Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

цис-изомером, а если они расположены с противоположных сто­ рон - транс-изомером:

цис-т ранс-Изомеры отличаются друг от друга не только фи­ зическими и химическими свойствами, но и биологической ак­ тивностью, на что уже было указано в разд. 10.2 .

Геометрическая изомерия часто встречается среди природных соединений, в частности сопряженных полиенов. Так, ретинальактивная форма витамина А представлена в организме в виде транс-изомера, который под действием фермента ретинальизомеразы превращается в гщс-ретиналь. При поглощении света проте­ кает фотоизомеризация цис-ретиналя обратно в транс-изомер. Эта реакция лежит в основе возбуждения палочек сетчатки глаза.

рода в состоянии зр3-гибридизации, связанный с четырьмя раз­ личными атомами или группами. Такой атом углерода называет­ ся асимметрическим и обозначается С*. Оптические изомеры отличаются друг от друга как несимметричный предмет от сво­ его изображения в зеркале, и их нельзя перевести друг в друга путем внутреннего вращения (рис. 15.3). Другими словами, изомеры L и D относятся друг к другу как левая рука к правой

центром. В большинстве случаев наличие хирального атома в молекуле уж е служит указанием на ее хиральность.

У оптических изомеров физические и химические свойства идентичны, но по отношению к плоскополяризованному свету они ведут себя по-разному. Один из изомеров называется левовращаю-

386

З ер к а л о

Зеркало

П-(-)-энантиомер ' ' Ь-(+)-энантиомер

молочной кислоты

Рис. 15.3. Хиральные объекты

гцим, так как он поворачивает плоскость поляризации света на определенный угол влево (т. е. против часовой стрелки) и обозна­ чается (-), а другой изомер - вправо на такой же угол и называет­ ся правовращающим (+). Оптические изомеры называют также

оптическими антиподами или энантиомерами. Эквимолярная смесь энантиомеров называется рацематом. Рацематы оптически неактивны. Таким образом, энантиомеры одного и того же вещест­ ва не могут непосредственно перейти друг в друга, и поэтому оп­ тическая изомерия не может иметь равновесный характер.

Хиральность характерна для всех природных аминокислот, кроме глицина, поскольку их молекулы содержат асимметричный атом углерода, вокруг которого располагаются четыре различных

4*

заместителя (—R, —Н, —СОО~, —NH3 ):

Зеркало

а-аминокислоты

Оптические изомеры а-аминокислот в соответствии с их ис­ тинной конфигурацией обозначаются буквами L и D, а по новой системе - S и R соответственно. Природные а-аминокислоты в подавляющем большинстве относятся к Ц 8 )-энантиомерам ле­ вовращ ающ им ( - ) . Использование для построения белков в ор­ ганизме человека только L-энантиомеров имеет важнейшее зна­ чение для формирования пространственной структуры белков. С этим непосредственно связана стереоспецифичность действия ферментов. Молекулы ферментов хиральны и вступают во взаи­ модействие только с теми субстратами, которые также имеют определенную конфигурацию. П оэтому биологической активно­ стью обычно обладает лишь один стереоизомер, а другие значи­ тельно менее активны или вообще неактивны.

387

1 3 *

15.3.ПОНЯТИЕ О ВЗАИМНОМ ВЛИЯНИИ АТОМОВ

ВМОЛЕКУЛЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ

Согласно теории А . М. Бутлерова свойства и реакционная способность молекулы во многом зависят от взаимного влияния атомов или групп атомов друг на друга.

Врезультате взаимного влияния атомов и электронов связей

вмолекулах происходит перераспределение электронной плотно­ сти, что вызывает изменение реакционной способности отдельных связей и молекулы в целом. Замена в соединении атома одного элемента атомом другого элемента или группой атомов приводит не только к изменению распределения электронной плотности в новой связи, но и вызывает соответствующие изменения электрон­ ных плотностей нескольких соседних связей. Различают элект ро­

местители. При рассмотрении электронных смещений необходи­ мо четко различать электронные эффекты в насыщенных систе­ мах связей и в сопряженных системах (разд. 2.1.3).

Электронные эф ф екты в насы щ енны х си стем ах. Замести­ тель, вызвавш ий появление в молекуле полярной связи, сп о­ собствует поляризации ближайш их двух-трех а-молекулярных орбиталей (а-связей) и приводит к возникновению частичных зарядов (8) на соседних атомах. Такой электронный эффект за­ местителя называется индуктивным (/-эф ф ект).

И ндукт ивный эффект - влияние заместителя на элек­ «тронную плот ност ь молекулы пут ем см ещ ения элек­

тронов о-связей.

Направление индуктивного эффекта заместителя принято ка­ чественно оценивать путем сравнения с атомом водорода, индук­ тивный эффект которого условно принят за 0. Электроноакцеп­ торные заместители (X ), уменьшающие электронную плотность соседних а-связей, проявляют отрицательный индуктивный эф­ фект ( - /) . Электронодонорные заместители (Y), увеличивающие электронную плотность соседних a -связей, проявляют полож и­ т ельный индуктивный эффект (+ /).

Э л е к т р о н о а к ц е п т о р н ы м и з а м е с т и т е л я м и ( - / ) яв­ ляются: —F, —Cl, —Br, —I, —ОН, —OR, —N H 2, —N R2, —N+R3,

/ С = 0 , —COOH, —N 0 2, —S 03H; они оттягивают на себя общ ую

электронную пару G-связи, вызывая появление частичных по­ ложительных зарядов (8+) на соседних атомах.

+\

388

группы —0~, —S” , атомы металлов. Они способствую т повыш е­ нию электронной плотности в цепи и появлению частичных от­ рицательных зарядов (8- ) на соседних атомах.

Графически действие индуктивного эффекта изображают стрел­ кой, совпадающей с положением черточки связи и направленной острием в сторону более электроотрицательного атома. И ндук­ тивный эффект из-за слабой поляризуемости a -связей быстро затухает по углеродной цепи: 5' > 5" > 5'".

Электронные эффекты в сопряженных системах. В отличие от насыщ енных систем, в которы х электронное влияние замес­ тителя (индуктивный эффект) передается по G - с в я з я м , в сопря­ женных системах в передаче электронного влияния участвуют' электроны л-молекулярных орбиталей (л-электроны) делокали­ зованных связей. При этом заместитель сам является участни­ ком сопряженной системы. Такой вид передачи электронного эффекта называется мезомерным (М -эф ф ект ) или эффектом сопряж ения.

Мезомерный эффект - влияние заместителя на элек­ тронную плотность молекулы путем смещения л-элек- тронов кратных связей или неподеленных элект ронных пар гетероатомов.

Смещение подвиж ных электронов в результате мезомерного эффекта графически обозначается изогнутыми стрелками, на­

щ аются. В отличие от индуктивного, мезомерный эффект не затухает в пределах всей сопряженной системы, так как л- и р- электроны более подвижны, чем о»-электроны.

Заместители, способные к отдаче своей пары электронов в общ ую сопряж енную систему, являются электронодонорными и проявляю т полож ительный мезомерный эффект. +М -Эф фект характерен для заместителей, содерж ащ их гетероатомы с неподеленной парой электронов или целым отрицательным за­ рядом:

Заместители, являющиеся участниками сопряженной системы и содержащие кратную связь с электроотрицательным атомом, от­ тягивающим на себя делокализованную электронную плотность системы, проявляют отрицательный мезомерный эффект (-М ):

389

Большинство функциональных групп проявляет и индуктив­ ные, и мезомерные эффекты, действие которых может быть как однонаправленным, так и разнонаправленным. Поэтому при оцен­ ке влияния заместителей на распределение электронной плотно­ сти в молекуле необходимо учитывать результирующее действие индуктивного и мезомерного эффектов (табл. 15.3).

Таблица 15.3

Электронные эффекты заместителей

Электронные

Заместители

эффекты

+J (М = 0) Алкильные заместители (-R )

* У заместителя мезомерный эффект преобладает над индуктивным эффектом.

С помощ ью табл. 15.3 мож но прогнозировать характер из­ менения электронной плотности на реакционном центре моле­ кулы, вызванного заместителем.

15.4.КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

ИИХ КОМПОНЕНТОВ

Реакции с участием органических соединений подчиняются тем же законам, что и реакции в неорганической химии, хотя и имеют некоторые специфические особенности. В неорганиче­ ской химии в реакциях обычно участвуют ионы, поэтому они протекают очень быстро, а иногда - мгновенно. В реакциях ор­ ганической химии обычно участвуют молекулы, при этом раз­ рываются одни ковалентные связи и образуются новые. Эти ре­ акции протекают значительно медленнее, чем ионные, и для их

390

успешного осуществления часто необходимы жесткие условия: повышенная температура, повышенное давление и катализаторы. В отличие от неорганических, органические реакции редко при­ водят к высокому выходу продукта (более 80 %), так как обычно протекает не одна, а несколько реакций. Поэтому в органической химии используются не химические уравнения, а схемы реакций, в которых обычно не приводятся стехиометрические соотношения между участниками, но указываются условия проведения реак­ ции. Например, реакция этилена с водой, протекающая при по­ вышенной температуре, повышенном давлении и в присутствии кислотного катализатора, записывается так:

В ходе большинства биохимических реакций изменению подвергается не вся молекула органического соединения, как это обычно бывает с неорганическими веществами, а только ее часть, которая называется реакционным центром. Реакционные центры в зависимости от природы и структуры имеют разную степень сродства к атакующим частицам, и их можно подразде­ лять в зависимости от типа органической реакции.

Реакции в органической химии принято классифицировать по механизму их протекания и по конечному результату химиче­ ского превращения. По механизму протекания реакции делятся на гетеролитические (элект рофильно-нуклеофильные) и гомолитические ( свободнорадикальные). Поскольку названия «элек­ трофильно-нуклеофильные» или «свободнорадикальные» указыва­ ют на характер реагирующих частиц, то они используются в учеб­ нике для харатеристики механизма реакции.

Электрофильно-нуклеофильные реакции сопровождаются гетеролизом полярной ковалентной связи между фрагментами (А8*—В8-), причем так, что ее общая электронная пара сильно сме-

смещается к одному фрагменту молекулы ШВ8" , превращая его в нуклеофил, а у другого фрагмента возникает дефицит электро­ нов ( ) , превращая его в электрофил:

где А и В обозначают атомы или группы атомов, связанные по­ лярной ковалентной связью. При полном гетеролизе связь раз­ рывается с образованием катиона А + - сильного электрофила - и аниона В ' - сильного нуклеофила. Процесс гетеролиза кова­ лентной связи можно рассматривать как расщепление этой связи по донорно-акцепторному механизму.

Гетеролиз ковалентной связи происходит и в молекуле суб­ страта, и в молекуле реагента. Результатом электрофильно-ну­

391

клеофильной реакции является взаимодействие между фрагмен­ тами реагента и субстрата, проявляющ ими противополож ны е свойства.

Электрофилами называются частицы или фрагменты молекул, содерж ащие свободную , дост упную орбиталь и имеющие недост ат ок электронной плотности, которые в результ ат е реакции образуют связь с новым нуклео­ филом, акцептируя у него оба электрона на свою ва­ кант ную орбиталь.

Электрофилами являются положительно заряженные частицы или фрагменты молекул, проявляющие высокое сродство к электрон­ ной паре нуклеофила:

Н-электрофил: протон (Н +); С-электрофилы: карбкатионы (ИзС®) или соединения с силь-

N -электрофилы: R2N— X , X — NO2;

Галогены, атомы которы х несут частичный положительный заряд: Гал6+—Т ал 6-.

В электрофильно-нуклеофильных реакциях электрофил вы ­ ступает акцептором электронной пары нуклеофила. К электро­ филам такж е относятся все кислоты (доноры протона) при ки ­ слотно-основном взаимодействии, все окислители (акцепторы электронов) при окислительно-восстановительном взаимодейст­ вии и все комплексоообразователи (акцепторы электронов) в реакциях комплексообразования.

Нуклеофилами называются частицы или фрагменты молекул, содерж ащие подвижную электронную пару, ко­ торые в результ ат е реакции образуют связь с новым электрофилом, отдавая ему эт у электронную пару.

Нуклеофилами являются отрицательно заряженные частицы или фрагменты молекул, проявляющие высокое сродство к электро­ филу:

С-нуклеофилы: карбанионы ( R 3C0 ), металлоорганические со ­

единения (КзС§~—М б+), ненасыщ енные соединения (R 2C = C R 2, RC=CR);

N -нуклеофилы: NH3, R N H 2, R 2NH, R 3N;

О-нуклеофилы: Н26, R — 6 — R ', НО", R 0 6— М6* ;

392

S-нуклеофилы: H2S, R — S— R ', HS", R S 5-— M*+; Галогенид-анионы: F- , Cl- , Br- , I- .

В электрофильно-нуклеофильных реакциях нуклеофил вы ­ ступает донором электронной пары. К нуклеофилам такж е от­

взаимодействии и все лиганды в реакциях ком плексообразования.

Таким образом, используемые в органической химии поня­ тия электрофил и нуклеофил имеют более ш ирокий смысл, чем понятия кислота и основание, окислитель и восстановитель, комплексообразователь и лиганд, используемые в неорганической хи­ мии. Однако суть электрофильно-нуклеофильных реакций, подоб­ но кислотно-основным, окислительно-восстановительным и реак­ циям комплексообразования, также заключается в донорно-ак­ цепторном взаимодействии компонентов с противополож ными свойствами.

Электрофильно-нуклеофильные свойства органических соеди­ нений проявляются прежде всего в их способности вступать в ре­ акции: кислотно-основны е, окислительно-восстановительные и комплексообразования. Органические соединения вступают также и в другие электрофильно-нуклеофильные реакции, которые нель­ зя отнести к вышеуказанным. В основном именно для этих реак­ ций в данном учебнике будет использоваться термин «электро­ фильно-нуклеофильная реакция».

Электроф илы и нуклеофилы характеризую тся различной поляризуемостью и качественно подразделяются (разд. 2 .1.3) на ж ест кие (низкая поляризуемость) и мягкие (высокая поляри­ зуемость).

Ж е с т к и е э л е к т р о ф и л ы имеют сравнительно большой положительный заряд, а их свободная орбиталь, на которую перейдет электронная пара нуклеофила, имеет низкий уровень энергии. Ж есткими электрофилами являются:

Н+, Na+, К \ Mg2+, Са2+, Mn2+, Al3+, А1С13, BF3, R C =0

Ж е с т к и е н у к л е о ф и л ы хорош о удерживают свою элек­ тронную пару, поскольку ее орбиталь расположена близко к яд­ рам атомов и имеет низкий уровень энергии. Донорными атома­ ми в ж естких нуклеофилах могут быть кислород, азот, хлор, фтор. Ж естким и нуклеофилами являются:

Н20, ОН", ROH, RCT, ROR, RCOO", NH3, RNH2, RNH", СГ, F-

Ж есткие нуклеофилы трудно окисляются.

М я г к и е э л е к т р о ф и л ы содержат акцепторные атомы большого размера с невысокой электроотрицательностью и с ма­ лым положительным зарядом. Их свободная орбиталь, прини­

393

мающая электронную пару нуклеофила, имеет высокий уровень энергии. М ягкими электрофилами являются:

Нg2\ Cu+, Ag+, —15+, —Br5+

М я г к и е н у к л е о ф и л ы плохо удерживают свою элек­ тронную пару, поскольку ее орбиталь удалена от ядер атомов и имеет вы сокий уровень энергии. Донорными атомами в мягких нуклеофилах выступают атомы серы, иода и углерода.

М ягкими нуклеофилами являются:

RS~, RSR, RSH, Г , RC=CR, R2C=C R 2

М ягкие нуклеофилы довольно легко окисляются.

Сущ ествуют электрофилы и нуклеофилы, которые занимают промеж уточное положение.

Электрофилы: Cu2+, Fe2+, Zn2+, ИзС+, CgHg

Нуклеофилы: Br~, C6H5NH2 .

В соответствии с принципом Пирсона более стабильная связь образуется при взаимодействии ж есткого электрофила с ж ест­ ким нуклеофилом или мягкого электрофила с мягким нуклео­ филом. На основе этого принципа мож но качественно оценить реакционную способность при взаимодействии нуклеофилов и электрофилов различного типа.

В органической химии электрофильно-нуклеофильные реак­ ции принято называть по характеру частицы, которой реагент атакует субстрат. Этот выбор можно объяснить тем, что реагент обычно является более простой молекулой, в которой проще оп­ ределить состав электрофильного и нуклеофильного фрагмента и их активность, а следовательно, и характер атакующей частицы.

Продукты

реакции

Внуклеофильных реакциях реагент принято называть нук­ леофилом.

Ворганической химии нуклеофильность реагента характери­ зует его способность взаимодействовать с атомом углерода суб­ страта, несущим полный или частичный положительный заряд.

II Элект роф ильной называет ся реакция, при которой реа-

||гент ат акует субстрат своим электрофилом; она обо-

||значает ся индексом Е (electrophile).

394

Вэлектрофильных реакциях реагент принято называть элек­ трофилом. В органической химии электрофильность реагента ха­ рактеризует его способность взаимодействовать с атомом углерода субстрата, несущим полный или частичный отрицательный заряд.

Вдействительности механизм и результат любой электро­ фильно-нуклеофильной реакции определяется не только свойст­ вами реагента, но и свойствами субстрата, образующ ихся про­ дуктов реакции, растворителя и условиями ее проведения. П о­ этом у разделение электроф ильно-нуклеоф ильны х реакций на нуклеофильные и электрофильные только по свойствам реагента носит условный характер. Кроме того, как видно из приведенных схем, в этих реакциях всегда взаимодействуют между собой элек­ трофилы и нуклеофилы, содержащиеся в субстрате и реагенте. Во многих реакциях лишь условно один компонент мож ет счи­ таться субстратом, а другой - реагентом.

Свободнорадикальные реакции. Гомолитический распад ха­

рактерен для неполярной или малополярной связи. Он сопро­ вож дается образованием свободны х радикалов - частиц с не­ спаренным электроном (разд. 5.2.1).

Гомолиз ковалентной связи можно рассматривать как расще­ пление этой связи по обменному механизму. Для осуществления гомолиза связи необходима энергия (теплота, свет), достаточная для того, чтобы разорвать эту связь. Наличие неспаренного элек­ трона является причиной малой стабильности свободных радика­ лов (время жизни в большинстве случаев составляет доли секун­ ды) и высокой реакционной способности в свободнорадикальных реакциях. Присутствие в системе свободного радикала (R*) мо­ жет приводить к образованию новых радикалов вследствие его взаимодействия с имеющимися молекулами:

между собой с образованием новых свободны х радикалов (зарож дение или развитие цепи) или только молекул (обрыв цепи).

395