Большая энциклопедия нефти и газа. Простые эфиры: свойства, получение, применение

Простые эфиры можно рассматривать как производные спиртов и фенолов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещен угле­водородным остатком. Общая формула простого эфира R –О– R 1 . В тех случаях, когда с атомом кислорода связаны различные углеводородные остатки, простой эфир называют смешанным, одинаковые остатки – симметричным. В зависимости от природы углеводородного радикада простые эфиры подразделяются на:

простые эфиры с открытой цепью;

циклические;

насыщенные;

ненасыщенные;

ароматические и т. д.

По названиям углеводородных остатков составляют название простого эфира. Примеры простых эфиров и их названий приведены в таблице 14.

Таблица 14 – Классификация и номенклатура простых эфиров

Способы получения простых эфиров

Реакция галогенопроизводных углеводородов с алкоголятами – реакция Вильямсона. В качестве алкилирующих средств в этом синтезе могут быть использованы алкилгалогениды и диалкилсульфаты. Вследствие возможного протекания конкурирующей реакции элиминирования этот способ более пригоден для первичных субстратов и практически не используется для третичных:

Дегидратация спиртов под влиянием кислот. Метод для получения симметричных простых эфиров из первичных спиртов или смешанных эфиров из первичного и третичного спиртов:

Присоединение спиртов к алкинам приводит к образованию виниловых эфиров:

4. Окисление алкенов. Мягкое окисление алкенов надкислотами или кислородом в присутствии серебряного катализатора приводит к образованию трехчленных циклических простых эфиров – оксиранов (эпоксидов) (часть 1, глава 8.2).

Физические свойства простых эфиров. Неспособность молекул простых эфиров образовывать водородные связи делает эти соединения более легколетучими по сравнению со спиртами с близкой молекулярной массой. В смесях с оксисодержащими соединениями, в частности, с водой, простые эфиры образуют водородные связи за счет атома кислорода как донора пары электронов, поэтому низшие эфиры ограниченно растворимы в воде. Циклические простые эфиры, имея более доступный для сольватации атом кислорода, образуют более прочные водородные связи, поэтому они хорошо растворимы в воде (таблица 15).

Таблица 15 – Физические свойства простых эфиров

Химические свойства простых эфиров. Простые эфиры – один из немногих классов органических соединений, обладающих невысокой реакционной способностью. В отличие от спиртов простые эфиры, не имея гидрофильного водорода, не проявляют кислотных свойств, однако остальные типы реакций, характерные для спиртов, присущи и простым эфирам:

Наличие в молекулах простых эфиров на атоме кислорода НЭП определяет их способность участвовать в реакциях в качестве оснований.

Вследствие большей электроотрицательности атома кислорода по сравнению с атомом углерода связь С δ+ –О δ– в простых эфирах подобно связи С–О в спиртах полярна. На углеродном атоме имеется дефицит электронов, что делает возможной нуклеофильную атаку по этому атому с разрывом простой эфирной связи. Однако этот процесс расщепления простого эфира невыгоден по двум причинам:

вследствие электронодонорных свойств углеводородных заместителей, полярность связи С–О невелика;

алкокси-анион, так же как и гидрокси-анион, невыгодная уходящая группа (богата энергией), поскольку в ней нет условий для эффективной делокализации отрицательного заряда.

Следовательно, большинство простых эфиров – довольно инертные химические соединения. Они устойчивы к действию водных растворов кислот, щелочей. Простые эфиры могут расщепляться только некоторыми реагентами, например, при нагревании с концентрированной йодистоводородной кислотой или под действием металлического натрия при повышенной температуре.

1. Основные свойства. Обладая электронной парой на атоме кислорода, простые эфиры могут образовывать координационные комплексы с различными протонными или апротонными кислотами. Однако поскольку атом кислорода обладает довольно высокой электроотрицательностью и стерически мало доступен, он является слабым донором электронной пары. Вследствие этого простые эфиры – слабые основания. Они могут образовывать соли только с сильными кислотами (Н –кислоты и кислоты Льюиса) и в отсутствие воды.

1.1 Взаимодействие с концентрированной серной кислотой . Простые эфиры протонируются, давая растворы оксониевых солей:

В водной среде оксониевые соли легко гидролизуются, регенерируя при этом исходные эфир и кислоту.

1.2 Взаимодействие с кислотами Льюиса. Эфиры посредством семиполярной связи образуют комплексы:

2. Реакции нуклеофильного замещения. Необходимыми условиями для расщепления простой эфирной связи является наличие сильного нуклеофила и перевод алкокси-аниона в выгодную уходящую группу. Последнее может быть достигнуто, если S N реакцию осуществлять с оксониевой солью эфира, т. е. в присутствии сильной кислоты.

Реакция S N у простых эфиров идет еще труднее, чем у спиртов, т. к. группа RO – является плохой уходящей группой. Однако в кислой среде в результате протонирования по кислороду она превращается в несколько лучшую уходящую группу ROH и нуклеофильное замещение становится возможным.

Природа углеводородного радикала определяет в таких случаях, какой из механизмов – S N 1 или S N 2 – реализуется, причем закономерности здесь такие же, как в случае алкилгалогенидов. В качестве кислот, катализирующих реакции нуклеофильного замещения простых эфиров, обычно используют HI , H 2 SO 4 , НВ r .

В данном случае образуется исключительно фенол, так как связь
прочнее по сравнению
, и последняя разрывается легче.

3. Отщепление (элиминирование) для простых эфиров, аналогично спиртам, можно осуществить действием сильных кислот, в частности, серной кислоты:

Реакции простых эфиров Е2 типа можно осуществить действием очень сильных оснований, в частности, алкилпроизводных щелочных металлов:

3.1 Расщепление простых эфиров при высоких темепратурах активными металлами (Шорыгин, 1910 г.):

4. Окисление простых эфиров идет легко по С–Н связи кислородом воздуха на свету, поэтому их хранят в темных (светонепроницаемых) емкостях. При длительном хранении в присутствии кислорода воздуха на свету у алифатических эфиров происходит свободнорадикальный процесс окисления, приводящий к образованию неустойчивых пероксидов.

Автоокисление эфиров протекает у α -углеродного атома, поскольку в качестве интермедиатов в этом случае выступают свободные радикалы, стабилизированные делокализацией неспаренного электрона с участием НЭП атома кислорода:

Работа с простыми эфирами, не освобожденными от перекисей, требует особой осторожности. Остаток после перегонки может содержать опасные в отношении взрыва концентрации перекисей. Эфиры, очищенные от перекисей, хранят, как правило, над металлическим натрием или гидридом кальция.

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.  

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

Простые эфиры – нейтральные и малоактивные соединения, в связи с чем их часто используют в различных органических реакциях в качестве растворителей. Поскольку они в большинстве случаев не реагируют с натрием, то этот металл используют для сушки простых эфиров. На них не действуют разбавленные минеральные кислоты, щелочи. Эфиры не расщепляются металлорганическими соединениями, гидридами и амидами щелочных металлов. Немногие химические свойства этих соединений связаны с наличием свободной электронной пары у атома кислорода, что придает эфирам основные свойства, а также с наличием полярных связей С–О, разрыв одной из которых приводит к расщеплению простых эфиров.

Образование солей оксония. Несмотря на то, что эфиры являются слабыми основаниями и плохими нуклеофилами. Они способны взаимодействовать с сухим хлороводородом с образованием солей диалкилгидроксония.

(C 2 H 5) 2 O + HCl → (C 2 H 5) 2 OH + Cl 

Образовавшаяся оксониевая соль, как соль слабого основания, роль которого играет молекула эфира, легко гидролизуется при разбавлении водой.

(С 2 Н 5) 2 ОН + Сl  + H 2 O → (C 2 H 5) 2 O + HCl

Об основном характере эфиров свидетельствует их растворимость в концентрированной серной кислоте и выделение при низкой температуре кристаллической оксониевой соли.

Эту реакцию применяют для отделения простых эфиров от алканов и галогеналканов.

В 1928 г. Х. Мейервейн открыл третичные оксониевые соли , которые можно получить из эфиров в результате следующей реакции:

Роль галогенидов бора состоит в отщеплении галогена от галогеналкана и связывании его в прочный анион. Триалкилоксониевые соединения с комплексными анионами – твердые, вполне устойчивые солеобразные соединения. При попытке заменить анион в этих солях на анионы какой-либо обычной кислоты, т.е. при взаимодействии их с кислотами, солями и даже с водой, оксониевые соли распадаются с образованием простого эфира и алкилированного аниона. Триалкилоксониевые соли являются самыми сильными алкилирующими средствами (сильнее галогеналканов и диалкилсульфатов).

Эфир используют в качестве растворителя в реакции Гриньяра , т.к. он обладает способностью сольватировать и, таким образом, растворять реагент. Он выступает как основание по отношению к кислому атому магния.

Диэтиловый эфир в этой реакции можно заменить на тетрагидрофуран.

Реактивы Гриньяра можно получить с хорошим выходом в бензоле в присутствии триэтиламина в качестве основания; требуется один моль основания на один моль галогеналкана.

Как основания Льюиса простые эфиры образуют комплексы , в которых эфир играет роль донора электронов, а галоген – акцептора. Так, раствор иода в диэтиловом эфире окрашен в коричневый цвет, в отличие от фиолетовой окраски в инертных растворах. Такие комплексы получили название комплексов с переносом заряда (КПЗ).

Расщепление простых эфиров . Простые эфиры при нагревании до 140 ºС с концентрированными кислотами (H 2 SO 4 , HBr и, особенно, HI) способны подвергаться расщеплению. Эта реакция была открыта А. Бутлеровым в 1861 г. на примере 2-этоксипропановой кислоты.

Под воздействием иодоводородной кислоты эфир первоначально превращается в иодид диалкилгидроксония. Это приводит к увеличению полярности связей С–О и облегчению гетеролитического расщепления одной из них с образованием хорошей уходящей группы – молекулы спирта. Роль нуклеофила выполняет иодид-ион:

При расщеплении метил- и этилалкиловых эфиров действие нуклеофила направлено на более пространственно доступный метильный или этильный радикал. На этой особенности основан количественный метод Цейзеля – определение метокси- и этоксигрупп в органических соединениях.

Следует отметить, что если один из алкилов третичный, то расщепление идет особенно легко.

Реакция протонированного эфира с ионом галогена, так же как соответствующая реакция протонированного спирта, может протекать как по S N 1, так и S N 2-механизмам в зависимости от строения эфира. Как и следовало ожидать, первичная алкильная группа имеет тенденцию к S N 2, в то время как третичная – к S N 1-замещению:

Реакции по  -водородному атому . Наличие в эфирах атома кислорода сказывается на поведении атомов водородов, особенно находящихся в α-положении. Такая региоселективность объясняется стабильностью радикала R-ĊH-Ö-R, где неспаренный электрон 2р -орбитали углерода перекрывается с неподеленной парой 2р -электронов атома кислорода.

Наиболее эффективно и избирательно протекают свободнорадикальные реакции хлорирования. Так, при обработке диэтилового эфира рассчитанным количеством хлора на свету образуется α-монохлорид.

Скорость реакций α-хлорзамещенных эфиров на много порядков выше по сравнению с соответствующими галогеналканами. Они чрезвычайно легко вступают в реакции нуклеофильного замещения, особенно протекающие через образование устойчивого промежуточного карбокатиона, т.е. по механизму S N 1. Эта устойчивость отражается резонансными структурами:

Подобные реакции широко используют в органическом синтезе.

Примечательно, что, меняя условия проведения реакции, ее можно направить по пути дегидрогалогенирования с получением простых виниловых эфиров.

Реакции аутоокисления . Простые эфиры склонны к реакциям аутоокисления кислородом по радикальному механизму даже без облучения, что объясняется устойчивостью образующегося свободного радикала за счет делокализации неспаренного электрона углерода с электронной парой соседнего атома кислорода:

Особенно легко подвергаются аутоокислению эфиры, содержащие атом водорода у третичного углерода. Спонтанно образующиеся при стоянии гидропероксиды эфиров исключительно взрывоопасны. Будучи менее летучими, по сравнению с исходными эфирами, они не отгоняются вместе с эфирами, а накапливаются в колбе. По этой причине эфиры нельзя отгонять досуха, т. к. в противном случае может произойти взрыв. Гидропероксиды должны быть тщательно удалены из эфира с помощью восстановителей – солей железа(II) или олова(II).

Тестом на наличие пероксидов является обработка пробы эфира водным раствором иодида калия. Появление характерного коричневого окрашивания, а в присутствии крахмала – синего цвета указывают на присутствие гидропероксидов.