Пособие по биоорганической химии часть ii

• Название: Пособие по биоорганической химии часть ii
• Дата: 14.02.2022
• Размер: 0.71 Mb.
• Имя файла: r_lect_org_chem_2.pdf
• Тип: Пособие; #361749
• страница: 3 из 4

иодоформ, вещество бледно – желтого цвета с характерным запахом. Побочный продукт (12) – это анион, который с катионом натрия дает соль.
Примером галоформной реакции может быть взаимодействие ацетона с иодом в щелочной среде:
I
2
+ NaOH → NaI + NaIO;
NaIO + HOH → HOI + NaOH;
HIO → I
+
+ OH


;
ацетон

иодоформ
Биологическое значение галоформов. а) Хлороформ СНCl
3

средство для наркоза (в последнее время не используется, так как при разложении дает свободные радикалы0. б) Если α – водородный атом заменить на Br, то получают лакриматоры
(слезоточивые газы), например, броммасляный альдегид: в) Образование йодоформа CHI
3
используется как простейшая проба на ацетон в моче больных сахарным диабетом.
6). Реакции, обусловленные отсутствием α – водородного атома (реакции
диспропорционирования).
В ряду окислительно – восстановительных процессов альдегиды занимают промежуточное положение между спиртами и карбоновыми кислотами, т.е. альдегиды восстанавливаются до спиртов и окисляются до карбоновых кислот. спирт альдегид кислота
Реакции диспропорционирования идут в присутствии катализатора – щелочи, при наличии воды и отсутствии α – водородного атома.
Графически механизм реакции можно записать так:
1стадия:
NaOH → Na
+
+ OH‾ ;

(1) (2) (3) (4)
Катализатор
нуклеофил OH‾, образуется в результате диссоциации натрий гидроксида, который атакует углерод альдегидной группы (1). Оксигруппа присоединяется к углероду в результате разрыва двойной связи углерод – кислород, и на кислороде возникает отрицательный заряд (2). Чтобы избавиться от отрицательного заряда, система отталкивает гидрид – анион, и образуется промежуточная частица (3), в которой идет перераспределение электронной плотности, замыкается двойная связь углерод – кислород, и образуется конечный продукт – кислота (4).
II стадия
(5) (6) (7)
На второй стадии гидрид – анион атакует вторую молекулу альдегида( 5).
В результате разрыва двойной связи углерод – кислород атом водорода присоединяется к углероду, и на кислороде возникает отрицательный заряд
(6). Для нейтрализации отрицательного заряда происходит протонирование водой (6). Образуется еще один конечный продукт – спирт, и освобождается катализатор - ОН‾
Примером реакции диспропорционирования является диспропорционирование (окисление – восстановление) бензальдегида:
NaOH → Na
+
+ OH‾;
бензальдегид

бензойная кислота
бензиловый
спирт
Диспропорционирование альдегидов происходит при спиртовом брожении глюкозы.
ОКИСЛЕНИЕ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ
Альдегиды и кетоны подвергаются окислению. Альдегиды окисляются легче, чем кетоны. Их окисляет даже кислород воздуха.
Рассмотрим реакции окисления альдегидов, которые имеют практическое значение.
1) реакция Толленса (реакция серебряного зеркала) – взаимодействие альдегидов с аммиачным раствором серебра:
2) реакция Троммера – взаимодействие альдегидов с гидроксидом меди(II) в щелочной среде:
3) реакция Фелинга - – взаимодействие альдегидов с гидроксидом меди(II) в щелочной среде в присутствии сегнетовой соли:
Все эти реакции сопровождаются внешним эффектом, т.е. выпадением осадков и окрашиванием. Поэтому используются как качественные для

определения моносахаридов в биологических жидкостях. Чаще применяется
проба Троммера.
Окисление кетонов сопровождается разрывом углеродной цепи.
Биологическое значение окисления альдегидов и кетонов. а) Вследствие своей высокой реакционной способности альдегиды токсичны для организма человека, поэтому они окисляются до безвредных карбоновых кислот. Например, при окислительном дезаминировании аминокислот глутаровый альдегид окисляется до глутаровой кислоты. б) Глицеральдегид окисляется до глицериновой кислоты и одновременно фосфорилируется:
глицеральдегид 1,3 – дифосфоглицеринвая
кислота в) Ацетоуксусная кислота (ацетоацетат) как кето-кислота окисляется с разрывом углеродного скелета
ацетоацетат ацетат
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В КАРБОНОВЫХ
КИСЛОТАХ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ
Карбоновые кислоты это производные алканов, в которых один или
Карбоксигруппа состоит из оксо - и окси-группы, которые взаимно влияют друг на друга, поэтому эти группы изменяют свои свойства по сравнению с оксогруппой в альдегидах и оксигруппой в спиртах.
Электронное строение карбоксигруппы:

Атом кислорода оксогруппы как более электроотрицательный стягивает на себя π – электронную плотность двойной связи, в результате чего на углероде возникает частичный положительный заряд, как в альдегидах. Атом кислорода оксигруппы как более электроотрицательный стягивает на себя электронную плотность от углерода по σ – связи, но его неподеленная электронная пара идет на сопряжение с π – электронной плотностью двойной связи. В результате этого на углероде уменьшается частичный положительный заряд по сравнению с альдегидами, поэтому в карбоновых кислотах идут реакции замещения. В этом проявляется влияние окси –группы на оксо –группу.
С другой стороны смещение неподеленной электронной пары к углероду с частичным положительным зарядом увеличивает легкость отщепления протона. Т.е. кислотность карбоновых кислот выше, чем спиртов. В этом проявляется влияние оксо – группы на окси – группу.
Кислотные свойства карбоновых кислот.
Карбоновые кислоты проявляют кислотные свойства за счет отщепления протона (по Бренстеду). Но это более сильные кислоты, чем спирты, которые тоже содержат оксигруппу. Повышенные кислотные свойства карбоксигруппы об`ясняются так:
(1) (2) (3) (4)
В карбоксигруппе (1) идет перераспределение электронной плотности таким образом, что в результате смещения неподеленной электронной пары кислорода на сопряжение от нее легко отщепляется протон и образуется анион (2). В этом анионе идет перераспределение электронной плотности и возникает анион (3). В конечном итоге электронная плотность распределяется равномерно между двумя атомами кислорода и атомом углерода и образуется трехцентровая делокализованная сопряженная система. В этой системе электронная плотность распределяется равномерно, что обусловливает ее термодинамическую устойчивость и легкость отщепления протона.

Кислотность карбоновых кислот зависит от строения радикала и наличия заместителей:
а) Н-СООН > CH
3
-COOH > CH
3
-CH
2
-COOH
3,77 4,46 4,88

электронный эффект сильнее;

электронный эффект слабее.В гомологическом ряду кислотность уменьшается, так как в результате положительного индуктивного эффекта радикала уменьшается частичный положительный заряд на углероде; вследствие этого снижается смещение неподеленной электронной пары от кислорода к углероду, т.е. на атоме кислорода сохраняется высокая электронная плотность, и протон труднее отщепляется б) CH
2
=CH-COOH > CH
3
-CH
2
-COOH
4,25 4,88
Ненасыщенные кислоты сильнее, чем насыщенные, так как положительный индуктивный эффект sρ
2
- гибридного атома углерода (+I
1
) меньше, чем положительный индуктивный эффект sρ
3
- гибридного атома углерода (+I
2
), поэтому δ
+
> δ´
+
; вследствие этого снижается смещение неподеленной электронной пары от кислорода к углероду (2), т.е. на атоме кислорода сохраняется высокая электронная плотность, и протон труднее отщепляется

в) CF
3
-COOH > CH
2
F-COOH > CH
3
-COOH
0,7 2,9 4,76
O
2
N-C
6
H
4
-COOH > HOOC-C
6
H
4
-COOH > C
6
H
5
COOH > CH
3
COOH
2,17 2,98 4,2 4,76
Наличие электроноакцепторных заместителей в радикале, например F или
NO
2
, увеличивает кислотность, так как F или NO
2 оттягивает на себя электронную плотность от радикала и его индуктивный эффект (I
1
) становится меньше, поэтому поэтому δ
+
> δ´
+
; вследствие этого снижается смещение неподеленной электронной пары от кислорода к углероду (2), т.е. на атоме кислорода сохраняется высокая электронная плотность, и протон труднее отщепляется г)
HOOC-COOH > HOOC-CH
2
-COOH > HOOC-CH
2
-CH
2
-COOH > CH
3
-COOH
1,23 2,83 4,19 4,76
Двуосновные кислоты сильнее, чем одноосновные, так как вторая карбоксигруппа оттянивает на себя электронную плотность от радикала и его индуктивный эффект (I
1
) становится меньше, поэтому поэтому δ
+
> δ´
+
; вследствие этого снижается смещение неподеленной электронной пары от кислорода к углероду (2), т.е. на атоме кислорода сохраняется высокая

электронная плотность, и протон труднее отщепляется
д) C
6
H
5
COOH > C
6
H
11
COOH
4,2
Ароматические кислоты сильнее, чем кислоты – производные циклоалканов, так как положительный индуктивный эффект sρ
2
- гибридного атома углерода бензольного ядра (+I
1
) меньше, чем положительный индуктивный эффект sρ
3
- гибридного атома углерода циклогексана (+I
2
), поэтому δ
+
> δ´
+
; вследствие этого снижается смещение неподеленной электронной пары от кислорода к углероду (2), т.е. на атоме кислорода сохраняется высокая электронная плотность, и протон труднее отщепляется
Проявляя кислотные свойства карбоновые кислоты взаимодействуют с металлами, оксидами, основаниями и дают соли, например:
СН
3
СООН + NaOH → СН
3
СООNa + Н
2
O.
В организме человека образуются соли многих органических кислот: молочная кислота дает соли лактаты; пировиноградная кислота
пируваты: лимонная кислота
цитраты; оксалатная(щавелевая) кислота
оксалаты; янтарная кислота
сукцинаты; яблочная кислота
малаты.
Нулкофильное замещение в карбоновых кислота и их производных
В карбокси-группе проявляется положительный мезомерный эффект (при сдвиге неподеленной электронной пары к атому углерода), который уменьшает частичный положительный заряд на углероде по сравнению с альдегидами, поэтому в карбоновых кислотах идут реакции по механизму нуклеофильного замещения, а не присоединения как в альдегидах. В данном

случае проявляется влияние окси-группы на оксо-группу.
Схема механизма нуклеофильного замещения:
(1) (2) (3) (4) где Х это
ОН,
NH
2
,
OR, RCOO
, галоген.
Если нуклеофил слабый, то применяют кислотный или основный катализ.
Рассмотрим конкретные реакции, которые идут с карбоновыми кислотами и их производными in vitro, а также в организме человека.
1. Самые распространенные и наиболее изученные производные карбоновых кислот являются сложные эфиры (эстеры).
Реакция образования сложных эфиров называется реакцией
этерификации.
Реакция этерификации идет между карбоновыми кислотами и спиртами по механизму нуклеофильного замещения. Так как спирты слабые нуклеофилы (см. «Альдегиды» - образование полуацеталей), то используют кислотный катализ .
Графически схему механизма реакции этерификации можно показать так:
(1) (2) (3)

(4) (5) (6)
Сульфатная кислота диссоциирует и дает каткализатор – протон Н
+
Протон атакует (протонирует) кислород двойной связи (1), на котором накапливается избыточный отрицательный заряд вследствие мезомерногоного эффекта. Образуется карб-катион (2), который атакуется спиртом как нуклеофилом. Спирт присодиняется, на углероде возникает положительный заряд, а кислород спирта становится трехвалентным (3).
Поэтому от кислорода отщепляется протон, а от углерода отщепляется оксигруппа (это подтверждается методом меченых атомов), которую выталкивает спирт, и образуется промежуточный карб-катион(4), от которого отщепляется протон. В результате образуется промежуточная частица (5), в которой идет перераспределение электронной плотности, получатся конечный продукт – сложный эфир (6) и освобождается катализатор – протон.
Группа атомов
- это сложно – эфирная связь, которая встречается во многих лекарственных веществах.
Примером реакции этерификации может быть взаимодействие ацетатной кислоты (уксусной) с этанолом. Графически это записывается так:
Реакция обратная этерификации называется гидролизом, которая идет также по механизму нуклеофильного замещения. Гидролиз может идти в кислой и щелочной средах.
Графически механизм кислотного гидролиза можно показать так:

(1) (2) (3)
(4) (5) (6) (7)
Концентрированная серная кислота диссоциирует, дает протон, который является катализатором и атакует кислород оксогруппы в молекуле сложного эфира (1). Образуется карб-катион (2), который атакуется молекулой воды как нуклеофилом для нейтрализации положительного заряда на углероде. Вода присоединяется к углероду, кислород воды становится трехвалентным, и от нее отщепляется протон, и одновременно отщепляется алкокси-группа от углерода (3). Образуется снова карб – катион, от которого отщепляется протон (4). В частице (5) идет перераспределение электронной плотности, и образуются конечные продукты – кислота (6) и спирт (7), а также освобождается протон как катализатор. Таким образом, продуктами гидролиза сложных эфиров в
кислой среде являются карбоновая кислота и спирт.
Примером гидролиза сложных эфиров в кислой среде может быть гидролиз этилацетата:
Графически механизм щелочного гидролиза можно показать так:
NaOH → Na
+
+ OH‾ ;
(1) (2) (3) (4)

(5) (6) (7)
Гидрокси -ион, который является катализатором,атакует атом углерода карбокси-группы (1). В результате возникает промежуточная частица (2), в которой окси-группа присоединяется и выталкивает алкокси-группу RO‾.
Образуется карб-катион (3), от которого отщепляется протон и идет к алкокси-группе. В результате перераспределения электронной плотности возникает карбоксилат-анион (5), который с катионом натрия дает соль (6).
Таким образом, продуктами щелочного гидролиза сложных эфиров
являются соль карбоновой кислоты и спирт.
Примером гидролиза сложных эфиров в щелочной среде может быть гидролиз этилацетата:
Сложные эфиры и их гидролиз в организме человека.
1) В организме человека сложными эфирами являются жиры.. Это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина.Гидролиз жиров происходит в кишечнике в щелочной среде под действием фермента липазы на глицерин и соли высших карбоновых кислот т.е. мыла.
2) Сложно-эфирная связь образуется между аминокислотами и транспортной РНК.
3) Ряд биологически активных соединений содержит сложно-эфирную связь с фосфатной кислотой (в молекулах РНК и ДНК, АТФ), с серной кислотой (в молекулах гепарина, хондроитинсульфата).
Большое биологические значение имеют тиоаналоги сложных эфиров.т.е.
тиоэфиры
Тиоэфиры более реакционно способны, чем сложные эфиры, так как группа
SR легче отщепляется, чем
ОН. Группа
SR более стабильна благодаря низкой электроотрицательности атома серы. Кроме того , на карбонильном углероде возникает более высокий положительный заряд, чем в сложных эфирах.

В организме человека тиоэфиры образует кофермент КоАSH (кофермент
А). Он является активатором карбоновых кислот, т.е. переносит остатки карбоновых кислот, которые называются ацилы (т.е. это остатки
карбоновых кислот без окси-группы):
Благодаря этому он принимает участие в реакциях ацилирования, т.е.
введение ацила, в результате которых синтезируются биологически активные вещества с более длинным углеродным скелетом. Наибольшее значение имеет ацетил-КоА
Биологическое значение ацилирования: а). синтез ацетилхолина:
холин ацетилхолин
б) в результате ацилирования нейраминовой кислоты образуются сиаловые кислоты
нейраминовая кислота ацетил-SКоА
сиаловая кислота
в) синтез N – ацетилглюкзамина

глюкоза N-ацетилглюкозамин
г) синтез лимонной кислоты в цикле Кребса; д) синтез янтарной кислоты из α-кетоглутаровой; е) синтез высших карбоновых (жирных) кислот, которые имеют четное число атомов углерода благодаря присоединению постепенно двух атомов углерода.
2. Галогенангидриды карбоновых кислот.
Галогенангидриды более реакционно способны, чем карбоновые кислоты. Это объясняется тем, что ρ,π – сопряжение в галогенангидридах менее эффективно, чем в карбоновых кислотах, так как неподеленная электронная пара хлора идет на сопряжение с третьего энергетического уровня с π- орбиталью углерода второго энергетического уровня ( в кислотах пара электронов кислорода и π- орбиталь углерода находятся на втором энергетическом уровне). Поэтому связь С – Cl менее прочная и галоген легче отщепляется, чем ОН
‾
-группа. В результате отщепления галогена образуется ацил, то есть остаток кислоты без оксигруппы
, поэтому галогенангидриды используются для реакций ацилирования.
Химические свойства галогенангидридов.
Реакции с галогенангидридами идут по механизму нуклеофильного замещения, причем без катализатора, ввиду их высокой реакционной способности:
1) гидролиз галогенангидридов.
Графически гидролиз можно показать так:
(1) (2) (3) (4)
На стадии (1) идет атака молекулой воды как нуклеофилом на карбонильный углерод. Двойная связь углерод-кислород разрывается и

вода присоединяется (2). Вода выталкивает из частицы (2) хлорид - анион и одновременно отщепляется протон от молекулы воды, так как кислород воды становится трехвалентным в результате присоединения. Образуется промежуточная частица (3), в которой идет перераспределение электронной плотности, и образуется конечный продукт (4) – карбоновая кислота.
Примером может быть гидролиз хлорангидрида ацетатной кислоты:
2). Взаимодействие с аммиаком.
(1) (2) (3) (4)
На стадии (1) идет атака молекулой аммиака как нуклеофилом на карбонильный углерод. Двойная связь углерод-кислород разрывается и аммиак присоединяется (2). Аммиак выталкивает из частицы (2) хлорид - анион и одновременно отщепляется протон от молекулы аммиака, так как азот становится четырехвалентным в результате присоединения (от положительного азота легко отщепляется протон). Образуется промежуточная частица (3), в которой идет перераспределение электронной плотности, и образуется конечный продукт (4) – амид.
Примером может быть взаимодействие хлорангидрида ацетатной кислоты с аммиаком:
2) Взаимодействие со спиртами. Спирты - слабые нуклеофилы. Но так как галогенангидриды высоко реакционноспособны, то реакция идет без катализатора. Графически это можно показать так:
(1) (2) (3) (4)
На стадии (1) идет атака молекулой спирта как нуклеофилом на карбонильный углерод. Двойная связь углерод-кислород разрывается и

спирт присоединяется (2). Спирт выталкивает из частицы (2) хлорид - анион и одновременно отщепляется протон от молекулы спирта, так как кислород становится трехвалентным в результате присоединения.
Образуется промежуточная частица (3), в которой идет перераспределение электронной плотности, и образуется конечный продукт (4) – сложный эфир.
Примером может быть взаимодействие хлорангидрида ацетатной кислоты с этанолом:
Биологическое значение реакций с галогенангидридами.
Как ацилирующий агент галорангидриды используются для синтеза лекарственных веществ, например