Полифункциональные соединения

Page 1

1
1
Лекция №7 для студентов 1 курса,
обучающихся по специальности
310502-Педиатрия
Лектор: к.б.н. доцент
Оловянникова Раиса Яковлевна
Красноярск, 2017
Кафедра биологической химии с курсами медицинской,
фармакологической и токсикологической химии
Тема: Полифункциональные
соединения

---

Page 2

2
• Сформировать системные знания об
особенностях строения и химического
поведения биологически важных
гомополифункциональных соединений,
являющихся метаболитами организма и
лекарственными средствами.
• Рассмотреть причину появления
специфических свойств у многоатомных
спиртов и фенолов.
Цель лекции

---

Page 3

3
План лекции
1. Актуальность темы.
2. Специфические реакции многоатомных спиртов
алифатического ряда
3. Специфические реакции многоатомных фенолов
4. Многоосновные карбоновые кислоты.
5. Полиамины.
6. Выводы

---

Page 4

4
Актуальность
• Гомо- и гетерополифункциональность
придает специфические свойства таким
соединениям как спирты, амины,
карбоновые кислоты и т. д., которых очень
много среди метаболитов организма и
лекарственных средств
• Так, накопление гидроксильных групп в
молекуле ведет к появлению сладкого
вкуса, усилению кислотных свойств,
способности к хелатированию металлов.

---

Page 5

5
Актуальность
• Усиление кислотных свойств и
способности к образованию комплесов
наблюдается и у других
полифукциональных соединений.
• Изучение строения и свойств
полифункциональных соединений –
ключ к пониманию функционирования
живых систем.

---

Page 6

6
Гомополифункциональные
соединения
• Чаще всего встречаются в природных
объектах многоатомные спирты и
многоатомные фенолы:
НО
ОН
Гидрохинон
ОН
ОН
Пирокатехин
НО – Н
2
С – СН
2
– ОН
Этиленгликоль
D-Сорбит
СН
2
OH
СН
2
ОН
НО Н
Н
ОН
Н ОН
Н ОН
СН
2
-OH
СН-OH
СН
2
-OH
Глицерин

---

Page 7

7
• Гораздо реже встречаются соединения с
несколькими аминогруппами
Н2N – Н
2
С – СН
2
– NН2
Этилендиамин
Н
2
С – СН
2
– СН2 – CH
2
– CH
2
NH2
NH2
Н
2
С – СН
2
– CH
2
– CH
2
NH2
NH2
Путресцин
(Тетраметилендиамин)
Кадаверин
(Пентаметилендиамин)

---

Page 8

8
• Среди дикарбоновых кислот:
НООС – Н
2
С – СН
2
–СООН
Янтарная кислота
(сукцинат)
НООС – СН
2
– СООН
Малоновая кислота
(малонат)
НООС – СООН
Щавелевая кислота
(оксалат)
НООС–Н
2
С–СН2– СН
2
– СООН
Глутаровая кислота
(глутарат)

---

Page 9

Кислотные свойства
• Полиолы (этиленгликоль, глицерин и др.)
являются более сильными кислотами
Бренстеда по сравнению с одноатомными
спиртами.
• Причина – каждая группа полиола является
электоноакцептором по отношению к
другой и стабилизирует сопряженный
анион.
9

---

Page 10

10
Кислотные свойства
2 НОСН
2
СН
2
ОН + 2Na
- Н
2
2 НОСН
2
СН
2
ONa
этиленгликоль
Мононатрий-
-гликолят
- Н
2
Na, 150 °С
2 NaОСН
2
СН
2
ONa
Динатрий-
-гликолят
Следующая реакция используется для
качественного определения полиолов, содержащих
в своем составе виц-диольный фрагмент

---

Page 11

Образование хелатов
• При взаимодействии с гидроксидом меди
(II) этиленгликоль (или глицерин) образует
внутрикомплексную соль меди (хелат),
имеющую глубокую синюю окраску:
11
СН
2
ОН
СН
2
ОН
2
+ Cu(OH)
2
2NaOH
этиленгликоль
СН
2
О
СН
2
О
ОСН
2
OСН
2
Cu
-4HOH
2-
2Na+
Гликолят меди (II)

---

Page 12

Основные свойства
• Спирты слабые n-основания Бренстеда и
жесткие основания по Пирсону (из-за
высокой ЭО атома кислорода, являющегося
основным центром).
• Поэтому могут образовывать соли только
с сильными протонными кислотами и с
жесткими кислотами по Пирсону (фторид
бора, хлорид цинка и др.)
12

---

Page 13

13
НО-СН
2
-СН
2
-ОН
..
+ H
2
SO
4
H
H
НО-СН
2
-СН
2
-О
+
HSO
4
−
Гидроксиэтилоксоний-
-гидросульфат
Этиленгликоль
НО-СН
2
-СН
2
-ОН
..
+ ZnCl
2
НО-СН
2
-СН
2
-О
ZnCl
2
H
+
−

---

Page 14

• Способность спиртов образовывать
оксониевые соединения лежит в основе
многих рассматриваемых далее реакций
замещения и элиминирования, поскольку за
счет этого происходит превращение плохой
уходящей ОН-группы в хорошие уходящие
группы
• У этиленгликоля и глицерина основные
свойства менее выражены, чем у этанола и
пропанола.
14
Основные свойства
(продолжение)
H
2
O
Zn(OH)Cl + Cl
−

---

Page 15

Нуклеофильные свойства спиртов
проявляются в реакциях с электрофильными
реагентами (галогеноалканами, алкилсульфа-
тами, галогенангидридами, ангидридами и
др.)
– Это реакции О-алкилирования с образованием
простых эфиров
– Это реакции О-ацилирования с образованием
сложных эфиров, в том числе фосфорных.
15
Реакции с участием
нуклеофильного центра

---

Page 16

• Алкилирующие реагенты:
16
Реакции О-алкилирования
R – Cl
δ+
CH
3
–O
CH
3
–O
S
O
O
δ+
Алкилгалогенид
Алкилсульфат
• Спирты, особенно вицинальные диолы или
триолы являются слабыми нуклеофилами. Но
нуклеофильность можно значительно
увеличить, превратив их в алкоксиды натрия
S
N
S
N

---

Page 17

При взаимодействии алкоксида натрия с
галогенопроизводными (алкилгалогенидами)
образуется простой эфир. У диолов алкилирование
происходит ступенчато:
17
Пример реакции О-алкилирования
(синтез Вильямсона)
НО – Н
2
С – СН
2
– ОН
Na
-Н
2
НО –Н
2
С–СН
2
–ОNa
Н
3
С – Cl
δ+
+ Н
3
С – Cl
δ+
-NaCl
НО –Н
2
С–СН
2
–О – CH
3
(1)
Na -Н
2
NaО –Н
2
С–СН
2
–О – CH
3
(2)
−
−
-NaCl
S
N
S
N
…..

---

Page 18

• Активность спиртов в том числе
этиленгликоля и глицерина как
нуклеофильных реагентов, можно
увеличить, если использовать в качестве
среды полярные апротонные растворители,
например, диметилсульфоксид (ДМСО).
Растворители этого типа в меньшей мере
сольватируют спирты, так как не образуют
с ними водородных связей.
18
Примечание

---

Page 19

• Отсутствие сольватации повышает
нуклеофильность спиртового атома
кислорода. В этом случае в реакции
Вильямсона можно использовать спирт и
щелочь вместо алкоголята. Щелочь
нужна, чтобы связать выделявшуюся в ходе
реакции HCl и, тем самым, сделать
реакцию образования простого эфира
необратимой, т.е. повысить выход эфира.
19
Примечание
по синтезу Вильямсона

---

Page 20

Реакции О-ацилирования
спиртов
• В результате этой реакции образуются
сложные эфиры. В качестве ацилирующих
агентов используются как неорганические,
так и органические кислоты и их
функциональные производные.
20
+ 3HO– N
O
O
δ+
СН
2
-OH
СН-OH
СН
2
-OH
..
..
..
S
N
СН
2
-O – NO
2
СН-O – NO
2
СН
2
-O – NO
2
Тринитрат глицерина

---

Page 21

Значение тринитрата глицерина
• На основе нитроглицерина производят
одно из самых известных взрывчатых
средств – динамит (Нобель А., 1865).
• В виде 1%-го раствора в этаноле или в
виде таблеток нитроглицерин
применяют в медицине при
стенокардии.
21

---

Page 22

Значение фосфорных эфиров
глицерина
• Взаимодействие глицерина с фосфорной
кислотой дает α-глицерофосфат
(1-монофосфат глицерина), который
участвует в ряде метаболических процессов
в организме.
22
СН
2
-OH
СН-OH
СН
2
-O - Р=О
ОН
ОН

---

Page 23

• Ацилирование глицерина высшими
карбоновыми кислотами приводит к
образованию триглицеридов (жиров):
23
Значение эфиров глицерина и
высших карбоновых кислот
СН
2
-O - C
С-O-СН
СН
2
-O - С
R
3
О
О
R
2
R
1
О

---

Page 24

• Смешанным ацилированием глицерина
(с помощью жирных кислот и фосфорной
кислоты) можно получить фосфатидную
кислоту – промежуточный продукт синтеза
жиров и глицерофосфолипидов.
24
Значение сложных эфиров
глицерина
СН
2
-O - C
С-O-СН
СН
2
-O - Р
ОН
О
О
R
2
R
1
О
ОН

---

Page 25

Ацилирующие реагенты
•В реакцию со спиртами активнее самих
кислот вступают их производные
– Ангидриды (старое название кислотных
оксидов): P
2
O
3
– фосфорный ангидрид
(CH
3
CO)
2
O – уксусный ангидрид и др.
– Галогенангидриды (производные кислот, у
которых одна или все гидроксильные группы
заменены атомами галогена):
SO
2
Cl
2
– сульфурилхлорид,
ClSO
3
H – хлорсульфоновая кислота,
POCl
3
– фосфорилхлорид ,
CH
3
COCl – ацетилхлорид и др.
25

---

Page 26

Замещение ОН-групп на др.Nu
• Эти реакции происходят с участием
электрофильного центра спиртов и
реагентов:
– Галогеноводородов (газообразных HBr, HCl),
действующих как катализатор и источник
нуклеофила;
– Галогенидов фосфора (PBr
3
, PCl
5
);
– Тионилхлорида (SOCl
2
)
• При нагревании
26

---

Page 27

Примеры реакции S
N
27
НО-СН
2
СН
2
-ОН + HCl
(г)
НО-СН
2
СН
2
-Cl
Cl-СН
2
СН
2
-Cl
нагревание
PCl
5
этиленгликоль
• Наиболее легко протекает замещение одной ОН-
группы с образованием галогеногидрина. Для
дальнейшего замещения требуются более жесткие
условия, более высокая концентрация нуклеофила
или более энергичные реагенты.

---

Page 28

Дегидратация спиртов
• Дегидратация многоатомных спиртов в
отличие от одноатомных приводит к
образованию разнообразных продуктов, что
определяется взаимным расположением
гидроксильных групп и условиями реакции.
• Вицинальные диолы при нагревании с
разбавленными кислотами (или хлоридом
цинка) отщепляют 1 молекулу воды,
превращаясь через промежуточные енолы,
28

---

Page 29

в альдегиды и кетоны:
НО-СН
2
-СН-ОН
ZnCl
2,
нагрев
29
-Н
2
О
Н
СН
2
=СН-ОН
Промежуточный енол
(неустойчив)
СН
3
-С
О
Н
Ацетальдегид
Примеры дегидратации спиртов
Этиленгликоль

---

Page 30

• При дегидратации глицерина отщепляются
две молекулы воды и образуется
ненасыщенный альдегид – акролеин:
30
СH2 – СН – СН
2
ОН
ОН
ОН
KHSO
4
, 220 °C
СH2 – СН
2
– С
H
HОН
ОН
О
HОН
СH
2
= СН – С
H
О
акролеин
Примеры дегидратации спиртов
Используется для
синтеза хинолина и
его производных

---

Page 31

31
Окисление спиртов
НО-СН
2
СН
2
-ОН
[O]
НО-СН
2
СH=О
этиленгликоль
гликолевый
альдегид
[O]
[O]
НО-СН
2
СООН
гликолевая
кислота
[O]
О=СНСООН
глиоксиловая
кислота
[O]
[O]
НООССООН
Щавелевая
кислота
[O]
HNO
3
CrO
3

---

Page 32

32
Сильный окислитель KMnO
4
в кислой
среде при нагревании окисляет виц-диолы с
разрывом связи С-С и образованием
максимально окисленных фрагментов.
Карбоновые кислоты образуются из
фрагмента,
содержащего
вторичную
спиртовую группу, кетоны – из фрагмента с
третичной группой ОН, а диоксид углерода –
из концевого звена – СН
2
ОН:
С – СH
R
R
Rꞌ
OH
OH
HOOС–Rꞌ
R
R
С=O

---

Page 33

Фенолы
• Для двухатомных фенолов можно было бы
ожидать уменьшения кислотности по
сравнению с фенолом, так как вторая ОН-
группа, будучи электронодонором, должна
понижать стабильность сопряженного
основания НОС
6
Н
4
О−
. На самом деле их
кислотность несколько выше кислотности
фенола (рК
а
10).
33
НО
ОН
Гидрохинон
(рКа 9,9)
ОН
ОН
Пирокатехин
(рКа 9,4)

---

Page 34

Кислотность фенолов
• Незначительно повышенная кислотность
двухатомных фенолов (пирокатехина и
гидрохинона)
объясняется
большим
вкладом сольватационного эффекта в
стабилизацию их анионов как более
полярных частиц по сравнению с феноксид-
анионом
• Кислотные свойства пирокатехина, а также
его
способность
образовывать
нерастворимую свинцовую соль с участием
34

---

Page 35

35
обеих
ОН-групп
используется
для
обнаружения в соединениях пирокатехинового
фрагмента.:
ОН
ОН
Пирокатехин
+ (СН
3
СОО)Pb
О
О
Pb↓
+ 2СН
3
СООH
Что касается основности, то фенолы являются
очень слабыми основаниями по сравнению с
низшими алифатическими спиртами. Поэтому
не образуют солей даже с сильными
минеральными кислотами.

---

Page 36

Нуклеофильность фенолов
• О-алкилирование (с участием
диметилсульфата) и О-ацилирование (с
участием уксусного ангидрида или
бензоилхлорида) может затрагивать одну
или обе ОН-группы. – Самостоятельно.
36
Замещение ОН-групп у фенолов
не происходит

---

Page 37

Окисление двухатомных фенолов
• Происходит легче, чем одноатомных, т.е.
они
являются
более
сильными
восстановителями, чем сам фенол.
• При этом образуются о- или п-бензохиноны
37
ОН
ОН
Ag
2
O
О
О
НО
ОН
AgBr+NaOH
О
О

---

Page 38

Значение
• Хинон-гидрохиноновая
система
в
организме является важным звеном в
процессе транспорта электронов при
тканевом дыхании
• Легкую окисляемость фенолов необходимо
учитывать при работе с лекарственными
средствами, содержащими в молекуле
фенольные фрагменты.
38

---

Page 39

Основные выводы
• Многоатомные спирты, фенолы, полиамины,
карбоновые кислоты вступают в те же
реакции,
что
и
соответствующие
монофункциональные соединения.
• Однако,
наличие
дополнительной
функциональной группы может ослаблять или
усиливать действие предыдущей группы.
• Более того, появляются новые свойства,
несвойственные
монофункциональным
соединениям.
39

---

Page 40

Литература
основная:
• Слесарев В.И. – Химия: Основы химии
живого: Учебник для вузов. – 3-е изд., испр.
– СПб: Химиздат. – 2007. – 784с.
• Тюкавкина Н. А., Бауков Ю.И. –
Биоорганическая химия : Учебник. – М.:
ДРОФА. – 2006. – С. 100 – 115,
40

---

Page 41

Литература
дополнительная:
• Грандберг И.И. – Органическая химия:
Учеб. Для студ. вузов, обучающихся по
агроном. спец. – 5-е изд. – М.: Дрофа, 2002.
– 672 с.
• Пузаков С.А. – Химия: Учебник, 2-е изд.
испр. и доп. М.: ГЭОТАР-Медиа Медицина,
- 2006. – 630 с.
41

---

Page 42

Литература
электронные ресурсы:
• Электронная библиотека Т.12.
Органическая химия. /гл. ред.М.А.
Пальцев.-М.: Русский врач, 2005
• Электронная библиотека Colibris
• Ресурсы Интернет
42