А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 01 Основы теоретических представлений в органической химии

Пример: CH2=CH2 + HBr CH3–CH2Br

3. Реакции отщепления (или элиминирования). Обозначаются бук-

вой Е (Elimination). Это реакции, в которых из молекулы удаляются два атома или две группы без замещения другими атомами или группами, сопровождающиеся образованием -связей в продукте реакции. Они обратны реакциям присоединения. В общем виде:

Элиминирование водорода называют дегидрированием, а отщепление воды — дегидратацией.

Пример:

Другие реакции отщепления — это дегидрогалогенирование (отщепление галогеноводорода), декарбоксилирование (отщепление диоксида углерода), декарбонилирование (отщепление монооксида углерода).

4. Реакции перегруппировок. Это реакции, связанные с изменением скелета молекулы. Их часто можно представить в виде одной или нескольких реакций замещения. Это реакции, протекающие по схеме:

Кроме того, существуют окислительно-восстановительные реакции.

Выделение данных реакций в отдельную группу условно.

Образование новых веществ всегда сопровождается разрушением старых молекул: разрываются старые связи и образуются новые. В зависимости от того, как разрывается химическая связь и образуется атакующая частица, реакции можно разделить на два типа: ионные и радикальные. Помимо этого существует небольшая группа согласованных (синхронных) реакций.

Радикальные реакции осуществляются при участии частиц, которые называются радикалами (или свободными радикалами), а сами реакции с их участием — радикальными.

Радикальные частицы образуются при гомолитическом разрыве ковалентной связи. В образующихся фрагментах остается по одному неспаренному электрону

55

Необходимо различать химическую селективность, региоселективность и стереоселективность. Химическая селективность обусловлена различной реакционной способностью разных функциональных групп или протеканием реакций разного типа. В случае проявления региоселективности происходит протекание реакции по данной функциональной группе, приводящее к образованию разных структурных изомеров. В свою очередь стереоселективность обусловлена преимущественным образованием одного из стереоизомеров. Здесь можно выделить также понятие энантиоселективности, которое подразумевает преимущественное образование одного из энантиомеров. С примерами проявления селективности и специфичности разных химических превращений мы ознакомимся позже, по ходу изучения фактического материала в свойствах различных классов органических соединений.

Большинство химических реакций органических соединений включает несколько последовательных стадий. При этом механизмом реакции называется детальное описание пути, ведущего от исходного вещества к продуктам реакции, включающее описание промежуточных соединений и переходных состояний (активированных комплексов).

Промежуточное соединение (или интермедиат) — это вполне определѐнное химическое соединение, которое в принципе может быть выделено и охарактеризовано. Промежуточные соединения образуются на отдельных этапах процесса. В условиях реакции они обычно превращаются дальше с образованием конечного продукта. В отличие от исходных веществ и конечных продуктов они обладают большим запасом энергии и, соответственно, высокой реакционной способностью.

Переходное состояние — это совсем иное. Это именно мгновенное состояние реагирующей системы, которое возникает при столкновении частиц и имеет период жизни, соответствующий периоду двух межатомных колеба-

ний ( 10-13с). После этого переходное состояние распадается на исходные или новые вещества. Оно в принципе не может существовать в статическом режиме, так как характеризуется максимумом энергии; в свою очередь, энергия, необходимая для его достижения, есть энергия активации.

Применение катализатора приводит к снижению энергии активации и соответственно к увеличению скорости химической реакции. Другими словами, влияние катализатора состоит в том, что он направляет реакцию по другому пути, что часто сопровождается образованием более устойчивых промежуточных соединений.

К процессам кислотно-оснόвного катализа в органической химии относятся многочисленные реакции, протекающие по нуклеофильному и электрофильному механизмам, многие реакции изомеризации, каталитического крекинга и др. Типичные катализаторы этих процессов — вещества, способные отдавать или принимать протон от реагентов или же способные к гетеролитическим взаимодействиям с реагентами. Среди этих веществ — про-

57

тонные (H2SO4, CH3COOH, HF) и апротонные (BF3, AlCl3) кислоты, аморфные и кристаллические алюмосиликаты, оксид алюминия, фосфаты, сульфаты. Активными центрами в них является протонный центр H+ (центр Брѐнстеда) или акцептор электронной пары, например атом алюминия (центр Льюиса). Применяются и катализаторы оснόвного характера (растворѐнные основания, твѐрдые CaO, MgO и др.).

В случае полифункциональных катализаторов отдельные этапы сложных каталитических процессов протекают на разных составных частях многокомпонентной многофазной системы. Типичными катализаторами здесь являются переходные металлы и их соединения. Это многочисленные реакции гидрирования C=C, C C, C=O, NO2-групп.

Растворители могут оказывать решающее влияние на ход органических реакций. Природа растворителей может влиять на тип реакций, еѐ направление (селективность), стереохимию реакции (стереоселективность) и скорость реакции. Это влияние обусловлено физическими свойствами растворителя (температурой кипения, дипольным моментом, диэлектрической проницаемостью), химическими свойствами растворителя (кислотным или оснόвным характером) и его растворяющей способностью. Эти разнообразные свойства могут влиять одновременно.

Обычно растворимость данного соединения тем выше, чем больше его сходство с растворителем. Можно выделить два типа растворителей: углеводороды (гексан, бензол) и воду. Вещества растворяются в углеводородах тем лучше, чем лучше выражен у их молекул гидрофобный (или липофильный) характер, то есть чем бóльшая часть молекулы вещества имеет углеводородный характер. Например, октан-1-ол CH3(CH2)6CH2OH лучше растворяется в углеводородах, чем метанол CH3OH. Напротив, вещество тем лучше растворимо в воде, чем больше в составе еѐ молекул гидроксильных групп (гидрофильного характера) или, в общем случае, полярных групп. Поэтому все применяемые в органической химии растворители различаются по полярности на сильнополярные, малополярные и неполярные.

Кроме того, полярные растворители делятся на две большие группы: протонные и апротонные. Молекулы протонных растворителей содержат в своѐм составе подвижные атомы водорода, например, вода, спирты ROH, аммиак, кислоты. Молекулы апротонных растворителей подвижных атомов водорода не содержат, например, простые эфиры ROR, ацетон CH3COCH3.

Протонные растворители обладают одновременно нуклеофильными и электрофильными свойствами. Нуклеофильные свойства определяются наличием атомов с неподелѐнными электронными парами, а электрофильные

— способностью образовывать водородные связи за счѐт подвижных атомов водорода, то есть они сольватируют и катионы, и анионы.

Апротонные полярные растворители — это растворители с нуклеофильными свойствами, так как содержат атомы с неподелѐнными парами

58

электронов. При этом катионы сольватируются, а анионы остаются относительно свободными.

Проведению реакций часто благоприятствует то, что реагирующие соединения находятся в реакционной среде в растворѐнном состоянии. Однако в отдельных случаях выгодно проводить реакцию в двух несмешивающихся растворителях, например в воде и бензоле.

Применение растворителя с высокой температурой кипения позволяет проводить реакцию при высокой температуре без использования повышенного давления (в автоклаве).

1.9. МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

Успешному развитию теоретической и синтетической органической химии содействовали химические и физико-химические методы анализа веществ.

В случае синтеза нового соединения необходимо подтвердить или установить его состав и строение. Первоначально определяют его качественный состав. Обычно в состав органических соединений входят углерод, водород, кислород, часто азот, сера, хлор, бром, а в ряде случаев и другие элементы. Для определения качественного состава органических соединений широко используют деструктивные реакции, например деструктивное окисление. Так, для определения углерода и водорода испытуемый образец нагревают с избытком окислителя, чаще всего с порошком оксида меди (II). Выделение СО2 указывает на наличие углерода, а Н2О — водорода. Для определения азота небольшую порцию органического вещества сплавляют с кусочком натрия, при этом образуется цианид натрия, который легко обнаруживается по появлению синего окрашивания после добавления солей железа вследствие образования Fe4[Fe(CN)6]3. Для определения остальных элементов используют другие аналитические методы.

Количественный анализ органических соединений основан на термической деструкции взвешенных проб препарата в среде окислителя или восстановителя. Например, для микроопределения углерода и водорода нагревают навеску вещества до 1170 К в токе кислорода; при этом выделяются CO2 и H2O, количественно поглощающиеся в специальных трубках.

Чтобы установить молекулярную формулу вещества, необходимо знать молекулярную массу, а еѐ определяют обычно методом эбуллиоскопии или криоскопии. Однако установление молекулярной формулы химического вещества часто является недостаточным, чтобы приписать ему необходимую структуру. Так, например, этанол C2H5OH и диметиловый эфир CH3OCH3 имеют одну и ту же молекулярную формулу C2H6O. Поэтому необходимо

59

дополнительное проведение функционального анализа на гидроксигруппу спирта или эфирную группировку C–O–C.

Из физических методов определения строения органических веществ широко используют оптическую спектроскопию, ИК-, УФ-спектроскопию, масс-спектрометрию, ядерный магнитный резонанс, хроматографию, рентгеноструктурный анализ и др.

Рентгеноструктурный анализ химического соединения является уникальным методом, позволяющим получить данные о пространственном расположении атомов в молекуле этого соединения, о длине связей между атомами и о валентных углах. Он основан на дифракции рентгеновских лучей в кристалле вещества.

При анализе органических соединений часто используют оптическую спектроскопию, в основе которой лежит исследование зависимости поглощения света от длины волны.

При пропускании света — ультрафиолетового, видимого или инфракрасного — через раствор органических веществ обычно происходит ослабление его интенсивности. В результате этого с помощью спектроскопа получают спектр поглощения, характерный для того или иного вещества. Видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение отличаются длиной волны электромагнитного колебания: 1 4 102 нм для ультрафиолетового, 4 8 102 нм для видимого и 103 105 нм для инфракрасного.

Молекула из основного энергетического состояния с энергией Е1 переходит в возбуждѐнное состояние с энергией Е2. Поглощѐнная молекулой энергия Е расходуется на возбуждение электронов, колебания атомов и вращения молекулы.

Широкое распространение получила инфракрасная (ИК) спектроскопия. Молекулы в данной области спектра поглощают свет. Это поглощение связано с возбуждением колебательного и вращательного движений частиц. ИК-спектр является вращательно-колебательным. Колебания атомов в молекуле происходят с определѐнными частотами и похожи на колебательные движения шариков на пружинах в модели молекулы. Эти собственные колебания определяются массой атомов, формой молекулы и силой химических связей, соединяющих атомы в молекулы.

ИК-спектроскопия позволяет идентифицировать имеющиеся в соединениях функциональные группы и структурные элементы. Каждой химической связи соответствует вполне определѐнная полоса поглощения (длина волны), так как на возбуждение еѐ колебаний расходуется определѐнная энергия. По положению в спектре максимумов поглощения можно точно установить, какие связи имеются в исследуемом веществе.

Атомные группы и определѐнные связи характеризуются значениями частот, мало отличающимися в различных соединениях. Такие частоты получили название характеристических.

60

Однако в настоящее время наиболее информативным методом для идентификации органических соединений является спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод основан на измерении поглощения веществом радиоизлучения определѐнной частоты вследствие энергетических переходов атомных ядер в сильном магнитном поле с одного магнитного энергетического уровня на другой. Сигнал ЯМР могут вызвать только ядра со спиновым квантовым числом, отличным от нуля. Наиболее удобны для ЯМР-спектроскопии ядра, имеющие полуцелый спин, например, 1Н, 13С, 15N.

Наиболее широко применяют протонный магнитный резонанс (ПМР) как разновидность ядерного магнитного резонанса. В спектре ПМР по оси абсцисс откладывается так называемый химический сдвиг сигнала. В принципе, можно откладывать напряжѐнность магнитного поля или частоту радиоволн. Сигналы ПМР очень чувствительны к структурным изменениям в молекуле, к окружению атома. Поэтому почти каждый атом водорода в молекуле или группа водородных атомов одного типа даѐт свой сигнал в спектре ПМР. Этим методом можно изучать не только структуру, но и межмолекулярное взаимодействие, кинетику реакций.

Температура плавления. Чистые кристаллические вещества переходят из твѐрдого состояния в жидкое при строго определѐнной температуре, называемой температурой плавления. Она является важнейшей физической константой органических соединений, широко привлекаемой для их идентификации и контроля степени чистоты. Для каждого индивидуального соединения обычно характерна определѐнная величина температуры плавления.

Температура плавления зависит как от молекулярной массы соединения, так и от характера и количества функциональных групп, входящих в состав молекулы. Кроме того, существенное влияние оказывает характер углеродного скелета, его разветвлѐнность и наличие циклов.

В кристаллическом состоянии расстояния между частицами вещества близки к их размерам; вещество имеет упорядоченную, однородную структуру с жѐстко закреплѐнными в пространстве частицами в кристаллической решѐтке. Для разрушения такой решѐтки необходимы более или менее значительные энергетические затраты, зависящие от характера взаимодействий между частицами. Чем прочнее кристаллическая решѐтка, тем выше температура плавления вещества.

Твѐрдые вещества могут существовать в аморфном (бесформенном) состоянии. Межмолекулярные взаимодействия в них слабее, чем в кристаллических веществах, и температуры плавления не строго фиксированы.

Температура кипения. Переход из жидкого состояния в газообразное характеризуется определѐнной температурой, при которой парциальное давление данной жидкости становится равным общему давлению газовой среды, в которой эта жидкость находится. Поэтому температура кипения зависит от давления. Температура кипения при нормальном атмосферном давлении

61

(1 атм или 101325 Па, или 760 мм рт. ст.) является константой, характерной для каждого соединения.

Температура кипения более закономерно зависит от строения, чем температура плавления. Общим правилом является повышение температуры кипения с увеличением молекулярной массы, так как в этом случае более сильны взаимодействия между молекулами жидкости. Однако следует особо выделить соединения, которые в жидком состоянии ассоциированы вследствие образования межмолекулярных водородных связей. К их числу относятся все соединения, молекулы которых содержат гидроксильные группы, амино- и иминогруппы. Эти соединения характеризуются более высокой температурой кипения, чем этого следовало бы ожидать, исходя из их молекулярной массы.

Относительная плотность вещества. Плотность вещества является одним из показателей плотности упаковки молекул. Поэтому для соединений с нормальной (неразветвлѐнной) углеродной цепью плотность будет выше, чем для разветвлѐнных аналогов. Относительная плотность вещества также зависит от температуры. Поэтому необходимо обязательно указывать температуру, при которой проводились измерения. Верхний и нижний индексы при обозначении плотности d420 показывают соответственно, что плотность данного вещества измерена при 20 С (293 К) и отнесена к плотности воды при 4 С (277 К) (плотность воды при этой температуре точно равна 1 г/мл).

Молекулярная рефракция. Эта величина представляет собой меру молярной поляризуемости данного соединения. Чем она больше, тем меньшее внешнее электрическое поле требуется для вызова данного искажения в распределении электронного заряда.

Молекулярная рефракция имеет аддитивные свойства, то есть молекулярная рефракция молекулы может быть получена суммированием рефракций составных частей этой молекулы. Такими составными частями являются химические связи и совокупности атомов и связей. Эти рефракции вычислены на основе исследований многих органических соединений и могут быть найдены в справочниках.

Для установления структуры соединения экспериментально определяют молекулярную рефракцию и сравнивают с рефракцией, полученной суммированием рефракций связей по предполагаемой структурной формуле.

1.10.ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ДЕЙСТВИИ И МЕТАБОЛИЗМЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

В организме человека протекает множество химических реакций, в которых участвуют разнообразные химические вещества. Эти вещества в большинстве своѐм являются естественными составляющими организма. Но

62

в процессе жизнедеятельности в организм из внешней среды попадают также чужеродные данному организму вещества. Эти вещества называются ксенобиотиками. В одних случаях ксенобиотики могут не обладать выраженной биологической активностью и не вызывать никаких видимых изменений в организме. В других же случаях, когда ксенобиотики, взаимодействуя с биологическими субстратами, изменяют течение биохимических процессов в организме, они называются биологически активными веществами.

Среди биологически активных веществ выделяют физиологически активные вещества — соединения, нормализующие функционирование организма, и лекарственные вещества — соединения, обладающие терапевтическим или профилактическим действием.

По химическим механизмам действия различные вещества можно разделить на две группы. В первую группу входят вещества, биологический эффект которых возникает в результате образования с биологическими макромолекулами (компонентами клеток) надмолекулярных комплексов, стабилизированных нековалентными связями (взаимодействие лиганд – рецептор). Во вторую — входят вещества, образующие с биологическими молекулами ковалентные связи. В первом случае взаимодействие обратимо и взаимодействующие молекулы остаются неизмененными, во втором случае происходит необратимое изменение взаимодействующих молекул.

Действие данного вещества на организм, вызываемые им эффекты, их длительность и интенсивность определяются химической структурой его молекулы. При этом проникновение, распределение и выведение вещества определяются в первую очередь его способностью растворяться в жирах и воде, что обусловлено балансом липофильных и гидрофильных свойств вещества. Поэтому химические свойства и химическое строение определяют поведение и судьбу органического вещества в организме и вызываемые ими биологические эффекты.

Метаболизм (или биотрансформация) органических соединений — это изменение их химической структуры под действием различных биохимических систем организма. В результате биотрансформации ксенобиотиков (в т.ч. лекарственных веществ) образуются их производные, называемые метаболитами. Как правило, метаболиты представляют собой более полярные и более гидрофильные соединения. Более высокая растворимость в воде метаболитов по сравнению с исходным ксенобиотиком способствует их ускоренному выведению из организма. Метаболизм ксенобиотиков (и лекарственных веществ) осуществляется в основном в печени и в меньшей степени в других внутренних органах (желудочно-кишечном тракте, легких, почках и некоторых других).

Например, основное направление метаболизма углеводородов в организме человека и животных — это окисление (гл. 2.6). Скорости реакции

63

окисления алканов незначительны. Конечными продуктами реакции являются соответствующие спирты, альдегиды (или кетоны) и далее кислоты.

Таким образом, метаболизм ксенобиотиков является функцией химической защиты организма, способствующей быстрому выведению не свойственных организму веществ.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Объясните различие современных понятий «химическая структура» и «пространственное строение» молекулы.

2.Будет ли в молекуле этилена CH2=CH2 строгая sp2-гибридизация атомных орбиталей углерода? Приведите хотя бы один пример углеводорода из школьного курса химии, в молекуле которого была бы строгая sp2- гибридизация.

3.Каково пространственное строение молекул пропена СН2=СН-СН3 и про-

пина СН С-СН3 ?

4.Объясните малую прочность -связи. Сравните еѐ с прочностью -связи.

5.Какие атомы или атомные группировки обладают положительным, а какие — отрицательным индуктивным эффектом: 1) -CH2F, 2) -Li, 3) -NH2,

4) -CHF2, 5) -CF3, 6) -I, 7) -PH2, 8) -CH3, 9) -Na, 10) -CH2OH, 11) -CCl3,

24)-CH2CH2CH2CH3 ?

6.Будет ли частичный положительный заряд на атоме углерода в трихлорметане СНCl3 в три раза больше, чем в хлорметане СН3Cl ? Поясните.

7.Как вы понимаете смысл устоявшихся химических терминов «брѐнстедовская кислота» и «кислота Льюиса»? Существует ли между ними различие? В чѐм оно заключается?

8.Какие атомы углерода являются хиральными центрами в следующих структурах: 1) СН3-СНF-СН2F; 2) СН3-СНFBr; 3) СН3-СНF-СН2-СН3;

4)СН2Br-СНF-СН3 ?

9.Изобразите при помощи формул Фишера оптические изомеры, соответст-

вующие следующим структурным формулам:1) CH3-CH(OH)-CH2OH, 2) ClCH2-CHOH-CH2Br, 3) HOCH2-CH(NH2)-CH(OH)-COOH. Определите их абсолютную конфигурацию.

10.В каких случаях общее число оптических изомеров может быть меньше определяемого по формуле N = 2n ? Изобразите с помощью проекционных формул Фишера все оптические изомеры винной кислоты

HOOC-CHOH-CHOH-COOH.

11.Дайте названия для следующих углеводородов с учѐтом их стереоизомерии:

64