Документ: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012, страницы 21-25

CH3

δ + δ -

CH3

H

C

O

C O

C

O

C

O

H3C

CH2

CH

H3C

Іонний механізм спостерігається, як правило, при розриві полярного ковалентного зв’язку (Карбон-Хлор, Карбон-Оксиген).

Характеристика нуклеофілів і електрофілів

Органічні іони вступають у подальші пере-

зменшення реактивної здатності

творення. При цьому катіони взаємодіють із нук-

леофільними («що люблять ядра») частинками

(Н2О, NН3, Cl-, Br-, I-, інші аніони кислот тощо),

Класифікація реакцій за спрямованістю

а органічні аніони — з електрофільними («що

та результатом. Класифікація реакцій

люблять електрони») частинками (Н+, катіони

за механізмом

металів, галогени та ін.).

Реакцію можна класифікувати залежно від

Нуклеофільна частинка (нуклеофіл, N) — це

частинка, яка має пару електронів на зовніш-

того, у скількох молекулах змінюється стан кова-

ньому електронному рівні. За рахунок цієї пари

лентних зв’язків під час визначальної кінетики,

електронів нуклеофіл здатний утворювати новий

тобто найповільнішої стадії реакції. При такому

ковалентний зв’язок.

підході розрізняють реакції мономолекулярні,

Електрофільна частинка (електрофіл, Е) — це

бімолекулярні, тримолекулярні, полімолекулярні.

частинка, яка має незаповнений валентний елек-

До мономолекулярних реакцій належать ре-

тронний рівень. Електрофіл надає заповнені ва-

акції дециклізації, дисоціації, внутрішньомолеку-

кантні орбіталі для утворення ковалентного

лярні перегрупування.

зв’язку за рахунок електронів тієї частинки, з

Бімолекулярні реакції є найхарактернішими

якою він взаємодіє.

для органічних сполук, перебігають у розчинах,

За кінцевим результатом органічні реакції

допускають наявність двох компонентів у орга-

поділяються таким чином:

нічній суміші:

1. Реакції заміщення, S ( від англ. substitution).

СН3J + NaOH →

CH3OH + NaJ

2. Реакції приєднання, А (від англ. аddition).

3. Реакції елімінування, Е (від англ. еlimi-

Речовину, що зазнала перетворення під час

nation — відщеплення).

перебігу хімічної реакції, називають субстратом.

4.

Реакції перегрупування.

5. Окисно-відновні реакції.

Речовину, під дією якої відбувалася зміна в суб-

Враховуючи природу атакуючого реагенту,

страті, називають реагентом. Перебіг реакції за-

механізми реакції можуть бути такими: SR, SE, SN,

лежить від природи субстрату і від природи реа-

A , A .

генту.

E

N

Органічні реакції можна класифікувати і за

Перебіг реакції залежить від типу ковалент-

них зв’язків, електронних ефектів у субстраті,

механізмом розриву ковалентних зв’язків у реа-

гуючих молекулах. Залежно від способів його

природи атакуючої частинки, зовнішніх фак-

торів (hν , Р, Т).

розриву і будується ця класифікація.

У живих клітинах перебігає безліч фермента-

1. Якщо спільна електронна пара ділиться між

тивних реакцій, об’єднаних загальним поняттям

атомами, то утворюються радикали — частинки,

що мають непарні електрони. Такий розрив

метаболізм. В основі метаболічних шляхів лежить

зв’язку називається радикальним,

або гомолітич-

досить невелике коло хімічних реакцій, знання

ним:

суті яких створює основу для раціонального при-

значення лікарських препаратів. Винятково важ-

А

•

Б

→

А• + Б•

А•, Б • — радикали (R)

ливим є з’ясування молекулярних механізмів де-

•

яких захворювань і значної кількості вроджених

H

порушень метаболізму.

•• •

•

→

•• •

H•

— радикал Гідрогену

H • •C•

•

H

H ••C•• +

H

Електрофільне приєднання

Метан

Радикал

до ненасичених сполук (А )

метил

Е

2. Якщо при розриві зв’язку спільна електрон-

Електронна хмара π -зв’язку алкену піддаєть-

ся атаці електрофільними реагентами. Тому вели-

на пара залишається біля одного атома, то ут-

ка кількість реакцій алкенів відбувається за ме-

ворюються іони — катіон та аніон. Такий ме-

ханізмом електрофільного приєднання, який по-

ханізм розриву називається іонним, або гетеро-

значається символом АЕ (від англ.

аddition

літичним.

→

electrophіlіc). Реакції електрофільного приєднан-

А

•

• -

+

[Б]

+

ня — це іонні процеси, які перебігають у кілька

• Б

[А]•

Гетеролітичний

аніон

катіон

стадій:

розрив

повільно

H+

→

+

•

-

C C

+ H+

C

C C

CH3Cl

CH3

•Cl

хлористий

метил-

хлорид

алкен

(Е)

π

-комплекс карбкатіон

метил

катіон

аніон

19

На першій стадії відбувається взаємодія елек-

У вторинному карбкатіоні відбувається більш

трофільної частинки з електронною хмарою π -

ефективне зниження позитивного заряду за ра-

зв’язку. Позитивно заряджена електрофільна час-

хунок +І-ефекту двох алкільних груп.

тинка за рахунок електростатичного притягнен-

Електрофільне заміщення

ня утворює з молекулою алкену π -комплекс. В

якості електрофіла найчастіше виступає протон

в ароматичних сполуках (SЕ)

(Н+), джерелом якого є протонвмісні кислоти

Арени вступають в іонні реакції, які перебіга-

НСl, НВr, H2SO4. Потім утворюється ковалент-

ють за механізмом електрофільного заміщення,

ний зв’язок між протоном та одним із атомів Кар-

яке позначається символом SЕ (від англ. substi-

бону подвійного зв’язку, який отримує позитив-

tution electrophіlіc). Реакція починається з виник-

ний заряд, і вся частинка стає карбкатіоном.

нення π -комплексу, з якого потім утворюється σ -

Карбкатіон — це частинка з позитивним за-

комплекс, та завершується стабілізацією σ -ком-

рядом на атомі Карбону.

плексу за рахунок відщеплення протона.

На другій стадії процесу карбкатіон взає-

Утворення π -комплексу. На першій стадії елек-

модіє з аніоном Х- і утворює з ним σ -зв’язок за

трофільна частинка притягується до π -електрон-

рахунок пари електронів аніона.

ної хмари арену й утворює з ним комплекс. Аро-

швидко

Н

Х

матична система при цьому не порушується. Ця

стадія перебігає швидко.

C C + Х–

C

(N)

Якщо початковий алкен несиметричний, тобто атоми Карбону при подвійному зв’язку відрізняються ступенем заміщення (наприклад, пропен СН3–СН=СН2), то із двох можливих продуктів реакції переважно утворюється тільки

один:

2-Бромпропан

CH3

CH

CH2

HСНC

CH

CH + HBr

Br

H

3

2

Пропен	CH3		CH	CH2
			CH

		H		Br

1-Бромпропан (не утворюється)

Уцьому випадку напрямок реакції визначається закономірністю, встановленою російським хіміком В. В. Марковніковим (1869).

Правило Марковнікова: при приєднанні моле-

кул типу НХ (HCl, HBr, HOH) до несиметричних алкенів атом Гідрогену приєднується до більш гідрогенізованого атома Карбону подвійного зв’язку.

Такий напрямок реакції пояснюється двома факторами.

Устатичному, тобто нереагуючому, стані в несиметричному алкені під впливом замісника електронна щільність зміщується до одного з атомів Карбону:

		δ +	δ -			δ -	δ +
CH3		CH	CH2	Cl		CH	CH2

+І-ефект (–СН3)-група				–І-ефект (СІ)
	Пропен				Хлоретен

Упропені місцем атаки буде атом С-1 із частково негативним зарядом, який виникає під дією +І-ефекту метильної групи.

Удинамічному стані, тобто у процесі реакції, із двох можливих карбкатіонів буде утворювати-

ся більш стійкий вторинний карбкатіон.

Вторинний+карбкатіон

δ + δ -

CH3

CH

CH3

+

Н+

CH3

CH

CH2

CH3

+

CH2

Первинний карбкатіон

H		H	δ +	δ -
+ CI2	AlCI3		Cl	CI	AlCI3

Бензен (Арен) π -комплекс

Роль каталізатора (АlCl3, FeCl3) полягає в поляризації нейтральної молекули галогену з утворенням із неї електрофільної частинки:


Cl–Cl + AlCl3					ClCl3+[AlCl4]–


	H	δ +	δ -			H
		δ +	δ -			+ CI +
		Cl	CI	AlCI3
		Cl	CI	AlCI3

π -комплекс				Карбкатіон (σ -комплекс)

+			-		ClHI
	AlCI	4			+HCI + AlCI

				3
Комплекс-				Хлор-
ний аніон				бензен

Утворення σ -комплексу. На цій повільній ста-

дії відбувається утворення ковалентного зв’язку між електрофільною частинкою (Сl-) та одним з атомів Карбону бензенового кільця. Зв’язок утворюється за рахунок двох електронів кільця, при цьому атом Карбону з sр2-гібридизованого стану переходить в sр3. Ароматична система при цьому порушується, молекула бензену перетворюється на карбкатіон.

Відщеплення протона. Порушення ароматич-

ності енергетично невигідне, тому структура σ -комплексу менш стійка, ніж ароматична. Для відновлення ароматичності відбувається відщеплення протона від атома Карбону, зв’язаного з електрофілом. При цьому два електрони повертаються в π -систему, тим самим відновлюється ароматичність.

Вплив замісників на реакційну здатність аренів (SЕ)

Якщо в бензеновому кільці є замісник, то він порушує рівномірний розподіл електронної щільності в кільці, і виникає положення з підвищеною та зниженою електронною щільністю. Наступні замісники прагнуть вступити в положення з підвищеною щільністю. Таким чином, замісники в бензеновому кільці визначають напрямок реакцій заміщення.

20

Усі замісники поділяються на два типи. Замісники І роду (електронодонорні) збільшу-

ють електронну щільність і спрямовують реакції заміщення переважно в орто- та пара-положен- ня. До них належать такі групи (знизу вказані електронні ефекти, які спостерігаються під впливом цієї групи):

–СН3	–ОН –NН2	Сl	Вr
+I	+M, –I +M, –I	+M, –I	+M, –I

Неподілена пара гетероатомів (О, N, S) цих груп вступає в спряження із π -електронною системою бензенового кільця. Такий тип спряження називається ρ ,π -спряженням (мезомерний ефект). Під впливом електронодонорних замісників (+Мефект) відбувається перерозподіл електронної щільності в бензеновому кільці з деяким її зосередженням в орто- і пара-положеннях.

H

O

δ -	δ -	–ОН-група справляє


		+Мефект та –І-ефект, але

+Мефект превалює

δ -

Фенол

Замісники II роду (електроноакцепторні) спрямовують наступне заміщення переважно в мета- положення. До них належать такі групи:

–NО2	–СООН	–ССl3
–М, –I	–М, –I	–I

Електроноакцепторні замісники справляють Мефект і знижують електронну щільність у спряженій системі. Електронна щільність бензенового кільця в цілому знижується, однак у мета-поло- женні — в меншому ступені, тому наступне заміщення спрямовується в це положення.

H O

C

δ - δ -

Бензальдегід

Нуклеофільне заміщення насиченого атома Карбону (SN)

Взаємодія спиртів із карбоновими кислотами відбувається за механізмом нуклеофільного заміщення (SN). В якості нуклеофіла виступає молекула спирту, котра атакує атом Карбону карбоксильної групи кислоти, яка, у свою чергу, несе частковий позитивний заряд.

δ -

δ + O

CH3OH + CH3

C

CH3O

C

CH3 + H2O

HОН

O

Метан Оцтова Метилaцетат кислота

Гідроксигрупа має:

+М(ОН) — позитивний мезомерний ефект

δ - –І(ОН) — негативний індуктивний ефект

δ + O R C

OН

Електрофільний центр

Карбонова

кислота

У нуклеофільних реакціях похідних карбонових кислот необхідний кислотний аналіз, що веде до появи більш повного позитивного заряду на атомі Карбону, що полегшує атаку нуклеофілам.

	O	+			OH
R	C + H+		R	C
R	C + H+		R	C
	X				X

Похідне

Активована

карбонової

молекула похідної

кислоти

карбонової кислоти

+

OH

O

R

C

+ Y-

R

C

Y

-

R

C

X

- X

Y

X

Нуклеофіл

Радикальне заміщення насиченого атома Карбону (SR)

При взаємодії алканів із галогенами (хлором, бромом) під впливом УФ-випромінювання або високої температури утворюється суміш продуктів від монодо полігалогензамісних алканів.

CH4 + 5Cl2 hυ CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4

Ініціювання. На цій стадії відбувається розпад молекули хлору на два вільних радикали:

•	hυ
•
Cl • Cl		2Cl•

Ріст ланцюга. Радикал хлору атакує зв’язок С–Н у молекулі метану, зв’язок при цьому розривається гомолітично, утворюються радикал Гідрогену та нейтральна молекула НСl:

Cl• +			hυ
	•		hυ	•
	H •	CH3		H • Cl + H3C•
Радикал Метан				Метил-
хлору				радикал

У метильному радикалі атом Карбону знаходиться в стані sр2-гібридизації, тобто має плоску будову. На вільній р-орбіталі знаходиться один електрон. Висока реакційна здатність метильного радикалу пояснюється прагненням до утворення ковалентного зв’язку за участю цього електрона й доступністю для взаємодії р-орбіталі.

Н3С• +	•	→	•	+ Cl•
	Сl • Cl		H3C • Cl

Хлорметан

Радикал хлору знову атакує молекулу метану, далі повторюються описані вище реакції. У результаті одержують суміш продуктів різного ступеня хлорування — хлорметан СН3Сl, ди-

21

хлорметан СН2Сl2, трихлорметан СНСl3 та тетрахлорметан. Процеси такого типу називаються ланцюговими, оскільки один вільний радикал хлору міг би ініціювати хлорування всіх молекул метану, які знаходяться у реакційному середовищі.

Обрив ланцюга. Послідовні реакції росту ланцюга можуть перерватися, якщо відбудеться зникнення вільного радикала.

Cl• + Cl• →	•	Cl
	Cl •

1.3. БУДОВА ТА ВЛАСТИВОСТІ АЛЬДЕГІДІВ І КЕТОНІВ

Органічні сполуки, у молекулі яких є карбонільна група C=O, називають карбонільними

сполуками, або оксосполуками. Карбонільні спо-

луки діляться на дві великі групи — альдегіди і кетони.

Альдегіди містять у молекулі карбонільну групу, обов’язково зв’язану з атомом Гідрогену, тобто альдегідну групу –СН=О.

Кетони містять карбонільну групу, зв’язану з двома вуглеводневими радикалами, тобто кетонну групу.

Залежно від будови вуглеводневих радикалів альдегіди і кетони бувають аліфатичними, аліциклічними й ароматичними. У молекулі кетону радикали можуть бути однаковими або різними. Тому кетони, як і прості ефіри, діляться на симетричні й несиметричні. Приклад змішаного кетону

— метилфенілкетон (оцетфенон) С6Н5СОСН3.

ОКСОСПОЛУКИ

Альдегіди Кетони

O

R

C

H

R

C

R

O

CH3

C CH3

CH3

C

Аліфатичні

H

O

Ацетальдегід Ацетон

O
C	Аліциклічні	O
H	Аліциклічні

Циклогексанкарбальдегід Циклогексанон

O		O
C	Ароматичні	C
H
Бензальдегід		Бензофенол

Номенклатура та ізомерія

У назвах аліфатичних альдегідів за замісною номенклатурою наявність альдегідної групи (за умови, що вона є старшою) відображається суфіксом -аль. Основою служить назва родона-

чального вуглеводню (головного вуглецевого ланцюга). Нумерація головного ланцюга починається з атома Карбону альдегідної групи. У деяких альдегідів зберігаються й тривіальні назви, утворені від назв кислот, на які альдегіди перетворюються при окисненні, з додаванням слова «альдегід».

Назви аліциклічних альдегідів походять від назви відповідного карбоциклу (при цьому атом Карбону альдегідної групи не нумерується) з додаванням закінчення -карбальдегід, а ароматичних альдегідів — від родоначальної структури ряду — бензальдегіду.

	O		O			O
H	C	CH3	C	CH3	CH2	C
H	C	CH3	C	CH3	CH2	C
	H		H			H

Метаналь		Етаналь		Пропаналь (пропіо-
(формальдегід) (оцетальдегід)				новий альдегід)
	O	O			O

	C H		C H	Br		C H
CI
2-Хлорциклогексан-		Бенз-		3-Бромбенз-
карбальдегід		альдегід			альдегід

Назви аліфатичних кетонів дають, взявши за основу головний вуглецевий ланцюг, до складу якого входить атом Карбону кетонної групи, з додаванням суфікса -он. Нумерацію головного ланцюга починають із того кінця, ближче до якого перебуває кетонна група.

Для назви кетонів, особливо ароматичних, використовується радикально-функціональна номенклатура. У цьому випадку в назві перераховуються за алфавітом радикали, зв’язані з карбонільною групою, з додаванням слова «кетон». Деякі кетони мають також тривіальні назви (ацетон, бензофенон та ін.).

CH3

C

CH3

C

CH2

CH3

O

Пропанон				Бутанон
(диметилкетон)			(метилетилкетон)
(Ацетон)
C6H5	C	C6H5	C6H5		C		CH2CH2CH3


	O				O
Дифенілкетон			Пропілфеніл-
(бензофенон)						кетон

Реакції нуклеофільного приєднання (АN)

Альдегіди та кетони, завдяки електрофільному центру, здатні вступати у взаємодію з нуклеофільними реагентами. Для оксосполук найбільш характерні реакції, що перебігають за механізмом нуклеофільного приєднання, їх позначають сим-

волом AN (від англ. addition nucleophilic). Залеж-

но від характеру нуклеофільного реагенту, що приєднується по подвійному зв’язку С=О, альдегіди і кетони перетворюються на різноманітні сполуки.

22

Нуклеофіл N атакує електрофільний центр молекули оксосполуки — атом Карбону карбонільної групи — і приєднується до нього за рахунок своєї пари електронів. Водночас відбувається гетеролітичний розрив π -зв’язку С=О, і пара електронів, що утворювала цей зв’язок, переходить до атома Оксигену, створюючи на ньому негативний заряд. Таким чином, у результаті приєднання нуклеофільного реагенту оксосполука перетворюється на алкоксидіон. Ця стадія реакції перебігає повільно.

Алкоксидіон є сильною основою. Тому він легко взаємодіє з будь-якою, навіть слабкою, кислотою (наприклад з молекулою води). Друга стадія реакції, що перебігає швидко, полягає в стабілізації алкоксидіона шляхом приєднання протона із середовища. У результаті реакції атом Карбону оксогрупи переходить із sp2- в sp3-гіб- ридний стан.

Реакцію нуклеофільного приєднання можна представити в загальному вигляді такою схемою:

δ + δ -

OH

Реакція нуклеофільного

C

O + H+X -

C

приєднання

X

δ + δ -

повільно

O-

C

O + X-

C

X- — нуклеофіл

X

швидко

C

O- + H+

C

OH

Продукт приєднання

X

Атака нуклеофіла перебігає тим легше, чим більша величина часткового позитивного заряду на атомі Карбону. Істотний вплив на величину δ + чинять вуглеводні радикали і замісники в них. Оскільки алкільні радикали виявляють +І- ефект, тобто є електронодонорами, то аліфатичні альдегіди практично завжди більш активні в реакціях нуклеофільного приєднання, ніж аліфатичні кетони, які мають два вуглеводневих радикали. Електроноакцепторні замісники підсилюють електрофільність атома Карбону, отже, підвищують реакційну здатність оксосполуки. Електронодонорні замісники, навпаки, знижують її:

АЛЬДЕГІДИ

             

CI

δ + O

δ '+ O

δ ''+ O

CI

C

H

C

CH3

C

H

CI

Трихлоретаналь

Метаналь

Етаналь

КЕТОНИ

         

CH3

δ '''+

CH3

CH2

δ ''''+

C

O

C

O

CH3

Пропанон

Бутанон

δ +

δ′ +

δ′′ + δ′′′ + δ′′′′ +

Зменшення реакційної здатності оксосполук

В ароматичних альдегідах і кетонах карбонільна група перебуває в сполученні з бензеновим кільцем, виявляючи –I- і –Мефекти. Вона відтягує на себе електронну щільність бензенового кільця, що приводить до зниження величини δ + на атомі Карбону карбонільної групи. Цим пояснюється нижча реакційна здатність ароматичних оксосполук порівняно з аліфатичними. Ароматичні альдегіди, як правило, більш реакційноздатні, ніж змішані й тим більше ароматичні кетони.

Oδ +	Oδ '+	Oδ ''+
C H	C CH3	C
Бензальдегід	Оцетфенон	Бензофенон
	δ + δ′ + δ′′ +

Зменшення реакційної здатності оксосполук

До найважливіших реакцій нуклеофільного приєднання належать реакції оксосполук із ціанідами, водою та спиртами, аміаком і амінами,

атакож із деякими іншими реагентами.

1.Взаємодія з ціанідами металів. При взає-

модії оксосполук із солями ціановодневої кислоти (ціанідами) утворюються гідроксинітрили.

Гідроксинітрили — це сполуки, які містять у молекулі гідроксильну групу та ціаногрупу.

Сама ціановоднева кислота HCN мало дисоційована. Тому реакцію проводять у лужному середовищі, де утворюється ціанідіон, що є активною нуклеофільною частинкою.

Нуклеофіл

CN

O

H2O

-

CH3

C

+ -CN

CH3

C

O

- OH -

CH3

CHCN

H

OH

Ацет

Ціанід

2-Гідрокси-

альдегід

-іон

пропанонітрил

За допомогою цієї реакції можна подовжити вуглецевий ланцюг вихідної сполуки на один атом Карбону; продукти реакції — гідроксинітрили — служать вихідними сполуками для синтезу гідроксикарбонових кислот.

2. Взаємодія з водою. Альдегіди й у значно меншому ступені кетони оборотно приєднують воду, утворюючи гідрати:

	O				OH
	O
CH C	+ H O		CH		C	OH
CH C	+ H O		CH		C	OH
3	2			3
	H				H
					H
Ацетальдегід		Гідрат ацетальдегіду

Стан рівноваги у цій реакції залежить від реакційної здатності карбонільної сполуки. Формальдегід у водному розчині гідратований на 100 %, ацетальдегід — на 51 %, у водному розчині ацетону гідратна форма практично відсутня. Галогеновані в α -положенні альдегіди і кетони, у яких більший частковий позитивний заряд

23

Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

Смотрите также: