Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоорганическая химия конспект лекций. Учебное пособие для студентов I курса, обучающихся по специальности «Лечебное дело»
.pdf
CH2=CH-CH2-Br
=CH-CH2+Br
CH
2
SN1
Пример:
NaOH, 25°C
CH2=CH-CH2-Br
O
H
2
Подвижность Hal в молекулах типа С
CH
=CH-CH2-OH + NaBr
2
6Н5СН2
Hal объясняется также особой
устойчивостью бензильного катиона, стабилизированного вследствие делокализации положительного заряда по сопряженной системе ароматического кольца, возникающего при отщеплении аниона Hal:
CH2Cl CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
+Cl
Пример:
CH2Cl
Другие реакции:
H2O
бенз иловый спирт
CH2OH
1. Отщепление галогенводородов (элиминирование)
Правило Зайцева: в большинстве реакций дегидрогалогенирования атом
водорода отщепляется преимущественно от соседнего наименее гидрогенизированного атома углерода.
KOH
H3C
Cl
CH
3
спирт. р-р
H3C
CH
3
2. Реакция Вюрца; Вюрца–Фиттига
а)
CH3CH2Br+2Na+CH3CH2Br
CH3CH2CH2CH3+NaBr
Na, эфир
Br CH3CH2CH2Br
б)
дифенил
3. Получение магнийорганических соединений
эфир
CH2Br + Mg CH3CH2MgBr
CH
3
35°C
этилмагн ийбромид
4. Реакции восстановления
H
а) R-Hal
2
R-H + HHal
(каталитическое восстановление)
Ni
Zn/HCl
б) R-Hal
в) R-I
[H]
HI
R-H + ZnCl
R-H + I
2
2
Na, эфир
41
(Реактив Гриньяра)
CH2CH2CH
3
II. Теперь рассмотрим галогенопроизводные в которых галоген находится у
g
2
sp
-гибридизованного атома углерода. Это винил- и арилгалогениды. Такие га-
логенопроизводные в обычных условиях в реакции нуклеофильного замещения не
вступают.
Пример:
Cl
AgNO
этанол
кипячение
несколько дней
3
реакция не идёт
;
;
CH2=CH-Cl
AgNO
3
этанол
кипячение
несколько дней
реакция не идёт
Инертность винил- и арилгалогенидов обусловлена их строением. Неподеленная пара электронов атома галогена вступает в р,-сопряжение с двойной связью или -электронной системой кольца. Галоген становится кратно связанным
с углеродом, на котором нет дефицита электронной плотности.
Делокализацию p-электронов гетероатома можно проиллюстрировать предельными мезомерными структурами, которые вносят
туру:
вклад в реальную струк-
Например:
+M
CH2=CHCl
-Iуменьшает электронную плотность
двойной связи и затрудняет AdE
Cl
-I
Cl
CH2-CHCl
Cl
Cl
мезомерные структуры
иллюстрируют делокализацию
-электронов гетероатома
р
Вклад структур с разделёнными зарядами
сообщает связи С-Hal некоторый
двоесвязанный характер
Эта особенность строения определяет химические свойства подобных соединений.
Так, соединения типа R-CH=CH-Hal в реакции замещения практически не
вступают. Реакции присоединения по двойной связи идут очень медленно.
CH2=CH-MgHal
H
C
M
CH2=CH-Hal
полимер-я
H
2
C
n
NaOH
HHal
спирт
CHCH
CH3-CHHal
(Правило Марковникова)
(геминальные)
2
Hal
Галогенарилы также малореакционноспособны по отношению к нуклеофильным реагентам. Они вступают в реакции замещения в особых условиях, детали которых не рассматриваются в настоящем курсе.
42
O2N
ν
OH
NH
фенол
2
анилин
Cl Cl
+
Br
FeBr Br
KOH
2
Cl NaNH
300°C, p
2
NH3(ж)
Cl
+
Cl
NO
HNO
H2SO
2
3
4
2Na
Mg
дифенил
MgCl
Итак, реакционная способность галогенопроизводных уменьшается в ряду:
C
6H5
-CH
-Hal > CH
2
=CH-CH
2
-Hal > R-Hal > C
2
Методы получения
1. Галогенирование углеводородов (Hal = Cl, Br)
h
а) CH3-CH3+Cl
CH
3
2
Сl
2
CH3-CH2-Cl + HCl
CH2Cl
Сl
2
б)
hν
бензилхлорид
Сl
2
AlCl
3
CH
Cl
hν
хлористый
бензилиден
3
+
Cl
450-500°С
в) CH2=CH-CH3+Cl
2
CH
=CH-CH2-Cl + HCl
2
хлористый аллил
-Hal > CH
6H5
CHCl
CH
3
2
механизм S
Сl
2
2
hν
механизм S
=CH-Hal
R
CCl
бензотрихлорид
R
3
R-CH=CH
г)
+Hal
2
2
R-CH(Hal )-CH2-Hal
вицинальные
2. Гидрогалогенирование (механизм электрофильного присоединения).
Правило Марковникова
δ
+
R→CH=CH
а)
δ
-
+HHal
2
R-CH(Hal)-CH
3
HCl
CH≡CH + HCl
б)
CH
в)
-CH=CH
3
CH2=CH-Cl
HBr
2
винилхлорид
-CH2-CH2-Br
CH
3
CH
-CH(Cl)
3
2
ROOR
(против правила Марковникова)
43
3. Из спиртов
а
R−OH + PCl
а)
спирт
5
R-Cl + HCl + POCl
3
б)
в)
C
2H5
(CH
-OH + SOCl
тионилхлорид
C-OH + HCl
3)3
2
C2H5-Cl + SO2+HCl
(CH3)3C-Cl + H2O
реакция обратима!
Реакция взаимодействия спирта с галогеноводородными кислотами обратима! Чтобы добиться большего выхода продукта (RHal), т.е. сдвинуть равновесие вправо, необходимо удалять из реакции смеси воду. Поэтому реакцию ведут в
присутствии водоотнимающих веществ, например H
(конц.), или же в без-
2SO4
водный спирт пропускают газообразный галогеноводород. Чтобы уменьшить количество Н
хой НHal действием Н
О в реакции, удобнее брать не HHal, а ее соль, и выделять из нее су-
2
(конц).
2SO4
4. Замена галогенов
R−Cl + NaI
а)
R-Br + NaI
б)
цетон
ацетон
R-I + NaCl
↓
R-I + NaBr↓
5. Из альдегидов и кетонов
R
O
R'
PHal
5
R
Hal
С R'
Hal
+POHal
(геминаль ные)
3
R' = H, Alk, Ar
Hal = Cl, Br
6. Из солей карбоновых кислот
t
Br
OAg
R
O
(декарбоксилирование)
2,
CCl
R-Br + CO2+AgBr
4
Медико-биологическое значение галогеноуглеводородов
Галогенопроизводные широко используются в органическом синтезе, некоторые нашли применение в медицине. Введение галогена в алифатический углеводород оказывает сильное влияние на физиологическую активность соединения.
Этилхлорид (CH
Cl) – газ, легко сжижающийся в бесцветную жид-
3CH2
кость; применяется как местноанастезирующее средство (быстро испаряется, вызывает сильное охлаждение).
44
Хлороформ (CHCl3) − средство для ингаляционного наркоза: быстро действует, относительно нетоксичен.
Иодоформ (CHI
) – антисептическое средство. Используется наружно в ви-
3
де присыпок и мазей.
Фторотан (CF
-CHBr(Cl)) – одно из эффективных средств для общего нар-
3
коза.
Трихлороэтилен (ClCH=CCl
) − мощное наркотическое средство, особенно
2
при необходимости кратковременного наркоза.
Тетрафторэтилен (F
C=CF2) – при полимеризации образуется тефлон –
2
инертный нетоксичный материал, используется в медицинской технике.
Перфторуглероды – обладают способностью растворять и переность кислород по кровеносному руслу, что очень ценно при больших кровопотерях (перфторан – голубая кровь). Используется при операциях на открытом сердце как заменитель крови.
Спирты
Спиртами называются производные углеводородов, в молекулах которых
содержится одна или несколько гидроксильных групп (-ОН), связанных с насыщенными атомами углерода. Группа -ОН (гидроксильная, окси-группа) является в
молекуле спирта функциональной группой (характеристичной). Систематические
названия даются по названию углеводорода с добавлением суффикса -ол и цифры, указывающей положение гидроксигруппы. Нумерация ведется
к ОН-группе конца цепи. По числу гидроксильных групп спирты подразделяются
на одноатомные (одна группа -ОН), двухатомные и т.д. (две и более групп -ОН).
Одноатомные спирты: метанол СН
ленгликоль (этандиол-1,2) HO–СH
пантриол-1,2,3) HO–СH
–СН(ОН)–CH2–OH. В зависимости от того, с каким ато-
2
ОН, этанол С2Н5ОН; двухатомный спирт: эти-
3
–CH2–OH; трехатомный спирт: глицерин (про-
2
мом углерода (первичным, вторичным или третичным) связана гидроксигруппа,
различают спирты первичные: R-CH
-OH, вторичные: R2CH-OH, третичные: R3C-
2
OH. По строению радикалов, связанных с атомом кислорода, спирты подразделяются на предельные, или алканолы (СH
(CH
=CH-CH2-OH), жирно-ароматические (C6H5CH2-OH).
2
-OH), непредельные, или алкенолы
3CH2
Виды изомерии (структурная изомерия): 1) изомерия положения ОНгруппы (начиная с С
); 2) углеродного скелета (начиная с С4); 3) межклассовая
3
изомерия с простыми эфирами (например, этиловый спирт СН
ловый эфир CH
-O-CH3). Следствием полярности связи О-Н и наличия неподе-
3
ленных пар электронов на атоме кислорода является способность спиртов к образованию водородных связей и растворимость низших гомологов в воде.
Физические свойства
Спирты, содержащие не более 11 атомов углерода, представляют собой
жидкости, высшие гомологи (C12 и более) – твердые вещества. Низшие спирты
от ближайшего
CH2OH и димети-
3
45
(С1-С3) имеют характерный алкогольный запах и жгучий вкус, обладают сильным
физиологическим действием. Спирты С4-С6 имеют резкий, неприятный (сивушный) запах.
Первые гомологи хорошо растворяются в воде, по мере увеличения моле-
кулярной массы растворимость падает. Жидкие спирты – хорошие растворители
многих органических соединений. Температура кипения спиртов выше, чем температура кипения соответствующих углеводородов и галогенопроизводных. Это
определяется главным образом наличием полярной гидроксильной группы и ее
способностью обуславливать образование водородных связей (природа водородной связи имеет электростатический и донорно-акцепторный характер) молекулами спирта, как между собой, так и с молекулами полярных растворителей:
R
R
R
.............
O-H
ассоциация молекул спирта
O-H
.............
O-H
Отдельные молекулы спиртов соединяются между собой с помощью водо-
родных связей, возникающих между водородом и кислородом, атомами гидроксильных групп различных молекул спирта (с участием неподеленной пары электронов кислорода). В полиолах наличие нескольких гидроксильных групп приводит к увеличению числа межмолекулярных водородных связей. Такое межмолекулярное связывание ведет к заметному увеличению вязкости и температуры кипения полиолов по сравнению с одноатомными спиртами. Интересно отметить,
что они обладают сладковатым вкусом.
Способы получения
1. Гидролиз галогенопроизводных
В результате реакции нуклеофильного замещения образуются спирты:
C2H5Br + H
ClCH
–CH2Cl + 2H
2
O/NaOH → C
2
O/NaOH → HOCH
2
OH + NaBr
2H5
–CH2OH + 2NaCl
2
2. Присоединение воды к алкенам
В результате электрофильного присоединения воды к алкенам в присутствии кислотных катализаторов получаются спирты (правило Марковникова).
CH2=CH2 + H2O/H
+
→ CH
-CH2-OH
3
Для получения спиртов сложного строения этот способ малопригоден (изомеризация углеводородного скелета).
3. Гидролиз алкилсульфатов
В результате реакции электрофильного присоединения к алкену концентрированной серной кислоты сначала образуется алкилгидросульфат, который при
нагревании в водной среде легко гидролизуется с образованием спирта:
R-CH=CH2 + H2SO
→ R-CH(OSO
4
H)-CH3 + H
3
O → R-CH(OH)-CH
2
3
46
4. Восстановление альдегидов, кетонов, сложных эфиров
Альдегиды и сложные эфиры восстанавливаются до первичных спиртов,
кетоны – до вторичных, каталитически или под действием NaBH
натрия):
H2,Ni
O
а)
H3C
CH3CH2OH
ката лизаторы:Co,Cu,Pt,Pd,Ni
H
уксусный альдегид
этанол (перв ичный)
H2,Ni
CH
б)
H3C
CH
3
CH(OH)CH
3
3
O
ацетон
изопропанол (вторичный)
(боргидрид
4
в)
R
O
C2H
O
5
H2,Ni
R-CH2-OH + C2H5-OH
этиловый эфир
карбоновой кислоты
5. Получение спиртов брожением
Сбраживание растительного сырья, содержащего крахмал (картофель, рис,
злаки, отходы сахарного производства и т.д.) – один из промышленных способов
получения этилового спирта. Однако разработаны различные способы получения
этанола и из непищевого сырья. Этанол получают сбраживанием углеводов, образующихся при гидролизе целлюлозы, содержащейся в древесных опилках и других
отходах лесной промышленности. Это так называемый гидролизный спирт:
дрожжи
C
6H12O6
2C2H5OH + 2CO2 (брожение моноз).
6. С помощью магнийорганических соединений (реактивов Гриньяра)
δ
-
δ
+
а)
б)
уксусный альдегид
O
H
H
формальдегид
H
H3C
O
+
δ
-
CH3CH2-MgBr
-
+
δ
+
δ
CH3CH2CH2OMgBr
магнийбромпропила т
(алкоголят)
δ
CH
3CH2
CH(C H3)OMgBrCH3CH2-MgBr+
H2O
CH
3CH2CH2
перви чный спирт
H2O
OH + Mg(OH)B r
CH
CH(CH3)OH + Mg(OH)Br
3CH2
вторичный спирт
в)
H3C
ацетон
δ
CH
3
O
-
δ
+
CH3CH2C(CH3)2OMgBrCH3CH2-MgBr+
H2O
CH
трет-амиловый спирт
C(CH3)2OH + Mg(OH)B r
3CH2
47
Химические свойства
Химические свойства спиртов связаны с наличием в их молекуле реакционноспособной гидроксильной группы:
II
I
β
CC
R O
α
H
H
III
Для спиртов характерны три типа реакций:
I. Реакции, идущие только с участием атома Н гидроксильной группы (ОНкислотный центр, обуславливающий возможность отщепления протона вследствие высокой полярности связи О-Н).
II. Реакции, проходящие с замещением или отщеплением всей гидроксиль-
ной группы (нуклеофильный и p-основный центр – атом кислорода, имеющий
НПЭ);
III.
Реакции окисления, в которых одновременно принимают участие -ОН
группа, α-водородные атомы или даже соседние С-С связи.
I. Реакции, идущие с участием атома водорода гидроксильной группы
а) Кислотные и основные свойства. Спирты являются слабыми –ОНкислотами, поэтому разрыв связи О-Н происходит под действием активных металлов (калий, натрий
, литий, алюминий). Алкоголяты растворимы в спиртах и
гидролизуются в воде. Спирты очень слабые кислоты, слабее воды.
2C2H
3(CH
C
OH + 2Na → H
5
COH + Al →[(CH
3)3
OH + NaOH ≠ спирты по кислотным свойствам слабее воды;
2H5
+ 2C2H
2
3)3
ONa − этоксид натрия;
5
CO]3Al +1,5 H
− трет-бутоксид алюминия;
2
Неподеленная пара электронов у атома кислорода позволяет рассматривать
спирты как слабые основания. Спирты способны образовывать соли оксония
только с сильными протонными кислотами:
R
O
H
на холоду
HBr
R
O
H
H
Br
бромид алкилоксония
Таким образом, спирты обладают слабыми кислотными и основными свойствами, т.е. являются амфотерными соединениями.
б) Реакция этерификации (О-ацилирование, образование сложных эфиров).
В качестве ацилирующих агентов могут использоваться как неорганические, так и
органические кислоты и их функциональные производные:
48
C2H5OH + H2SO
C
OH + CH3COOH
2H5
Механизм
C
4
-O-SO3H + H2O (на холоду)
2H5
H
CH
O
-C-OCH2CH
3
этилацетат
+ H2O
3
H
O
O
CH
3
нуклеофил
H3C
-H
O
OH
H3C
H
O
O
CH
H3C
3
O
OH
H
H3C
в) Взаимодействие с магнийгалогеналкилами (реактивами Гриньяра):
C2H5OH + CH
MgI C
3
OMgI + CH4
2H5
II. Реакции замещения и элиминирования гидроксильной группы
1) Замещение -ОН на галоген (реакции с PCl5, PBr5, SOCl2, HHal)
а) C
б) C
в) C
OH + HBr C
2H5
OH + PCl
2H5
OH3C H PCl
OH + SOCl
2H5
+
C
5
C
2
Cl
Br + H2O (реакция обратима!);
2H5
Cl + POCl3 + HCl;
2H5
PO
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
- HCl
Cl
Cl + SO2 + HCl;
2H5
H3C
2) Дегидратация спиртов (реакции с участием СН-кислотного центра).
O
H3C
O
H
H3C
CH3Cl + POCl
3
а) Внутримолекулярная:
H2SO
4
CH2=CH2+H2OC2H5OH
170°C
Для вторичных и третичных спиртов, отщепление идет по правилу Зайцева.
б) Межмолекулярная:
H2SO
4
5
140°C
C2H5-O-C2H5+H2OC2H5OH + HOC2H
(диэтиловый эфир, простой)
49
III. Реакции окисления
Под окислением в органической химии понимают процессы, приводящие к
обеднению субстрата водородом или обогащению его кислородом. Окисление
спиртов осуществляют с помощью двух основных приемов – дегидрирования и
действия окислителей.
а) Дегидрирование (200–500 С, медная проволока или Cu/Ag или CuO)
первичные
CH3CH2OH
Cu
- H
H3C
2
H
O
уксусный альдегид
вторичные
H3C
OH
CH
3
Cu
- H
O
CH
3
ацетон
H3C
2
третичные
CH
H3C
OH
3
CH
3
Cu
- H
2
б) Окисление
KMnO
Для окисления спиртов применяют: K
/OH-; KMnO4/H+; HNO3 (k).
4
2Cr2O7/H2SO4
Первичные спирты с умеренными выходами (до 70%) окисляются бихроматом в кислой среде в альдегиды и далее в карбоновые кислоты.
H3C
CH
3
OH
Na2Cr2O7/H
t
изомасляный альдегид
+
H3C
CH
H
3
[O]
O
изомасляная кислота
CH
H3C
OH
Остановить реакцию на стадии образования альдегида трудно.
В последнее время в промышленности первичные спирты стали окислять до
альдегидов кислородом воздуха в присутствии катализаторов:
; Na2Cr2O7/H2SO4;
3
O
Fe2O3-V2O
2
250 - 300C
5
R
H
O
+H2ORCH2OH + 1/2O
Вторичные спирты окисляются легче первичных, образуя с хорошими выходами
кетоны.
CH
H3C
OH
[O]
3
OH3C
CH
3
O
R
R
OH
+ H2CrO
хромовая
4
- H2O
R
H
R
O
Cr
O
OH
R
HO
+
OR
Cr
O
OH
кислота
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]