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