🗊Презентация Биологически важные реакции карбонильных соединений. Масс-спектрометрия

Лекция 3 Биологически важные реакции карбонильных соединений. Масс-спектрометрия.

Карбонильные соединения. Соединения, содержащие С=О (оксо группу), называются карбонильными. Существует два класса карбонильных соединений: (А) Альдегиды И (К) Кетоны

I.Классификация и номенклатура альдегидов (А) По природе R : 1) предельные (CnH2nO) Систематическая заместительная номенклатура ИЮПАК: название УВ + АЛЬ метанАЛЬ Тривиальная номенклатуралатура формальдегид муравьиный альдегид. - этанАЛЬ - ацетальдегид, уксусный А. - пропанАЛЬ - пропионовый альдегид - метилуксусный альдегид

2) непредельные (CnH2n-2O) 2) непредельные (CnH2n-2O)   - пропеналь -акролеин, акриловый А. - бутен - 2- аль - изокротоновый (цис-бутен-2-аль) - кротоновый (транс-бутен-2-аль) - бутен - 3- аль - винилуксусный альдегид - метилпропеналь - метакриловый альдегид

Кетоны (представители, номенклатура) 1) Алифатические Систематическая заместительная номенклатура (ИЮПАК) Название УВ + ОН пропанон Радикало-функциональная номенклатура - диметилкетон Тривиальная номенклатура -ацетон 2) Ароматические -дифенилкетон - бензофенон

3) Смешанные 3) Смешанные - метилфенилкетон - ацетофенон - циклопентанон

II. Электронное строение и природа химической связи >C=O группы Гибридизация атомных орбиталей С

2. Полярность и поляризуемость связи С – О 1) Из–за большой электроотрицательности атома О (ЭОо>ЭОс) связь сильно поляризована С О. 2)  - связь легко поляризуется . 3) Образуется электрофильный центр на атоме С. 4) К электрофильному центру С происходит присоединение нулеофила. Для карбонильных соединений характерны реакции нуклеофильного присоединения ( АN)

3. Особые свойства Н при  С атоме Водород при  С атоме обладает кислотными свойствами (из-за –I эффекта СO-группы), которые он проявляет при соответствующих условиях. Кислотный характер H обуславливает протекание следующих реакций:

Для альдегидов и кетонов характерны следующие реакции:

1) Альдегиды легче вступают в реакции AN, из-за большего положительного заряда ( +  ) на С атоме (электрофильном центре) 1) Альдегиды легче вступают в реакции AN, из-за большего положительного заряда ( +  ) на С атоме (электрофильном центре)

2) Введение ЭА заместителя увеличивает активность в реакциях нуклеофильного присоединения AN. 2) Введение ЭА заместителя увеличивает активность в реакциях нуклеофильного присоединения AN. хлораль 3) Большие заместители затрудняют доступ Nu к С+ (стерический фактор)

Химические свойства карбонильных соединений. I. Реакции AN 1) Присоединение HCN– образование  - гидроксинитрилов (циангидринов) Вступают в реакцию альдегиды и кетоны – А, К. Реагент: - HCN (условие- следы КОН или KCN в Н+ среде)

1) Гидролиз -гидроксинитрилов приводит к образованию α-гидроксикарбоновых кислот 1) Гидролиз -гидроксинитрилов приводит к образованию α-гидроксикарбоновых кислот

2) Присоединение спиртов – образование полуацеталей и ацеталей ( реакции - в основном для А) 2) Присоединение спиртов – образование полуацеталей и ацеталей ( реакции - в основном для А) а) реагент – ROH (CH3OH, С2H5OH и т.д. ) условие – HCl сухой – обратимость процесса

Роль катализатора в реакции AN - увеличение заряд +  на С, Роль катализатора в реакции AN - увеличение заряд +  на С, в SN - создание хорошо уходящей группы Н2О. Механизм

Присоединение многоатомного спирта – образуется циклический ацеталь: Присоединение многоатомного спирта – образуется циклический ацеталь:

внутримолекулярное взаимодействие альдегидной и гидроксогруппы приводит к образованию циклических полуацеталей. внутримолекулярное взаимодействие альдегидной и гидроксогруппы приводит к образованию циклических полуацеталей. Общая схема образования полуцеталей

Значение реакции ацетализации 1). Реакция лежит в основе получения природных полисахаридов (полиацеталей) – целлюлозы, крахмала и т.д. (гетерополисахаридов – хондроитинсульфатов).

Значение реакции ацетализации

Восстановление в организме А и К В организме восстановление(гидрирование) альдегидов и кетонов до спиртов осуществляется ферментативно под действием восстановленных форм коферментов (НАДН) или ФАД(2Н).

Взаимодействие альдегидов и кетонов с аммиаком. Реакция осложняется циклизацией первоначальных продуктов присоединения

Уротропин - лекарственный препарат, дезинфецирующее средство, использующееся при воспалении мочевых путей (А.М.Бутлеров 1859г). Из уротропина в кислой среде (гидролиз) образуются формальдегид и аммиак.которые обладают антимикробными свойствами. Особенно сильное антимикробное действие уротропин оказывает в кислой среде мочевыводящих путей почек.

Роль иминов в биохимических процессах. Имины -промежуточные соединения при получении аминов из альдегидов и кетонов восстановительным аминированием.

Аналитические реакции иминов Используя производные NH3 и аминов, можно выделить А и К из реакционной смеси и идентифицировать их по температурам плавления. Оксимы - продукты реакции А и К с гидроксиламином NH2OH,

Примеры получения некоторых оксимов

Гидразоны - продукты взаимодействия гидразина Гидразоны - продукты взаимодействия гидразина с альдегидами и кетонами.

Фенилгидразоны - продукты взаимодействия А и К с фенилгидразином Фенилгидразоны - продукты взаимодействия А и К с фенилгидразином

5. Альдольная конденсация (А,К) 5. Альдольная конденсация (А,К)

Кротоновая конденсация Кротоновая конденсация Если реакцию конденсации проводить в более жестких условиях (при нагревании и в кислой среде),то альдоль дегидратируется с образованием кротонового альдегида

Значение реакции альдольной конденсации (присоединения). Значение реакции альдольной конденсации (присоединения). Реакции альдольного присоединения обратимы . В организме происходят два процесса: альдольная конденсация и альдольное расщепление. 1) В углеводном обмене, например, образуется нейраминовая кислота (С9) из С3 и С6. ( в свободном состоянии содержится в спинномозговой жидкости). Ее производные - сиаловые кислоты: компоненты специфических веществ крови и тканей входят в состав ганглиозидов мозга, участвующих в проведении нервных импульсов

Образование нейраминовой кислоты-реакция альдольного присоединения

Значение реакции альдольной конденсации (присоединения). Значение реакции альдольной конденсации (присоединения). 2) Образование новых связей С – С с участием тиоэфиров карбоновых кислот. 3) Альдольное расщепление: серин  гли + метаналь

Хлоральгидрат применяется в медицине как успокаивающее и снотворное средство. В основе его фармакологического эффекта лежит наркотическое действие на организм альдегидной группы. Хлоральгидрат применяется в медицине как успокаивающее и снотворное средство. В основе его фармакологического эффекта лежит наркотическое действие на организм альдегидной группы.

II. Кето-енольная таутомерия. Таутомерия - сосуществование в динамическом равновесии двух и более изомерных форм. Кето – енольная таутомерия- частный случай прототропной Т.Между кетонной и енольной формой осуществляется перенос протона. Атом Н при α атоме С обладает слабыми кислотным характером Карбанион енолят- ион енол

III.Окисление альдегидов 1). Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот большинством окислителей KMnO4,K2Cr2O7,и т.д.(даже кислородом воздуха).

2). Окисление альдегидов реактивом Толенса и реактивом Фелинга– качественная реакция на альдегидную группу.

в I ок II ок I в II

Реакция окисления – восстановления ( Канниццаро-Тищенко) для бензальдегида

V Реакции карбонильных соединений в радикале . V Реакции карбонильных соединений в радикале . 1.Для предельных альдегидов и кетонов характерны реакции - радикального замещения SR : Cl2, Br2, h или Р красный. Замещение происходит всегда в -С атоме.

2. Для непредельных альдегидов и кетонов характерны реакции электрофильного присоединения – AЕ в радикале, присоединение к , атомам С происходит против правила Марковникова

3) Для ароматических альдегидов и кетонов характерны реакции электрофильного замещения - SЕ ( катализатор AlCl3 AIBr3) – замещение происходит в мета – положении в бензольном кольце. 3) Для ароматических альдегидов и кетонов характерны реакции электрофильного замещения - SЕ ( катализатор AlCl3 AIBr3) – замещение происходит в мета – положении в бензольном кольце.

Галоформная реакция – качественная реакция Галоформная реакция – качественная реакция на фрагмент Используется для определения ацетона и ацетоновых тел в клиническом анализе при сахарном диабете.

Механизм галоформной реакции

Физико-химические методы исследования и идентификации карбонильных соединений Инфракрасная спектроскопия Карбонильные соединения содержат характеристическую группу С=О. Полосы валентных колебаний лежат в области 1740-1660 см-1.Они интенсивные ,а потому легко узнаваемы. Определение структуры соединений по ИК-спектру без привлечения других данных возможно только для относительно простых молекул. С помощью ИК-спектров устанавливается наличие отдельных элементов структуры

ИК-спектр циклогексанона

ИК-спектр бутаналя

ИК-спектр бензальдегида

Электронная спектроскопия Группа С=О алифатических альдегидов и кетонов может поглощать ультрафиолетовое излучение двумя способами.В результате в УФ - спектре появляются две полосы: Одна - около 190 нм ( если карбонильное соединение растворено в гексане).Переход электрона разрешен по симметрии. Вторая - очень низкой интенсивности в диапазоне 270-290 нм. Переход электрона запрещен по симметрии. Положение этой полосы зависит от растворителя и заместителя у αС атома.

Электронная спектроскопия УФ –спектр ацетона

УФ-спектр бензальдегида

Масс-спектроскопия При ионизации предельного альдегида в масс-спектрометре наиболее энергетически выгодным является отрыв одного из электронов свободной электронной пары кислорода. Молекулярный ион, катион-радикал ,возникающий при электронном ударе можно изобразить следующим уравнением:

Масс-спектр метилбутаналя

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ЯМР Спектроскопия ядерного магнитного резонанса основана на магнитных свойствах ядер, имеющих спиновое квантовое число I ,отличное от 0. Ядра, в которых имеется нечетное число протонов или нейтронов обладают магнитным моментом:1Н,13С(изотоп природного 12С) и др. При помещении вещества в сильное магнитное поле такие ядра ориентируются вдоль силовых линий поля с небольшим преобладанием . Поглощение энергии поля регистрируется в виде резонансного пика.

ЯМР –1Н спектр нитробензальдегида

ЯМР-спектр 1Н анисового альдегида

Карбонильные соединения – активные участники метаболизма 1. Кетокислоты участвуют в метаболизме углеводов(ПВК) и в процессах окисления липидов. Малоновый альдегид - пропандиаль - важнейший продукт перекисного окисления липидов, его определение в биосредах практикуется в биохимическом анализе.

Карбонильные соединения как лекарственные средства (некоторые примеры) 1.Производные бутиферона обладают успокаивающим действием (нейролептики).