Яцюк, Зубкова _Основы биоорганической химии

Эти реакции обратимы, в кислой среде полуацетали и ацетали гидролизуются до соответствующих альдегидов и спиртов. Вот почему катализатором в реакциях их образования является газообразный хлороводород, а не его водный раствор.

Реакцию образования ацеталей часто используют в органическом синтезе для защиты альдегидной группы от окисления. После проведения реакции окисления защиту «снимают», т.е. проводят кислотный гидролиз.

Кетоны в реакцию со спиртами практически не вступают.

Присоединение синильной кислоты HCN. Эта реакция ха-

рактерна и для альдегидов, и для кетонов. Рассмотрим её на при-

Реакция протекает в присутствии щелочи в качестве катализатора.

Синильная кислота – слабая кислота, с малой степенью диссоциации, т.е. плохой источник нуклеофилных частиц (цианиданионов CN-). Для активизации нуклеофила и используют катализатор:

HCN + OH -CN - + H2O

Далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

Нуклеофил атакует электрофильный центр молекулы ацетона, π-связь C=O разрывается гетеролитически, оба ее электрона уходят к атому кислорода, поэтому там появляется отрицательный заряд (1), новая связь C-C образуется за счет электронов нуклеофила. Анион (1) присоединяет протон водорода от молекулы воды, образуя оксинитрил (2) и гидроксид-анион, что доказывает, что щелочь являлась катализатором этой реакции.

Циангидрины способны к гидролизу с образованием соответствующих оксосоединений и синильной кислоты. Некоторые

81

циангидриды встречаются в природе (синтезируются растениями). Употребление их в пищу (косточки сливы, вишни, горького миндаля) может привести к отравлению.

Присоединение воды. Эта реакция обратима. Её равновесие контролируется стерическими и электронными факторами.

гидрат

Гидраты большинства альдегидов и особенно кетонов неустойчивы, существуют только в растворах. Гидрат трихлоруксусного альдегида (хлораля) очень устойчив, что связано с электроноакцепторным действием атомов хлора:

хлораль

Хлоралгидрат используется в медицине как снотворное и успокаивающее средство.

Присоединение гидридов металлов. В результате этой реак-

ции происходит восстановление альдегидов и кетонов. В качестве реагентов используют гидриды лития и натрия (LiH, NaH) или алюмогидрид лития (LiAlH4). В качестве нуклеофильной частицы выступает гидрид-ион (H-).

На первой стадии реакции образуется алкоголят, при последующем гидролизе которого получается соответствующий спирт. При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты:

Восстановление кетонов приводит к получению вторичных спиртов, например:

82

Взаимодействие с аммиаком и аминами. Амины и их произ-

водные типа X-NH2 реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала протекает реакция нуклеофильного присоединения, продукты которой неустойчивы и отщепляют молекулу воды. Поэтому такие реакции характеризуют как присоединение-

отщепление.

Рассмотрим механизм реакции на примере взаимодействия ацетальдегида с аммиаком.

ацетальдегид

продукт реакции присоединения

Имины называют также основаниями Шиффа.

Имины являются промежуточными продуктами во многих ферментативных процессах, например, в биосинтезе α-аминокислот в организме.

Основания Шиффа легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образованием исходных продуктов. В организме гидролиз иминов происходит в процессе окислительного дезаминирования α-аминокислот.

Помимо аммиака, в реакцию просоединения-отщепления с альдегидами и кетонами вступают первичные амины

83

Все эти производные – кристаллические соединения с чёткими температурами плавления, поэтому их получение может использоваться для идентификации альдегидов и кетонов. А так как эти производные так же, как и имины способны к гидролизу с образованием исходных соединений, то данные реакции могут использоваться и для выделения оксосоединений из смесей с другими соединениями.

Через стадию образования альдимина при взаимодействии пиридоксальфосфата (см. стр. 195) и α-аминокислоты протекает реакция переаминирования белковых α-аминокислот (основной путь биосинтеза α-аминокислот).

Реакция альдольной конденсации характерна только для альдегидов, в структуре которых есть α-CH-кислотный центр. Реакция катализируется щелочами.

альдоль

Конденсацией называется реакция, приводящая к усложнению углеродного скелета и возникновению новой углеродуглеродной связи, при этом из двух или более относительно простых молекул образуется новая более сложная молекула.

Эта реакция начинается по CH-кислотному центру альдегида:

Образующийся анион CH-кислоты стабилизирован за счёт p,π-сопряжения. Он является нуклеофилом по отношению к другой молекуле альдегида, и далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

84

В результате реакции образуется соединение, являющееся альдегидом и спиртом (алкоголь) – альдоль.

Альдольная конденсация имеет место и в биологических системах. Например, биосинтез лимонной кислоты, нейраминовой кислоты протекает по механизму альдольной конденсации.

Те альдегиды, которые не имеют атомов водорода при α- углеродном атоме, т.е. не проявляют CH-кислотных свойств, в присутствии щелочей реагируют по-иному. Для них характерна реакция Канниццаро. Другое название этой реакции – диспропорционирование, или реакция оксидоредукции: одна молекула альдегида при этом окисляется, а другая – восстанавливается.

Реакция Канниццаро характерна, например, для бензальде-

гида:

В случае формальдегида реакция Канниццаро протекает в водном растворе без катализатора:

формальдегид

муравьиная

кислота

В водных растворах формальдегида накапливается муравьиная кислота, поэтому эти растворы имеют кислую реакцию.

За счёт CH-кислотного центра протекают также реакции га- логенирования, например, так называемая иодоформная реакция:

85

иодоформ обладает характерным «аптечным» запахом, а при достаточной концентрации выпадает в виде желтоватого осадка.

Иодоформную реакцию используют как качественную, чтобы отличить уксусный альдегид от всех других альдегидов. В медицинской практике иодоформную реакцию используют для обнаружения ацетона в моче больных сахарным диабетом.

Реакции окисления альдегидов. Альдегиды окисляются очень легко. Даже такие слабые окислители, как аммиачный раствор гидроксида серебра (реактив Толленса) и гидроксид меди (II), окисляют альдегиды в соответствующие карбоновые кислоты. Обе эти реакции используют как качественные для обнаружения альдегидной группы.

CuOH Cu2O + H2O

кирпичнокрасный осадок

Медико-биологическое значение альдегидов и кетонов

Муравьиный альдегид (формальдегид) обладает способностью свертывать белки. Его 40% водный раствор (формалин) применяется в медицине как дезинфицирующее средство и консервант анатомических препаратов.

86

Представителями непредельных алифатических кислот являются

Простейшей ароматической кислотой является бензойная:

O

C

OH

Реакционные центры в молекулах карбоновых кислот

электрофильный

электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, поэтому на углероде карбоксильной группы возникает частичный положительный заряд. Этот углерод является электрофильным центром. За счет p,π-сопряжения C-H-связь еще более поляризуется, водород может отщепиться в виде протона – это OH-кислотный центр. Неподеленная электронная пара кислорода C=O-группы не участвует в сопряжении, к ней может присоединяться протон водо-

рода – это оксониевый основный центр. За счет электроноакцеп-

торного действия карбоксильной группы на α-углеродном атоме возникает частичный положительный заряд, CH-связи поляризуются. α-Углеродный атом является CH-кислотным центром.

88

Кислотные свойства карбоновых кислот

Ранее (стр.67,68) мы сделали вывод о том, что карбоновые кислоты проявляют более сильные кислотные свойства, чем спирты и фенолы. Это связано с высокой стабильностью карбок- силат-аниона, являющегося p,π-сопряженной системой:

карбоксилат анион

Отрицательный заряд в карбоксилат-анионе делокализован и распределен между двумя атомами кислорода.

Карбоновые кислоты способны взаимодействовать с щелочами, карбонатами и гидрокарбонатами, образуя соли:

Электроноакцепторные заместители в радикале карбоновых кислот повышают их кислотные свойства, электронодонорные – понижают. В гомологическом ряду предельных алифатических карбоновых кислот кислотность понижается.

Реакции нуклеофильного замещения

За счет электрофильного центра в молекулах карбоновых кислот протекают реакции нуклеофильного замещения. Замещение, а не присоединение с разрывом π-связи характерно потому, что при этом не нарушается p,π-сопряженная система.

Рассмотрим механизм реакции SN в общем виде:

Nu

Новая связь C-Nu образуется за счет пары электронов нуклеофила. π-Связь C=O разрывается гетеролитически, пара элек-

89

тронов уходит к кислороду, на нем возникает отрицательный заряд. На следующей стадии реакции электрофил E+ может присоединиться к O-, но при этом сопряженная система нарушится. Этот путь реакции для карбоновых кислот не характерен. Электрофил E+ может также отщепить группу HO-, при этом вновь образуется p,π-сопряженная система. Поэтому данный путь реакции (замещение) и характерен для карбоновых кислот.

По механизму нуклеофильного замещения протекает, на-

пример, реакция образования сложных эфиров (реакция этери- фикации).

В этой реакции участвуют карбоновая кислота и спирт в присутствии концентрированной серной кислоты. Например:

уксусная метилацетат кислота

Серная кислота необходима как водоотнимающее средство и как катализатор.

Рассмотрим механизм реакции этерификации:

Молекула спирта – это слабый нуклеофил. Поэтому для успешного протекания реакции необходимо активизировать электрофильный центр в молекуле карбоновой кислоты. С этой целью и применяют серную кислоту как катализатор. Реакция начинается по основному центру карбоновой кислоты, к которому присоединяется протон водорода. Протонированная карбоновая кислота

90