Биополимеры и их структурные компоненты

СОПРЯЖЕНИЕ и ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ

 

Сопряжение – это слияние двух или нескольких p-электронных облаков в молекуле с чередующимися p-связями и образование общего делокализованного более устойчивого p-электронного облака. Это p,p-сопряжение.

единое p-электронное облако

 

При р,p-сопряжении в образовании общего электронного облака принимают участие p-электроны двойной связи и р-электроны неподеленной электронной пары гетероатома (N, O, Cl и др.).

 

Системы с замкнутой цепью сопряжения называют ароматическими.

Правило ароматичности Хюккеля: соединение ароматично, если оно:

• имеет плоский цикл,
• замкнутую сопряженную систему, охватывающую все атомы цикла,
• содержит (4n+2) p-электронов.

(6ē) (10ē) (6ē)

 

 

Взаимное влияние атомов в молекуле

Электронное облако в молекуле может быть распределено равномерно, при этом ковалентные связи неполярны, например, в этане и этилене:

CH₃ – CH₃ CH₂=CH₂

Заместители обычно поляризуют молекулу. Они смещают электронное об­лако (электронную плотность) к себе или от себя.

Электроноакцепторные заместители	Электронодонорные заместители
притягивают электронное облако	отталкивают его в сторону углеродного скелета
СН3―СН2®ОН ЭА	СН2=СН―ОН ЭД

 

 

Виды электронных эффектов

 

Индуктивный (I)		Мезомерный (M) (эффект сопряжения)
- передача влияния заместителя по цепи σ-связей		- передача влияния заместителя по сопряженной системе(π,π или p,π)
- возникает всегда, когда есть атомы с разной электроотрица­тельностью		- появляется лишь тогда, когда заместитель становится участником сопряженной системы
СН3→СН2→ОН - I CH2=CH→OH - I		СН3→СН2→ОН M=0 CH2=CH – OH + M
ряд электроотрицательности по Полингу:
F	O	CSp	N	Cl	Br	CSp2	J	CSp3	S	H
4,0	3,5	3,2	3,0	3,0	2,8	2,8	2,6	2,5	2,5	2,1

 

Донорный или акцепторный характер заместителей определяется совместным действием двух электронных эффектов: индуктивного и мезомерного.

При разных знаках эффектов, мезомерный эффект оказывается значительно сильнее индуктивного (за исключением галогенов).

 

Порядок определения характера заместителя

 

1. Записать структурную формулу соединения, выделить заместитель.

2. Рядом с каждым заместителем записать две буквы I и M, обозначающие индуктивный и мезомерный эффекты.

3. Обозначить стрелкой полярность σ-связи между заместителем и углеродом, с которым он связан. Это графическое изображение I-эффекта.

4. Указать знак частичного δ заряда на заместителе. Он будет являться знаком индуктивного эффекта.

5. Определить участие заместителя в общей цепи сопряжения.

6. Если сопряжение заместителя отсутствует, то мезомерный эффект тоже отсутствует, М=0. Тогда характер заместителя определяется только по знаку индуктивного эффекта, т.е. при +I эффекте – электронодонорный, при -I – электроноакцепторный.

7. При наличии сопряжения определить характер этого сопряжения: π,π или p,π

8. Изогнутыми стрелками, начиная с заместителя, показать смещение электронного облака по всей цепи сопряжения. Это графическое изображение М-эффекта.

9. Указать знак образовавшегося на заместителе δ заряда за счет смещения электронного облака. Он совпадает со знаком мезомерного эффекта.

10. Характер заместителя определяется

а) одинаковым знаком I и М эффектов

б) при разных знаках, обычно М>>I (кроме га-

логенов)

 

Задание для самопроверки:

Определите характер заместителей (ЭД или ЭА), указав:

- стрелками смещение электронной плотности

- вид сопряжения, вид электронных эффектов

1. этиламин и анилин (аминогруппы),

2. этанол и фенол (гидроксигруппы),

3. пропеналь и бензальдегид (оксогруппы),

4. циклогексанкарбоновая и бензойная кислоты (карбоксильная группа),

5. нитробензол и 1-нитропропан (нитрогруппы),

6. 1-хлорбутан и 1-хлорбутен-1 (хлора),

7. 3,3,3-трифторпропен (трифторметильной группы),

8. бензолсульфокислота (сульфогруппы),

9. 3-нитротолуол (обоих заместителей),

10. пара-аминобензальдегид (обоих заместителей).

Кислотность и основность органических соединений

Протонная теория кислот и оснований Бренстеда и Лоури рассматривает взаимодействие между кислотой и основанием как передачу протона одним веществом (кислотой) другому веществу (основанию).

Кислоты Бренстеда – это вещества, способные отдавать протон (доноры протона). Вещество проявляет кислотные свойства только, если есть акцептор протона. Поэтому следующая запись является условной:

 

НА ® Н⁺ + А^―

кислота сопряженное основание

Органические вещества способны отдавать протон, если в них имеется сильнополярная ковалентная связь, способная разорваться гетеролитически:

А • • Н

 

Элемент и связанный с ним «протонированный» атом водорода называют кислотным центром. В зависимости от этого различают 4 типа кислот Бренстеда: СН, NH, OH, SH. Количественной характеристикой силы кислоты (т.е. легкости отдачи протона) является величина константы кислотности К_а и рК_а. При качественной оценке силы кислот критерием является стабильность сопряженного основания (аниона).

 

 

 

Стабильность аниона определяется степенью делокализации заряда, т.е. рассредоточение его по всей молекуле.

 

Стабильность увеличивается:

1. С наличием электроноакцепторных заместителей в радикале, связанном с кислотным центром:

СН₃→СО ОН < Cl←CH₂←CO OH

 

2. Благодаря стабилизации аниона за счет сопряжения:

 

CH₃ – CH₂ – OH < (p,p - сопряжение внутри

карбоксильной группы)

3. С повышением радиуса атома в кислотном центре

CH₃ – OH < CH₃ – SH (атом серы больше по радиусу, чем атом

кислорода, поэтому (-) заряд в анионе RS^- делокализован в большей сте-

пени, чем в RO^-)

 

4. С увеличением электроотрицательности атома в кислотном центре, т.к. при этом повышается степень «протонированности» атома водорода.

CH₃ – NH₂ < CH₃ – OH (связь ОН более поляризована, чем NH,

легче разрывается гетеролитически)

Основания Бренстеда – это вещества, способные присоединять протон (акцепторы протона). Это либо анионы, либо молекулы, которые должны иметь атом, содержащий неподеленную пару электронов, для образования связи с протоном – основный центр (O, N, S, галогены).

основание сопряженная кислота

На основность оказывают влияние те же факторы, которые влияют на кислотность, но их влияние противоположно:

Метиламин – более сильное основание, поскольку его катион более устойчив, чем NH₄⁺, т.к. рядом с основным центром имеется донорный заместитель, восполняющий электронную плотность в катионе.

 

Самыми сильными органическими основаниями являются амины:

RSH < ROH < RNH₂

 

Вывод:

 

 

Чтобы сравнить силу кислот (или оснований) необходимо:

1. Подчеркнуть кислотные (основные) центры в молекулах

2. Если они одинаковы, то сравнить влияния радикалов на кислотный (основный) центр. Электронодонорные заместители уменьшают силу кислоты, но увеличивают силу основания.

3. Если одинаковы радикалы, то сравнить влияния атома в кислотном (основном) центре, т.е. его размер или электроотрицательность.

 

Пример: какое вещество является более сильной кислотой: метанол или фенол?

 

 

одинаковые кислотные центры

 

ЭД

ЭА

За счет сопряжения в феноле связь О–Н становится более полярной, чем в спирте, следовательно, легче разрывается. Образующийся в результате разрыва фенолят-анион более устойчив, чем алкоголят-анион, т.к. его отрицательный заряд делокализован на бензольном кольце за счет сопряжения.

Вывод: фенол является более сильной кислотой, чем спирт и способен реагировать со щелочами, в отличие от спиртов.

Задание для самопроверки:

1. Cравните кислотность следующих соединений:

а) уксусная и масляная (бутановая) кислоты

б) этанол и вода

в) фенол и уксусная кислота (напишите реакцию с NaOH и Ca(OH)₂ для

более сильной кислоты)

2. Cравните основность следующих соединений:

а) этиламин и диэтиламин

б) этиламин и анилин

в) этанол и 2-хлорэтанол

г) аммиак и анилин (для более слабого основания напишите реакцию с HCl)

 

СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ

 

Стереоизомеры – это изомеры, имеющие одинаковый состав и химическое строение, отличаются расположением атомов относительно друг друга в пространстве.

Энантиомеры – один из видов стереоизомеров, молекулы которых относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение (их называют также зеркальными или оптическими изомерами).

В виде энантиомеров могут существовать только хиральные молекулы, т.е. молекулы, имеющие асимметрический атом углерода. Это атом углерода в Sp³ гибридизации, связанный с четырьмя разными заместителями.

Для изображения объемных молекул энантиомеров на плоскости используют проекционные формулы Фишера.

Порядок написания формул Фишера:

1. Написать структурную формулу, подчеркнуть старшую функциональную группу

 

 

2. Отметить звездочкой асимметрический атом углерода

 

3. Изобразить асимметрический атом углерода в виде прямого креста (4 конца = 4 заместителя)

 

4. Расположить углеродную цепь вертикально со старшей группой наверху

 

5. На концах горизонтальной черты записать два оставшихся заместителя

 

6. Та формула, в которой OH или NH₂ группа на горизонтальной оси стоит справа, изображает стереоизомер D­-ряда, а если слева, то L-ряда.

 

 

Субстрат –участник реакции, в молекуле которого разрывается старая и образуется новая ковалентная связь у атома углерода.	Реагент –реакционная частица, фактически действующая на субстрат	Реакционный центр –атом или группа атомов, непосредственно участвующая в данной реакции.
Путь образования реагентов	Разрыв связей
Способ разрыва связи	Гетеролитический Гомолитический
Типы образовавшихся реагентов	Нуклеофил Nu^- Электрофил Е^+ Свободные радикалы R^•
Характеристика реагентов	Анионы, или молекулы с неподеленной парой электронов Катионы или молекулы с недостатком электронной плотности Частица с неспаренным электроном (неполярна)
Примеры реагентов	.... Cl^-, H2O, NH3 .. C2H5OH H^+, Br^+, NO2^+, ^+CH3, SO3   Cl^•, OH^•, CH3^•

ЭЛЕКТРОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

	Субстрат		Электрофил, Е

+

 

Реакции электрофильного присоединения к алкенам, A_E

 

Алкены:

· Ненасыщенные соединения. Вступают в реакции присоединения по двойной связи.

· В углеродной цепи алкенов имеется отрицательно заряженное объёмное π-электронное облако, которое притягивает электрофил, Е⁺:

 

 

Следовательно, для алкенов наиболее характерны реакции присоединения электрофила, А_Е.

 

Механизм реакции АЕ
1. Образование π-комплекса за счёт электростатического притяжения электрофила к π-электронному облаку
2. Образование карбокатиона за счёт присоединения электрофила к одному из концов двойной связи. При этом ковалентная связь электрофила с атомом углерода образуется за счёт двух электронов π-связи при её гетеролитическом разрыве
3. Присоединение аниона к карбокатиону

 

 

ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ К АЛКЕНАМ, А_Е

 

 

 

 

Реакции электрофильного замещения в ароматических соединениях, S_E.

 

Арены:

· Имеют единое циклическое π-электронное облако, заряженное отрицательно. Оно притягивает электрофилы, Е⁺.

· В реакциях стремятся сохранить ароматичность, т.е. свое единое электронное облако. Поэтому вступают преимущественно в реакции замещения водорода в бензольном кольце на электрофил, т.е. в реакции S_E.

 

Механизм реакции SE в бензольном кольце
1. Образование электрофила. Для этого чаще всего нужен катализатор, например, кислота Льюса: AlCl3, AlBr3, FeCl3 - акцепторы пары электронов
2. Образование π-комплекса за счёт электростатического притяжения электрофила к π-электронному облаку бензольного кольца
3. Образование σ-комплекса, т.е. присоединение электрофила к атому углерода за счёт двух электронов π-облака
4. Отщепление протона и возвращение ароматичности

ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ, S_E

 

 

Вопросы для самопроверки «Реакции углеводородов»

 

Напишите уравнения реакций, указав условия, тип реакции (S_R, A_E, S_E), электронные эффекты заместителей (где необходимо).

 

Алканы	Алкены	Ароматические соединения
а) фотохлорирование: · 2-метилбутана · метилциклопентана · изопропилбензола   б) пероксидное окисление: · пропана · диэтилового эфира · этилбензола   в) бромирование при УФ-облучении: · толуола · пропена · циклогексена	а) бромирование: · бутена-1 · циклогексена   б) гидрохлорирование: · циклопентена · пропеналя   в) гидратация: · 3-нитропропена · 1-метилциклогексена   г) гидрирование: · пропеновой кислоты · стирола	а) каталитическое хлорирование: · этилбензола · нитробензола   б) нитрование: · фенола · бензолсульфокислоты   в) сульфирование: · анилина · бензойной кислоты   г) алкилирование: · бензальдегида хлорметаном · 2-хлор-пропаном нитробензола	1) бромирование изопропилбензола (2-фенил-пропана): а) при УФ-облучении; б) в присутствии AlCl3   2) образование 2-метилбутена-1 из соответствующего бромуглеводорода и последующую реакцию гидратации этого алкена в кислой среде   3) образование мета-нитро-толуола из бензола

НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

 

 

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА, СВЯЗАННОГО С ГЕТЕРОАТОМОМ, S_N

Реакции алкилирования нуклеофила

 

Субстрат	Нуклеофил	Продукты реакции
Алкилгало-гениды (J > Br > Cl)		NaOH	R–CH2–OH + NaJ
NaSH	R–CH2–SH + NaJ
NaOC6H5	R–CH2–OC6H5 + NaJ
H2O
C2H5OH
NH3
C2H5NH2
Спирты		HBr	R–CH2–Br + H2O
C6H5OH
Алкил-аммониевые ионы		OH^-
Сульфониевые ионы		OH^-

Вопросы для самопроверки «Нуклеофильное замещение, окисление органических соединений»

(Напишите уравнения реакции. Укажите реакционные центры, уходящую группу, направление атаки нуклеофила.)

 

SN у насыщенного атома углерода	AN в альдегидах и кетонах	SN в карбоновых кислотах и их функциональных производных.
1. CH2=CH-CH2Cl + NaOH 2. CH3- CH2-NH2 +CH3J 3. Cl – CH2 – COOH +NH3 4. C6H5–CHCl–CH3 + CH3NH2 5. CH3–CH2–OH +KSH 6. CH3J + C6H5– NH2 7. CH3–CH(OH)–CH3 + HCl 8. Третбутиловый спирт + метиламин 9. Бензиловый спирт + хлорметан 10. 1,3-дихлорпропан +NaOH	1. Пропаналь + HCN 2. Пропанол-1 + бензальдегид 3. Уксусный альдегид + аммиак 4. Бензальдегид + метиламин 5. Циклизация 5-гидроксипенталя 6. Ацетальдегид + пропанол-2 7. Альдольной конденсации бензальдегида с этаналем 8. Альдольной конденсации пропаналя 9. Бутанон-2 + метиламин 10. Ацетальдегида с NaH	1. Щавелевая кислота + Ca(OH)2 2. Пропионовая кислота + пропанол-1 3. Масляная кислота + ацетат натрия 4. Хлорангидрид бензойной кислоты + метиламин 5. Уксусный ангидрид + метиламин 6. Ацетилкофермент А + метанол 7. Щелочной гидролиз этилстеарата 8. Бензоилфосфата с аммиаком 9. Конденсация альдольного типа ацетилкофермента А 10. Ацетил фосфат + этантиол
Элиминирование	Окисление	Напишите уравнения реакции
1. Дегидратация 2-гидрокси-3-метилбутана 2. Элиминировнаия 3-хлорбутандиовой кислоты 3. Дезаминирования 2-аминобутановой кислоты 4. Дегидробромировнаия 3-бромпентаналя 5. Дегидратации молочной кислоты	1. Пероксидное окисление: а) бутен-2-овой кислоты б) этилбензола 2. Ацетальдегид + Ag2O в аммиачном ратсворе 3. Пропен + надбензойная кислота 4. Фумаровая кислота + KMnO4 в щелочной среде 5. Пропанол-2 + CuO 6. Масляная кислота + ФАД 7. Пировиноградная кислота + НАДН+Н^+ 8. Пальмитиновая кислота + ФАД 9. Этантиол + Н2О2 10. Щавелеуксусная кислота + НАДН+Н^+	а) фенолом этанол с б) бензальдегидом в) бензойной кслотой   а) пропанолом-2 уксусный б) пропаналем альдегид с в) пропиламином   а) уксусной кислотой СaCl2 с б) щавелевой кислотой в) стеариновой кислотой

Как лекарственные средства

 

Ароматическая основа	Производные
Пара-аминофенол	Фенетидин Парацетамол Фенацетин
Пара-аминобензой-ная кислота	Анестезин Новокаин
Сульфаниловая кислота	Стрептоцид (сульфаниламид) Группа сульфаниламидов
Салициловая кислота	Метилсалицилат Фенилсалицилат Аспирин (ацетилсалицилат)

 

 

Пиррол	Гем
Тиофен	Биотин(витамин Н)
Индол	Триптофан
Имидазол	Гистидин Гистамин
Тиазол	Тиамин (витамин В1)
Пиридин	Никотинамид Пиридоксальфосфат НАД^+ (активный центр)
Пиримидин	Урацил Тимин Цитозин Барбитурат Барбитал
Пурин	Аденин Гуанин Мочевая кислота Кофеин

Строение биологически значимых гетероциклов

биополимеры и их структурные компоненты

 

углеводы

 

моносахаридЫ. Классификация

 

По характеру оксо-групп	моносахариды
По длине цепи	Гексозы Триозы Тетрозы Пентозы
По стерео-изомерии	Эпимеры по С4 L-глюкоза D-глюкоза D-манноза D-галактоза   Энантиомеры Эпимеры по С2 Диастереомеры
По положению гликозидного гидроксила	A-Форма b-Форма
Производные моносахаридов	D-2-дезоксиглюкоза D-2-дезокси-2-аминоглюкоза

Циклооксотаутомерия моносахаридов в водных растворах

 

 

 

D-глюкоза

Гликаровые кислоты

2. Восстановление (до спиртов).

 

[ H⁺ ]

+

 

 

D-фруктоза D-глюцит (сорбит) Маннит

Образование гликозидов.

H⁺

+

─ H₂O

 

a-D-глюкопираноза этил-a-D-глюкопиран озид

4. Ацилирование.

a-D-глюкопираноза пентаацетилглюкоза

5. Алкилирование.

СН₃J

пентаметилглюкоза

 

 

6. Эпимеризация (взаимопревращение моносахаридов)

 

a-СН-кислотный

центр

т аутомерия т аутомерия

альдоза ен-диол кетоза

 

Дисахариды

 

Это гликозиды:

 

1. Восстанавливающие – способны окисляться до кислот (т.е. быть восстано-вителями), т.к. благодаря оставшемуся гликозидному гидроксилу второй цикл может раскрываться (мальтоза, лактоза, целлобиоза):

 

+

 

 

гликозидная спиртовая a-форма a-1,4-гликозидная связь

группа группа a-D-глюкопиранозил-1®4- a -D-глюкопираноза

 

 

окисление

 

 

B-форма

a-D-глюкопиранозил-1®4- b -D-глюкопираноза

 

 

2. Невосстанавливающие – не могут окисляться.

гликозидные 1,2-гликозидная связь

гидроксилы

 

─ Н₂О

 

 

a-D-глюкопиранозил-(1®2)- b -D-фруктофуранозид

ПОЛИСАХАРИДЫ

 

Гомополисахариды Гетерополисахариды

Амилоза

 

 

a(1→4)-гликозидная связь

Амилопектин (n =20-25) Гликоген (животный крахмал) (n=10)

 

 

 

a(1→6)

 

a(1→4 )

 

 

n

Гиалуроновая кислота

─ D-глюкуроновая кислота – b(1®3)–N-ацетилглюкозамин ─