posobia2 / Лекции по биоорганической химии (2011 г

превращение полуацеталя в ацеталь представляет нуклеофильное замещение.

полуацеталь (1-этоксиэтанол-1)

Необходимость использования кислотного катализа при превращении полуацеталей в ацетали обусловлена тем, что ОН-группа является плохо уходящей. Для превращения ее в хорошо уходящую группу – молекулу Н2О - используют кислоты в качестве катализаторов.

(1,1-диэтоксиэтан)

В случае реакций кетонов со спиртами положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы оказывается недостаточным для непосредственной атаки молекулой спирта, и кетали одноатомных спиртов таким путем получить нельзя. Их получают с использованием ортоэфиров муравьиной кислоты.

81

кеталь

Реакции образования полуацеталей и ацеталей характерны для природных гетерополифункциональных соединений – углеводов. Моносахариды являются, как правило, полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами, внутри молекул которых между гидроксильной и карбонильной группами происходит взаимодействие, приводящее к образованию гетероцикла:

Циклические формы моносахаридов являются циклическими полуацеталями или циклическими полукеталями. Образование олигосахаридов и полисахаридов представляет собой реакцию образования ацеталя, повторяющуюся многократно:

82

Полисахариды, как ацетали, подвергаются гидролизу только в кислой среде.

Присоединение меркаптанов RSH к альдегидам и кетонам приводит к образованию, соответственно, тиоацеталей. Способность молекул меркаптанов эффективно атаковать атом углерода карбонильной группы кетонов отражает большую склонность RSH (по сравнению с ROH) к образованию эффективных нуклеофилов RS , т.е большую кислотность тиолов по сравнению со спиртами.

Присоединение синильной кислоты

Карбонильные соединения, присоединяя НСN в присутствии щелочей, как катализаторов, образуют -оксинитрилы.

Лимитирующей стадией реакции является атака цианид-ионами карбонильного соединения. Синильная кислота является очень слабым электролитом, щелочь необходима для образования хорошей нуклеофильной частицы – цианид-иона CN . Цианид-ион присоединяется к кетону с образованием алкоксид-аниона:

83

Процесс завершается взаимодействием алкоксид-аниона с молекулой HCN при проведении реакции в жидкой HCN, или завершается взаимодействием алкоксид-аниона с молекулой воды, если реакция проводится в водном растворе. Получаемые -оксинитрилы можно использовать для получения -гидроксикислот.

Реакции присоединения гидрид-ионов (реакции восстановления)

Взаимодействие карбонильных соединений с гидридами металлов (КН, NaH, СаН2 и др.) и комплексными гидридами (NaBH4, LiAlH4 и др.) протекает в два этапа. На первом идет нуклеофильное присоединение гидрид-иона, приводящее к образованию алкоголята, на втором – гидролиз алкоголята с образованием спирта и гидроксида металла.

Из альдегидов образуются первичные спирты, из кетонов – вторичные.

Реакции альдольной конденсации

Альдегиды и кетоны, имеющие в -положении водородные атомы (С-Н кислотный центр), реагируя с основаниями, образуют стабилизированные карбанионы, способные атаковать атом углерода

84

оксогруппы другой молекулы, что, в конечном счете, приводит к образованию альдоля. Уравнение реакции имеет следующий вид:

Альдегиды, не имеющие С-Н кислотного центра в -положении, в реакцию альдольной конденсации не вступают. В этих условиях (щелочной катализ) они подвергаются диспропорционированию – реакция Канниццаро - Тищенко:

Гидроксид-ион при взаимодействии с субстратами, не имеющими кислотного центра, выступает не как основание, а как нуклеофил, который присоединяется к атому углерода карбонильной группы, в результате чего образуется алкоксид-анион. В анионе атом кислорода, несущий отрицательный заряд, выступает как сильный электронодонорный заместитель, смещающий от себя электронную плотность -связи С О , что приводит к увеличению электронной плотности и на атоме водорода, на нем в итоге возникает частичный

85

отрицательный заряд. Этот атом водорода выступает в дальнейшем как нуклеофил – атакует атом углерода карбонильной группы другой молекулы альдегида. В возникающем переходном состоянии одновременно разрываются и образуются 2 -связи и 2 -связи: в анионе образуется -связь углерод-кислород и разрывается -связь углеродводород, в альдегиде – разрывается -связь углерод-кислород и образуется -связь водород-углерод. Анион превращается в карбоновую кислоту (оксиляется), а альдегид – в алкоголят-анион (восстанавливается). На последнем этапе идет кислотно-основное взаимодействие, результатом которого является образование спирта и карбоксилат-аниона (соли карбоновой кислоты):

Окисление и восстановление органических соединений

Окислительно-восстановительные процессы часто сопровождают протекание многих химических реакций, таких как реакции соединения, разложения, замещения, отщепления с участием неорганических и органических соединений. Внимание к окислительновоссстановительным процессам объясняется тем, что зачастую они сопровождаются значительными тепловыми эффектами, что представляет несомненный интерес как для их промышленного

86

использования, так и для понимания энергетических процессов, протекающих в клетке.

Необходимо отметить, что между процессами окисления и восстановления в неорганической и органической химии есть различия. Так, в неорганической химии под окислением понимают отдачу одного или нескольких электронов атомом, молекулой или ионом, под восстановлением понимают присоединение одного или нескольких электронов атомом, молекулой или ионом. В органической химии окислением называют процесс удаления атома водорода с образованием кратной связи или новой связи между атомом углерода и гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород; восстановлением называют процесс образования новых связей с атомами водорода.

Примеры реакций восстановления:

В этих случаях молекулы органических веществ восстанавливаются, принимая два атома водорода. Восстановление имеет место и в случае, когда молекула принимает гидрид-ион Н и катион водорода Н+ (2Н = Н

+ Н+ = 2е- + 2Н+):

87

Процесс окисления органических молекул сопровождается отдачей двух электронов с образованием связи с двумя более электроотрицательными атомами:

Окисляясь, органическая молекула может терять элетрон и атом водорода (электрон и атом Н эквивалентны гидрид-иону Н ) в результате образования связи с более электроотрицательным атомом:

Процесс дегидрирования органической молекулы приводит к ее окислению, в результате молекула теряет два атома водорода (или гидрид-ион Н и катион Н+, или 2е и 2Н+) и образуется кратная связь:

Процессы окисления и восстановления в организме происходят с участием различных коферментов, которые, выступая в качестве окислителей, ведут себя как акцепторы гидрид-иона (НАД+) или пары атомов водорода (ФАД), восстановленные формы этих коферментов в ОВР выступают как доноры гидрид-иона или молекулы водорода:

88

ЛЕКЦИЯ № 7

Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот и их производных

Карбоновые кислоты и их функциональные производные (галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры, тиоэфиры, амиды, соли) также содержат в своем составе карбонильную группу, однако для них характерны реакции нуклеофильного замещения, а не присоединения. Такой результат взаимодействия этих субстратов с нуклеофилами обусловлен их электронным строением.

увеличение положительного заряда на атоме углерода оксогруппы увеличение реакционной способности в реакциях с нуклеофилами

Величина положительного заряда, возникающего на атоме углерода оксогруппы, увеличивается с усилением электроноакцепторного характера заместителя ( + возрастает с усилением отрицательного индуктивного эффекта по сравнению с положительным мезомерным эффектом). Отличием приведенных выше соединений от альдегидов и кетонов является то, что 2 электрона - связи углерод-кислород участвуют в сопряжении с неподеленной парой р-электронов гетероатома (атомов галогена, серы, кислорода или азота), что приводит к повышению стабильности соединений. Нуклеофильное присоединение к карбонильной группе этих соединений приводило бы к изменению гибридизации атомных орбиталей углерода с sp2 на sр3 и разрушению системы сопряжения, уменьшению

89

стабильности молекулы. Для сохранения сопряженной системы в реакциях с нуклеофилами после присоединения нуклеофильной частицы происходит отщепление уходящей группы и регенерация сопряжения. В итоге нуклеофильная частица оказывается связанной с ацильной группой – R-C=O, поэтому реакции производных карбоновых кислот называют реакциями ацилирования. Общая схема нуклеофильного замещения имеет вид:

Реакционная способность соединений зависит от величины эффективного положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы и от способности к отщеплению уходящей группы Z. В приведенном выше ряду функциональных производных карбоновых кислот справа налево (от солей к галогенангидридам) увеличивается положительный заряд на атоме углерода и увеличивается стабильность уходящей группы, т.е. способность к отщеплению. Реакции ацилирования с участием галогенангидридов карбоновых кислот идут практически необратимо, для связывания кислоты реакцию проводят в присутствии аминов – пиридина или триэтиламина. Уравнение реакции имеет вид:

Механизм реакции:

90