Лактоны представляют собой сложные эфиры циклических карбоновых кислот , представляющие собой внутримолекулярные сложные эфиры, полученные из гидроксикарбоновых кислот. Они могут быть насыщенными и ненасыщенными. Некоторые содержат гетероатомы , заменяющие один или несколько атомов углерода кольца. [1]
Лактоны образуются в результате внутримолекулярной этерификации соответствующих гидроксикарбоновых кислот, которая происходит самопроизвольно, когда образующееся кольцо пяти- или шестичленное. Лактоны с трех- или четырехчленными кольцами (α-лактоны и β-лактоны) очень реакционноспособны, что затрудняет их выделение. Для лабораторного синтеза лактонов с небольшими кольцами, а также тех, которые содержат кольца размером более шестичленных, обычно требуются специальные методы. [2]
Греческие префиксы в алфавитном порядке указывают размер кольца.
Лактоны обычно называют по молекуле кислоты-предшественника ( ацето = 2 атома углерода, пропио = 3, бутиро = 4, валеро = 5, капро = 6 и т. д.) с суффиксом -лактон и префиксом из греческих букв, обозначающим молекулу кислоты-предшественника. количество атомов углерода в гетероцикле, то есть расстояние между соответствующими группами -ОН и -СООН вдоль указанной основной цепи. Первый атом углерода после углерода в группе -COOH исходного соединения помечен как α, второй будет обозначен как β и так далее. Следовательно, приставки указывают и на размер лактонного кольца: α-лактон = 3-членное кольцо, β-лактон = 4-членное, γ-лактон = 5-членное, δ-лактон = 6-членное и т. д.Макроциклические лактоны известны как макролактоны . [3]
Другой суффикс, используемый для обозначения лактона, — это -олид , используемый в названиях классов веществ, таких как бутенолид , макролид , карденолид или буфадиенолид .
Чтобы получить предпочтительные названия IUPAC , лактоны называют гетероциклическими псевдокетонами путем добавления суффикса «один», «дион», «тион» и т. д. и соответствующих мультипликативных префиксов к названию гетероциклического исходного гидрида. [4]
Название лактон происходит от кольцевого соединения, называемого лактидом , которое образуется в результате дегидратации 2-гидроксипропановой кислоты ( молочной кислоты ) CH 3 -CH(OH)-COOH. Молочная кислота, в свою очередь, получила свое название от ее первоначального выделения из простокваши (лат. lac, Lactis). Название было придумано в 1844 году французским химиком Теофилем-Жюлем Пелузом , который впервые получил его как производное молочной кислоты. [5] Реакция внутренней дегидратации внутри той же молекулы молочной кислоты привела бы к образованию альфа-пропиолактона , лактона с 3-членным кольцом.
В 1880 году немецкий химик Вильгельм Рудольф Фиттиг распространил название «лактон» на все внутримолекулярные сложные эфиры карбоновых кислот. [6]
Наиболее стабильными лактонами являются 5-членные γ-лактоны и 6-членные δ-лактоны, поскольку, как и в большинстве органических циклов, 5- и 6-членные кольца минимизируют деформацию валентных углов . β-лактоны невозможно выделить, а можно получить только специальными методами. α-лактоны могут быть обнаружены как временные соединения в экспериментах по масс-спектрометрии . [7] Реакции лактонов аналогичны реакциям сложных эфиров.
Многие встречающиеся в природе лактоны представляют собой γ- и δ-лактоны, как насыщенные, так и ненасыщенные. Они придают аромат фруктам, маслу, сыру и другим продуктам.
Макроциклические лактоны также являются важными природными продуктами. Циклопентадеканолид отвечает за мускусный запах масла корня дягиля . Из встречающихся в природе бициклических лактонов фталиды отвечают за запах масел сельдерея и любистка , а кумарин — за запах ясменника . [8] В дубовой древесине присутствуют лактоны , которые влияют на вкусовой профиль пива, выдержанного в бочках . [9]
Лактоновые кольца широко встречаются в природе в качестве строительных блоков, например, в аскорбиновой кислоте , каваине , непеталактоне , глюконолактоне , гормонах ( спиронолактон , мевалонолактон), ферментах ( лактоназа ), нейротрансмиттерах ( бутиролактон , авермектины ), антибиотиках ( макролиды , такие как эритромицин ; амфотерицин B ). , противораковые препараты ( вернолепин , эпотилоны ), фитоэстрогены ( лактоны резорциловой кислоты , сердечные гликозиды ).
Многие методы синтеза сложных эфиров также можно применять к синтезу лактонов. Лактонизация конкурирует с полимеризацией за более длинные гидроксикислоты. С другой стороны, γ-лактоны настолько стабильны, что 4-гидроксикислоты (R-CH(OH)-(CH 2 ) 2 -CO 2 H) самопроизвольно циклизуются в лактон.
В одном промышленном синтезе оксандролона ключевой стадией образования лактона является органическая реакция – этерификация . [10] [11]
При галолактонизации алкен подвергается атаке галогена путем электрофильного присоединения , при этом катионный промежуточный продукт захватывается внутримолекулярно соседней карбоновой кислотой . [12]
Конкретные методы включают этерификацию Ямагути , макролактонизацию Шиины , макролактонизацию Кори-Николау , окисление Байера-Виллигера и нуклеофильную абстракцию .
γ-лактоны γ-окталактон , γ-ноналактон , γ-декалактон , γ-ундекалактон можно получить с хорошим выходом в одностадийном процессе радикальным присоединением первичных жирных спиртов к акриловой кислоте , используя ди-трет-бутилпероксид в качестве катализатор. [8]
Альтернативной радикальной реакцией с образованием γ-лактонов является связывание, опосредованное марганцем .
Лактоны проявляют реакции, характерные для сложных эфиров.
Нагревание лактона с основанием ( гидроксидом натрия ) гидролизует лактон до его исходного соединения, бифункционального соединения с прямой цепью. Как и в случае с неразветвленными эфирами, реакция гидролиза-конденсации лактонов является обратимой реакцией , имеющей равновесие . Однако константа равновесия реакции гидролиза лактона ниже, чем у сложного эфира с прямой цепью, т.е. продукты (гидроксикислоты) менее предпочтительны в случае лактонов. Это связано с тем, что хотя энтальпии гидролиза эфиров и лактонов примерно одинаковы, энтропия гидролиза лактонов меньше энтропии эфиров с прямой цепью. Сложные эфиры с прямой цепью дают два продукта при гидролизе, что делает изменение энтропии более благоприятным, чем в случае лактонов, которые дают только один продукт.
Лактоны также реагируют с аминами с образованием спирта с открытым кольцом и амида.
Лактоны можно восстановить до диолов с помощью алюмогидрида лития . Например, гамма-лактоны восстанавливаются до бутан-1,4-диола (CH 2 (OH)-(CH 2 ) 2 -CH 2 (OH).
Лактоны легко образуют полиэфиры по формуле, и было показано, что они также олигомеризуются без катализатора: [13] [14]
Двойной лактон, называемый лактидом, полимеризуется до полимолочной кислоты (полилактида). Полученный материал – полимолочная кислота – обладает многими привлекательными свойствами. [15] [16]
Лактоны вносят значительный вклад в вкус фруктов, а также неферментированных и ферментированных молочных продуктов [17] и поэтому используются в качестве ароматизаторов и ароматизаторов. [8] Некоторые примеры: γ-декалактон (4-деканолид), который имеет характерный персиковый вкус; [17] δ-декалактон (5-деканолид), имеющий сливочно-кокосовый/персиковый вкус; γ-додекалактон (4-додеканолид), который также имеет кокосовый/фруктовый вкус, [17] описание, которое также соответствует γ-окталактону (4-октанолиду), [18] хотя он также имеет травянистый характер; [17] γ-ноналактон , который имеет интенсивный кокосовый вкус этой серии, несмотря на то, что он не встречается в кокосе, [19] и γ-ундекалактон.
Макроциклические лактоны ( циклопентадеканолид , 15-пентадек-11/12-енолид) имеют запахи, сходные с макроциклическими кетонами животного происхождения ( мускон , циветон ), но их легче получить, например, деполимеризацией соответствующих линейных полиэфиров . Замена метиленового звена на кислород практически не влияет на запах этих соединений, а кроме циклопентадеканолида образуются оксалактоны с 15–17-членными кольцами (например, 12-окса-16-гексадеканолид). [8]
Было показано, что пребиотически приемлемые лактоны, такие как ε-капролактон и δ-валеролактон, олигомеризуются без использования катализаторов, образующих олигомеры, которые могли иметь значение во время зарождения жизни . [20]
Поликапролактон — важный пластик.