Лекция 4 2013 Органическая химия 4 Типичные реакции

Лекция 4 2013 Органическая химия 4. Типичные реакции органических соединений Лекцию читает проф. Иван Юрьевич Белавин 1

2) Электрофильные реакции Реакции электрофильного присоединения (АЕ) и электрофильного замещения (SE) Реагент — электрофил (электронодефицитная частица) Е+ Субстрат — частица с избыточной электронной плотностью в реакционном центре 2

+ Е+ электрофил субстрат + Х- π-комплекс (АЕ) присоединение карбокатион - Н+ (SЕ) замещение 3

Факторы, определяющие направление реакции Статические факторы Динамический фактор карбокатион 1 электронный и пространственый карбокатион 2 образуется не образуется Стабильность карбокатионов: третичный >> вторичный >> первичный sp 2 карбокатион третичный вторичный первичный уменьшение стабильности карбокатионов 4

Схема механизма реакции гидратации - H+ быстро реакция AE-типа Трехстадийный процесс 5

Гидратация α, β-ненасыщенных кислот Статический фактор электронный Динамический фактор Современная интерпретация региоселективности электрофильного присоединения (правила Марковникова) q Направление присоединения реагентов типа НХ к несимметричным алкенам определяется относительной устойчивостью возможных в этих реакциях промежуточных карбокатионов. 6

Схема механизма реакций электрофильного замещения в ароматическом кольце (реакция типа SE) быстро субстрат медленно π-комплекс продукт -комплекс Строение -комплекса или резонансные (мезомерные) структуры 7

Региоселективность реакций электрофильного замещения Электронодонорные заместители (ориентанты I рода) электронодоноры (активирующие) Электроноакцепторные заместители (ориентанты II рода) электроноакцепторы (дезактивирующие) Статические факторы электронный и пространственый Динамический фактор 8

Пример реакции электрофильного замещения in vivo – иодирование аминокислоты тирозина иодирование 3 -иодтирозин иодирование 3, 5 -дииодтирозин биосинтез гормонов щитовидной железы 9

3) Нуклеофильные реакции а) Реакции нуклеофильного замещения (SN) у sp 3 гибридизованного атома углерода основный центр нуклеофильный центр δδ+ СН-кислотный центр δ+ δ– электрофильный центр (реакции SN) кислотный центр 10

переходное состояние 11

медленно быстро 12

Концепция хороших и плохих уходящих групп Чем сильнее кислота, сопряженная уходящей группе в реакции нуклеофильного замещения, те легче уходит эта группа Сильные нуклеофилы Слабые нуклеофилы RCOOH R 3 NH+ 13

Замещение гидроксильной группы SN 2 плохая уходящая группа ион оксония хорошая уходящая группа SN 1 ион оксония хорошая уходящая группа карбокатион 14

Реакции алкилирования алкилирующий реагент электрофил субстрат продукт алкилирования нуклеофил уходящая группа нуклеофуг метиламмонийиодид диметиламмонийиодид метиламин диметиламин 15

триметиламмонийиодид триметиламин тетраметиламмонийиодид Биологически важные алкилирующие реагенты галогенопроизводные спирты алкилфосфаты метилсульфониевые ионы 16

Алкилирование как химическая основа физиологического действия некоторых противоопухолевых средств β-галогенамин α β азиридиниевый ион (ион иммония) новэмбихин продукт алкилирования сарколизин Сшитые цепи ДНК 17

б) Реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе (АN) Основные классы карбонильных соединений альдегиды кетоны карбоновые кислоты функциональные производные карбоновых кислот 18

сложные эфиры соли сложные тиоэфиры ангидриды амиды замещенные амиды смешанные галогеноангидриды (ацилфосфаты) нитрилы 19

Реакционные центры в карбонильных соединениях Основный центр (атака протоном) Потенциальная уходящая группа СН-кислотный центр (атака основанием) Электрофильный центр (атака нуклеофилом) 20

Атака нуклеофилом Промежуточный тетраэдрический продукт +Н+ AN – нуклеофильное присоединение (альдегиды и кетоны) - X- SN – нуклеофильное замещение (карбоновые кислоты и их функциональные производные) 21

Реакции нуклеофильного присоединения к альдегидам и кетонам AN Гидратация Гидрат + соединение хлораль формальдегид % гидрата 100 99 соединение ацетальдегид ацетон % гидрата 50 0 22

Присоединение спиртов альдегид полуацеталь Присоединение тиолов полутиоацеталь дитиоацеталь Тиолы присоединяются легче, чем спирты 23

Реакции альдегидов и кетонов с первичными аминами образование иминов (оснований Шиффа) альдимин реакция нуклеофильного присоединения с последующим элиминированием 24

В отличие от альдиминов, образование кетиминов требует кислотного катализа карбокатион 25

Обратимость реакций нуклеофильного присоединения по карбонильной группе Образование ацеталя Образование дитиоацеталя Образование имина Реакции гидролиза 26

б) Реакции нуклеофильного замещения у карбонильной группы (SN) Гидролиз функциональных производных карбоновых кислот а) кислотный гидролиз сложных эфиров Реакция обратима – обратная реакция – реакция этерификации 27

Щелочной гидролиз Устойчивый мезомерный анион Щелочной гидролиз необратим 28

Реакции ацилирования (SN) ацилирующий реагент нуклеофил спирт тиол амин - ацил продукт реакции сложный эфир сложный тиоэфир амид 29

Биологически важные ацилирующие реагенты амиды кислот – способны только к гидролизу сложные эфиры – могут ацилировать амины CH 3 COOCH 3 + CH 3 NH 2 → CH 3 CONHCH 3 + CH 3 OH Сложные тиоэфиры – могут ацилировать амины, спирты, фенолы Ацетилкофермент А – главный ацетилирующий реагент живого организма ~ - макроэргическая связь. ΔGгидролиза > 30 к. Дж/моль п-аминофенол парацетамол Ацилфосфаты – наиболее активные ацилирующие реагенты. Могут ацилировать амины спирты, 30 фенолы, тиолы

4) Реакции, связанные с наличием СН-кислотного центра а) реакции элиминирования или отщепления (Е) 31

32

б) реакции альдольного присоединения карбоанион енолят-ион сильный нуклеофил 33

основание альдоль карбонильная компонента метиленовая компонента (карбанион) алкоксид-ион (сильное основание) 34

Карбонильная компонента Метиленовая компонента Альдольное присоединение Альдольное расщепление (ретроальдольный распад) 35

в) реакции сложноэфирной конденсации основание сложные тиоэфиры тиол сложный тиоэфир β-кетокислоты Сложноэфирная конденсация Расщепление β-кетоэфира 36

ацетилкофермент А ацетоацетилкофермент А основание карбонильная компонента метиленовая компонента промежуточный полутиоацеталь 37

г) реакции карбоксилирования основание сложный тиоэфир двухосновной кислоты карбоксилирование декарбоксилирование 38