Тема 2. Биологически важные реакции, кислотность и основность органических соединений. Строение и свойства поли- и гетерофункциональных соединений

Кислотность и основность органических соединений.

Для оценки кислотности и основности органических соединений наибольшее значение имеют две теории – теория Бренстеда и теория Льюиса.

По теории Льюиса кислотные и основные свойства соединений определяются их способностью принимать или отдавать пару электронов с образованием связи.

По теории Бренстеда (протолитической теории) кислотность и основность соединений связывается с переносом протона Н⁺.

Кислоты Бренстеда (протонные кислоты) – нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон (доноры протонов).

Основания Бренстеда – нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протонов).

В зависимости от природы элемента, с которым связан протон, различают ОН- кислоты (карбоновые кислоты, спирты), SH-кислоты (тиолы), NН-кислоты (амиды, имиды), СН-кислоты (углеводороды, например, алкины с концевой тройной связью). Самыми сильными кислотными свойствами обладают карбоновые кислоты, основными – амины.

Наличие в молекуле электроноакцепторных групп, обладающих отрицательными электронными эффектами (смещающих электронную плотность связи от атома углерода к гетероатому функциональной группы), увеличивает положительный заряд на протоне, что приводит к усилению кислотных свойств. Наличие электронодонорных заместителей (смещающих электронную плотность связи от функциональной группы к атому углерода) увеличивает основность органических соединений.

Так, например, кислотность хлоруксусной кислоты выше по сравнению с уксусной кислотой, а основность диметиламина выше, чем у метиламина.

Кислотно-основные свойства лекарственных препаратов используются для получения их водорастворимых форм. Так, для придания растворимости в воде (для инъекций) новокаин превращают в соль (гидрохлорид).

Препараты кислотной природы лучше всасываются из желудка (pH 1-3), а всасывание лекарств-оснований происходит только после того, когда они пройдут из желудка в кишечник (pH 7-8). В течение одного часа из желудка крыс всасывается почти 60% ацетилсалициловой кислоты и только 6% анилина от введенной дозы. В кишечнике крыс всасывается уже 56% от введенной дозы анилина.

Классификация химических реакций

1. По электронной природе реагентов различают нуклеофильные, электрофильные, свободнорадикальные реакции.

2. По изменению числа частиц в ходе реакции выделяют реакции замещения, присоединения, отщепления, разложения.

3. По изменению степени окисления элементов – окислительно-восстановительные.

4. По типу активации различают каталитические и некаталитические реакции.

5. По наличию границы раздела фаз реакции могут быть гомогенные и гетерогенные.

6. По тепловому эффекту различают экзо- и эндотермические реакции.

7. Химические реакции могут протекать селективно (с образованием только одного из многих возможных продуктов) и неселективно (с образованием всех возможных продуктов).

8. В органической химии реакции часто классифицируют по частным признакам:

– гидратация – присоединение воды по двойной связи:

СН₃–CH = CH₂ + H₂О ® СН₃–CH(ОН)–CH₃;

– дегидратация – отщепление воды с образованием непредельного соединения:

СН₃–CH(ОН)–CH₃ ® СН₃–CH = CH₂ + H₂О;

– гидрирование – присоединение водорода по двойной связи:

СН₃–CH = CH₂ + H₂ ® СН₃–CH₂–CH₃ или СН₃–CО–CH₃ + H₂ ® СН₃–CH(ОН)–CH₃;

– дегидрирование – отщепление водорода с образованием непредельного соединения:

СН₃–CH₂–CH₃ ® СН₃–CH = CH₂ + H₂

– нитрование – взаимодействие с азотной кислотой, в результате которого атом водорода в молекуле субстрата замещается на нитрогруппу:

СН₃–CH₃ + HNO₃ ® СН₃–CH₂NO₂ + H₂O;

– галогенирование – взаимодействие с галогеном, при этом атом водорода в молекуле субстрата замещается на атом галогена или атомы галогена присоединяются по кратной связи:

СН₄ + С1₂ ® СН₃С1 + НC1 или CH₂ = CH₂ + Br₂ ® CH₂Br – CH₂Br;

– дегалогенирование – отщепление молекулы галогена с образованием кратной связи или циклического соединения: CH₂Br – CH₂Br ® CH₂ = CH₂ + Br₂;

– гидрогалогенирование – взаимодействие с галогеноводородом, в результате которого атомы водорода и галогена присоединяются по кратной связи:

CH₂ = CH₂ + HBr ® CH₂Br–СH₃;

– дегидрогалогенирование – отщепление молекулы галогеноводорода с образованием кратной связи: CH₂Br–СH₃ ® CH₂ = CH₂ + HBr;

– сульфирование – взаимодействие с серной кислотой или олеумом, в результате которого атом водорода в молекуле субстрата замещается на сульфогруппу:

СН₃–CH₃ + H₂SO₄ ® СН₃–CH₂SO₃H + H₂O;

– гидролиз – взаимодействие сложного субстрата с водой с образованием более простых соединений, например при гидролизе белков образуется смесь аминокислот.

– карбоксилирование – реакция, в результате которой в продукте реакции появляется карбоксильная группа; так в присутствии АТФ пировиноградная кислота в организме превращается в ацетоуксусную кислоту:

СН₃–СО–СООН+СО₂+АТФ ® НООС–СН₂–СО–СООН+АДФ+ Н₃РО₄;

– декарбоксилирование – реакция, в результате которой от субстрата отщепляется карбоксильная группа в виде углекислого газа: R–CH(NH₂)–COOH ® R–CH₂NH₂ + CO₂;

– дезаминирование – отщепление от молекулы субстрата аминогруппы; в зависимости от условий реакции или типа действующего фермента могут протекать следующие реакции:

– окислительное дезаминирование, в результате которого аминогруппа замещается на оксогруппу: R–CH(NH₂)–COOH + [O] ® R–СО–CООН + NH₃;

– гидролитическое дезаминирование, в результате которого аминогруппа замещается на гидроксигруппу: R–CH(NH₂)–COOH + H₂O ® R–СН(ОН)–CООН + NH₃;

– внутримолекулярной дезаминирование, в результате которого образуется непредельное соединение: R–CH₂–CH(NH₂)–COOH ® R–CH=CH–CООН + NH₃;

– восстановительное дезаминирование, в результате которого аминогруппа замещается на атом водорода: R–CH(NH₂)–COOH + [Н] ® R–CH₂–CООН + NH₃;

– дезаминирование in vitro под действием азотистой кислоты с образованием гидроксисоединений: R–CH(NH₂)–COOH + НNО₂ ® R–СН(ОН)–CООН + N₂­ + H₂O;

– изомеризация – превращение субстрата в изомер, т.е. соединение, имеющее тот же качественный или количественный состав, но другое строение:

В органической химии к реакциям восстановления относятся реакции гидрирования, а к реакциям окисления – реакции дегидрирования и те реакции, в результате которых к молекуле субстрата присоединяются атомы кислорода. Соединения, замедляющие процессы окисления называют антиокислителями (антиоксидантами).

С классификацией реакций по частным признакам часто связаны названия ферментов. Так, ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, называются оксидоредуктазы; реакции отщепления водорода (дегидрирования) катализируются дегидрогеназами; реакции декарбоксилирования ускоряют декарбоксилазы, а дезаминирования – дезаминазы; для того, чтобы в организме прошла реакция изомеризации потребуются изомеразы, а для реакции гидролиза необходимы гидролазы.

Строение и свойства поли- и гетерофункциональных соединений

Большинство органических веществ, участвующих в процессах метаболизма, представляют собой соединения с двумя и более функциональными группами. Такие соединения принято классифицировать следующим образом:

1) полифункциональные, содержащие одинаковые функциональные группы, например: этиленгликоль СН₂ОН – СН₂ОН, щавелевая кислота НООС–СООН;

2) гетерофункциональные, содержащие различные функциональные группы, например: коламин СН₂ОН–CH₂NH₂, пировиноградная кислота СН₃–СО–СООН;

3) гетерополифункциональные, например: различные моносахариды, яблочная кислота.

Наличие нескольких функциональных групп в молекуле приводит, с одной стороны, к усилению или ослаблению реакционной способности соединений, а с другой – к появлению нехарактерных для монофункциональных соединений специфических свойств, что очень важно для обеспечения биологических функций, выполняемых этими веществами в организме.

Многие гетерофункциональные производные бензола применяют в качестве лекарственных препаратов.

Кислотно-основные свойства. Общая закономерность: наличие в молекуле групп –ОН, –SH, –СООН приводит к усилению ее кислотных свойств, а аминогрупп – к усилению основных свойств. Наличие в молекуле групп, различных по кислотно-основным свойствам, обусловливает амфотерные свойства соединений. Предельным случаем является полный перенос протона от кислотного центра к основному, например в -аминокислотах, которые в кристаллическом состоянии, а так же в нейтральном водном растворе существуют в форме цвиттер-иона (биполярного иона, внутренней соли): H₃N⁺–CH(R) –COO^–.

Нуклеофильно-электрофильные свойства. Общая закономерность: наличие электроноакцепторного заместителя облегчает протекание нуклеофильных реакций и затрудняет протекание электрофильных реакций. Так, в присутствии карбоксильной группы атом галогена, например в - галогенкарбоновых кислотах, легко замещается не только на гидроксильную группу (при взаимодействии со щелочами), но и на аминогруппу (при взаимодействии с аммиаком): R–CH(Cl)–COOH + 3NH₃  R–CH(NH₂)–COONH₄ + NH₄C1

Реакции циклизации. Относятся к специфическим реакциям гетерофункциональных соединений и могут протекать как внутримолекулярно, так и межмолекулярно в зависимости от удаленности функциональных групп друг от друга.

Внутримолекулярная циклизация. Общая закономерность: реакции характерны для гетерофункциональных соединений с - и -положением функциональных групп.

В результате реакций внутримолекулярной циклизации могут образоваться циклические полуацетали из альдегидоспиртов, циклические эфиры – лактоны – из гидроксикислот

циклические амиды – лактамы – из аминокислот:

М ежмолекулярная циклизация. Выполняется общая закономерность: реакции характерны для замещенных кислот, проходят по механизму межмолекулярного элиминирования и сопровождаются образованием устойчивых шестичленных циклов – циклических диэфиров – лактидов из -гидроксикислот; например, образование лактида молочной кислоты или циклических диамидов – дикетопиперазидов из -аминокислот:

Реакции комплексообразования. Выполняется общая закономерность: поли- и гетерофункциональные соединения с -положением функциональной группы выступают в роли бидентатных или полидентатных лигандов при взаимодействии с ионами переходных металлов с образованием внутрикомплексных соединений – хелатов.

Реакции хелатообразования являются специфическим свойством поли- и гетерофункциональных соединений; чрезвычайно широко распространены и играют существенную роль в процессах метаболизма. Один из примеров – образование внутрикомплексной соли – глицината меди – при взаимодействии в растворе аминоуксусной кислоты с солями меди (II):

Эту реакцию используют как качественную при идентификации поли- и гетерофункциональных соединений. Реакцию проводят со свежеосаждённым гидроксидом меди (II), который представляет собой осадок голубого цвета. При добавлении, например, многоатомных спиртов (этиленгликоль, глицерин), осадок растворяется, т.к. образуется водорастворимый комплекс ярко-синего цвета.

Хелаты представляют собой устойчивые циклические комплексные соединения. Большинство ионов биометаллов в организме находятся в виде хелатных комплексов с органическими биолигандами. Примерами таких соединений являются гем, хлорофилл, витамин В₁₂, структуры которых представлены на рис. 7.

Рисунок 7. Структуры гемма (а), хлорофилла (б), витамина В₁₂ (в).