Билет №9

1. Реакции свободнорадикального замещения. Гомолитические реакции с участием sp³-гибридизированного атома углерода. Галогенирование, окисление кислородом. Региоселективность свободнорадикального замещения в аллильных и бензильных системах. Пероксидное окисление фрагментов жирных кислот в клеточных мембранах.

Углеводородам наиболее характерны следующие реакции: радикального замещения (S_R, характерны для насыщенных углеводородов), электрофильного присоединения (A_E, для ненасыщенных), электрофильного замещения (S_E, для ароматических). Эти же реакции часто свойственны производным углеводородов, т.е. соединениям других классов, содержащих углеводородные фрагменты.

В большинстве гетеролитичских реакций алканы инертны, т.к. для них характерны неполярные Сsp³ – Сsp³ и практически неполярные Сsp³ – H σ-связи, достаточно прочные и не склонные к гетеролитическому разрыву под действием электрофильных или нуклеофильных агентов (под гетеролитическим разрывом следует понимать разрыв, идущий по ионному механизму, т.е. с образованием двух ионов: катиона и аниона). Возможными для них являются радикальные процессы, в которых участвуют обладающие высокой энергией весьма реакционноспособные радикальные частицы. Аналогично ведут себя ненапряжённые циклические насыщенные углеводороды, в частности циклоалканы с обычным, средним и большим размером цикла (т.е. все циклоалканы, кроме циклопропана и циклобутана, в молекулах которых присутствует сильное угловое напряжение).

Существуют общие пути генерирования радикальных частиц: термолиз (расщепление ковалентной связи за счёт тепловой энергии при нагревании от 500ºС и выше; в частности, сюда относят крекинг-процесс), фотолиз (расщепление за счёт лучистой энергии, например, видимый или ультрафиолетовый свет) и химический путь (образование свободных радикалов в окислительно-восстановительных процессах; например, взаимодействие ионов металлов переменной валентности, Fe²⁺ в частности, с молекулярным кислородом и гидропероксидами).

Типичным примером фотолиза может служить галогенирование насыщенных углеводородов при облучении. Как и большинство реакций, идущих по механизму свободнорадикального замещения, эта реакция включает в себя несколько стадий:

- инициирование:

- рост цепи:

- обрыв цепи (может завершиться в результате ряда реакций, ниже приведены все возможные варианты):

Галогенирование алканов, содержащих неэквивалентные (неравноценные) атомы водорода, приводит к смесям изомерных продуктов замещения. Соотношение между ними зависит от природы реагента и субстрата, а также от условий реакции. В качестве примера рассмотрим моногалогенирование пропана.

При высоких температурах (500-600ºС) радикал хлора настолько активен, что действует неизбирательно, отрывая водород от любой связи С – Н. При этом наблюдается соотношение продуктов реакции 3:1 соответственно в том порядке, в котором они указаны, что доказывает неизбирательность действия атома хлора. В более мягких условиях наблюдается соотношение продуктов реакции 2:3. Ещё большую избирательность проявляет менее реакционноспособный радикал брома (в силу его большей стабильности).

Более высокая селективность менее активного реагента (в нашем случае – радикала брома) по сравнению с более активным агентом (радикал хлора) – общая закономерность в протекании органических реакций.

Таким образом, преимущественной радикальной атаке подвергаются атомы водорода не у первичного, а у вторичного атома углерода. Ещё легче происходит отрыв атома водорода от третичного атома углерода. Особенно легко происходит разрыв связи С – Н в случае образования радикалов, стабилизированных путём делокализации неспаренного электрона в сопряжённой системе, например, радикала аллильного и бензильного типов. Именно лёгкостью промежуточного образования бензильных радикалов объясняется способность толуола галогенироваться по метильной группе в мягких условиях.

Региоселективность — явление, при котором в химической реакции один путь разрыва и образования связей преобладает над остальными возможными путями.

Один из важнейших процессов – взаимодействие органических соединений с молекулярным кислородом. Молекула кислорода представляет собой бирадикал и может реагировать с соединениями, содержащими связи C – H, по радикальному механизму с образованием гидропероксидов или продуктов их дальнейших превращений.

Если реакция происходит под действием атмосферного кислорода, то реакция называется автоокислением (например, автоокисление простых эфиров):

Следует учитывать, что пероксиды и гидропероксиды взрывоопасны.

Как и при галогенировании, в реакциях с кислородом активны аллильные, бензильные и атомы водорода при третичном атоме углерода.

Окисление органических соединений может происходить и в условиях организма. К таким процессам относится пероксидное окисление липидов. Для протекания этих реакций важно начальное появление в системе свободных радикалов, которые могут возникать, в частности, за счёт взаимодействия ионов металлов переменной валентности либо с молекулярным кислородом, либо с гидропероксидами.

Далее с участием образовавшихся радикальных частиц (обозначим их Х·) следуют обычные стадии цепного процесса:

Образующиеся in vivo пероксидные радикалы сравнительно малоактивны, поэтому они реагируют довольно избирательно, атакуя, например, лишь связи С – Н в аллильном фрагмента и связи О – Н в некоторых фенолах. В последнем случае образуются малоактивные радикалы, неспособные вступать в реакцию с новой молекулой RH, и цепной процесс прерывается. Поэтому фенолы, в частности α-токоферол, играют в пероксидном окислении роль антиоксидантов.

Пероксидное окисление липидов – один из наиболее важных окислительных процессов в организме. Он является основной причиной повреждения клеточных мембран (например, при лучевой болезни). Структурные фрагменты ненасыщенных высших жирных кислот в фосфолипидах служат мишенью для атаки активными формами кислорода (далее АФК).

При атаке, в частности, гидроксильным радикалом HO', наиболее активным из АФК, молекулы липида LH происходит гомолитический разрыв связи С-Н в аллильном положении, как показано на примере модели пероксидного окисления липидов. Образующийся радикал аллильного типа L' мгновенно реагирует с находящимся в среде окисления молекулярным кислородом с образованием липидпероксильного радикала LOO'. С этого момента начинается цепной каскад реакций пероксидации липидов, поскольку происходит постоянное образование аллильных липидных радикалов L', возобновляющих этот процесс.

Липидные пероксиды LOOH – неустойчивые соединения и могут спонтанно или при участии ионов металлов переменной валентности разлагаться с образованием липидоксильных радикалов LO', способных инициировать дальнейшее окисление липидного субстрата. Такой лавинообразный процесс пероксидного окисления липидов представляет собой опасность разрушения мембранных структур клеток.

2. O- и N-гликозиды. Гидролиз гликозидов. Фосфаты моносахаридов. Ацилирование моносахаридов. Окисление моносахаридов. Восстановительные свойства альдоз. Гликоновые, гликаровые, гликуроновые кислоты. Аскорбиновая кислота. Восстановление моносахаридов (ксилит, сорбит, манит).

К гликозидам относят производные циклических форм углеводов, в которых полуацетальная гидроксильная группа заменена группой OR. Неуглеводный компонент гликозида называют агликоном. Связь между аномерным центром (в альдозах это С-1, в кетозах – С-2) и группой OR называют гликозидной. Гликозиды являются ацеталями циклических форм альдоз или кетоз.

В зависимости от размера оксидного цикла гликозиды подразделяют на пиранозиды и фуранозиды. Гликозиды глюкозы называют глюкозидами, рибозы – рибозидами и т. п. В полном названии гликозидов последовательно указывают наименование радикала R, конфигурацию аномерного центра (α- или β-) и название углеводного остатка с заменой суффикса -оза на -озид.

Гликозиды образуются при взаимодействии моносахаридов со спиртами в условиях кислотного катализа; при этом в реакцию вступает только полуацетальная группа ОН.

Гликозиды подразделяются на O-гликозиды и N-гликозиды. N-гликозиды, называемые также гликозиламинами, представляют собой производные циклических форм сахаров, построенные аналогично обычным гликозидам, но гликозидная связь осуществляется в них не атомом кислорода, как в О-гликозидах, а атомом азота.

Растворы гликозидов не мутаротируют (мутаротация – изменение величины оптического вращения растворов оптически активных соединений вследствие их эпимеризации, в химии углеводов под мутаротацией обычно подразумевается аномеризация полуацетального атома углерода).

Превращение моносахарида в гликозид – сложный процесс, протекающий через ряд последовательных реакций. В общих чертах он аналогичен получению ациклических ацеталей. Однако вследствие обратимости реакции в растворе в равновесии могут находиться таутомерные формы исходного моносахарида и четыре изомерных гликозида (α- и β-аномеры фуранозидов и пиранозидов).

Как и все ацетали, гликозиды гидролизуются разбавленными кислотами, но проявляют устойчивость к гидролизу в слабощелочной среде. Гидролиз гликозидов приводит к соответствующим спиртам и моносахаридам и представляет собой реакцию, обратную их образованию. Ферментативный гидролиз гликозидов лежит в основе расщепления полисахаридов, осуществляемого в животных организмах.

Моносахариды легко ацилируются ангидридами органических кислот, образуя сложные эфиры с участием всех гидроксильных групп. Например, при взаимодействии с уксусным ангидридом получаются ацетильные производные моносахаридов. Сложные эфиры моносахаридов гидролизуются как в кислой, так и в щелочной средах.

Большое значение имеют эфиры неорганических кислот, в частности эфиры фосфорной кислоты – фосфаты. Они содержатся во всех растительных и животных организмах и представляют собой метаболически активные формы моносахаридов. Наиболее важную роль играют фосфаты D-глюкозы и D-фруктозы.

Эфиры серной кислоты – сульфаты – входят в состав полисахаридов соединительной ткани.

Реакции окисления используют для обнаружения моносахаридов, в частности глюкозы, в биологических жидкостях (моча, кровь).

В молекуле моносахарида окислению может подвергаться любой атом углерода, но легче всего окисляется альдегидная группа альдоз в открытой форме.

Мягкими окислителями (бромная вода) можно окислить альдегидную группу в карбоксильную, не затрагивая других групп. При этом образуются альдоновые кислоты. Так, при окислении d-глюкозы бромной водой получается D-глюконовая кислота. В медицине используется ее кальциевая соль – глюконат кальция.

Действие более сильных окислителей, таких, как азотная кислота, перманганат калия, и даже ионов Cu²⁺ или Ag⁺ приводит к глубокому распаду моносахаридов с разрывом углерод-углеродных связей. Углеродная цепь сохраняется только в отдельных случаях, например при окислении d-глюкозы в D-глюкаровую кислоту или D-галактозы в галактаровую (слизевую) кислоту.

Получающаяся галактаровая кислота трудно растворима в воде и выпадает в осадок, что используется для обнаружения галактозы указанным методом.

Альдозы легко окисляются комплексными соединениями меди (II) и серебра – соответственно реактивами Фелинга и Толленса. Такие реакции возможны в связи с присутствием альдегидной (открытой) формы в таутомерной смеси.

Благодаря способности восстанавливать ионы Cu²⁺ или Ag⁺ моносахариды и их производные, содержащие потенциальную альдегидную группу, называют восстанавливающими.

Гликозиды не проявляют восстановительной способности и не дают положительной пробы с этими реактивами. Однако кетозы способны восстанавливать катионы металлов, так как в щелочной среде они изомеризуются в альдозы.

Прямое окисление звена СН₂ОН моносахаридов в карбоксильную группу невозможно из-за присутствия более склонной к окислению альдегидной группы, поэтому для превращения моносахаридав гликуроновую кислоту окислению подвергают моносахарид с защищенной альдегидной группой, например, в виде гликозида.

При окислении альдегидной группы образуются гликоновые (альдоновые) кислоты, которые по классификации не относятся к углеводам – это полигидроксикарбоновые кислоты. Окислению подвергается не карбонильная (оксо) форма, а циклическая, в виде полуацеталя, и образуется циклический эфир кислоты – лактон.

При действии на альдозы азотной кислотой образуются гликаровые (сахарные) кислоты, которые являются полигидроксидикарбоновыми кислотами. Они не являются углеводами. поскольку потеряли карбонильную группу.

НNO₃ + СН₂ – (СН₂)₄– СНО ——> НООС – (СН₂)₄– СООН

|

ОН

Аскорбиновая кислота (витамин С).Этот, пожалуй, старейший и самый популярный витамин по структуре близок к моносахаридам и представляет собой γ-лактон кислоты (I). Аскорбиновая кислота содержится во фруктах, особенно в цитрусовых, ягодах (шиповник, черная смородина), овощах, молоке. В больших масштабах производится в промышленности из D-глюкозы.

Аскорбиновая кислота проявляет довольно сильные кислотные свойства (рК_а 4,2) за счет одной из гидроксильных групп ендиольного фрагмента. При образовании солей γ-лактонное кольцо не размыкается.

Аскорбиновая кислота обладает сильными восстановительными свойствами. Образующаяся при ее окислении дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается в аскорбиновую. Этот процесс обеспечивает ряд окислительно-восстановительных реакции в организме.

При восстановлении моносахаридов (их альдегидной или кетонной группы) образуются альдиты.

Шестиатомные спирты – D-глюцит(сорбит) и D-маннит –получаются при восстановлении соответственно глюкозы и маннозы. Альдиты легко растворимы в воде, обладают сладким вкусом, некоторые из них (ксилит и сорбит) используются как заменители сахара для больных сахарным диабетом.

При восстановлении альдоз получается лишь один полиол, при восстановлении кетоз – смесь двух полиолов; например, из D-фруктозы образуются D-глюцит и D-маннит.

3. Напишите проекционные формулы стереоизомеров яблочной (гидроксиянтарной) кислоты. Назовите их по заместительной номенклатуре ИЮПАК.

COОH COОH

H ОН НО H

CH₂COОH CH₂COОH

D-2-гидроксибутандиовая кислота L-2-гидроксибутандиовая кислота

4. Бензилбензоат C₆H₅COOCH₂C₆H₅ – средство, применяемое против чесотки. Напишите уравнение его гидролиза в условиях кислотного катализа.

. О

| |

– С – О – СН₂ – → (Н₂SO_{4 (конц.)}) →

→ – СООН + – СН₂ – ОН

5. Напишите уравнение реакций внутримолекулярной конденсации γ-гидроксимасляной и γ-аминомасляной кислот. Назовите продукты реакции.

CH₂ –––––– C = O

| |

HO – CH₂ – CH₂ – CH₂ – COOH → (Н₂SO_{4 (конц.)}) → CH₂ – CH₂ – O + H₂O

4-бутанолид

CH₂ –––––– С = O

| |

H₂N – CH₂ – CH₂ – CH₂ – COOH → (Н₂SO_{4 (конц.)}) → CH₂ – CH₂ – NH + H₂O

1-оксотетригидропиррол (1-оксопирролидин)