Ответы на билеты

48. Хитин(C8H13O5N) (фр. chitine, от греч. chiton: хитон — одежда, кожа, оболочка) — природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов. Химическое название: поли-N-ацетил-D-глюкозо-2-амин, полимер из остатков N-ацетилглюкозамина, связанных между собой b-(1,4)-гликозидными связями. Основной компонент экзоскелета (кутикулы) членистоногих и ряда др. беспозвоночных, входит в состав клеточной стенки грибов и бактерий.

Распространение в природе. Хитин - один из наиболее распространённых в природе полисахаридов – каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 гигатонн хитина.

Выполняет защитную и опорную функции, обеспечивая  жёсткость клеток — содержится в  клеточных стенках грибов.

Главный компонент  экзоскелета членистоногих.

Также хитин  образуется в организмах многих других животных – разнообразных червей, кишечнополостных и т. д.

Во всех организмах, вырабатывающих и использующих хитин, он находится не в чистом виде, а  в комплексе с другми полисахаридами, и очень часто ассоциирован с  белками. Несмотря на то, что хитин является веществом, очень близким по строению, физико-химическим свойствам и биологической роли к целлюлозе, в организмах, образующих целлюлозу (растения, некоторые бактерии) хитин найти не удалось.

Химия хитина.В естественном виде хитины разных организмов несколько отличаются друг от друга по составу и свойствам. Молекулярная масса хитина достигает 260 000.

Хитин не растворим  в воде, устойчив к разбавленным кислотам, щелочам, спирту и др. органическим растворителям. Растворим в концентрированных растворах некоторых солей (хлорид цинка, тиоцианат лития, соли кальция).

При нагревании с концентрированными растворами минеральных  кислот разрушается (гидролизуется), отщепляя ацетильные группы.

Практическое  использование. Одно из производных хитина, получаемое из него промышленным способом - хитозан. Сырьем для его получения служат панцири ракообразных (криль, камчатский краб), а также продукты микробиологического синтеза.

49. Ароматические углеводороды, органические соединения, состоящие из углерода и водорода и содержащие бензольные ядра. Простейшие и наиболее важные представители А. у. — бензол (I) и его гомологи: метилбензол, или толуол (II), диметилбензол, или ксилол, и т. д. К А. у. относятся также производные бензола с ненасыщенными боковыми цепями, например стирол (III). Известно много А. у. с несколькими бензольными ядрами в молекуле, например дифенилметан (IV), дифенил C6H5—C6H5, в котором оба бензольных ядра непосредственно связаны между собой; в нафталине (V) оба цикла имеют 2 общих атома углерода; такие углеводороды называются А. у. с конденсированными ядрами.

Бензо́л C6H6, PhH) — органическое химическое соединение, бесцветная жидкость с приятным сладковатым запахом. Ароматический углеводород. Бензол входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Хотя бензол входит в состав сырой нефти, в промышленных масштабах он синтезируется из других её компонентов. Токсичен, канцероген.

Гомологи - Соединения, принадлежащие к одному классу, но отличающиеся друг от друга по составу на целое число групп СН2. Совокупность всех гомологов образует гомологический ряд.

Физические  свойства. Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, плотность = 0,879 г/см³, молекулярная масса = 78,11 г/моль. Подобно всем углеводородам бензол горит и образует много копоти. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C. Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C).

Структура. Бензол по составу относится к ненасыщенным углеводородам (гомологический ряд CnH2n-6), но в отличие от углеводородов ряда этилена C2H4 проявляет свойства, присущие насыщенным углеводородам при жёстких условиях, а вот к реакциям замещения бензол более склонен. Такое «поведение» бензола объясняется его особым строением: наличием в структуре сопряжённого 6π-электронного облака. Современное представление об электронной природе связей в бензоле основывается на гипотезе Лайнуса Полинга, который предложил изображать молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчёркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углерода цикла.

50. Ароматические соединения (арены) — циклические органические соединения, которые имеют в своём составе ароматическую систему связей. Они могут иметь насыщенные или ненасыщенные боковые цепи.

К наиболее важным ароматическим углеводородам относятся  бензол С6Н6 и его гомологи: толуол С6Н5СНз, ксилол С6Н4(СНз)2 и др.; нафталин C10H8, антрацен С14Н10 и их производные. Отличительные химические свойства — повышенная устойчивость ароматического ядра и склонность к реакциям замещения. Основным источником получения ароматических углеводородов служат каменноугольная смола, нефть и нефтепродукты. Большое значение имеют синтетические методы получения. Ароматические углеводороды — исходные продукты для получения кетонов, альдегидов и кислот ароматического ряда, а также многих других веществ. Существуют также гетероциклические арены, среди которых чаще всего встречаются в чистом виде и в виде соединений — пиридин, пиррол, фуран и тиофен, индол, пурин, хинолин.

Также ароматичностью обладает боразол («неорганический  бензол»), но его свойства заметно  отличаются от свойств органических аренов.

Реакции электрофильного  замещения' (англ. substitution electrophilic reaction) — реакции замещения, в которых атаку осуществляет электрофил - частица, заряженная положительно или имеющая дефицит электронов. При образовании новой связи уходящая частица - электрофаг отщепляется без своей электронной пары. Самой популярной уходящей группой является протон H+.

51-52. Реакции ароматического электрофильного замещения

Для ароматических  систем фактически существует один механизм электрофильного замещения - SEAr. Механизм SE1 (по аналогии с механизмом SN1) - встречается крайне редко, а SE2 (соответствующий по аналогии SN2) - не встречается вовсе.

Механизм  реакции SEAr или реакции ароматического электрофильного замещения (англ. substitution electrophilic aromatic) является самым распространенным и наиболее важным среди реакций замещения ароматических соединений и состоит из двух стадий. На первом этапе происходит присоединение электрофила, на втором - отщепление электрофуга.

В ходе реакции  образуется промежуточный положительно заряженный интермедиат (на рисунке - 2b). Он носит название интермедиат Уэланда, арониевый ион или σ-комплекс. Этот комплекс, как правило, очень реакционноспособен и легко стабилизируется, быстро отщепляя катион. Лимитирующей стадией в подавляющем большинстве реакций SEAr является первый этап.

Скорость реакции = k*[ArX]*[E+]

В качестве атакующей  частицы обычно выступают относительно слабые электрофилы, поэтому в большинстве  случаев реакция SEAr протекает под  действием катализатора - кислоты  Льюиса. Чаще других используются AlCl3, FeCl3, FeBr3, ZnCl2.

В этом случае механизм реакции выглядит следующим образом (на примере хлорирования бензола, катализатор FeCl3)[3]:

1.На первом  этапе катализатор взаимодействует  с атакующей частицей с образованием  активного электрофильного агента

На втором этапе, собственно, и реализуется механизм SEAr 
 
 
 
 
 
 

53. Гетероциклические  соединения (гетероциклы) — органические соединения, содержащие циклы, в состав которых наряду с углеродом входят и атомы других элементов. Могут рассматриваться как карбоциклические соединения с гетерозаместителями (гетероатомами) в цикле. Наиболее разнообразны и хорошо изучены ароматические азотсодержащие гетероциклические соединения. Предельные случаи гетероциклических соединений — соединения, не содержащие атомов углерода в цикле, например, пентазол.

Пиррол  — ароматический пятичленный азотистый гетероцикл, обладает слабыми основными свойствами. Содержится в костном масле (которое получают при сухой перегонке костей), а также в каменноугольной смоле. Пиррольные кольца входят в состав порфиринов — хлорофилла растений, гема гемоглобинов и цитохромов и ряда других биологически важных соединений.

Строение  и свойства. Пиррол представляет собой бесцветную жидкость, напоминающую по запаху хлороформ, медленно темнеющую при стоянии на воздухе. Он слегка гигроскопичен, немного растворим в воде и хорошо растворим в большинстве органических растворителей. Структуру пиррола предложил в 1870 г. Байер, основываясь на его окислении хромовой кислотой в малеинимид и образовании его при перегонке сукцинимида с цинковой пылью.

Кислотность и металлирование. Пиррол является слабой NH-кислотой (pKa 17,5 в воде) и реагирует с щелочными металлами и их амидами в жидком аммиаке или инертных растворителях с депротонированием по положению 1 и образованием соответствующих солей. Аналогично проходит и реакция с реактивами Гриньяра, при которой образуются N-магниевые соли. N-замещённый пирролы реагируют с бутил- и фениллитием, металлируясь в α-положение.

54. ИНДOЛ (бензо[b]пиррол), мол. м. 117,18; бесцв. кристаллы со слабым запахом нафталина; т. пл. 52,5 °С, т. кип. 254 °С; d456 1,0718; возгоняется при нагр. до 150°С; m 7,03.10-30 Кл.м (бензол, 25 °С); перегоняется с парами воды, диэтилового эфира и NH3; хорошо раств. в орг. р-рителях, горячей воде, жидком NH3. Молекула имеет плоскую конфигурацию.

Индол - слабое основание (рКа —2,4). При протонировании образует катион 3H-индолия (ф-ла I), к-рый при  взаимод. с нейтральной молекулой  индол дает димер (II). Как слабая к-та (рKа 17), индол с Na в жидком NH3 образует N-натрийиндол, с КОН при 130°С - N-калийиндол. Обладает ароматич. св-вами. Электроф. замещение идет гл. обр. в положение 3. Нитрование обычно осуществляется бензоилнитратом, сульфирование - пиридинсульфотриоксидом, бромирование - диоксандибромидом, хлорирование - SO2Cl2, алкилирование - активными алкилгалогенидами. Ацетилирование в уксусной к-те также идет в положение 3, в присут. CH3COONa - в положение 1; в уксусном ангидриде образуется 1,3-диацетилиндол. Индол легко присоединяется по двойной связи a,b-непредельных кетонов и нитрилов.

Аминометилирование (р-ция Манниха) в мягких условиях протекает в положение 1, в жестких - в положение 3. Замещение в бензольное кольцо (преим. в положения 4 и 6) идет лишь в кислых средах при блокированном  положении 3. В присут. Н2О2, надкислот  или на свету индол окисляется в индоксил, к-рый затем превращ. в тример или индиго. Более жесткое окисление под действием О3, МnО2 приводит к разрыву пиррольного кольца с образованием 2-формамидобензальдегида. При гидрировании индола водородом в мягких условиях восстанавливается пиррольное кольцо, в более жестких - и бензольное.

Индол содержится в эфирных маслах жасмина и  цитрусовых, входит в состав кам.-уг. смолы. Кольцо индола - фрагмент молекул  важных прир. соединений (напр., триптофана, серотонина, мелатонина, буфотенина). Обычно индол выделяют из нафталиновой фракции кам.-уг. смолы или получают дегидрированием о-этиланилина с послед. циклизацией образующегося продукта. Индол и его производные синтезируют также циклизацией арилгидразонов карбонильных соед. (р-ция Фишера), взаимод. ариламинов с a-галоген- или a-гидроксикарбонильными соед. (р-ция Бишлера) и др. Ядро индола входит в состав индольных алкалоидов. Сам индол-фиксатор запаха в парфюмерии; его производные используют в произ-ве биологически активных соед. (гормонов, галюциногенов) и лек. ср-в (напр., индопана, индометацина).

55. Имидазол — органическое соединение класса гетероциклов, пятичленный цикл с двумя атомами азота и тремя атомами углерода в цикле, изомерен пиразолу.

Свойства. В незамещенном имидазоле положения 4 и 5 (атомы углерода) равноценны, вследствие таутомерии. Ароматичен, реагирует с солями диазония (сочетание). Нитруется и сульфируется только в кислой среде в положение 4, галогены в щелочной среде вступают по положению 2, в кислой - по положению 4. Легко алкилируется и ацилируется по иминному N, раскрывает цикл при взаимодействии с растворами сильных кислот и пероксидов. Катализирует гидролиз трудноомыляемых сложных эфиров и амидов карбоновых кислот.

На основе имидазола  производят большое количество различных ионных жидкостей.

Методы  получения.Из орто-фенилендиамина через бензимидазол и 4,5-имидазолдикарбоновую кислоту.

Взаимодействием глиоксаля (щавелевый альдегид) с  аммиаком и формальдегидом.

Биологическая роль. Имидазольный цикл входит в состав незаменимой аминокислоты гистидина. Структурный фрагмент гистамина, пуриновых оснований, дибазола.

56. Пиридин — шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота, бесцветная жидкость с резким неприятным запахом; смешивается с водой и органическими растворителями. Пиридин — слабое основание, дает соли с сильными минеральными кислотами, легко образует двойные соли и комплексные соединения.

Получение. Основным источником для получения пиридина является каменноугольная смола.

Химические  свойства.Пиридин проявляет свойства, характерные для третичных аминов: образует N-оксиды, соли N-алкилпиридиния, способен выступать в качестве сигма-донорного лиганда.