กรดคาร์บอกซิลิกและอนุพันธ์

กรดคาร์บอกซิลิกและอนุพันธ์ ได้แก่ เอสเทอร์, เอไมด์, แอนไฮไดรด์ และแอซิดแฮไลด์ มีหมู่เอซิลร่วมกันและสามารถเปลี่ยนรูปไปมาได้ผ่านปฏิกิริยาการแทนที่เอซิลด้วยนิวคลีโอไฟล์

Definition

หัวข้อนี้กล่าวถึงกรดคาร์บอกซิลิกและกลุ่มของอนุพันธ์เอซิลที่เกิดขึ้นจากการแทนที่หมู่ไฮดรอกซิล ซึ่งรวมกันด้วยกลไกการแทนที่เอซิลด้วยนิวคลีโอไฟล์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมความเป็นกรดของกรดคาร์บอกซิลิกและผลกระทบของหมู่แทนที่, ความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาของอนุพันธ์เอซิล, ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันและไฮโดรไลซิส, การก่อตัวของเอไมด์, เคมีของแอซิดคลอไรด์และแอนไฮไดรด์, และปฏิกิริยาดีคาร์บอกซิเลชัน

Core questions

• เหตุใดกรดคาร์บอกซิลิกจึงมีความเป็นกรดมากกว่าแอลกอฮอล์?
• ลำดับความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาใดที่ควบคุมการเปลี่ยนรูปไปมาของอนุพันธ์เอซิล?
• ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันและไฮโดรไลซิสเกิดขึ้นได้อย่างไร และถูกขับเคลื่อนไปในแต่ละทิศทางได้อย่างไร?

Key theories

การทำให้เสถียรด้วยเรโซแนนซ์ของคาร์บอกซิเลต

การสูญเสียโปรตอนที่เป็นกรดทำให้เกิดแอนไอออนคาร์บอกซิเลตซึ่งมีประจุลบกระจายตัวอย่างเท่าเทียมกันบนออกซิเจนสองอะตอม ซึ่งอธิบายถึงความเป็นกรดที่ค่อนข้างสูงของกรดคาร์บอกซิลิก

ลำดับความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาการแทนที่เอซิลด้วยนิวคลีโอไฟล์

อนุพันธ์เอซิลสามารถเปลี่ยนรูปไปมาได้ผ่านสารมัธยันต์รูปทรงสี่หน้า สปีชีส์ที่มีความว่องไวสูงกว่า (แอซิดคลอไรด์, แอนไฮไดรด์) สามารถเปลี่ยนไปเป็นสปีชีส์ที่มีความว่องไวต่ำกว่า (เอสเทอร์, เอไมด์) ได้ง่าย แต่การย้อนกลับทำได้ไม่ง่ายนัก

Mechanisms

การแทนที่เอซิลด้วยนิวคลีโอไฟล์ดำเนินไปโดยการเติมสารนิวคลีโอไฟล์เข้าสู่หมู่คาร์บอนิลเพื่อสร้างสารมัธยันต์รูปทรงสี่หน้า ตามด้วยการขับไล่หมู่หลุดออก ปฏิกิริยาฟิชเชอร์เอสเทอริฟิเคชันที่เร่งด้วยกรดเป็นปฏิกิริยาที่สมดุลซึ่งขับเคลื่อนโดยการกำจัดน้ำหรือการใช้สารตั้งต้นที่มากเกินไป ในขณะที่การไฮโดรไลซิสของเอไมด์และเอสเทอร์สามารถเร่งได้ด้วยกรดหรือเบส โดยปฏิกิริยาหลัง (การเกิดสบู่) จะไม่สามารถย้อนกลับได้

Clinical relevance

พันธะเอไมด์เป็นพันธะที่เชื่อมโยงโปรตีนและยาจำนวนมาก หมู่เอสเทอร์ถูกนำมาใช้ในโปรดรักที่ไฮโดรไลซ์เพื่อปลดปล่อยสารออกฤทธิ์ หมู่กรดคาร์บอกซิลิกทำให้เกิดความเป็นกรดและการละลายในยาหลายชนิด รวมถึงแอสไพรินและยาต้านการอักเสบที่ไม่ใช่สเตียรอยด์

History

ผลงานของฟิชเชอร์ในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้าเกี่ยวกับการเกิดเอสเทอร์ ควบคู่ไปกับการศึกษาอย่างเป็นระบบของการแทนที่เอซิล ได้สร้างความสัมพันธ์ด้านความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาระหว่างอนุพันธ์ของกรด ซึ่งยังคงเป็นรากฐานสำคัญของการสังเคราะห์และชีวเคมี

Key figures

• Emil Fischer
• Rainer Ludwig Claisen

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

เหตุใดแอซิดคลอไรด์จึงสามารถสร้างเอสเทอร์ได้ แต่การย้อนกลับทำได้ไม่ง่ายนัก?

ความว่องไวในการแทนที่เอซิลจะลดลงจากแอซิดคลอไรด์ไปจนถึงเอไมด์ อนุพันธ์ที่มีความว่องไวสูงกว่าจะเปลี่ยนไปเป็นอนุพันธ์ที่มีความว่องไวต่ำกว่าได้ง่าย เนื่องจากมีหมู่หลุดที่ดีกว่า ในขณะที่การย้อนกลับต้องอาศัยการกระตุ้นเป็นพิเศษ

การเกิดสบู่คืออะไร?

การเกิดสบู่คือปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเอสเทอร์ที่เร่งด้วยเบสเพื่อให้ได้เกลือคาร์บอกซิเลตและแอลกอฮอล์ เนื่องจากคาร์บอกซิเลตมีความเสถียรและไม่ว่องไวในการเกิดปฏิกิริยา ปฏิกิริยานี้จึงไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างมีประสิทธิภาพ