2.6 Окислительно-восстановительные реакции (овр)

Окислительно-восстановительные реакции занимают большое место в органической химии, имеют важнейшее значение для процессов жизнедеятельности. С их помощью организм удовлетворяет свои энергетические потребности, поскольку при окислении органических веществ происходит высвобождение энергии. С другой стороны, эти реакции служат для превращения пищи в компоненты клетки.

Окисление в органической химии — процесс удаления водорода с образованием кратной связи или новой связи между атомом углерода и гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород, например атомами кислорода, азота, серы и т. д.

Восстановление — процесс, обратный окислению, сопровождается образованием новых связей с водородом и включает перенос электронов к органическому субстрату.

Окислители представляют собой соединения, обладающие высоким сродством к электрону. Окислителями могут служить кислород, пероксиды, азотная кислота, галогены, гипогалогениты, хлорная кислота, соединения металлов в высших степенях окисления (например, оксид марганца (IV), оксид свинца(II), перманганат калия, хромовая кислота).

Для восстановления органических соединений могут быть использованы практически все восстановители. Чаще всего применяются водород в присутствии катализаторов, гидриды металлов и активные металлы (Na или Zn).

Насыщенные углеводороды — наиболее трудно окисляющиеся органические соединения. Для их окисления необходимы жесткие условия (например, горячая хромовая смесь); более мягкие окислители в обычных условиях на них не действуют.

Первичные и вторичные спирты по сравнению с углеводородами окисляются в более мягких условиях. При окислении первичных спиртов необходимо быстро выделять альдегид из реакционной смеси для предотвращения его дальнейшего окисления в карбоновую кислоту.

Одноосновные карбоновые кислоты, как правило, устойчивы к действию окислителей. Легко окисляются лишь муравьиная кислота и кислоты с третичным атомом углерода в -положении. При окислении последних получаются -оксикислоты:

(CH₃)₂CH–COOH + [O]  (CH₃)₂C(OH)–COOH

В животных организмах одноосновные карбоновые кислоты также способны окисляться, причем атом кислорода направляется всегда в - положение. Так, например, в организме больных диабетом масляная кислота переходит в -окимасляную кислоту:

CH₃CH₂CH₂COOH + 2O  CH₃CH(OH)CH₂COOH

Альдегиды — один из наиболее легко окисляющихся классов органических соединений. Даже такие слабые окислители, как реактивы Толленса или Фелинга, легко восстанавливаются альдегидами. Обе эти реакции используют как качественные для обнаружения альдегидной группы.

Окисление двойных углерод – углеродных связей. В зависимости от условий окисление двойных связей может приводить к эпоксидам, гликолям или карбонильным соединениям — продуктам расщепления двойной связи.

Окислительно-восстановительные процессы в организме. Одним из участников этих процессов является кофермент НАД+, который служит акцептором гидрид-иона при биологическом дегидрировании, превращаясь при этом в восстановленную форму НАДН.

Например, с участием НАД⁺ осуществляется одна из наиболее универсальных реакций биологического окисления — дегидрирование спирта в альдегид или кетон.

Типовые задачи и их решение

Задача IХ. Какой продукт преимущественно образуется в результате реакции бромирования 3-метилпентана?

Р ешение. Все атомы углерода в 3-метилпентане находятся в состоянии sр³-гибридизации. В молекуле имеются только неполярные С–С и малополярные С–Н -связи. Это обусловливает участие их в реакциях радикального замещения S_R, которые являются региоселективными: при наличии первичных, вторичных и третичных атомов углерода бромирование проходит преимущественно у третичного атома (наименьшая прочность связи С–Н и наиболее устойчивое промежуточное соединение – третичный радикал). Следовательно, преимущественным продуктом реакции является 3-бром-3-метилпентан.

^{3-метилпентан бром 3-бром-3-метилпентан бромоводород}

Задача Х. Назовите продукты взаимодействия пропена и 2-бутеновой кислоты с бромоводородом в присутствии перекиси и без неё.

Решение. Электрофильное присоединение галогеноводородов происходит по правилу Марковникова: атомы водорода присоединяются преимущественно к наиболее гидрогенизированному атому углерода. Так, например, при взаимодействии пропена с хлороводородом образуется преимущественно 2-хлорпропан.

СН₃СН=СН₂ + НВr  СН₃СНВr–СН₃

^{пропен 2-бромпропан}

Однако в 2-бутеновой кислоте оба атома углерода, связанных двойной связью, имеют равное число атомов водорода. В этом случае применяют правило Марковникова в более общей формулировке: присоединение несимметричного реагента к несимметричному алкену по ионному механизму протекает в направлении образования более устойчивого катиона.

К электронной плотности -связи в первую очередь подходит положительно заряженная частица Н⁺. В результате присоединения иона водорода к двойной связи кислоты СН₃СН=СНСООН образуются два карбокатиона:

СН₃⁺СН–СН₂СООН (I) и СН₃СН₂⁺СНСООН (II)

В катионе (I) рядом с положительно заряденным атомом углерода присутствует электронодонорная метильная группа, обладающая положительным индуктивным эффектом, что приводит к делокализации положительного заряда и стабилизации катиона. В катионе (II) метильная группа расположена дальше, её эффект ощущается слабее (индуктивный эффект по цепи затухает). Электронокцепторная карбоксильная группа за счёт своего отрицательного индуктивного эффекта, напротив, дестабилизирует катион; но в катионе (I) она находится дальше и её дестабилизирующее действие ощущается заметно меньше, чем во вторичном катионе (II). В результате распределение заряда в катионе (I) более равномерное; такая частица оказывается более устойчивой, реакция идет по пути, направляемому ее образованием:

СН₃СН=СНСООН + НВr  СН₃СНВrСН₂СООН

^{2-бутеновая кислота 3-бромбутановая кислота}

В присутствии перекиси реакция присоединения идёт по радикальному механизму и не подчиняется правилу Марковникова:

СН₃СН=СН₂ + НВr(в прис. Н₂О₂)  СН₂ВrСН₂СН₃

^{пропен 1-бромпропан}

СН₃СН=СНСООН + НВr(в прис. Н₂О₂)  СН₃СН₂СНВrСООН

^{2-бутеновая кислота 2-бромбутановая кислота}

Задача ХI. В процессе метаболизма в живых организмах фумаровая кислота превращается в яблочную. Каким путем можно получить яблочную кислоту из фумаровой in vitro?

Решение. Фумаровая кислота — ненасыщенная двухосновная кислота (транс-бутендиовая кислота). Яблочная кислота принадлежит к насыщенным двухосновным гидроксикислотам (гидроксибутандиовая кислота).

Реакция представляет собой присоединение воды по кратной связи. Гидратацию алкенов проводят в разбавленном водном растворе сильной кислоты, например серной. Кислота служит источником электрофильной частицы (протона Н⁺). Механизм реакции — электрофильное присоединение А_Е.

Э лектронная плотность углерод-углеродной -связи в молекуле фумаровой кислоты уменьшена вследствие электроноакцептор-ного действия двух карбоксильных групп. Поэтому гидратацию фумаровой кислоты осуществляют в сравнительно жестких условиях (нагревание с разбавленным водным раствором кислоты при температуре 150…200 °С).

^{фумаровая кислота яблочная кислота}

Гидратация фумаровой кислоты in vitro приводит к образованию рацемата — смеси равных количеств двух энантиомеров яблочной кислоты. В организме эта реакция катализируется ферментом фумаразой, для которого характерна строгая пространственная специфичность, что ведет к образованию только одного стереоизомера — L-яблочной кислоты

Задача ХII. Напишите продукты мононитрования толуола, бензойной кислоты и п-нитрофенола.

Решение. Реакция нитрования ароматических соединений протекает по механизму электрофильного ароматического замещения S_EAr. Метильная группа в толуоле относится к ориентантам первого рода, следовательно, нитрогруппа вступает в орто- и пара- положения по отношению к ней, получаются 2 продукта: о- нитротолуол и п-нитротолуол.

^{толуол п- нитротолуол о-нитротолуол}

Коэффициент 2 в уравнении перед толуолом не ставится, так как из 1 моль толуола образуется 1 моль смеси о-и п-нитротолуолов. Продукта нитрования в п-положение образуется больше, т.к. орто- положение менее выгодно для атаки из-за стерических (пространственных) препятствий.

К арбоксильная группа в бензойной кислоте относится к ориентантам второго рода, следовательно, нитрогруппа вступает в мета- положение по отношению к ней.

^{бензойная кислота м-нитротолуол}

Карбоксильная группа, как все ориентанты второго рода, замедляет скорость реакции S_Е, поэтому реакция будет проходить с меньшей скоростью, чем в случае толуола и в более жёстких условиях.

Если в ароматическом соединении присутствует 2 заместителя, возможна как согласованная, так и несогласованная ориентация заместителей. В случае п-нитрофенола гидроксильная группа, как ориентант первого рода, направляет нитрогруппу в орто-положение к себе (пара-положение занято нитрогруппой, нет атома водорода для замещения); нитрогруппа как ориентант второго рода направляет заместитель в мета-положение, т.е. тип ориентации заместителей — согласованная.

^{п-нитрофенол 2,4-динитрофенол}

Задача ХIII. R-2-бромбутан может реагировать с водным раствором гидроксида натрия по механизмам S_N1 и S_N2. Опишите стереохимический результат реакции в каждом случае.

Решение. Гидролиз вторичного галогенпроизводного может протекать как по моно-, так и по бимолекулярному механизму. Продуктом является 2- бутанол, различной будет только оптическая активность продукта реакции. Если реакция протекает по мономолекулярному механизму (S_N1), промежуточным продуктом является вторичный карбокатион СН₃НС⁺СН₂СН₃. Атака катиона нуклеофильным реагентом (гидроксильной группой) равновероятна с любого направления, в результате реакции образуется рацемическая смесь, состоящая из R- и S-2-бутанолов в равном мольном соотношении. Смесь состоит из оптически активных компонентов, но в целом оптически не активна.

Если реакция протекает по бимолекулярному механизму (S_N2), переходное состояние представляет собой комплекс молекул субстрата и нуклеофильного реагента, при этом атака нуклеофильного реагента возможна только со стороны, противоположной атому галогена. Результатом является обращение конфигурации — получается S-2-бутанол (оптически активен).

Задача ХIV. При действии на организм больших доз гидразина или его производных наблюдаются нервные расстройства. Какова химическая основа действия гидразина, если известно, что он реагирует с коферментом пиридоксальфосфатом?

Решение. Пиридоксальфосфат – гетероциклическое соединение, содержащее в цикле наряду с другими заместителями, альдегидную группу. Гидразин, как нуклеофильный реагент взаимодействует с карбонильным атомом углерода. Конечным продуктом реакции присоединения–отщепления является гидразон пиридоксальфосфата.

^{пиридоксальфосфат гидразин гидразон пиридоксальфосфата}

Образование гидразона приводит к блокированию альдегидной группы пиридоксальфосфата, что нарушает его взаимодействие как кофермента с аминогруппой глутаминовой кислоты. Эта реакция является одним из этапов превращения в организме глутаминовой кислоты в - аминомасляную. Блокирование же кофермента гидразином приводит к недостатку - аминомасляной кислоты, тормозящей проведение нервных импульсов.

Задача ХV. Метиловый спирт при попадании в организм вызывает тяжелое отравление, сопровождаемое потерей зрения, вызванной действием продукта окисления метанола на белки сетчатки глаза. Напишите схему реакции окисления метанола.

Р ешение. При отравлении метанолом в организме под действием фермента алкогольдегидрогеназы образуются формальдегид (метаналь) и муравьиная кислота, более токсичные, чем метанол. Это пример летального синтеза (превращение в процессе метаболизма менее токсичных соединений в более токсичные).

^{метанол метаналь муравьиная кислота}

Этиловый спирт C₂H₅OH лучше связывается с ферментом алкогольдегидрогеназой. Это тормозит превращение метанола в метаналь и муравьиную кислоту. Метанол выводится в неизменном виде. Поэтому прием этилового спирта сразу после отравления метанолом значительно снижает тяжесть отравления.

Задачи для самостоятельного решения:

2.1. Напишите формулы наиболее вероятных продуктов хлорирования и сульфохлорирования 2-метилпентана.

2.2. Напишите уравнения реакции присоединения бромоводорода к 1-бутену в присутствии перекиси и без нее.

2.3. В состав растительных масел входят остатки олеиновой кислоты. Будут ли растительные масла вступать в реакции гидрирования? Если да, приведите схему реакции.

2.4. Почему продуктом реакции гидратации пропеновой кислоты является -гидрокси-, а не -гидроксипропановая кислота?

2.5. Приведите схемы монобромирования анилина, анизола (метоксибензола), бензальдегида. Расположите эти соединения в ряд по увеличению скорости нитрования.

2.6. Какие продукты образуются при бромировании о- гидроксибензойной (салициловой) кислоты и этилового эфира п- аминобензойной кислоты (анестезина)?

2.7. При бромировании этилбензола замещение может происходить в ароматическом ядре и боковой цепи. Какие условия необходимы, чтобы провести бромирование этилбензола по каждому из этих направлений? Назовите продукты реакции.

2.8. Окисление ароматических соединений является одной из реакций биотрансформации ксенобиотиков в живых организмах. Какие продукты образуются при окислении толуола и изопропилбензола?

2.9. Синтезируйте молочную (2-гидроксипропановую) кислоту из соответствующей галогенкарбоновой кислоты. По какому механизму протекает эта реакция?

2.10. Иприт (,'-дихлородиэтилсульфид C1CH₂CH₂SCH₂CH₂C1) проявляет кожно-нарывное действие, а продукт его гидролиза малотоксичен. Напишите схему реакции гидролиза иприта.

2.11. D-2-бромпентан реагирует с водным раствором гидроксида натрия по механизму S_N1. Опишите стереохимический результат реакции (укажите конфигурацию образующегося спирта).

2.12. Хлорэтон (1,1,1-трихлоро-2-метил-2-пропанол) оказывает общеуспокаивающее действие. Напишите уравнение окисления этого лекарственного средства.

2.13. В организме пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту. Напишите схему реакции восстановления.

2.14. Ацетон, обнаруженный в моче больных сахарным диабетом —первый член гомологического ряда кетонов. Напишите для него реакцию присоединения синильной кислоты, реакции восстановления и окисления.