Теоретический курс_ХБАС_ЛЕЧ

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Электрофилы и нуклеофилы образуются при гетеролитическом разрыве ковалентной связи в реагенте. При этом электронная пара остаётся у одной из

образующих частиц:
E : Y	E+ + Y-	/:Y/
реагент	электрофил	нуклеофил

Следует отметить, что одни и те же вещества в зависимости от условий протекания реакции и природы атакующего реагента могут проявлять как нуклеофильные /восстановительные/, так и электрофильные /окислительные/ свойства.

Систематизация реакций позволяет свести многообразие химических превращений к небольшому числу типов. Органические реакции можно классифицировать:

1.по характеру изменения связей в субстрате и реагенте;

2.по направлению реакции с учётом конечного результата;

3.по числу молекул, участвующих в лимитирующей стадии процесса.

В соответствии с природой реагента и характером разрыва связи в субстрате различают:

1. радикальные, гомолитические реакции, в которых действуют радикальные реагенты и происходит гомолитический разрыв связи в субстрате:

-С : Н + •R

-C• + H:R

субстрат реагент

2. ионные, гетеролитические реакции, в которых действуют ионные реагенты /нуклеофильные или электрофильные/ и происходит гетеролитический разрыв связи в субстрате:

а/ электрофильные /Е/:

-C : X + E+ -C: E + X+

субстрат реагент

б/ нуклеофильные /N/ :

-C : X + :Y- -C:Y +:X-

субстрат реагент Следует отметить, что в гетеролитических реакциях в качестве

промежуточных частиц часто присутствуют карбокатионы и карбанионы, образующиеся при гетеролитическом разрыве ковалентной связи в субстрате. При этом, если электронная пара переходит к атому углерода, то образуется

21

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

карбанион – отрицательно заряженная частица с избытком электронов. Если же электронная пара переходит к атому Х /функциональная группа/, то образуется карбокатион – положительно заряженная частица с недостатком электронов:

-C : X -C:- + X+

субстрат			карбанион
-C : X			-C+ + :X-
субстрат			карбокатион
3.		синхронные или согласованные реакции, в которых разрыв старых связей

и образование новых происходит одновременно и без участия радикальных или ионных /заряженных/ частиц. Такие реакции протекают при облучении или нагревании ; для них теряют смысл понятия “субстрат” и “реагент” :

бутадиен-1, 3 этилен циклогексен

По направлению с учётом конечного результата органические реакции делятся на:

1.	реакция замещения /S/ :	1. Радикального	SR
		2. Ионного :
		а/ электрофильного	SE
		б/ нуклеофильного	SN
2.	реакции присоединения /А/:	1. Радикального	AR
		2. Ионного:
		а/ электрофильного	AE
		б/ нуклеофильного	AN

3.реакции отщепления или элиминирования /Е/.

4.реакции перегруппировки, при которых происходит переход /миграция/ отдельных атомов или групп атомов от одного участка молекулы к другому. Например, в результате перегруппировки изменяется углеродный скелет молекулы, и пентан превращается в изопентан.

5.реакции окисления и реакции восстановления, пи которых меняется степень окисления атома углерода, являющегося реакционным центром. Степень окисления атома углерода соответствует числу его связей с элементами более электроотрицательными, чем водород.

22

CH4 + Cl2

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

По числу молекул, участвующих в лимитирующей стадии, т.е. стадии, определяющей скорость всего суммарного процесса, различают: мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции. Последние встречаются крайне редко.

Следует отметить, что деление реагирующих веществ на субстрат и реагент, также, как и приведённая классификация реакции, достаточно условны. Поскольку любую реакцию можно одновременно охарактеризовать и по типу разрыва связи, и по конечному результату, и по количеству молекул, участвующих в лимитирующей стадии процесса.

Реакции радикального замещения у насыщенного атома углерода (SR)

В насыщенных углеводородах /алканы и циклоалканы/ имеются только sp3 – гибридизованные атомы углерода. Для них характерны прочные неполярные С–С и почти полярные С–Н - связи. Эти связи не склонны к гетеролитическому разрыву под действием электрофильных или нуклеофильных реагентов. Поэтому для насыщенных углеводородов характерны реакции радикального замещения /SR/. Они протекают по свободнорадикальному механизму при участии высокоэнергетических радикальных частиц. Так осуществляется галогенирование насыщенных углеводородов при

облучении. Рассмотрим реакцию монохлорирования метана: hv CH3Cl + HCl

Приведённое уравнение отражает суммарный процесс, который включает несколько стадий:

1.инициирование – гомолитический разрыв связи в реагенте под действием

облучения; образование радикалов: Cl : Cl hv Cl• + Cl•

2.рост цепи – атака радикалом молекулы субстрата: гомолитичнский

разрыв связи С–Н в	субстрате; образование новой молекулы и нового
радикала:
CH3 : H + • Cl	CH3• + HCl
CH3• + Cl : Cl	CH3Cl + Cl• и т.д.

На каждой стадии роста цепи образуется продукт реакции и свободный радикал, который атакует новые молекулы, т.е. происходит цепная реакция.

3.обрыв цепи возможен при взаимодействии двух любых радикалов:

Cl• + Cl• = Cl2; CH3• + Cl• = CH3Cl; CH3• + CH3• = C2H6.

В многоуглеродных молекулах алканов последовательность радикальной атаки углерода следующая:

23

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Предпочтительное протекание реакции по одному из нескольких возможных реакционных центров молекулы называется региоселективностью.

В циклических алканах радикальное замещение происходит аналогично, за исключением циклопропана и циклобутана, для которых характерны реакции присоединения, идущие с разрывом цикла:

Реакции электрофильного присоединения к ненасыщенным соединениям (AE) Ненасыщенные углеводороды – алкены, циклоалкены, алкины проявляют способность к реакциям присоединения, т.к. содержат двойные и тройные связи. Однако, для многих биохимических процессов более важной является двойная связь – её возникновение и превращения. В связи с этим реакции

электрофильного присоединения будут рассмотрены на примере алкенов.

В молекулах алкенов за счёт электронов π- связи имеется область повышенной электронной плотности. Поэтому они являются нуклеофилами и склонны подвергаться атаке электрофильных реагентов. Присоединение происходит по месту разрыва кратной связи. Реакция протекает стадийно через образование π и –комплексов и сопровождается гетеролитическим разрывом связи в реагенте.

Механизм реакции: при сближении реагента с π- связью его молекула поляризуется с образованием активной электрофильной частицы. Эта частица затем атакует π- связь. В результате образуется устойчивый π- комплекс. Далее происходит: 1/ гетеролитический разрыв связи в реагенте; 2/ присоединение электрофила к молекуле; 3/ отщепление нуклеофильной частицы и образованиекомплекса / карбокатиона/. Затем образовавшийся нуклеофил атакует карбокатион и присоединяется в трансположение. Так получается продукт реакции:

По механизму электрофильного присоединения в организме осуществляется реакция гидратации, т.е. присоединение к ненасыщенным молекулам воды в присутствии кислот.

24

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Следует далее отметить, что при взаимодействии реагентов типа Н–Х с несимметричными алкенами водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода двойной связи, т.е. атому углерода, содержащему большее число атомов водорода (правило Марковникова):

(SE)

над и под плоскостью ароматического цикла, являясь нуклеофилом, также восприимчиво к атаке электрофильных реагентов. Однако, в отличие от алкенов реакция протекает по механизму электрофильного замещения \SE\, при котором не происходит нарушения ароматической системы. Механизм таких реакций включает следующие стадии:

1.генерирование электрофильной частицы с помощью катализатора:

поляризация	разрыв
молекулы	связи

E–Y ––––––––––> E+δ –> Y-δ ––––––––––> E+ + Y-

2.атака электрофилом бензольного ядра и образование π – комплекса;

3.образование δ- комплекса: электрофил «забирает» два электрона

π –системы и образует δ-связь с обним из атомов углерода бензольного кольца. Ароматичность нарушается, т.к. этот атом углерода переходит в sp3 – гибридизованное состояние;

4.отщепление протона от δ- комплекса, восстановление ароматической системы;

5.связывание отщепившегося протона с нуклеофилом.

Ориентирующее действие заместителей в бензольном ядре.

При взаимодействии бензола с электрофилом равновероятна атака любого из шести углеродных атомов ароматического кольца, что ведёт к образованию единственного монозамещённого продукта. Если же в ароматическом ядре находится какой-либо заместитель, то он оказывает влияние на распределение электронной плотности в системе и направляет следующий заместитель /входящую группу/ в орто-, параили метаположение.

Электронодонорные заместители (заместители I рода) активируют ароматическое кольцо, облегчают электрофильное замещение по сравнению с

25

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

незамещённым бензолом и направляют входящую группу в орто- и параположения. Это группы, проявляющие положительный индуктивный эффект (алкилы –CH3, -C2H5) и положительный мезомерный эффект (OH,O-R, NH2):

Электроноакцепторные заместители (заместители II рода) - это группы, проявляющие отрицательный индуктивный или отрицательный мезомерный эффекты (-COOH, -COH, -CN, -NO2 , -SO3H). Они затрудняют реакции электрофильного замещения по сравнению с незамещённым бензолом. Реакции идут в более жёстких условиях. Входящая группа вступает в мета-положение:

Исключение – галогены. Для галогенов –I >> +М. Они являются ЭА заместителями, но направляют входящую группу в орто- и параположения, т.е. относятся к ориентантам I рода.

Правила ориентации не абсолютны; речь идёт лишь о преимущественном направлении реакции.

26

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Тема 4 Спирты. Фенолы. Альдегиды. Кетоны

Ключевые слова и понятия: первичный, вторичный, третичный спирт, таутомерия, таутомер.

Спирты — это производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены гидроксильными группами.

По строению углеводородного радикала спирты подразделяют на

насыщенные, ненасыщенные, циклические, ароматические. По числу гидроксигрупп — на одно—, двух—, трех— и многоатомные.

Алифатические одноатомные спирты имеют общую формулу СnH2n+1OH . Их изомерия связана со строением углеводородного скелета и положением в цепи гидроксильной группы. Если углеродный атом, при котором находится ОН—группа, связан только с одним атомом углерода, спирт является первичным; с двумя углеродными атомами — вторичным; с тремя —

третичным:

						|
	H		H			— C —
|	|	|	|	|	|	|	|
— С — С — Н		— C — C — C—			— C — C — C —
|	|	|	|	|	|	|	|
	OH		OH			OH
первичный		вторичный			третичный

Химические реакции, в которые вступают спирты, условно можно разделить на 3 группы:

сразрывом связи RO — H (замещается только атом водорода);

сразрывом связи R — OH (замещается или отщепляется гидроксильная группа);

окислительно—восстановительные (изменяется степень окисления атома углерода, связанного с ОН—группой).

Рассмотрим некоторые реакции из названных групп:

1. При окислении первичных спиртов образуются альдегиды;

вторичных — кетоны:
H		O		H		O
|		|				//
R — C — OH	[O]	R— C —			OH R — C — H + H2O
|		|
H		H

27

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

H		O H	O
|		|	||
R1— C — R2		R1 — C — R2	R 1— C — R2 + H2O
	[O]
|		|
OH		OH

2. Спирты, практически, не проявляют кислотных свойств. Они не реагируют со щелочами, но при действии металлического натрия

образуют алкоголяты:
2 R — OH + 2Na 2 R — ONa	+ H2

3. Реакции нуклеофильного замещения (SN). В спиртах sp3-

гибридизованный атом углерода связан с кислородом ОН-группы одинарной - связью. Причем, электроны связи смещены к более электроотрицательному атому кислорода. Вследствие этого углеродный атом приобретает частичный положительный заряд + и склонен подвергаться атаке нуклеофильного реагента. При этом нуклеофил предоставляет свою электронную пару для образования новой связи с углеродным атомом субстрата, а уходящая ОН-

группа отщепляется со своей парой электронов:
	+ -		|
R—C OH +			:Y— R—C—Y + :OH—
|			|
	субстрат		реагент	уходящая группа
			(нуклеофил)

ОН - плохо уходящая группа, поэтому реакцию проводят в присутствии катализатора — кислоты. Этот механизм, в частности, реализуется при взаимодействии спиртов с галогеноводородами:

H H

|+ - + - R—C OH + H-Br

|

Н

	|
Н	R— C —Br + H2O
	|
	Н

4. Реакция элиминирования (Е) или отщепления конкурирует с нуклеофильным замещением и сопровождается внутримолекулярным отщеплением молекулы воды и образованием ненасыщенного соединения:

	Н 2SO4	(к)	R—CН=СН2 + Н2О
R—C—СH2
|	|
Н	ОН

28

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

5. При межмолекулярной дегидратации, когда молекула воды отщепляется от двух молекул спиртов, получаются простые эфиры:

..

R —OH + H O—R Н SO (к) R —O—R + H O

1 2 2 4 1 2 2

6. При взаимодействии спиртов с органическими или минеральными кислотами образуются сложные эфиры:

-
O			O
..	\\ +		||
R1 — O H +	C — R2	Н	— O — C — R2	+ H2O
		R1

/

НО

Из минеральных наибольшее значение имеет фосфорная кислота, т.к. замещение трудно уходящей спиртовой группы -ОН происходит в организме путем ее превращения в эфиры фосфорной, дифосфорной и трифосфорной кислот:

	O		O
	||		||
R — O H + HO — P — OH R — O — P — OH + H2O
	|		|
	OH		OH
			эфир фосфорной кислоты
O	O	O	O	O
||	||	||	||	||
R — O — P — O — P — OH R — O — P — O — P — O — P — OH
|	|	|	|	|
OH	OH	OH	OH	OH
эфир дифосфорной кислоты		эфир трифосфорной кислоты

Анионы этих кислот — более легко уходящие группировки по сравнению с ОН—группой:

O	О	О	O	O	O
||	||	||	||	||	||
-O — P — O- -O — P — O — P — O-			-О — Р — О — Р — О —Р —О-
|	|	|	|	|	|
O-	O-	O-	O-	O-	O-
фосфат—ион	дифосфат — ион		трифосфат—ион

29

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Кроме этого, ди- и трифосфорные эфиры составляют основу АДФ и АТФ, которые из—за наличия в них макроэргических связей, являются в организме источниками энергии.

7. Качественной реакцией на многоатомные спирты является их взаимодействие с Сu(ОН)2 с образованием хелатного комплекса синего цвета:

СН2ОН	+2NaОН	CH2 — O	Cu	O — CH2	-2
|		|		|	+ 2Na+
2 СНОН + Cu(OH)2		СН — О		O — CH
|	-4Н2О	|		|
СН2ОН		CH2 — OH		CH2OH

Биологически активные представители спиртов:

Одноатомные:

СН3ОН — метанол — обладает наркотическим действием; крайне токсичен, т.к. в организме преобразуется в яды — формальдегид и муравьиную кислоту. Уже в небольших дозах (10 мл) может вызывать слепоту.

С2Н5ОН — этанол — естественный метаболит. В больших дозах оказывает опьяняющее и наркотическое действие. При этом воздействует на ЦНС вначале возбуждающе, а затем угнетающе, притупляя чувствительность, ослабляя функцию мозга и мышечной системы, ухудшая реакцию. Его длительное употребление приводит к алкоголизму. В медицине используется как антисептик и растворитель лекарственных средств.

CH 3

OH

CH

H3C CH3

— ментол — относится к терпенам. Входит в состав сердечно—со-судистых средств, зубных порошков и паст.

В природе также встречаются первичные спирты с числом углеродных атомов от 6 до 30. Они входят в состав бактерий.

30