Основы строения органических соединений. Методические рекомендации для студентов 2-го курса фармацевтического факультета

Заключение

Аминогруппа, являясь донором электронов, повышает π- электронную плотность бензольного кольца, а альдегидная группа, будучи электроноакцептором, ее снижает.

Тесты для самоконтроля

24.Выберите номера правильных ответов.

Функциональные группы, оказывающие электронодонорное влияние на бензольное кольцо:

49

OC2H5

Br

CH(CH3)2

N (CH3)2 OH

2. Выберите правильный ответ.

Соединение с преобладающим отрицательным индуктивным эффектом:

CI

COOH

CH(CH3)2

N(CH3)2

50

OH

4. Укажите правильный ответ.

Характераминогруппывсульфаниловой(n-аминобензолсульфоновой) кислотеэлектронодонорный:

а) да б) нет

5.Укажите правильный ответ.

Соединения с π,π-сопряженной системой:

а) бутадиен-1,2 б) циклогексен в) бензол г) циклогексан

6.Укажите правильный ответ.

Тип сопряжения в молекуле кротоновой (бутен-2-овой) кислоты:

а) π,π-сопряжение б) π,ρ-сопряжение

7. Выберите правильныеответы.

Соединения, проявляющие отрицательный индуктивный и положительныймезомерныйэлектронныеэффекты:

а) толуол б) анилин

в) нитробензол г) хлоробензол

д) бензойная кислота

51

8. Укажите правильный ответ.

Характер аминогруппы в n-аминобензойной кислоте электронодонорный:

а) да б) нет

9. Укажитеправильныйответ.

Вернолиутверждение,чтобензол,нафталин,фенантрен–всеимеютв своемсоставеплоскую,замкнутуюсистемуσ-связейисопряженнуюсистему π-электронов,количественносоответствующихправилуХюккеля?

а)да б)нет

10.Укажите правильный ответ.

Соединениессопряженнойсистемой:

а) бутадиен-1,2 б) циклогексен в) бензол г) циклогексан

Тема 4. Кислотные и основные свойства органических соединений

Цель изучения темы. Сформировать знания о кислотных и основных свойствах органических соединений.

Самостоятельная работа

Исходный уровень:

1.Электроотрицательность элементов-органогенов.

2.Поляризуемость атомов.

3.Электронные эффекты. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители.

Литература для самоподготовки

Белобородов, В. Л., Зурабян, С. Э., Лузин, А. П., Тюкавкина, Н. А. Основной курс органической химии / под. ред. Н. А. Тюкавкиной. – М.:

Дрофа, 2003. – c. 138–156.

Типовые обучающие задачи и эталоны их решения

Задача 1

Расположите следующие кислоты Бренстеда – этанол, бутанол, глицерин, фенол, уксусная кислота – в порядке убывания их кислотности в водном растворе.

52

Решение

Общий подход Кислоты по Бренстеду – это нейтральные молекулы или ионы,

способные отдаватьпротоноснованию,т.е.кислоты–этодонорыпротонов.

Количественно сила кислот оценивается отрицательным логарифмом константы кислотности (-lgКа), обозначаемым рКа. Чем меньше рКа, тем выше кислотность.

Ввиду необъятно большого числа органических соединений невозможно для каждого из них иметь количественную оценку кислотных свойств. Константы рКа установлены для относительно небольшого числа соединений и неизвестны для многих важных биологически активных веществ. Поэтому большое значение имеет качественный подход к оценке кислотных свойств.

В общем виде кислотно-основное взаимодействие описывается уравнением:

Стабильность аниона определяется степенью делокализации отрицательного заряда, которая зависит от ряда факторов.

Если оцениваются кислоты с разными кислотными центрами, то основным фактором, определяющим стабильность аниона, является

природа атома в кислотном центре (1).

Если сравниваются кислоты с одинаковыми центрами, то стабильность аниона определяется двумя факторами:

1)влиянием заместителя (индуктивный и мезомерный эффекты) (2);

2)влияние растворителя (эффект сольватации) (3).

Влияние заместителя на делокализацию отрицательного заряда является определяющим фактором при определении силы кислоты, если в заместителе естьсильные электронодонорные (ЭД)илиэлектроноакцепторные (ЭА) группы.

ЭА-заместители способствуют делокализации отрицательного заряда, стабилизируют анион и тем самым увеличивают кислотность.

ЭД-заместители, наоборот, препятствуют делокализации отрицательного заряда, уменьшают стабильность аниона и уменьшают кислотность. Стабильность аниона значительно повышается, если имеется возможность делокализации отрицательного заряда по системе сопряженных связей.

Влияние растворителя (сольватация) является определяющим фактором при определении силы кислоты, если кислоты различаются только длиной углеводородного радикала (в радикале нет ЭД- или ЭА- заместителей).

53

При сольватации иона происходит перераспределение заряда с участием окружающих его молекул растворителя.

Шаг 1

В данной задаче предлагается сравнить кислотность трех классов органических соединений: спиртов, фенолов, карбоновых кислот. Все данные соединения являются ОН-кислотами:

СН3СН2СН2СН2ОН СН3СН2СН2СН2О-

уксусная кислота

Для сравнительной оценки кислотности предложенных соединений следует рассмотреть стабильность соответствующих анионов.

Основными факторами, определяющими стабильность аниона,

являются – влияние заместителя (2) и влияние растворителя (3).

Шаг 2

Сравниваем фенол и этанол.

Фенолы являются более сильными кислотами по сравнению с алифатическими спиртами из-за большей стабильности феноксид-иона, в котором отрицательный заряд делокализуется с участием атомов углерода бензольного кольца (p, π-сопряжения).

Шаг 3

Карбоновые кислоты являются более сильными кислотами по сравнению с фенолами за счет стабилизации карбоксилат-иона, в котором

54

отрицательный заряд за счет p, π-сопряжения распределен поровну между двумя атомами кислорода.

Шаг 4

Сравним силу кислотных свойств в ряду различных спиртов, основываясь на стабильности соответствующих анионов:

Глицерин является более сильной кислотой по сравнению с этанолом, т. к. глицерат-ион является более стабильным, чем этоксид-ион, за счет наличия в глицерине двух электроноакцепторных гидроксильных групп (–I- эффект), которые способствуют делокализации отрицательного заряда.

Этанол является более сильной кислотой, чем бутанол, т. к. небольшой по размеру этоксид-ион лучше сольватирован по сравнению с бутоксид-ионом:

СН3СН2О- > СН3СН2СН2СН2О-

Заключение

Кислотные свойства предложенныхсоединенийвозрастаютвследующем порядке:уксусная кислота >фенол> глицерин>этанол>бутанол.

Тесты для самоконтроля

26.Установите правильную последовательность.

Уменьшение кислотных свойств в растворе:

1)СН3СН2ОН

2)НООС–СООН

3)С6Н5ОН

4)СН3СООН

27.Дополните фразу.

Электроноакцепторные заместители – кислотность ___________;

электронодонорные – кислотность ____________________________.

Задача 2

Расположите следующие кислоты Бренстеда – этанол, этиламин, этантиол – в порядке убывания их кислотности.

55

электроотрицательность атома азота (3,0), то в таком же порядке будет уменьшаться стабильность соответствующих анионов:

СН3СН2О- > СН3СН2NH-

Заключение

Кислотность рассматриваемых соединений уменьшается в следующем порядке:

СН3СН2SH > СН3СН2ОН > СН3СН2NH2

Следовательно, для всех кислот Бренстеда с одинаковыми радикалами характерно уменьшение кислотности в следующем порядке:

SH > OH > NH

(Мнемоническое правило SONC)

Тесты для самоконтроля

28.Выберите номера правильных ответов.

Факторы, оказывающие влияние на стабильность сопряженных оснований (анионов):

1)поляризуемость элемента в основном центре

2)эффект сольватации

3)электронные эффекты заместителей

4)величина электроотрицательности элемента в основном центре

29.Установите правильную последовательность.

Уменьшение кислотных свойств в растворе:

1)CH3CH2CH2SH

2)CH3CH2CH2OH

3)CH3CH2CH2NH2

Задача 3

Расположите следующие основания Брёнстеда – метиламин, метанол, метантиол – в порядке убывания их основности в водном растворе.

Решение

Общий подход Основания по Брёнстеду – это нейтральные молекулы или ионы,

способные принимать протон, т. е. основания – это акцепторы протонов.

Для образования ковалентной связи с протоном в молекуле должны присутствовать или электроны π-связи (π-основания), или свободная неподеленная параэлектронов(n-электроны)гетероатомовO,N,Sидр.(n-основания).

Для количественной оценки силы оснований используют pKa сопряженных с ними кислот (катионов), обозначаемую pKBH+. Чем больше pKBH+, тем сильнее основание.

57

При качественном сравнении основности соединений сравнивают относительную стабильность сопряженных кислот (катионов):

Чем стабильнее катион, тем сильнее основание.

Сила оснований может также определяться доступностью пары электронов гетероатома.

Для качественной оценки основности органических соединений привлекаются те же факторы.

Основность соединений с разными гетероатомами в центре основности, но с одинаковыми заместителями при нем зависит от электроотрицательности и поляризуемости элемента в основном центре.

Для оснований с атомами одного периода в центре основности определяющим фактором является электроотрицательность.

Чем больше электроотрицательность атома, тем сильнее удерживается неподеленная пара электронов и тем меньше основность.

Для оснований с атомами разных периодов в центре основности определяющее влияние на основность оказывает поляризуемость атомов.

Чем больше размер атома, тем больше делокализована неподеленная пара электронов, тем меньше основность соединения.

Шаг 1

Напишем катионы сравниваемых оснований:

Шаг 2

Сравниваем основность метанола и метиламина.

В центре основности метанола (СН3ОН) и метиламина (CH3NH2) находятся атомы одного периода (O, N). Основность таких соединений определяется электроотрицательностью основного центра. Из двух элементов второго периода – азота и кислорода – электроотрицательность меньше у азота, поэтому он слабее удерживает неподеленную пару электронов и значительно легче отдает неподеленную пару электронов для связи с протоном.

Поэтому метиламин (pKBH+10,62) более сильное основание, чем метанол (pKBH+ -2,2).

58