ОН-кислоты

Среди ОН-кислот карбоновые кислоты – самые сильные кислоты, что объясняется мягкостью отщепления протона и стабильностью образовавшегося карбоксиона.

Рис

Введение электродонорных заместителей приводит к уменьшению кислотности

Рис

ЭА заместители (-I; -М) приводят к увеличению стабильности соответстветствующего аниона и увеличению силы кислот

Рис

Удаление ЭА заместителя от кислотного центра приводит к уменьшению кислотности.

Рис

К ОН-кислотам также относят спирты. Если сравнить рК_а соды и спирта, то видно, что среди одноатомных спиртов только метанол обладает болеевыраженной кислотностью, чем вода, и начиная с этанола кислотные свойства ниже, чем у воды.

Рис

Поэтому вода легко вытесняет спирты из их алкоголятов.

Рис

При этом равновесие практически олностью сдвинуто вправо.

В алкоксод-ионах делокализация электронной плотности невозможна из-за +I эффекта, вследствие чего спирты являются очень слабыми кислотами.

Рис

Слабые кислотные свойства спиртов подтверждаются реакцией с активными щелочными металлами

Рис

Многоатомные спирты по сравнению с одноатомными проявляют большую кислотность, что подтверждается их способнотсью взаимодействовать с гидроксидами тяжелых металлов с образованием хелатных соединений.(качественная реакция на дипольный фрагмент).

Рис

Фенолы также относят к ОН-кислотам, причем они проявляют по сравнению со спиртами, более сильные кислотные свойства. Это объясняется ЭА влиянием бензольного кольца (-М) и устойчивостью образующегося аниона за счет делокализации отрицательного заряда (ρ,π-сопряжение).

Рис

Фенолы, в отличие от спиртов, легко взаимодействуют со щелочами, с образованием достаточно устойчивых фенолятов.

Рис

В феноксид-ионе отрицательный заряд делокализован на ароматическом кольце, поэтому фенолы легко окисляются кислородом воздуха.

Влияние заместителей на кислотность фенолов наиболее сильно, если заместители находятся в n-положении ЭА заместители усиливают, а ЭВ – уменьшают кислотность.

Рис

SН-кислоты – тиоспирты (меркиптали), тиофенолы, тио- и дитиокислоты являются более сильными кислотами по сравнению с соответствующими ОН-кислотами (спирты, фенолы). Для оценки их кислотности преобладающим фактором является поляризуемость.

Лекция № 7

Конкурентные реакции у насыщенного атома углерода

План

7.1. Реакции нуклеофильного замещения (S_N)

7.2. Реакции элиминирования

7.1. Реакции нуклеофильного замещения (S_N)

К конкурентным реакциям у насыщенного атома углерода относятся реакции нуклеофильного замещения и элиминирования.

Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода представляет собой одну из наиболее важных в синтетическом плане органических реакций и широко используется для синтеза биологически активных веществ. По типу S_N и элиминирования протекают и многие биологические реакции (алкилирование, дегидратация).

Конкурентные реакции S_N и Е протекают в одной молекуле, но на разных реакционных центрах. Они протекают с участием нуклеофила у sp³-гибридного атома углерода, связанного полярной связью (σ-связью) с заместителем.

Нуклеофильное замещение при насыщенном атоме углерода характерно для алкилгалогенидов, спиртов, тиолов, аминов.

Введение в насыщенный углеводородный скелет молекулы электроакцепторной группировки Х приводит к перераспределению электронной плотности в молекуле и появлению новых радиационных центров.

В таких соединениях атом углерода связан σ-связью с электроакцепторным атомом (Нal,О,N,S) и вследствие большей электроотрицательности гетероатома связь С Х поляризована. Атом углерода становится электронодефицитным (электрофильным) и может подвергаться атаке нуклеофилом.

Смещение электронной плотности соседних связей (т.е. проявление – I эффекта) приводит к увеличению подвижности атома водорода у β-углерода атома (увеличение кислотности). Данная — СН кислота может выступать в роли донора протона по отношению к имеющемуся в среде основанию.

Остановимся только на этих двух реакционных центрах, хотя остальная часть молекулы может иметь довольно сложное строение, что как правило, и характерно для биологически активных соединений.

В продукте реакции новая связь образуется за счет электронной пары, которую приносит нуклеофил, а к уходящей группе переходят электроны бывшей связи С—Х.

Реакция возможна, т.е. протекает вправо, когда уходящая группа более стабильна, чем нуклеофил, т.е. имеет меньшую энергию по сравнению с атакующим нуклеофилом.

Рассмотрим на примере образования молочной кислоты.

Вначале нуклеофильная частица Y атакует атом углерода с наиболее выгодной стороны (противоположной уходящей группе «атака с тыла»). Разрыв старой связи С—Х и образование новой С—Y происходит синхронно, т.е. образуется переходное состояние (в этой стадии принимают участие две молекулы – реагент и субстрат). Реакция бимолекулярная, скорость реакции зависит от концентрации обоих реагентов. Переходное состояние соответствует максимуму на энергетической кривой.

Протекание реакции нуклеофильного замещения приводит к «обращению» конфигурации атома углерода (т.е. происходит изменение положения заместителей в пространстве).

Нуклеофильное замещение в спиртах, тиолах и аминах протекает аналогично, но эти соединения содержат довольно трудноуходящие группы (ОН^—, SH^—, NН₂^—) и данные реакции протекают, как правило, в условиях кислотного катализа, при этом трудноуходящая группа превращается в легкоуходящую ХН.

Потенциальные субстраты…

В живых организмах хорошо уходящие группы – стабильные фосфат, дифосфат и трифосфатионы, в которых отрицательный заряд делокализуется на многих атомах кислорода.

В сложной структуре биологически активных молекул всегда возникает вопрос, какой атом углерода субстрата будет атакован нуклеофилом. В первую очередь будет атакован тот атом углерода, который связан с лучшей уходящей группой.

Многие реакции, происходящие в клетках растений и животных осуществляются по типу нуклеофильного замещения. Например, биосинтез S-аденозиллитионина из аминокислоты метионина (нуклеофил) и АТФ (субстрат).

Схема

Полученный в результате реакции S-аденозилметионин является донором метильной группы и отвечает за биологические реакции метилирования, в частности, за превращение коламина в холин, участвует в биосинтезе антибиотика тетрациклина, витамина В₁₂ и т.д.

Примеры

7.2. Реакции элиминирования (Е)

Реакция элиминирования заключается в отщеплении двух атомов или групп, входящих в состав одной молекулы.

Различают α-, β- и γ-элиминирование.

α-элиминирование – отщепление двух атомов или групп атомов происходит от одного и того же атома С.

β-элиминирование наиболее распространенный тип элиминирования, протекающий в живых организмах и приводящий к образованию краткой связи.

Схема

У β-углеродного атома возникает СН-кислотный центр. Каждый нуклеофил в то же время является и основанием, и если его основные свойства значительны, он может вытолкнуть не только уходящую группу, но и оторвать подвижный протон от β-углеродного атома.

Схема

Одной из реакций элиминирования, имеющих биологическое значение – является реакция дегидратации (отщепление воды).

Схема

Гидроксид КОН относится к плохо уходящим группам, поэтому для того, чтобы реакция протекала в прямом направлении необходимо плохо уходящую группу (ОН^—) превратить в хорошо уходящую (Н₂О). это осуществляется в условиях кислотного катализа.

Схема

В кислой среде не может быть сильного основания, поэтому процесс пойдет в несколько стадий.

Схема

На третьей стадии вода выступает в роли основания и принимает протон от СН-кислотного центра.

Правило Зайцева: в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации, протон отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода.

Схема

Дегидратация характерна для соединений живой природы, содержащих гидроксильную группу и СН-кислотный центр.

Классический пример – дегидратация яблочной кислоты. Реакция специфична. Фермент фумараза способен катализировать только один оптический изомер яблочной кислоты – L-яблочную кислоту.

Лекция № 8

Дата добавления: 2014-01-06