают раньше при низкой температуре.

Кислотный катализ (каталитические количества H$_2$SO$_4$ или п-толуолсульфокислоты) существенно ускоряет реакцию, позволяя снизить температуру до 80-100 °C и уменьшить деструкцию термолабильных групп.

Рассчитать для своей задачи

Ангидриды дикарбоновых кислот: внутримолекулярная дегидратация

Дикарбоновые кислоты с соседними карбоксильными группами (янтарная, малеиновая, фталевая) образуют циклические ангидриды при нагревании без дегидратирующих агентов - за счёт благоприятной геометрии:

$\text{HOOC}(\text{CH}_2)_2\text{COOH} \xrightarrow{200\,°C} \text{янтарный ангидрид} + \text{H}_2\text{O}$

Пятичленное и шестичленное кольца образуются легко (выход 90-97 %). Семичленные циклические ангидриды получают с заметно меньшим выходом. Ациклические ангидриды дикарбоновых кислот (адипиновая, пробковая) получают теми же методами, что и моновалентные аналоги.

Частые ошибки

• Путаница знака энтальпии. Прямая дегидратация эндотермична ($\Delta H^\circ > 0$), поэтому нагрев смещает равновесие вправо. Экзотермические реакции через хлорангидрид и уксусный ангидрид протекают при умеренных температурах.
• Забытый сдвиг равновесия. При прямой дегидратации без удаления воды равновесный выход ограничен K$_{eq}$. Не стоит ожидать выхода выше 35 % без азеотропной отгонки или вакуума.
• Смешение смешанного и симметричного ангидридов. При реакции RCOOH с уксусным ангидридом образуется смешанный ангидрид RC(O)OC(O)CH$_3$, а не симметричный (RCO)$_2$O - это разные соединения с разной реакционной способностью.
• Гидролиз хлорангидрида при синтезе. Если не использовать основание и влажный растворитель, хлорангидрид гидролизуется обратно в кислоту, снижая выход ангидрида. Работают в безводном растворителе (CH$_2$Cl$_2$, THF).
• Температура пиролиза кетена. Кетен образуется при 700 °C, но при комнатной температуре сам реагирует с уксусной кислотой. В задачах на расчёт выхода нужно учитывать обе стадии.

FAQ

Почему нельзя получить ангидрид просто нагреванием уксусной кислоты без катализатора? Равновесие прямой дегидратации при 180 °C составляет K ~ 0,01 - это означает, что в равновесной смеси лишь ~9 % кислоты превращается в ангидрид. Катализаторы и удаление воды нужны именно для сдвига этого равновесия; без них большая часть кислоты остаётся непрореагировавшей.

Чем кетеновый метод лучше метода через хлорангидрид для промышленного производства? Кетеновый метод даёт выход 92-95 % за один непрерывный процесс и не образует солей NaCl как побочного продукта. Недостаток - необходимость работы при 700 °C и опасность кетена (токсичен, взрывоопасен). В лаборатории удобнее метод через хлорангидрид - он не требует специального оборудования.

Можно ли по реакции с уксусным ангидридом получить ангидрид бензойной кислоты? Да, но выход умеренный (65-75 %), поскольку уксусная кислота (т. кип. 118 °C) и бензойная (т. кип. 249 °C) испаряются с разной скоростью, и управлять равновесием сложнее. Для хорошего выхода бензойный ангидрид получают методом через хлорангидрид (бензоилхлорид + бензоат натрия, выход 85-90 %).

Коротко

Ангидриды карбоновых кислот получают четырьмя основными методами: прямой дегидратацией (низкий выход, нужно удалять воду), через хлорангидрид (80-90 %, универсально), через кетен (92-95 %, промышленный масштаб) и обменом с уксусным ангидридом (70-85 %, мягкие условия). Для дикарбоновых кислот с близкими карбоксилами работает внутримолекулярная дегидратация с выходом до 97 %. Выбор метода зависит от доступности реагентов, термостабильности субстрата и нужного выхода.