Билет №11

1. Реакции электрофильного замещения в ароматических системах. Механизм реакций галогенирования и алкилирования (алкенами, спиртами) ароматических соединениц. Роль катализатора в образовании электрофильной частицы. Влияние заместителей в ароматическом ряде и гетероатомов в гетероциклических соединениях на реакционную способность и ориентацию электрофильного замещения.

Ароматическим углеводородам бензольного ряда (аренов) свойственны реакции, не приводящие к нарушению ароматической системы, т.е. реакции замещения. Арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, ведущие к нарушению ароматичности. По этой причине при окислении гомологов бензола и других ароматических соединений в жестких условиях (нагревание с перманганатом калия или дихроматом калия в кислой среде) окисляются только боковые углеводородные радикалы.

Наиболее типичные для ароматических соединений реакции электрофильного замещения S_E приведены ниже.

Общее описание механизма реакций электрофильного замещения S_E.

Наличие π-электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться электрофильной атаке. В общем виде реакции замещения протона в бензольном кольце на другие электрофилы можно представить следующим образом:

Механизм таких реакций включает ряд общих стадий. Первичной стадией является генерирование электрофильной частицы. Она обычно образуется путем взаимодействия реагента EY с катализатором и может представлять собой либо электронодефицитную часть поляризованной молекулы реагента Ε^δ+-Υ^δ-, либо частицу Е⁺ с полным положительным зарядом (после гетеролитического разрыва связи).

Предполагают, что электрофильная частица, атакуя ароматический субстрат, сначала образует нестойкий π-комплекс, в котором она одновременно связана со всеми π-электронами ароматической системы.

Наиболее важна стадия образования σ-комплекса (самая медленная стадия реакции). Электрофил «забирает» два электрона π-системы и образует σ-связь с одним из атомов углерода бензольного кольца. В σ-комплексе ароматичность нарушена, поскольку один из атомов углерода кольца перешел в sp³ -гибридизованное состояние.

На последней (быстрой) стадии реакции происходит отщепление протона от σ-комплекса. Ароматическая система восстанавливается (недостающая до секстета пара электронов возвращается в бензольное ядро). Отщепляющийся протон связывается с нуклеофильной частью реагента.

Арены вступают в реакции алкилирования при участии комплексов алкилгалогенида с галогенидами металлов – AlCl₃, FeCl₃, ZnCl₂ и др.

Реакция алкилирования представляет собой общий способ получения гомологов бензола – алкилбензолов.

Алкилирование часто не останавливается на стадии монозамещения и протекает дальше, поскольку введение первой алкильной группы в молекулу бензола активирует ее в реакциях электрофильного замещения.

В реакциях алкилирования помимо алкилгалогенидов могут быть использованы и другие источники карбокатионов – алкены и спирты (в кислой среде).

Замещение свободным хлором или бромом (галогенирование) в бензоле непосредственно не происходит, например, бензол не обесцвечивает бромную воду. Реакция проходит только в присутствии катализаторов, в частности FeCl₃.

В качестве электрофила выступает либо комплекс галогена с FeCl₃, в котором связь между атомами галогена сильно поляризована, либо катион галогена, образовавшийся в результате диссоциации этого комплекса.

Бензол сульфируют дымящей серной кислотой, содержащей избыток растворенного в ней оксида серы (VI).

Сульфогруппа может легко удаляться из бензольного ядра, что используется в синтезе бактерицидных препаратов. Так, наиболее общий способ получения фенолов основан на сплавлении ароматических сульфоновых кислот со щелочами.

При взаимодействии бензола с электрофилом атакуется любой из шести равноценных атомов углерода ароматического кольца, что всегда приводит к единственному монозамещенному продукту. В случае монозамещенного бензола возможно образование трех изомеров – продуктов орто-, мета- и пара-замещения. Соотношение между ними, а также реакционная способность монозамещенного бензола по сравнению с незамещенным определяются природой имеющегося заместителя.

Ориентирующее действие заместителей в бензольном ядре. По влиянию на реакции электрофильного замещения заместители делятся на две группы. Одну из них представляют заместители-ориентанты I рода. К ним относятся алкильные группы, проявляющие +I-эффект по отношению к кольцу, и проявляющие +M-эффект группы OH, OR, NH₂, NR₂. Все эти заместители являются электронодонорами по отношению к бензольному ядру.

Ориентанты I рода облегчают электрофильное замещение по сравнению с незамещенным бензолом, т. е. являются активирующими, и направляют входящую группу в орто- и пара-положения.

Для соединений, содержащих заместители I рода (X_I), реакции электрофильного замещения могут быть представлены в следующем виде:

Так, толуол бромируется с образованием смеси продуктов орто- и пара-замещения в соотношении 1:2.

Вторая группа заместителей – это ориентанты II рода. К ним относятся группы NH₃⁺, NR₃⁺, SO₃H, CH=O, COOH, являющиеся по отношению к бензольному ядру электроноакцепторами в результате отрицательных индуктивного и/или мезомерного эффектов.

Ориентанты II рода затрудняют реакции электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом, т. е. являются дезактивирующими. Если в более жестких условиях реакция все же проходит, то входящая группа вступает в мета-положение.

Для соединений, содержащих заместители II рода (X_II), реакции электрофильного замещения могут быть представлены в следующем виде:

Например, при бромировании бензойной кислоты образуется мета-замещенная кислота.

Правила ориентации не абсолютны; речь идет о предпочтительном направлении реакции.

2. Олигосахариды. Дисахариды: амльтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Строение, цикло-оксо (кольчато-цепная) – таутомерия. Восстановительные свойства. Гидролиз. Конформационное строение мальтозы и целлобиозы.

Олигосахариды – углеводы, построенные из нескольких остатков моносахаридов (от 2 до 10), связанных между собой гликозидной связью. Простейшими олигосахаридами являются дисахариды (биозы), которые состоят из остатков двух моносахаридов и представляют собой гликозиды (полные ацетали), в которых один из остатков выполняет роль агликона. С ацетальной природой связана способность дисахаридов гидролизоваться в кислой среде с образованием моносахаридов.

Существуют два типа связывания моносахаридных остатков:

• за счет полуацетальной группы ОН одного моносахарида и любой спиртовой группы другого (в примере ниже – гидроксил при С-4); это группа восстанавливающих дисахаридов;

• с участием полуацетальных групп ОН обоих моносахаридов; это группа невосстанавливающих дисахаридов.

В восстанавливающихся дисахаридах один из моносахаридных остатков участвует в образовании гликозидной связи за счет гидроксильной группы (чаще всего при С-4). В дисахариде имеется свободная полуацетальная гидроксильная группа, вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла. Восстановительные свойства таких дисахаридов и мутаротация их растворов обусловлены цикло-оксо-таутомерией.

Представителями восстанавливающих дисахаридов являются мальтоза, целлобиоза, лактоза.

Мальтоза– дисахарид, в котором остатки двух молекул D-глюкопиранозы связаны α(1-4)-гликозидной связью. Аномерный атом углерода, участвующий в образовании этой связи, имеет α-конфигурацию, а аномерный атом с полуацетальной гидроксильной группой может иметь как α-, так и β-конфигурацию (соответственно α – и β-мальтоза).

В систематическом названии дисахарида «первая» молекула приобретает суффикс -озил, а у «второй» сохраняется суффикс -оза. Кроме того, в полном названии указывают конфигурации обоих аномерных атомов углерода.

Целлобиоза.Этот дисахарид образуется при неполном гидролизе полисахарида целлюлозы. Целлобиоза – дисахарид, в котором остатки двух молекул d-глюкопиранозы связаны β(1-4)-гликозидной связью. Отличие целлобиозы от мальтозы состоит в том, что аномерный атом углерода, участвующий в образовании гликозидной связи, имеет β-конфигурацию.

Мальтоза расщепляется ферментом α-глюкозидазой, который не активен по отношению к целлобиозе. Целлобиоза способна расщепляться ферментом β-глюкозидазой, но этот фермент в человеческом организме отсутствует, поэтому целлобиоза и соответствующий полисахарид целлюлоза не могут перерабатываться в организме человека. Жвачные животные могут питаться целлюлозой (клетчаткой) трав, поскольку находящиеся в их желудочно-кишечном тракте бактерии обладают β-глюкозидазой.

Конфигурационное различие между мальтозой и целлобиозой влечет за собой и конформационное различие: α-гликозидная связь в мальтозе расположена аксиально, а β-гликозидная связь в целло- биозе – экваториально. Конформационное состояние дисахаридов служит первопричиной линейного строения целлюлозы, в состав которой входит целлобиоза, и клубкообразного строения амилозы (крахмал), построенной из мальтозных единиц.

Лактозасодержится в молоке (4-5%) и получается из молочной сыворотки после отделения творога (отсюда и ее название «молочный сахар»). Лактоза – дисахарид, в котором остатки d-галактопиранозы и d-глюкопиранозы связаны Р(1-4)-гликозидной связью.

Участвующий в образовании этой связи аномерный атом углерода D-галактопиранозы имеет β-конфигурацию. Аномерный атом глюкопиранозного фрагмента может иметь как α-, так и β-конфигурацию (соответственно α- и β-лактоза).

Важнейшим из невосстанавливающих дисахаридов является сахароза.Ее источником служат сахарный тростник, сахарная свекла (до 28% от сухого вещества), соки растений и плодов.

Сахароза – дисахарид, в котором остатки α-D-глюкопиранозы и β-D-фруктофуранозы связаны гликозидными связями за счет полуацетальных гидроксильных групп каждого моносахарида.

Поскольку в молекуле сахарозы отсутствуют полуацетальные гидроксильные группы, она неспособна к цикло-оксо-таутомерии. Растворы сахарозы не мутаротируют.

По химической сути олигосахариды являются гликозидами, а восстанавливающие олигосахариды обладают еще и признаками моносахаридов, так как содержат потенциальную альдегидную группу (в открытой форме) и полуацетальный гидроксил. Этим и определяется их химическое поведение. Они вступают во многие реакции, свойственные моносахаридам: образуют сложные эфиры, способны окисляться и восстанавливаться под действием тех же реагентов.

Наиболее характерной реакцией дисахаридов является кислотный гидролиз, приводящий к расщеплению гликозидной связи с образованием моносахаридов (во всех таутомерных формах). В общих чертах эта реакция аналогична гидролизу алкилгликозидов.

3. Напишите проекционные формулы стереоизомеров 2,3-дигидроксибутандиовой кислоты. Назовите их. Для L-(-)-винной кислоты приведите пример реакции этерефикации.

COОH COОH

H ОН НО H

H OH HO H

COОH COОH

мезовинная кислота

COОH COОH

HO Н Н OH

H OH HO H

COОH COОH

L-винная кислота D-винная кислота

COОH COСН₃

HO Н + HOCH₃ → (H₂SO_4(конц.))→ HO Н + Н₂O

H OH H OH

COОH COОH

L-винная кислота

4. Напишите схему реакции гидролитического расщепления фенилового эфира салициловой кислоты (салола) в щелочной среде.

Обращаю внимание: возле кислорода стоит знак «-», т.е. мы имеем дело с солью, одним из продуктов реакции является салицилат (например, натрия или калия).

5. Напишите уравнения реакций пиридоксаля с этиламином, уксусной кислотой.

H – C = N – C₂H₅

+ C₂H₅NH₂ → + H₂O

O

| |

+CH₃COOH→(H₂SO_4(конц.))→ CH₂ОСCH₃ +H₂O

Или (здесь я не могу утверждать наверняка):

+ CH₃COOH → CH₃COO^- [ ]

⁺

H

Однако я лично склоняюсь к первому варианту.