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

Все рассмотренные реакции фенолов происходят по связи О—Н. Реакции с разрывом связи С—О в фенолах, т. е. реакции замещения гидроксильной группы в феноле, в организме не происходят.

Окислительно-восстановительные свойства. Фенол легко окисляется на воздухе, из-за чего его белые кристаллы быстро розовеют. Состав образующихся продуктов точно не установлен.

Фенолы имеют характерную цветную реакцию с FeClg в водных растворах с появлением красно-фиолетового окрашива­ ния, которое исчезает после прибавления сильной кислоты или спирта. Предполагают, что интенсивная окраска связана с обра­ зованием комплексного соединения, содержащего во внутрен­ ней сфере фенолят-анион:

[Fe(H20)6]Cl3 + 2С6Н5ОН — - [Fe(H20 )4 •С6Н5ОН •С6Н5СГ]С12 +

+ НС1 + 2Н20

13 этом комплексе из всех лигандов фенолят-анион - самый ак­ тивный нуклеофил и восстановитель. Он способен передать один электрон электрофилу и окислителю - катиону железа(Ш) - с образованием во внутренней сфере ион-радикальной системы, содержащей феноксильный радикал (С6Н5Ов), что приводит к появлению интенсивной окраски:

[Fe(H20 )4 •С6Н5ОН •С6Н50-]С12 — ■ [Fe(H20 )4 С6Н5ОН •С6Н50-]С12

Подобное образование радикалов во внутренней сфере ком­ плексного соединения за счет внутрисферного окислительно­ восстановительного процесса может происходить и в субстратферментных комплексах организма. При этом радикальная час­ тица может или оставаться связанной во внутренней сфере, или становиться свободной при выходе из этой сферы.

Рассмотренная реакция с FeCl^ свидетельствует о легкости окисления фенола, особенно его аниона. Еще легче окисляются многоатомные фенолы. Так, гидрохинон (особенно его дианион) легко окисляется за счет углеродных атомов в 1,4-бензохинон:

Гидрохинон используется в фотографии, поскольку он вос­ станавливает AgBr в фотографической эмульсии на засвечен­ ных участках быстрее, чем на незасвеченных.

Соединения, содержащие 1,4-хиноидную группировку, назы­ вают хиконами. Хиноны - типичные окислители, образующие с соответствующими гидрохинонами равновесную сопряженную

439

окислительно-восстановительную пару (разд. 9.1). Такая пара ж коферменте Q участвует в процессе окисления субстрата за счеЯ дегидрирования (разд. 9.3.3) и переноса электронов по элек­ тронотранспортной цепи от окисляемого субстрата к кислоро­ ду (разд. 9.3.4). Витамины группы К, содержащие нафтохиноновую группировку, обеспечивают свертывание крови на воз­ духе.

Электрофильное замещение по бензольному кольцу. Бла­ годаря электронодонорному эффекту гидроксильной группы фе­ нол значительно легче вступает в реакции электрофильного за­ мещения, чем бензол. Гидроксильная группа ориентирует атаку электрофила в о- и ^-положения. Например, фенол обесцвечи­ вает бромную воду при комнатной температуре с образованием 2 ,4,6 -трибромфенола:

( Q ) + Вг2 — ВГЧЧТ о Г ВГ + ЗНВг

Вг

2 ,4, 6 -трибромфенол

Фенол легко нитруется даже разбавленной азотной кислотой:

ОН ОН

ОН

2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота)

Активность фенола в реакциях электрофильного замещения настолько велика, что он реагирует даже с альдегидами. Эта реакция поликонденсации лежит в основе получения различ­ ных фенолоформальдегидных смол, широко используемых в промышленности. При проведении поликонденсации в кислой среде образуются бакелитовые полимеры, а в щелочной среде, где реакция идет глубже из-за высокой активности фенолятаниона, - резольные полимеры:

4 40

н+

- Н 20

Гжкелитовые полимеры

Важнейшие представители спиртов и их практическое зна­ чение. Алканолы - физиологически активные вещества, обладшощие наркотическим действием. Это действие возрастает с рпзветвлением и удлинением углеродной цепи, проходя через мпксимум при С6—С8, а также при переходе от первичных спир­ тов к вторичным. Продукты превращения спиртов в организме могут служить причиной их токсического действия.

М е т а н о л СН3ОН - сильный яд, так как в пищеваритель­ ном тракте окисляется в формальдегид и муравьиную кислоту. Уже в небольших дозах (10 мл) может вызвать слепоту.

Э т а н о л С2Н5ОН, обычно называемый просто спирт. Упот­ ребление этанола (алкогольных напитков) действует вначале возбуждающе, а затем угнетающе на центральную нервную сис­ тему, притупляет чувствительность, ослабляет функцию мозга и мышечной системы, ухудшает реакцию. Его длительное и не­ умеренное употребление приводит к алкоголизму. Механизм действия этанола на организм чрезвычайно сложен и оконча­ тельно еще не выяснен. Однако важной стадией его превращения в организме является образование ацетальдегида, который легко реагирует со многими важными метаболитами.

Э т и л е н г л и к о л ь НОСН2СН2ОН - сильный яд, так как продуктами его превращения в организме являются щавелевая кислота и другие не менее ядовитые соединения. Обладает спир­ товым запахом, в связи с чем может быть принят за этанол и явиться причиной тяжелых интоксикаций. Используется в тех­ нике как антиобледенитель и для приготовления антифризов - жидкостей с низкой температурой замерзания, применяемых для охлаждения двигателей зимой.

Г л и ц е р и н НОСН2СН(ОН)СН2ОН - нетоксичная, вязкая, бесцветная жидкость сладкого вкуса. Он входит в состав боль­ шинства омыляемых липидов: животных и растительных жи­ ров, а также фосфолипидов. Применяется для производства тринитрата глицерина, в качестве мягчителя в текстильной и коже­ венной промышленности и как составная часть косметических препаратов для смягчения кожи.

441

Биологически активными спиртами являются многие мета­ болиты, относящиеся к разным классам органических соедине­ ний: ментол - класс терпенов; ксилит, сорбит, мезоинозит -

многоатомные спирты; холестерин, эстрадиол - стероиды.

17.5. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ

Продукты замещения водородного атома гидроксильной группы спиртов или фенолов на алкильный или арильный ра­ дикал называются простыми эфирами: R—О—R'. Простые эфи­ ры обычно называют, используя названия обоих заместителей у кислородного атома и добавляя слово эфир. Однако их можно также называть, прибавляя к названию старшего (наиболее длинного) углеводородного радикала в качестве префикса на­ звание алкоксигруппы (R 0—):

Химические свойства. Простые эфиры не изменяются при нагревании с водой, щелочами и разбавленными кислотами, не реагируют со щелочными металлами. Только концентрирован­ ная иодоводородная кислота HI при сильном нагревании рас­ щепляет эфиры:

140 °с

С2Н5ОС2Н5 + ш -----► С2Н51 + С2Н5ОН

На первой стадии этой реакции происходит протонирование атома кислорода с образованием иона оксония:

ион оксония

Таким образом, простые эфиры являются очень слабыми осно­ ваниями.

При хранении, особенно на свету, простые эфиры, включая диэтиловый эфир, медленно окисляются кислородом воздуха с образованием гидропероксидов:

сн3сн2— о — СН2СН3 02, h v " с н 3— с н — о — С Н 2С Н 3

О О Н

Эти гидропероксиды сильно взрывчаты, поэтому эфир, посто­ явший на воздухе, следует использовать с большой осторожно­ стью. Кроме того, эфир очень легко воспламеняется, его пары с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Это требует строгого соблюдения правил техники безопасности при работе с эфиром.

442

Диэтиловый эфир и другие эфиры благодаря своей химиче­ ской инертности служат прекрасными растворителями для мно­ гих полярных и неполярных органических соединений, что широко используется для экстракции эфиром этих веществ из различных биоматериалов. Это связано с наличием в молекулах эфиров атома кислорода, который, выступая акцептором, обра­ зует водородные связи с полярными группами растворяемого соединения. В медицине диэтиловый эфир применяют для об­ щего наркоза (разд. 11.4), однако он вызывает раздражение дыхательного тракта и взрывоопасен.

17.6. ТИОЛЫ И СУЛЬФИДЫ

Тиолы R—SH и сульфиды R—S—R являются серными анало­ гами спиртов и простых эфиров. Их можно рассматривать и как производные сероводорода, в которых водородные атомы заменены органическими радикалами.

Тиольная группа в тиолах содержит разные реакционные центры, и поэтому она может выступать и электрофилом, и нуклеофилом, а также склонна к образованию радикалов:

Кислотно-основные свойства. Будучи производными серо­ водорода, тиолы проявляют слабые кислотные свойства, но ки­ слотность группы SH значительно больше (на 5 -6 порядков), чем кислотность гидроксильной группы в спиртах:

Высокая кислотность тиолов и сероводорода по сравнению со спиртами и водой связана с большим радиусом атома серы, что благоприятствует большей поляризуемости этого реакцион­ ного центра. Это способствует увеличению стабильности серосо­ держащих анионов и силы серосодержащих кислот. Поэтому тиолы, в отличие от спиртов, реагируют со щелочами, а также оксидами, гидроксидами и солями тяжелых металлов с образо­ ванием тиолятов (тривиальное название меркаптиды):

C2H5SH + NaOH —► C2H5SNa + Н20

этантиолят

натрия

2C2H5SH + HgO — (C2H5)2SHg + Н20

этантиолят

ртути(И)

Тиоляты тяжелых металлов не растворяются в воде. В тиолятах катионы d-металлов связываются очень прочно, так как и

443

катион, и анион легкополяризуемы и связь между ними практи­ чески становится ковалентной.

Прочное связывание тиолами катионов "металлов жизни" прин­ ципиально важно, так как это приводит к образованию устойчи­ вых металлопротеинов, включая металлоферменты, являющиеся типичными комплексными соединениями (разд. 10.4). С другой стороны, эта способность природных тиолов является причиной высокой токсичности катионов металлов-токсикантов: свинца, кадмия, ртути, мышьяка. Поскольку катионы металлов-токси­ кантов являются более поляризуемыми ("мягкими"), чем катио­ ны "металлов жизни", то они вытесняют последние из природных металлопротеинов, образуя при этом соединения более прочные и лишенные необходимых биологических свойств.

Тиолы за счет неподеленной электронной пары атома серы мо­ гут присоединять протон, проявляя основные свойства, но это про­ исходит только в концентрированных сильных кислотах (^(ЩЭО^ > > 70 % ), что указывает на очень слабые основные свойства тиолов:

R

Нуклеофильно-электрофильные реакции. Легкополяризуе­ мый атом серы в молекулах тиолов и сульфидов проявляет яр­ ко выраженный нуклеофильный характер. Поэтому данные со­ единения, и особенно их тиолят-анионы, вступают в реакции с органическими производными как активные нуклеофилы.

Э т е р и ф и к а ц и я и п е р е э т е р и ф и к а ц и я . Тиолы легко ацилируются карбоновыми кислотами с образованием сложных тиоэфиров (реакция этерификации):

Сложные тиоэфиры из-за наличия легкополяризуемого нук­ леофильного центра, содержащего атом серы, легко гидролизу­ ются и взаимодействуют со спиртами, т. е. вступают в реакции нуклеофильного замещения:

Реакция сложных тиоэфиров со спиртами относится к ре­ акциям переэтерификации.

444

сульфониевая соль в организме метилирует природные азотистые нуклеофилы: коламин, норадреналин, никотинамид. Например, метилирование коламина приводит к получению холина:

3[CH3S(R)A] + HOCH2CH2NH2 —► HOCH2CH2N(CH3)3 + 3R-S—A+ 2Н+

Сильным алкилирующим реагентом является боевое отрав­ ляющее вещество сернистый иприт S(CH2CH2C1)2, который ак­ тивно алкилирует многие метаболиты организма по их электро­ фильным центрам. Для дегазации иприта используется или ще­ лочной гидролиз, или окисление хлорной известью либо хлораминами до сульфоксида или сульфона:

Окислительно-восстановительные реакции. Тиолы и суль­ фиды содержат атом серы в наименьшей степени окисления - 2, как и в сероводороде, проявляя поэтому сильные восстанови­ тельные свойства.

Т и о л - д и с у л ь ф и д н о е р а в н о в е с и е . Окисление тиолов слабыми окислителями приводит к образованию дисульфидов (R—S—S-—R), при этом степень окисления серы повышается с -2 до -1 и одновременно высвобождаются два протона, причем ре­ акция обратима, так как абсолютная величина ее восстанови­ тельного потенциала не превышает 0,3 В:

Превращение тиолов в дисульфиды, вероятно, протекает че­ рез промежуточные тиокси-радикалы (RS*), которые вследствие высокой поляризуемости ("мягкости") реагируют преимуществен­ но между собой с образованием дисульфидов:

Тиол-дисульфидная система составляет сопряженную окис­ лительно-восстановительную пару, в которой под действием слабых окислителей или слабых восстановителей происходят взаимные превращения. Этот процесс используется для поддер­ жания окислительно-восстановительного гомеостаза в организме и в работе антиоксидантной‘буферной системы (разд. 9.3.9 и

12.2.6).

При излишнем накоплении в организме окислителей, на­ пример за счет свободнорадикального окисления, их действие прежде всего направляется на белки, содержащие аминокисло-

446

ту цистеин (Cys—SH), которая, окисляясь, превращается в цис­ тин (Cys—S—S—Cys):

цистеиновые фрагменты цистиновый фрагмент

В результате цистеиновые фрагменты белка сшиваются кова­ лентными дисульфидными мостиками, что приводит к фикса­ ции новой конформации (пространственной структуры) белка и к нарушению его биологических функций.

Тиолсодержащие компоненты антиоксидантной буферной системы, принимая на себя действие окислителя, защищают белки со свободными тиольными группами от окисления. С этой целью в организме используются тиол-дисульфидные сопряжен­ ные окислительно-восстановительные пары на основе т р и п е п т и -

д а гл ю т а т и о н а (G—SH) и д и ги д р о л и п о ев о й к и сл о т ы (разд. 9.3.9

и 12.2.6):

окисление

Фо = “ 0 ,2 9 В

Для увеличения буферной емкости антиоксидантной системы организма используются препараты, содержащие более одной тиольной группы: д и т и огл и ц ер и н HSCH2CH(SH)CH2OH (БАЛ), у н и - т и ол HSCH2CH(SH)CH2S03H, сук ц и м ер (-CH(SH)COOH)2. Эти же препараты являются антидотами катионов металлов-токсикан­ тов, а также отравляющего вещества л ю и з и т C1CH=CHASC12 (разд. 9.3.9, 10.5, 12.2.6).

При радиоактивном облучении в организме резко увеличи­ вается концентрация свободных радикалов - активных форм ки­ слорода, образующихся из воды (разд. 9.3.9, 12.2.5). Это, есте­ ственно, вызывает нарушение окислительно-восстановительного гомеостаза клетки и организма в целом. Для предотвращения тяжелых последствий используют радиопротекторы (вещества,

447