Рягин_ Лекция_Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильны. Химия31. 05. 01 Лечебное дело 31. 05. 03 Стоматология Семестр 11, 12
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
ХИМИЯ 31.05.01 Лечебное дело 31.05.03 Стоматология Семестр: 1/1, 1/2 УНИВЕРСИТЕТ «СИНЕРГИЯ» МЕДИЦИНСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ • Биофизическая и бионеорганическая химия • Биоорганическая химия ЛЕКЦИЯ 9. РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ К КАРБОНИЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЯМ • Карбонильные соединения – производные углеводородов, содержащие одну или несколько карбонильных (оксо-) групп >С=О Классификация: • В зависимости от заместителей, связанных с карбонильной группой (оксогруппой) • По числу карбонильных групп: диальдегиды и дикетоны, триальдегиды и трикетоны и т.д. Альдегиды Кетоны если карбонильная группа связана с водородом и углеводородным радикалом если карбонильная группа связана с только с углеводородными радикалами • По строению углеводородного радикала: алифатические (предельными и непредельные), алициклические, ароматические. В молекулах кетонов радикалы могут быть одинаковыми (симметричные кетоны) или разными (смешанные кетоны). Электронное строение карбонильных соединений Атом углерода карбонильной группы находится в состоянии sp 2 -гибридизации и связан с окружающими его атомами тремя σ-связями, расположенными в одной плоскости под углом 120°. Негибридизованная р-орбиталь атома углерода перекрывается с р - АО атома кислорода, образуя π-связь. Атом кислорода, как более электроотрицательного элемента, притягивает к себе σ - и π –электроны (последние более подвижны, так как значительно слабее удерживаются ядрами). Как результат, двойная связь карбонильной группы сильно поляризована, на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода — частичный положительный. Связь С=О по своей природе сходна с С=С в алкенах • Между атомами углерода и кислорода образуются σ - и π –связи; • Связь С=О – полярная связь, связь С=С в симметричных алкена – неполярная; • Связь С=О имеет длину 0,121 нм, т.е. меньше чем С=С в алкенах (0,134 нм). • Энергия связи С=О 708 кДж/моль – больше, чем связи С=С (620 кДж/моль). Физические свойства карбонильных соединений • В альдегидах водородные связи более слабые, чем в спиртах. Поэтому из всех альдегидов с одной карбонильной группой только формальдегид (С 1 ) представляет собой при комнатной температуре газообразное вещество. • Альдегиды С 2 -С 11 — жидкости, а альдегиды нормального строения с более длинным неразветвлённым углеродным скелетом (С 12 ) являются твёрдыми веществами. • Формальдегид – газообразное вещество с резким удушливым запахом. Остальные альдегиды и кетоны – сильно пахнущие бесцветные жидкости или твердые вещества. Высшие альдегиды обладают цветочными запахами. —С 7 гептаналь, обладающий «зеленым», травянистым запахом; — С 8 октаналь, обладающий апельсиновым запахом; — С 9 нонаналь, имеющий запах розы; — С 10 деканаль, напоминающий запахом цедру апельсина; — С 11 ундеканаль, являющийся альдегидом, который содержится в масле листьев кориандра; •Температуры кипения альдегидов с неразветвлённым строением углеродной цепи выше, чем у их изомеров. Они кипят при более низких температурах, чем спирты с тем же числом углеродных атомов. • Формальдегид и ацетальдегид практически неограниченно смешиваются с водой, однако с ростом длины углеродного скелета, растворимость альдегидов в воде сильно уменьшается. Химические свойства карбонильных соединений Реакционные центры в молекулах карбонильных соединений: •Электрофильный центр — карбонильный атом углерода, возникновение частичного положительного заряда на котором обусловлено полярностью связи С=О. Электрофильный центр участвует в реакциях нуклеофильного присоединения. • Основный центр — атом кислорода с НЭП. С участием основного центра осуществляется кислотный катализ в реакциях присоединения, а также процесс енолизации. • СН-Кислотный центр, возникновение которого обусловлено индуктивным эффектом карбонильной группы. При участии СН-кислотного центра протекают многие реакции карбонильных соединений, в частности реакции конденсации. • Связь С—Н в альдегидной группе, разрывающаяся в реакциях окисления. Все химические превращения карбонильных соединений преимущественно протекают с расщеплением: 1. π-связи в карбонильной группе; 2. Связи С-Н в альдегидной группе и связей С-С(α) в кетонах 3. Связи С(α) -Н I. Реакции нуклеофильного присоединения, протекающие с разрывом С=О связи В большинстве случаев эта реакция А N осуществляется по одной из двух следующих схем: ! В кислой среде активность карбонильной группы, как правило, увеличивается, поскольку вследствие протонирования атома кислорода на атоме углерода возникает положительный заряд. Кислотный катализ используют обычно тогда, когда атакующий нуклеофил обладает низкой активностью. В обоих случаях медленной, определяющей скорость всей реакции, стадией является стадия присоединения нуклеофила. Большинство реакций нуклеофильного присоединения обратимы. Факторы, влияющие на реакционную способность в А N 1.Влияние частичного положительного заряда δ+ Чем больше частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода, тем легче он атакуется нуклеофильной частицей. Электроноакцепторные заместители повышают реакционную способность альдегидов и кетонов, а электронодонорные снижают. Кетоны менее реакционноспособны, чем альдегиды, поскольку суммарное электронодонорное влияние двух углеводородных групп в кетонах сильнее по сравнению с одной группой в альдегидах. В ароматических соединениях бензольное кольцо, находящееся в сопряжении с карбонильной группой, проявляет более сильное электронодонорное действие, чем алкильная группа. В результате положительного мезомерного эффекта бензольного кольца снижается частичныйположительный заряд на карбонильном атоме углерода. Вследствие этого ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособны, чем алифатические. Факторы, влияющие на реакционную способность в А N 2.Влияние стерического фактора Стерические факторы также оказывают влияние на реакционную способность карбонильных соединений: объёмные группы затрудняют подход нуклеофила к карбонильному атому углерода и, следовательно, снижают скорость реакций. Некоторые реакции присоединения в этих случаях вообще не осуществляются. Например, 2,2,4,4-тетраметилпентанон-3 не вступает во многие реакции присоединения из-за экранирования реакционного центра (карбонильного атома углерода) двумя объёмными трет-бутильными группами. Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами • О – нуклеофильные реагенты: НОН, R – ОН, С 6 Н 5 ОН Реакции in vivo: • в растениях – синтез полисахаридов (полиацеталей) - крахмал, целлюлоза; • в организме человека – синтез гетерополисахаридов, например хондроитинсульфата; • выведения из организма токсических чужеродных соединений типа фенолов и спиртов, например фенола фенилглюкуронид; • в печени – синтез токсичного ацетальдегида из алкоголя; окисление избытка алкоголя ферментом АДГ до уксусной к-ты. Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами 1. Присоединение воды. Альдегиды и в меньшей степени кетоны обратимо присоединяют воду, образуя гидратные формы (гем-диолы). Формальдегид в водном растворе гидратирован почти на 100%, ацетальдегид и пропаналь – на 51 и 46% соответственно; в водном растворе ацетона гидратная форма практически отсутствует. Трихлороуксусный альдегид (хлораль) гидратирован полностью. Электроноакцепторная трихлорометильная группа настолько стабилизирует хлоральгидрат, что это кристаллическое вещество отщепляет воду только при перегонке в присутствии дегидратирующих веществ - серной кислоты и др. 2. Присоединение спиртов. При взаимодействии альдегидов со спиртами образуются полуацетали, а в присутствии следов минеральных кислот — ацетали. ! Кетоны со спиртами не взаимодействуют. Полуацетали, как правило, малоустойчивы. Исключение составляют циклические полуацетали, образующиеся самопроизвольно из ϒ- и δ-гидроксиальдегидов: Полуацетали при последующем взаимодействии со второй молекулой спирта превращаются в ацетали. Ацетали – устойчивые вещества в щелочной среде, в кислой гидрализуются. Реакцию ацетализации используют для «защиты» альдегидной группы, если нужно, чтобы она не вступала в реакцию. Применение кислотного катализатора при превращении полуацеталя в ацеталь становится понятным из приведенного ниже механизма реакции. Центральное место в нем занимает образование карбо- катиона (I), стабилизированного за счет участия неподеленной пары электронов соседнего атома кислорода (+M-эффект группы С 2 Н 5 О). Реакции с азотсодержащими нуклеофилами • N - нуклеофильные реагенты: NH 3 , H 2 N-CHR 2 , R-NH 2 , (R 3 )N (реакции присоединения аммиака, аминов). Реакции in vivo: • образование имина: образование родопсина за счет групп NH 2 (белок опсин) и О=С (ретиналь - витамин А) - обеспечивает светочуствительность глаз в условиях слабой освещенности; • реакции переаминирования – основной процесс синтеза и распада аминокислот в организме; • реакции обезвреживания аммиака ( в присутствии биокатализаторов - трансаминаз); • синтез глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой кислоты (метаболит цикл Кребса) и ее превращение в ГАМК (регулятор нервного импульса). 3. Присоединение аминов и их производных. Амины и другие азотсодержащие соединения общей формулы NH 2 X (X = R, NHR) реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала образуются продукты нуклеофильного присоединения, которые затем вследствие неустойчивости отщепляют воду. В связи с этим данный процесс в целом классифицируют как реакцию присоединения-отщепления. В случае первичных аминов получаются замещенные имины (их называют также основаниями Шиффа). Имины - промежуточные продукты многих ферментативных процессов. Получение иминов проходит через стадию образования аминоспиртов, которые бывают относительно устойчивы, например при взаимодействии формальдегида с α- аминокислотами. Реакции с углеродсодержащими нуклеофилами C – нуклеофильные реагенты: НСN, альдегиды, кетоны. (альдольная, кротоновая конденсации). Реакции in vivo: АЛЬДОЛЬНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ: • в растениях - процесс фотосинтеза глюкозы; • в животных клетках – образование новых «С – С» связей, превращение фосфорных эфиров углеводов, • биосинтез лимонной кислоты в цикле Кребса, • синтез в нервных, мозговых клетках нейраминовой кислоты, • процесс взаимопревращения жиров в углеводы КРОТОНОВАЯ КОНДЕНСАЦИЯ: В организме с помощью этой реакции идет создание новых С-С- связей. Например, в биосинтезе углеводов (глюконеогенез). 4. Реакция с циановодородной кислотой. Такая реакция приводит к образованию - гидроксинитрилов. В реакцию вступают альдегиды и кетоны. Реакция катализируется основаниями Гидролиз -гидроксинитрилов приводит к образованию α-гидроксикарбоновых кислот: Ферментативное разложение гидроксинитрилов: 5. Реакции полимеризации. Эти реакции свойственны в основном альдегидам. При нагревании с минеральными кислотами полимеры альдегидов распадаются на исходные продукты. Образование полимеров можно рассматривать как результат нуклеофильной атаки атомом кислорода одной молекулы альдегида карбонильного атома углерода другой молекулы. Так, при стоянии 40% водного раствора (формалина) выпадает в виде белого осадка полимер формальдегида - параформ. 6. Альдольная и кротоновая конденсация. Конденсацией называют реакцию, приводящую к возникновению новой углерод- углеродной связи, причем из двух или нескольких относительно простых молекул образуется новая, более сложная молекула. В результате конденсации выделяется вода или другое низкомолекулярное соединение. Альдегиды и кетоны способны вступать в различные реакции конденсации с соединениями, обладающими СН-кислотными свойствами. Соединение, содержащее подвижный водород, в этих реакциях выступает в качестве нуклеофильного реагента и называется метиленовой компонентой (Х и Y - электроноакцепторные заместители, один или два), а альдегид или кетон - карбонильной компонентой. Реакция сопровождается отщеплением воды. В слабощелочной среде гидроксид-ион отщепляет протон от β-углеродного атома альдегида с образованием сопряженного енолят-аниона: Енолят-анион обладает сильными нуклеофильными свойствами и атакует атом углерода карбонильной группы второй молекулы альдегида с образованием альдоля: Продукты альдольной конденсации — β-гидроксиальдегиды — при нагрева- нии легко теряют воду, превращаясь в α, β -ненасыщенные альдегиды: Реакции с серосодержащими нуклеофилами 6. 8. Присоединение гидросульфита натрия. Образующиеся сульфопроизводные выпадают в белый осадок из водных растворов, поэтому реакцию используют для идентификации альдегидов и метилкетонов . Сульфопроизводные легко разлагаются при нагревании с образованием исходных веществ. Механизм реакции: Гидросульфитные производные гидролизируются в исходные соединения в кислой или щелочной среде, их образование используется в целях выделения из смеси и очистки карбонильных соединений. |