Яцюк, Зубкова _Основы биоорганической химии

кислот, например, ангидриды. Так, фенилацетат (сложный эфир фенола и уксусной кислоты) получают при взаимодействии фенола с уксусным ангидридом:

Для получения простых эфиров фенолы предварительно переводят в феноляты, а уже потом подвергают реакции алкилирования алкилгалогенидами:

Реакции окисления фенолов протекают легче, чем спиртов. Особенно легко окисляются многоатомные фенолы (даже кислородом воздуха).

При окислении фенола образуется смесь орто- и парахинонов:

61

Хиноны широко распространены в природе, они участвуют в окис- лительно-восстановительных процессах, сопровождающих дыхание. Принимая два электрона и два протона, хиноны восстанавливаются в соответ-

Окислительно-восстановительные свойства системы хинон – гидрохинон играют важную роль в организме. По отношению к большинству органических субстратов эта система выполняет роль окислителя. Принимая электроны от субстрата, производное хинона in vivo превращается в соответствующий гидрохинон, который в свою очередь передаёт электроны кислороду (через цитохромную систему) и опять окисляется в хинон. Таким образом, система хинон – гидрохинон участвует в переносе электронов от субстрата к кислороду.

Биологически важными производными хинонов являются витамины группы К (см. стр. 233 ) .

Реакции фенола по ароматическому кольцу. Фенол вступает в реакции электрофильного замещения легче, чем бензол, т.к. фенольный гидроксил, являясь электронодонорным заместителем (+M>-I), повышает электронную плотность в кольце, особенно в орто- и пара-положениях.

Нитрование фенола протекает при действии разбавленной азотной кислоты, без катализатора (бензол нитруют смесью концентрированных азотной и серной кислот):

Бромирование фенола в неполярном или малополярном растворителе приводит к образованию смеси о- и п-бромфенолов:

62

Если же бромирование проводят в избытке бромной воды, образуется 2,4,6-трибромфенол:

Эта реакция используется как качественная реакция на фенол: 2,4,6-триброфенол образует белый осадок.

Другой качественной реакцией на фенол (реакция на фенольный, а точнее, енольный, гидроксил =C-OH) является реакция с раствором FeCl3. Различные фенолы при этом образуют продукты разной окраски, например, фенол – фиолетовое, крезолы – голубое.

Медико-биологическое значение спиртов и фенолов

Метанол является высокотоксичным соединением, вызывает ацидоз и слепоту, связанные с накоплением в организме формальдегида и муравьиной кислоты – продуктов окисления метанола.

Этанол используется как обеззараживающее средство, для приготовления настоек, как растворитель и реагент в органическом синтезе.

Глицерин применяется как компонент кремов и мазей для смягчения кожи, является структурной основой молекул жиров.

Фенолы являются антисептическими средствами. Фенол – первый антисептик, использованный в хирургии.

Крезолы используются как дезинфицирующие средства. Резорцин применяют при лечении кожных заболеваний. Тимол (2-изопропил-5-метилфенол) содержится в эфирных

маслах многих растений. В медицине он применяется как антисептическое и антигельминтное средство.

63

КИСЛОТНЫЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ АМИНОВ

Кислотные и основные свойства органических соединений являются важными аспектами их реакционной способности. Перенос протона водорода наблюдается в ходе многих биохимических реакций.

Современные представления о природе кислот и оснований основаны на теории Бренстеда.

По Бренстеду, кислоты – это нейтральные молекулы и ионы, способные отдавать протоны водорода (доноры протонов). Основаниями являются нейтральные молекулы и ионы, способные присоединять протоны водорода (акцепторы протонов).

Кислотно-основное взаимодействие может быть представлено схемой:

основание кислота

Кислота A-H, теряя протон, превращается в основание A-, которое называют сопряжённым основанием данной кислоты. Наоборот, основание B, принимая протон, превращается в сопряжённую кислоту B+-H.

В кислотно-основном равновесии существует важная закономерность: чем сильнее кислота, тем слабее сопряжённое с ней основание.

Понятие кислотности и основности взаимосвязаны: кислотные свойства проявляются только в присутствии оснований и наоборот.

Например, газообразный хлороводород не проявляет кислотных свойств, для этого необходимо присутствие основания:

Некоторые соединения в зависимости от условий могут проявлять и кислотные, и основные свойства, т.е. понятия «кислота» и «основание» относительны. Например, в присутствии

64

воды как основания уксусная кислота проявляет кислотные свойства, а в присутствии концентрированной серной кислоты – основные:

Так как в биохимических процессах растворителем обычно является вода, то дальше мы будем рассуждать о кислотноосновных свойствах соединений по отношению к воде.

Кислоты Бренстеда

Сила кислот количественно выражается константой равновесия реакции (К), заключающейся в переносе протона водорода от кислоты к основанию – молекуле воды.

Используя значение константы равновесия этой реакции и учитывая, что концентрация воды практически постоянна, можно определить произведение K.[H2O], называемое константой кислотности (Ka) (от слова acid – кислота).

ими неудобно, поэтому введено понятие «показатель константы кислотности» (её отрицательный логарифм) - pKa. pKa=-lg Ka. Например, для уксусной кислоты pKa=4,75. Чем меньше величи-

на pKa, тем сильнее кислота.

65

В зависимости природы кислотного центра (атома, отщепляющего протон водорода) различают следующие типы кислот:

-OH-кислоты (вода, спирты, фенолы, карбоновые кислоты);

-SH-кислоты (тиоспирты, тиофенолы, тиокислоты);

-NH-кислоты (аммиак, амины, амиды кислот, пиррол);

-CH-кислоты (углеводороды и их производные).

Сила кислот определяется стабильностью сопряжённых ос-

нований – чем стабильнее сопряжённое основание (анион ки- слоты), тем сильнее кислота.

Стабильность сопряжённого основания определяется степенью делокализации заряда, которая зависит от следующих факторов: природа атома в кислотном центре, влияние радикала, степень сольватации.

Рассмотрим каждый из этих факторов.

Природа атома в кислотном центре. Для делокализации отрицательного заряда наибольшее значение имеют электроотрицательность атома и его поляризуемость.

Чем выше электроотрицательность атома, получившего отрицательный заряд после отщепления протона, тем сильнее он этот отрицательный заряд удерживает и труднее предоставляет протону, а значит равновесие A-H А- + H+ смещается вправо.

В периодах слева направо электроотрицательность возрастает. Поэтому OH-кислоты сильнее NH-кислот, а NH-кислоты сильнее CH-кислот (при прочих равных условиях).

Так как электроотрицательность атомов зависит от типа гибридизации, то среди CH-кислот при переходе от алканов к алкенам и далее к алкинам кислотность возрастает:

CH3-CH3 < CH2=CH2 < CH≡CH.

Так, этан и этилен не реагируют с амидом натрия, а ацети-

В группах сверху вниз увеличивается поляризуемость. Это связано с тем, что увеличивается число энергетических уровней, т.е. объем электронных оболочек. Чем выше поляризуемость, тем более делокализован заряд, тем стабильнее анион, а значит, выше

66

сила кислоты. Поэтому SH-кислоты сильнее, чем OH-кислоты. Например, спирты не реагируют со щелочами, а тиолы – реагируют:

C2H5-OH + NaOH

этанол

Влияние радикала (заместителя). Кислотность органиче-

ских соединений в значительной степени зависит от природы заместителя, связанного с реакционным центром. Особенно сильно повышает кислотные свойства наличие сопряженной системы в анионе.

Сравним кислотные свойства спиртов и фенолов.

алкоголят

анион

В случае фенолят-аниона (p,π-сопряженная система) степень делокализации заряда гораздо выше, поэтому фенолы более сильные OH-кислоты, чем спирты. Например, фенолы в отличие от спиртов реагируют с щелочами:

фенолят натрия

Разницу в кислотных свойствах можно подтвердить и величинами pKa: для фенола pKa=10,00; для метанола pKa=16,00.

Фенолы – более сильные кислоты, чем спирты, но и они являются слабыми: фенол не вытесняет угольную кислоту из её солей, т.е. является более слабой кислотой, чем угольная.

Сравнивая кислотные свойства фенолов и карбоновых ки- слот, нужно отметить, что и фенолят-, и ацилат-анион являются p,π-сопряженными системами, но в ацилат-анионе наблюдается более полная делокализация отрицательного заряда за счёт двух электроотрицательных атомов кислорода:

67

поэтому гораздо более сильно стабилизирует анион кислоты. Так как индуктивный эффект передается с затуханием, влияние хлора в α-положении проявляется сильнее. Итак, самой сильной является α-хлормасляная кислота, затем – β-хлормасляная и, наконец, самая слабая кислота – масляная. Это подтверждается и значениями pKa данных кислот.

В ароматическом ряду электроноакцепторные заместители также способствуют делокализации заряда, таким образом увеличивая кислотные свойства. Электронодонорные заместители оказывают обратное влияние.

pKa=7,16 pKa=10,0 pKa=10,68

Суммируя все наши рассуждения, можно выстроить ряд убывания кислотных свойств OH-кислот:

карбоновые кислоты > угольная кислота > фенолы > спирты. (Причем в каждой группе электронодонорные заместители

понижают кислотность, а электроноакцепторные – повышают).

Основания Бренстеда

Основания, по Бренстеду, это нейтральные молекулы и ионы, способные присоединять протон водорода. Для образования ковалентной связи с протоном основания Бренстеда должны предоставлять или неподелённую электронную пару, или электроны π-связи. В соответствии с этим основания Бренстеда делятся на n-основания и π-основания.

n-Основания – это анионы или нейтральные молекулы, имеющие атом с неподелённой электронной парой. Их классифицируют по центрам основности следующим образом:

69

π-Основания – соединения, имеющие π-связи, т.е. алкены, алкадиены, алкины, арены. Это очень слабые основания, т.к. протонируемые электронные пары несвободны. Например, этен проявляет π-основные свойства при образовании π-комплекса с

H+

π-комплекс

Для количественной характеристики основности использу-

ют величину pKa сопряжённой с данным основанием кислоты

(BH+). Эту величину обозначают pKBH+. Чем pKBH+ больше, тем сильнее основание.

Влияние природы атома в основном центре и связанных с ним заместителей на основность противоположно рассмотренному ранее их влиянию на кислотность:

- с увеличением электроотрицательности атома основного центра основность уменьшается (атом труднее отдаёт свою неподелённую электронную пару для присоединения протона), т.е. аммониевые основания сильнее оксониевых. Так, этанол способен взаимодействовать только с концентрированными минеральными кислотами:

этилоксония гидросульфат

а этиламин проявляет основные свойства даже при взаимодейст-

70