ДЗ Химия / Занятие 4

ЗАНЯТИЕ №4

Методические указания для студентов

по теме «Cвойства и биологическая роль карбонильных соединений»

Цель занятия: Сформировать представления о химических свойствах альдегидов и кетонов, механизме нуклеофильного присоединения как основы для понимания аналогичных реакций, протекающих в организме, и имеющих значение в синтезе лекарственных препаратов и аналогов природных соединений.

Значение изучения темы: Реакции, протекающие по типу нуклеофильного присоединения, реализуются в организме человека в процессе углеводородного обмена. Эти реакции протекают за счет карбонильной группы, входящей в состав альдегидов и кетонов. Альдегиды, встречающиеся в живом организме, участвуют, в частности, в утилизации аммиака, в результате образуются имины – вещества необходимые для синтеза аминокислот. Со свойствами альдегидов связаны синтезы ряда лекарственных препаратов. Так, фурфурол, используется для получения фурацилина, из хлораля получают хлоральгидрат. Присутствие карбонильной группы придает дезинфицирующие свойства и наркотическое действие органическим соединениям.

I. Теоретические вопросы

1. Строение карбонильной группы. Кетоны, особенности строения. Примеры кетонов, синтезирующихся в организме.

2. Реакционная способность альдегидов и кетонов. Реакции нуклеофильного замещения: образование ацеталей, иминов, оксимов, реакции гидратации.

3. Качественные реакции на альдегидную группу.

4. Альдольная конденсация. Синтез лимонной и сиаловой кислот.

5. Биологическая роль альдольного расщепления глюкозы.

II. Обучающие упражнения

Задание 1. С учетом электронного строения карбонильной группы, обоснуйте различия в реакционной способности альдегидов и кетонов.

Решение: Различия в реакционной способности альдегидов и кетонов определяются особенностями карбонильной группы >C=O, обладающей полярностью – электронная плотность между атомами С и О распределена неравномерно, сдвинута к более электроотрицательному атому О.

В результате карбонильная группа приобретает повышенную реакционную способность, что проявляется в разнообразных реакциях присоединения по двойной связи. Во всех случаях кетоны менее реакционноспособны, чем альдегиды, в частности, из-за пространственных затруднений, создаваемых двумя органическими группами R.

Задание 2. Приведите схемы наиболее характерных реакций присоединения с участием карбонильной группы на примере ацетальдегида.

Решение: К числу реакций присоединения относятся: реакции образования ацеталей, иминов, присоединение синильной кислоты и другие. При взаимодействии со спиртами альдегиды образуют полуацетали – соединения, содержащие одновременно алкокси- и гидрокси-группу у одного атома углерода: >C(OH)OR. Полуацетали могут далее реагировать с еще одной молекулой спирта, образуя полные ацетали – соединения, где у одного атома углерода находятся одновременно две RО-группы: >C(OR)₂. Реакцию катализируют кислоты и основания. В случае кетонов присоединение спиртов к двойной связи в С=О затруднено.

Точно так же (раскрывая двойную связь С=О) аммиак и амины реагируют с альдегидами и кетонами, продукты присоединения неустойчивы и конденсируются с выделением воды и образованием двойной связи C=N. В случае аммиака получаются имины:

Задание 3. Что такое циклические полуацетали? Соединения какой структуры склонны к их образованию? Приведите пример.

Решение: Для гидроксикарбонильных соединений с достаточно удалёнными друг от друга функциональными группами возможна внутримолекулярная циклизация. Например, - и -гидроксиальдегиды возможно взаимодействия гидроксильной и карбонильной групп. Примером такого альдегида является D-глюкоза:

Задание 4. В чем заключается сущность реакций альдольной конденсации? В чем заключается биологическая роль этого типа реакций. Приведите примеры.

Решение: Для альдегидов и кетонов возможна конденсация, проходящая между двумя молекулами одного и того же соединения. При такой конденсации альдегидов двойная связь одной из молекул раскрывается, образуется соединение, содержащее одновременно альдегидную и ОН-группу, называемое альдолем (альдегидоспирт). Протекающую конденсацию называют, соответственно, альдольной, эту реакцию катализируют основания. Полученный альдоль может далее конденсироваться с образованием двойной связи С=С и выделением конденсационной воды. В итоге получается ненасыщенный альдегид. В альдольной конденсации могут совместно участвовать молекулы различных альдегидов, а также одновременно альдегид и кетон, во всех случаях происходит удлинение углеродной цепи.

Примерами биологически значимых реакций альдольной конденсации являются синтез лимонной кислоты (цикл Кребса) из щавелевоуксусной кислоты и ацетилкофермента А:

По типу альдольной конденсации в организме протекает и реакция образования сиаловой кислоты – компонента хрящевой ткани.

III. Задания для самостоятельной работы

1. Напишите формулу цитраля (3,7-диметилоктадиен-2,6-аль), входящего в состав лекарственных средств, применяемых для лечения глаз. Проявляется ли эффект сопряжения в данной системе? Покажите электронные эффекты.

2. Дайте систематическое название представленным ниже соединениям, в каком из них карбонильная группа обладает большей склонностью к реакциям нуклеофильного присоединения? Объясните свой выбор на основании распределения электронной плотности в молекулах. Напишите схему реакции взаимодействия более реакционноспособного вещества с этиловым спиртом.

3. Какое химическое превращение произойдет с 5-гидроксигексаналем в кислой среде?

4. При заболевании диабетом в организме в результате неполного окисления жиров накапливаются кетокислоты и кетоны. Напишите структуру веществ А и В, а также укажите условия реакций и побочные продукты в следующей цепочке превращений:

5. Написать уравнение реакции альдольной конденсации между N-ацетил-D-маннозамином и пировиноградной кислотой (получение N-ацетил-D-нейраминовой /сиаловой/ кислоты).

IV. Выполнение самостоятельной аудиторной работы «Cвойства и биологическая роль карбонильных соединений»

V. Подведение итогов занятия.

VI. Домашнее задание: Свойства карбоновых кислот и угольной кислоты. Контрольное тестирование по модулю I.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. , Зурабян С.Э. .Биоорганическая химия. Учебник. ГЭОТАР-Медиа. 2010 – 416 с.

2. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. .Биоорганическая химия. Учебник. М., ГЭОТАР-Медиа.- 2009 – 416 с.

Дополнительная литература

1. Попков В.А., Пузаков С.А. Общая химия. Учебник для вузов, - М., ГЭОТАР - Медиа, 2007 - 976 с.

2. Биоорганическая химия: руководство к практическим занятиям: учебное пособие / ред. Н.А. Тюкавкина, Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. - М., ГЭОТАР - Медиа, 2010 г. – 168 с.

Методическая рекомендация переработана 23 января 2012г.

Зав.кафедрой общей и

биоорганической химии, д.х.н., профессор Сторожок Н.М.