Материал: Каминская Л.А.. Биоорганическая химия. Справочник-Словарь основных терминов и понятий
Устойчивость карбокатиона увеличивается под влиянием донорных заместителей, снижающих дефицит электронной плотности в реакционном центре .
Увеличение устойчивости карбокатионов происходит в ряду:
|
СН3 + <СН 3СН2 + < СН( |
3)2 СН+ <СН( |
3)3 С + |
||
Образование устойчивого промежуточного карбокатиона представлено на схеме |
|||||
| |
| |
|
| |
|
| |
– Сб+ —>Х б- |
<==> —С б+ … Хб- |
<==> |
С— |
+ . . . Х– |
<==> ( – С+ ) ( Х–) |
| |
| |
|
| |
|
| |
|
переходное |
ионная |
пара ( карбокатион) (анион) |
||
|
состояние |
|
|
сольватированные |
|
|
|
|
|
|
ионы |
Карбокатион имеет плоское строение, |
атом углерода в sp2 гибридном состоянии, |
||||
нуклеофильная частица может атаковать карбокатион с любой стороны плоскости.
Если в реакции участвует |
определенный стереоизомер, то в случае механизмаS |
N 1 |
возникает рацемизация |
- образуются два разных стереоизомера (Dи |
L) |
в соотношении 1:1, содержащие новую нуклеофильную частицу. Ферментативные реакцииin vivo проходят по механизму S N 1, образуется всегда только тот один стереоизомер,который необходим для осуществления биохимических процессов.
Равновероятная атака нуклеофилом плоского карбокатиона с двух противоположных сторон в химической реакцииin vitro
У–
|
У – С*–
+ | > С —
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
– С* –У |
|
|
|
|
|
|
У |
– |
|
| |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Пример : |
|
|
|
|
D –бутанол-2 + НС1 ———Н> 2О |
+ |
2-хлорбутан (рацемическая смесь) |
||
L- бутанол-2 + НС1 ———> Н2 О |
+ |
2-хлорбутан (рацемическая смесь) |
||
136
рацемическая смесь энантиомеров 2- хлорбутана
CН3 |
СН3 |
| |
| |
С 1 – С – Н |
Н – С – С1 2- хлорбутан |
| |
| |
С2Н5 |
С2Н5 |
энантиомеры образуют рацемическую смесь в отношении 1:1 |
|
К биологическиважным |
процессам нуклеофильного замещения относятся |
А )образование и гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот,синтез триглицеридовжиров
Б ) образование с участием АТФ фосфорных эфиров глюкозы, рибозы, глицерола и других биоактивных соединений
R–ОН +АТФ —> ОR– –РО3Н2 +АДФ
В) образование гликозидных связей между молекулами углеводов или углеводов с веществами других классов(спиртами,аминами,тиолами).
Г)образование полимеров аминокислот-полипептидов и белков.
Д) образование вторичных , третичных, четвертичных аминов, что особенно важно в синтезе адреналина,холина,кофермента НАД+.
б |
- |
б + |
б - |
|
|
|
|
|
R —NH2 + |
CН3 — Х |
———> |
R —NH—CН3 + H — Х |
|||||
первичный амин полярная |
связь |
вторичный амин |
|
|
||||
Аминогруппа, содержащая неподеленную пару электронов, |
|
несет |
||||||
отрицательный заряд б -, |
и |
нуклеофильно |
замещает |
ион галогенида, |
который |
|||
является уходящей группой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Модельной реакцией, |
объясняющей образование четвертичного атома азота |
|||||||
N-гликозидной |
связи в |
НАД+, |
может |
служить |
образование |
|
катиона |
|
метилпиридиния. В процессе метилированпияридинайодометаном |
получается |
|||||||
соль метилпиридиний йодида. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
CH3J |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
N |
|
| + |
|
|||
|
|
СН3 |
|||
|
|
|
|
|
|
137
Нуклеофильное присоединение (АN). Присоединение к двойной связи
карбонильной группы - характерный |
для альдегидов и кетонов тип реакций. |
В двойной связи карбонильной группы |
атомы углерода и кислорода находятся |
в |
sp2- гибридном состоянии, электронная плотность смещена в сторону более |
|||||
электроотрицательного |
атома кислорода. |
Создаются два |
центра электрофильный |
|||
(δ+) и нуклеофильный (δ-), |
которые |
отзываются |
на активные |
частицы |
||
с |
противоположными |
зарядами(- |
и) ( + Донорные.) |
заместители |
подают |
|
электронную плотность в сторону атома углерода и снижают величину заряда б +. Акцепторные заместители смещают электронную плотность от атома углерода и
увеличивают заряд |
б+, усиливая поляризацию связи( |
условно изображены разные |
||||||||||||
величины частичных зарядов). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
б |
+ |
|
б– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С> |
= О |
|
|
|
|
|
|
|
электрофильный |
центр |
|
|
|
|
нуклеофильный центр |
|
|||||||
атакует |
частица ( -) или с |
|
|
|
|
атакует частица (+ ), |
|
|||||||
повышенной |
электронной |
|
|
|
|
электрофил Е+. |
|
|
||||||
плотностью, нуклеофил |
Nu |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Акцепторные заместители увеличивают скорости реакций, а донорные |
||||||||||||||
заместители- |
уменьшают. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
б+ |
|
|
|
|
б+ |
|
|
|
|
|
|
R —> |
СН= О |
|
|
R<— СН= О |
|
|
|
||||
|
|
|
|
донор |
|
|
|
акцептор |
|
|
|
|||
Карбонильные соединения реагируют с достаточно большим количеством |
|
|||||||||||||
нуклеофилов: НОН , RОН, НС |
N, RSН, Н 2S, |
RNН |
2, НС1, НВг, |
NаНSО3 (натрия |
||||||||||
гидросульфит), RNHNH |
|
2 (гидразин). |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Механизм |
реакции |
становится ясным, |
|
если |
представить |
схему |
процесса |
|||||||
иобразование |
|
двух возможных промежуточных соединений: |
|
|
|
|||||||||
А ) Первым атакует электрофил( |
Е+). |
Образуется карбокатион, |
на атоме |
|||||||||||
углерода |
появляется |
заряд |
(+).Атом |
углерода |
имеет гибридизациюsp |
2 |
||||||||
и тригональное строение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
б + |
б - |
|
|
|
( +) |
|
|
|
|
||
|
|
|
> С = О + Е+ Nu – |
——> >С —О — Е |
|
|
|
|||||||
Б ) Первым атакует нуклеофил (Nu–). Образуется анион, отрицательный заряд локализован на атоме кислорода, атом углерода тетраэдрический, гибридизация sp3 , образует 4 ковалентные связи.
138
Анион( вариант Б) в реакции присоединения карбонильной группы является более устойчивым,чемкарбокатион(вариант А)
Известно множество примеров существования устойчивых анионов :гидроксид НО –, анионы неорганических и органических кислот RCOO–.
Поэтому реакциис |
участием карбонильной группы проходят по механизму |
|
нуклеофильного присоединения |
|
|
б+ |
б- |
| |
> С = О + Е+ Nu – |
——> −С—О ( - ) |
|
|
|
| |
Nu
Для большинства реакций требуется кислая среда, которая способствует образованию карбокатиона, которому легко присоединяется нуклеофильная частица.
|
б |
+ |
б- |
|
+ |
Nu |
|
|
> С = О + Н+ |
——> > С – О— Н + ——> > С —О – + Н+ |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
Реакции нуклеофильного присоединения. |
|
Nu |
|
|||||
|
|
|
||||||
1. |
Присоединение |
воды. |
Обратимая |
гидратация |
карбонильной |
группы |
||
происходит |
при |
растворении альдегида в воде, образуются гем-диолы, |
которые |
|||||
существуют только в растворе. |
Формальдегид гидратирован |
на 100%ацетальдегид, |
||||||
на 58%, |
ацетон –менее1%Эти. |
данные |
доказывают |
снижение реакционной |
||||
способности карбонильной группы под влиянием заместителей с (+І) индуктивным
эффектом. |
|
Водный раствор формальдегида |
(ω=40%), носит название формалин, |
используется для изготовле ния анатомических и гистологических препаратов. |
|
R—СН =О +НОН<=> |
R— СН – ОН |
|
| |
|
ОН гидрат альдегида |
Трихлорэтаналь( жидкость, Т кип. 970 )присоединяет воду и существует в виде устойчивого кристаллического соединения хлоралгидрата СС13СНО •Н 2О, который использовали как успокаивающее и снотворное средство, и сейчас применяют в ветеринарии. Пример этого соединения подтверждает , что заместители с (–І) индуктивным эффектом увеличивают реакционную способность карбонильной группы и устойчивость продуктов присоединения.
ОН
|
С13С -СНО+НОН —>С 13 С –С – ОН
трихлорэтаналь |
| хлоралгидрат |
|
ОН |
|
139 |
2. Образование полуацеталей и ацеталей. Альдегиды в кислой среде образуют полуацетали при взаимодействии со спиртами. Полуацеталь сохраняет свойства альдегида и качественные реакции, характерные для альдегидной группы («серебряного зеркала» и др.). При действии избытка спирта полуацеталь реакции нуклеофильного замещения превращается в ацеталь, который не сохраняет свойства альдегидной группы. Гидролиз полуацеталя и ацеталя возможен только в кислой среде и не возможен в щелочной
|
б+ |
б- |
б+ |
б - |
|
|
ROH |
|
|
R— СН=О |
|
+Н |
—О R <=> |
R—СН– ОН ——> R—СН – ОR |
|||||
|
|
|
|
|
АN |
| |
SN |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
ОR |
|
ОR |
|
|
|
|
|
|
|
полуацеталь |
ацеталь |
|
Полуацетали образуются в качестве промежуточных соединений при обмене |
|||||||||
пировиноградной |
и |
α |
– |
кетоглутаровой кислот с участием витамина В1 – |
|||||
тиаминпирофосфата. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Циклические |
полуацеталиполучаются |
в |
результате |
внутримолекулярной |
|||||
реакции АN, |
которая |
возможна |
у гидроксиальдегидов, |
если гидроксигруппа |
|||||
находитсяв |
положениях |
4 |
или5 |
углеродной цепи. |
|
||||
|
|
|
|
|
б- |
|
|
|
|
СН2– СН2– СН2 –СН2– СН=О |
|
СН |
2 –СН2– СН–ОН |
||||||
| |
|
|
|
|
|
<=> |
| |
| |
|
О -Н |
|
|
|
|
|
СН |
|
2 – СН 2–О |
|
|
|
|
|
|
|
|
циклический полуацеталь |
||
5-гидроксипентаналь шестичленный |
|
цикл носит название пирановый |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
пространственное строение« кресло» |
||
Среди |
природных |
соединенийраспространены |
циклическиеполуацетали |
||||||
моносахаридов.( см.) |
|
|
|
|
|
|
|
||
3. Образование циангидринов присоединение циановодорода НСN к карбонильной группе альдегидов и кетонов. Реакция катализируется основаниями, т.к. НСN – слабая кислота. Циангидрины распространены в природе, в растениях они связывают синильную кислоту. В горьком миндале содержится до 2- 4% циановодорода, много в вишневых и незрелых косточках абрикоса, поэтому они представляют опасность при употреблении в пищу или изготовлении варенья,
компотов с косточками. |
|
Бензоциангидрининтезируется |
некоторыми насекомыми и используется в |
качестве защиты,парализуя дыхательный центр врагов-насекомых
140