Основи біоорганічної хімії (навчальний посібник) - Г. О. Сирова - 2018

Тема

Реакційна здатність біорганічних сполук.

Насичені, ненасичені та ароматичні вуглеводні (карбогідрогени), спирти і феноли, аміни

Актуальність теми. Перетворення органічних сполук становлять основу процесів життєдіяльності. Їхня поведінка в організмі визначається їхнім складом, будовою і хімічними властивостями. Тому знання хімічних властивостей найважливіших класів органічних сполук є основою для розуміння на молекулярному рівні хімічних процесів, які відбуваються в живих організмах в процесі обміну речовин. Хімічна поведінка біополімерів, їх метаболітів, біорегуляторів, а також лікарських речовин визначається формою й просторовою будовою карбонового скелета їх молекул, будовою хімічних зв'язків і наявністю функціональних груп. Тому питання, що розглядаються в даній темі, необхідні для успішного вивчення біохімії, фізіології, фармакології, гігієни.

Загальна мета: сформувати вміння прогнозувати хімічну поведінку біологічно активних речовин у живих організмах у процесах обміну речовин на основі знання хімічних властивостей найважливіших класів органічних сполук.

Конкретні цілі:

1. Уміти використовувати знання електронної будови хімічних зв’язків та функціональних груп для пояснення хімічних властивостей органічних сполук.

2. Уміти характеризувати поведінку органічних сполук у реакціях:

✵ радикального заміщення;

✵ електрофільного приєднання;

✵ електрофільного заміщення;

✵ нуклеофільного заміщення;

✵ кислотно-основних реакціях.

3. Уміти пояснити вплив замісників на реакційну здатність функціональних груп.

Теоретичні питання

1. Гомолітичний і гетеролітичний розрив ковалентного зв'язку. Вільні радикали. Електрофільні і нуклеофільні реагенти.

2. Реакційна здатність вуглеводнів (карбогідрогенів) і вуглеводневих (карбогідрогенових) радикалів:

✵ реакції радикального заміщення. Пероксидне окиснення ліпідів;

✵ електрофільне приєднання до ненасичених сполук, вплив електронних ефектів замісників, кислотний каталіз;

✵ електрофільне заміщення в ароматичних сполуках. Орієнтуюча дія замісника в бензеновому ядрі і гетероатомів у гетероциклах.

3. Гідроксилвмісні сполуки - спирти і феноли:

✵ кислотність;

✵ нуклеофільне заміщення;

✵ окиснення.

4. Аміни:

✵ основність;

✵ алкілування.

1. Реакційна здатність органічних сполук визначається їхнім складом, а також електронним походженням хімічних зв'язків і просторовим розташуванням атомів у молекулах. Хімічній взаємодії між молекулами повинен передувати розрив зв'язків у кожній з них. Розрив ковалентного зв'язку між двома атомами може відбуватися так:

У першому випадку кожен з атомів відділяється з одним електроном, унаслідок чого утворюються частинки, які мають неспарені електрони. Вони називаються вільними радикалами, а розрив - гомолітичним розривом зв'язку.

В інших випадках один з атомів може утримувати при розриві обидва електрони, у результаті чого утворюються іони. Такий розрив називається гетеролітичним розривом зв'язку. Вільні радикали та іони є проміжними частками багатьох органічних сполук.

Механізм розриву зв'язку залежить від його полярності: чим більш полярний зв'язок, тим легше здійснюється гетеролітичний розрив. Істотно впливають також і умови процесу: реакції за участю вільних радикалів протікають переважно в газовій фазі і в неполярних розчинниках, а за участю іонів -у полярних розчинниках.

Якщо при гетеролітичному розриві зв'язку атом карбону набуває негативного заряду, частка називається карбаніоном, а якщо позитивний - карбкатіоном.

Карбаніони легко взаємодіють з електрофільними реагентами - частками з дефіцитом електронів, що мають вакантні орбіталі. Типові приклади електрофілів - Н⁺, SO₃, AlCl₃. Карбкатіони здатні реагувати з нуклеофільними реагентами - частками, що мають пару електронів, здатну утворити зв'язок. Іноді ці частки мають негативний заряд. Приклади нуклеофільних реагентів — OH^-, Br^--, NH₃, аміни.

Залежно від типу проміжних часток, що утворюються, розрізняють радикальні, електрофільні та нуклеофільні реакції.

2. Зв'язок sp³ -гібридизованих атомів карбону між собою і з атомами гідрогену часто малополярний (якщо поруч немає замісника, який сильно відрізняється за електронегативністю від атома карбону) і досить міцний. Тому для його гетеролітичного розриву необхідні специфічні умови (каталізатори). Водночас ці зв'язки легко піддаються гомолітичному розриву. У цьому випадку відбуваються реакції радикального заміщення атомів гідрогену іншими атомами або групами атомів.

Радикальні реакції складаються з трьох стадій - ініціювання, ріст і обрив ланцюга.

Вільні радикали є активними проміжними частками деяких ферментативних процесів. Швидкість радикальних реакцій у нормі регулюється наявністю антиоксидантів, прикладом яких є вітамін Е (токоферол). Вона зростає під час вагітності, при рості злоякісних новоутворень і особливо при радіоактивному опроміненні (променева хвороба).

Прикладом радикальної реакції є пероксидне окиснення ліпідів, при якому дії радикалів піддаються ненасичені жирні кислоти, що входять до складу клітинних мембран. При радіоактивному опроміненні можливий розпад на радикали молекул води: Н: ОН > H• + •ОН.

Гідроксильні радикали атакують молекулу ненасиченої кислоти за метиленовою групою, сусідньої з подвійним зв'язком, оскільки при цьому утворюється радикал, стабілізований за рахунок участі неспареного електрона в спряженні з електронами π-зв'язку.

Далі органічний радикал взаємодіє з бірадикальною молекулою кисню з утворенням нестабільних гідропероксидів, які розпадаються з утворенням альдегідів, що окислюються в кислоти - кінцеві продукти реакції. Наслідком пероксидного окиснення є руйнування клітинних мембран.

Інгібуюча дія вітаміну Е обумовлена його здатністю зв’язувати радикали, які утворюються в клітинах:

В утвореному феноксидному радикалі неспарений електрон знаходиться в спряженні з π-електронною хмарою ароматичного кільця, що спричиняє його відносну стабільність.

Для ненасичених вуглеводнів, що містять атоми карбону в стані sp² - або sp-гібридизації, типові реакції йдуть з розривом п-зв'язку, тобто реакції приєднання. Ці реакції можуть проходити як за радикальним, так і за іонним механізмом. В останньому випадку відбувається електрофільне приєднання.

Наприклад:

У результаті первинної взаємодії між бромом і електронами подвійного зв'язку молекула брому поляризується з утворенням нестійкого π-комплексу. Переходить в карбкатіон, у якому бром зв'язаний з карбоном σ-зв'язком. Процес закінчується атакою аніоном Вг^-, що призводить до утворення кінцевого продукту реакції. Часто реакції електрофільного приєднання каталізуються кислотами. У цих випадках утворення карбкатіонів відбувається за рахунок приєднання протона. Це відбувається, зокрема, при гідратації алкенів у присутності сірчаної кислоти:

До утвореного карбкатіона приєднується молекула води за рахунок спарених електронів атома оксигену. Утворюється нестійке алкільне похідне оксонію, яке стабілізується з виділенням протона.

Наслідком наявності в спряжених системах загальної для всієї системи п-електронної хмари є їхня здатність вступати в реакції у вигляді цілого блоку. Наприклад, бутадієн-1,3 вступає в реакції 1,4-приєднання, тобто приєднання відбувається до кінцевих атомів спряженої системи:

Реакція відбувається за механізмом електрофільного приєднання:

Для ароматичних сполук, що містять замкнуту спряжену систему і мають унаслідок цього значну міцність, характерні реакції електрофільного заміщення. Наявність підвищеної електронної густини по обидва боки кільця захищає його від атаки нуклеофільними реагентами та, навпаки, полегшує можливість атаки катіонами й іншими електрофільними частками.

Реакції електрофільного заміщення в ароматичних сполуках відбуваються у дві стадії. На першій з них відбувається порушення ароматичності і перехід одного з атомів карбону ароматичного ядра в стані sp³ -гібридизації. Друга стадія полягає у відділенні протона й відновленні енергетично вигідної ароматичної структури.

Як приклад розглянемо механізм процесів галогенування та нітрування бензену.

Взаємодія бензену з галогенами відбувається в присутності каталізаторів AІBг₃, FeCl₃ (так званих кислот Льюїса). Вони викликають поляризацію молекули галогена, після чого вона атакує π-електрони бензенового кільця:

Спочатку утворюється σ-комплекс, що повільно переходить в a-комплекс, у якому бром утворює ковалентний зв'язок з одним з атомів карбону за рахунок двох із шести електронів ароматичного кільця. σ-комплекс є менш вигідною структурою через порушення ароматичності, яка відновлюється шляхом виділення протона.

Нітрування бензену проводиться сумішшю нітратної та сірчаної кислот. Сірчана кислота каталізує реакцію, протонуючи нітратну кислоту, яка потім розщеплюється з утворенням іона нітронію - NO₂⁺:

Катіон нітронію (NO₂⁺) атакує ароматичне ядро, утворюючи нітропохідне (у даному випадку - нітробензен):

Розглянуті реакції характерні не тільки для вуглеводнів, а й для вуглеводневих радикалів різних класів органічних сполук. При цьому на реакційну здатність і спрямованість процесів істотно впливають електронні ефекти замісників. Замісники з позитивними електронними ефектами, що підвищують електронну густину у радикалі, полегшують перебіг електрофільних реакцій.

У молекулі пропілену наявність +І-ефекту метильної групи призводить до появи на атомах карбону часткових зарядів. Електрофільна частка атакує атом карбону з частковим негативним зарядом:

У пропеновій кислоті внаслідок -I і -М ефектів карбонільної групи електронна густина у радикалі знижена, тому реакції приєднання проходять важче, ніж в етилені. Відповідно до розподілу електронної густини в радикалі електрофільний реагент взаємодіє з другим атомом карбону:

Утворенння карбкатіонів може відбуватися при приєднанні протона у місці розриву π-зв’язку. Тому каталізаторами реакцій електрофільного

приєднання часто є кислоти. Прикладом таких реакцій є гідратація ненасичених сполук:

До утвореного карбкатіона приєднується молекула води за рахунок спарених електронів атома оксигену. Утворюється нестійке похідне оксонію, яке стабілізується з виділенням протона. Продуктами реакції є спирти.

Електронні ефекти замісників визначають напрям реакцій електрофільного заміщення в ароматичному ядрі. При вивченні цих реакцій було помічено, що, якщо в ядрі вже є якийсь замісник, то наступні замісники направляються в певне положення залежно від характеру першого. Такі групи як -ОН, -NH₂, алкільні радикали, галогени орієнтують наступні замісники переважно в орто- і пара-положення. Вони є замісниками першого роду:

Замісники другого роду: -NO₂, >C=O, -СООН орієнтують наступні замісники переважно в мета-положення:

Причому бромування фенолу відбувається легше, а нітробензену - важче, ніж бензену. Для з’ясування причин різної спрямовуючої дії замісників розглянемо їхні електронні ефекти:

Вуглеводневі радикали за рахунок +І-ефекту підвищують електронну густину в орто- і пара-положеннях. Як зазначалося при розгляді механізму реакції, спочатку відбувається приєднання електропозитивної частки, яка буде направлятися до атомів, які мають підвищену електронну густину.

У гідроксильній групі переважає мезомерний ефект, оскільки валентні електрони карбону й оксигену знаходяться на 2р-орбіталях, між якими відбувається ефективне перекривання. У цьому випадку електронна густина у кільці збільшується, і воно активується в орто- і пара-положеннях.

У хлору переважає індуктивний ефект, тому що його валентні електрони розташовані на більш рихлій 3р-орбіталі та її перекривання з 2р-орбиталлю карбону менш ефективне. Тому хлор дезактивує бензенове ядро, хоча і є орто- пара-орієнтантом за рахунок певного спряження електронів карбону й хлору.

Нітрогрупа має -I і -М ефекти, тому дезактивує ядро переважно в орто- і пара-положеннях. Оскільки атака електрофільної частки відбувається за місцем з підвищеною електронною густиною, у цьому випадку при реакціях електрофільного заміщення будуть утворюватися переважно мета-ізомери.

3. Атом оксигену гідроксильної групи є найбільш електронегативним у молекулах спиртів. Це обумовлює зміщення електронів ковалентних зв'язків до атома оксигену й поляризацію цих зв'язків:

Полярність О-Н зв'язку в гідроксильній групі спирту обумовлює її здатність до гетеролітичного розриву з відділенням протона, тобто прояв кислотних властивостей. Це має місце при взаємодії з активними металами; при

цьому утворюються тверді речовини, що розчиняються в спирті, - алкоголяти з іонним зв'язком оксиген-метал:

Позитивний індуктивний ефект вуглеводневого радикала зменшує полярність О-Н зв'язку і послаблює кислотні властивості спиртів. Тому спирти є слабшими кислотами, ніж вода (рКа води 15,7, метанолу-16, етанолу-18). З цієї ж причини кислотність зменшується зі збільшенням числа атомів карбону в радикалі. Кислотність багатоатомних спиртів більша, ніж одноатомних, завдяки -I ефекту гідроксильних груп. (рК етиленгліколю 15,18). Особливо легко атоми гідрогену гідроксилів багатоатомних спиртів заміщуються деякими важкими металами внаслідок утворення внутрішньокомплексних сполук - хелатів:

Хелати мають яскраве забарвлення, і їх утворення використовується для якісного визначення багатоатомних спиртів.

Полярність С-О зв'язку в молекулах спиртів обумовлює їхню здатність вступати в реакції нуклеофільного заміщення, у яких гідроксильна група заміщується іншою нуклеофільною частинкою.

Багато реакцій нуклеофільного заміщення в спиртах каталізуються кислотами. У цьому випадку на першій стадії відбувається приєднання протона за рахунок неподіленої пари електронів оксигенового атома:

Похідне оксонію, що утворилося, перебуває в стані рівноваги з карбкатіоном:

Цей карбкатіон стабілізується за рахунок взаємодії з нуклеофільною частинкою. Так, при взаємодії спиртів з галогеноводнями карбкатіон взаємодіє з аніоном галогену:

Введення атома галогену в молекулу вуглеводню супроводжується появою високої біологічної активності у продукті галогенування. Для галогеналканів характерною є висока наркотична активність, тому деякі з них застосовуються як засоби для анестезії. Атом галогену в бічному ланцюзі гомологу бензену надає сполуці сльозоточиву дію, так бензилйодид С₆Н₅-СН₂-I є «поліцейським газом».

Йодоформ CHI₃ - антисептик, входить до складу мазей, присипок, застосовується в стоматології.

Хлоретил С₂Н₅-Сl застосовується місцево, кипить при температурі 12⁰С- 14⁰С, випаровуючись з поверхні шкіри, знеболює.

Хлороформ СНСl₃ - засіб для інгаляційного наркозу.

Фторотан CF₃-CHClBr являє собою засіб для комбінованого інгаляційного наркозу.

Трихлоретилен Cl₂C=CHCl застосовується для короткочасного наркозу.

При утворенні етерів у присутності сірчаної кислоти карбкатіон приєднується до атома оксигену іншої молекули спирту, утворюючи двозамісне похідне оксонію:

яке, втрачаючи протон, перетворюється на етер:

У спиртів реакції нуклеофільного заміщення конкурують з реакціями елімінування (відщеплення). Так, при нагріванні спиртів з концентрованою сірчаною кислотою відбувається дегідратація, і утворюються ненасичені вуглеводні:

Основна відмінність реакцій утворення етерів та ненасичених вуглеводнів полягає в тому, що в останньому випадку береться більша кількість кислоти, достатня для протонування всіх молекул спирту. В цьому випадку карбкатіони не можуть приєднатися до молекул спирту, а стабілізуються, виділяючи протон:

Спирти, які містять гідроксил у sp² -гібридного атома карбону, дуже нестійкі та перетворюються на карбонільні сполуки:

Це пояснюється спряженням спарених електронів атомів оксигену з електронами π-зв'язку в радикалі, унаслідок чого гідроксильна група проявляє +М-ефект. Дефіцит електронної густини на атомі оксигену зростає, що веде до посилення поляризації О-Н зв'язку, збільшення рухливості гідрогену гідроксильної групи. Він легко відділяється у вигляді протона і за рахунок електронів π-зв'язку приєднується до атома карбону, який має частково негативний заряд.

При окисненні спиртів утворюються різні продукти, залежно від будови спирту. Первинні спирти окиснюються до альдегідів, вторинні - до кетонів:

При біологічному дегідруванні кисневмісні сполуки можуть віддавати або два протони й два електрони, або протон і гідрид-іон:

Цей процес йде за участю коферменту НАД⁺, який є акцептором гідрид-іонів.

Феноли є більш сильними кислотами, ніж спирти; рК фенолу 10,0 - на 6 одиниць менше, ніж рК аліфатичних спиртів. Це пояснюється зміщенням спарених електронів атома оксигену до ароматичного ядра (+М-ефект), що спричиняє зростання поляризації О-Н зв'язку і полегшення його гетеролітичного розриву:

На відміну від спиртів феноли легко взаємодіють з лугами, утворюючи солі - феноляти:

Підвищуючи електронну густину у бензеновому ядрі, гідроксильна група полегшує реакції електрофільного заміщення та є орто-, пара-орієнтантом:

Наслідком участі атома оксигену гідроксильної групи в утворенні замкнутої спряженої системи є посилення зв'язку цього атома з атомом карбону ароматичного ядра. Тому гідроксильна група фенолів стійка до реакцій нуклеофільного заміщення. Безпосередньо перетворити феноли до відповідних галогенопохідних вуглеводнів неможливо.

Гідроксильна група фенолів може бути окиснена до карбонілу. Важливе біологічне значення мають взаємоперетворення гідрохінону й хінону:

Хінони мають спряжену систему, що складається з двох π-зв'язків у циклі і ще двох - у карбонільних групах. Наведені вище перетворення не пов'язані з розривом спряженої системи, тому вони не вимагають значних витрат енергії і проходять досить легко.

Хіноїдне угруповання входить до складу коферменту Q (убіхінон). В організмі убіхінон легко й оборотно відновлюється до відповідного гідрохінону, що обумовлює його участь у дихальному ланцюгу мітохондрій.

4. Хімічні властивості нітрогенвмісних сполук багато в чому визначаються наявністю в атомі нітрогену неподіленої електронної пари, за рахунок якої можливе утворення донорно-акцепторного зв'язку. Так, при розчиненні аліфатичних амінів у воді відбувається приєднання протона, а гідроксильні іони зумовлюють лужну реакцію розчину:

При взаємодії амінів з кислотами утворюються солі:

Унаслідок +І-ефекту вуглеводневих радикалів аміни є більш сильними основами, ніж аміак.

Основні властивості ароматичних амінів виражені набагато слабкіше, ніж у аліфатичних. Це обумовлено спряженням неподіленої електронної пари атома нітрогену з п-електронною системою ароматичного ядра (+М ефект).

Унаслідок цього електронна густина на атомі нітрогену знижується та його здатність приєднувати протон ослаблюється. Ароматичні аміни у водному розчині не змінюють забарвлення індикаторів, не утворюють солей зі слабкими кислотами. При взаємодії із сильними кислотами утворюються солі:

Електроноакцепторні замісники зменшують основність ароматичних амінів, а електронодонорні - збільшують її.

За рахунок неподіленої пари електронів нітрогену можливе не тільки приєднання протону, але й взаємодія зі сполуками, що містять атом карбону з частково позитивним зарядом. При реакціях з алкілгалогенідами відбувається алкілування амінів:

Утворюється сіль, з якої луги витісняють вільний амін:

Таким чином, з первинного аміну можна отримати вторинний, а потім і третинний амін.

Виконайте завдання та перевірте правильність їх розв’язання за еталонами відповідей

Завдання № 1

1. До якого типу належить реакція:

A. Радикального заміщення.

B. Електрофільного приєднання.

C. Електрофільного заміщення.

2. Метильна група в молекулі толуену проявляє властивості:

A. Насичених вуглеводнів.

B. Ненасичених вуглеводнів.

C. Ароматичних вуглеводнів.

3. Для бензену характерні реакції:

A. Радикального заміщення.

B. Електрофільного приєднання.

C. Електрофільного заміщення.

Еталони відповідей: 1-А, 2-А, 3-С.

Завдання № 2

1. Як змінюються кислотні властивості в ряду сполук:

2.

А. Зменшуються.

В. Збільшуються.

С. Не змінюються.

2. Кислотні властивості фенолів порівняно зі спиртами:

А. Зменшуються. В. Збільшуються. С. Не змінюються.

3. Нітрогрупа (-NO₂; електроноакцепторний замісник):

A. Посилює кислотні властивості.

B. Ослаблює кислотні властивості.

C. Не впливає.

Еталони відповідей: 1-В, 2-В, 3-А.