Ацетондикарбоновая кислота (β-кетоглутаровая кислота) - двухосновная кетокислота, бесцветные кристаллы, медленно разлагающиеся при комнатной температуре. Хорошо растворима воде и этаноле, при нагревании - в этилацетате, плохо растворима в эфире и хлороформе.

Ацетондикарбоновая кислота и ее производные широко применяются в синтезе, в том числе синтезе алкалоидов и других природных соединений.

Синтез

Стандартный лабораторный метод синтеза ацетондикарбоновой кислоты - декарбонилирование лимонной кислоты олеумом:

Реакцию проводят на холоду (0 - 10 °C) и под тягой, т.к. в ходе реакции выделяется токсичный монооксид углерода; выход неочищенной кислоты, пригодной для дальнейшей этерефикации, составляет 85-90%, при необходимости продукт может быть очищен перекристаллизацией из этилацетата^[1].

Ацетондикарбоновая кислота может также быть синтезирована из ацетона - прямым карбоксилированием диоксидом углерода или в три стадии через 1,3-дихлорацетон с дальнейшим замещением хлора цианидом и гидролизом в мягких условиях образовавшегося 1,3-дицианоацетона, однако эти методы ввиду их сложности на практике не используются^[2].

Реакционная способность и применение в синтезе

По своим химическим свойствам ацетондикарбоновая кислота является типичным представителем β-кетокислот: ее реакционная способность определяется, во-первых, наличием двух электронакцепторных заместителей - карбонильной и карбоксильной - у метиленовых групп, что обуславливает их нуклеофильность и кислотность и, во вторых, возможностью образования шестичленного цикла, в котором протон карбоксильной группы образует водородную связь с кислородом кетогруппы.

Сочетание этих свойств обуславливает легкость декарбоксилирования ацетондикарбоновой кислоты, которое происходит уже при комнатной температуре, эта реакция, как и в случае других β-кетокислот (например, ацетоуксусной кислоты), идет через образование циклического переходного состояния, при этом ацетондикарбоновая кислота декарбоксилируется сначала до ацетоуксусной кислоты, которая, отщепляя диоксид углерода, образует ацетон:

Реакции с участием метиленовых групп

Для ацетондикарбоновой кислоты, как и для других β-дикарбонильных соединений, также характерны реакции, обусловленные нуклеофильностью метиленовых групп.

Так, ацетондикарбоновая кислота вступает в реакцию азосочетания с диазониевыми солями (2) с образованием бис-гидразонов мезоксалевого альдегида (3), при этом также происходит декарбоксилирование:

Ацетондикарбоновая кислота вступает в двойную конденсацию Манниха с диальдегидами и ароматическими аминами с образованием бициклических продуктов (Реакция Робинсона — Шёпфа), эта реакция используется как метод синтеза тропанов (в случае янтарного диальдегида)^[3],^[4] и псевдопельтьерина (при использовании глутарового альдегида)^[5] и тоже сопровождается декарбоксилированием:

Аналогичная по механизму циклоконденсация эфиров ацетондикарбоновой кислоты с ароматическими альдегидами и аммиаком либо первичными аминами приводит к образованию пиперидонов^[6],^[7],^[8]:

Эфиры ацетондикарбоновой кислоты вступают в конденсацию Кневенагеля с альдегидами, при этом образуются бис-продукты конденсации^[9]; взаимодействие эфиров ацетондикарбоновой кислоты с α-дикарбонильными соединениями (реакция Вейса-Кука) приводит к образованию бицикло[3.3.0]октан-3,7-дионов^[10]:

Эфиры ацетондикарбоновой кислоты, подобно ацетоуксусному эфиру и другим 1,3-дикарбонильным соединениям, легко алкилируются алкилгалогенидами в присутствии оснований, при этом соотношение продуктов C-алкилирования и O-алкилирования енолята зависит от условий проведения реакции^[11].

Такое алкилирование эфиров ацетондикарбоновой кислоты α-галогенкарбонильными соединениями с вовлечением в реакцию карбонильной группы эфира используется в синтезе гетероциклических соединений.

Так, в условиях реакции Фейста-Берари эфиры ацетондикарбоновой кислоты используются для синтеза фуранов, реакция диметилацетондикарбоксилата с хлорацетальдегидом, ведущая к 2,3-дизамещенному фурану, была использована в качестве первой стадии синтеза микотоксина патулина^[12]:

В сочетании с аминами или аммиаком фиры ацетондикарбоновой кислоты применятся в синтезе пирролов по Ганчу; взаимодействие с диэтилацетондикарбоксилата с хлорацетоном и метиламином является первой стадией синтеза противовоспалительного препарата зомепирака^[13][14]:

Реакции с участием карбонильной группы

Ацетонликарбоновая кислота конденсируется с фенолами и их эфирами (2) с образованием β-замещенных производных глутаконовых кислот (3), которые служат исходными реагентами для синтеза 2,5-дигидроксипиридинов (4)^[15]:

В условиях реакции образовавшиеся глутаконовые кислоты с гидроксильным заместителем в орто-положении ароматического кольца (3) могут замыкаться с образованием кумаринов (4)^[16], в современных методиках синтеза используют ацетондикарбоновую кислоту, образующуюся in situ из лимонной кислоты при проведении конденсации в концентрированной серной кислоте^[17],^[18]:

Реакции с участием карбоксильных групп

Ацетондикарбоновая кислота этерифицируется спиртами при действии сухого хлороводорода, образуя диэфиры^[19], моноэфиры ацетондикарбоновой кислоты получают ацилированием спиртов ангидридом ацетондикарбоновой кислоты.

При дегидратации ацетондикарбоновой кислоты в уксусном ангидриде образуется ее циклический ангидрид (1,2H-пиран-2,4,6(3H,5H)-трион), однако реакция осложняется идущим ацетилированием с образованием его моно- и диацетильных производных^[20]:

В жестких условиях преобладающим продуктом становится дегидроацетовая кислота^[21],^[22].

При взаимодействии эфиров ацетондикарбоновой кислоты с аммиаком происходит аммонолиз с образованием циклического имида и замещением кислорода карбонильной группы на иминогруппу, что приводит к образованию 4-амино-2,6-дигидроксипиридина (глутазина)^[15]:

См. также

• α-кетоглутаровая кислота
• Лимонная кислота

Примечания

1. ACETONEDICARBOXYLIC ACID». Organic Syntheses 5: 5. 23333553 00786209, 23333553. Проверено 2015-12-18.
2. ↑ Eagleson Mary. Concise Encyclopedia Chemistry. — Walter de Gruyter. — P. 6. — ISBN 978-3-11-011451-5.
3. LXIII.—A synthesis of tropinone». J. Chem. Soc., Trans. 111 (0): 762–768. 0368-1645. Проверено 2015-12-16.
4. ↑ C. Schöpf, Angew. Chem. 50, 779, 797 (1937)
5. CCLXXXVI.—A synthesis of ψ-pelletierine». J. Chem. Soc., Trans. 125 (0): 2163–2168. 0368-1645. Проверено 2015-12-17.
6. Ueber die Condensation von Aceton-dicarbonsäureestern mit Benzaldehyd unter Anwendung von Ammoniak». Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 39 (2): 1358–1361. 10990682 03659496, 10990682. Проверено 2015-12-21.
7. ↑ P. Petrenko-Kritschenko et al., Ber. 41, 1692 (1908)
8. ↑ P. Petrenko-Kritschenko et al., Ber. 42, 2020, 3683 (1909).
9. Über die Kondensation der Aceton-dicarbonsäureester mit Aldehyden vermittels Ammoniak und Aminen». Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 40 (3): 2882–2885. 10990682 03659496, 10990682. Проверено 2015-12-21.
10. 10.1016/S0040-4039(00)72784-5.
11. Alkylation of Methylenedimalonic and Acetonedicarboxylic Esters by Dihalogenoalkanes in the Presence of Potassium Carbonate in Dimethyl Sulfoxide». J. Org. Chem. USSR (Engl. Transl.); (United States) 24:1. Проверено 2015-12-22.
12. Synthesis of Patulin and Its Cyclohexane Analogue from Furan Derivatives». Chemical & pharmaceutical bulletin 42 (10): 2167–2169. 00092363. Проверено 2015-12-22.
13. PMID 4683116.
14. ↑ J. R. Carson, DE 2102746; idem, US 3752826 (1971, 1973 both to McNeil).
15. ↑ ^{1 2} Klingsberg E. The Chemistry of Heterocyclic Compounds, Pyridine and Its Derivatives. — John Wiley & Sons. — P. 512. — ISBN 978-0-470-18817-0.
16. CLXXIX.—A study in the coumarin condensation». Journal of the Chemical Society, Transactions 107 (0): 1606–1651. 0368-1645. Проверено 2015-12-21.
17. 4:3-β-naphthapyrone-4-acetic acidN-hydroxysuccinimidyl ester as a fluorescent labeling reagent for amino acids and oligopeptides in high-performance liquid chromatography». Chromatographia 53 (5-6): 326–330. 1612-1112 0009-5893, 1612-1112. Проверено 2015-12-21.
18. Synthesis and Antimicrobial Activity of Some Derivatives on the Basis (7-hydroxy-2-oxo-2H-chromen-4-yl)-acetic Acid Hydrazide». Molecules 11 (2): 134–147. Проверено 2015-12-21.
19. ETHYL ACETONEDICARBOXYLATE». Organic Syntheses 5: 53. 23333553 00786209, 23333553. Проверено 2015-12-18.
20. Reactions of acetonedicarboxylic anhydride (tetrahydropyrantrione) and its mono- and di-acetyl derivatives with amines». Journal of the Chemical Society C: Organic: 2721. 0022-4952. Проверено 2015-12-18.
21. ↑ von Pechmann and Neger, Ann., 273, 194 (1893)
22. Structure of the Product from the Reaction of Acetonedicarboxylic Acid with Acetic Anhydride». Pharmaceutical Bulletin 14 (9): 931–933. 0009-2363. Проверено 2015-12-18.