рус 1. Основы стр Грабовецкая

МИНИСТЕРСТВО ОХРАНЫ ЗДОРОВЬЯ УКРАИНЫ
ХАРКОВСЬКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ
СПОСОБНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Методические указания для самостоятельной работы студентов
1-го курса по биологической и биоорганической химии
(модуль 1)
Утверждено
Учёным советом университета
Прот. №10 от 21 ноября 2013 г.
Харьков
2014
1
Основы строения и реакционной способности органических соединений:
Метод. указ. для студентов 1-го курса / сост. А.О. Сыровая, Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая, В.А. Макаров, С.В. Андреева,
С.А. Наконечная, Л.В. Лукьянова, Р.О. Бачинский, С.Н. Козуб, Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова, Н.В. Копотева, Н.Н. Чаленко. – Харьков: ХНМУ, 2014. – С. 48.
Составители:
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина,
Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров,
С.В. Андреева,
Л.В. Лукьянова,
С.А. Наконечная,
Р.О. Бачинский,
С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова,
Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко
2
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В соответствии с учебной программой биоорганическую химию − науку
о строении и реакционной способности органических соединений,
участвующих в процессах жизнедеятельности, студенты изучают в течение
одного семестра.
По этому курсу предусматриваются: чтение лекций и проведение
лабораторно-практических занятий, на которых будут обсуждаться наиболее
важные теоретические вопросы в форме решения задач.
Решающим фактором приобретения знаний является самоподготовка,
помочь в организации которой призваны настоящие методические указания,
составленные по каждой теме и включающие следующие компоненты:
название темы;
учебную цель, которая должна быть достигнута в процессе изучения
темы;
учебно-целевые вопросы, в которых указано, что конкретно необходимо
знать для достижения цели занятия;
методологические вопросы, раскрывающие, какие законы и категории
материалистической диалектики лежат в основе рассматриваемых явлений;
исходный уровень - перечень вопросов из предшествующих разделов
курса и смежных дисциплин, знание которых необходимо для успешного
усвоения темы;
перечень практических навыков, которые студенты приобретают при
изучении темы;
учебная литература;
контрольные вопросы, ответив на которые, можно убедиться, достаточно
ли усвоен изучаемый материал;
обучающие задачи и эталоны их решения, позволяющие приобрести
навыки применения важнейших теоретических положений к решению
конкретных задач;
лабораторные опыты – описание учебного эксперимента, выполняемого
на занятии;
вопросы и упражнения, используемые преподавателем для контроля
усвоения темы.
ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ В ЛАБОРАТОРИИ
При проведении учебного эксперимента по биоорганической химии
необходимо в целях безопасности знать и строго выполнять общепринятые
правила техники безопасности и уметь оказать себе и товарищу первую
помощь.
Нагревать пробирки следует так, чтобы избежать выброса содержимого.
Нельзя нагревать только дно пробирки; необходимо равномерное нагревание
всего объема жидкости с попеременным вводом и выводом пробирки из огня.
3
При нагревании отверстие пробирки направлять в сторону от себя и
окружающих.
Необходимо проявлять особую осторожность при работе с горючими и
легковоспламеняющимися жидкостями: эфир, спирт, бензол и др. Зажженные
горелки держать возможно дальше от горючих веществ.
Надо помнить, что некоторые газы, такие, как метан, этилен, ацетилен,
способны образовывать взрывчатые смеси с воздухом.
Следует соблюдать осторожность при работе с растворами кислот и
щелочей.
При попадании на кожу любого используемого вещества необходимо
смыть его струей воды, после чего обратиться к преподавателю за помощью.
Избежать ожогов, отравлений и повреждений одежды поможет
соблюдение общего порядка в лаборатории.
Следует поддерживать чистоту на своем рабочем месте, реактивы после
употребления возвращать на место. Запрещается прием пищи в лаборатории.
В конце работы необходимо убрать свое рабочее место.
4
Тема I. КЛАССИФИКАЦИЯ, ИЗОМЕРИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Мотивационная характеристика темы
При изучении химических процессов, происходящих в организме, вы
встретитесь с многочисленными и разнообразными органическими
соединениями. Чтобы ориентироваться в этом многообразии веществ,
необходимо знать их научную классификацию и номенклатуру.
Учебная цель
Изучить строение и изомерию важнейших классов моно-, поли- и
гетерофункциональных соединений. Выработать умение использовать
химическую номенклатуру для названия биологически активных веществ.
Учебно-целевые вопросы
1. Знать классификацию органических соединений по углеродному
скелету и функциональным группам.
2. Уметь составлять формулы структурных изомеров основных
классов органических соединений.
3. Уметь дать названия несложным органическим веществам по
номенклатуре ИЮПАК и радикало-функциональной номенклатуре.
4. Знать строение важнейших классов поли- и гетерофункциональных
соединений, уметь составлять формулы их изомеров.
Методологические вопросы
1. Закономерность изменений свойств в гомологическом ряду −
пример перехода количественных изменений в качественные.
2. Поли- и гетерофункциональность − один из характерных признаков
веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности.
3. Взаимодействие
части
и
целого
в
молекуле
полии
гетерофункциональных соединений.
Исходный уровень
1 Основные положения теории строения органических соединений
А.М. Бутлерова.
2. Общие представления об изомерии.
3. Основные классы органических веществ.
4. Основные правила систематической номенклатуры отдельных
классов органических соединений.
5
Практические навыки
1. Научиться определять принадлежность соединений к соответствующему
классу.
2. Уметь дать название органическим веществам.
Контрольные вопросы
1. К какому классу соединений относится ацетон, обнаруживаемый в
моче больных сахарным диабетом, имеющий строение:
CH3 C CH3
O
Дайте
название
соединения
по
радикало-функциональной
и
заместительной номенклатуре ИЮПАК.
2. К какому классу относится янтарная кислота, образующаяся
в цикле Кребса и имеющая строение:
O
O
C CH2 CH2 C
OH
HO
3. Напишите
графическую
формулу
фторотана,
средства
для
ингаляционного наркоза (1,1,-трифтор-2-бром-2-хлорэтан).
4. Какие функциональные группы содержит молочная кислота,
являющаяся продуктом расщепления гликогена (животного крахмала) в
мышцах? Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК.
O
CH3 CH C
OH
OH
Обучающие задачи и эталоны их решения
Задача №1. Какие
следующих молекул:
функциональные
группы
входят
в
состав
O
CH3 CH
CH3
CH3
CH2
C
CH3
CH3 CH2 CH2 C
OH
O
OH
CH3 NH C2H5
К какому классу относится каждое из этих соединений?
Эталон решения. В настоящее время насчитывается более шести
миллионов органических соединений. Причиной такого многообразия
6
является способность атомов углерода соединяться между собой с
образованием открытых и замкнутых цепей. При этом атомы углерода могут
соединяться в различных комбинациях, обусловливая изомерию углеродного
скелета. Чтобы ориентироваться в таком огромном количестве веществ,
необходима их четкая классификация. Все органические соединения обычно
делятся на три большие группы:
1. Ациклические соединения, имеющие незамкнутые цепи углеродных
атомов, например:
CH3 CH2 C CH3
CH3 CH2 CH CH3
CH3
O
2. Карбоцикличесиие соединения, содержащие циклы, которые состоят
из атомов углерода, например:
CH2
CH2
H2C
3. Гетероциклические соединения, содержащие циклы, в состав которых
входят, кроме атомов углерода, атомы других элементов, например:
S
Внутри каждой группы существуют классы соединений, свойства
которых обусловлены наличием определенных групп атомов, называемых
функциональными группами:
-ОН − гидроксильная,
C O
− карбонильная,
O
C
-NH2
OH −карбоксильная,
−аминогруппа.
Рассмотрим вкратце состав и строение важнейших классов
органических веществ.
Углеводороды − наиболее простые по элементарному строению
органические соединения, состоящие только из углерода и водорода.
Различают углеводороды: предельные или насыщенные (алканы), состав
которых соответствует формуле С n Н 2n+2 , например
CH3 CH2 CH CH3
CH3
7
2-метилбутан;
непредельные или ненасыщенные, содержат меньше атомов водорода,
чем предельные, и имеют в молекуле кратные (двойные или тройные) связи,
например
CH2 CH CH CH3
CH3
3-метилбутен-1;
ароматические, содержат ароматическое ядро, например
CH3
метилбензол (толуол);
алициклические, содержат циклы, не обладающие ароматическим
характером, например.
CH2
H2C
H2C
CH2
CH2
циклопентан
Спирты − производные углеводородов, образующиеся в результате
замещения одного или нескольких атомов водорода гидроксильными
группами. В зависимости от числа гидроксилов различают: одноатомные
спирты, содержащие один гидроксил:
CH3 CH2 CH2 OH
пропанол;
двухатомные спирты (гликоли), содержащие два гидроксила:
CH3 CH CH2 OH
OH
пропиленгликоль;
трехатомные спирты (глицерины) с тремя гидроксильными группами:
CH2 OH
HC OH
CH2 OH
глицерин
Существуют также четырех-, пяти- и шестиатомные спирты.
Одноатомные спирты по положению гидроксильной группы делят на
первичные, вторичные и третичные. В первичных спиртах заместитель
8
соединен с первичным атомом углерода, т.е. с таким, который связан с
одним соседним углеродным атомом; во вторичных − с вторичным
атомом углерода; в третичных − с третичным:
CH3
CH3 CH2
CH3 CH
CH2 CH2 OH
CH2 CH3
CH3 C
OH
OH
бутанол-1
CH3
бутанол-2
2-метилпропанол-2
Соединения, в которых гидроксильная группа непосредственно
связана с атомом углерода бензольного кольца, называются фенолами.
Фенолы, как и спирты, могут быть одно-, двух- и трехатомными:
OH
OH
OH
OH
OH
OH
фенол
резорцин
пирогаллол
(двухатомный фенол) (трехатомный фенол)
C O
Соединения, содержащие карбонильную группу
, относятся к
оксосоединениям. Если атом углерода карбонильной группы соединен с
двумя углеводородными радикалами, получаются кетоны, а с одним
радикалом и с атомом водорода − альдегиды:
CH3 C H
CH3 C CH3
O
O
ацетон (диметилкетон)
уксусный альдегид
К классу карбоновых кислот относятся соединения, содержащие
O
C
OH
карбоксильную группу:
По их числу различают одно- и двухосновные кислоты:
CH3
CH2 CH2 C
O
O
O
C CH2 CH2 C
OH
HO
масляная (одноосновная)
OH
янтарная (двухосновная)
Амины обычно определяют как производные аммиака, в которых атомы
водорода замещены углеводородными радикалами. В зависимости от количества
радикалов различают первичные, вторичные и третичные амины:
CH3 N CH3
CH3 NH
CH3 NH2
CH3
CH3
9
метиламин
диметиламин
триметиламин
Из приведенных в условии задачи соединений первое является
вторичным спиртом, второе − кетоном, третье − карбоновой кислотой и
четвертое − вторичным амином.
Задача №2. К каким классам гетерофункциональных соединений
относятся следующие вещества:
O
O
O
CH3 C COOH
CH3 CH C
C C
OH
H
OH
O
OH
CH2
CH2
CH2 COOH
OH
NH2
NH2
?
Эталон
решения. Органические соединения, в молекулах которых
содержатся
различные
функциональные
группы,
называются
гетерофункциональными
соединениями.
Сочетанием
важнейших
функциональных групп получаются следующие классы соединений:
гидроксикислоты, которые содержат гидроксильные и карбоксильные
группы:
O
CH3 CH C
OH
OH
молочная кислота;
- альдегидо- и кетонокислоты, содержащие карбонильные
карбоксильные группы:
O
O
CH3 C COOH
C C
H
OH
O
глиоксиловая кислота
и
пировиноградная кислота;
- альдегидо- и кетоноспирты содержат гидроксильные и карбонильную
группы:
CH2OH
O
H
C
C O
H
C
OH
HO
H
C
OH
H
C
H
C
OH
H
C OH
CH2OH
C H
OH
CH2OH
рибоза
фруктоза
10
(альдегидоспирт)
(кетоноспирт);
- аминоспирты содержат гидроксильные и аминогруппы:
CH2 CH2
NH2
OH
этаноламин;
- аминокислоты содержат карбоксильные и аминогруппы:
CH2 COOH
NH2
аминоуксусная кислота.
Задача № 3. Назовите по радикало-функциональной номенклатуре:
CH3 CH
CH3
CH
CH3 C
CH3
C
CH3 CH3 CH2
CH3
O
O
CH3 N
CH3
C
C2H5
CH3 CH
CH3
CH3
CH3 CH
C
H
OH
O
C
OH
Эталон решения. Органическая химия, которая описывает миллионы
соединений, требует точной и четкой номенклатуры, чтобы каждому
соединению соответствовало одно название. На раннем этапе развития химии
соединениям давались названия, связанные в основном с источником
получения. Такие названия прочно укрепились и до сих пор являются
общепринятыми: уксусная кислота, молочная кислота, ацетон и др. По мере
роста числа новых соединений им стали давать названия, связанные со
строением. Так появилась радикало-функциональная номенклатура.
Названия углеводородов происходят от названия первого члена
соответствующего гомологического ряда с указанием заместителей:
CH3 CH
CH3
CH
CH3 C
CH3
C
CH3
CH3
диметилизопропилметан
(диизопропил)
диметилацетилен
Кетоны и амины называют по входящим в них углеводородным
радикалам:
CH3 CH2
C
CH3 N
CH3
CH3
O
11
C2H5
метилэтилкетон
диметилэтиламин
Названия альдегидов происходят от названия соответствующих кислот:
O
CH3 CH C
H
CH3
изомасляный альдегид
Названия
гетерофункциональных
соединений,
содержащих
карбоксильную группу, образуются от названий соответствующих кислот с
указанием других функциональных групп, причем взаимное расположение
функций обозначается буквами греческого алфавита:
CH3 CH
O
CH2
OH
NH2
C
OH
α-гидроксипропионовая кислота
CH2 CH2
COOH
γ-аминомасляная кислота
Радикально-функциональную номенклатуру целесообразно применять
для соединений относительно простого строения. Для соединений с большим
числом углеродных атомов не все изомеры могут быть названы с ее помощью.
Задача № 4. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК:
CH3 C
C
CH
CH3 CH2
CH CH3
CH3
CH3 O
CH3 CH3
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH3 CH2 CH
COOH
NH2
NH2
NH2
CH C
O
CH2 CH CH
CH
OH OH
OH
OH
C
H
Эталон решения. На международных химических съездах была
разработана и предложена в качестве официальной научной номенклатуры
заместительная номенклатура ИЮПАК. В основу названия соединения по
этой номенклатуре положена наиболее длинная углеродная цепь молекулы.
Названия предельных углеводородов оканчиваются на -ан, углеводородов с
двойной связью на -ен, с тройной − на -ин. Соединения других классов
различаются окончаниями, добавленными к названию соответствующего
углеводорода. В частности, спирты имеют окончание -ол, альдегиды −
12
-аль, кетоны − -он, кислоты − -овая кислота, амины − приставку амино-,
Соединения, приведенные в условии задачи, имеют следующие названия:
1
2
3
4
5
CH3 C
C
CH
CH CH3
5
6
3
4
CH3 CH2
1
2
CH3
CH C
CH3 O
CH3 CH3
4,5-диметил-2-гексин
3-метилпентанон-2
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
NH2
NH2
1,6-диаминогексан
В
гетерофункциональных
соединениях
существует
порядок
старшинства, по мере убывания которого функциональные группы
располагаются в такой последовательности:
O
OH ,
SH ,
NH2
C ,
COOH,
C
,
H
O
Название старшей функциональной группы обозначают окончанием
соответствующего класса, а младшей − приставками:
-
O
C
,
H
C
−оксо,
O
-ОН - гидрокси , - SH - меркапто, -NH2 − амино.
Ниже приведены названия гетерофункциональных
заместительной номенклатуре ИЮПАК:
4
3
2
CH3 CH2 CH
1
COOH
NH2
соединений
2
1
CH2 CH CH
CH
C
OH OH
OH
4
5
OH
2-аминобутановая кислота
3
O
H
2,3,4,5-тетрагидроксипентаналь
13
по
Вопросы и упражнения
№1
1. Приведите формулы изомеров карбоновой кислоты, имеющей состав:
С4Н8О2.Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по радикало-функциональной номенклатуре и номенклатуре
ИЮПАК аминалон - вещество, принимающее участие в обменных процессах
головного мозга, имеющее строение H2N-CH2-CH2-CH2-COOH.
3. Напишите структурную формулу соединения 1,1,2-трихлорэтана,
применяющегося для кратковременного наркоза. К какому классу оно относится?
№2
1.
Приведите формулы изомеров бутилового спирта (С4Н9ОН).
Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
2.
Назовите по номенклатуре ИЮПАК одну из аминокислот,
входящих в белок, имеющую строение:
CH3 CH2 CH CH COOH
CH3 NH2
3.
Напишите структурную формулу 2-оксобутандиовой кислоты,
являющейся
промежуточным
продуктом
углеводного
обмена
−
щавелевоуксусной кислотой.
№3
1. Приведите три формулы изомеров альдегида, имеющего состав
С5Н10О. Назовите по номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК ацетондикарбоновую кислоту,
HOOC CH2 C CH2 COOH
O
входящую в состав кетоновых тел, определяемых в моче больных сахарным
диабетом.
3. Напишите структурную формулу ксилита, называемого по номенклатуре
ИЮПАК пентанпентаолом-1,2,3,4,5, используемого в качестве заменителя сахара
для больных сахарным диабетом.
№4
1. Приведите три формулы изомеров спирта, имеющего состав С5Н11ОН.
Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК яблочную кислоту,
14
HOOC CH2 CH COOH
OH
которая участвует в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Укажите
функциональные группы в молекуле яблочной кислоты.
3. Напишите структурную формулу о-гидроксибензойной (салициловой)
кислоты, являющейся родоначальником группы лекарственных веществ,
обладающих анальгетическим, жаропонижающим и противовоспалительным
действиям.
№5
1. Приведите примеры первичного, вторичного и третичного аминов.
Назовите по радикало-функциональной номенклатуре.
2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК глутаминовую кислоту,
применяемую при лечении заболеваний центральной нервной системы,
имеющую строение:
HOOC CH2 CH2 CH COOH
NH2
3. Напишите структурную формулу глицерина −
входящего в состав жиров, являющегося пропантриолом-1,2,3.
спирта,
№6
1.
Приведите три формулы изомеров кетона, имеющего состав С5Н10О.
Назовите по номенклатуре ИЮПАК
2.
Назовите по номенклатуре ИЮПАК γ-гидроксимасляную кислоту,
применяющуюся в анестезиологии, имеющую строение:
CH2 CH2 CH2 COOH
OH
3. Напишите структурную формулу пеницилламина, применяемого при
отравлении тяжелыми металлами, являющегося 2-амино-3-меркапто-3метилбутановой кислотой.
№7
1. Приведите три формулы изомеров гексанола С6Н13ОН. Назовите по
номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК ацетоуксусную кислоту, которая
образуется в процессе метаболизма высших жирных кислот и имеет строение:
CH3 C
CH2
COOH
O
15
3. Напишите структурную формулу никотиновой кислоты (витамина РР),
являющейся β-пиридинкарбоновой кислотой.
№8
1.
Приведите три формулы изомеров альдегида, имеющего состав
С6Н12О. Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
2.
Назовите по номенклатуре ИЮПАК моносахарид рибозу − один из
компонентов рибонуклеиновых кислот, имеющий строение:
O
CH2 CH CH CH C
H
OH OH OH OH
3.
Напишите структурную формулу 2-амино-3-гидроксипропановой
кислоты (аминокислоты серии, входящей в состав белка).
№9
1. Приведите три формулы изомеров кетона, имеющего состав С6Н12О.
Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК янтарную кислоту, которая
образуется в процессе углеводного обмена и имеет строение:
HOOC CH2 CH2 COOH
3. Напишите структурную формулу п-аминобензойной кислоты,
являющейся родоначальником лекарственных веществ анестезирующего
действия.
№ 10
1.
Приведите три формулы изомеров карбоновой кислоты, имеющей
состав: С6Н12О2.
2.
Назовите по номенклатуре ИЮПАК γ-аминомасляную кислоту,
которая принимает участие в обменных процессах головного мозга:
NH2 CH2 CH2 CH2 COOH
3. Напитайте структурную формулу кадаверина (1,5-диаминопентана),
образующегося при гниении белков.
№11
1.
Приведите три формулы изомеров октанола С8Н17ОН. Назовите
их по номенклатуре ИЮПАК.
2.
Назовите по номенклатуре ИЮПАК промежуточный продукт в
16
синтезе ряда соединений − акролеин:
O
CH2
CH
C
H
3. Напишите структурную формулу соединения п-аминофенола (4-амино1-гидроксибензола), лежащего в основе одной из групп жаропонижающих и
болеутоляющих средств. Назовите функциональные группы.
№ 12
1.
Приведите три формулы изомеров альдегида, имеющего состав
С7Н14О. Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по номенклатуре ИШАК аминокислоту лизин, которая входит в
состав пептидов и белков и имеет строение:
H2N CH2 CH2 CH2 CH2 CH COOH
NH2
3. Напишите структурную формулу 5-гидроксипентаналя.
№13
1. Приведите три формулы изомеров кетона, имеющего состав: С7Н14О.
Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК одну из кислот, образующихся в
цикле Кребса, которая имеет строение:
HOOC C CH2 COOH
O
3. Напишите
структурную
формулу
цистеина
(2-амино-3меркаптопропановой кислоты), который является одной из аминокислот и
входит в состав белков.
№14
1. Приведите три формулы изомеров карбоновой кислоты, имеющей состав:
С8Н16О2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК моносахарид глюкозу, имеющую
строение:
OH
O
CH
CH
C
CH
CH2 CH
H
OH
OH
OH
OH
17
3. Напишите структурную формулу 3-оксопентандиовой кислоты,
входящей в состав кетоновых тел, которые определяются в моче больных
сахарным диабетом.
№15
1. Приведите формулы изомеров бутаналя. Назовите их по
номенклатуре ИЮПАК.
2. Назовите по номенклатуре ИЮПАК промежуточный продукт
углеводного обмена − щавелево-уксусную кислоту, имеющую строение:
HOOC C CH2 COOH
O
3.
Напишите
структурную
формулу
спирта
сорбита
(гексангексаола-1,2,3,4,5,6), являющегося заменителем сахара для диабетиков.
18
Тема ІІ. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ.
ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ АТОМОВ
Мотивационная характеристика темы
Химическое поведение веществ, в том числе и в биохимических
реакциях, определяется их составом, электронным и пространственным
строением.
Учебная цель
Изучить электронное и пространственное строение алифатических,
карбоциклических и гетероциклических соединений как основу для понимания
связи строения с биологической активностью.
Учебно-целевые вопросы
1. Знать электронное строение и пространственное расположение связей,
образуемых атомами углерода в sp3-, sp2-, и sp-гибридных состояниях.
2. Знать основные вида конформаций соединений с открытой цепью
(заслоненные, заторможенные, скошенные) и уметь оценивать их энергию.
3. Уяснить особенности электронного строения сопряженных систем с
открытой и замкнутой цепью.
4. Знать пространственное строение циклов, образованных атомами
углерода в sp3-гибридном состоянии (циклопропан, циклогексан). Основные
конформации циклогексана и расположение аксиальных и экваториальных
связей.
5. Знать, что такое цис-транс-изомерия и какова ее причина.
6. Уметь определять знак и вид электронных эффектов заместителей.
Методологические вопросы
1. Связь строения и биологической активности – химическая основа
функционирования биологически активных веществ.
2. Изменение свойств при переходе от циклогексадиена к бензолу - пример
качественного скачка.
Исходный уровень
1. Гибридизация атомных орбиталей.
2. sp3-, sp2-, sp-Гибридизация.
3. Строение σ- и π-связей.
Практические навыки
Уметь прогнозировать химическое поведение органических веществ исходя
из строения.
19
Контрольные вопросы
1. Укажите тип гибридизации всех атомов углерода, а также вид и знак
электронных эффектов заместителей в следующих соединениях:
СH3–CH2–Cl;
CH2=CH–Cl;
CH2OH
CH2=CH–CH2–COOH;
O
C
H
2. Изобразите
заслоненную
и
заторможенную
конформации
1,2-дихлорэтана.
3. Изобразите циклогександиол-1,4 в конформации кресла с наиболее
энергетически выгодным расположением заместителей.
4. Дайте определение понятия "сопряжение" и объясните причину
повышенной термодинамической устойчивости сопряженных систем.
Обучающие задачи и эталоны их решения
Задача № 1. Определите вид гибридизации всех атомов углерода в
молекулах масляной (бутановой) кислоты и пиридина.
Эталон
решения. Органическая химия – это химия соединений
углерода. Естественно, что свойства органических соединений во многом
определяются электронным строением атома углерода и природой его
химических связей. В возбужденном состоянии (1s22s12p3) атом углерода
имеет четыре неспаренных электрона и, следовательно, может образовать
четыре ковалентные связи. При этом все связи в структурах типа СХ 4
равноценны. Для объяснения этого явления Л. Полинг ввел понятие
"гибридизация" – своеобразное взаимодействие близких по энергии
орбиталей с образованием, так называемых гибридных орбиталей с более
низкой энергией.
Для атома углерода возможны три различных типа гибридизации.
1. sp3-Гибридизация, при которой
взаимодействуют одна s- и три p-орбитали и
образуются
четыре
энергетически
равноценные гибридные орбитали, имеющие
форму объемных восьмерок с неодинаковыми
лопастями (рис.1). Наибольшее удаление
электронов
соответствует
направлению
гибридных орбиталей к вершинам правильного тетраэдра под углом 109°28'.
Атомы углерода, не связанные с другими
Рис. 1
атомами кратными связями, находятся в sp3гибридном состоянии и орбитали имеют
20
пространственную конфигурацию. Химические связи в этом случае образуются за счет осевого перекрывания гибридных орбиталей атомами углерода с
орбиталями соседних атомов. В результате образуются σ-связи, в которых
максимальная электронная плотность находится между ядрами атомов на прямой,
соединяющей их. Типичными соединениями, в которых атом углерода находится
в sp3-гибридном состоянии, являются насыщенные углеводороды.
2. sp2-Гибридизация, при которой взаимодействуют одна s и две
р-орбитали с образованием трех гибридных орбиталей, оси которых расположены
в одной плоскости и направлены из центра треугольника к его вершинам под
углом
120°
(рис.2).
Направление
негибридизированной
р-орбитали
перпендикулярно плоскости, в которой расположены
гибридные орбитали. При образовании ковалентных
связей между атомами углерода в состоянии sp2гибридизации имеют место осевое перекрывание
гибридных орбиталей и боковое перекрывание
1200
негибридных р-орбиталей (рис. 3). В последнем случае
образуется π-связь, электронное облако которой
расположено выше и ниже плоскости σ-связей.
Типичными соединениями, в которых атомы углерода
Рис.
2
находятся в состоянии sp2-гибридизации, являются этилен
Рис. 2
и его гомологи (алкены).
3. sp-Гибридизация, при которой взаимодействуют
одна s- и одна р-орбиталь и образуются две гибридные
H
H орбитали. Они расположены линейно под углом 180°. Две
оставшиеся негибридные р-орбитали расположены во
C C
взаимно перпендикулярных плоскостях. При соединении
двух атомов углерода в состоянии sp-гибридизации
H между ними образуется одна σ- и две π-связи (рис. 4).
H
sp-гибридизация углеродных атомов реализуется в
Рис. 3
ацетилене и его гомологах (алкинах).
Рис. 3
В молекуле масляной кислоты CH3–CH2–CH2–COOH
атомы углерода в радикале связаны с другими атомами
четырьмя σ-связями, следовательно, находятся в
состоянии
sp3 -гибридизации.
Атом
углерода
C C
H карбоксильной группы образует три2 σ-связи и одну
H
π-связь, т.е. находится в состоянии sp -гибридизации.
В молекуле пиридина все атомы углерода
находятся в состоянии sp2-гибридизации.
Рис. 4
Рис.
4
N
Задача №2. Дайте определение понятия "сопряжение". Какие атомы
участвуют в образовании сопряженных систем в молекулах 1,3-бутадиена,
бензола и хлористого винила?
21
Эталон решения. Электронное строение молекул, содержащих
несколько кратных связей, определяется их взаимным расположением. Если
между кратными связями находится хотя бы один sp3-гибридный атом
углерода, связи называются изолированными:
СН3 –СН = СН – СН2 – СН=СН2
1,4-гексадиен
По свойствам такие соединения подобны этилену. Если же атомы углерода,
связанные кратными связями с другими атомами, соединены между собой одной
простой связью, то такие системы называются сопряженными, а кратные связи –
сопряженными связями. Типичным примером сопряженной системы является
1,3-бутадиен. В этом соединении все четыре атома углерода находятся в
состоянии sp2 -гибридизации и, следовательно, каждый из них образует три
σ-связи, лежащие в одной плоскости под углом 120°, и имеет по одной
р-орбитали, расположенные перпендикулярно плоскости σ-скелета (рис. 5).
H
H
C
C
H
H
C
H
C
H
Рис. 5
Боковое перекрывание этих четырех р-орбиталей приводит к образованию
π-электронного облака, общего для всей молекулы. Сказанное выше
подтверждается
электронно-графическими
исследованиями,
которые
показывают, что длина связи между первым и вторым, а также между третьим и
четвертым атомами углерода равна 0,136 нм, т.е. она несколько больше,
чем длина двойной связи. Расстояние между вторым и третьим атомами –
0,148 нм, что меньше длины одинарной связи.
В сопряженной системе
р-электроны не закреплены попарно в
определенных связях, а делокализованы, т.е. расположены по всей
системе. Делокализация
р-электронов сопровождается уменьшением
энергии системы. Так, сопряженная система связей 1,3-бутадиена будет
беднее энергией, чем система с двумя изолированными двойными связями.
Выигрыш энергии, являющийся результатом делокализации
электронов в сопряженной системе и приводящий к стабилизации
молекулы, называется энергией сопряжения. Многие биологически
активные вещества содержат сопряженные системы: гем – небелковая часть
гемоглобина крови, витамин А, нуклеиновые основания (аденин, гуа нин,
цитозин, тимин, урацил) и др.
Примером замкнутых сопряженных систем являются ароматические и
многие гетероциклические соединения. В молекуле бензола все атомы
углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации, образуя по три
σ-связи, лежащие в одной плоскости под углом 120°, шесть р-электронов
22
негибридных орбиталей образуют общее электронное облако, осуществляя
круговое сопряжение (рис. 6). В молекуле бензола длина всех углеродуглеродных связей одинакова и равна 0,139 нм. Энергия сопряжения бензола
довольно велика – 227,8 кДж/моль. Этим объясняется большая устойчивость
молекулы бензола. В рассмотренных случаях сопряженная система образована
перекрыванием орбиталей π-связей. Такой вид сопряжения называется
π,π-сопряжением. В органических соединениях могут образовываться также
р,π-сопряженные системы, когда в сопряжение вступает π-орбиталь кратной связи и
р-орбиталь заместителя. Например, в молекуле хлористого винила H2C=CH–Cl
сопряжение вступает р-орбиталь хлора, имеющая неподеленную пару электронов.
Рис. 6
Задача № 3. Изобразите заслоненную к заторможенную конформации
1,2-дихлорэтана. Какая из них обладает меньшей энергией?
Эталон решения. Взаимное расположение атомов, соединенных только
σ-связью, не является жестким, так как атомы могут поворачиваться вокруг оси,
соединяющей их. Образующиеся при этом формы молекул называются
конформациями. Это разные формы молекул одного и того же вещества. Любая
конкретная конформация является лишь временным состоянием молекул,
которые непрерывно переходят из одной конформации в другую. При этом
большинство молекул находятся в виде энергетически более выгодных
конформаций, т.е. в которых несвязанные атомы наиболее удалены друг от
друга.
Конформации 1,2-дихлорэтана могут быть изображены с помощью
проекционных формул Ньюмена, получающихся при перенесении на плоскость
проекции молекулы вдоль С-С связи.
Конформация, в которой заместители (атомы хлора) находятся на
минимальном расстоянии и заслоняют друг друга, называется заслоненной.
Максимальному удалению заместителей соответствует заторможенная
конформация. Остальные конформации называются скошенными.
23
H
H
Cl
Cl
Cl Cl
H
HH
заслоненная
H
H
H
Cl
заторможенная
H
Cl
H
H
H
скошенная
Задача № 4. Изобразите наиболее выгодную конформацию
метилциклогексана.
Эталон решения. Циклы, образованные атомами углерода в
3
sp -гибридном состоянии, не могут быть плоскими (кроме циклопропана),
так как не будет сохранена тетраэдрическая конфигурация. В связи с тем,
что
у первых
двух
представителей
предельных циклических
углеводородов – циклопропана и циклобутана – угол, образованный прямыми,
соединяющими ядрами атомов, меньше тетраэдрического и равен
соответственно 60° и 90°, область максимального перекрывания атомных
орбиталей атомов углерода располагается не на этих прямых, а с внешней
стороны от них (рис. 7). Такие σ-связи (так называемые "банановые" связи)
по характеру расположения
максимальной
электронной плоскости
подобны π-связям.
Наименьшее отклонение валентного угла от тетраэдрического
наблюдается в циклопентане - 0,44°.
Рис. 7
Молекула циклогексана не может иметь форму правильного
шестиугольника, так как в этом случае угол между связями был бы равен
120°. Основными конформациями циклогексана, лишенными угловых
напряжений, являются форма кресла (рис. 8) и форма лодки.
24
a
a
e
e
e
a
a
e
a
e
e
a
Рис. 8
При этом большая часть молекул находится в форме более
энергетически выгодной конформации кресла. Двенадцать связей С-Н в
молекуле циклогексана позволяют разделить их на две группы. Шесть
аксиальных связей (символ "а", рис. 8) направлены перпендикулярно
циклу попеременно вверх и вниз. Другие шесть связей направлены по
периферии цикла, образуя с осью симметрии угол 109°28’, их называют
экваториальными (символ "е"). При наличии в молекуле циклогексана
какого-либо заместителя он может занимать аксиальное или
экваториальное положение.
Эти формы являются конформерами.
Экваториальное положение заместителя энергетически выгоднее и
поэтому его существование более вероятно.
Наиболее выгодной конформацией метилциклогексана будет
конформация кресла с экваториальным расположением метильной группы.
Задача №5. В чем отличие цис- и транс-изомеров 2-бутена?
Эталон решения. В отличие от одинарной, двойная связь исключает
возможность свободного вращения связываемых атомов.
Замещение
2
атомов водорода у sp -гибридизованных атомов углевода может
происходить двояко: по одну или по разные стороны от двойной связи:
H3C
H
C
C
H
CH3
C
H
H3C
цис-2-бутен
C
CH3
H
транс-2-бутен
Этот вид изомерии получил название геометрической или цис-трансиэомерии. Изомеры, в которых заместители расположены по одну сторону от
двойной связи, называются цис-изомерами, по разную – транс-изомерами.
Цис- и транс-изомеры отличаются не только пространственным строением, но и
некоторыми физическими, химическими и физиологическими свойствами.
Цис-транс-изомерия достаточно часто встречается в биологически
25
активных соединениях. Так, непредельные высшие жирные кислоты
(структурные компоненты липидов) имеют цис-конформацию, что определяет
их более компактное расположение в клеточных мембранах.
Задача №6. Определите вид и знак электронных эффектов в молекулах
хлоруксусной кислоты и бензойном альдегиде.
Эталон решения. При изучении свойств органических соединений важно
не только знать их электронное строение, но и учитывать взаимное влияние
атомов в молекуле. Впервые идеи о взаимном влиянии атомов были высказаны
А.М. Бутлеровым и развиты его учеником В.В. Марковниковым. В настоящее
время определены качественные зависимости между строением и реакционной
способностью соединений, называемые эффектами. Наиболее важными
являются электронные и пространственные (стерические) эффекты.
Наличие в молекуле атомов, существенно отличающихся по электроотрицательности от атома углерода, ведет к поляризации связи между ними,
что в свою очередь вызывает поляризацию соседних С–С и С–Н связей,
постепенно «затухающую» по мере удаления от атома, вызывающего
поляризацию.
Смещение электронной плотности σ-связи к одному из связываемых
атомов, передающееся по цепи σ-связей в молекуле, называется индуктивным
эффектом (І-эффектом).
Направление смещения электронной плотности обозначается стрелкой,
совпадающей с валентной черточкой и направленной в сторону более
электроотрицательного атома:
CH3 CH2 CH2 Cl
Если электронная плотность смещена от атома углерода к заместителю, то
индуктивный эффект считается отрицательным (-І-эффект), если же наоборот, то
положительным (+І -эффект ).
Положительным индуктивным эффектом обладают электронодонорные
заместители – атомы металлов и алкильные группы -СН3, -С2Н5 и др. В
последнем случае +І-эффект обусловлен незначительной полярностью С-Н
связей (электроотрицательность атомов углерода 2,5, а водорода 2,1 по шкале
Полинга). С возрастанием числа углеродных атомов в алкильном радикале
+ І-эффект возрастает: -С3Н7 > -С2Н5 > -СН3
Отрицательный индуктивный эффект проявляют электроноакцепторные
заместители: -ОН, >С=О, -СООН, -NH2, -ОR, галогены. Индуктивный эффект
оказывает влияние на свойства органических соединений. Так, замещение атома
водорода в радикале уксусной кислоты хлором, обладающим -І-эффектом,
приводит к увеличению кислотности вследствие смешения электронной
плотности к атому галогена:
O
CH2
C
OH
Cl -I
-I
26
Если в молекуле имеется система сопряженных связей или кратная связь и
при ней стоит заместитель с неподеленной электронной парой, то передача
влияния происходит по системе
π-связей и тогда эффект заместителя
называется мезомерным эффектом или эффектом сопряжения (М-эффект).
Мезомерный эффект проявляется в тех случаях, когда заместитель имеет либо
π-связи (>С=О, -СООН, -NO2), либо неподеленные пары электронов (-ОН, -NH2,
галогены). Если такие заместители соединены с атомами углерода в состоянии,
sp2- или sp-гибридизации, то электроны π-связей или спаренные электроны
заместителей оказываются сопряженными с электронами π-связи углеродного
скелета. Мезомерный эффект обозначается изогнутыми стрелками:
H2C
CH
C
O
H2C
CH
..
OH
H
Начало стрелки указывает, какие π- или р-электроны смещаются, а
конец – связь или атомы, к которым они смещаются. Электроны π-связей
обладают большой подвижностью, поэтому М-эффект передается с одного
конца сопряженной системы на другой практически без затухания.
Если заместитель оттягивает электронную плотность из сопряженной
системы, то мезомерный эффект считается отрицательным (-М-эффектом). Если
заместитель отдает свою электронную пару для участия в общем сопряжении,
мезомерный эффект считается положительным (+М-эффектом). Отрицательным
мезомерным эффектом обладают заместители, имеющие π-связи (>С=О,
-СООН, -NO2), а положительным – заместители с неподеленной электронной
парой (-ОН, -NH2, галогены). В молекуле бензойного альдегида карбоксильная
группа находится в π,π-сопряжении с ароматической системой и благодаря
наличию атомов кислорода проявляет отрицательный индуктивный и
отрицательный мезомерный эффекты
_M C
27
O
H
Вопросы и упражнения
№1
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
соединениях:
СН2 =СН – СН2 – СН2–ОН; Н3С –С≡С–СН3
CH
O
HC
C
H
CH
HC
CH
2. Изобразите циклогександиол-1,3 в конформации кресла с наиболее
выгодным расположением заместителей.
3. Определите вид и знак электронных эффектов заместителей в следующих соединениях:
O
C
H
Н3С–СН2–СООН
Н3С–СН2–СН=СН–Cl
№2
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
O
Br
H3C CH CH C
HC C CH3
H
2. Назовите изображенную в проекции Ньюмена конформацию. Какому
соединению она соответствует?
Cl
Cl
H
H
HH
3. Приведите строение пиррола и объясните, почему пиррол является
ароматическим соединением.
28
№3
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
O
H3C CH2 C
H3C CH CH CH2
NH2
HO
OH
H3C
2. Изобразите 1,2-диметилциклогексан в конформации кресла с наиболее
выгодным расположением заместителей.
3. Определите вид и знак электронных эффектов в молекулах следующих
веществ:
O
H2C
CH
Br
H3C CH2 CH2 C
OH
O
C
OH
№4
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
O
C
OH
CH2 CH CH2 OH
H3C CH CH CH3
N
2. Изобразите в проекции Ньюмена заторможенную конформацию
этанола. Какому энергетическому состоянию (максимуму или минимуму) она
соответствует?
3. Определите вид и знак электронных эффектов в молекуле
п-аминобензойной кислоты:
H2N
COOH
№5
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
H3C
CH2
C
CH
H2C
CH CH2 COOH
CH3
2. Изобразите наиболее предпочтительную конформацию циклогексанола.
3. Приведите строение пиридина и объясните, почему пиридин является
29
ароматическим соединением.
№6
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
O
H2C
CH C
H
OH
H3C CH2 CH CH2 H3C CH CH2
CH2
H2C
OH
CH2
2. Назовите изображенную в проекции Ньюмена конформацию. Какому
соединению она соответствует?
Br
H
H
H
H
H
3. Определите вид и знак электронных эффектов карбоксильной группы в
уксусной и бензойной кислотах:
COOH
CH3 COOH
№7
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
O
H3C CH C
H2C CH CH CH2
NH2
OH
OH
2.
Изобразите
наиболее
предпочтительную
конформацию
бромциклогексана.
3. Определите вид и знак электронных эффектов в молекуле м-крезола:
CH3
OH
30
№8
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
H3C
C
C
CH2 CH3
CH2 CH
CH2
OH
OH
OH
CH2
CH3
2. Изобразите в проекции Ньюмена наиболее предпочтительную
конформацию этиленгликоля:
CH2 CH2
OH
OH
3. Какие атомы участвуют в образовании сопряженных систем в
молекулах:
O
C
H2N
OH
?
OH
N
№9
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
H3C C COOH
H2C CH CH2 CH CH2
2
O
преимущественную
2. Изобразите строение и
конформацию
метилциклогексана.
3. Укажите электронные эффекты и виды сопряжения заместителей с
бензольным кольцом в молекуле сульфаниловой кислоты (основа большой
группы сульфаниламидных препаратов):
O
S O
H2N
OH
№ 10
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
31
H3C
C
CH2 CH3
C
HOOC CH2 CH
COOH
OH
CH3
HO
2. Изобразите строение и кресловидную конформацию молекулы
миоинозита (пять ОН групп занимают экваториальное положение),
содержащегося в мышцах и являющегося циклогексангексаолом-1,2,3,4,5,6.
3. Какое влияние оказывает гидроксильная группа на электронную
плотность бензольного кольца в следующих соединениях:
CH2 OH
HO
?
№ 11
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в следующих
молекулах:
O
H3C CH C
CH2
CH3
H3C CH2 C
OH
CH3
NH2
CH3
2. Изобразите в проекции Ньюмена
заторможенную конформацию
2-аминоэтанола-1 (коламина). Какому энергетическому состоянию она
соответствует?
3. Определите вид и знак электронных эффектов заместителей в
соединениях:
O
O
C
H3 C C
CH2 C
OH
OH
O
№ 12
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в молекулах:
HC
C
CH
CH3
H3 C
CH3
Изобразите
строение
COOH
OH
H3 C
2.
CH
OH
и
32
предпочтительную
конформацию
аминоциклогексана.
3. Определите вид и знак электронных эффектов в молекулах:
H2C
CH COOH
H2C
CH
CH2 COOH
№ 13
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в молекулах:
O
H2C
CH COOH
H2C
CH
CH
C
CH2
OH
OH
2. Изобразите предпочтительную конформацию 1,2-дибромциклогексана.
3. Какое влияние оказывают заместители на электронную плотность
бензольного кольца в следующих соединениях:
O
NH2
C
OH
№ 14
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в молекулах:
H3C CH CH CH2 CH3
HO CH2 CH COOH
NH2
2. Изобразите в проекции Ньюмена заслоненную и
заторможенную
конформации 1,2-дихлорэтана. Какая из них обладает меньшей энергией?
3. Определите вид и знак электронных эффектов заместителей в
молекулах:
O
NH2
HO
C
H2N
OH
№ 15
1. Определите тип гибридизации всех атомов углерода в молекулах:
H3C CH2
2.
CH
CH2
Изобразите
HOOC
строение
CH2 C
и
33
COOH
O
предпочтительную
COOH
OH
конформацию
гексахлорциклогексана (гексахлорана).
3. Какое влияние оказывают заместители на электронную плотность
бензольного кольца в следующих соединениях:
NH2
NO2
?
Тема ІІІ. КИСЛОТНЫЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
Мотивационная характеристика темы
Кислотность и основность являются одними из наиболее важных свойств
веществ, которые часто определяют их поведение в организме.
Учебная цель
Изучить кислотность и основность органических соединений как
важнейшие свойства, определяющие многие химические процессы в живых
организмах.
Учебно-целевые вопросы
1.
На основе электронного строения функциональных групп уметь
объяснить кислотные свойства спиртов, фенолов и карбоновых кислот, их
зависимость от числа функциональных групп и наличия заместителей в
радикалах.
2.
Знать механизм реакции декарбоксилирования.
3.
Уяснить, в чем заключается С-Н кислотность и как она влияет на
свойства соединений.
4.
На основе электронного строения атома азота объяснить основные
свойства алифатических и ароматических аминов, а также азотсодержащих
гетероциклов.
5.
Знать, какие классы органических соединений обладают
амфотерными свойствами. Уметь их иллюстрировать.
Методологические вопросы
Кислотность и основность – пример диалектического единства и борьбы
противоположностей.
34
Исходный уровень
1.
Основные положения протолитической теории кислот и оснований.
2.
Электронные эффекты заместителей. Электронодонорные и
электроноакцепторные заместители.
Практические навыки
Уметь прогнозировать кислотные и основные свойства веществ в
зависимости от их строения.
Контрольные вопросы
1.
Напишите уравнение реакции взаимодействия глицерина с
гидроксидом меди (II).
2.
Расположите в порядке уменьшения кислотности следующие
кислоты:
а)
пропионовую, молочную, пировиноградную;
б)
уксусную, хлоруксусную, дихлоруксусную.
3.
Какое из двух соединений – анестезин или эфедрин является более
сильным основанием? Почему?
O
C
H2N
O
C2H5
OH
CH3
CH
CH
N
CH3
H
анестезин
эфедрин
4. Какая реакция среды будет в водных растворах следующих
аминокислот:
H2N CH2 CH2 CH2 CH2 CH COOH
HO CH2 CH COOH
NH2
NH2
серин
HOOC
лизин
CH2 CH2 CH COOH
NH2
глутаминовая кислота
Обучающие задачи и эталоны их решения
Задача №1. Как изменяются кислотные свойства в ряду соединений:
метиловый спирт - глицерин - фенол - уксусная кислота - щавелевая кислота?
Эталон решения. Как известно, кислоты − это доноры протонов,
35
которыми могут быть органические соединения: 1) содержащие атомы
водорода, соединенные с электроотрицательным атомом (кислород, сера и т.д.),
2) имеющие атомы водорода у углеродного атома, соединенного с
электроноакцепторными заместителями.
Из первой группы веществ рассмотрим свойства спиртов, фенолов и
карбоновых кислот. Полярность О-Н связи в гидроксильной группе спирта
обусловливает ее способность к гетеролитическому разрыву при
взаимодействии с активными металлами. При этом получаются твердые
растворимые в спирте соединения − алкоголяты с ионной связью кислород металл:
2CH3OH+2Na→2CH3ONa+H2
Положительный индуктивный эффект углеводородного радикала
уменьшает полярность О-Н связи и ослабляет кислотные свойства спиртов:
CH3→O←H
Поэтому спирты являются более слабыми кислотами, чем вода (рКа воды
равна 15,7, метанола − 16, этанола − 18). По этой же причине кислотность
спиртов уменьшается с увеличением числа углеродных атомов в радикале.
Кислотность многоатомных спиртов выше, чем одноатомных, благодаря
-І-эффекту гидроксильных групп (рКа этиленгликоля равна 15,18). Особенно
легко атомы водорода многоатомных спиртов замещаются некоторыми
тяжелыми металлами вследствие образования хелатных (внутрикомплексных)
соединений:
HO CH2
H2C OH
+ HO Cu OH +
HO CH2
H2C OH
H
H2C
H2C
O
..
O
Cu
O
..
CH2
O
CH2
+ 2 H2O
H
Хелаты имеют яркую окраску и используются для качественного
определения многоатомных спиртов. Кислотность фенолов выражена сильнее,
чем у спиртов (рКа фенола равна 10,0, т.е. на 6 единиц меньше, чем рКа
алифатических спиртов). Это объясняется тем, что спаренные электроны атома
кислорода смещены к ароматическому ядру (+М-эффект), что ведет к
увеличению поляризации О-Н связи
:O H
36
В отличие от алифатических спиртов фенол легко взаимодействует со
щелочами, образуя соли − феноляты:
OH
ONa
+ NaOH
+ HOH
Фенолы реагируют также с металлами, солями, проявляя химические
свойства кислот.
Наиболее ярко кислотные свойства выражены в ряду карбоновых кислот
− соединений, содержащих карбоксильные группы. Наличие по соседству с
гидроксилом карбонильной группы обусловливает сопряжение спаренных
электронов кислорода гидроксильной группы с электронами π-связи карбонила:
+
R C
O
O
..
+
H
В результате электронодефицитность атома кислорода возрастает, что
ведет к усилению поляризации О-Н связи и облегчает возможность отщепления
протона. В водном растворе низшие карбоновые кислоты заметно
диссоциируют с образованием протонов:
CH3COOH↔ CH3COO−+H+
Карбоксилат-анион
представляет
собой
делокализованную
трехцентовую систему, в которой связи атома углерода с обоими атомами
кислорода выровнены:
-1/2
O
R
O
C
R
C
+
+ H
O -1/2
O
.. H
Карбоновые кислоты − слабые электролиты. Чем более стабилен
образующийся при диссоциации анион, тем сильнее равновесие процесса
диссоциации смещено вправо. Следовательно, чем стабильнее анион, тем
сильнее кислота. Стабильность аниона в свою очередь определяется степенью
делокализации отрицательного заряда. Поэтому факторы, способствующие
делокализации, усиливают кислотность, а факторы, препятствующие
делокализации, понижают ее. Это в равной степени характерно и для других
классов соединений, проявляющих кислотные свойства. В частности,
дикарбоновые кислоты являются более сильными кислотами, чем
одноосновные с тем же числом атомов углерода, вследствие -I-эффекта второй
карбоксильной группы:
37
H-O-C-C-O-H
O O
Карбоновые кислоты изменяют окраску индикаторов и проявляют все
свойства кислот, взаимодействуя с металлами, основаниями, основными
оксидами, солями. Проиллюстрируем это на примере двухосновных кислот,
играющих важную роль в биохимических превращениях. Как и все
двухосновные кислоты, они могут образовывать средние и кислые соли:
COOH
COOH
COONa
+ NaOH
щавелевая кислота
NaOH COONa
- H2O COOH
- H2O COONa
гидрооксалат натрия
оксалат натрия
Таким образом, в ряду метиловый спирт − глицерин − фенол − уксусная
кислота − щавелевая кислота кислотность возрастает.
Задача №2. Какие вещества образуются из уксусного и бензойного
альдегида в щелочной среде?
Эталон решения. Органические соединения, имеющие атомы водорода в
α-положении по отношению к электроноакцепторным заместителям (карбонил,
нитрогруппа и др.) могут в соответствующих условиях отщеплять протон,
проявляя кислотные свойства. Это явление называется СН-кислотностью, а
вещества – СН-кислотами. Примером проявления СН-кислотности является
альдольная конденсация - взаимодействие молекул альдегидов между собой в
присутствии водного раствора щелочи.
OH
O
O
O
NaOH
CH3 C + CH3 C
CH3 C CH2 C
H
H
H
H
альдоль
Гидроксильный ион щелочи, отрывая протон от α-углеродного атома,
превращает молекулу в карбанион:
O
O
_
_
NaOH
CH2 C
OH + CH3 C
- HOH
H
H
карбанион
Этот анион обладает определенной стабильностью, так как при отделении
протона α-атом углерода переходит в состояние sp2-гибридизации, у него
появляется негибридная p-орбиталь, которая вступает в сопряжение с π-связью
карбонильной группы. Далее карбанион присоединяется к карбонильной группе
другой молекулы карбонильного соединения с образованием аниона альдоля:
38
O
CH3
C
_
+ CH2
H
_
O
O
C
CH3
C
H
O
CH2
H
Образовавшийся анион неустойчив (сопряжение
стабилизируется, присоединяя протон от молекулы воды:
_
O
OH
O
CH3 C
CH2
C
+ HOH
CH3 C
CH2
C
H
отсутствует)
O
C
+ OH
и
_
H
H
H
H
СН-кислотами могут быть только вещества, имеющие атомы водорода
α-углеродного атома. Так, бензойный альдегид, не имеющий таких атомов, под
действием растворов щелочей альдолей не образует, а дает реакцию
Канниццаро, при которой одна молекула альдегида восстанавливается в
бензиловый спирт, а вторая окисляется в бензойную кислоту, дающую со
щелочью соль:
O
O
O
C6H5 C + C6H5 C + KOH
C6H5 C
+ C6H5 CH2OH
H
H
OK
Особенно отчетливо СН-кислотность проявляется у соединений
β-оксикислот, β-аминокислот и других, содержащих метиленовую группу
между двумя электроноакцепторными заместителями. В этом случае протон у
α-углеродного атома достаточно легко отщепляется и молекула превращается в
карбанион:
H
+
HO CH2 CH COOH + H
COOH
HO CH2 C
H
Этим обусловливаются специфические реакции таких соединений.
Задача № 3. Сравните основные свойства метиламина, диметиламина и
анилина.
Эталон решения. К основаниям в соответствии с протолитической
теорией относятся соединения − акцепторы протонов. Связывание протонов
органическими соединениями может осуществляться либо за счет
неподеленной пары электронов, либо за счет электронов π-связи.
Наиболее четко основные свойства выражены в ряду аминов −
соединений, содержащих заместители:
39
CH3
–NH2;
–NHCH3;
N
CH3
Химические свойства аминов во многом определяются наличием у атома
азота неподеленной пары электронов, что придает им сходство с аммиаком.
Так, при растворении алифатических аминов в воде происходит присоединение
протона, а избыточные гидроксильные ионы обусловливают щелочную
реакцию раствора:
CH3–NH2+HOH→[CH3–NH3]+OH−
Ион [CH3-NH3]+ следует рассматривать как комплексный ион,
центральным атомом в котором является азот с координационным числом,
равным четырем, а атомы водорода или алкилы расположены во внутренней
координационной сфере.
Основные свойства аминов проявляются в их способности
взаимодействовать с кислотами с образованием солей:
CH3–NH2+HCl→[CH3–NH3]Cl
Соли аминов − твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые
в воде. Щелочи, как более сильные основания, вытесняют амины из солей:
[CH3 – NH3]Cl + NaOH → CH3 –NH2 + NaCl + H2O
Вследствие +І-эффекта углеводородных радикалов амины являются более
сильными основаниями, чем аммиак.
N H
H3C
CH3
Введение третьей алкильной группы вызывает уменьшение основности,
что объясняется пространственными затруднениями из-за экранирующего
влияния трех алкильных групп.
Особенно сильными свойствами обладают четвертичные аммониевые
основания, которые по силе сопоставимы со щелочами:
+
R
_
R N R OH
R
Основные свойства ароматических аминов выражены гораздо слабее, чем
алифатических. Это обусловлено сопряжением неподеленной электронной
пары атома азота с электронной системой ядра:
40
..
NH2
В результате электронная плотность у атома азота оказывается
пониженной и его способность присоединять протон ослабляется. В этом
случае присоединение протона ведет к уменьшению атомов, участвующих в
сопряжении, и, следовательно, к меньшей делокализации электронов, т.е.
является энергетически невыгодным.
Водный раствор ароматических аминов не изменяет окраску
индикаторов, они не образуют соли со слабыми кислотами. При
взаимодействии с сильными кислотами происходит образование солей:
C6H5–NH2 + HCl → [C6H5–NH3]+ClЭлектроноакцепторные
заместители
уменьшают
ароматических аминов, а электронодонорные − увеличивают ее.
основность
Задача №4. Какой из гетероциклов − пиррол или пиридин − является
более сильным основанием?
Эталон решения. Основные свойства присущи азотсодержащим
гетероциклическим соединениям. При этом основность в значительной мере
зависит от того, вступает ли неподеленная пара электронов в сопряжение с
электронами углеродных атомов цикла или нет. Так, у пиррола основные
свойства выражены крайне слабо, поскольку спаренные электроны азота
участвуют в сопряжении, вследствие чего создается ароматический характер
кольца и затрудняется присоединение протона к атому азота.
В молекуле пиридина сопряженная система образована без участия
неподеленной пары; азота, поэтому пиридин ведет себя аналогично
алифатическим аминам.
..
N
N
..
H
пиррол
пиридин
Водный раствор пиридина имеет щелочную реакцию:
41
+ HOH
+
N
N
..
OH
_
H
С минеральными и органическими кислотами пиридин образует
кристаллические соли:
_
+ HCl
+
N
N
..
Cl
H
Для соединений, содержащих группы основного и кислотного характера,
присуще образование внутренних солей, в которых протоны, возникающие при
диссоциации кислотной группировки, связываются основной группой:
SO3
SO3H
+ NH
NH2
3
сульфаниловая кислота
Внутренние соли образуются также аминокислотами, фосфатидами и т.д.
Протон может присоединяться неподеленной парой электронов
кислородного атома спиртов, альдегидов, эфиров и т.д. При этом образуются
оксониевые основания - алкильные производные иона гидроксония:
+
+
+
C
H
O
- C 2 H5
C 2H5 - O - C 2H5
H
2 5
H
Оксониевые основания, как и ион гидроксония, неустойчивы, они
являются промежуточными продуктами во многих реакциях (особенно при
кислотном катализе), в частности при получении простых эфиров из спиртов и
сложных эфиров из спиртов и кислот.
42
Вопросы и упражнения
№1
1.
Расположите в ряд по уменьшению кислотности фенол,
п-аминофенол, п-нитрофенол. Обоснуйте ответ.
2.
Что такое СН-кислотность? Приведите механизм реакции
альдольной конденсации пропионового альдегида.
3.
Напишите уравнение реакции взаимодействия этиламина и анилина
с серной кислотой. Какой из этих аминов является наиболее сильным основанием?
№2
1. Какое соединение − анилин или фенамин обладает большей
основностью? Ответ обоснуйте.
CH3
NH2
CH2 CH NH2
анилин
фенамин (стимулятор ЦНС)
2.
Что
такое
декарбоксилирование?
Напишите
реакции
декарбоксилирования пировиноградной (2-оксопропановой) кислоты.
3.
Напишите уравнения реакции получения кислой и средней соли
янтарной кислоты.
№3
1.
Какое соединение − пиррол или пиридин − является более сильным
основанием? Почему?
2.
Напишите уравнения реакции получения кислой и средней соли
фумаровой (транс-этилендикарбоновой) кислоты.
3. Напишите уравнение реакции взаимодействия глицерина с
гидроксидом меди (II).
№4
1.
Сравните
кислотность
пропионовой
и
молочной
(α-гидроксипропионовой) кислот.
2.
Приведите уравнения реакций, характеризующих кислотные
свойства пировиноградной (2-оксопропановой) кислоты.
3.
Напишите реакции взаимодействия анестетика новокаина,
используемого в медицинской практике в виде солянокислой соли, с соляной
кислотой и определите место протонирования в молекуле новокаина:
43
O
H2N
C O CH2 CH2 N
C2H5
C2H5
новокаин
№5
1.
Объясните, как изменяется кислотность во взаимосвязи с
электронными эффектами заместителей на примере соединений: этиловый
спирт, этиленгликоль, фенол.
2.
Напишите уравнение реакции альдольной конденсации уксусного
альдегида в присутствии гидроксида натрия. Приведите механизм реакции.
3.
Сохраняется ли ароматический характер пиридина в кислой среде?
Напишите реакции взаимодействия пиридина с серной кислотой.
№6
1.
Расположите в ряд по увеличению кислотности следующие
соединения:
пропионовая,
β-гидроксипропионовая,
молочная
кислоты. Ответ обоснуйте.
2.
Что таксе реакции декарбоксилирования? Напишите уравнение
реакции декарбоксилирования молочной кислоты.
3.
Напишите уравнения реакции взаимодействия 2-аминоэтанола и
п-аминофенола с соляной кислотой. Какое соединение является наиболее
сильным основанием?
№7
1. Сравните кислотность янтарной (бутандиовой) и винной
(2,3-дигидроксибутандиовой) кислот. Какие продукты могут быть получены
при взаимодействии янтарной кислоты с гидроксидом натрия?
2.
Напишите уравнение реакции взаимодействия адреналина с
соляной кислотой (получение гидрохлорида адреналина).
3.
Приведите механизм реакции альдольной конденсации пропанона
(ацетона), катализируемой основаниями.
№8
1. Сравните основность пиррола и имидазола. Напишите уравнение
реакции взаимодействия имидазола с соляной кислотой.
44
N
N
H
имидазол
2.
Укажите кислотные центры и расположите их в порядке
уменьшения кислотности в молекуле, α-гидроксипропионовой кислоты.
3.
Приведите схему реакции карбоксилирования пировиноградной
(2-оксопропановой) кислоты. Назовите продукт реакции.
№9
1.
Расположите в ряд по уменьшению кислотности фенол, п-крезол,
п-нитрофенол. Ответ объясните.
2.
Напишите уравнения реакций получения кислых солей и средней
соли лимонной кислоты:
COOH
HOOC CH2 C CH2 COOH
OH
лимонная кислота
3.
Напишите уравнение реакции взаимодействия анестетика дикаина,
используемого в медицинской практике в виде солянокислой соли, с соляной
кислотой.
CH3
N
O
O CH2 CH2
CH3
C
NH
C 4H9
дикаин
№ 10
1. Расположите в ряд по увеличению кислотности следующие
соединения: уксусная, триметилуксусная, трихлоруксусная кислоты.
2. Напишите уравнение реакции взаимодействия пропандиола-1,2 с
гидроксидом меди (II). Какое значение имеет эта реакция?
45
3. Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих амфотерные свойства
аланина (α-аминопропионовой кислоты).
№ 11
1.
Какое соединение – дифениламин или диметиламин является более
сильным основанием? Напишите реакцию солеобразования для более сильного
основания.
2.
Напишите реакцию образования кислой и средней соли яблочной
(2-гидроксибутандиовой) кислоты.
3.
Какой из двух альдегидов – 2,2-диметилбутаналь или
2-метил-бутаналь вступает в реакцию альдольной конденсации? Напишите
уравнение реакции.
№ 12
1.
Сравните основность применяемых в медицинской практике
препаратов анестезина и эфедрина:
O
C
H2N
O
C2H5
OH
CH3
CH
CH
N
CH3
H
анестезин
эфедрин
Напишите уравнение реакции солеобразования для более сильного
основания.
2.
Напишите уравнение реакции декарбоксилирования лизина
(2,6-диаминогексановой кислоты). Назовите продукт реакции.
3.
Запишите уравнения реакций получения средней и кислой солей
малоновой (пропандиовой) кислоты.
№13
1.
Какое влияние на кислотные свойства фенолов оказывают
электронодонорные и электроноакцепторные заместители? Приведите
примеры.
2.
Напишите уравнение реакции образования солянокислой соли
пиримидина.
3.
Напишите формулу внутренней соли сульфаниловой кислоты.
Почему это соединение существует в таком виде?
SO3H
H2N
сульфаниловая кислота
46
№ 14
1.
Расположите
по
возрастанию
кислотности
бензойную,
п-нитробензойную, п-гидроксибензойную кислоты. Ответ обоснуйте.
2.
Напишите уравнение реакции димедрола, противоаллергического
препарата, применяющегося в виде солянокислой соли, с соляной кислотой.
CH 3
N
O
CH3
димедрол
3.
Напишите уравнение реакции получения средней и кислой соли
щавелевоуксусной (2-оксобутандиовой) кислоты.
№ 15
1.
Какое соединение – пиррол или пиридин является более сильным
основанием? Ответ обоснуйте.
2.
Напишите уравнения реакций, показывающих амфотерные свойства
аспарагиновой (2-аминобутандиовой) кислоты.
3.
Напишите уравнение реакции взаимодействия пропиламина и
анилина с серной кислотой. Какой из указанных аминов является более
сильным основанием?
47
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тюкавкина Н.А. Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. М.: – Медицина,
1985.
2. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии. Под
ред. Тюкавкиной Н.А. М.: − Медицина, 1985.
3. Губський Ю.І. Біоорганічна хімія. Вінниця: − Нова книга, 2004.
4. Шаповал Л.Г., Чеховський В.Д., Петюніна В.М. Навчальний посібник з
органічної хімії. Харків: − ХДМУ, 1994.
5. Теоретический курс по биологической и биоорганической химии
(учебное пособие). Модуль 1. Биологически важные классы биоорганических
соединений. Биополимеры и их структурные компоненты / Сыровая А.О.,
Шаповал Л.Г., Петюнина В.Н., Ткачук Н.М., Шапарева Л.П., Макаров В.А.,
Чеховской В.Д., Грабовецкая Е.Р., Бачинский Р.О., Наконечная С.А. – Харьков,
ХНМУ. – 2013.
48
Учебное издание
Основы строения и реакционной способности органических соединений:
методические указания для самостоятельной работы студентов 1-го курса по
биологической и биоорганической химии (Модуль 1)
Составители:
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина,
Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров,
С.В. Андреева,
Л.В. Лукьянова,
С.А. Наконечная,
Р.О. Бачинский,
С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова,
Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко
Ответственный за выпуск: Грабовецкая Е.Р.
План 2014. Ризография.
Усл. печ. стр. 1,25, тираж 200 экз.
ФЛП Томенко Ю.И.
г. Харьков, пл. Руднева, 4
49