Общие закономерности реакционной способности органических соединений Кафедра биоорганической химии БГМУ Тема лекции 4:

Академик Н.Н.Семенов Химический процесс – то главное и основное, что отличает физику от химии и делает вторую более интересной наукой (из нобелевской лекции) Автор теории цепных свободно- радикальных процессов

Органическая реакция процесс, при котором химическая система из состояния с одним вещественным составом переходит в состояние с другим вещественным составом Активированный комплекс состояние реагирующих веществ, при котором старые связи еще не разорвались, а новые не образовались

Химический процесс Совокупность всех элементарных стадий через которые протекает химическая реакция с указанием условий ее проведения, характера разрыва ковалентной связи, характера образующихся промежуточных продуктов и скоростей отдельных стадий называется химическим процессом

Скорость лимитирующая стадия Самая медленная стадия в химическом процессе называется скорость лимитирующей, так она определяет скорость выхода конечного продукта И механизм реакции Механизм реакции определяется характером разрыва ковалентной связи, характером реагента и образующегося промежуточного продукта на самой медленной, скорость лимитирующей стадии химического процесса

По направлению реакций с учетом конечного результата: Классификация органических реакций р. замещения Substitution - S р. присоединения Addition -A р. отщепления Elimination -E р. перегруппировки Isomerisation -I

окислительно-восстановительные р. р.кислотно-основного взаимодействия По направлению реакций с учетом конечного результата :

По характеру изменений связей в субстрате и реагенте радикальные ионные согласованные Диеновый синтез Дильса-Альдера

Радикальные реакции Гомолитический разрыв связи свободные радикалы: sp 2 -гибридизация плоскостное строение

Свободный радикал Свободный радикал – атом, группировка атомов или молекула, имеющие на одном из атомов свободный неспаренный электрон и обладающие повышенной реакционной способностью

Признаки радикальных реакций 1. гомолитический разрывается неполярная ков. связь 2. реакции протекают в газовой фазе или в неполярных растворителях 3. инициируются физическими (излучения, tº), а также химическими факторами (R-O-O-R, Fe 2+ )

4. чувствительны к действию акцепторов электронов (фенолы, тиолы) 5. являются цепными самоускоряющимися реакциями Стадии радикальных реакций: 1. инициирование радикалов 2. рост цепи 3. обрыв цепи Признаки радикальных реакций

Радикальные реакции S R A R окисление S R - для алканов, циклоалканов (кроме малых циклов) A R - для малых циклов

Кинетическая кривая скорости свободно-радикальной реакции I II III I.Инициирование радикалов II.Рост и развитие цепи III.Обрыв цепи V t 0

Галогенирование циклогексана

A R у малых циклов (С 3 – С 4 )

циклопропан 1,3-дихлорпропан

Окисление по свободно- радикальному механизму гидрохинон феноксильный радикал феноксильный анион- радикал хинон

Антиоксиданты- вещества, препятствующие окислению Витамин Е (токоферол)

Ионные реакции Гетеролитический разрыв связи карбкатионкарбоанион sp²-гибрид.

Реагенты: Нуклеофильные реагенты Nu а) отрицательно заряженные ионы :Н :Вr¯ :ОН¯ :OR¯ :SН¯ :SR¯ б) молекулы, имеющие свободную неподеленную пару электронов HOH ROH RNH 2 RSH

Реагенты: Электрофильные Е а) положительно заряженные ионы Н + Н 3 С + Н 5 С 2 + б) молекулы с частичным положительным зарядом на одном из атомов Br +

Признаки ионных реакций 1. гетеролитический разрывается полярная или легко поляризующаяся ковалентная связь 2. такие реакции протекают в полярных растворителях 3. катализируются кислотами или основаниями 4. являются реакциями I или II порядка

A E - реакции электрофильного присоединения Алкены Алкадиены Арены (в особых условиях)

Механизм реакции π-комплекс σ -комплекс медленно ст.образования σ-комплекса – скорость лимитирующая

Реакции А Е у алкенов По механизму А Е протекают реакции: С бромной водой (Br 2 ) –качеств. реакция на двойную связь; Реакция гидрохлорирования (с НCl); Реакция гидратации (с Н 2 О):

НОН – нуклеофил требуется Н + катализ Реакция гидратации алкенов

π-комплекс + I CH3 Втор. карбкатион Перв. карбкатион Оксокатион замещ. гидроксония

Направление реакции определяется статическим и динамическим факторами Статический фактор Динамический фактор Учитывает стабильность промежуточных продуктов -эффект

направление присоединения реагентов типа НХ к непредельным соединениям определяется относительной устойчивостью образующихся карбкатионов Правило Марковникова в современной интерпретации:

Реакции электрофильного замещения у аренов S E

Реакция алкилирования фенола группа ОН - электронно донор

δ- δ- δ- δ- δ- δ- δ- δ- δ+ δ+ δ+ δ+ δ+ δ+ электрофил δ+ δ+

π-комплекс о-метилфенол sp 3 -H + σ -комплекс НО – орто- и пара- ориентант

Тироксин - гормон щитовидной железы Т 4 - левотироксин

-I CHO, - М CHO электронно акцептор Мета - ориентант

Реакция алкилирования спиртами и алкенами Нуждается в кислотном катализе для превращения молекул спиртов и алкенов в карбкатионы - электрофилы.

Окисление по боковой цепи Реакция окисления :

Свободно-радикальное замещение в боковой цепи аренов ан

Реакции S N у sp 3 гибридного атома углерода и конкурентные реакции E SNSN E

Реакции S N у sp 3 гибридного атома углерода и конкурентные реакции R E δ+δ+ δ-δ- δ+δ+ δ-δ-

В зависимости от строения субстрата: мономолекулярные S N1 E 1 бимолекулярные S N2 E 2

OH - - нуклеофил переходное состояние sp 2 δ+δ+

обращение конфигурации V = K [ГА] · [Nu]

S N1 1-я стадия - гидролиз НОН Плоскостной карбкатион

плоскостное строение образуется рацемат V = K [ГА]

Конкурентные реакции элиминирования СН 3 – СН = СН 2 алкен

Е2Е2

малый R высокая ЭО низкая поляризуемость Кислоты мягкие большой R низкая ЭО высокая поляризуемость жесткие H + Na + K + Al 3+ Ag + Cu + H 3 C +

Основания жесткие мягкие OH - H 2 O ROH RNH 2 H - RS - RSH Трудно окисляются Высокая ЭО Низкая поляризуемость Легко окисляются Низкая ЭО Высокая поляризуемость

ПЖМКО –принцип жестких и мягких кислот и оснований (Пирсона) С 2 Н 5 О - Ж.О. С 2 Н 5 S - M.О.

Реакции А N у карбонильных соединений альдегиды кетоны Качественными реакциями на альдегидную группу являются реакции окисления

A N – нуклеофильное присоединение

Типичные А N реакции карбонильных соединений Присоединение воды; Присоединение спиртов; Присоединение аминов; Реакции восстановления; Реакция альдольной конденсации.

Реакция ацетализации полуацеталь ацеталь

оксикатион карбкатион -H+-H+ Механизм:

1-метоксиэтанол -HOH (полуацеталь)

1,1-диметоксиэтан -H + (ацеталь)

5-гидроксипентаналь Н+Н+.. δ+δ+ циклический полуацеталь Циклич. полуацеталь 5-гидроксигексаналя ANAN Полуацет.ф-ма глюкозы

Реакция карбонильных соединений с аминами Замещенный имин Е Е

δ+δ+..

РЕАКЦИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ + спирт Гидриды лития или бора In vivo донором гидрид иона (Н¯) служит НАДН

Формалин – 40% р-р формальдегида в воде -используется для консервирования анатомических препаратов -как дезинфицирующее средство -вызывает денатурацию белков за счет взаимодействия с NH 2 -группами

Реакции S N у карбоновых кислот и их производных -I CO > -I OH +M OH δ+ δ+ δ- δ- -I COOH

электро- вильный ц. О-Н кислотный ц. С-Н кислотный ц. основный ц. SNSN

Реакция этерификации метилэтаноат

Механизм:

Реакция обратима Щелочной гидролиз необратим

-СН 3 ОН

Ацетилхолин

Реакции ацилирования Реакции получения сложных эфиров при действии на спирты ацилирующих агентов: (снижение реакционной способности в SN-реакциях) Сl- > OR ¯ > - N н 2¯ анион галогена ацилат-ион алкоксид-ион амид-ион (уменьшение стабильности уходящего аниона) галоидацилангидридсложный эфир Амид к-ты кислота

фосфатидилхолин С л о ж н о э ф и р н ы е с в я з и

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ !

Реакции окисления

Реакция нитрования:

Свободно-радикальное замещение в боковой цепи