Раздел 3 Передача электронных влияний в биоорганических соединениях. Кислотно-основные свойства биоорганических соединений.

Исходный уровень знаний для усвоения темы основан на школьной программе химии, разделах 1, 2 данного пособия и протолитической теории кислот и оснований.

Гибридизация орбиталей, пространственная ориентация орбиталей, ковалентные σ - и π – связи, полярные и неполярные ковалентные связи, изменение электроотрицательности элементов в периоде и группе, функциональные группы, сопряженные системы, делокализация.

Для усвоения темы и приобретения компетенции по данному разделу надо знать:

- определения « индуктивный», «мезомерный» эффект,

- электронные эффекты заместителей в алифатических и сопряженных системах

- диаграммы распределения электронной плотности,

- определения «кислота», «основание» по теории Бренстеда- Лоури

- влияние факторов на изменение кислотно-основных свойств.

Ключевые слова.

Заместитель донорный, акцепторный, кислота, основание, распределение электронной плотности в молекуле биоорганического соединения, сопряженная кислота, сопряженное основание, теория Бренстеда - Лоури, электроотрицательность, эффект индуктивный, мезомерный.

Содержание раздела 3

3.1. Типы химических связей в биоорганических соединениях. Механизмы смещения электронной плотности (индуктивный и мезомерный эффекты). Группы «доноры» и «акцепторы»

3.1.2. Индуктивный эффект. Сравнительная электроотрицательность атомов и элементов. Обозначение индуктивного эффeкта. Диаграммы распределения электронной плотности.

Передача индуктивного эффекта по длине углеродной цепи. Понятие а- углеродный атом рядом с акцепторной группой (карбонильной, карбоксильной).

Примеры для иллюстрации индуктивных эффектов: кислоты этановая, пропановая, бутановая, 2-гидроксипропановая, 3-гидроксипропановая. Сравнение индуктивных эффектов двух групп: амино -NH2 и положительно заряженной триметиламмонийной - ⁺N(CH3)3 на примере

2-аминоэтанола-1 (коламина) и холина.

3.1.3.Мезомерый эффект в сопряженных системах. Донорные и акцепторные группы, знаки эффекта (± М).

3.1.3.1. Мезомерный эффект в ациклических сопряженных системах. Примеры для иллюстрации: хлорэтен (сравнить с хлорэтаном), пропеновая 2-бутеновая, 2-оксопропановая кислоты (сравнить с 2-гидроксипропановой).

3.1.3.2. Мезомерный эффект в карбоароматических соединениях. «Правило 2,4,6 ».

Примеры для иллюстрации: толуол, фенол, анилин, бензойная кислота.

3.1.3.3 Мезомерный эффект в гетероароматических соединениях.

Примеры для иллюстрации: пиридин, пиридиниевый катион, никотиновая кислота, пиримидин

Сравнение распределения электронной плотности и величин зарядов б+ в парах соединений: пиридин- пиримидин, пиридин - пиридиниевый катион,

Пиридин - никотиновая кислота, никотиновая кислота- катион никотиновой кислоты.

3.2. Кислотно - основные свойства биоорганических соединений (теория Бренстеда-Лоури). Определения кислота, сопряженное основание, основание, сопряженная кислота. Константа кислотности, основности. Значения рКа, рКв.

3.2.1. Кислотные свойства. Виды кислот (-ОН, -SH, -NН, -CH - кислоты), Факторы, влияющие на кислотные свойства:

-природа кислотного центра,

- полярность связи,

- влияние заместителей,

-поляризуемость атома (наибольшая у серы в сравнении с кислородом),

Изменение кислотных свойств в гомологических рядах.

Примеры: гомологические ряды

- спиртов: метанол, этанол, пропанол-1;

- монокарбоновых кислот: муравьиная, уксусная, пропановая и т.д.

-дикарбоновых кислот: щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая

Сравнение кислотных свойств

- одно – и многоатомных спиртов – этанол, глицерин

-аминоэтанола (коламина) и холина

- фенола и его производных – фенол, 4-нитрофенол, п-дигидроксибензол (гидрохинон),

- гидроксикарбоновых кислот (2-гидроксипропановая,

3-гидроксибутановая, 2-гидроксибутандиовая)

- оксокарбоновых кислот (2-оксопропановая, 3-оксобутановая, 2-оксобутандиовая)

- карбоновых кислот, гидрокси - и оксокарбоновых кислот между собой

3.2.2. Основные свойства. Факторы, влияющие на основные свойства:

- природа основного центра

- влияние заместителей

-изменение основных средств в гомологических рядах

Основные свойства азотсодержащих ароматических гетероциклических соединений и сравнение основных свойств.

Примеры:

- гомологический ряд аминов

- алифатические и ароматические амины - этиламин, анилин

- замещенные ароматические амины - анилин, 4-аминофенол

- пиридин, никотиновая кислота

- сравнение : амины, спирты, тиолы

Приложение. Основы теории.

Индуктивный и мезомерный эффекты.

Для объяснения направления и силы индуктивного эффекта надо знать ряд сравнительной электроотрицательности элементов.

Сравнительная электроотрицательность атомов и элементов:

А) С( sp³) < С( sp² ) < С (sp)

Б) С < N < O; C < галоген (F < Cl < Br < I)

Электронные эффекты функциональных групп

Таблица 3

№№	Группа	Значение индуктивного эффекта	Значение мезомерного эффекта
1	-СООН	- I	- M
2	- C=O	- I	- M
3	-OH	- I	+M
4	-NH2	- I	+M
5	галогены	- I	+M
6	Алкильные радикалы	+ I	+M (у группы СН3) в ароматическом цикле.

Знаки индуктивного эффекта (±I ). Обозначение индуктивного эффeкта: направление стрелки —> от донорной группы в сторону более э.о. атома или акцепторной группы по линии одинарной связи)

Знаки мезомерного эффекта (±М ). Обозначение мезомерного эффекта: « выгнутая» стрелка от донорной группы в сторону более э.о. атома или акцепторной группы.

Обучающая задача 1

Яблочная кислота образуется в митохондриях многих клеток. Составьте систематическое название и диаграмму распределения электронной плотности в молекуле,

Решение.

1. Запишем структурную формулу яблочной кислоты, в которой присутствуют σ- связи, образующие скелет молекулы, пронумеруем атомы, составим систематическое название о системе ИЮПАК: 2-гидроксибутандиовая кислота.

4 3 2 1

НООС- СН2-СН- СООН

|

ОН

2. Определим, каким индуктивным эффектом обладают функциональные группы: карбоксильная и гидроксильная. Они проявляют отрицательный индуктивный эффект ( -I )

3. Вновь запишем формулу кислоты и поставим знаки смещения электронной плотности в соответствии с эффектами групп и затем знаки частичных зарядов.

(- I) δ + δ + (- I)

НООС ← СН2 — СН→ СООН

↓

ОН (- I)

4. Остается обдумать: как смещается электронная плотность между атомами С2 и С3. Электронная плотность должна смещаться в сторону большего заряда δ +, который находится на атоме С2, поскольку с ним связаны две электроотрицательные группы.

Полная диаграмма распределения электронной плотности:

δ + δ +

НООС ← СН2 → СН→ СООН

↓

ОН

Обучающая задача 2

Составить диаграмму распределения электронной плотности в молекуле никотиновой кислоты.

δ +

рис 1. δ + δ +

Решение. рис. 2

1.Запишем формулу никотиновой кислоты (рис 1)

2. Определим эффекты циклического атома азота и карбоксильной группы. Атом азота обладает большей электроотрицательностью по сравнению с атомами углерода. Атом азота и карбоксильная группа по отношению к ароматической системе проявляют - М эффект, создают неравномерное распределение электронной плотности. В положениях 2,4,6 по отношению к ним, т.е. и к атому азота, и к карбоксильной группе, создается частичный заряд δ +. Места возникновения зарядов δ + совпадают. Получается сочетанное действие двух заместителей.

2. Составим диаграмму распределения электронной плотности (рис. 2). Стрелки указывают места формирования частичных δ + зарядов.

Кислотно-основные свойства биоорганических соединений

Акцепторные заместители увеличивают, донорные уменьшают кислотные

свойства, и наоборот, акцепторные заместители уменьшают основные

свойства и увеличивают кислотные.

Кислотные свойства в гомологических рядах убывают.

Сравнение кислотных свойств соединений с различными кислотными центрами:

R-SH > R-ОН > R –NН2

Проведем сравнение кислотных свойств нескольких соединений.

Гидрокси - и оксокарбоновые кислоты:

А) пропановая кислота < 2-гидроксипропановая < 2-оксопропановая

Б) янтарная < 2- гидроксиянтарная (яблочная) < 2-оксоянтарная (ЩУК)

В) 3-гидроксибутановая < 2-гидроксипропановая < 2-гидроксибутандиовая

Соединения с различными основными центрами

R –NН2 > R-ОН > R-SH

Основные свойства в гомологических рядах увеличиваются. Основность вторичных алифатических аминов выше, чем первичных (влияние + I эффекта алкильной группы)

СН3-NН2 < С2Н5- NН2 < С3Н7 - NН2

СН3-NН2 < СН3- NН - СН3

Основность ароматических аминов ниже по сравнению с алифатическими

( из-за +М-эффекта аминогруппы в ароматическом соединении, проявляющегося в существовании р-π сопряжения )

С6Н5- NН2 < С2Н5- NН2

В пептидных (амидных) группах основные свойства у атома азота исчезают.

В ароматических гетероциклических соединениях пиррольный атом азота теряет, пиридиновый атом азота - сохраняет основные свойства. У пиррола отсутствуют основные свойства, пиридин обладает основными свойствами.

В имидазоле один атом азота образует основный центр, другой атом азота – кислотный центр.

основный

центр

кислотный

центр

Обучающая задача 1.

Сравните основные свойства обеих аминогрупп в молекуле белого стрептоцида – одного из первых эффективных сульфаниламидных препаратов, которые успешно применяются при лечении бактериальных инфекций.

1. Запишем формулу белого стрептоцида- амида сульфаниловой кислоты. В молекуле две аминогруппы: ароматическая и амидная.

ароматическая амидная

2. Поставим первый вопрос: как влияет ароматическая система на основные свойства аминогруппы, связанной с бензольным циклом? Электроны неподеленной пары аминогруппы вовлекаются в сопряжение. Основные свойства аминогруппы снижаются по сравнении с алифатической аминогруппой (например, в этиламине С2Н5NH2).

3. Поставим второй вопрос: как изменяются основные свойства аминогруппы в составе сульфаниламидного фрагмента? Амидная группа полностью теряет основные свойства за счет очень сильного смещения электронной плотности от атома азота акцепторной группой SO2 (на атоме серы заряд δ+).

4. Слабые основные свойства проявляет только одна ароматическая аминогруппа, связанная с бензольным циклом.

Обучающая задача 2

В организме человека образуются кислоты: молочная (лактат) и β -гидроксимасляная. Обе кислоты снижают рН крови и могут быть причиной развития ацидоза. Сравните кислотные свойства карбоксильных и гидроксигруп в обеих кислотах.

Решение.

1.Запишем формулы обеих кислот

2- гидроксипропановая кислота 3-гидроксибутановая кислота

молочная кислота (лактат) (β-гидроксимасляная кислота)

2.Проведем анализ строения. Сходство: в составе обеих кислот присутствуют карбоксильная и гидроксигруппа. Известно, что кислотные свойства карбоксильной группы значительно больше, чем у гидроксильной. Обе группы обладают отрицательным (- I) индуктивным эффектом в отношении соседних атомов углерода. Отличие: разное расположение гидроксигрупп по отношению к сильному кислотному центру карбоксильной группе.

3. Индуктивный эффект передается по системе σ – связей. Чем ближе группы расположены, тем сильнее их влияние друг на друга.

4. В молочной кислоте гидроксигруппа расположена ближе к карбоксильной группе, во 2 (а) -положении, поэтому акцепторное индуктивное влияние проявляется сильнее по сравнению с β-гидроксимасляной кислотой, где гидроксигруппа расположена дальше, в 3(β ) – положении.

Поэтому 2-гидроксипропановая кислота сильнее, чем 3- гидроксибутановая.

5 Карбоксильные группы с их сильным отрицательным (- I) индуктивным эффектом увеличивают кислотные свойства гидроксигрупп. Вновь, в 2-гидроксипропановой кислоте карбоксильная группа оказывает более сильное действие по сравнению с 3-гидроксибутановой кислотой.

Кислотно-основные свойства биоорганических соединений

Таблица 4

Название	Структурная формула
	Органические кислоты	рКа
Муравьиная кислота	НСООН	3, 75
Уксусная кислота	С Н3 -СООН	4. 76
Щавелевая кислота	НООС-СООН	1,23
Малоновая кислота	НООС-СН2 -СООН	2, 8
Янтарная кислота	НООС-СН2-СН2-СООН	4, 17
Бензойная кислота	С6 Н5 -СООН	4, 19
Фумаровая кислота Малеиновая кислота	НООССН=СН СООН	3, 02 1, 92
Метанол	С Н3 -ОН	15,5
Этанол	С 2 Н5 -ОН	16, 0
Фенол	С6 Н5 -ОН	10, 0
	Органические основания	рК b
Аммиак	NH3	4.75
Метиламин	CН 3 -NH 2	3,36
Этиламин	С2 Н5 - NH2	3,33
Анилин	С6 Н5 - NH2	9,38
Пиридин	С5 Н5 N	8,96
Мочевина	NH2 -С( О ) - NH2	13,9

анилин фенол бензойная кислота