Теоретический курс_ХБАС_ЛЕЧ

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Многоатомные:

Н2С — СН — СН2

| | |

OH OH OH

	OH
HO	OH
HO	OH
	OH

—глицерин — важнейший биогенный спирт. В виде сложных эфиров высших жирных кислот входит в состав жиров, а также фосфатидной кислоты — родоначальника большинства липидов биологических мембран. В медицине применяется как увлажнитель фармацевтических препаратов.

—миоинозит — шестиатомный спирт циклогексанового ряда. Содержится в почках, печени, мышцах, мозгу. Это—витаминоподобное соединение; является фактором роста, а также структурным компонентом ряда биорегуляторов биохимических процессов.

Наличие гидроксильных групп в молекуле повышает растворимость вещества в воде и увеличивает его токсичность и наркотическое действие. Эти свойства усиливаются с удлинением углеродной цепи, проходя через максимум при С6—С8; с разветвлением цепи, а также при переходе от первичных спиртов к вторичным и третичным. Присутствие галогенов или кратных связей в молекуле спирта тоже усиливает его наркотическое действие. Кроме того, причиной токсичности спиртов в организме могут служить продукты их метаболических превращений.

Ф Е Н О Л Ы.

Производные ароматических углеводородов, содержащие одну или более гидроксильных групп, называются фенолами. В зависимости от числа ОНгрупп различают одно- и многоатомные фенолы (двух, трехатомные).

Фенолы проявляют более выраженные кислотные свойства, чем спирты. Это обусловлено тем, что ОН-группа проявляет +М-эффект и смещает электронную плотность в сторону бензольного ядра. Вследствие этого атом водорода в ОН-группе приобретает большую подвижность. Поэтому фенолы взаимодействуют не только с металлическим натрием, но и с NaOH, образуя

феноляты:

:О Н				ОNa
		+ NaOH				+ H2O

Для обнаружения фенолов используют FeCl3. Различные фенолы дают с ним различное окрашивание.

31

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

Представители биологически активных фенолов:

ОН

|

—одноатомный фенол — карболовая кислота — антисептик, используется в производстве лекарственных средств.

Антисептические свойства фенола и этанола объясняются их склонностью к образованию водородных связей. Данные соединения способны разрушать гидратную оболочку вокруг белков за счет разрыва существующих и образования новых водородных связей с протоно- и электродонорными группами белков, что и приводит к их денатурации. Однако, пары фенола ядовиты, а его раствор может вызвать ожоги тканей, поэтому карболовая кислота используется для дезинфекции помещений, мебели, посуды и т.д.

Двухатомные фенолы:

ОН

ОН — пирокатехин (ортодигидроксибензол) — структурный компонент катехоламинов (норадреналина и адреналина).

ОН

— резорцин (метадигидроксибензол) в составе примочек и мазей используется для лечения кожных заболеваний.

ОН

ОН

—гидрохинон (парадигидроксибензол) — участник

дыхательной цепи переноса электронов:

ОН

ОН				О
	2е, 2Н
	2е, 2Н
ОН				О

Фенолы образуются в организме в результате метаболизма ароматических аминокислот. Присутствие ОН-группы в ароматическом ядре обуславливает антисептические свойства, поэтому многие фенолы оказывают бактерицидное действие; применяются как дезинфицирующие средства.

32

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

А Л Ь Д Е Г И Д Ы. К Е Т О Н Ы.

Оксосоединения — альдегиды и кетоны — это производные углеводородов, содержащие карбонильную группу С=О, называемую также оксогруппой или карбонилом.

В альдегидах карбонильная группа находится на конце цепи; с ней связаны радикал и атом водорода R-C=О .

Н

Исключение — метаналь, у которого в качестве радикала выступает атом водорода Н-C=О .

Н

В кетонах карбонильная группа располагается в середине углеродной цепи; с ней связаны два радикала R1- C - R2.

||

O

Изомерия альдегидов и кетонов обусловлена строением углеводородных радикалов (насыщенные, ненасыщенные, ароматические, гетероциклические). Для кетонов еще характерна изомерия положения оксогруппы.

Электронное строение карбонильной группы.

В карбонильной группе sp2-гибридизованный атом углерода образует три -связи, лежащие с ним в одной

плоскости, и -связь с кислородом за счет негибридизованной С—О р-орбитали. -связь располагается над и под плоскостью С—О

-связи.

Она сильно поляризована и электронная пара смещена к более электроотрицательному атому кислорода. Вследствие этого на нем возникает частичный отрицательный заряд (- ), а на атоме углерода — частичный положительный (+ ):

+ -

С = О

Таким образом, электронодефицитный атом углерода является электрофилом. Он склонен подвергаться атаке отрицательно заряженных нуклеофильных реагентов. А поскольку карбонильная группа содержит кратную связь, то для альдегидов и кетонов характерны реакции

нуклеофильного присоединения (АN).

В кетонах наличие двух объемных радикалов пространственно затрудняет атаку нуклеофила. Кроме того, из-за проявляемого ими +I–эффекта, уменьшается величина положительного заряда на атоме углерода карбонильной

33

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

группы, что тоже снижает активность нуклеофильной атаки. Поэтому реакционная способность альдегидов выше, чем кетонов.

Многие реакции нуклеофильного присоединения к карбонильным соединениям являются окислительно-восстановительными, т.к. сопровождаются изменением степени окисления углеродных атомов.

Механизм реакций нуклеофильного присоединения (АN) включает:

атаку атома углерода карбонильной группы нуклеофилом и присоединение электрофила к атому кислорода:

R1				R1	R1
+ |	-	+	-	|	|
C = О + Е—У У—С—О-					+ E+ Y — C — OE
|				|	|
R2				R2	R2

По этому механизму осуществляется ряд реакций:

1.Гидратация (присоединение воды) с образованием гидратов:

	R1				R1				R1
	+ |	-	+	-	|				|
	C = О + Н—ОН НО—С—О-						+ Н+ НО — C — OН
	|				|				|
	R2				R2				R2
2. Присоединение цианводородной кислоты (НСN) с образованием
циангидринов:
R1					R1				R1
+ |	-	+	-		|	-		+	|
C = О + Н—СN				NaOH	NC—С—О		+ Н		NС — C —ОН
|					|				|
R2					R2				R2
									циангидрин

Реакция лежит в основе получения α-гидроксикислот и α-аминокислот.

3. Присоединение одноатомных спиртов с образованием полуацеталей:

34

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

				O-	OH
+	-	+	-	|	|
R — C = O + H—OC2H5				R—C— H + H+	R—C—H
	\			|	|
	H			O—C2H5	O—C2H5

полуацеталь

Если альдегидная и спиртовая группы находятся в одной молекуле, то образуется циклический полуацеталь (циклические формы углеводов).

При обработке полуацеталя избытком спирта в кислой среде его гидроксильная группа замещается с отщеплением воды и образуется ацеталь:

OH		H+	O — C2H5
|	+ -		|
R — C—H + H—OC2H5			R—C— H + H2O
|			|
O— C2H5			O — C2H5

ацеталь Кетоны по сравнению с альдегидами взаимодействуют со спиртами

значительно труднее, образуя полукетали и кетали:

					H+		O — C2H5
+	+		-				|
СH3—C— СH3 + Н — OC					2H5	H3С — С — С H3
- ||							|
O							OH
						полукеталь
	O — C2H5					H+	OC2H5
	|						|
H3С — С— СH3				+ H—O C2H5			H3С—C— CH3 + H2O
	|						|
	OH						OC2H5

кеталь

4. Взаимодействие альдегидов и кетонов с первичными аминами осуществляется по механизму присоединения-отщепления. Сначала происходит нуклеофильное присоединение по карбонильной группе, затем - отщепление воды с образованием иминов:

35

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

R1			H	R1	R1
+ |		-	|-	|	|
C = О + Н—N— C2H5				H	R2 — C = N- C2H5 +
				R2— С—ОH
				|	имин
R2			этиламин	N—H	+ H2O
				|
				C2H5
Образование			иминов, т.е. формирование связи		=С=N-, — необходимая стадия

в процессе транс-аминирования при биохимическом превращении одних аминокислот в другие.

Окислительно-восстановительные свойства альдегидов и кетонов

1.При окислении альдегидов образуются карбоновые кислоты. Если окисление вести оксидом серебра (1), то выделяется металлическое серебро (реакция “серебряного зеркала”):

R — C = O + Ag2O	R— C=O + 2Ag
\	|
H	OH

Окисление кетонов происходит сложнее, с разрывом углеродной цепи и образованием либо двух кислот, либо кислоты и кетона с более короткими цепями.

2.При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты, кетонов — вторичные спирты:

		H
R — C = O		|
	[H ]	R—C—OH
\		|
H		H
		H
R1- C - R2		|
	[ H ]	R1 - C - R2
||		|
O		OH

Альдегиды, занимая по степени окисления промежуточное положение между спиртами и кислотами, связаны с этими соединениями окислительновосстановительными переходами, которые играют важную роль в метаболизме органических веществ.

36

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

Специфические реакции альдегидов и кетонов.

Карбонильная группа в альдегидах и кетонах является электроноакцепторной и смещает электронную плотность в молекуле на себя:

+	++		O-δ
R1→CH2→CH→C
β		α	R2
	H

Врезультате на атомах углерода образуется частичный положительный заряд, наибольший на α-углеродном атоме. При этом α-водородный атом приобретает подвижность, что обуславливает следующие свойства карбонильных соединений:

1.Таутомерия – это равновесная динамическая изомерия. Она заключается во взаимном превращении изомеров вследствие переноса какойлибо подвижной группы и соответствующего перераспределения электронной плотности. Такие изомеры называются таутомерами.

Вкарбонильных соединениях кето-енольная таутомерия проявляется в том, что из-за переноса протона карбонильное соединение (кетонная форма) существует в равновесии с его енольным изомером (енольная форма):

H
O-δ			OH
R1−CH− C+δ	↔R1−CH		C
R2			R2
кетонная форма	енольная форма
2. Реакции конденсации –			это реакции, приводящие к усложнению

углеродного скелета и возникновению новой углеродной связи в результате взаимодействия двух или более простых молекул.

При взаимодействии двух альдегидов в присутствии кислот или щелочей образуется альдоль (альдольная конденсация), который затем, отщепляя молекулу воды, превращается в ненасыщенный альдегид (кротоновая конденсация):

			OH H
R1−C+δ	О-δ		О OH-			O H+
	+ Н−	СН− С	→ R1− C − C − C			→
	Н		Н			H
	R2			H	R2
	O

→R1−CH C−C +H2O H

R2

Реакции конденсации такого типа характерны и для кетонов.

3. Галоформные реакции осуществляются при взаимодействии альдегидов или кетонов с галогенами. Галогены замещают один или несколько

37

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

α-водородных атомов в углеводородных радикалах. При этом образуются

галогенкарбонильные соединения, которые расщепляются щелочью с образованием галоформа (иодоформа, бромоформа):

O	I		O-δ				O
H3C−C	+I2 → I	−C − C+δ		+ NaO−H → CHI3 + H−C
H	I		H			иодоформ	ONa

Эти реакции используются в аналитических целях.

Отдельные представители:

Альдегидная группа обуславливает наркотические и дезинфицирующие свойства соединений.

О

Н−С

Н

- муравьиный альдегид или формальдегид свертывает белки.

Используется в виде формалина для дезинфекции и консервирования анатомических препаратов. Производные формальдегида, например, уротропин, также обладают дезинфицирующими свойствами.

О

СН3−С

Н

- уксусный альдегид – естественный метаболит в организме человека.

Cl	OH
Cl− C − C − OH
Cl	H

- хлоральгидрат – успокаивающее и снотворное средство. Наличие галогена усиливает специфическое действие альдегидной группы на организм, а гидратация карбонильной группы снижает токсичность вещества в целом.

СН3−С − СН3

O - ацетон – недоокисленный продукт обмена. Образуется в организме при некоторых заболеваниях, например, диабете. Используется в синтезах различных лекарственных препаратов.

α-галогензамещенные альдегиды и кетоны сильно раздражают слизистые оболочки носа и глаз. Они являются лакриматорами, входят в состав слезоточивых газов.

38

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

Тема 5 Карбоновые кислоты и их функциональные производные

Ключевые понятия и слова: хиральность, энантиомер, диастереомер, абсолютная конфигурация.

Карбоновые кислоты- это производные углеводородов, в которых один или более атомов замещены карбоксильной группой:

О

−С
ОН
Общая формула карбоновых кислот:	O

R – C

OH.

По характеру углеводородного радикала кислоты делят на насыщенные, ненасыщенные, алифатические, ароматические, гетероциклические, а также высшие или жирные кислоты с числом углеродных атомов от 4 до 22.

В зависимости от числа карбоксильных групп различают: одноосновные /монокарбоновые/ и многоосновные – двуосновные /дикарбоновые/, трёхосновные /трикарбоновые/ и т.д. кислоты.

Электронное строение карбоксильной группы:

Карбоксильная группа является сопряжённой системой, в которой неподелённая пара электронов атома кислорода ОН – группы вступает в сопряжение с π-связью /р, π-сопряжение/. Это обуславливает следующее

распределение электронной плотности в молекулах кислот:

О-δ

R→С+δ

О←Н

В результате атом углерода в карбоксильной группе, приобретая частичный положительный заряд +σ, становится электрофильным центром. Он склонен к атаке нуклеофильных реагентов. Однако, проявление у ОН-группы электроноднородных свойств /+М-эффект/ и наличие сопряжения вызывает смещение электронной плотности от гидроксильной группы в сторону молекулы. Вследствие этого:

1. величина частичного положительного заряда на атоме углерода в карбоксильной группе меньше, чем на атоме углерода в карбонильной группе >С=О. Потому кислоты менее активны к восприятию атаки нуклеофильного реагента, чем альдегиды или кетоны. Для кислот более характерны реакции нуклеофильного замещения, а не присоединения; 2. полярная σ-связь в гидроксильной группе ещё более поляризуется и

электронная плотность сдвигается от атома водорода. В результате он

39

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

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

приобретает большую активность. Это обуславливает повышенную кислотность карбоновых кислот по сравнению со спиртами.

Исходя из этого, для карбоновых кислот характерны реакции двух типов: 1. с разрывом О-Н связи:

1.диссоциация карбоновых кислот в водном растворе с образованием карбоксилат /ацилат/- иона и гидратированного протона:

		О-δ		О
R→С+δ			+Н2О ↔ R−С	+ Н3О+
		О←Н		О-

ацилат-ион

2.взаимодействие со щелочными металлами и щелочами с образованием солей:

О		O
R−С	+ NaOH ↔ R−С	+ H2O
ОН		ОNa

Поскольку карбоновые кислоты слабее минеральных , их соли в водном растворе гидролизованы и дают щелочную реакцию.

2.реакция с разрывом С-ОН связи, протекающие по механизму нуклеофильного замещения /SN/:

В этих реакциях атом углерода карбоксильной группы является электрофильным центром. Он атакуется нуклеофильным реагентом с образованием промежуточного нестабильного продукта /аниона/, который далее стабилизируется путём отщепления уходящей группы –ОН. Реакция осуществляется либо при наличии сильного нуклеофила, либо в условиях кислотного катализа:

	О-δ			О-	O
R→С+δ	+ :Y- →	R− С		→ R−С	+ :OH-
	О←Н			OH	Y
		Y
субстрат	нуклеофил	промежуточный			уходящая
				продукт	группа

Остаток карбоновой кислоты после отщепления гидроксильной группы

называется ацил:
О	O	О	O
R−С	R−С	H3C−С	H3C −С
ОН,	,	OH,
кислота	ацил	уксусная кислота	ацетил

Реакция, протекающая с участием ацила, являются реакциями ацилирования:

40