velikol.ru
1

ГБОУ ВПО

Ярославская государственная медицинская академия Минздравсоцразвития РФ

Кафедра биологической и общей химии


Лекция 10. Химические свойства
моно- и полифункциональных соединений



1.Реакционная способность органических соединений


I. Кислотно-основные свойства органических соединений

Кислотно-основные свойства органических соединений рассматриваются на основе протолитической теории кислот и оснований Брёнстеда –Лоури и проявляются в кислотно-основном взаимодействии. Кислоты Брёнстеда – доноры протона R–ХH всегда содержат кислотный центр –XH (ОН, -NH, -SH, -CH). Различают ОН – кислоты (карбоновые кислоты, спирты, фенолы), NH- кислоты (амины, амиды), SH-кислоты (тиолы). Основания Брёнстеда - акцепторы протона. Основания делятся на n-основания, если основным центром является гетероатом (атом неметалла), который содержит неподеленную электронную пару (кислород, азот, сера), и p-основания, если основным центром является p- связь между углеродами. Основные центры: N, O, S, p-связь.

Большинство органических соединений могут проявлять свойства как кислот, так и оснований (быть и донорами и акцепторами протона). Какую роль данное соединение будет выполнять, зависит от второго реагента, так как кислота проявляет свои свойства только в присутствии сильного основания и наоборот. Согласно законам термодинамики каждая частица самопроизвольно стремится перейти в более устойчивое состояние и уменьшить тем самым энтальпию системы. Так, сильная кислота является неустойчивой и легко отдает протон основанию. Сильное основание легко присоединяет протон отрывая его от кислоты. Данные процессы идут самопроизвольно, так как сопровождаются уменьшением свободной энергии (G0). Поэтому в реакциях важно определить сравнительную силу кислот или оснований, так как это определяет самопроизвольное протекание кислотно-основного взаимодействия.

Сила кислоты определяется стабильностью сопряженного с ней основания (аниона). Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота, а стабильность аниона зависит от степени делокализации электронной плотности (энтропийный фактор). Поэтому усиливают кислотность:

  1. сопряжение с кислотным центром

  2. большой радиус атома в кислотном центре

  3. высокая электроотрицательность атома в кислотном центре

  4. электроноакцепторные заместители в молекуле кислоты

Сравнительная сила кислот: карбоновые кислоты> фенолы > тиолы многоатомные спирты> одноатомные спирты > амины

1.Наиболее сильные кислоты (карбоновые кислоты, фенолы, тиолы) взаимодействуют со щелочами с образованием соли.

2. Средние по силе кислоты многоатомные спирты взаимодействуют с гидорксидом меди (II), с образованием хелатного комплекса.




3. Слабые кислоты одноатомные спирты взаимодействуют только со щелочными металлами.

Сила оснований определяется степенью локализации электронной плотности на основном центре, следовательно, все факторы, усиливающие кислотность будут в той же мере снижать силу оснований.

Сравнительная сила основных центров:

N> O>S>p -связь

Сопряжение с основным центром максимально ослабляет основность. Электронодоноры усиливают основность.

Примеры:



Доказательство основных свойств аминов




^ II. Окислительно-восстановительные реакции


Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют химические реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов вследствие переноса электрона от одной частицы к другой.


^ 1.Значение окислительно-восстановительных реакций (ОВР)

ОВР – основа существования живых систем, снижающих энтропию за счет получения энергии из окружающей среды. Основная часть энергии поступает в организм в процессе питания. Органические соединения пищи окисляются (экзэргонические реакции) и организм получает энергию для эндэргонических реакций синтеза, снижающих энтропию

Окисление – процесс отдачи электронов, восстановление процесс присоединения электронов. Пара соединений, между которыми идет перераспределение электронов называется ред-окс парой.. ОВР самопроизвольно протекают в сторону превращения сильного окислителя (термодинамически менее стабильное соединение) в слабый восстановитель (термодинамически более стабильное соединение) или сильного восстановителя в слабый окислитель. В любом случае этот процесс самопроизвольный, так как сопровождается уменьшением свободной энергии (G0). Количественной мерой окислительно-восстановительной способности является величина восстановительного (редокс -) потенциала j Чем выше восстановительный (редокс) потенциал j, тем сильнее окислительные свойства редокс- пары, чем он ниже, тем сильнее восстановительные свойства редокс- пары. (См. Электрохимический ряд напряжения металлов). Потому процесс передачи электронов всегда идет от реагента с меньшим j к реагенту с большим j. Способов измерить абсолютную величину редокс-потенциала нет, поэтому его измеряют относительно эталонной пары 2Н+20 потенциал которой, в стандартных условиях, принят равным нулю j 0 =0В. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (стандартный восстановительный потенциал или редокс-потенциал) 0, рассчитан, как э.д.с. в вольтах в гальваническом элементе со стандартным водородным электродом (2Н+2). Границы значений j 0 от -3,05В (литий) до +2,84В (фтор). В организмах, где рН =7 определяют «нормальный восстановительный потенциал j0¢». Он отличается от стандартного, так для пары 2Н+/Н2 j 0¢ = -0,42В.

Виды биохимических окислительно-восстановительных процессов

А. дегидрогеназная ОВР. Это наиболее распространенный тип ОВР органических соединений. Реакции окисления большинства органических соединений связаны не с уменьшением количества атомов водорода в молекуле, при этом степень окисления углерода повышается. Реакции восстановления – с увеличением атомов водорода.

СН3 – ОН = Н2С=О

спирт альдегид

Б. ОВР, связанная с изменением содержания атомов кислорода в молекуле называют оксигеназная ОВР

Н2^ С=О + [O] = НСООН

альдегид карбоновая к-та


В. Свободнорадикальное окисление-восстановление идет по цепному механизму и не контролируется ферментами.


^ III. Характерные реакции органических соединений
Основные понятия


Субстрат – вещество, у которого происходит разрыв связи у атома углерода. Определяет тип реакции.

^ Реагент – вещество (частица), атакующая субстрат (радикал, электрофил, нуклеофил). Определяет механизм реакции.

Образование реагентов



А. Гомолиз, образование радикалов



R- Радикал (свободный радикал) это частица с неспаренным электроном, образуется в результате гомолитического разрыва связи:

Н· СН3· Сl·

Радикал определяет радикальный (цепной) механизм реакции.


^ II. Характерные реакции органических соединений
Основные понятия


Субстрат – вещество, у которого происходит разрыв связи у атома углерода. Определяет тип реакции.

^ Реагент – вещество (частица), атакующая субстрат (радикал, электрофил, нуклеофил). Определяет механизм реакции.

Образование реагентов



А. радикалы



R- Радикал (свободный радикал) это частица с неспаренным электроном, образуется в результате гомолитического разрыва связи:

Н· СН3· Сl·

Радикал определяет радикальный (цепной) механизм реакции.


Б. нуклеофилы и электрофилы



Нуклеофильные реагенты имеют целый или частичный отрицательный заряд, содержат атом с неподеленной электронной парой или -связь: ОН-, NH3, H2O, CH3OH. Электрофильные реагенты несут целый или частичный положительный заряд: Н+, SO3.


Типы реакций



1. Замещение S



характерно для насыщенных, ароматических, р, p-сопряженных соединений.


^ 2. Присоединение А



характерно для ненасыщенных соединений, содержащих p-связи и

малых циклов (циклопропан, циклобутан)


^ 3. Элиминирование Е реакция, обратная присоединению
+ YE


Характерна для спиртов, аминов, галогеналканов, в результате образуется двойная связь.


^ III. Характерные реакции основных классов органических соединений


 

Радикальное R

Нуклеофильное N

Электрофильное Е

Замещение S

SR

Алканы, циклоалканы

SN Галогеналканы,спирты, карбоновые кислоты и их ф. производные

SE


Ароматические соединения

Присоедине-

ние А

AR

Алкены, алкины, диены

AN

Альдегиды,

кетоны

AE

Алкены, алкины, диены, малые циклоалканы

Электронодоноры активизируют субстрат в реакциях электрофильного замещения SE или присоединения AE

Электроноакцепторы активизируют субстрат в реакциях нуклеофильного SN замещения или присоединения AN.


^ 2 . Свойства основных классов органических соединений

Алканы и циклоалканы SR,

Соединения этого класса не являются метаболитами, но метаболиты содержат насыщенные углеводородные фрагменты. Для них характерны все свойства алканов и циклоалканов, характерные реакции SR



Реакции радикального замещения идут по радикальному или цепному механизму. В организме по этому механизму идут процессы пероксидного окисления мембран, лучевое поражение клеток, старение организма.

Цепной механизм реакции пероксидного окисления насыщенных углеводородных фрагментов ,SR

^ 1. Инициирование цепи



2. Рост цепи





3. Обрыв цепи




Оксигеназное окисление алканов (in vivo)





Это процесс с помощью которого в печени неполярные ксенобиотики превращаются в полярные, растворимые в воде и выводятся из организма.

^ Дегидрогеназное окисление


Дегидрогеназное окисление алканов в алкены идет ферментативно например на углеводородном фрагменте фумаровой кислоты





^ Алкены и малые циклоалканы, АЕ


Алкены также не являются метаболитами, но этиленовые фрагменты в метаболитах встречаются. Характерные реакции AE электрофильного присоединения в ненасыщенных соединениях и малых циклах идут по ионному механизму с разрывом -связи или с раскрытием малого цикла. Примеры реакций: гидрирование – присоединение водорода, гидратация – присоединение воды, галогенирование, гидрогалогенирование (ТюкавкинаН.А. Биоорганическая химия стр.123-135).

.

^ Правило Марковникова

В несимметричных алкенах водород (НХ) присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи




Исключение: если при двойной связи имеется Э.А. или реакция идет по свободнорадикальному механизму в присутствии пероксидов.




^ Окислительно восстановительные и качественные реакции алкенов


Окислительно – восстановительные реакции алкенов идут легко. Ненасыщенные углеводородные фрагменты (алкены) окисляются до двухатомных спиртов (in vitro) и восстанавливаются до насыщенных (in vitro и in vivo) (р. гидрогенизации). Качественная реакция на двойную связь это также окисление раствором КMnO4 с образованием двухатомного спирта (диола-1,2).

а) окисление




б) восстановление




^ Ароматические соединения SE


Реакции электрофильного замещения SE в ароматических соединениях идут по ионному механизму (ТюкавкинаН.А. Биоорганическая химия стр.135-144 ).


Примеры реакций:



  1. Галогенирование

  2. Нитрование

  3. Сульфирование


Ориентирующее действие заместителей в бензольном кольце ((ТюкавкинаН.А. Биоорганическая химия стр. 141-142 )


Заместители (ориентанты) I рода направляют атаку электрофила в орто- и пара- положения (2,4,6).

Примеры:

-OH, -NH2, –Hal, -CH3.

Заместители II рода направляют атаку электрофила в мета- положение (3 или 5).

Примеры:

-COOH, –CHO, -SO3H, -NO2.

Пример: галогенирование фенола или анилина идет очень активно, в несколько положений т.к. заместитель очень сильный электронодонор.




^ Спирты, простые эфиры, тиолы, сульфиды, амины, SN,E



Спирты в организме встречаются как в виде монофункциональных соединений, так и в виде спиртовых фрагментов гетерофункциональных метаболитов. Причина появления качественно новых свойств у спиртов – наличие полярной функциональной группы. Между молекулами спиртов возникают водородные связи, поэтому спирты имеют более высокую температуру кипения и плавления и лучше растворяются в воде, чем углеводороды.




.


Спирты являются слабыми кислотами, взаимодействуют только с металлическим натрием. Характерные реакции нуклеофильного замещения SN у насыщенного атома углерода и элиминирование, если в спирте не менее 2х атомов углерода.

Спирты в организме легко окисляются по дегидрогеназному типу. Метанол и первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные до кетонов, третичные устойчивы к окислению.

^ Характерные химические реакции спиртов

  1. Нуклеофильное замещение SN.

А.Спирты субстраты и нуклеофилы. (О-алкилирование) Пример: межмолекулярная дегидратация




Б. Спирты- только нуклеофилы. (О-ацилирование)

Пример: реакция этерификации

  1. Элиминирование, Е

Пример: внутримолекулярная дегидратация спиртов. Идет по правилу Зайцева: водород отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода




^ Окисление спиртов

1)Метанол и первичные спирты окисляются до альдегидов, которые затем легко окисляются до карбоновых кислот.







2) Вторичные спирты окисляются до кетонов




3) Третичные спирты устойчивы к окислению





Условия окисления спиртов:

in vivo - фермент дегидрогеназа кофермент НАД+ окислитель/НАДН восстановитель

in vitro – K2Cr2O7,H+, t или CuO, t

Тиолы

Тиольные ФГ встречаются в метаболитах довольно часто (аминокислоты, дигидролипоевая кислота, глутатион …). В основном это ФГ антиоксидантов, т.к. тиолы легко окисляются до дисульфидов, восстанавливая окислители, а дисульфиды также легко восстанавливаются в тиолы

^ Окисление тиолов

Реакция идет в мягких условиях (кислородом воздуха и другими слабыми окислителями).







Фенолы

Это сильные ОН-кислоты, и ароматические субстраты в реакции SE , но наиболее важное свойство фенольных гидроксилов в организме – реакции ОВР.

^ Окисление фенолов

В организме особую роль играет процесс окисления двухатомных фенолов. Так двухатомный фенол гидрохинон окисляется в хинон, который восстанавливается в гидрохинон.




Окислительно-восстановительные свойства системы хинон-гидрохинон лежат в основе действия цепи дыхания в митохондриях. Производное хинона – убихинон или кофермент Q окисляет органические соединения, превращается в гидрохинон (гидроубихинон) и передает электроны через цитохромы кислороду.


^ Карбонильные соединения альдегиды и кетоны, AN


альдегиды


кетоны


Метаналь, формальдегид, муравьиный альдегид


Пропанон, ацетон


Этаналь, ацетальдегид,

уксусный альдегид




Бутанон


Карбонильная группа встречается в организмах преимущественно в составе моно и дисахаридов. Электронное строение карбонильной группы определяет свойства оксо- соединений: характерные реакции АN нуклеофильное присоединение по двойной связи.



Отсутствие полярной связи О-Н объясняет отсутствие водородных связей в карбонильных соединениях, поэтому они более летучи, чем спирты, но хорошо растворяются в воде, т.к. образуют с ней водородные связи.

Карбонильные соединения не проявляют кислотных свойств по СН- кислотному центру в карбонильной группе, но могут быть слабыми кислотами при наличии кислотного центра на втором атоме углерода (-СН- кислотный центр. С NH2-реагентами идут реакции присоединения – отщепления (AN – E). Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот различными окислителями. Эти реакции сопровождаются явными признаками и служат для распознавания альдегидов. Кетоны устойчивы к окислению.


^ Химические свойства карбонильных соединений

Реакция нуклеофильного присоединения, AN








Примеры реакций АN

  1. Гидратация




  1. Реакция с синильной кислотой




3. Реакция со спиртами. Образование полуацеталей (полукеталей) и ацеталей (кеталей)






Реакция образования ацеталя из полуацеталя идет по механизму SN.


4. Альдольная конденсация
В карбонильных соединениях имеется активный кислотный центр на втором атоме углерода (a-СН- кислотный центр), поэтому при наличии на втором атоме углерода атома водорода идет образование альдоля. В результате углеродный скелет удлиняется на два углерода.





При отсутствии водорода на втором атоме идет реакция дисмутации (окислительно-восстановительная реакция).

5. Иодоформная проба

По a-СН-китслотному центру альдегиды и кетоны вступают в реакцию с галогенами. Если в субстрате содержится три атома водорода на a-СН-кислотном центре, образуется галоформ ( с хлором – хлороформ, с иодом – иодоформ). Реакция имеет характерные признаки и используется для идентификации метилкетонов и этаналя.



6. Реакции присоединения – отщепления (AN-E) с аминами и их производными

реакция с аминами

А. При реакции с аминами образуются имины или основания Шиффа:


Б. С гидроксиламином NH2 – OH альдегиды и кетоны образуют оксимы:

R – С =N – OH

В. С гидразином NH2 – NH2 альдегиды и кетоны образуют гидразоны:

R – С =N– NH

Эти реакции используются для идентификации оксо- соединений.


^ Окислительно-восстановительные реакции карбонильных соединений

Альдегиды окисляются до карбоновых кислот. Кетоны устойчивы к окислению.




Окислители in vitro: Ag(NH3)2OH, t; Cu(OH)2, t и другие Эти реакции являются качественными для альдегидов, так как имеют характерные явные признаки ( р. «серебряного зеркала», р. «медного зеркала»).

Альдегиды и кетоны восстанавливаются в спирты. Альдегиды в первичные, кетоны во вторичные спирты




In vivo фермент дегидрогеназа кофермент НАДН


^ Дисмутация или диспропорционирование альдегидов

Это окислительно-восстановительная реакция для альдегидов, которые не вступают в реакцию альдольной конденсации. В результате одна молекула альдегида восстанавливается до спирта, другая окисляется до карбоновой кислоты. Реакция характерна только для альдегидов, у которых отсутствуют атомы водорода на втором атоме углерода (aСН-кислотный центр)




^ Карбоновые кислоты, их функциональные производные, SN

монокарбоновые кислоты соли

НСООН муравьиная формиаты

СН3СООН уксусная ацетаты

СН3СН2СООН пропионовая пропионаты

СН3СН2СН2СООН масляная бутираты

СН2 = СН - СООН акриловая акрилаты


дикарбоновые кислоты соли

НООС-СООН щавелевая оксалаты

НООС-СН2-СООН малоновая малоаты

НООС-СН2-СН2- СООН янтарная сукцинаты

НООС(СН2)3 СООН глутаровая глутараты

малеиновая (цис-)





фумаровая (транс-) фумараты


Строение карбоксильной группы




Наличие р,p-сопряжения и электроноакцептора (атома кислорода при двойной связи) определяют стабильность карбоксила и его аниона. Поэтому карбоновые кислоты наиболее сильные органические кислоты. Они образуют соли при взаимодействии с металлами, их оксидами, солями и гидроксидами. Пример:

R-COOH + NaOH = R-COONa + H2О

Карбоновые кислоты - важнейшие метаболиты, в организме они встречаются в виде солей. Характерные реакции карбоновых кислот это реакции нуклеофильного замещения (SN). Продукты этой реакции называются «функциональные производные карбоновых кислот». Для них также характерны реакции SN.


^ Важнейшие функциональные производные карбоновых кислот


функциональные производные карбоновых кислот сохраняют карбонильный атом углерода и сопряжение, поэтому они образуются в результате реакции SN


















Амиды

Сложные эфиры

Тиоэфиры












Галогенангидриды

Ангидриды

Гидразиды


^ Реакции нуклеофильного замещения SN карбоновых кислот и их функциональных производных

Для карбоновых кислот и их функциональных производных характерны следующие реакции нуклеофильного замещения (SN)

  1. Этерификация,SN

Взаимодействие кислот со спиртами с образованием сложных эфиров




(С фосфорной кислотой также идут реакции этерификации, но они называются – фосфорилирование)




^ 2. Образование тиоэфиров с тиолами




3. Образование амидов с аминами или N-ацилирование, SN




Для всех функциональных производных карбоновых кислот также характерны реакции нуклеофидльного замещения, например кислый и щелочной гидролиз. Пример: гидролиз сложных эфиров SN - реакция, обратная этерификации.

а) в условиях кислого катализа гидролиз обратим




б) щелочной гидролиз SN (омыление) необратим




Специфические реакции дикарбоновых кислот

1. Реакция декарбоксилирования при нагревании щавелевой и малоновой кислот











2. При нагревании янтарной глутаровой и малеиновой кислот образуется циклический ангидрид