11. Химия - Chemistry / Біонеорганічна, фізколоїдна і біоорганічні хімія. Вибрані лекції _Л.О. Гоцуляк, О.О. Мардашко та ін. - О_ ОДМУ, 1999. - 248 с

Механізм реакції нуклеофільного заміщення найкраще розглядати на прикладі галогенопохідних насичених вуглеводнів. Швидкість заміщення атома галогену у різних галогенопохідних різна і значною мірою залежить від будови радикала, з яким він зв’язаний. Якщо порівнювати відносну швидкість лужного гідролізу бромистого метилу CH3Br і бромистого третбутилу (Н3С)3СВr, то можна дійти висновку, що швидкість реакції гідролізу бромистого метилу пропорційна як концентрації гідроксильних іонів ОН–, так і концентрації бромистого метилу (реакція другого порядку SN2).

Для бромистого третбутилу швидкість реакції залежить тільки від концентрації (Н3С)3СВr і не залежить від концентрації ОН– (реакція першого порядку SN1). Ці факти можна пояснити, припустивши, що заміщення при вуглецевому атомі може відбуватися за різними механізмами.

Реакція нуклеофільного заміщення SN1

Гідроліз бромистого третбутилу перебігає за двома стадіями:

І стадія — оборотна дисоціація галогеноалкану на іони (мономолекулярна реакція)

Дисоціація відбувається повільно, в результаті утворюється карбкатіон.

ІІ стадія — утворений карбкатіон реагує з атакуючим реагентом, швидкість іонної реакції дуже велика.

Швидкість реакції в цілому визначається швидкістю найбільш повільного процесу — швидкістю дисоціації, тому

159

весь процес заміщення перебігає відповідно до кінетичного рівняння реакції І порядку (2.50).

Реакція нуклеофільного заміщення SN2

Цей механізм характерний для реакції гідролізу бромистого метилу. Гідроксид-іон атакує молекулу бромистого метилу, витискаючи бром у вигляді аніона, причому розрив зв’язку С–Вr і утворення нового зв’язку С–ОН відбуваються синхронно через утворення перехідного стану — одночасного координування п’яти замісників. Швидкість гідролізу описується рівнянням ІІ порядку (2.52).

Дуже часто реакції нуклеофільного заміщення супроводжуються реакцією елімінування. Це пов’язане з тим, що обидві реакції перебігають з утворенням однакового проміжного продукту.

Розглянемо механізм реакції елімінування на прикладі реакції дегідратації 2-метилбутанолу-2 за наявності каталізатора. Найчастіше цю роль відіграють кислоти (Н2SO4, H3PO4), кислі солі (KHSO4), оксиди (Al2O3, P2O5 й ін.) Порядок відщеплення води здебільшого відповідає правилу Зайцева — водень при утворенні молекули води відщеплюється від найменш гідрованого атома вуглецю.

160

На першій стадії відбувається приєднання каталізатора Н+ до неподіленої електронної пари ОН-групи. Утворюється оксонієвий катіон, який відщеплює молекулу води і перетворюється в карбкатіон, стабілізація якого відбувається шляхом відщеплення протона. Так відбувається регенерація каталізатора. Розглянуті перетворення органічних речовин стосуються сполук, в яких атом вуглецю перебуває в першому валентному стані (sp3-гібридизація). Для сполук, в яких атом вуглецю перебуває в другому валентному стані (sp2-гібридизація) або в третьому валентному стані (sp-гібридизація), характерним типом органічних реакцій є реакції приєднання.

Реакції електрофільного приєднання АЕ

Приєднання електрофільних реагентів до кратних зв’язків перебігає без каталізатора за такими стадіями:

І стадія — поляризація зв’язку субстрату та реагенту

ІІ стадія — утворення π-комплексу, в якому відбувається взаємодія позитивного кінця атакуючого реагенту з р-елект- ронами кратного зв’язку

C C

δ+

Br

δ- Br

ІІІ стадія — перегрупування π-комплексу в σ-комплекс (карбкатіон) з одночасним розривом зв’язку в атакуючому реагенті

Br

карбкатіон

IV стадія — утворення продукту реакції

Br

C C

Br

161

Нуклеофільні реагенти приєднуються до кратних зв’язків за наявності електрофільних каталізаторів, як правило, катіонів водню. За механізмом АЕ:

оксонієвий катіон

Реакції нуклеофільного приєднання AN

Виходячи із розподілення електронної густини в молекулі альдегіду або кетону, можна дійти висновку, що найбільш характерною реакцією для альдегідів і кетонів є реакція нуклеофільного приєднання AN, яку можна подати в загальному вигляді такою схемою:

R′ = H, R – alk

Атака нуклеофільного реагенту залежить від величини частково позитивного заряду на карбонільному атомі вуглецю. Значний вплив на величину δ+ має вуглеводневий радикал. Оскільки алкільні групи виявляють +І-ефект, то аліфатичні альдегіди завжди є більш реакційно здатними в реакціях AN, ніж аліфатичні кетони.

162

Альдегідна група має сильний –І-ефект, завдяки чому атоми водню у α-атомі вуглецю набувають підвищеної рухливості. Альдегіди вступають у реакцію альдольної конденсації, каталізаторами якої можуть бути К2СО3, К2SО3, СН3СООК (сполуки зі слабкими лужними властивостями). Механізм альдольної конденсації є таким:

Альдоль при нагріванні без водовідбираючих засобів відщеплює воду з виникненням при цьому ненасиченого альдегіду. Цей процес називається кротоновою конденсацією.

Таким чином, розуміння того, як саме відбуваються реакції і які фактори визначають їх напрямок, — найбільш важливе досягнення в органічній хімії, що має значення для біології.

Хоча хімія живої клітини іноді значно відрізняється від лабораторної реакції, немає ніяких підстав вважати, що типи реакцій і фактори, що впливають на їх перебіг, є різними для органічної хімії та біології. Підтвержденням цього може бути велика кількість біохімічних реакцій.

163

Розділ VI

ГЕТЕРОФУНКЦІОНАЛЬНІ ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ — БІОЛОГІЧНО АКТИВНІ РЕЧОВИНИ

Лекція 1

ХІМІЯ ЛІПІДІВ

І ЇX СТРУКТУРНИХ КОМПОНЕНТІВ

Основні біологічні функції ліпідів і їх класифікація

До ліпідів належать жири і жироподібні речовини рослинного та тваринного походження, які розчиняються у хлороформі, ефірі або інших органічних неполярних розчинниках. Низька розчинність у воді свідчить, що в молекулах ліпідів переважають неполярні, тобто вуглецеві фрагменти, а високополярні групи або зовсім відсутні, або становлять незначну частину молекули. Серед ліпідів трапляються і такі, які мають високу біологічну активність. До них належать деякі вітаміни, простагландини та стероїдні гормони, які наявні незначними кількостями, але виконують важливі біологічні функції як низькомолекулярні біорегулятори.

Найбільш розповсюдженими ліпідами є жири (або тригліцериди), фосфоліпіди та сфінголіпіди. Ліпіди виконують декілька головних біологічних функцій. Так, одна група сполук класу ліпідів — воски — відіграє роль захисного шару на листі вищих рослин, кутикулах комах і шкірі хребетних.

Акумуляторами енергії, або «енергетичним депо» в організмі тварини і людини є прості ліпіди — тригліцериди, які можуть накопичуватися. Їх калорійність майже в два рази вища порівняно з вуглеводами та білками.

164

Функцію структурних компонентів клітинних мембран виконують складні ліпіди — фосфоліпіди та сфінголіпіди. Крім того, фосфоліпіди беруть участь у метаболічних процесах.

Біологічні функції ліпідів залежать від хімічної будови. Гідрофобні властивості сполук цього класу зумовлені наявністю в їх молекулах залишків жирних кислот, спиртів та альдегідів. Наявність полярних угруповань зумовлює їх спорідненість до води. Молекули ліпідів біфільні, що дозволяє їм виконувати специфічні функції на межі розподілу фаз.

Залежно від здатності до гідролізу ліпіди поділяються на дві групи: ліпіди, що здатні до омилення, і ліпіди, що не здатні до омилення. В молекулах ліпідів, які здатні до гідролізу, наявний

Ліпіди називають простими, якщо продуктами гідролізу є спирти та вищі жирні кислоти чи солі вищих жирних кислот. До простих ліпідів, що омилюються, належать воски, жири й олії. Якщо при гідролізі, крім цих сполук, утворюються й інші речовини (фосфорна кислота, аміноспирти, вуглеводи тощо), то такі ліпіди називаються складними.

Складні ліпіди, що омилюються, поділяють на фосфоліпіди, сфінголіпіди та гліколіпіди.

До ліпідів, що не омилюються, належать речовини двох го-

ловних типів: стероїди і терпени.

Терпени утворюються в рослинах, до них належать ряд вуглеводнів, вуглецевий скелет яких побудований з двох, трьох або більше ланцюгів ізопрену, та їх кисневмісні похідні, які називають терпеноїдами. Особливу групу терпенів становлять каратиноїди — рослинні пігменти, в молекулах яких міститься багато супряжених подвійних зв’язків.

Система стерану є основою важливіших природних речовин, наприклад, жовчні кислоти, статеві гормони й інші сполуки.

Структурні компоненти ліпідів

Вищі жирні спирти й альдегіди. Вищі жирні спирти входять до складу різних ліпідів, мають нерозгалужений вуглецевий ланцюг, парне число атомів вуглецю і можуть бути як насиченими, так і ненасиченими.

165

і ненасичені вінілові спирти СН3(СН2)nCH=CHOH.

Вищі жирні альдегіди є структурними компонентами плазмалогенів, їх частка у складі природних ліпідів не є великою, але вони дуже різноманітні — можуть бути як насиченими, так і ненасиченими. Число атомів вуглецю в молекулах альдегідів

— від 6 до 20. Як правило, альдегідні компоненти плазмалогенів складаються з 16 і 18 атомів вуглецю.

До складу тригліцеридів і фосфоліпідів входить трьохатомний спирт гліцирин.

Шестиатомний спирт міоінозитол виявлено в складі ліпідів рослинних і тваринних тканин:

OH OH

H OH

H H

OH H

HO H H OH

Фосфоліпіди містять аміноспирти коламін NH2CH2CH2OH і

+

холін HOCН2CH2N(CH3)3.

Вищі аміноспирти входять до складу цереброзидів, сфінгомієлінів, гангліозидів та ін. Найчастіше це сфінгозин — двохатомний ненасичений аміноспирт транс-конфігурації.

Вищі карбонові кислоти (ВЖК) входять до складу ліпідів у вигляді складних ефірів або амідів. Жирні насичені й ненасичені кислоти нормальної будови входять до складу простих (жири, олії, воски) і складних ліпідів, є монокарбоновими і містять парне число атомів вуглецю. В ліпідах організму людини найважливішими є пальмітинова і стеаринова кислоти, що можуть синтезуватися ферментативно.

166

До основних вищих карбонових кислот належать пальмітинова, стеаринова, олеїнова, лінолева, ліноленова, арахідонова.

Ненасичені кислоти містять один або декілька подвійних зв’язків, розділених метиленовою групою. Вони є цис-ізомера- ми:

Серед ненасичених кислот, які містяться в природних жирах, найбільше значення мають олеїнова і лінолева тому що вони в тваринних організмах не синтезуються.

Такі кислоти називаються есенціальними (від фр. еssential — виключний).

167

Лінолева кислота, біологічна цінність якої для організму зумовлена її просторовою будовою — цис-конфігурацією, може перетворюватися в іншу кислоту — арахідонову, яка теж є цис-формою і вихідною сполукою для утворення гормонів, так званих простагландинів. Простагландини стимулюють роботу кишечника, легень, бронхів; активують синтез глікогену в печінці; розширюють кровоносні судини, інгібірують скипання крові та виділення шлункового соку і відіграють важливу роль у формуванні функції статевих гормонів. Поліненасичені кислоти знижують вміст холестерину в крові, тобто запобігають розвитку атеросклерозу.

У клітинах і тканинах жирні кислоти перебувають здебільшого не у вільному стані, а в ковалентно-зв’язаній формі в складі ліпідів різних класів.

Ліпіди, що омилюються

Рослинні та тваринні воски. Ці сполуки утворюють захисні водостійкі покриття на поверхні багатьох рослин і на шкірі тварин. Це складні ефіри нерозгалужених вищих жирних кислот і спиртів, у радикалі яких число атомів вуглецю дорівнює 16 і більше. Наприклад, бджолиний віск містить складні ефіри пальмітинової кислоти і вищих спиртів із нерозгалуженим радикалом, у тому числі мірицилпальмітат, із спермацету виділено цетилпальмітат.

Молекули восків характеризуються гідрофобністю. Воски завжди містять вільні кислоти, вільні спирти і часто — вуглеводні. Їх застосовують у літографії, гальваностегії, при виготовленні мазей і кремів, як добавки до мила, пластиру, помади тощо.

Тригліцериди (жири й олії) — складні ефіри гліцерину та вищих жирних кислот. Вони бувають різних типів залежно від природи залишків вищих жирних кислот. Більшість природних жирів (оливкова олія, вершкове масло й інші харчові жири) є мішаними тригліцеридами, до складу яких входять жирні кислоти, що різняться як за довжиною ланцюга, так і за ступенем наси-

168