🗊Презентация Кислотноcть и основность органических соединений. Инфракрасная спектроскопия. (Лекция 2)

Лекция № 2 Кислотноcть и основность органических соединений. Инфракрасная спектроскопия.

Кислотность и основность – очень важные понятия органической химии! Кислотность и основность – очень важные понятия органической химии! Теории кислотности и основности: Теория Льюиса (1923)– теория электронных пар. Кислота - акцептор электронных пар, Основание – донор электронных пар. SO3

Кислоты Бренстеда. Кислоты Бренстеда. Кислота Бренстеда- вещество, способное отдавать протоны, т.е. донор H+. В зависимости от природы элемента, с которым связан H , кислоты делятся на: C – H (углеводороды и их производные: алканы, алкены, алкины, арены) N – H (амины, амиды, имины) S – H (тиоспирты) O – H (спирты, фенолы, карбоновые кислоты) H и атом элемента называют кислотным центром.

Оценка кислотности Оценка кислотности Сила кислоты характеризуется Kдисс. HAn H+ + An- кислота сопряженное основание Чем сильнее кислота , тем слабее сопряженное основание, т.е. устойчивее, стабильнее анион Сравним: HCl H+ + Cl- сильная кислота слабое сопряженное основание (стабильный анион, плохо присоединяет Н+) CH3COOH H+ + CH3COO - слабая кислота сильное сопряженное основание (нестабильный анион, легко присоединяет Н+) Качественно сила кислоты может быть оценена по стабильности аниона, получающегося при диссоциации (сопряженного основания).

Факторы, определяющие кислотность (стабильность аниона) Факторы, определяющие кислотность (стабильность аниона) а) Влияние ЭО . Чем больше ЭО, тем сильнее кислотные свойства,тем стабильнее анион. C2H5OH C2H5O- + H+ ; pK=15,8 этанол этоксид-ион ОН – кислота (этилат) C2H5NH2 C2H5NH- + H+ ; pK=30 Этиламин ЭОO>ЭОN , О прочнее удерживает электрон и менее доступен протону, т.е. C2H5O- стабильнее, чем C2H5NH- ,следовательно, кислотные свойства C2H5OH более выражены, чем у C2H5NH2.

Влияние ЭО

б) Влияние радиуса атома б) Влияние радиуса атома C2H5OH C2H5O- + H+ pK=15,8 C2H5SH C2H5S- + H+ pK=10,5 Чем больше радиус атома, тем сильнее кислота и стабильнее анион.

в) Влияние заместителей в) Влияние заместителей C2H5OH C2H5O- + H+ pK=15,8 CBr3CH2OH CBr3CH2O- + H+ pK=12,4 нарколан CF3 - CH2OH CF3 - CH2O- + H+ pK=11,4 Заместители с –I эфф усиливают кислотность, а с + I эфф –ослабляют.

В молекуле барбитуровой кислоты существует С-Н кислотный центр (в СН2 – группе ). Благодаря влиянию двух соседних функциональных групп,обладающих –I эффектом, атом водорода становится подвижным. В молекуле барбитуровой кислоты существует С-Н кислотный центр (в СН2 – группе ). Благодаря влиянию двух соседних функциональных групп,обладающих –I эффектом, атом водорода становится подвижным. .

г) Влияние сопряжения г) Влияние сопряжения C2H5OH C2H5O- + H+ pK=15,8 pk=10 Введение ЭА заместителей в кольцо усиливает кислотные свойства. n-нитрофенол 2,4,6 – тринитрофенол pk=0.68

д) Влияние сольватации д) Влияние сольватации При сольватации увеличивается делокализация заряда, благодаря этому анион становится более стабильным.

Кислотные свойства спиртов, фенолов, тиолов Кислотные свойства спиртов, фенолов, тиолов Спирт можно рассматривать как углеводород, в котором один или более атомов H замещены на OH группы. Спирты классифицируются по природе радикала (по характеру радикала): (предельные,непредельные - алифатические, алициклические,ароматические), по характеру атома C с которым связана OH – группа: первичные,вторичные,третичные), по количеству OH: (одноатомные,двухатомные,трехатомные,многоатомные) .

I. Спирты I. Спирты 1. Одноатомные спирты – очень слабые кислоты C2H5OH + Na C2H5ONa + 1/2 H2 этилат Na или этоксид Na Кислотность спиртов уменьшается в следующей последовательности: CH3 CH3OH > CH3 - CH2OH > CH3 – CH - CH3 > CH3 – C - CH3 OH OH метанол этанол пропанол-2 2-метилпропанол-2 pK =15,2 pK =15,8 pK =16,9 pK =19,2 ROH + NaOH ,но C2H5ONa + H2O C2H5OH + NaOH

2. Двух- и трехатомные спирты 2. Двух- и трехатомные спирты Этандиол-1,2 (этиленгликоль)

3) Многоатомные спирты 3) Многоатомные спирты Накопление ОН групп ведет к появлению сладкого вкуса:

4.Многоатомный циклический спирт-Инозит циклогексангексаол - шестиатомный спирт. Из 9 возможных стереоизомеров инозита свойствами витамина обладает только мезоинозит.

II. Фенолы II. Фенолы Фенолы – соединения, содержащие одну или несколько ОН групп, связанных с ароматическим кольцом. а) одноатомные фенолы – кислотность значительно выше, чем у спиртов из-за участия в p-π сопряжении. (n-,m-,o-)- крезол содержит СН3 (+Iэфф ) , кислотные свойства уменьшаются.

Качественная реакция на С6Н5ОН - взаимодействие с FeCl3 с образованием соединения фиолетового цвета

б) Двухатомные фенолы б) Двухатомные фенолы 1,2-дигидроксибензол 1,3-дидроксибензол 1,4-дидроксибензол пирокатехин, pk=10.3 резорцин, pk=9 гидрохинон, pk=9.9

Биологическая роль двухатомных фенолов. Биологическая роль двухатомных фенолов. Пирокатехин является структурным элементом многих биологически активных веществ-катехоламинов – представителей биогенных аминов, образующихся в результате процесса метаболизма веществ: адреналин, норадреналин и дофамин, которые выполняют роль нейромедиаторов.

Адреналин – гормон мозгового вещества надпочечников, гормон страха. Адреналин – гормон мозгового вещества надпочечников, гормон страха. Интересно, что лишь левовращающий (природный) адреналин обладает биологической активностью, тогда как правовращающий биологически неактивен

2.Резорцин – используется в составе мазей или примочек при кожных заболеваниях.

Норадреналин– предшественники адреналина. Норадреналин– предшественники адреналина. Дофамин-гормон целеустремленности и концентрации

Гидрохинон – биологическая роль связана с окислительно-восстановительными свойствами,окисленная форма (хинон) и восстановленная (гидрохинон) входят в состав убихинонов. Гидрохинон – биологическая роль связана с окислительно-восстановительными свойствами,окисленная форма (хинон) и восстановленная (гидрохинон) входят в состав убихинонов. Убихиноны присутствуют в липидной фазе всех клеточных мембран и принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, сопровождающихся переносом электронов .

III. Тиоспирты R-SH – (тиолы, меркаптаны) III. Тиоспирты R-SH – (тиолы, меркаптаны) Кислотность RSH больше кислотности ROH: больший радиус атома серы по сравнению с кислородом,более эффективная делокализация отрицательного заряда на атоме S.

Особенность тиолов – образование труднорастворимых соединений с оксидами, гидроксидами, солями тяжелых металлов (Hg, Pb, Sb, Bi). Особенность тиолов – образование труднорастворимых соединений с оксидами, гидроксидами, солями тяжелых металлов (Hg, Pb, Sb, Bi). 2C2H5SH + HgO (C2H5S)2Hg + H2О В результате образуются МЕРКАПТИДЫ

Токсическое действие тяжелых металлов: SH группы ферментных белков cвязываются с металлами:

Антидоты – противоядия – содержат несколько SH групп, которые образуют более прочные растворимые комплексы с тяжелыми металлами, связывают свободный яд и освобождают инактивированный фермент. Антидоты – противоядия – содержат несколько SH групп, которые образуют более прочные растворимые комплексы с тяжелыми металлами, связывают свободный яд и освобождают инактивированный фермент.

Одним из первых антидотов был 2,3-димеркаптопропанол -1, получивший название Одним из первых антидотов был 2,3-димеркаптопропанол -1, получивший название б р и т а н с к о г о а н т и л ю и з и т а (БАЛ) Принцип действия антидотов - образование прочных комплексов с ионами тяжелых металлов

Действие унитиола в качестве противоядия при отравлении ртутью:

Наиболее распространенный тиол в организме – кофермент А (кофермент ацилирования, обычно обозначаемый - KoASH ). Наиболее распространенный тиол в организме – кофермент А (кофермент ацилирования, обычно обозначаемый - KoASH ). KoASH играет важную роль в процессах обмена веществ, в частности активирует карбоновые кислоты, превращая их в реакционно-способные сложные эфиры тиолов.

РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ SN И ЭЛИМИНИРОВАНИЯ E

Для спиртов характерны: 1) кислотные свойства; R – O – H 2) реакции нуклеофильного замещения SN; R – O – H 3) Реакции элиминирования Е;(дегидратация) 4) Реакции окисления (ОВР).

Реакции нуклеофильного замещения SN Природа химической связи ЭОо>ЭОс, связь С-О полярна. ОН группа является Nu. На атоме С образуется +δ (электрофильный центр). С может быть атакован другим Nu, который встанет на место ОН. Такая реакция называется реакцией нуклеофильного замещения – SN.

Реакции SN Реакции нуклеофильного замещения SN характерны для соединений , содержащих нуклеофил Nu,связанный с атомом углерода С в sp3 гибридизации ROH - спирты R-Г – галогенпроизводные R-SH –тиоспирты R-NН2 – амины

SN1 SN1

SN2 SN2

Уходящий анион должен быть более устойчивым,чем атакующий. Самые стабильные анионы – Г-: Cl-, Br-, I-, поэтому в классе RГ реакции SN – протекают легко: R – Cl + NaOH R – OH + NaCl Для остальных классов ROH, RSH, RNH2 реакции протекают трудно, т.к. соединения содержат плохо уходящие группы: ОН,SH,NH2

Для протекания реакции SN необходимо из плохо уходящей группы создать хорошо уходящую. Это делается с помощью катализатора (часто Н+).

Механизм SN (на примере ROH) Механизм SN (на примере ROH)

Спирты (субстраты) с третичными радикалами реагируют по SN1, а с первичными - по SN2- механизму. Спирты (субстраты) с третичными радикалами реагируют по SN1, а с первичными - по SN2- механизму. Соединения со вторичными радикалами могут реагировать по любому механизму в зависимости от природы нуклеофила, уходящей группы и растворителя

В целом способность вступать в реакцию нуклеофильного замещения для соединений различных классов меняется в следующей последовательности: R – Г > R – OH > R – SH > RNH2 Группы SH ,NH2, NHR, NR2 чрезвычайно плохо уходящие группы.Их нуклеофильное замещение осуществляется специальными (специфическими )реакциями:

Реакции Е-элиминирования Реакции нуклеофильного замещения SN и элиминирования Е - конкурентные реакции. В зависимости от условий реакция может стать реакцией элиминирования или нуклеофильного замещения.

Механизм Е Механизм Е Отщепление происходит по правилу Зайцева. Легкость протекания реакции: третичные > вторичные > первичные спирты Аналогично реакции Е протекают и в классе галогенпроизводных. Элиминирование в тиоспиртах, аминах протекает через образование сульфониевых или аммониевых катионов.

Биологическое значение SN Биологическое значение SN 1) Замещение в организме ОН-группы осуществляется, как правило, после её превращения в эфиры H3PO4, дифосфорной и трифосфорной кислот, т.к. анионы этих кислот - хорошо уходящие группы.

Биологическое значение SN Биологическое значение SN 2) Замещение SH –также происходит по SN ,после превращения в ониевые группы: R–S–H + H+ R – S – H R+ + H2S RY имеет очень важное биологическое значение. Так биологическое метилирование осуществляется при помощи S – метилсульфониевых солей. Наиболее универсальный S – донор – S – аденозилметионин. С его участием метилируется коламин,норадреналин.

Окисление спиртов, фенолов и тиолов. Окисление спиртов, фенолов и тиолов. Окисление спиртов 1) первичные спирты альдегиды карбоновые кислоты 2) вторичные спирты окисляются в кетоны В организме с участием HAD+

Многоатомные спирты карбоновые кислоты или оксокислоты. Многоатомные спирты карбоновые кислоты или оксокислоты. Окисление фенолов

IV. Окисление S-H. IV. Окисление S-H. В организме под влиянием ферментов: S – H - S – S – Eсв S-H = 330 кДж/моль, Eсв O-H = 462 кДж/моль S-H расщепляются даже, когда реагируют с мягкими окислителями (H2O2) R-S-H + H2O2 R-S-S-R + H2O Спирты в аналогичных условиях не окисляются. В спиртах подвергается окислению более слабая связь C-H, это приводит к другим продуктам окисления. R-S-H R-SO3H

Основность органических соединений. Биологически важные реакции аминов.

Основания Бренстеда. Основания Бренстеда. Основания Бренстеда – нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протоны (акцепторы Н+ ). а) π- основания: молекулы с двойной или тройной связью, арены. б) «ониевые» или n-основания, молекулы или ионы, содержащие гетероатом S, N, O: «S» – сульфониевые «О» – оксониевые «N» – аммониевые

Факторы, влияющие на основность Факторы, влияющие на основность а) Электроотрицательность элемента Чем меньше ЭО, тем сильнее основность б) Размер гетероатома Чем радиус меньше, тем основность больше в) Влияние заместителей ЭД заместители увеличивают основность, ЭА – уменьшают г) Влияние сопряжения Участие в сопряжении ослабляет основность

Основные центры в адреналине: Основные центры в адреналине: Основность этих центров ( с учетом влияния всех факторов) уменьшается: 4>3>2>1 Основность в ряду соединений различных классов, имеющих одинаковые радикалы, уменьшается в следующей последовательности: R-NH2 > R-OH > R-SH ! Наиболее сильными органическими основаниями являются амины.

Классификация аминов, номенклатура а)В зависимости от количества замещенных атомов Н различают амины : первичные вторичные третичные

б) В зависимости от природы органического радикала, амины делятся на алифатические ароматические смешанные гетероциклические

Анилин – простейший представитель первичных ароматических аминов:

Основные свойства аминов. Основные свойства аминов. Амины проявляют основные свойства за счет неподеленной электронной пары N (1s22s22p3 ) В алифатических аминах атом азота (NH2) имеет пирамидальное строение. Неподеленная электронная пара находится на sp³ ГАО.

В ароматических аминах NH2 имеет плоское строение, В ароматических аминах NH2 имеет плоское строение, sp² ГАО , неподеленная электронная пара находится на чистой p-АО. ! На основность аминов влияют природа радикалов и их количество.

а) Алифатические амины R-NH2 а) Алифатические амины R-NH2 Алкильный радикал R (CH3-, C2H5- и т.д.) обладает + I эффектом, повышает электронную плотность на атоме N, увеличивая основные свойства. Усиление основных свойств алифатических аминов в водных растворах. третичный амин в водном растворе имеет меньшую основность из-за пространственных факторов и специфической гидратации.

б) Ароматические амины б) Ароматические амины Арильные радикалы С6Н5- уменьшают основность, т.к. неподеленная электронная пара азота участвует в p-π-сопряжении с бензольным кольцом. R увеличивает основность Ar уменьшает основность ЭА заместители и сопряжение уменьшают основность ЭД увеличивают основность

Химические свойства аминов. Химические свойства аминов. I. Основные свойства.

Основные свойства многих лекарственных веществ используются для получения водорастворимых форм этих препаратов. При взаимодействии с кислотами образуются соли с ионным характером связи. Основные свойства многих лекарственных веществ используются для получения водорастворимых форм этих препаратов. При взаимодействии с кислотами образуются соли с ионным характером связи. Так, новокаин применяется в виде гидрохлорида – хорошо растворимого в воде соединения.

II. Алкилирование аминов II. Алкилирование аминов реагент – R-Cl, условие – избыток основания CH3NH2 + CH3Cl CH3 NH CH3

III. Ацилирование аминов III. Ацилирование аминов реагенты : RCOOH – карбоновые кислоты

IV. Реакция с HNO2 – азотистой кислотой – реакция идентификации аминов. IV. Реакция с HNO2 – азотистой кислотой – реакция идентификации аминов. а) первичные алифатические амины реакция дезаминирования, выделяется N2 и образуется спирт С2H5NH2 + HNO2 C2H5OH + N2 + H2O б) первичные ароматические амины реакция диазотирования

в) вторичные (алифатические и ароматические амины) – реакция образования нитрозаминов. Нитрозамины - желтые труднорастворимые соединения с характерным запахом, содержащие фрагмент >N-N=O

г) третичные ароматические (или смешанные) амины г) третичные ароматические (или смешанные) амины CH3 CH3 д) третичные алифатические амины с HNO2 не взаимодействуют!

Получение аминов образуется соль амина, из которой действием щелочи можно выделить первичный амин (этиламин):

Диамины это углеводороды, в молекулах которых два атома водорода замещены аминогруппами (NН2). С другой стороны - это первичные амины, ибо в обеих частицах аммиака, вступивших в соединение, замещено по одному атому водорода.

Путресцин H2N(CH2)4NH2 (1,4-диаминобутан или 1,4-тетраметилендиамин) Путресцин образуется при гниении белков из орнитина (диаминокарбоновая кислота): NH2-(CH2)3-CH(COOH)-NH2 → NH2-(CH2)4-NH2 + CO2↑ орнитин путресцин Путресцин находится в моче при цистинурии и образуется при гниении мяса (в трупах, вместе с кадаверином) и рыбы (сельди). Искусственно получается всеми общими способами образования диаминов.

Путресцин H2N(CH2)4NH2 Образуется в толстой кишке при ферментативном декарбоксилировании. Путресцин принимает активное участие в нормальном росте клеток, их дальнейшей дифференциации.

Кадаверин (1,5-диаминопентан или α-,ε- пентаметилендиамин) от лат. cadaver — «труп». Содержится в продуктах гнилостного распада белков; образуется из лизина при его ферментативном декарбоксилировании: NH2-(CH2)4-CH(COOH)-NH2 → NH2-(CH2)5-NH2 +CO2↑ лизин кадаверин Кадаверин обладает неприятным запахом и принадлежит к группе птомаминов (трупных ядов), однако ядовитость кадаверина относительно невелика. Птоамины – от греч. ptoma — «труп», группа азотсодержащих химических соединений, образующихся при гнилостном разложении, с участием микроорганизмов, белков мяса, рыбы, дрожжей и пр.

Алкалоиды Гетероциклические, азот содержащие основания растительного происхождения. Как правило представляют собой третичные амины ! Содержатся в растениях в виде солей органических кислот – лимонной, яблочной, щавелевой

Эфедрин: Алкалоид, содержащийся в различных видах растений рода эфедра, C6H5CH (OH) CH (NHCH3) CH3. Впервые выделен в 1887. По действию близок к адреналину. Возбуждает центральную нервную систему.

Кониин

Никотин

Никотин

! При длительном употреблении, никотин вызывает физическую зависимость- одну из самых сильных среди известных наркотиков. ! При длительном употреблении, никотин вызывает физическую зависимость- одну из самых сильных среди известных наркотиков.

Впервые сульфаниламид был синтезирован в 1908 году. Все сульфаниламиды содержат сульфонамидную группу SO2NH2. Замена ее на другие группы приводит к потере антибактериальной активности.

2. Многие амины токсичны. Анилин и другие ароматические амины являются кровяными и нервными ядами. Легко проникают в организм человека через кожу или при дыхании паров. Более опасны аминопроизводные нафталина и дифенила, такие как -2-аминонафталин, -2-аминодифенил, -бензидин вызывают раковые опухоли у человека.

3. В организме из α – аминокислот образуются биогенные амины, например гистамин, коламин и т.д. 3. В организме из α – аминокислот образуются биогенные амины, например гистамин, коламин и т.д. 4. Многие природные биологически активные вещества содержат в своем составе аминогруппу. Наиболее известные среди них нуклеиновые кислоты, алкалоиды (третичные амины), витамины, антибиотики.

Аминоспирты и аминофенолы

Аминоспирты Аминоспирты, органические соединения, содержащие —NH2- и —ОН-группы у разных атомов углерода в молекуле; Простейший аминоспирт – АМИНОЭТАНОЛ ( КОЛАМИН):

Холин Триметил-2-гидроксиэтиламмоний- структурный элемент сложных липидов (N-центр основности, ОН-слабый кислотный центр). Имеет большое значение как витаминоподобное вещество, регулирующее жировой обмен. В организме холин может образовываться из аминокислоты серина:

Ацетилхолин Ацетилхолин- уксуснокислый эфир холина биологически активное вещество, широко распространённое в природе. Посредник при передаче нервного возбуждения в нервных тканях ( нейромедиатор) Он образуется в организме при ацетилировании холина с помощью ацетилкофермента А

Аминофенолы, содержащие остаток пирокатехина, называются катехоламины и играют важную роль в организме (содержат основный центр NH2 или NHR и ОН- кислотный). Аминофенолы, содержащие остаток пирокатехина, называются катехоламины и играют важную роль в организме (содержат основный центр NH2 или NHR и ОН- кислотный). Катехоламины - биогенные амины, т.е. образующиеся в организме в результате процессов метаболизма. К ним относятся: Дофамин Норадреналин Адреналин

Катехоламины Катехоламины, производные пирокатехина, активно участвуют в физиологических и биохимических процессах. Катехоламины гормоны мозгового слоя надпочечников и медиаторы нервной системы, Они отражают и определяют состояние симпатического отдела вегетативной нервной системы, играют важную роль в нейрогуморальной регуляции и нервной трофике.

НОРАДРЕНАЛИН Главным образом важна его роль именно как нейромедиатора. Синоним: норэпинефрин. По действию на сердце, кровеносные сосуды, гладкие мышцы, а также на углеводный обмен Н. обладает свойствами гормона и близок к своему N-метильному производному — адреналину. Уровень Н. в крови, органах и выделениях организма позволяет судить о состоянии (тонусе и реактивности) симпатической нервной системы .

Дофамин Дофамин, 3,4-диоксифенилэтиламин, окситирамин, C6H3(OH)2CH2CH2(NH2), промежуточный продукт биосинтеза катехоламинов, образующийся в результате декарбоксилирования диоксифенилаланина (ДОФА). Дофамин (ДОФА) – важнейший нейромедиатор, участвующий в так называемой «системе награды». Когда мы делаем что-то хорошее в мозге выделяется дофамин, что и создаёт ощущение удовольствия Ряд органов и тканей (печень, лёгкие, кишечник и др.) содержат преимущественно Д. Наряду с адреналином и норадреналином Д. в небольших количествах секретируется надпочечниками.

Физико-химические методы исследования и идентификации спиртов и аминов масс-спектрометрия Масс-спектрометрия используется для выяснения структуры органических соединений, а также для определения их молекулярной массы. Метод основан на регистрации ионов,возникающих при ионизации нейтральных молекул. Распространенным способом ионизации является электронный удар.

масс-спектрометрия При соударении молекула вещества теряет электрон и образует возбужденный катион- радикал,называемый молекулярным ионом. В масс-спектре регистрируются только ионы . Разделение ионов основано на различии в траекториях их движения в магнитном и электростатическом полях. Положительно заряженные ионы разделяются в зависимости от отношения массы к заряду (m/Z),детектируются и регистрируются. Масс-спектры представляют в виде графика или таблицы

Масс-спектры

Масс-спектры

Масс-спектры

Применение масс-спектрометрии В настоящее время для идентификации и структурного исследования лекарственных веществ и их метаболитов применяют масс-спектрометры,представляющие собой комбинацию хроматографа и масс-спектрометра

Инфракрасная спектроскопия ИК-спектроскопия используется для установления строения соединений,содержащих OH,OR,SH , NH2, NHR,NR2. (спирты,простые эфиры,фенолы,тиолы,амины) Области поглощения данных структурных рагментов OH,OR,SH , NH2, NHR,NR2 известны,называются характеристическими. Они помещены в таблице. Диапазон частот их колебаний лежит в области (3700-2500см-1 Совпадение частоты сравниваемой полосы с табличным интервалом частот говорит о возможном нахождении в молекуле определенного структурного фрагмента. Если нет соответствующих полос в спектре-однозначный вывод: таких групп атомов в молекуле нет

ИК-спектр этанола

ИК-спектр анилина

ИК-спектр кожи можно определить степень гидратации, состояние липидного слоя

Спасибо за внимание!