Билет №8

1. Кислотность и основность органических соединений. Теории Бренстеда и Льюиса. Сопряжённые кислоты и основания. Кислотные свойства спиртов, простых эфиров, карбоновых кислот, аминов, гидроксид-, алкоксид-, енолят-, ацилат-ионов. Кислотно-основные свойства пиррола, имидазола, пиридина. Общие закономерности в изменении кислотных и основных свойств.

Важными аспектами реакционной способности органических соединений является их кислотные и основные свойства. Для описания кислотных и основных свойств химических соединений существует несколько теорий – теория Бренстеда и Лоури, теория Льюиса и ряд других. Наиболее распространенной является теория Бренстеда и Лоури, или протолитическая теория. По теории Бренстеда – Лоури кислоты – это нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон (доноры протона), а основания – это нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протона).

Кислота и основание образуют сопряжённую кислотно-основную пару, в которой существует обратная зависимость между силой кислоты и основания. Чем стабильнее анион, тем сильнее сопряженная кислота.

Для слабых оснований кислотность определяется константой равновесия реакции:

Чем больше величина её, тем сильнее кислота. Однако для удобства обчно используют pK=-lgK.

Льюис рассматривает кислотно-основное взаимодействие как образование донорно-акцепторной связи. Кислота - акцептор электронной пары, основание - донор электронов. Образуемое ими соединение - аддукт - является аналогом соли в традиционной концепции.

Типы кислот по Льюису:

1. Все катионы.

2. Электронодефицитные молекулы с вакантными орбиталями на валентном уровне, например, галогениды бора и алюминия, имеющие вакантную р-орбиталь, соединения кремния, фосфора и р-элементов больших периодов, имеющие вакантные nd-орбитали.

Типы оснований по Льюису:

1. Все анионы.

2. Молекулы с неподеленными электронными парами, например, аммиак, амины, спирты, эфиры, кетоны и др.

В комплексных соединениях по Льюису центральный атом является кислотой, а лиганды - основаниями. Процессы экстракции солей металлов из водных растворов органическими растворителями, широко используемые в гидрометаллургии, являются кислотно-основными равновесиями по Льюису.

В спиртах, тиолах и аминах алифатического ряда sp³-гибридизованный атом углерода связан σ-связью с гетероатомом (O, S или N) соответствующей функциональной группы. Поскольку согласно шкале Полинга гетероатомы, как правило, имеют более высокую электроотрицательность, чем углерод, то электроны σ-связи смещены в их направлении, т. е. функциональные группы проявляют отрицательный индуктивный эффект. Каждый из гетероатомов имеет по крайней мере одну пару p-электронов, обусловливающую его основные свойства.

Такое распределение электронной плотности обусловливают несколько реакционных центров:

• кислотный центр в составе группы ХН;

• основный центр – гетероатом Х (кислород, сера или азот с неподеленной парой электронов);

• электрофильный центр – α-атом углерода, непосредственно связанный с гетероатомом Х;

• нуклеофильный центр – гетероатом Х;

• СН-кислотный центр – с участием β-атома углерода, связанного с электрофильным центром.

В зависимости от природы элемента, с которым связан протон, различают следующие кислоты Брёнстеда:

• OH-кислоты (спирты, фенолы, карбоновые кислоты);

• SH-кислоты (тиолы, тиофенолы);

• NH-кислоты (амины);

• CH-кислоты (углеводороды и их производные).

Для прогнозирования кислотных свойств используют качественный подход, основанный на оценке возможности отщепления протона, которая возрастает с увеличением электроотрицательности элемента в кислотном центре. Другим, зачастую более важным критерием, позволяющим оценивать кислотные свойства близких по строению соединений, является стабильность аниона, образующегося при ионизации кислоты. Чем стабильнее анион, тем сильнее сопряженная кислота. Эти факторы могут действовать в одинаковом или противоположном направлении, и в каждом случае их нужно рассматривать в совокупности.

Одноатомные спиртыявляются нейтральными веществами. Они практически не взаимодействуют со щелочами, но вступают в реакцию со щелочными металлами, образуя соли – алкоксиды металлов.

Фенолы по сравнению со спиртами проявляют более заметные кислотные свойства. Повышенная кислотность фенолов обусловлена лучшей делокализацией заряда в феноксид-ионе, чем в алкоксид-ионах, благодаря р,π-сопряжению (в скобках приведены pK_a соответствующих нейтральных соединений).

Обладая относительно невысокой кислотностью, фенолы образуют соли только с сильными основаниями, например гидроксидом натрия, а со слабыми основаниями, например гидрокарбонатом натрия NaHCO₃, в реакцию не вступают.

Тиолыобладают большей кислотностью, чем соответствующие спирты, поскольку тиолят-ионы стабильнее алкоксидионов вследствие большего атомного радиуса серы по сравнению с радиусом кислорода (фактор поляризуемости) и, следовательно, более эффективной делокализации отрицательного заряда на атоме серы.

В соответствии с достаточно высокой кислотностью тиолы при обработке водным раствором щелочи превращаются в соли.

Кислотность аминов и тем более углеводородовзначительно ниже кислотности спиртов. Причиной этого является меньшая электроотрицательность атомов азота и углерода по сравнению с атомом кислорода. Это снижает возможность отщепления протона и в то же время приводит к меньшей стабильности анионов (сопряженных оснований) с зарядом на атомах азота и углерода.

Совокупность всех перечисленных факторов определяет силу кислоты в каждом конкретном случае. С некоторым допущением можно сказать, что кислотность органических соединений возрастает в ряду: CH-кислоты < NH-кислоты < ОН-кислоты < SH-кислоты.

Для образования ковалентной связи с протоном основания Брёнстеда должны предоставлять либо неподеленную пару электронов, либо электроны π-связи. В соответствии с этим различают р-основания и π-основания.

р-основания могут быть нейтральными веществами или отрицательно заряженными частицами. Как правило, анионы обладают более сильно выраженными основными свойствами, чем нейтральные молекулы. Отсюда амид-ион NH₂^-, алкоксид-ион RO^-, тиолят-ион RS^-, гидроксид-ион HO^- по основности превосходят аммиак NH₃, спирты ROH, тиолы RSH, воду H₂O соответственно.

В π-основаниях, к которым относятся алкены и арены, центром основности, т. е. местом присоединения протона, являются электроны π-связи. Это очень слабые основания, так как протонируемые пары электронов несвободны.

В результате присоединения протона к нейтральной молекуле основания образуются солеобразные ониевыесоединения.

В зависимости от природы гетероатома могут образовываться соли:

• аммониевые (центр основности – атом азота);

• оксониевые (центр основности – атом кислорода);

• сульфониевые (центр основности – атом серы).

Наибольшей основностью среди органических соединений обладают амины. Основность рассматриваемых классов соединений с одинаковыми заместителями при гетероатоме увеличивается в ряду:

Ароматические амины значительно менее основны, чем алифатические, что связано с делокализацией неподеленной пары электронов азота благодаря р,π-сопряжению с ароматической системой и, следовательно, с меньшей доступностью для атаки протоном. Тем не менее, анилин легко образует соли с минеральными кислотами.

Влияние заместителей в углеводородной части молекулы на основность противоположно рассмотренному выше влиянию их на кислотность. Электронодонорные заместители увеличивают основность, электроноакцепторные – уменьшают.

Спирты и простые эфиры как очень слабые основания могут протонироваться только сильными кислотами. Образующиеся соли легко гидролизуются.

Основные свойства гетероциклических соединений обусловлены наличием гетероатома с неподеленной парой электронов, способной присоединять протон. Таким свойством обладает пиридиновый атом азота, у которого неподеленная пара электронов находится на sp¹-гибридной орбитали и не вступает в сопряжение. Поэтому пиридин является основанием и с сильными кислотами образует соли. Аналогично, основные свойства будут проявлять и все другие гетероциклы, содержащие пиридиновый атом азота. Например, имидазол образует соли с минеральными кислотами, благодаря пиридиновому атому азота. Однако пиррольный атом азота в имидазоле не атакуется протоном кислоты. Это объясняется тем, что неподеленная пара электронов пиррольного атома азота находится на негибридной орбитали и участвует в сопряжении, поэтому пиррольный атом азота не склонен присоединять протон. По этой же причине не проявляют основных свойств пиррол, фуран и тиофен, у которых неподеленные пары электронов гетероатомов включены в общее электронное облако. В то же время пиррольный атом азота, связанный с атомом водорода, может служить центром кислотности. Пиррол ведет себя как слабая NH-кислота. Поэтому протон будет отщепляться при действии только сильных оснований, таких, как амид натрия NaNH, или гидроксид калия (при 130ºС). Щелочные металлы также могут замещать атом водорода у пиррольного атома азота. Образующиеся соли легко разлагаются водой (гидролизуются). Имидазол и пиразол, содержащие атомы азота пиридинового и пиррольного типов, одновременно проявляют как основные, гак и кислотные свойства, т.е. являются амфотерными соединениями.

Енолят-анионы проявляют двойственную реакционную способность, присоединяя электрофильные агенты по атомам О или С (соседнему с карбонильной группой). Направление реакции определяется строением енолят-аниона, природой противоиона, характером растворителя и природой электрофильного агента; реакционная способность ионных пар ниже, чем свободного иона (ниже изображён енолят-ион).

RCOO^- (ацилат-ион) мезомерно стабилен, связи и заряды в нём выравнены, поэтому он проявляет относительно сильные кислотные свойства.

Чем ниже pK_a, тем сильнее кислота. Поскольку О₂ является более электроотрицательным элементом, чем азот, то связь О–Н более полярна чем связь N–H, атом водорода в О–Н кислотном центре будет более подвижным, чем в N–Н центре. Исходя из величины pK этанол проявляет более выраженные кислотные свойства по сравнению с этаномином, т.к. образующийся при отщеплении протона алкоксид-ион CH₃–CH₂O^- будет обладать более высокой стабильностью по сравнению с алкиламид-ионом CH₃–CH₂–HN^-. Это объясняется тем, что более электроотрицательный кислород в алкоксид-ионе способен в гораздо большей степени нести отрицательный заряд по сравнению с атомом N в алкиламид-ионе.

Алкоксид-ион СН₃-СН₂-О- будет обладать низкой стабильностью и поэтому проявляет слабовыраженные кислотные свойства.

Гидроксид-ион является сильным основанием и в значительных количествах присутствует в растворах щелочей.

2. Моносахариды. Классификация, стереоизомерия, D- и L-стереохимические ряды. Формулы фишера и Хеуорса. Фуранозы и пиранозы, α- и β-аномеры. Цикло-оксо (кольчато-цепная)-таутомерия. Конформация пиранозных форм моносахаридов. Строение рибозы, ксилозы, глюкозы, маннозы, галактозы, фруктозы, 2-дезоксирибозы, глюкозамина, маннозамина, галактозамина.

Классификация моносахаридов: альдозы (моносахариды содержащие альдегидную группу), кетозы (моносахариды содержащие кетогруппу) Моносахариды в зависимости от длины углеродной цепи (3-10 атомов) делятся на триозы, пентозы, гексозы, гептозы и т.д.

Относительная конфигурация моносахаридов, т.е. принадлежность к D- или L-стереохимическому ряду, определяется путем сравнения конфигурации хирального атома углерода имеющего наибольший номер, с конфигурацией хирального центра в D- или L-глицериновом альдегиде

Пяти- и шестиугольные цепи могут иметь клешневидную конформацию. За счет внутримолекулярного воздействия гидроксильной и альдегидной (кетонной) групп в такой конформации образуется циклический полуацеталь. В циклической группе появляется дополнительный центр хиральности (ранее ассиметрический атом углерода входил в оксогруппу). Это хиральный центр называется аномерным. У α-аномера конфигурация совпадает с конфигурацией «концевого» хирального центра. У β-аномера – противоположна. С переходом моносахарида из циклической формы в оксоформу связано явление цикло-оксо таутомерии. В растворе одновременно существуют все три возможные формы (оксоформа и два аномера).

Для пяти- и шестичленных цепей может быть характерна клешневидная конформация. У альдогексоз в реакцию с альдегидной группой приемущественно вступает гидроксильная групп С-5’, так как при этом образуется термодинамически устойчивый шестичленный цикл (пиранозный). Если в реакцию вступает гидроксильная группа у С-4, то полуацеталь содержит пятичленный цикл, называемый фуранозным. Аномерные атомы углерода в α и β-формах имеют противоположную конфигурацию. Но из-за наличия нескольких центров хиральности не являются энантиомерами, а относятся как диастереомеры. Эпимеры и аномеры являются частным случаем диастереомеров. Эпимеры различаются конфигурацией только одного хирального атома углерода. Аномеры – конфигурации отличающиеся по аномерному атому.

Циклические формы моносахаридов изображают в виде перспективных формул Хеуорса, в которых циклы показывают в виде плоских многоугольников, лежащих перпендикулярно плоскости рисунка. Атом кислорода располагают в пиранозном цикле в дальнем правом углу, в фуранозном – за плоскостью цикла. Символы атомов углерода в циклах не указывают.Формулы Фишера неудобны для изображения оксидного цикла, поэтому в циклической форме их принято записывать формулами Хеуорса. Правила перехода от формул Фишера к формулам Хеуорса:

1. В формуле Фишера производят четное число перестановок заместителей при том атоме углерода, гидроксильная группа которого участвует в образовании цикла. Внизу должна оказаться ОН – группа.

2. Все заместители, находящие слева от линии углеродной цепи в фишеровской проекции, располагают над плоскостью Хеуорса.

Установлено, что из двух конформаций пиранозного цикла в D-глюкопиранозе осуществляется та, в которой все большие по размеру заместители – первичноспиртовая и гидроксильные группы – находятся в эваториальном положении. Полуацетальная гидроксильная группа у β-аномера D-глюкопиранозы занимает экваториальное положение, у α-аномера – аксиальное положение. Поэтому в смеси преобладает β-аномер (68%). Стремление RO-группы занять не экваториальное, а аксиальное положение в данном случае связано с так называемым аномерным эффектом.Он является результатом отталкивания между сближенными в пространстве электронными парами двух атомов кислорода.

H₂N

D-маннозамин

3. Какие продукты образуются при гидролизе амида масляной кислоты?

Кислотный гидролиз необратим. Реакционная способность амидов в реакциях ацилированя низкая и NH₂-плохоуходящая группа, поэтому для гидролиза необходим кислотный катализ.

4. Напишите схему реакции образования лактона из 2-амино-4-гидроксибутановой кислоты.

5. Объясните прототропную таутомерию на примере имидазола и пурина.

Прототропная таутомерия – таутомерия, при которой мигрирующей группой является протон.