Программа основного курса органической химии и некоторые дополнительные материалы,демонстрируемые на лекциях - второй семестр. Ароматические соединения Определение ароматичности

Ароматичностьособое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженноекольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем та, которую можнобыло бы ожидать только при одном сопряжении.Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и являетсяпонятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклическихмолекул, содержащих систему сопряженных двойных связей. Термин «ароматичность» был предложенпотому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом. Наиболее распространены ароматические соединения, содержащие в цикле шесть углеродных атомов; родоначальником этого ряда является бензол C 6 H 6 . Рентгеноструктурный анализ показывает, что молекула бензола плоская, а длина С-С связей составляет 0,139 нм. Из этого следует, что все шесть атомов углерода в бензоле находятся в sp 2 -гибридном состоянии, каждый атом углерода образует σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в одной плоскости, валентные углы составляют 120º. Таким образом, σ-скелет молекулы бензола представляет собой правильный шестиугольник. При этом каждый атом углерода имеет негибридную p -орбиталь, расположенную перпендикулярно плоскому скелету молекулы; все шесть негибридных p -электронов взаимодействуют между собой, образуя π-связи, не локализованные в пары, а объединенные в единое π-электронное облако. Таким образом, в молекуле бензола осуществляется круговое сопряжение. Графически строение бензола можно передать следующей формулой:

Круговое сопряжение дает выигрыш в энергии в 154 кДж/моль – эта величина составляет энергию сопряжения – количество энергии, которое нужно затратить, чтобы разрушить ароматическую систему бензола.

Для образования устойчивой ароматической системы необходимо, чтобы p -электроны формально группировались в 3, 5, 7 и т. д. двойных связей; математически это выражается правилом Хюккеля : повышенной термодинамической стабильностью обладают циклические соединения, имеющие плоское строение и содержащие в замкнутой системе сопряжения (4n + 2) электронов, где n – натуральный ряд чисел.

31 . Реакции электрофильного замещения в бензоле (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование). Представление о механизме реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду, σ- и π-комплексы.

Галогенирование

Для введения галогена в ароматическое кольцо в качестве реагентов используют комплексы галогенов с кислотами Льюиса. Роль последних заключается в поляризации связи галоген-галоген, в результате чего один из атомов приобретает положительный заряд, тогда как другой образует связь с кислотой Льюиса за счет ее вакантной d -орбитали.

Нитрование

Бензол и его гомологи превращаются в нитросоединения действием нитрующей смеси, которая состоит из концентрированных серной и азотной кислот (2:1). Нитрующей частицей (электрофилом) является катион нитрония NO 2 + , существование которого в нитрующей смеси доказано криоскопическим методом: измерения температур замерзания азотной и серной кислот и их смеси указывает на присутствие четырех частиц в растворе.

Сульфирование

Реакция сульфирования аренов, как считают, протекает в олеуме при действии триоксида серы, а в серной кислоте - с участием катиона HSO 3 + . Триоксид серы проявляет электрофильный характер благодаря полярности связей S–O.

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

Одним из способов получения гомологов бензола является реакция алкилирования. Превращение носит имя Ш. Фриделя и Дж. М. Крафтса, которые его открыли. В реакцию, как правило, вводят галогеналканы и галогениды алюминия в качестве катализаторов. Считают, что катализатор – кислота Льюиса – поляризует связь С-галоген, создавая на атоме углерода дефицит электронной плотности, т.е. механизм аналогичен реакции галогенирования

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Сходной с реакцией алкилирования является реакция ацилирования ароматических соединений. В качестве реагентов применяют ангидриды или галогенангидриды карбоновых кислот, продуктами являются ароматические кетоны. Механизм этой реакции включает образование комплексного соединения между ацилирующим реагентом и кислотой Льюиса. В результате положительный заряд на атоме углерода несравненно возрастает, что делает его способным к атаке ароматического соединения.

Нужно отметить, что, в отличие от реакции алкилирования, в данном случае необходимо брать избыток катализатора по отношению к количеству реагентов, т.к. продукт реакции (кетон) сам способен к комплексообразованию и связывает кислоту Льюиса.

Реакции электрофильного замещения σ- и π-комплексы характерны для ароматических карбоциклических и гетероциклических систем. В результате делокализации p-электронов в молекуле бензола (и других ароматических систем) p-электронная плотность распределена равномерно по обе стороны цикла. Подобное экранирование p-электронами атомов углерода цикла защищает их от атаки нуклеофильными реагентами и, наоборот, облегчает возможность атаки электрофильными реагентами. Но в отличие от реакций алкенов с электрофильными реагентами, взаимодействие ароматических соединений с ними не приводит к образованию продуктов присоединения, так как в этом случае нарушалась бы ароматичность соединения и уменьшалась его устойчивость. Сохранение ароматичности возможно в случае, если электрофильная частица заместит катион водорода.Механизм реакций электрофильного замещения похож на механизм реакций электрофильного присоединения, так как имеются общие закономерности протекания реакций.

Общая схема механизма реакций электрофильного замещения S Е:

Образование пи-комплекса идет за счет пи-связи в соединении, а сигма-комплекса - за счет сигма-связи.

Образование π-комплекса. Образовавшийся электрофил Х+(например, ион Br+) атакует богатое электронной плотностью бензольное ядро, образуя π-комплекс.

Превращение π-комплекса в σ-комплекс. Электрофил отбирает 2 электрона у π-системы, образуя σ−связь с одним из атомов углерода бензольного кольца. Разница между пи- и сигма-связью: Сигма связь более крепкая, сигма связь образуется гибридными орбиталями Пи связь, которая образована негибридизованными пи-орбиталями.Пи-связь более удалены от центров, соединяемых атомов, поэтому она менее крепкая и её легче разорвать.

32. Ароматические углеводороды. Влияние заместителей в бензольном кольце на изомерный состав продуктов и скорость реакции. Активирующие и дезактивирующие заместители. Орто-, пара- и мета -ориентанты. Реакции радикального замещения и окисления в боковой цепи.

Существенной особенностью реакций получения и превращений про­изводных ароматических углеводородов является то, что новые заместите­ли вступают в бензольное кольцо в определенные положения по отноше­нию к уже имеющимся заместителям. Закономерности, определяющие направление реакций замещения в бензольном ядре, называются прави­лами ориентации.

Реакционная способность того или иного атома углерода в бензольном кольце определяется следующими факторами: 1) положением и природой уже имеющихся заместителей, 2) природой действующего агента, 3) усло­виями проведения реакции. Решающее влияние имеют два первых фактора.

Заместители в бензольном кольце можно разделить на две группы.

Электронодонорные (первого рода) - это группировки атомов, способные отдавать электроны. К ним относятся ОН, OR, RCOO, SH, SR, NH 2 , NHR, NR 2 , NHCOR, -N=N-, CH 3 , CH 2 R, CR 3 , F, CI, Br, I.

Электроноакцепторные заместители (второго рода) - это атом­ные группировки, способные оттягивать, принимать электроны от бензо­льного ядра. К ним относятся S0 3 H, N0 2 , CHO, COR, COOH, COOR, CN, СС1 3 , и т. д.

Действующие на ароматические соединения полярные реагенты можно разделить на две группы: электрофильные и нуклеофильные. Наиболее характерны для ароматических соединений процессы алкилирования, галогенирования, сульфирования и нитрования. Эти процессы идут при взаимодействии ароматических соединений с электрофильными реагента­ми. Известны и реакции с нуклеофильными реагентами (NaOH, NH 2 Na и т. д.), например реакции гидроксилирования, аминирования.

Заместители первого рода облегчают реакции с электрофильными реагентами, причем они ориентируют новый заместитель в орто- и пара -положения.

Заместители второго рода затрудняют реакции с электрофильными ре­агентами: они ориентируют новый заместитель в мета-положение. В то же время эти заместители облегчают реакции с нуклеофильными реагентами.

Рассмотрим примеры реакций с различными ориентирующим действи­ем заместителей.

1. Заместитель первого рода; реагент электрофильный. Облегчающее реакцию действие заместителя, о-, п-ориентация:

2. Заместитель второго рода; реагент электрофильный. Затрудняющее реакцию действие заместителя; м-ориентация:

3. Заместитель первого рода; реагент нуклеофильный; м-ориентация. Затрудняющее действие заместителя. Примеры таких реакций с бесспор­ным механизмом неизвестны.

4. Заместитель второго рода; реагент нуклеофильный, о-, п-ориентация:

Правила ориентации при электрофильном замещении в бензольном кольце основаны на взаимном влиянии атомов в молекуле. Если в незамещенном бензоле С 6 Н 6 электронная плотность в кольце распределена равномерно, то в замещенном бензоле С 6 Н 5 Х под влиянием заместителя Х происходит перераспределение электронов и возникают области повышенной и пониженной электронной плотности. Это оказывает влияние на легкость и направление реакций электрофильного замещения. Место вступления нового заместителя определяется природой уже имеющегося заместителя.

Правила ориентации

Заместители, имеющиеся в бензольном ядре, направляют вновь вступающую группу в определенные положения, т.е. оказывают ориентирующее действие.

По своему направляющему действию все заместители делятся на две группы: ориентанты первого рода и ориентанты второго рода .

Ориентанты 1-го рода (орто-пара орто - и пара -положения. К ним относятся электронодонорные группы (электронные эффекты групп указаны в скобках):

R (+I ); -OH (+M,-I ); -OR (+M,-I ); -NH 2 (+M,-I ); -NR 2 (+M,-I )+M-эффект в этих группах сильнее, чем -I-эффект.

Ориентанты 1-го рода повышают электронную плотность в бензольном кольце, особенно на углеродных атомах в орто - и пара -положениях, что благоприятствует взаимодействию с электрофильными реагентами именно этих атомов. Пример:

Ориентанты 1-го рода, повышая электронную плотность в бензольном кольце, увеличивают его активность в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.

Особое место среди ориентантов 1-го рода занимают галогены, проявляющие электроноакцепторные свойства: -F (+M<–I ), -Cl (+M<–I ), -Br (+M<–I ).Являясь орто-пара -ориентантами, они замедляют электрофильное замещение. Причина - сильный –I -эффект электроотрицательных атомов галогенов, понижащий электронную плотность в кольце.

Ориентанты 2-го рода (мета -ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в мета -положение. К ним относятся электроноакцепторные группы:

NO 2 (–M, –I ); -COOH (–M, –I ); -CH=O (–M, –I ); -SO 3 H (–I ); -NH 3 + (–I ); -CCl 3 (–I ).

Ориентанты 2-го рода уменьшают электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто - и пара -положениях. Поэтому электрофил атакует атомы углерода не в этих положениях, а в мета -положении, где электронная плотность несколько выше. Пример:

Все ориентанты 2-го рода, уменьшая в целом электронную плотность в бензольном кольце, снижают его активность в реакциях электрофильного замещения.

Таким образом, легкость электрофильного замещения для соединений (приведенных в качестве примеров) уменьшается в ряду:

толуол C 6 H 5 CH 3 > бензол C 6 H 6 > нитробензол C 6 H 5 NO 2 .

Реакции радикального замещения и окисления в боковой цепи

Вторая по важности группа реакций алкилароматических углеводородов - свободнорадикальное замещение атома водорода боковой цепи в a -положении по отношению к ароматическому ядру.

Преимущественное замещение в a -положении объясняется высокой устойчивостью соответствующих алкилароматических радикалов, а следовательно, сравнительно небольшой прочностью a -С-Н-связи. Например, энергия разрыва связи С-Н в боковой цепи молекулы толуола составляет 327 кДж/моль - на 100 кДж/моль меньше, чем энергия связи С-Н в молекуле метана (427 кДж/моль). Это означает, что энергия стабилизации свободного радикала бензила С 6 Н 5 -СН 2 · равна 100 кДж/моль.

Причиной высокой устойчивости бензильного и других алкилароматических радикалов с неспаренным электроном у a -углеродного атома является возможность распределения спиновой плотности неспаренного электрона на несвязывающей молекулярной орбитали, охватывающей атомы углерода 1", 2, 4 и 6.

В результате распределения (делокализации) спиновая плотность неспаренного электрона только на 4/7 остается у некольцевого атома углерода, остальные 3/7 спиновой плотности распределены между одним пара - и двумя орто - углеродными атомами ароматического ядра.

Реакции окисления

Реакции окисления в зависимости от условий и природы окислителя могут протекать по разным направлениям.

Молекулярный кислород при температуре около 100 о С окисляет изопропилбензол по радикально-цепному механизму до сравнительно устойчивого гидропероксида.

33. Конденсированные ароматические углеводороды: нафталин, антрацен, фенантрен, бензпирен. Их структурные фрагменты в природных и биологически активных веществах (стероидов, алкалоидов, антибиотиков).

Нафтали́н - С 10 Н 8 твердое кристаллическое вещество с характерным запахом. В воде не растворяется, но хорошо растворим в бензоле, эфире, спирте, хлороформе. Нафталин по химическим свойствам сходен с бензолом: легко нитруется, сульфируется, взаимодействует с галогенами. Отличается от бензола тем, что ещё легче вступает в реакции. Нафталин получают из каменноугольной смолы.

Антраце́н - бесцветные кристаллы, t пл 218° C. Нерастворим в воде, растворим в ацетонитриле и ацетоне, при нагревании растворим в бензоле. Антрацен получают из каменноугольной смолы. По химическим свойствам сходен с нафталином (легко нитруется, сульфируется и т. д.), но отличается от него тем, что легче вступает в реакции присоединения и окисления.

Антрацен может фотодимеризоваться под действием УФ излучения. Это приводит к существенному изменению свойств вещества.

В димере имеются две ковалентные связи, образованные в результате циклоприсоединения. Димер распадается обратно на две молекулы антрацена при нагревании или при УФ облучении с длиной волны ниже 300 нм.Фенантрен - трициклический ароматический углеводород. Фенантрен представляет собой блестящие бесцветные кристаллы. Не растворяется в воде, растворяется в органических растворителях (диэтиловом эфире, бензоле, хлороформе, метаноле, уксусной кислоте). Растворы фенантрена светятся голубым цветом.

По химическим свойствам напоминает нафталинБензпире́н, или бензапире́н - ароматическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов, вещество первого класса опасности.

Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива (в меньшей степени при сгорании газообразного).

В окружающей среде накапливается преимущественно в почве, меньше в воде. Из почвы поступает в ткани растений и продолжает своё движение дальше в пищевой цепи, при этом на каждой её ступени содержание БП в природных объектах возрастает (см. Биомагнификация).

Обладает сильной люминесценцией в видимой части спектра (в концентрированной серной кислоте - А 521 нм (470 нм); F 548 нм (493 нм)), что позволяет обнаруживать его в концентрациях до 0,01 миллиардных долей люминесцентными методами.

34. Галогенпроизводные углеводородов. Классификация, номенклатура, изомерия .

Классифицировать галогенопроизводные можно несколькими способами:

1. в соответствии с общей классификацией углеводородов (т.е. алифатические, алициклические, ароматические, предельные или непредельные галогенопроизводные)

2. по количеству и качеству атомов галогенов

3. по типу атома углерода, к которому присоединён атом галогена: первичные, вторичные, третичные галогенопроизводные.

По номенклатуре ИЮПАК положение и название галогена указывается в приставке. Нумерация начинается с того конца молекулы, к которому ближе расположен атом галогена. Если присутствует двойная или тройная связь, то именно она определяет начало нумерации, а не атом галогена: До сих пор широко используется т.н. “рациональная номенклатура” для составления названий галогенопроизводных. В этом случае название строится следующим образом: углеводородный радикал + галогенид.

Некоторые галогенопроизводные имеют тривиальные названия, например ингаляционный анестетик 1,1,1-трифтор-2-бром-2-хлорэтан (CF 3 -CBrClH) имеет тривиальное название фторотан. 3. Изомерия

3.1. Cтруктурная изомерия 3.1.1. Изомерия положения заместителей

1-бромбутан 2-бромбутан

3.1.2. Изомерия углеродного скелета

1-хлорбутан 2-метил-1-хлорпропан

3.2. Пространственная изомерия

Стереоизомерия может проявляться при наличии четырёх разных заместителей у одного атома углерода (энантиомерия) или при наличии разных заместителей при двойной связи, например:

транс-1,2-дихлорэтен цис-1,2-дихлорэтен

35. Реакции нуклеофильного замещения атома галогена, их использование в синтезе органических соединений различных классов (спиртов, простых и сложных эфиров, аминов, тиолов и сульфидов, нитроалканов, нитрилов). - позволяет получать представители практически всех классов органических соединений (спирты, эфиры, амины, нитрилы и др.), поэтому эти реакции широко применяются в синтезе лекарственных веществ. Основные механизмы реакций

Замещение галогена у sp 3 -гибридного атома углерода может осуществляться как по S N 1, так и по S N 2 механизмам. Замещение галогена у sp 2 -гибридного атома углерода (в арил- и винилгалогенидах) идет либо по типу присоединения-отщепления, либо по типу отщепления-присоединения и значительно труднее, чем у sp 3 -гибридного. - S N 1 механизм включает две стадии: а) диссоциация алкилгалогенида на ионы; б) взаимодействие катиона с нуклеофиломНуклеофильная атака контактной ионной пары, в которой асимметрия в значительной мере сохраняется, приводит к обращению конфигурации. В сольватно-разделенной ионной паре одна сторона катиона экранируется сольватированным галогенид-ионом и атака нуклеофила более вероятна с другой стороны, что приводит к преимущественному обращению конфигурации, но селективность снижается, и рацемизация увеличивается. Полная рацемизация возможна лишь при образовании свободного катиона (с). Однако, полная рацемизация для оптически активных галогенидов при механизме S N 1 обычно не наблюдается. Рацемизация составляет от 5 до 20%, следовательно, сольватированный катион практически не образуется.

Стадия образования карбокатиона является лимитирующей, а, следовательно, стабильность катиона определяет быстроту прохождения процесса. Скорость процесса зависит также от концентрации алкилгалогенида и не зависит от концентрации нуклеофила.

Образование карбокатиона может являться причиной ряда побочных процессов: изомеризация углеродной цепи, элиминирование (EI) и др

Нуклеофил Nu - атакует субстрат со стороны, противоположной уходящей группе. При этом реакция идет в одну стадию с образованиемпереходного состояния, в которомsp 3 -гибридизация центрального атома углерода изменяется наsp 2 - с р-орбиталью, перпендикулярной плоскости расположения гибридных орбиталей. Одна доля этойр-орбитали перекрывается с нуклеофилом, а вторая – с уходящей группой.Связь С-Nu образуется одновременно с разрывом связи С-Y.

Скорость превращения исходных веществ в продукты реакции зависит: 1)от величины положительного заряда на атоме углерода субстрата, 2)пространственных факторов, 3)силы нуклеофила и 4)в кинетической области от концентрации как нуклеофила, так и алкилгалогенида. При большом избытке нуклеофила реакция может протекать попервому или дробному порядку. (Термины S N 1 и S N 2 указывают лишь на молекулярность, но не на порядок реакции.)

Реакция всегда сопровождается обращением конфигурации.Побочной может быть реакция элиминирования Е2.

Механизм S N Ar (присоединение - отщепление) -обычно реализуетсяпри наличие электроноакцепторных заместителей, которые создаютd+ (направляют нуклеофил) и стабилизируютs-комплекс. В гетероциклах их роль выполняет гетероатом. В отличие от механизмаS N 2 для алкилгалогенидов нуклеофил образует новую связь раньше, чем рвется старая.

Пиридин и хинолин можно рассматривать как аналоги нитробензола. Как и в нитробензоле, большое значение имеет положение галогена в кольце. 3-Галогенпиридины похожи на галогенбензолы, 2-,4-замещенные аналогичны нитрогалогенбензолам, при этом 4-галогенпиридин активнее 2-замещенного. Реакционная способность алкилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения в протонных растворителях уменьшается (уменьшается способность групп уходить) в следующем ряду: RI > RBr > RCl > RF.

В случае активированных галогенаренов появление положительного заряда у реакционного центра зависит не только от количества, расположения и природы других заместителей в ядре, но и от природы замещаемого галогена. Поэтому атомы галогена могут быть замещены с возрастающей легкостью в ряду I < Br < Cl < F .Катализ замещения галоген в аренах медью – один из важных технологических приемов, позволяющий ускорить реакцию замещения неактивированного галогена в аренах, снизить температуру реакции (~ на 100 о С), увеличить селективность процесса и выход продукта. Предполагают, что реакция идет через стадию образования медь-органических комплексов

Ароматические субстраты (арилгалогениды) должны быть активированными, иначе выход целевого продукта (эфира) может оказаться низким за счет побочных процессов. .Замена галогена в первичных и вторичных алкилгалогенидах на амино группу осуществляется нагреванием их со спиртовым, водным или водно-спиртовым раствором аммиака, первичного или вторичного амина под давлением (в автоклаве). При этом образуется смесь солей первичных, вторичных, третичных аминов и четвертичных солей аммония

1. Молекула имеет плоское циклическое строение.

2. Все атомы в цикле в состоянии sp2- гибридизации (следовательно s-скелет плоский и все sp-орбитали параллельны.

3. В молекуле существует делокализованная p-электронная система, содержащая 4n + 2 p-электрона, где n = 0,1,2, – натуральный ряд чисел. Это правило получило название правила Хюккеля

Ароматическим характером обладают и гетероциклические соединения. При замене в молекуле бензола –СН= на –N= образуется гетероциклическое соединение пиридин.

Мезомерный эффект. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Теория резонанса как качественный способ описания делокализации электронной плотности.

Мезомерный эффект или эф.сопряжение – это передача электронного влияния заместителей по сопряженной системе. В отличии от I (индуктивный)- эффекта, М (мезомерный) –эффект передается по спряж-ной системе без затухания. Замест. пониж-е электр. плотности в сопряж. системе (смещ-е ЭП в свою сторону) проявл. - М-эффект и явл. электроноакцептор. (заместители содерж. кратные связи атома углер. с более отриц. гетероатомами).

Замест. повыш-е электр. плотности в сопряж. системе (смещ-е ЭП от себя в сторону сопряж. системы) проявл. +М-эффект и явл. электронодонор. (заместители содерж. гетероатом. с не поделенной парой электр.)

М-эффект (гидроксо,амино, OR, галогены). - М-эффект (нитро, сульфо, карбоксильная, карбонильная).

Теория резонанса - теория электронного строения хим.соед., в соответствии с которой распределение электронов в молек., является комбинацией (резонансом) канонических структур с различной конфигурацией двухэлектронных ковалентных связей.

Резонансные структуры циклопентадиенид-иона

Конфигурация и конформация – важнейшие понятия стереохимии. Конфигурация. Элементы симметрии молекул (ось, плоскость, центр) и операции симметрии (вращение, отражение). Хиральные и ахиральные молекулы. Асимметрический атом углерода как центр хиральности.

Стериохимия – раздел химии, изуч.простр. строен. молекуы и его влиян. на физ-хим свойства, а так же на направл. и скорость их реакции. В ее основе лежат три фундаментальных понятия: хиральность, конфигурация и конформация.

Конфигурация – это пространств. располож.вход. в состав молекулы атомов или ат. групп без учета различий, возник.в след. вращения вокруг одинарных связей.

Ось симметрии . Если вращение молекулы вокруг какой-либо проходящей через нее оси на угол 2π/n = 360°/n приводит к структуре, не отличающейся от исходной, то такую ось называют осью симметрии n -го порядка С n .

Плоскость симметрии (зеркальная плоскость) представляет собой воображаемую плоскость, которая проходит через молекулу и делит ее на две зеркально-равные части.

При наличии центра симметрии все атомы молекулы, не лежащие в центре симметрии, расположены попарно на одной прямой, проходящей через центр, на одинаковом расстоянии от центра, как, например, в бензоле.

Конформации молекул – различные простр.формы молекул, возник.при изменении относительно ориентации отдельных ее частей в рез. внутр. вращения атомов или групп атомов вокруг ординарных связей, изгиба связей и др.

Если молекулы несовместимы со своим зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью , а сами молекулы – хиральными (означает, что два предмета относятся друг к другу как левая и правая руки (от греч. хирос – рука) и представляют собой зеркальные изображения, не совпадающие при попытке совместить их в пространств).

Асимметрический атом углерода - атом,связанный с четырьмя различными заместителями.

Молекулы с одним центром хиральности (энантиомерия). Глицериновый альдегид как конфигурационный стандарт. Проекционные формулы Фишера. Относительная и абсолютная конфигурация. D-, L- и R-, S -системы стереохимической номенклатуры. Рацематы.

Энaнтиомeры – это стереоизомеры, хиральные молекулы которых отн-ся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение (представляют собой два оптич. антипода и поэтому называются также оптическими изомерами).

Глицериновый альдегид содержит хиральный центр, сущ.в виде 2-х стереоизомеров, облад. различ. опт.активностью.

Проекционные формулы, предложенные Э. Фишером : 1) углер.скелет распол. вертикально;2)вверху располагают наиб. старшую функц. группу; 3)тетраэдр ориентируют так, чтобы хиральный центр расп-ся в плоскости, заместители, распол-ся справа и слева от углеродной цепи, были направлены вперед от плоскости проекции; по вертикали располагают заместители, уходящие от наблюдателя за плоскость проекции; Асимметр.атом углерода переносится на плоскость в точку пересечения гориз.и вертик.линий. Относительная конфигурация - это взаимное расположение заместителей при разных асимметр. атомах по отношению друг к другу; обычно ее обозначают приставками (цис- и транс-, трео- и эритро- др.). Абсолютная конфигурация - это истинное расположение в пространстве заместителей при каждом асимметрическом атоме молекулы; чаще всего ее обозначают буквами D или L.

R,S-номенклатура .1) Опред-е старшинства заместителей при хиральном центре:а) порядок старшинства сначала уст-ся для атомов, непоср. связ. с центром: «чем больше атомный номер, тем старше заместитель».б) если ближ. атомы одинак., то процедуру следует проводить для атома следующей сферы.2) Расположив самый младший заместитель от наблюдателя, определяют направление падения старшинства оставшихся трех заместителей. Если оно происходит по часовой стрелке – это R-изомер, против – S–изомер. D,L-номенклатура (Связана с проекцией Фишера). Если функц-ая группа при хиральном центре нах-ся справа, то это D-изомер, слева – L-изомер.Энантиомеры отличаются способностью вращать плоскополяризованный свет: справа (+) D, слева (-) L.

7.Возникновение конформаций в результате вращения вокруг σ-связей. Факторы, затрудняющие вращение. Проекционные формулы Ньюмена. Виды напряжений. Энергетическая характеристика конформаций открытых цепей. Связь пространственного строения с биологической активностью

1. Конформации (поворотная изомерия) . Не меняя ни валентных углов, ни длин связей, можно представить себе множество геометрических форм молекулы этана, отличающихся друг от друга взаимным поворотом углеродных тетраэдров вокруг соединяющей их связи С-С. В результате такого вращения возникают поворотные изомеры (конформеры) .

В проекции Ньюмена молекулу рассматривают вдоль связи С-С). Три линии, расходящиеся под углом 120 о из центра круга, обозначают связи ближайшего к наблюдателю углеродного атома; линии, "высовывающиеся" из-за круга - связи удаленного углеродного атома.

Изображенную слева конформацию называют заслоненной . Это название напоминает о том, что атомы водорода обеих СН 3 -групп находятся друг против друга. Заслоненная конформация имеет повышенную внутреннюю энергию, и поэтому невыгодна. Конформацию, изображенную справа, называют заторможенной , подразумевая, что свободное вращение вокруг связи С-С "тормозится" в этом положении, т.е. молекула существует преимущественно в этой конформации.

Минимум энергии, необходимый для полного вращения молекулы вокруг определенной связи называется барьером вращения для данной связи. Барьер вращения в молекуле, подобной этану, может быть выражен через изменение потенциальной энергии молекулы как функции изменения двугранного (торсионного) угла системы. Двугранный угол (обозначаемый ) изображен на рисунке, приведенном ниже:

С усложнением молекулы число возможных конформаций возрастает. Ниже конформации н-бутана изображены в виде проекций Ньюмена. Изображенные слева (заслоненные) конформации энергетически невыгодны, практически реализуются лишь заторможенные.

Циклоалканы. Номенклатура. Малые циклы. Электронное строение циклопропана. Особенности химических свойств малых циклов (реакции присоединения). Обычные циклы. Реакции замещения. Виды напряжений. Энергетическое различие конформаций циклогексана (кресло, ванна, полукресло). Аксиальные и экваториальные связи. Получение. Свойства

Физические свойства. При обычных условиях первые два члена ряда (С 3 - С 4) - газы, (С 5 - С 16) - жидкости, начиная с C 17 - твердые вещества..Получение. 1. Основной способ получения циклоалканов - отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:

2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные: t°,P,Ni C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12 .

Химические свойства . По химическим свойствам малые и обычные циклы существенно различаются между собою. Циклопропан и циклобутан склонны к реакциям присоединения, т.е. сходны в этом отношении с алкенами. Циклопентан и циклогексан по своему химическому поведению близки к алканам, так как вступают в реакции замещения.1. Так, например, циклопропан и циклобутан способны присоединять бром (хотя реакция и идет труднее, чем с пропеном или бутеном):

2. Циклопропан, циклобутан и даже циклопентан могут присоединять водород, давая соответствующие нормальные алканы.
Присоединение происходит при нагревании в присутствии никелевого катализатора:

3. В реакцию присоединения с галогеноводородами опять же вступают только малые циклы. Присоединение к гомологам цик­лопропана происходит по правилу Марковникова:

4. Реакции замещения. Обычные циклы (С 6 и выше) устойчивы и вступают только в реакции радикального замещения подобно алканам:t°С 6 Н 12 + Вr 2 → С 6 Н 11 Вr + НВr.

5. Дегидрирование циклогексана в присутствии никелевого катализатора приводит к образованию бензола:t° Ni
C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 .6. При действии сильных окислителей (например, 50%-ной азотной кислоты) на циклогексан в присутствии катализатора об­разуется адипиновая (гександиовая) кислота:

Особенности строения циклоалканов и их химическое по­ведение. циклопропан имеет плоское строение, поэтому атомы водорода у соседних атомов углерода располагаются над и под плоскостью цикла в энергетически невыгодном ("заслоненном") положении. Это - одна из причин "напряженности" цикла и его неустойчивости.

Конформации шестичленного цикла: а - кресло: 6 - ванна.Другое возможное для циклогексана расположение атомов со­ответствует конформации ванны, хотя оно менее устойчиво, чем конформация кресла. Следует отметить, что и в конформации кресла, и в конформации ванны связи вокруг каж­дого атома углерода имеют тетраэдрическое расположение. Отсюда - несравнимо большая устойчивость обычных циклов по сравнению с малыми циклами, отсюда - их возможность всту­пать в реакции замещения, но не присоединения.Циклоалканы - это предельные циклические углеводороды. Простейшие представители этого ряда: циклопропан циклобутан. Общая формула CnH2n. Строение. Изомерия и номенклатура.Циклоалканы - это предельные циклические углеводороды. Простейшие представители этого ряда:

Алкены. Номенклатура. Изомерия. Способы получения. Реакции электрофильного присоединения, механизм. Присоединение галогенов, гидрогалогенирование, гидратация и роль кислотного катализа. Правило Марковникова. Представление о реакциях радикального присоединения. Окисление алкенов (озонирование, эпоксидирование).

Алкены- это не циклические УВ, в молекулах которых 2 атома углерода находятся в состоянии sp 2 –гибридизации и связаны друг с другом двойной связью.

Первым представителем гомологического ряда алкенов является этен (этилен) – С 2 Н 4 .. Гомологический ряд алкенов имеет общую формулу С n Н 2n . Характерной особенностью строения алкенов является наличие в молекуле двойной связи >C=C<. Двойная связь образуется при помощи двух пар обобщенных электронов. Углеродные атомы, связанные двойной связью, находятся в состоянии sp²-гибридизации, каждый из них образует три σ-связи, лежащие в одной плоскости под углом 120º.

Для алкенов характерна структурная изомерия: различия в разветвлении цепи и в положении двойной связи, а также пространственная изомерия (цис- и трансизомеры).. По международной номенклатуре алкены называют путем нумерации наиболее длинной цепи начиная с конца, к которому ближе двойная связь. По рациональной номенклатуре они считаются производными этилена, где один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Например назовем вещество по международной (ИЮПАК) номенклатурам: СН 3 – С(CH 3)= СН 2 Изобутилен, несимм.-диметилэтилен,2-метил-пропен.

Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и является понятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклических молекул, содержащих систему сопряженных двойных связей . Термин «ароматичность» был предложен потому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом.

К ароматическим соединениям относят обширную группу молекул и ионов разнообразного строения, которые соответствуют критериям ароматичности .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Ароматические соединения и правило Хюккеля

Мезомерный эффект (эффект сопряжения). Часть 1.

Ароматичность. Критерии ароматичности органических соединений.

Ароматические гетероциклы. Ч.1

Правило ароматичности Хюккеля

Субтитры

Я уже говорил о явлении ароматичности, а этот ролик целиком посвящу этой теме. Итак, ароматические вещества. Прежде всего: почему эти вещества называются ароматическими? Очевидно, что от слова «аромат». Вы можете решить, что все ароматические соединения обладают сильным запахом, однако многие из них совсем не пахнут. Тогда почему? Возможно, это из-за того, что они как-то связаны с веществами, имеющими сильный запах, вот их и назвали ароматическими. Это остается тайной. Большинство известных ароматических соединений, 99% таких веществ, представляют собой либо бензол, либо производные бензола. Давайте нарисуем бензол. Обычно молекулу бензола рисуют так. Цикл из 6 атомов с тремя двойными связями. Вот эти три двойные связи. В ролике про резонанс я говорил, что эта структурная формула не единственная. Возможен и другой вариант. Этот электрон может смещаться сюда, этот электрон - сюда, а этот электрон - сюда. Давайте нарисуем, что получится в итоге. Получается вот такая структурная формула. Возможна такая конфигурация молекулы бензола, где двойные связи расположены иначе, чем на первой формуле. Вот такие две формулы. Из ролика про резонанс вы знаете, что на самом деле все немного сложнее. Обе формулы верны. Бензол существует сразу в двух конфигурациях, а не переходит из одной в другую. Это отображается так: цикл из шести атомов углерода с кругом в середине. Так химики часто изображают бензольное кольцо. Это означает, что все π-электроны, которые образуют двойные связи в молекуле, распределены между атомами, размазаны по всему кольцу. Именно делокализация π-электронов в цикле наделяет ароматические вещества их уникальными свойствами. Эта конфигурация намного стабильнее, чем просто статичное чередование одинарных и двойных связей в кольце. Есть еще один способ нарисовать бензол. Я сменю цвет и покажу его желтым. Делокализованность π-электронов показывают следующим образом: пунктирная линия здесь, здесь, здесь, здесь, здесь и здесь. Это самый популярный вариант отображения делокализации электронов в бензольном кольце, то есть наличия сопряженной системы π-электронов. Я расскажу вам, что это такое. Эти две формулы также используются, но истинная структура бензола лежит между этими конфигурациями. Нужно показать вам, что там происходит. Наверняка вы слышали о сопряженных системах π-электронов. Думаю, будет совсем не лишним показать молекулу бензола в трех измерениях. Итак, смотрите. Вот цикл из шести атомов углерода: углерод, углерод, углерод, углерод, углерод, углерод. Каждый из атомов углерода связан еще с тремя атомами, двумя атомами углерода и атомом водорода. Я нарисую водород и его связь с углеродом. Вот атом водорода, вот атом водорода, водород, водород, и еще два атома водорода. У каждого атома углерода есть три гибридные орбитали, это sp2-гибридизация. Кроме того, у каждого из них осталась свободная p-орбиталь. Эта p-орбиталь не образует сигма-связей с соседними атомами. А еще есть p-орбитали, которые похожи на гантели. Вот p-орбиталь, вот p-орбиталь, вот, вот и еще две p-орбитали. На самом деле орбиталей больше, но тогда они бы закрывали рисунок. Не забывайте, что в молекуле бензола есть двойные связи. Я выделю цветом один из атомов углерода. Вот эта сигма-связь соответствует, допустим, этой сигма-связи. Для удобства покажу другую связь. Допустим, эта сигма-связь соответствует этой связи между двумя атомами углерода. Двойная связь, которую я покажу лиловым цветом, образована за счет бокового перекрытия p-орбиталей. p-орбитали соседних атомов углерода перекрываются. Орбиталь - это область, где может оказаться электрон с определенной вероятностью. Эти области большие, они перекрываются и электроны образуют дополнительную π-связь. Что же происходит в сопряженной системе π-электронов. Я запишу это, чтобы вы не забыли. Сопряженная система π-электронов. На этом месте может быть связь, если орбитали перекрываются. Вот так я покажу перекрытие орбиталей. При переходе в другую конфигурацию орбитали станут перекрываться здесь. На самом деле все эти π-электроны скачут по всему кольцу. Электроны путешествуют по всем этим p-орбиталям. Они могут быть в любом месте цикла. Именно это имеют в виду, когда говорят об ароматических свойствах веществ. Из-за этого вещества приобретают особую устойчивость. Большинство ароматических веществ представляют собой именно такие циклы, бензол и его производные. Но есть и другие вещества. Любое вещество, у которого в цикле есть 4n + 2 π-электронов, где n-целое число, обладает ароматичностью, то есть представляет собой ароматическое соединение. Давайте подсчитаем электроны. У каждого атома углерода из шести один π-электрон. У каждого атома углерода одна p-орбиталь, и каждую такую орбиталь занимает один электрон. Итого их 1, 2, 3, 4, 5, 6. Можно по-другому: каждая двойная связь это 2 π-электрона. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Это называется соответствием правилу Хюккеля. Думаю, это немецкая фамилия. Правило Хюккеля. Бензол ему соответствует. При n, равном единице, 4 * 1 + 2 = 6. Правило выполняется. При n, равном двум, π-электронов должно быть 10. С десятью π-электронами правило выполняется. Это будет молекула вот такого вида, и она соответствует правилу Хюккеля. Здесь будет 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 атомов углерода в цикле. Здесь 5 двойных связей: 1, 2, 3, 4, 5. Вот так, чтобы связи чередовались. Это тоже ароматическое соединение. У него 10 π-электронов, по одному у каждого атома углерода, ну или по два в каждой двойной связи. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. А теперь то, что меня удивляет. Правилу соответствуют 6 и 10, но не 8. Что же не так с восемью электронами? Почему это число не подходит? А если π-электронов четыре? Допустим, молекула выглядит так, как четырехугольник. Или как дорожный знак - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и чередующиеся двойные связи. Будут ли эти вещества также ароматическими соединениями? В них тоже чередуются связи, значит электроны могут смещаться с места на место и делокализовываться в цикле. Смещаться отсюда вот сюда, отсюда сюда. Отсюда сюда, отсюда сюда. Но оказывается, что в подобных веществах π-электроны совсем не стабилизируют систему, и цикл оказывается менее стабилен, чем линейная молекула. И эти молекулы не соответствуют правилу Хюккеля. 4n + 2 - это 6, 10, 14 π-электронов, то есть 14, 10 или 6 атомов углерода. Если число атомов другое, но это цикл с чередованием связей, вещество является антиароматическим. Запишем этот термин. Они очень нестабильны. Они очень нестабильны и размыкаются, становясь линейными молекулами. Надеюсь, вам было интересно. Subtitles by the Amara.org community

История

В 1959 году Сол Винстайн ввёл понятие «гомоароматичность» - термин, применяемый для описания систем, в которых стабилизованная циклическая сопряженная система образуется в обход одного насыщенного атома .

Объяснение ароматичности

Критерии ароматичности

Единой характеристики, позволяющей надежно классифицировать соединение как ароматическое или неароматическое не существует. Основными характеристиками ароматических соединений являются:

• склонность к реакциям замещения, а не присоединения (определяется легче всего, исторически первый признак, пример - бензол, в отличие от этилена не обесцвечивает бромную воду)
• выигрыш по энергии, в сравнении с системой несопряженных двойных связей. Также называется Энергией резонанса (усовершенствованный метод - Энергией резонанса Дьюара) (выигрыш настолько велик, что молекула претерпевает значительные преобразования для достижения ароматичного состояния, например циклогексадиен легко дегидрируется до бензола, двух и трехатомные фенолы существуют преимущественно в форме фенолов (енолов), а не кетонов и т. д.)
• наличие кольцевого магнитного тока (наблюдение требует сложной аппаратуры), этот ток обеспечивает смещение хим-сдвигов протонов, связанных с ароматическим кольцом в слабое поле (7-8 м.д. для бензольного кольца), а протонов расположенных над/под плоскостью ароматической системы - в сильное поле (спектр ЯМР).
• наличие самой плоскости (минимально искаженной), в которой лежат все (либо не все - гомоароматичность) атомы образующие ароматическую систему. При этом кольца пи-электронов, образующиеся при сопряжении двойных связей (либо электронов входящих в кольцо гетероатомов) лежат над и под плоскостью ароматической системы.
• практически всегда соблюдается Правило Хюккеля : ароматичной может быть лишь система, содержащая (в кольце) 4n+2 электронов (где n = 0, 1, 2, …). Система, содержащая 4n электронов является антиароматичной (в упрощенном понимании это обозначает избыток энергии в молекуле, неравенство длин связей, низкая стабильность - склонность к реакциям присоединения). В то же время, в случае пери-сочленения (есть атом(ы), принадлежащий(е) одновременно 3 циклам, то есть возле него нет атомов водорода или заместителей), общее число пи-электронов не соответствует правилу Хюккеля (фенален, пирен, коронен). Также предсказывается, что если удастся синтезировать молекулы в форме ленты Мёбиуса (кольцо достаточно большого размера, дабы закручивание в каждой паре атомных орбиталей было мало), то для таких молекул система из 4n электронов будет ароматичной, а из 4n+2 электронов - антиароматичной.

Современные представления

В современной физической органической химии выработана общая формулировка критерия ароматичности

АРОМАТИЧНОСТЬ (от греч. aroma, род. падеж aromatos - благовоние), понятие, характеризующее совокупность структурных, энергетич. св-в и особенностей реакц. способности циклич. структур с системой сопряженных связей. Термин введен Ф. А. Кекуле (1865) для описания св-в соединений, структурно близких к бензолу - родоначальнику класса ароматических соединении .

К числу наиб. важных признаков ароматичности принадлежит склонность ароматич. соед. к замещению, сохраняющему систему сопряженных связей в цикле, а не к присоединению, разрушающему эту систему. Кроме бензола и его производных, такие р-ции характерны для полицикли ч. ароматич. углеводородов (напр., нафталина , антрацена , фенантрена и их производных), а также для изоэлектронных им сопряженных гетероциклич. соединений. Известно, однако, немало соед. (азулен , фульвен и др.), к-рые также легко вступают в р-ции замещения, но не обладают всеми др. признаками ароматичности.

Реакц. способность не может служить точной характеристикой ароматичности еще и потому, что она отражает св-ва не только осн. состояния данного соединения, но и переходного состояния (активиров. комплекса) р-ции, в к-рую это соед. вступает. Поэтому более строгие критерии ароматичности связаны с анализом физ. св-в осн. электронных состояний циклич. сопряженных структур. Главная трудность состоит в том, что ароматичность не является экспериментально определяемой характеристикой. Поэтому не существует однозначного критерия для установления степени ароматичности, т.е. степени подобия св-вам бензола . Ниже рассмотрены наиб. важные признаки ароматичности.

Строение электронной оболочки ароматических систем.

Тенденция бензола и его производных к сохранению структуры сопряженного кольца в разл. превращениях означает повыш. термодинамич. и кинетич. устойчивость этого структурного фрагмента. Стабилизация (понижение электронной энергии) молекулы или иона , обладающих циклич. структурой, достигается при полном заполнении электронами всех связывающих молекулярныхорбиталей и вакантности несвязывающих и антисвязывающих орбиталей . Выполнение этих условий достигается, когда общее числоэлектронов в циклич. полиене равно (4л + 2), где п = = 0,1,2... (правило Хюккеля).

Это правило объясняет устойчивость бензола (ф-ла I) и циклопентадиенильного аниона (II; п = 1). Оно позволило правильно предсказать устойчивость циклопропенильного (III; п = 0) и циклогептатриенильного (IV; п = 1) катионов . Ввиду подобияэлектронных оболочек соед. II-IV и бензола они, как и высшие циклич. полиены - , , аннулены (V-VII), рассматриваются как ароматич. системы.

Правило Хюккеля можно экстраполировать на ряд сопряженных гетероциклич. соед. - производные пиридина (VIII) и катиона пирилия (IX), изоэлектронные бензолу , пятичленные гетероциклы типа X (пиррол , фуран , тиофен), изоэлектронные циклопентадиенильному аниону . Эти соединения также относят к ароматич. системам.

Для производных соединений II-Х и др. более сложных структур, получаемых изоэлектронным замещением метиновых групп в полиенах I-VII, также характерны высокая термодинамич. устойчивость и общая склонность к р-циям замещения в ядре.

Циклич. сопряженные полиены , имеющие в цикле 4nэлектронов (n=1,2...), неустойчивы и легко вступают в р-ции присоединения, т. к. обладают незамкнутой электронной оболочкой с частично заполненными несвязывающими орбиталями . Такие соединения, наиб. типичным примером к-рых служит циклобутадиен (XI), относят кантиароматич. системам.

Правила, учитывающие числоэлектронов в цикле, полезны для характеристики св-в моноциклич. структур, однако неприложимы к полициклам. При оценке ароматичности последних необходимо учитывать, как соответствуют этим правилам электронные оболочки каждого отдельного цикла молекулы . С осторожностью следует пользоваться ими и в случае многозаряженных циклич. ионов . Так, электронные оболочки дикатиона и дианиона циклобутадиена отвечают требованиям правила Хюккеля. Однако эти структуры нельзя относить к ароматическим, т. к. дикатион (п = 0) устойчив не в плоской форме, обеспечивающей циклич. сопряжение, а в согнутой по диагонали; дианион (n=1) вообще неустойчив.

Энергетические критерии ароматичности. Энергия резонанса. Для определения количеств. меры ароматичности, характеризующей повыш. термодинамич. устойчивость ароматич. соед., было сформулировано понятие энергии резонанса (ЭР), или энергии делокализации.

Теплота гидрирования молекулы бензола , формально содержащей три двойные связи , на 151 кДж/моль больше, чем теплота гидрирования трех молекул этилена . Эту величину, связываемую с ЭР, можно рассматривать как энергию, дополнительно затрачиваемую на разрушение циклич. системы сопряженных двойных связей бензольного кольца, стабилизирующей эту структуру. Т. обр., ЭР характеризует вклад циклич. сопряжения в теплоту образования (полную энергию, теплоту атомизации) соединения.

Предложен ряд способов теоретич. оценок ЭР. Они различаются гл. обр. выбором структуры сравнения (т.е. структуры, в к-рой нарушено циклич. сопряжение) с циклич. формой. Обычный подход к вычислению ЭР состоит в сопоставленииэлектронных энергийциклич. структуры и суммы энергий всех изолированных кратных связей , содержащихся в ней. Однако рассчитываемые т. обр. ЭР, независимо от используемого квантовохим. метода, имеют тенденцию к возрастанию с увеличением размеровсистемы. Это нередко противоречит эксперим. данным о св-вах ароматич. системы. Так, ароматичность в ряду полиаценовбензол (I), нафталин (XII), антрацен (XIII), тетрацен (XIV) понижается (напр., возрастает склонность к присоединению, увеличивается альтернирование длин связей), а ЭР (приведены в единицах= 75 кДж/моль) растут:

Этого недостатка лишены величины ЭР, рассчитываемые путем сравненияэлектронных энергий циклич. структуры и аналогичного ациклич. сопряженного полнена (М. Дьюар, 1969). Рассчитанные т. обр. величины принято называть ЭР Дьюара (ЭРД). Напр., ЭРД бензола (1,013) вычисляется при сопоставлении его с 1,3,5-гексатриена, а ЭРД циклобутадиена-сопоставлением его= = с 1,3-бутадиена.

Соединения с положит. значениями ЭРД относят к ароматическим, с отрицательными-к антиароматическим, а со значениями ЭРД, близкими к нулю, - к неароматическим. Хотя значения ЭРД варьируют в зависимости от приближений квантовохим. метода расчета, относит. порядок их практически не зависит от выбора метода. Ниже приведены ЭРД в расчете на одинэлектрон (ЭРД/е; в единицах), вычисленные по модифициров. методу молекулярных орбиталей Хюккеля:

Наиб. ЭРД/е, то есть наиб. ароматичностью, обладает бензол . Понижение ЭРД/е отражает понижение ароматич. св-в. Приведенные данные хорошо согласуются со сложившимися представлениями о проявлениях ароматичности.

Магнитные критерии ароматичности. Циклич. сопряжениеэлектронов приводит к возникновению в молекуле кольцевого тока, к-рый вызывает экзальтацию диамагн. восприимчивости. Поскольку величины кольцевого тока и экзальтации отражают эффективность циклич. сопряжения, они м. б. использованы как количеств. мера ароматичности.

К ароматическим относятся соед., в молекулах к-рых поддерживаются наведенные диамагнитныеэлектронные кольцевые токи (диатропные системы). В случае аннуленов (n = 0,1,2...) существует прямая пропорциональность между силой кольцевого тока и величиной ЭРД. Однако для неальтернантных углеводородов (напр., азулена) и гетероциклич. соед. эта зависимость усложняется. В ряде случаев система м.б. одновременно и диатропной и антиароматической, напр. бициклодекапентаен.

Наличие индуциров. кольцевого тока в циклич. сопряженных системах характерно проявляется в спектрах протонного магн. резонанса (ПМР), т.к. ток создает анизотропное магн. поле, заметно влияющее на хим. сдвиги протонов , связанных с атомами кольца. Сигналы протонов , расположенных во внутр. части ароматич. кольца, смещаются в сторону сильного поля, а сигналы протонов , расположенных на периферии кольца, - в сторону слабого поля. Так, внутр. протоны аннулена (ф-ла VI) и аннулена (VII) проявляются при - 60°С в спектре ПМР соотв. при 0,0 и -2,99м. д., а внешние-при 7,6 и 9,28 м. д.

Для антиароматич. систем аннуленов, наоборот, характерны парамагн. кольцевые токи, приводящие к сдвигу внеш. протонов в сильное поле (паратропные системы). Так, хим. сдвиг внеш. протонов аннулена равен всего 4,8 м.д.

Структурные критерии ароматичности. Важнейшие структурные характеристики молекулы бензола - ее планарность и полная выравненность связей. Молекулу можно рассматривать как ароматическую, если длины углерод-углеродных связей в ней лежат в пределах 0,136-0,143 нм, т.е. близко к 0,1397 нм для молекулы бензола (I). Для нециклич. сопряженных полиеновых структур длины связей С-С составляют 0,144-0,148 нм, а связей С=С-0,134-0,135 нм. Еще большее альтернирование длин связей характерно для антиароматич. структур. Это подтверждается данными строгих неэмпирич. расчетов геометрич. параметров циклобутадиена и эксперим. данными для его производных.

Предложены разл. выражения для количеств. характеристики ароматичности по степени альтернирования длин связей, напр. для углеводородов вводится индекс ароматичности (НОМА d):

где а = 98,89, Х r - длина r-ной связи (в А), n-число связей. Для бензола HOMA d максимален и равен 1, для циклобутадиена минимален (0,863).

Подробная программа лекций и
комментарии ко второй части курса

Подробная программа лекций и комментарии к второй части общего курса лекций по органической химии (ППЛ) основаны на Программе общего курса органической химии, разработанной на кафедре органической химии химического факультета МГУ. ППЛ раскрывают наполнение второй части общего курса лекций фактическим материалом по теории и практике органической химии. ППЛ предназначена в первую очередь для студентов 3 курса, желающих хорошо и достаточно быстро подготовиться к экзаменам и коллоквиумам и понять, какой объём знаний должен иметь студент для получения отличной оценки на экзамене. ППЛ подготовлены таким образом, что обязательный материал программы напечатан нормальным шрифтом, факультативный материал – курсивом, хотя следует признать, что такое деление иногда является достаточно условным.

Одной из целей данного пособия является помощь студентам правильно и аккуратно составить конспект лекции, структурировать материал, сделать правильные акценты в записи, отделить обязательный материал от второстепенного при самостоятельной работе с конспектом или учебником. Необходимо отметить, что несмотря на широчайшее распространение современных методов обучения и доступность разнообразного учебного материала в учебниках и в Интернете, только самостоятельная упорная, если не сказать тяжёлая работа по конспектированию (лекций, учебников, других материалов), работа на семинарах, самостоятельное написание важнейших уравнений и механизмов, и самостоятельное решение синтетических задач способно привести к успеху в изучении органической химии (да и других предметов). Авторы считают, что прослушивание курса лекций создаёт основу для изучения органической химии и охватывает все темы, выносимые на экзамен. Однако, прослушанные лекции, равно как и прочитанные учебники остаются пассивным знанием до тех пор, пока не произойдёт закрепление материала на семинарах, коллоквиумах, при написании тестов, контрольных работ и анализе ошибок. В ППЛ отсутствуют уравнения химических реакций и механизмы важнейших процессов. Этот материал доступен на лекциях и из учебников. Каждый студент должен добывать какие-то знания самостоятельно: написать важнейшие реакции, механизмы и лучше не один раз (самостоятельная работа с конспектом лекций, с учебником, коллоквиум). Только то, что приобретается путём самостоятельной кропотливой работы запоминается надолго и становится активным знанием. То, что легко достаётся – легко теряется или забывается, причём это справедливо не только по отношению к курсу органической химии.

Помимо материалов программного характера данная разработка содержит ряд вспомогательных материалов, которые демонстрировались на лекциях и которые необходимы, по мнению авторов, для лучшего понимания органической химии. Эти вспомогательные материалы (цифры, таблицы и др.), даже если они напечатаны нормальным шрифтом чаще всего не предназначены для буквального запоминания, но нужны для оценки тенденций изменения свойств или реакционной способности органических соединений. Поскольку демонстрируемые на лекциях вспомогательные материалы, цифры, таблицы бывает трудно полностью и качественно записать в конспект, размещение этих материалов в данной разработке имеет целью помочь слушателям курса восполнить пробелы в записях и конспектах, а на лекции сосредоточиться не на стенографировании цифр и таблиц, а на восприятии и понимании материала, обсуждаемого лектором.

АРОМАТИЧНОСТЬ.

1. Алифатические (от греч. αλιφατικό- масло, жир) и ароматические (αρωματικόσ- благовоние) соединения (ХIХ век).

2. Открытие бензола (Фарадей, 1825). Строение бензола (Кекуле, 1865). о-, м-, п -изомеры, орто -ксилол.

3. Другие формулы, предложенные для бензола (Ладенбург, “Дьюар”, Тиле и др.). Изомеры бензола (призман, бициклогекса-2,5-диен, бензвален, фульвен).

4. Метод молекулярных орбиталей Хюккеля . Независимое рассмотрение σ- и π- связей (т.е. образованных sp 2 и р-орбиталями). Молекулярные орбитали бензола (три орбитали связывающие: одна орбиталь не имеет узлов, две орбитали имеют по одной узловой плоскости, все они заняты, на них всего 6 электронов; три орбитали разрыхляющие. Две из них имеют 2 узловых плоскости, самая высокая по энергии разрыхляющая орбиталь имеет три узловых плоскости. Разрыхляющие орбитали не заняты.

Понятие о круге Фроста для бензола, циклобутадиена и циклооктатетраена.

Правило Хюккеля . ПЛОСКИЕ, МОНОЦИКЛИЧЕСКИЕ, СОПРЯЖЕННЫЕ углеводороды будут ароматическими, если цикл содержит (4n+2) π – электронов .

Антиароматические соединения. Неароматические соединения. Циклооктатетраен.

5. Описание бензола по методу "валентных схем", теория резонанса (Полинг), мезомерия, использование предельных структур.

6. Аннулены. Метаноаннулены. Ароматические ионы. Конденсированные углеводороды. Гетероциклы.

Несколько комментариев по стабильности аннуленов.

-аннулен – не плоский, не может быть ароматичным.

1,6-метано-- аннулен - плоский, (кроме мостика, разумеется!), он ароматичен.

Аннулен – неароматический полиен, стабилен ниже -70 о С.

-аннулены не плоские циклы, если нет 2-х мостиков. Следовательно – не ароматичные.

Аннулены – обычные полиены.

-аннулен – плоский, ароматичный. Знать особенность его ПМР спектра!

7. Подробное рассмотрение КРИТЕРИЕВ АРОМАТИЧНОСТИ.

Критерии ароматичности – квантовомеханический – количество p -электронов 4n+2 (правило Хюккеля), см. комментарии ниже. Энергетический (повышение термодинамической устойчивости за счет делокализации электронов, так называемая энергия делокализации – ЭД ). ЭД в бензоле: (6a +8β) – (6a +6β) (для циклогексатриена) = 2β = 36 ккал/моль или 1,56 эВ – это ЭЭР (эмпирическая энергия резонанса). Есть еще несколько способов расчёта энергии резонанса: вертикальная энергия резонанса (она же ЭД по Хюккелю, измеряют в единицах интеграла β, для бензола она равна 0,333), еще бывает (на 5++) ЭРД (т.е. энергия резонанса Дьюара, на 1 электрон, 0,145 эВ для бензола), еще бывает (на 5+++) ЭР по Гессу-Шааду, для бензола: 0,065 эВ, то же, что и ЭДНОЭ в учебнике Реутов, Курц, Бутин. Еще бывает (на 5++++) ТЭР (топологическая ЭР). Еще "есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам" (В. Шекспир). Энергетический критерий из всех самый неудобный и неясный. Величины энергий для этого критерия берут всегда расчетные, потому что, как правило, невозможно подобрать соответствующую неароматическую молекулу для сравнения. Следует, поэтому, спокойно относиться к тому, что существует множество различных оценок энергии делокализации даже для классических ароматических молекул, а для более сложных систем эти величины вообще отсутствуют. Никогда нельзя сравнивать разные ароматические системы по величине энергий делокализации – нельзя сделать вывод, что молекула А ароматичнее молекулы В, потому что энергия делокализации больше. Структурный – очень важный, если не самый важный, критерий, так как имеет не теоретическую, а экспериментальную природу. Специфика геометрии молекул ароматических соединений заключается в тенденции к копланарному расположению атомов и выравниванию длин связей . У бензола выравнивание длин связей идеально – все шесть С-С связей одинаковы по длине. У более сложных молекул выравнивание не идеально, но значительно. В качестве критерия берут меру относительного отклонения длин сопряженных связей от среднего значения. Чем ближе к нулю, тем лучше. Эту величину можно проанализировать всегда, если имеется структурная информация (экспериментальная или из высококачественного квантовохимического расчета). Тенденция к копланарности обуславливается выгодностью коллинеарности осей атомных р -орбиталей для их эффективного перекрывания. Возникает вопрос: какое отклонение от плоскостного расположения допустимо без потери ароматичности? Примеры искажения плоскости в ароматических молекулах даны на лекции, их также можно найти в специальной литературе (см. ниже стр. 20). Магнитный (наличие кольцевого тока – диатропная система, влияние на химические сдвиги протонов снаружи и внутри кольца, примеры – бензол и -аннулен). Самый удобный и доступный критерий, так как для его оценки достаточно спектра 1 H ЯМР. Для точного определения используют теоретические расчеты химических сдвигов. Что такое диатропность? Химический – склонность к реакциям замещения, а не присоединения. Самый наглядный критерий, ясно различающий химию ароматических соединений от химии полиенов. Но работает он далеко не всегда. В ионных системах (например, в циклопентадиенил-анионе или тропилий-катионе) замещение наблюдать невозможно. Реакции замещения иногда проходят и на неароматических системах, а ароматические всегда в какой-то степени способны к реакциям присоединения. Поэтому химический критерий более правильно назвать ПРИЗНАКОМ ароматичности.

8. ПОНЯТИЕ АРОМАТИЧНОСТИ. ПРИЗНАКИ И КРИТЕРИИ АРОМАТИЧНОСТИ. - Комментарии

Ароматичность – понятие, характеризующее совокупность особых структурных, энергетических и магнитных свойств, а также особенностей реакционной способности циклических структур с системой сопряженных связей.

Хотя ароматичность – одна из важнейших и наиболее плодотворных концепций химии (не только органической), - не существует общепринятого краткого определения этого понятия. Ароматичность понимается через совокупность особых признаков (критериев), присущих ряду циклических сопряженных молекул в той или иной мере. Часть этих критериев имеет экспериментальную, наблюдаемую природу, но другая часть основывается на квантовой теории строения молекул. Ароматичность имеет квантовую природу. Невозможно объяснить ароматичность с позиций классической структурной теории и теории резонанса.

Не следует путать ароматичность с делокализацией и сопряжением. В молекулах полиенов (1,3-бутадиена, 1,3,5-гексатриена и т.п.) проявляется явно выраженная тенденция к делокализации электронов (см. 1-й семестр, химия диенов) и образованию единой сопряженной электронной структуры, что проявляется в спектрах (в первую очередь, электронных спектрах поглощения), некотором изменении длин и порядков связей, энергетической стабилизации, особых химических свойствах (электрофильное 1,4-присоединение в случае диенов и пр.). Делокализация и сопряжение – необходимые, но не достаточные условия ароматичности. Можно дать определение ароматичности как свойства, при котором сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет бόльшую стабильность, чем ту, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении . Однако этим определением нельзя пользоваться, не имея экспериментальных или расчётных данных по стабильности циклической сопряжённой молекулы.

Для того, чтобы молекула могла быть ароматической, она должна содержать хотя бы один цикл , каждый из атомов которого располагает пригодной для образования ароматической системы р -орбиталью. Ароматическим в полном смысле этого слова считается (в случае выполнения критериев, перечисленных ниже) именно этот цикл (кольцо, система колец).

В этом цикле должно быть 4n+2 (то есть 2, 6, 10, 14, 18, 22 и т.п.) электронов.

Это правило называется правилом или критерием ароматичности Хюккеля. Источник этого правила – сильно упрощенные квантовохимические расчеты идеализированных циклических полиенов, произведенные на заре развития квантовой химии. Дальнейшие исследования показали, что в основе своей это простое правило дает верные предсказания ароматичности даже и для очень сложных реальных систем.

Правилом, тем не менее, нужно правильно пользоваться, иначе прогноз может быть неверен. Общие рекомендации даны далее.

Молекула, содержащая хотя бы один ароматический цикл имеет право называться ароматической, но этим обобщением не стоит злоупотреблять. Так, очевидно, что стирол содержит бензольное кольцо, а следовательно может называться ароматической молекулой. Но нас в стироле может интересовать и этиленовая двойная связь, никакого прямого отношения к ароматичности не имеющая. С этой точки зрения стирол – типичный олефин с сопряжённой двойной связью.

Никогда не забывайте, что химия есть наука экспериментальная, и никакие теоретические рассуждения не заменяют и не подменяют знание реальных свойств веществ. Теоретические концепции, даже столь важные, как ароматичность, только помогают лучше понимать эти свойства и делать полезные обобщения.

Какие орбитали считаются пригодными для образования ароматической системы? – Любые орбитали, перпендикулярные плоскости цикла, и

а) принадлежащие входящим в цикл кратным (эндоциклическим двойным или тройным) связям;

б) соответствующие неподеленным парам электронов у гетероатомов (азота, кислорода, и т.п.) или карбанионов;

в) соответствующие шестиэлектронным (секстетным) центрам, в частности карбокатионам.

Обратите внимание, что перечисленные фрагменты а), б), в) дают четное число электронов в общую систему: любые кратные связи – 2 электрона, неподеленные пары – 2 электрона, вакантные орбитали – 0 электронов.

Что не годится или не вносит вклад в ароматическую систему:

а) ониевые формы катионных центров – то есть катионы, содержащие полный октет электронов. При этом такой центр разрывает сопряженную систему, например, N-метилпиррол ароматичен (6 электронов в цикле), а N,N-диметилпирролий неароматичен (аммонийный азот не вносит вклад в π-систему):

Внимание – если ониевый центр является частью кратной связи, то именно кратная связь участвует в образовании ароматической системы, поэтому, например, ароматичен N-метилпиридиний (6 π-электронов, по два от каждой из трех кратных связей).

Очень большое подспорье в рассмотрении аналогичных систем дает концепция изоэлектронности . Изоэлектронные системы обычно аналогичны и в смысле ароматичности. В этом смысле, например, N-метилпиридиний изоэлектронен метилбензолу. Оба, очевидно, ароматичны.

б) неподеленные пары, лежащие в плоскости кольца. На одном атоме только одна π-орбиталь может вносить вклад в ароматическую систему. Поэтому, в циклопентадиенил-анионе карбанионный центр дает вклад в 2 электрона, а в фенил-анионе атом углерода карбанионного центра дает вклад в 1 электрон, как и в молекуле бензола. Фенил-анион изоэлектронен пиридину, циклопентадиенил-анион – пирролу.

Все ароматичны.

в) Экзоциклическая двойная связь или радикальный центр. Такие структуры, как правило, неароматичны, хотя каждая такая структура нуждается в особом рассмотрении с привлечением реальных экспериментальных данных .

Например, хиноны неароматичны, хотя а) обладают плоскими полностью сопряженными циклами, содержащими 6 электронов (четыре от двух кратных связей в цикле плюс два от двух экзоциклических связей).

Наличие в некоторой сопряженной структуре так называемых хиноидных фрагментов, то есть систем связей с двумя экзоциклическими двойными связями, всегда является источником нестабильности, и благоприятствует процессам, переводящим систему с хиноидным фрагментом в нормальную ароматическую систему. Так, антрацен является 14-электронной ароматической системой, содержащей хиноидный фрагмент, поэтому, антрацен легко присоединяет бром или диенофилы, так как в продуктах уже два полноценных ароматических бензольных кольца:

Ароматичность полициклических структур представляет собой достаточно сложную теоретическую задачу. С формальной точки зрения, если в системе есть хотя бы одно бензольное кольцо, то ее можно считать ароматической. Такой подход, однако, не дает возможности рассмотреть свойства молекулы в целом.

Современный подход к полициклическим системам состоит в том, чтобы найти в них все возможные ароматические подсистемы, начиная с максимально большого – внешнего контура . В этом смысле, например, нафталин можно представить в виде общей 10-электронной системы (внешний контур) и двух одинаковых 6-тиэлектронных бензольных колец.

Если внешний контур не ароматичен, то следует искать меньшие ароматические контуры. Так, например, дифенилен по внешнему контуру имеет 12 электронов, что не соответствует правилу Хюккеля. Однако мы легко найдем в этом соединении два практически независимых бензольных кольца.

Если бициклические углеводороды плоские и имеют сопряженные двойные связи, правило Хюккеля работает для би- и полициклических углеводородов, имеющих одну общую связь (нафталин, антрацен, фенантрен , и т.п., а также азулен ). Правило Хюккеля плохо работает для конденсированных циклов, имеющих атом углерода, общий для 3 циклов. Правило подсчета пар электронов методом "обхода по периметру, или по одному из контуров" может помочь в этом случае, например:

аценафтилен пирен перилен

сумма π-электронов: 12 16 20

в том числе по периметру, 10 14 18 (по контуру нафталина – 10 и 10)

Однако, для подобных сложных циклов и это правило не всегда может работать. Более того, оно ничего не говорит о реальных свойствах молекулы. Например, аценафтилен, имеет обычную двойную связь между атомами 1 и 2 .

Различные примеры изоэлектронных ароматических гетероциклов.

ПИРРОЛ – ФУРАН – ТИОФЕН (6 π-электронов).

ПИРИДИН – ПИРИДИНИЙ – ПИРИЛИЙ (6 π-электронов).

Пиридазин – ПИРИМИДИН – пиразин (6 π-электронов).

Оксазолы – тиазолы – ИМИДАЗОЛ (6 π-электронов).

ИНДОЛ – ХИНОЛИН (10 π-электронов).

О "гайках" . В учебной литературе ароматические циклы часто обозначают с помощью окружности внутри многоугольника. Со всей определенностью отметим, что такой способ обозначения следует избегать во всех случаях, когда только возможно. Почему?

Потому что:

а) в сложных полициклических структурах кружки не имеют определенного смысла и не позволяют понять, где живет ароматичность – в отдельных циклах или в целом. Если нарисовать "гайками", например, антрацен, то не будет понятно, в чем кроется причина его "не-совсем-ароматичности" и ярко-выраженных диеновых свойств

б) даже самые классические ароматические системы типа бензола и его производных могут проявлять неароматические полиеновые свойства, для рассмотрения которых необходимо видеть структуру кратных связей.

в) именно кекулевская структура необходима для рассмотрения эффектов заместителей с помощью незаменимого инструмента – резонансных структур. "Гайка" в этом отношении совершенно бесплодна. Так, пользуясь формулой Кекуле, мы отлично поймем причину высокой кислотности п -нитрофенола и ярко-желтый цвет п -нитрофенолята. А что будем делать с "гайкой"?

Предпочтительным является простой "кекулевско-бутлеровский" способ, соответствующий классической теории строения и в явном виде обозначающий кратные связи. Нарисовав такую классическую структуру, вы всегда можете рассуждать о ее ароматичности или неароматичности, используя соответствующие правила и критерии. Именно классическая кекулевская структура принята как стандарт во всех ведущих международных химических журналах.

А когда все же уместны кружки ? Для обозначения небензоидных ароматических систем, особенно заряженных. В этом случае классическое обозначение несколько неуклюже и не показывает делокализацию заряда.

Также без кружков трудно обойтись в металлоорганической химии, где ароматические системы часто играют роль лигандов. Попробуйте без кружков отразить структуру ферроцена или других комплексов, содержащих циклопентадиенильный лиганд!

Плоскостность. Цикл, претендующий на звание ароматического и содержащий нужную непрерывную систему p -орбиталей должен быть плоским (или почти плоским). Это требование – одно из самых неприятных, так как определить "на глазок", какой цикл является плоским, а какой нет, весьма не просто. В качестве простых подсказок можно рассмотреть следующие положения:

а) циклические сопряженные системы, содержащие 2 или 6 электронов и удовлетворяющие рассмотренным условиям, как правило, плоские и ароматические. Такие системы обычно реализуются в циклах малого и среднего размера (2-8 членных);

б) циклические ионные системы с числом электронов 2, 6, 10, 14, практически обязательно ароматичны, так как ароматичность и является причиной существования и устойчивости таких ионов;

в) нейтральные системы с 10, 14, 18 и более электронами в одном единственном цикле большого размера, напротив, практически всегда нуждаются в дополнительных мерах по стабилизации плоской структуры в виде дополнительных мостиков, так как выигрыш энергии за счет образования большой ароматической системы не компенсирует ни энергии напряжения, возникающей в макроциклах, ни энтропии, теряемой при образовании единственной плоской структуры.

Внимание : Чтение следующего параграфа категорически не рекомендуется лицам со слабыми и неустойчивыми знаниями. Все, кто имеет рейтинг менее 99 баллов, могут пропустить этот параграф.

Антиароматичность . Системы, удовлетворяющие всем условиям, рассмотренным выше (плоские циклы с непрерывной системой π-орбиталей), но числом электронов 4n, считаются антиароматическими – то есть реально несуществующими . Но если в случае ароматичности мы имеем дело с реальными молекулами, то в случае антиароматичности проблема сложнее. Важно понять, что настоящая антиароматическая система находится не в минимуме, а в максимуме потенциальной энергии, то есть представляет собой не молекулу, а переходное состояние. Антиароматичность – чисто теоретическая концепция, описывающая, почему некоторые циклические сопряженные системы или совсем неустойчивы и не могли быть получены даже ценой огромных усилий, или проявляют явные тенденции к существованию в виде обычного полиена с чередующимися простыми и кратными связями.

Например, циклобутадиен был бы анти ароматичен, если бы существовал в виде квадратной молекулы со связями одинаковой длины. Но такой квадратной молекулы в Природе нет. Поэтому корректно следует сказать так: гипотетический квадратный циклобутадиен антиароматичен, и поэтому не существует. Экспериментально, при очень низких температурах выделяли замещенные циклобутадиены, но они по структуре оказывались типичными неароматическими диенами – имели ясное различие между короткими двойными и длинными простыми связями.

Реально существующие плоские сопряженные молекулы с 4n электронами всегда представляют собой высокореакционноспособные неароматические полиены. Например, бензоциклобутадиен реально существует (8 электронов во внешнем контуре), но обладает свойствами чрезвычайно активного диена.

Антиароматичность – исключительно важное понятие в теории ароматичности. Теория ароматичности предсказывает как существование особо стабильных ароматических систем, так и нестабильность антиароматических систем. Оба этих полюса важны.

Антиароматичность – очень важное понятие в химии. Все ненасыщенные сопряженные циклические системы, содержащие антиароматическое число π-электронов, всегда обладают очень высокой реакционной способностью в различных реакциях присоединения.

9. Тривиальные примеры синтеза небензоидных ароматических ионов.

Циклопропенилий-катион, тропилий-катион

Циклопентадиенилид-анион. Ароматические карбоциклические анионы С8, С10, С14.

10. Факультативно: попытки синтеза антиароматических молекул – циклобутадиен, циклопентадиенилий-катион.

Развитие понятия ароматичности. Циклобутадиенжелезо трикарбонил. Объемная, сферическая ароматичность, гомоароматичность и др.

11. Получение ароматических углеводородов.

1. Промышленные источники – нефть и каменный уголь.

Риформинг. Цепочка: гептан – толуол – бензол – циклогексан.

2. Лабораторные способы:

а) реакция Вюрца-Фиттига (устаревший способ, имеющий скорее историческое значение, не следует применять при решении задач),

б) каталитическая тримеризация ацетилена,

в) кислотно-катализируемая тримеризация ацетона и др. кетонов;

г) кросс-сочетание, как некаталитическое с использованием купратов, так и каталитическое в присутствии комплексов палладия,

д) реакция Фриделя-Крафтса, в основном следует использовать ацилирование с восстановлением по Клемменсену (алкиларилкетоны) или Кижнеру-Вольфу (любые кетоны и альдегиды),

е) ароматизация любых производных циклогексана, циклогексена, циклогексадиена под действием серы (сплавление, годится только для простейших соединений) или дихлордицианбензохинона (ДДХ или DDQ, реагент общего назначения).

12. Свойства кольца и алифатической боковой цепи в ароматических углеводородах.

1. Гидрирование. Когда бывает частичное гидрирование колец? Гидрирование функциональных групп (С=С, С=О) без гидрирования кольца. Примеры.

2. Восстановление по Бёрчу (Na, жидк. NH 3). Зачем нужен EtOH? Влияние доноров и акцепторов в кольце на направление реакции.

3. Свободнорадикальное галогенирование бензола (было в школе!). Галогенирование толуола и его гомологов в боковую цепь. Избирательность галогенирования.

4. Окисление боковой цепи и поликонденсированных ароматических углеводородов. Озонирование бензола и других ароматических соединений .

5. Реакция Дильса-Альдера для бензола и антрацена. Условия.

6. Реакция щелочных металлов и Mg с нафталином и антраценом (факультативно).

ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ.

1. Почему именно электрофильное замещение (ЭЗ)?

2. Какие бывают электрофилы и какие реакции ЭЗ мы будем разбирать подробно? (протонирование, нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование, ацилирование, формилирование). Через месяц будут рассмотрены: азосочетание, нитрозирование, карбоксилирование).

3. Упрощенный механизм электрофильного замещения в ароматическом кольце (без π-комплексов). Аренониевые ионы. Сходство с аллильным катионом. Изображение аренониевых ионов на бумаге – резонансные структуры или "подкова" – обязательно научитесь рисовать резонансные структуры для s -комплексов, так как "подкова" заведет в тупик, когда дойдем до влияния заместителей на направление электрофильного замещения. Протонирование аренов.

4. Доказательства существования π-комплексов на примере реакции DCl и бензола (Г. Браун 1952). Доказательства существования σ-комплексов.

5. Обобщенный механизм ЭЗ, включающий образование π- и σ-комплексов. Лимитирующая стадия при ЭЗ в бензольном кольце. Понятие о кинетическом изотопном эффекте. Еще раз вспомним, что такое переходное состояние и интермедиат.

6. Ориентация при электрофильном замещении: орто-, мета, пара-, ипсо . Ориентанты первого и второго рода. Обязательно рисовать резонансные структуры для s -комплексов с различными заместителями. Отдельно разберите влияние на структуру s -комплексов заместителей с индуктивными и мезомерными эффектами, а также сочетанием разнонаправленных эффектов. Факторы парциальной скорости. Согласованная и несогласованная ориентация. Примеры различного соотношения о-/п- изомеров в случаях, когда в кольце имеется заместитель 1-го рода (например, пространственно-затруднённый) или 2-ого рода (орто-эффект). ЯМР бензолониевых ионов и некоторых аренов.

7. Рассмотрение конкретных реакций электрофильного замещения. Нитрование. Агенты. Экзотические агенты . Атакующая частица. Особенности нитрования разных классов соединений – нитроаренов (условия), галогенбензолов (деление о- и п- изомеров. Каким образом?), нафталина и дифенила . Нитрование ароматических аминов (защитные группы, как сделать о - и п - изомеры? Можно ли нитровать анилины в м-положение?). Нитрование фенола (условия, деление о- и п- изомеров).

7. Сульфирование аренов. Агенты, природа электрофила, обратимость. Особенности сульфирования нафталина, толуола, фенола, анилина, защита сульфогруппой при реакциях ЭЗ.

8. Производные сульфокислот: тозилхлорид, тозилаты, сульфамиды. Восстановление сульфогруппы.

9. Галогенирование. Ряд галогенирующих агентов по убыванию активности (знать хотя бы 3 примера). Природа электрофила, особенности галогенирования толуола, галогенбензолов, уметь получать все галогеннитробензолы, галогенирование нафталина, бифенила, анилина, фенола, анизола. Особенности иодирования. Хлорирование иодбензола без электрофильных катализаторов. Соединения поливалентного иода (PhICl 2 , PhI=O, PhI(OAc) 2)

10.Алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу. Алкилирование– 3 недостатка, примеры синтезов, обратимость, влияние галогена в RHal, агенты, внутримолекулярное алкилирование, ограничения по заместителям, особенности алкилирования фенолов и аминов, синтез н-алкилбензолов. Ацилирование – сравнение с алкилированием, реагенты, циклические ангидриды в ацилировании, внутримолекулярные реакции, перегруппировка Фриса.

Таблица 1.

Таблица 2. Данные по нитрованию галогенбензолов .

Соединение	продукты, %*			относительная скорость нитрования (бензол =1)**	Фактор парциальной скорости для о- и п- положения (бензол = 1)
	орто	мета	пара
С 6 Н 5 – F					0,054 (о ) 0,783 (п )
С 6 Н 5 – Cl					0,030 (о ) 0,136(п )
С 6 Н 5 – Br					0,033 (о ) 0,116(п )
С 6 Н 5 – I***					0,205 (о ) 0,648(п )

*) К. Ингольд. Теоретические основы органической химию М., "Мир", 1973, с. 263;

**) там же с. 247; ***) согласно новейшим исследованиям, механизм электрофильного замещения в арилиодидах может быть более сложным, чем было принято ранее.

О разделение о - и п- изомеров дизамещенных аренов кристаллизацией.

Таблица 3. Т. пл. о- и п -изомеров дизамещенных аренов в о С.

СРАВНЕНИЕ РЕАКЦИЙ АЛКИЛИРОВАНИЯ И АЦИЛИРОВАНИЯ ПО ФРИДЕЛЮ-КРАФТСУ.

	АЛКИЛИРОВАНИЕ		АЦИЛИРОВАНИЕ
РЕАГЕНТ	AlkHal, AlkOH, алкены. (Нельзя ArHal!).		Галогенангидриды карбоновых кислот (КК), ангидриды КК, редко – КК
КАТАЛИЗАТОР	Кислоты Льюиса, особенно б/в галогениды Аl, Fe, Sn и др., BF 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , катиониты.		AlCl 3 (не менее моля на моль, лучше еще больше), H 2 SO 4 , H 3 PO 4 .
ПРОДУКТ	Алкил- и полиалкиларены.		Ароматические кетоны. Можно ввести только одну ацильную группу.
ОСОБЕННОСТИ И НЕДОСТАТКИ	Практически малопригодна из-за множества побочных реакций, а именно: 1) полиалкилирование, 2) изомеризация исходных н-алкилов во втор.- и трет- алкилы. 3) изомеризация полиалкилбензолов в смесь или в более стабильный продукт.		Очень удобная реакция, практически не осложненная побочными реакциями. Образуется, как правило, только пара-изомер. Если п -положение занято, то орто-изомер (по отношению к наиболее сильному ориентанту).
ОБРАТИМОСТЬ	ЕСТЬ. (см. ниже)
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ	НЕЛЬЗЯ ИСПОЛЬЗОВАТЬ для аренов, содержащих заместители II-го рода. Можно использовать для арилгалогенидов.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ К ФЕНОЛАМ	НЕЖЕЛАТЕЛЬНО использовать AlCl 3 . МОЖНО использовать катализаторы – H 3 PO 4 , HF со спиртами в качестве алкилирующих реагентов.	CAcClможет идти ацилирование по кислороду. При нагревании эфира фенола идёт перегруппировка ФРИСА (кат. – AlCl 3). Иногда для реакции Фр-Кр можно использовать АсОН\ВF 3 Синтез фенолфталеина.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ К АРОМАТИ- ЧЕСКИМ, АМИНАМ	Прямое алкилирование практически невозможно, так как нельзя использовать AlCl 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , HF (атака AlCl 3 или Н + или алкила по азоту – в результате электронодонор-ные свойства азота уменьша-ются. При действии RHalобразуются N-алкиланилины).	Идет ацилирование по азоту. Катализаторы образуют комплексы по азоту. Возможно ацилирование при использовании двух экв. ацилирующего агента и ZnCl 2 с образованием п-ацил-N-ациланилинов.

Примечание:

Обратимость реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу приводит к тому, что в системе одновременно идут все возможные реакции алкилирования и деалкилирования, причем затрагивается и мета-положение, так как алкильная – группа активирует все положения бензольного кольца, хотя и в разной степени.

Тем не менее, из-за преимущественной орто-пара-ориентации процессов алкилирования и обратного деалкилирования под действием электрофила, например, при ипсо-атаке протона, в смеси при продолжительной реакции накапливаются наименее реакционноспособные и более термодинамически стабильные 1,3- и 1,3,5-изомеры, так как в них алкилы хуже ориентируют атаку протона под другие алкилы:

Похожие причины определяют и образование разных региоизомеров при сульфировании, с той существенной разницей, что сульфогруппа есть ориентант второго рода, что затрудняет полисульфирование.

12. ФОРМИЛИРОВАНИЕ – введение СНО группы.

Формилирование – частный случай ацилирования.

Многие производные муравьиной кислоты могут формилировать арены. Реакции формилирования с СО, НСN, HCO(NMe 2) 2 . Специфика подбора электрофильных катализаторов для реакций формилирования.

ГАТТЕРМАН-КОХ (1897) – ArH + CO + HCl (AlCl 3 / Cu 2 Cl 2). Бывает ли НС(О)С1? А НС(О)F?

ГАТТЕРМАН – НСN б\в + НС1 газ. Кат. AlCl 3 или ZnCl 2 .

Гаттерман-Адамс (факультативно) – Zn(CN) 2 + HCl. Можно использовать 1,3.5. триазин,/ НС1/А1С1 3 (факультативно), или С1 2 СНОR (на 5+++)

Губен-Геш (ацилирование с RCN, HCl и ZnCl 2).

ФОРМИЛИРОВАНИЕ ПО ВИЛЬСМЕЙЕРУ-ХААКУ . Только электронообогащенный арен! + ДМФА + РОС1 3 (можно SOCl 2 , COCl 2).

13. Реакция гидроксиметилирования, конденсация карбонильных соединений с аренами (ДДТ, дифенилолпропан), хлорметилирование.

14.Применимость реакций формилирования и гидроксиметилирования.

Гаттерман-Кох - алкилбензолы, бензол, галогенбензолы.

Гаттерман – активированные арены, толуол.

Вильсмейер-Хаак – только активированные арены

Хлорметилирование – фенол, анизол, алкил- и галогенбензолы.

Гидроксиметилирование – активированные арены.

(Активированные арены – это анилины, фенол и эфиры фенола.)

15. Триарилметановые красители. Кристаллвиолет (4-Ме 2 N-C 6 H 4) 3 С + Х - . Синтез из п-Ме 2 N-C 6 H 4 CHO + 2 Ме 2 NPh + ZnCl 2 → ЛЕЙКО-ФОРМА (белый цвет). Далее окисление (PbO 2 или другой окислитель) в трет- спирт, затем обработка кислотой, появление окраски.

ФАКУЛЬТАТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ.

1) Меркурирование бензола с Hg(OAc) 2 Гексамеркурирование бензола с Hg(OAc F) 2. Получение гексаиодбензола.

2) Декарбоксилирование ароматических кислот ArCOOH (нагревание с порошком меди в хинолине) = ArH + CO 2 . Если есть электроноакцепторные группы в кольце, то можно просто сильно нагреть соль аренкарбоновой кислоты. Если есть доноры, особенно в орто- положении, возможно замещение протоном карбоксильной группы, но это редко!

3) Экзотические электрофилы в реакциях с аренами: (HN 3 /AlCl 3 – дает анилин), R 2 NCl/ AlCl 3 дает R 2 NAr) (SCl 2 /AlCl 3 дает Ar 2 S. Роданирование анилина или фенола дироданом (SCN) 2 . Образование 2-аминобензотиазолов.

4) Существует большое количество "хитрых" реакций, которые запомнить невозможно, и не нужно, например PhOH + TlOAc + I 2 = о-иодфенол, или PhOH + t-BuNH 2 + Br 2 , -70 o C = о-бромфенол

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ.

Почему нуклеофильное замещение в аренах, не содержащих сильных электроноакцепторных групп, происходит с большим трудом?

1. S N Ar – ПРИСОЕДИНЕНИЕ-ОТЩЕПЛЕНИЕ.

1) Природа интермедиата. Комплексы Мейзенгеймера. (Условия стабилизации интермедиата.) ЯМР 13 С, м.д.: 3(ипсо), 75.8(о), 131.8(м), 78,0(п).

2) Нуклеофилы. Растворители.

3) Ряд подвижности галогенов. F (400)>>NO 2 (8)>Cl(1) ≈ Br(1.18)>I (0.26). Лимитирующая стадия.

4) Ряд активирующей способности заместителей (в каком положении?) NO 2 (1)>MeSO 2 (0.05)>CN(0.03)>Ac(0.01).

5) Примеры конкретных реакций и конкретных условий.

6) Факультативно: возможность замещения NO 2 - группы. Избирательное замещение NO 2 - группы. Пространственные факторы.

7) Нуклеофильное замещение водорода в ди- и тринитробензоле. Зачем нужен окислитель?

2. АРИНОВЫЙ механизм – (ОТЩЕПЛЕНИЕ-ПРИСОЕДИНЕНИЕ).

Меченый хлорбензол и орто-хлортолуол, амиды калия или натрия в жидком NH 3 . Механизм.

Гидролиз о-, м-, и п-хлортолуола, NaOH, H 2 O, 350-400 o C, 300 атм. ОЧЕНЬ ЖЕСТКИЕ УСЛОВИЯ!

Важность индуктивного эффекта. Случай о-хлоранизола.

Медленная стадия – отрыв протона (если Hal=Br, I) или отрыв галогенид- аниона (если Hal=Cl, F).Отсюда – необычный ряд подвижности галогенов: Br>I> Cl>F

Способы генерирования дегидробензола. Строение дегидробензола – в этой частице нет тройной связи! Улавливание дегидробензола.

3. Механизм S RN 1. Довольно редкий механизм. Генерация анион-радикалов – электрический ток, или облучение, или металлический калий в жидком аммиаке. Реакционная способность ArI>ArBr. Несколько примеров. Какие нуклеофилы можно использовать? Применение S RN 1 : реакции для a -арилирования карбонильных соединений через еноляты.

4. Нуклеофильное замещение в присутствии меди. Синтез дифенилового эфира, трифениламина, гидролиз о-хлоранизола.

5. Несколько редких примеров. Синтез салициловой к-ты из бензойной, нуклеофильное замещение в гексафторбензоле.

6. S N 1 Ar – см. тему "Диазосоединения".

Дополнительная литература по теме "Ароматические соединения"

М.В.Горелик, Л.С.Эфрос. Основы химии и технологии ароматических соединений. М., "Химия", 1992.

НИТРОСОЕДИНЕНИЯ.

Минимум знаний по алифатическим нитросоединениям.

1. СИНТЕЗ: а) прямое нитрование в газовой фазе – только простейшие (1 семестр, тема – алканы).

б) RBr + AgNO 2 (эфир) = RNO 2 (I) + RONO (II). Соотношение I и II зависит от R: Rперв . 80:10; Rвтор . 15:30. Rтрет 0: 10: 60 (Е2, алкен). Можно использовать NaNO 2 в ДМФ. Тогда количество RNO 2 больше даже для вторичных R. Способ б) хорош для RX, активных в S N 2-замещении, например СlСН 2 COONa + NaNO 2 в воде при 85 о С. (тема: нуклеофильное замещение и амбидентные анионы, 1 семестр).

в) НОВЫЙ СПОСОБ СИНТЕЗА – окисление аминогруппы с CF 3 CO 3 H (из (CF 3 CO) 2 О + H 2 O 2 в CH 2 Cl 2 или MeCN).Годится для алифатических и ароматических аминов. Иногда можно брать м-ХНБК (м-хлорнадбензойная кислота, m-CPBA, продажный реагент). НЕ БРАТЬ ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 ! Особенно для ароматических аминов!

2. СВОЙСТВА. Самое главное свойство – высокая СН-кислотность , таутомерия нитро- и аци-формы (рКа МеNO 2 10,5). Равновесие устанавливается медленно! С NaOH реагируют обе формы, а с содой – только аци-форма! (Ганч).

Высокая СН-кислотность делает нитросоединения аналогами енолизуемых карбонильных соединений. Кислотность нитрометана близка к кислотности ацетилацетона, а не простых альдегидов и кетонов, поэтому используются достаточно слабые основания – щелочи, карбонаты щелочных металлов, амины.

Реакция Анри (Генри) – аналог альдольной или кротоновой конденсации. Так как реакция Анри проводится в мягких условиях, продуктом часто является нитроспирт (аналог альдоля), а не нитроолефин (аналог кротонового продукта). RСН 2 NO 2 – всегда CH-компонента!

Реакции Михаэля и Манниха для RNO 2 . Факультативно: галогенирование в NaOH, нитрозирование, алкилирование анионов.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

1) Важнейшие промежуточные продукты восстановления нитробензола в кислой среде (нитрозобензол, фенилгидроксиламин) и щелочной среде (азоксибензол, азобензол, гидразобензол).

2) Селективное восстановление одной из нитрогрупп в динитробензоле.

3) ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИТРОАРЕНОВ.

3а) Бензидиновая перегруппировка (Б.П.).

ВЫХОД 85% для бензидина. (R, R’ = H или др. заместитель). ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ НА ПОЛОЖЕНИЕ R и R’ до и после перегруппировки!

Еще 15% - побочные продукты – в основном дифенилин (2,4’-диаминодифенил) и орто -бензидин.

Кинетическое уравнение: V=k[гидразобензол] 2 – как правило, необходимо протонирование по обоим атомам азота.

Бензидиновая перегруппировка – внутримолекулярная реакция. Доказательство. Механизм - согласованная -сигматропная перегруппировка . Согласованный процесс для бензидина.

Если одно или оба пара-положения исходных гидразобензолов занято (R=Hal. Alk, AlkO, NH 2 , NMe 2), может происходить семидиновая перегруппировка с образованием СЕМИДИН ОВ.

Некоторые заместители, например SO 3 H, CO 2 H, RC(O), находящиеся в п-положении, могут отщепляться с образованием продуктов обычной Б.П.

Б.П. используется в производстве азокрасителей, диаминов, напр. бензидина, толидина, дианизидина. Открыта Н.Н.Зининым в 1845 г.

БЕНЗИДИН – КАНЦЕРОГЕН.

4) АЗОБЕНЗОЛ Ph-N=N-Ph. Син- анти- изомерия.

АЗОКСИБЕНЗОЛ Ph-N + (→О -)=N-Ph . (Задача: синтез несимметричных азо- и азоксибензолов из нитрозоаренов и ароматических аминов или арилгидроксиламинов соответственно, или синтез азоксибензолов из нитробензолов и ароматических аминов (NaOH, 175 o C).

5) ФЕНИЛГИДРОКСИЛАМИН . Перегруппировка в кислой среде.

На 5 +: родственные перегруппировки: N-нитрозо-N-метиланилин (25 o С), N-нитроанилин (10 o С, было), Ph-NH-NH 2 (180 o C). Механизм обычно межмолекулярный.

6) НИТРОЗОБЕНЗОЛ и его димер.

О реакции нитробензола RMgX с образованием алкилнитрозобензолов и других продуктов. Эта реакция показывает, почему НЕЛЬЗЯ ДЕЛАТЬ реактивы Гриньяра из галогеннитробензолов!

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМИНОВ,

известные из материалов предыдущих лекций.

1. Алкилирование аммиака и аминов по Гофману

2. Восстановление нитрилов, амидов, азидов, оксимов.

3. Восстановление ароматических нитросоединений.

4. Перегруппировки Гофмана, Курциуса и Шмидта.

5. (Гидролиз амидов.)

Новые способы.

1. Восстановительное аминирование С=О (каталитическое).

2. Реакция Лейкарта (Эшвайлера-Кларка).

3. Синтез Габриэля,

4. Реакция Риттера.

5. Каталитическое арилирование аминов в присутствии медных и палладиевых катализаторов (реакции Ульмана, Бухвальда-Хартвига) – наиболее мощный современный метод синтеза разнообразных аминов.

Химические свойства аминов , известные из предыдущих лекций .

1. Нуклеофильное замещение (алкилирование, ацилирование).

2. Нуклеофильное присоединение к С=О (имины и енамины).

3. Элиминирование по Гофману и по Коупу (из окисей аминов).

4. Реакции электрофильного замещения в ароматических аминах.

5. Основность аминов (школьная программа).

Новые свойства .

1. Основность аминов (новый уровень знаний). Что такое рК а и рК b .

2. Реакция с азотистой кислотой.

3. Окисление аминов.

4. Разное – проба Хинсберга, галогенирование аминов.

ДИАЗОСОЕДИНЕНИЯ.

1. ДИАЗО- и АЗО- соединения. СОЛИ ДИАЗОНИЯ. Анионы – простые и комплексные. Растворимость в воде. Взрывчатые свойства. Распределение заряда на атомах азота. Ковалентные производные.

2. Диазотирование первичных ароматических аминов. Механизм диазотирования (упрощённая схема с использованием Н + и NO +). Сколько молей кислоты требуется? (Формально – 2, реально – больше.) Побочное образование триазенов и побочное азосочетание.

3. Агенты диазотирования в порядке уменьшения их реакционной способности.

NO + >>H 2 NO 2 + >NOBr>NOCl>N 2 O 3 >HNO 2 .

4. Нитрозирование втор . и трет . аминов. Реакция алифатических аминов с HNO 2 .

5. Приемы диазотирования: а) классический, б) для низкоосновных аминов, в) обратный порядок смешения, г) в неводной среде - использование i-AmONO. Особенности диазотирования фенилендиаминов. Контроль окончания реакции.

6. Поведение солей диазония в щелочной среде. Диазогидрат, син- и анти-диазотаты. Амбидентность диазотатов.

7. Реакции диазосоединений с выделением азота. 1) Термическое разложение арилдиазония протекает через высокореакционноспособные арил-катионы. Механизм замещения в этом случае аналогичен S N 1 в алифатической химии. По этому механизму идет реакция Шимана и образование фенолов и их простых эфиров. 2) Нуклеофилы – восстановители. Механизм – перенос электрона, и образование арил-радикала. По этому механизму протекает реакция с иодид-ионом, замещение диазогруппы на водород. 3) Реакции в присутствии порошка меди или солей меди(I). Также имеют радикальную природу, роль восстановителя играет медь. Нуклеофил переносится на арил-радикал в координационной сфере комплексов меди. Таких реакций большинство в химии солей диазония. Реакция Зандмейера и ее аналоги. 4) Реакция Несмеянова. 5) Диарилиодониевые и бромониевые соли.

8. Реакции диазосоединений без выделения азота. Восстановление. Азосочетание, требования к азо- и диазокомпонентам. Примеры азокрасителей (метилоранж).

9. Реакции Гомберга-Бахмана и Мейервейна Современная альтернатива – реакции кросс-сочетания, катализируемые комплексами переходных металлов и реакция Хека. На 5++: кросс-сочетание с солями диазония и диарилиодониевыми солями.

10. ДИАЗОМЕТАН. Получение, строение, реакции с кислотами, фенолами, спиртами (различие в условиях), с кетонами и альдегидами.

ФЕНОЛЫ И ХИНОНЫ.

Большинство важнейших методов синтеза фенолов известны из материалов предыдущих лекций:

1) синтез через Na-соли сульфокислот;

2) гидролиз арилхлоридов;

3) через соли диазония;

4) кумольный метод.

5) гидроксилирование активированных аренов по Фентону.

СВОЙСТВА ФЕНОЛОВ.

1) Кислотность; 2) синтез сложных эфиров; 3) электрофильное замещение (см. тему "Электрофильное замещение в аренах");

4) Реакции электрофильного замещения, не рассмотренные ранее: карбоксилирование по Кольбе, формилирование по Реймеру-Тиману, нитрозирование; 5) таутомерия, примеры; 6) Синтез простых эфиров; 6а) синтез аллиловых эфиров; 7) перегруппировка Кляйзена;

8) окисление фенолов, ароксильные радикалы; реакция Бухерера;

10) превращение PhOHв PhNR 2 .

ХИНОНЫ.

1. Строение хинонов. 2. Получение хинонов. Окисление гидрохинона, семихинон, хингидрон. 3. Хлоранил, 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-хинон (DDQ). 4. Свойства хинонов: а) окислительно-восстановительные реакции, 1,2- и 1,4-присоединение, реакция Дильса-Альдера.

ВАЖНЕЙШИЕ ПРИРОДНЫЕ ЕНОЛЫ, ФЕНОЛЫ И ХИНОНЫ.

ВИТАМИН С (1): Аскорбиновая кислота. Восстановитель. Окрашивание с FeCl 3 . В природе синтезируется всеми хлорофиллсодержащими растениями, пресмыкающимися и земноводными, многими млекопитающими. Человек, обезьяны, морские свинки в ходе эволюции утратили способность ее синтезировать.

Важнейшие функции – построение межклеточного вещества, регенерация и заживление тканей, целостность кровеносных сосудов, устойчивость к инфекции и стрессу. СИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА (гидроксилирование аминокислот). (Коллаген – это наше все: кожа, кости, ногти, волосы.) Синтез норадреналина. Недостаток витамина С – ЦИНГА. Содержание витамина С: черная смородина 200 мг/100 г, красный перец, петрушка – 150-200, цитрусовые 40-60, капуста – 50. Потребность: 50-100 мг/день.

ТАННИН, это гликозид галловой кислоты (2). Содержится в чае, обладает дубящими свойствами

РЕЗВЕРАТРОЛ(3) – содержится в КРАСНОМ ВИНЕ (французском). Снижает вероятность сердечно-сосудистых заболеваний. Ингибирует образование пептида ЭНДОТЕЛИНА-1 – ключевого фактора в развитии атеросклероза. Способствует продвижению французского вина на рынок. Более 300 публикаций за последние 10 лет.

ГВОЗДИЧНОЕ МАСЛО: эвгенол (4).

ВИТАМИН Е (5) (токоферол – "потомство несу"). Антиоксидант. (Сам образует неактивные свободные радикалы). Регулирует обмен селена в глутатионпероксидазе – ферменте, который защищает мембраны от пероксидов. При недостатке – бесплодие, мышечная дистрофия, снижение потенции, возрастает окисляемость липидов и ненасыщенных жирных кислот. Содержится в растительных маслах, салате, капусте, желтке, злаках, овсянке (геркулес, мюсли). Потребность – 5 мг/день. Авитаминоз бывает редко.

ВИТАМИНЫ ГРУППЫ К (6). Регуляция свертываемости крови и минерализации костной ткани (карбоксилирование остатка глутаминовой кислоты в положение 4 (в составе белков!)) - результат: связывание кальция, рост костей. Синтезируется в кишечнике. Потребность – 1 мг/сут. Геморрагические заболевания. Антивитамины К. Дикумарин. Снижение свертываемости крови при тромбозах.

УБИХИНОН ("вездесущий хинон"), он же – коэнзим Q (7). Перенос электронов. Тканевое дыхание. Синтез АТФ. Синтезируется в организме.

ХРОМОН (8) и ФЛАВОН (9) – полухиноны, полуэфиры фенолов.

КВЕРЦЕТИН (10). РУТИН – витамин Р (11) (это кверцетин + сахар).

Витамин проницаемости. При недостатке кровотечение, утомляемость, боли в конечностях. Связь витаминов С и Р (аскорутин).

АНТОЦИАНИНЫ (от греч.: окраска цветов).

ЧТО ТАКОЕ ЛИГНИН?Из чего состоит древесина? почему она твердая и водонепроницаемая?

"АЛИЦИКЛЫ", 2 лекции.

1. Формальная классификация циклов (гетероциклы и карбоциклы, и те и другие могут быть ароматическими и неароматическими. Алициклами называются неароматические карбоциклы.

2. Распространение в природе (нефть, терпены, стероиды, витамины, простагландины, хризантемовая к-та и пиретроиды, др.).

3. Синтез – конец XIX в. Перкин мл. – из натрмалонового эфира. (см. п.13). Густавсон:

Br-CH 2 CH 2 CH 2 -Br + Zn (EtOH, 80 o C). Это 1,3-элиминирование.

4. БАЙЕР (1885 г.). Теория напряжения. Это даже не теория, а дискуссионная статья: По Байеру – все циклы плоские. Отклонение от угла 109 о 28’ – напряжение . Теория жила-жила лет 50, потом умерла, а термин – остался. Первые синтезы макро- и средних циклов (Ружичка).

5. ТИПЫ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИКЛАХ: 1) УГЛОВОЕ (только малые циклы), 2) ТОРСИОННОЕ (заслоненное), ТРАНСАННУЛЯРНОЕ (в средних циклах).

Напр. по Байеру
Напр. по D H o f ккал/м (тепл. образ.)
Напр. по D H o f ккал/м : С 9 (12,5 ккал/м), С 10 (13 ккал/м), С 11 (11 ккал/м), С 12 (4 ккал/м), С 14 (2 ккал/м).
Теплота сгорания на CH 2 группу, ккал/м	МАЛЫЕ ЦИКЛЫ 166.6 (С3), 164,0 (С4)		ОБЫЧНЫЕ 158,7 (С5), 157,4 (С6)		СРЕДНИЕ ДО С 12 (C 13) МАКРОЦИКЛЫ > C 13

6. ЦИКЛОПРОПАН. Строение (С-С 0,151 нМ, Ð НСН = 114 о), гибридизация (по расчётамдляС-Н она ближе к sp 2 , для C-C– к sp 5 ), банановые связи, угол 102 о сходство с алкенами, ТОРСИОННОЕ напряжение – 1 ккал/м на С-Н, т.е. 6 ккал/м из 27.2 (табл.). Кислотность CH – рКа как у этилена =36-37, возможноесопряжение циклопропанового фрагмента с р -орбиталями соседних фрагментов (стабильность циклопропилметильного карбокатиона).

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. 1. Гидрирование в С 3 Н 8 (Н 2 /Pt, 50 о С)/ 2. с влажным HBr – раскрытие цикла метилциклопропана по Марковникову, 1,5-присоединение к винилциклопропану 3. Радикальное галогенирование. 4. Устойчивость к некоторым окислителям (нейтральный раствор KMnO 4 , озон). В фенилциклопропане озон окисляет Phкольцо cобразованием циклопропанкарбоновой кислоты.

7. ЦИКЛОБУТАН. Строение (С-С 0,155 нМ, Ð НСН = 107 о), КОНФОРМАЦИЯ – складчатая, отклонение от плоскости равно 25 о. ТОРСИОННОЕ напряжение.

Почти нет ОСОБЕННОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ:Гидрирование в С 4 Н 10 (Н 2 /Pt, 180 о С). Особенности строения оксетанов: ТОРСИОННОЕ напряжение – 4 ккал/м вместо 8.

8. ЦИКЛОПЕНТАН. Углового напряжения почти нет. В плоском – 10 пар заслоненных С-Н связей (это могло бы дать торсионное напряжение 10 ккал/м, но циклопентан – не плоский). Конформации: открытый КОНВЕРТ – полукресло – открытый КОНВЕРТ. ПСЕВДОВРАЩЕНИЕ – компромисс между угловым и торсионным напряжением.

9. ЦИКЛОГЕКСАН – КРЕСЛО. Углового и торсионного напряжения нет. Аксиальные и экваториальные атомы. Все С-Н связи соседних атомов углерода находятся в в заторможенном положении. Переход между двумя возможными кресловидными конформациями через твист-форму, и т.д. 10 5 раз в сек. ЯМР спектр циклогексана.Быстрые и медленные обменные процессы в ЯМР.

МОНОЗАМЕЩЕННЫЕ ЦИКЛОГЕКСАНЫ. Конформеры. Аксиальные и гош -бутановые взаимодействия.

Свободные конформационные энергии заместителей. – D G о, ккал/м: H(0), Me(1.74, это ~ 95% е-Ме конформера в равновесии), i-Pr(2.1), t-Bu (5.5), Hal (0.2-0.5) Ph(3.1).

Трет -бутильная группа как якорь, закрепляющий конформацию, в которой она сама занимает экваториальное положение. В трет -бутилциклогексане при комнатной температуре более 99,99% экваториального конформера.

Аномерный эффект. Открыт на моносахаридах и более подробно будет рассмотрен там.

10. ДИЗАМЕЩЕННЫЕ ЦИКЛОГЕКСАНЫ. Цис- транс- изомеры, энантиомеры для 1,2-. 1,3-. 1,4-дизамещённых циклогексанов.

11. ВЛИЯНИЕ КОНФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ на реакционную способность. Вспомнить элиминирование в ментил- и изоментилхлориде (1 сем). Правило Бредта.

12. Понятие о конформациях средних циклов (кресла-ванны, короны и т.п.) Трансаннулярное напряжение. Понятие о трансаннулярных реакциях.

13. Методы синтеза малых циклов.

14. СИНТЕЗ ОБЫЧНЫХ И СРЕДНИХ ЦИКЛОВ.

Через малоновый эфир.

Пиролиз Ca, Ba, Mn, Th солей a ,w –дикарбоновых кислот.

Конденсация Дикмана.

Через a ,w –динитрилы.

Ацилоиновая кондесация.

Метатезис алкенов.

Циклотри- и тетрамеризация на металлокомплексных катализаторах.

Реакция Демьянова.

15. Особенности строения циклоалкенов.

16. Синтез циклоалкинов.

17. Бициклы. Спираны. Адамантан.

18. Экзотика. Тетраэдран, кубан, ангуланы, пропеллан.

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.

1. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

Пиррол, фуран, тиофен, ароматичность, их производные в природе (порфирин, гем, хлорофилл, витамин В 12 , аскорбиновая кислота, биотин).

2. Методы синтеза пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом. Метод Пааля-Кнорра. Синтез пиррола по Кнорру и фурана по Фейсту-Бенáри. Превращения фурана в другие пятичленные гетероциклы по Юрьеву. Получение фурфурола из растительных отходов, содержащих пятиуглеродные углеводы (пентозаны).

3. Физические и химические свойства пятичленных гетероциклов.

Данные спектров ЯМР 1 Н и 13 С, δ м.д. (для бензола δН 7.27 и δС 129 м.д.)

Дипольные моменты

3.1 Электрофильное замещение в пирроле, фуране и тиофене.

По реакционной способности по отношению к электрофилам пиррол напоминает активированные ароматические субстраты (фенол или ароматические амины), Пиррол более реакционноспособен, чем фуран (фактор скорости более 10 5), тиофен значительно менее реакционноспособен, чем фуран (также приблизительно в 10 5 раз), но более реакционноспособен, чем бензол (фактор скорости 10 3 -10 5). Все пятичленные гетероциклы склонны к полимеризации и осмолению в присутствии сильных протонных кислот и высокореакционноспособных кислот Льюиса. Особенно высокой ацидофобностью отличается пиррол. ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В ПЯТИЧЛЕННЫХ ГЕТЕРОЦИКЛАХ, ОСОБЕННО ПИРРОЛЕ, НЕЛЬЗЯ БРАТЬ СИЛЬНЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ КИСЛОТЫ, AlCl 3 , А ТАКЖЕ СИЛЬНЫЕ ОКИСЛИТЕЛИ! Хотя это правило не абсолютно, и тиофен до некоторой степени устойчив к действию кислот, проще и надежнее совсем избегать таких реакций для всех донорных гетероциклов. Примеры реакций электрофильного замещения в пирроле, фуране и тиофене.

3.2. Основность и кислотность пиррола, алкилирование Li, Na, К и Mg производных пиррола.

3.3. Конденсация пиррола с альдегидами (формилирование, образование порфиринов).

3.4. Особенности химических свойств фуранов (реакция с бромом, реакция Дильса-Альдера.

3.5. Особенности химических свойств тиофена. Десульфуризация.

3.6. Реакции С-металлированных пятичленных гетероциклов.

4. Конденсированные пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

4.1. Индолы в природе (триптофан, скатол, серотонин, гетероауксин. Индиго.)

4.2 Синтез индолов по Фишеру. Механизм.

4.3 Сравнение свойств индола и пиррола. Аналогично пирролу индол ацидофобен и очень чувствителен к окислителям . Существенным отличием от пиррола является ориентация электрофильного замещения в положение 3.

5. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.Имидазол , амфотерность, таутомерия, использование при ацилировании. Сравнение с амидинами. Имидазол – донор и акцептор водородных связей. Это важно для химии ферментов, например химотрипсина. Именно гистидиновый фрагмент химотрипсина переносит протон и обеспечивает гидролиз пептидной связи.

6. Пиридин, ароматичность, основность (рКа 5,23; основность сравнима с анилином (рКа = 4,8), но немного больше). рКа производных пиридина: 2-амино-Ру= 6,9 , 3-амино-Ру = 6,0 . 4-амино-Ру = 9,2. Это довольно сильное основание. 4-нитро-Ру = 1,6; 2-циано-Ру= -0,26).

Производные пиридина в природе (витамины, никотин, NADP).

6.1. Данные спектров ЯМР 1 Н (13 С), δ, м.д.

6.2. Методы синтеза пиридинов (из 1,5-дикетонов, трёхкомпонентный синтез Ганча).

6.3. Химические свойства пиридина. Алкилирование, ацилирование, DMAP, комплексы пиридина с кислотами Льюиса. (cSO 3 , BH 3 , NO 2 + BF 4 - , FOTf). Мягкие электрофильные реагенты для сульфирования, восстановления, нитрования и фторирования соответственно.

6.4. Реакции электрофильного замещения для пиридина . Особенности реакций и примеры условий электрофильного замещения в пиридине.

6.5. N-окись пиридина, получение и её использование в синтезе . Введение нитрогруппы в 4- положение кольца.

6.6. Нуклеофильное замещение в 2-, 3-, и 4-хлорпиридинах. Факторы парциальных скоростей по сравнению с хлорбензолом.

Аналогичная тенденция наблюдается и для 2-, 3- и 4- галогенхинолинов.

6.7. Нуклеофильное замещение гидрид-иона:

реакция пиридина с алкил- или ариллитием;

реакция пиридина с амидом натрия (реакция Чичибабина). Так как элиминирование свободного гидрид-иона невозможно по энергетическим причинам, в реакции Чичибабина промежуточный сигма-комплекс ароматизуется за счет взаимодействия с продуктом реакции с образованием натриевой соли продукта и молекулярного водорода.

В других реакциях гидрид обычно удаляют с помощью окисления. Так, соли пиридиния могут подвергаться гидроксилированию, приводящему к образованию 1-алкилпиридонов-2. Процесс идет аналогично аминированию, но в присутствии окислителя, например, K 3 .

6.8. Литиопроизводные пиридина. Получение, реакции.

6.9. Пиридиновое ядро как сильный мезомерный акцептор. Устойчивость карбанионов, сопряженных с пиридиновым ядром в 2- или 4-положениях. Особенности химических свойств метилпиридинов и винилпиридинов.

7. Конденсированные шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

7.1. Хинолин . Хинин.

Спектры ЯМР 1 Н (13 С) хинолина, δ, м.д.

7.1. Методы получения хинолинов. Синтезы Скраупа и Дёбнера-Мил-лера. Понятие о механизме этих реакций. Синтез 2- и 4-метилхинолинов.

7.2. Изохинолины, синтез по Бишлеру-Напиральскому.

7.3. Химические свойства хинолинов и изохинолинов. Сравнение с пиридином, отличия свойств пиридина и хинолина.

Поведение гетероциклических соединений в присутствии окислителей и восстановителей, предназначенных для модификации боковых цепей.

Восстановители:

Пиррол – практически неограниченно устойчив к действию восстановителей, а также оснований и нуклеофилов (например, выдерживает гидриды, боран, Na в спирте без затрагивания кольца, даже при длительном нагревании).

Тиофен – также как и пиррол, устойчив к действию восстановителей, а также оснований, нуклеофилов за исключением восстановителей на основе переходных металлов. Любые соединения никеля (никель Ренея, борид никеля) вызывают десульфуризацию и гидрирование скелета. Катализаторы на основе палладия и платины обычно отравляются тиофенами и не работают.

Фуран – также как пиррол, но очень легко гидрируется.

Индол – полностью аналогичен пирролу.

Кольцо пиридина восстанавливается легче, чем кольцо бензола. Для боковых цепей можно использовать NaBH 4 , нежелательно (часто даже нельзя) использовать LiAlH 4 .

Для хинолина закономерности практически те же, что для пиридина, нельзя использовать LiAlH 4 .

В кватернизованной форме (N-алкилпиридиний, хинолиний) очень чувствительны к восстановителям (восстановление кольца), основаниям, нуклеофилам (раскрытие кольца).

Окислители.

Использование окислителей для соединений пиррола, индола и, в меньшей степени фурана, приводит, как правило, к разрушению кольца. Присутствие электроноакцепторных заместителей повышает устойчивость к окислителям, однако более подробная информация об этом выходит за пределы программы 3 курса.

Тиофен ведет себя подобно бензолу – обычные окислители не разрушают кольцо. Но категорически исключено использование перекисных окислителей в любой форме – происходит окисление серы до сульфоксида и сульфона с потерей ароматичности и немедленной димеризацией.

Пиридин достаточно устойчив к большинству окислителей в мягких условиях. Отношение пиридина к нагреванию с KMnO 4 (рН 7) до 100 o С в запаянной ампуле такое же, как и для бензола: кольцо окисляется. В кислой среде в протонированной форме пиридин еще более устойчив к окислителям, можно использовать стандартный набор реагентов. Надкислоты окисляют пиридин в N-оксид – см. выше.

Окисление одного из колец хинолина с KMnO 4 приводит к пиридин-2,3-дикарбоновой кислоте.

8. Шестичленные гетероциклы с несколькими атомами азота

8.1. Пиримидин. Производные пиримидина как компоненты нуклеиновых кислот и лекарственных препаратов (урацил, тимин, цитозин, барбитуровая кислота). Противовирусные и противоопухолевые препараты – пр-ные пиримидина (5-фторурацил, азидотимидин, алкилметоксипиразины – компоненты запаха пищи, фруктов, овощей, перца, гороха, жареного мяса. Так называемая реакция Мейяра (Maillard) (факультативно).

8.2. Понятие о химических свойствах производных пиримидина.

Пиримидин можно бромировать в положение 5. Урацил (см. ниже) тоже можно бромировать и нитровать в положение 5.

Легкие реакции S N 2Arв хлорпиримидинах (аналогия с пиридином!): по положению 4 идёт быстрее, чем по 2.

Замещение 2-С1 под действием КNH 2 в NH 3 ж. Механизм не ариновый, а ANRORC (на 5+++).

10. Биядерные гетероциклы с несколькими атомами азота. Пурины (аденин, гуанин).

Наиболее известные пурины (кофеин, мочевая кислота, ацикловир). Изостеры пуринов (аллопуринол, силденафил (виагра™)).

Дополнительная литература по теме "Гетероциклы"

1. Т.Джилкрист "Химия гетероциклических соединений" (Пер. с англ. - М.: Мир, 1996)

2. Дж. Джоуль, К.Миллс "Химия гетероциклических соединений" (Пер. с англ. - М.: Мир, 2004).

АМИНОКИСЛОТЫ .

1.Аминокислоты (АК) в природе. (≈ 20 аминокислот присутствуют в белках, это кодируемые АК, >200 АК встречаются в природе.)

2. α-, β-, γ-аминокислоты . S-конфигурация природных L-аминокислот.

3. Амфотерность, изоэлектрическая точка (рН обычно 5,0-6,5). Оснόвные (7,6-10,8), кислые (3,0-3,2) аминокислоты. Подтверждение цвиттер-ионного строения. Электрофорез.

4. Химические свойства АК – свойства COOHи NH 2 групп. Хелаты. Бетаины. Поведение при нагревании (ср. с оксикислотами). Образование азлактонов из N-ацетилглицина и гидантоинов из мочевины и АК – на 5++. Синтез сложных эфиров и N-ацилирование – путь к пептидному синтезу (см. лекцию про белок).

5. Химическое и биохимическое дезаминирование, (механизмы не учить!), принцип ферментативного переаминирования с витамином В 6 (было в теме "Карбонильные соединения" и в курсе биохимии).

7. Важнейшие способы синтеза аминокислот:

1) из галогенкарбоновых кислот – два примитивных способа, включая фталимидный. (Оба уже известны!)

2) синтез Штрекера;

3) алкилирование анионов СН-кислот – PhCH=N–CH 2 COOR и N-ацетиламиномалонового эфира.

4) Энантиоселективный синтез АК путем:

а) микробиологического (ферментативного) разделения и

б) энантиоселективное гидрирование с использованием хиральных катализаторов.

5) β-аминокислоты. Синтез по Михаэлю.

	Гидрофобные аминокислоты	Немного о биохимической роли (для общего развития)
АЛАНИН		Вынос аммиака из тканей в печень. Трансаминирование, превращение в пировиноградную к-ту. Синтез пуринов, пиримидинов и гема.
ВАЛИН*		Если в результате мутации валин встаёт на место глутаминовой к-ты в гемоглобине – бывает наследственное заболевание –серповидно-клеточная анемия. Серьёзная наследственная болезнь, распространенная в Африке, но при этом придающая устойчивость к малярии.
ЛЕЙЦИН*
ИЗОЛЕЙЦИН*
ПРОЛИН		Изгибы в молекулах белков. Отсутствие вращения там, где есть пролин.
ФЕНИЛАЛАНИН*		Если не превращается в тирозин – будет наследственное заболевание фенилпировино-градная олигофрения.
ТРИПТОФАН*		Синтез НАДФ, серотонина. Распад в кишечнике до скатола и индола.
	Гидрофильные аминокислоты
ГЛИЦИН Gly (G)	H 2 N-CH 2 -COOH	Участвует в огромном кол-ве биохимических синтезов в организме.
СЕРИН Ser (S)	HO-CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Участвуют (в составе белков) в процессах ацилирования и фосфорилирования.
ТРЕОНИН* Thr (T)	CH 3 -CH(OH)- CH(NH 2)-COOH
ТИРОЗИН Tyr (Y)		Синтез тиреоидных гормонов, адреналина и норадреналина
	"Кислые" аминокислоты
АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА Asp (D)	HOOC-CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Донор аминогруппы при синтезах.
ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА Glu (E)	HOOC-C 4 H 2 -CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Образует ГАМК (γ-аминомасляную кислоту (аминалон) – успокоительное средство. Gluвыносит NH 3 из мозга, превращаясь при этом в глутамин (Gln). 4- карбоксиглутаминоваяк-тавбелкахсвязываетСа.
	"А М И Д Ы" кислых аминокислот
АСПАРАГИН Asn (N)	H 2 N-CO -CH 2 -CH(NH 2)-COOH
ГЛУТАМИН Gln (Q)	H 2 N-CO -CH 2 -CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Донораминогрупп в синтезах
ЦИСТЕИН Cys (C)	HS-CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Образование S-S связей (трет, структура белков, регуляция активности ферментов)
ЦИСТИН	Cys-S-S-Cys
МЕТИОНИН* Met	MeSCH 2 CH 2 - CH(NH 2)COOH	Донор метильных групп
	"Оснóвные" аминокислоты
ЛИЗИН* Lys (K)	H 2 N-(CH 2) 4 -CH(NH 2)-COOH	Образует сшивки в коллагене и эластине делает их эластичными.
АРГИНИН Arg (R) Содержит фрагмент гуанидина	H 2 N-C(=NH)-NH-(СН 2) 3 -СH(NH 2)-COOH	Участвует в выведении аммиака из организма
ГИСТИДИН His (H) Остаток имидазола		Синтез гистамина. Аллергия.

* - незаменимые аминокислоты. Из большинства аминокислот легко синтезируются глюкоза и жиры. Нарушения обмена аминокислот у детей приводит к умственной неполноценности.

ЗАЩИТНЫЕ ГРУППЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПЕПТИДНОМ СИНТЕЗЕ.

NH 2 -защитные группы –

RC(O)- = (HC(O)-) CF 3 C(O)- фталильная

ROC(O)- = PhСН 2 OC(O)- и замещённые бензилы, t-BuOC(O)- и др. трет -группы,

Флуоренилметилоксикарбонильная группа,

Ts-группа

СООН -защитные группы – эфиры – PhCH 2 O- и замещенные бензилы,

t-BuO- и флуоренилметиловые эфиры.

Отдельное рассмотрение защитных групп для других ФГ аминокислот не предусмотрено.

Методы создания пептидной связи.

1. Хлорангидридный (через X-NH-CH(R)-C(O)Cl). Способ устарел.

2..Азидный (по Курциусу, через X-NH-CH(R)-C(O)Y → C(O)N 3 как мягкий ацилирующий реагент.

3.Ангидридный – напр. через смешанный ангидрид с угольной кислотой.

4.Активированные эфиры (например С(О)-ОС 6 F 5 и т.п.)

5. Карбодиимидный – кислота + ДЦК + амин

6. Синтез на твёрдом носителе (напр. на смоле Меррифилда).

Биологическая роль пептидов. Несколько примеров.

1. Энкефалины и эндорфины – опиоидные пептиды.

например Tyr-Gly-Gly-Phe-Met и

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu измозгасвиньи. Известно несколько сотен аналогов.

2. Окситоцин и вазопрессин Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro- Leu -Gly-NH 2

│________________│

DuVigneaud, Ноб.пр. 1955 Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro- Arg -Gly-NH 2

│________________│

3. Инсулин контролирует усвоение глюкозы клеткой. Избыток глюкозы в крови (диабет) – приводит к гликозилированию всего подряд (в основном белков).

4. Превращения пептидов: ангиотензиноген → ангиотензин I → ангиотензин II. Один из основных механизмов регуляции артериального давления (АД), место приложения многих лекарств (блокаторы АПФ – ангиотензин-превращающего фермента. Катализатор 1 стадии – фермент ренин (выделен из почек).

5. Пептидные токсины. Действуют при болезнях - ботулизм, столбняк, дифтерия, холера. Яды змей, скорпионов, пчёл, токсины грибов (фаллоидин, амантин), морских беспозвоночных (Conusgeographus – 13 АК, два -S-S-мостика). Многие устойчивы при кипячении в кислом растворе (до 30 мин).

6. Пептидные антибиотики (грамицидин S).

7. Аспартам Asp-Phe-OMe в 200 раз слаще сахара. Горькие и "вкусные" пептиды .

8. Белки. Четыре уровня организации нативной белковой молекулы. Белок – уникальный (наряду с нуклеиновыми кислотами) тип макромолекулы, обладающей точно известной структурой, упорядоченной вплоть до деталей стереохимии и конформации. Все остальные известные макромолекулы, в том числе и природные (полисахариды, лигнин и т.п.) имеют в большей или меньшей степени неупорядоченное строение – широкое распределение молекулярных масс, свободное конформационное поведение.

Первичная структура – последовательность аминокислот. Как кратко обозначается первичная структура?

Вторичная структура – конформационно-регулярные элементы двух типов (α–спирали и β– слои) – так упорядочивается только часть белковой макромолекулы.

Третичная структура – уникальная упорядоченная стереохимическая конфигурация полной макромолекулы. Понятие о "складывании" (folding) полипептидной цепи в третичную структуру белка. Прионы.

Четвертичная структура – соединение нескольких субъединиц в белках, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Дисульфидные мостики (обратимое превращение цистеин-цистин) как способ закрепления третичной и четвертичной структуры.

УГЛЕВОДЫ.

1. Что такое углеводы? Углеводы вокруг и внутри нас.

2. Понятие о фотосинтезе производных D-глицериновой кислоты.Только для особо выдающихся студентов – об образовании дифосфата глицериновой кислоты из D-рибулозы.

3. Что такое D-ряд углеводов. (Кратко об истории возникновения понятия о D- и L- рядах).

4. Классификация углеводов: а) по количеству атомов С; б) по наличию С=О или СНО групп; в) по количеству циклических фрагментов.

5. Синтез углеводов из D-глицеринового альдегида по методу Килиани-Фишера. Как Фишер установил формулу глюкозы?

6. Вывод формул всех D-тетроз, -пентоз, -гексоз из D- глицеринового альдегида (открытые структуры). Для всех студентов – знать формулу глюкозы (открытую и циклическую), маннозы (2-эпимер глюкозы), галактозы (4-эпимер глюкозы), рибозы. Пиранозы и фуранозы.

7. Уметь перейти от открытой формы к циклической по Хеуорсу. Уметь нарисовать формулы α- и β–глюкозы (все заместители в е- положении кроме аномерного) в конформации кресла.

8. Что такое эпимеры, аномеры, мутаротация. Аномерный эффект.

9. Химические свойства глюкозы как альдегидоспирта: а) хелаты с ионами металлов, получение гликозидов, полных простых и сложных эфиров, изопропилиденовая защита ; б) окисление СНО группы ионами металлов, бромной водой, НNО 3 . Расщепление по Волю. Реакция с аминами и получение озазонов. Важнейшие принципы и приёмы избирательного алкилирования различных гидроксилов в глюкозе.

10. D-фруктоза как представитель кетоз. Открытая и циклическая формы. Реакция серебряного зеркала для фруктозы.

11. Понятие о дезоксисахарах, аминосахарах. Сюда же хитин и гепарин. Септулозы и октулозы в авокадо. Реакция Мейяра (Maillard).

12. ОЛИГОСАХАРИДЫ. Мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара.

13. Полисахариды – крахмал (20% амилозы + 80% амилопектина), иодкрахмальная проба, гликоген, целлюлоза, гидролиз крахмала в полости рта (амилаза) и гидролиз целлюлозы, нитроклетчатка, вискозное волокно, производство бумаги, группы крови и отличие между ними.

ВАЖНЕЙШИЕ ПОЛИСАХАРИДЫ.

ПОЛИСАХАРИД	СОСТАВ и строение	примечания
циклодекстрины	α-(6), β-(7), γ-(8) Состоит из глюкозы, 1-4 связи.	Отличные комплексообразователи, хелатообразователи
крахмал	α-глю-(1,4)-α-глю 20% амилозы + 80% амилопектина	Амилоза = 200 глю, линейный полисахарид. Амилопектин = 1000 и более глю, разветвлён.
гликоген	"разветвлённый" крахмал, участие 6-ОН	Запас глюкозы в организме
	Из остатков фруктозы	Содержится в топинамбуре
целлюлоза	β-глю-(1,4)-β-глю	Хлопок, клетчатка растений, древесина
целлюлоза	Ксантогенат по 6-положению	Получение вискозы – искусственного шелка, целлофана (упаковочной плёнки)
ацетат целлюлозы	Примерно диацетат	ацетатное волокно
нитрат целлюлозы	Тринитроэфир	Бездымный порох
Производство бумаги из древесины	Древесина = целлюлоза + лигнин. Обработать Са(НSO 3) 2 или Na 2 S + NaOH	Сульфатация древесины – удаление лигнина в воду – получение целлюлозной массы.
	Поли-α-2-дезокси-2-N-Ac-аминоглюкоза (вместо 2-ОН – 2-NH-Ac)	Если удалить Ас от азота получится хитозан – модная БАД
гиалуроновая кислота	– (2-AcNH-глюкоза – глюкуроновая кислота) n –	Смазка в организме (напр. в суставах).
	Строение очень сложное – (2-HO 3 S-NH-глюкоза – глюкуроновая кислота) n –	Увеличивает время свёртываемости крови
Хондроитин сульфат	Гликопротеины (коллаген), протеогликаны, связь через NН 2 аспарагина или ОН серина	Есть везде в организме, особенно в соединительной ткани, хрящах.

Примечание: Глюкуроновая к-та: 6-СООН – 1- СНО

Глюконовая к-та: 6-СН 2 ОН – 1-СООН

Глюкаровая к-та: 6-СООН – 1- СООН

1. Химия и биохимия нуклеиновых кислот.

Азотистые основания в РНК: У (урацил), Ц (цитозин) – производные пиримидина. А (аденин), Г (гуанин) – производные пурина. В ДНК вместо У (урацила) присутствует Т (тимин).

Нуклеозиды (сахар + азотистое основание): уридин, цитидин, тимидин, аденозин, гуанозин.

Нуклеотиды(фосфат + сахар + азотистое основание).

Лактим-лактамная таутомерия.

Первичная структура нуклеиновых кислот (соединение нуклеозидов через атомы кислорода у С-3 и С-5 рибозы (дезоксирибозы) с помощью фосфатных мостиков.

РНК и ДНК.

а) Главные основания и минорные основания (РНК). Только для тРНК список минорных оснований приближается к 50. Смысл их существования – защита от гидролитических ферментов. 1-2 примера минорных оснований.

в) Правила Чаргаффа для ДНК. Важнейшее: А=Т. Г=Ц. Однако Г+Ц < А+Т для животных и растений.

Принципы строения ДНК

1. Нерегулярность.
Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно.

2. Антипараллельность.
ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой.

3. Комплементарность (дополнительность).
Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две водородные связи, в паре Г-Ц – три, поскольку в этих основаниях в ароматическом кольце имеется дополнительная аминогруппа.

4. Наличие регулярной вторичной структуры.
Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.

Функции ДНК

1. ДНК является носителем генетической информации.
Функция обеспечивается фактом существования генетического кода . Количество молекул ДНК: в клетке человека – 46 хромосом, в каждой одна молекула ДНК. Длина 1 молекулы ~ 8 (т.е.2х4) см. В упакованном виде – 5 нм (это третичная структура ДНК, суперспирализация ДНК на белках-гистонах).

2. Воспроизведение и передача генетической информации обеспечивается процессом репликации (ДНК → новая ДНК).

3. Реализация генетической информации в виде белков и любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.
Эта функция обеспечивается процессами транскрипции (ДНК в РНК) и трансляции (РНК в белок).

Репарация – восстановление повреждённого участка ДНК. Это происходит из-за того, что ДНК – двухцепочечная молекула, есть комплементарный нуклеотид, который "подсказывает", что нужно исправить.

Какие бывают ошибки и повреждения? а) Ошибки репликации (10 -6), б) депуринизация, потеря пурина, образование апуриновых сайтов (в каждой клетке потеря 5000 пуриновых остатков в сутки!), в) дезаминирование (например цитозин превратился в урацил).

Индуцируемые повреждения. а) димеризация пиримидиновых колец под действием УФ по С=С связям с образованием циклобутанового кольца (для удаления димеров используются фотолиазы); б) химическое повреждение (алкилирование, ацилирование и др.). Ремонт повреждений – ДНК-гликозилаза – апуринизация (или апиримидинизация) алкилированного основания – далее введение "нормального" основания в пять стадий.

Нарушение процесса репарации – наследственные болезни (пигментная ксеродерма, трихотиодистрофия и др.) Наследственных болезней около 2000.

Ингибиторы транскрипции и трансляции – антибактериальные препараты.

Стрептомицин – ингибитор синтеза белка у прокариотов.

Тетрациклины – "связываются с 30S субъединицей бактериальной рибосомы и блокируют присоединение аминоацил-тРНК в А-центр рибосомы, тем самым, нарушая элонгацию (т.е. считывание мРНК и синтез полипептидной цепи)".

Пенициллины и цефалоспорины – β-лактамные антибиотики. β-Лактамное кольцо ингибирует синтез клеточных стенок у грамотрицательных микроорганизмов.

Вирусы – ингибиторы матричных синтезов в эукариотических клетках.

Токсины – часто делают то же самое, что и вирусы. α–Аманитин – токсин бледной поганки, LD 50 0,1 мг на кг массы тела. Ингибирование РНК-полимеразы. Результат – необратимые изменения в печени и почках.

Рицин – очень сильный белковый яд из клещевины. Это фермент N-гликозилаза, который удаляет остаток аденина из 28S рРНК большой субъединицы рибосомы, ингибирует синтез белка у эукариотов. Содержится в касторовом масле.

Энтеротоксин возбудителя дифтерии (белок с массой 60 кД) – ингибирование синтеза белков в зеве и гортани.

Интерфероны – белки с размером около 160 АК, секретируются некоторыми клетками позвоночных в ответ на заражение вирусами. Количество интерферона – 10 -9 – 10 -12 г, т.е. одна молекула белка защищает одну клетку. Эти белки, как белковые гормоны, стимулируют синтез ферментов, которые разрушают синтез мРНК вирусов.

Наследственные болезни (моногенные) и (не путать!) семейная предрасположенность к болезням (диабет, подагра, атеросклероз, мочекаменная болезнь, шизофрения – это мультифакторные болезни.)

Принципы анализа нуклеотидной последовательности (факультативно).

ДНК технологии в медицине.

А. Выделение ДНК. Б. Расщепление ДНК с помощью рестриктаз. ДНК человека - 150х10 6 пар нуклеотидов. Их надо разделить на 500 000 фрагментов по 300 пар в каждом. Далее гель-электрофорез. Далее – блот-гибридизация по Саузерну с радиозондом или другие методики.

Секвенирование. Экзонуклеазы – отщепляют последовательно один мононуклеотид. Это устаревшая методика.

ПЦР (PCR) – полимеразно-цепная реакция. (Нобел. пр. 1993 г.: Кэрри Муллис)

Принцип: праймеры (это фрагменты ДНК ~20 нуклеотидов – коммерчески доступные) + ДНК-полимераза → наработка ДНК (амплификатор) → анализ ДНК (секвенатор). Сейчас всё делается автоматически!

Метод секвенирования ДНК с использованием меченых дефектных нуклеотидов (например, дидезоксинуклеотидов). Сейчас метки не радиоактивные, а флуоресцентные. Анализ на СПИД и другие ИППП. Быстро, но дорого. Лучше не болеть!

Успех ПЦР для диагностики и широкого распространения связан с тем, что ферменты, участвующие в процессе, выделенные из термостойких бактерий горячих источников и сделанные генной инженерией, выдерживают нагревание, при котором происходит денатурация (диссоциация цепей ДНК) и подготовка их к следующему циклу ПЦР.

ТЕРПЕНЫ, ТЕРПЕНОИДЫ И СТЕРОИДЫ.

Турпентин – летучее масло из сосновой смолы .

Терпены – группа ненасыщенных углеводородов состава (С 5 Н 8) n , где n³ 2, широко распространенные в природе. Содержат фрагменты изопентана, связанные, как правило, по типу “голова к хвосту” (это и есть Правило Ружички).

Монотерпены С 10 (С 5 Н 8) 2 Сескви терпены С 15 , (С 5 Н 8) 3 Дитерпены С 20 , (С 5 Н 8) 4 Тритерпены С 30 , (С 5 Н 8) 6 . Политерпены (каучук).

Степень гидрирования терпенов может быть разной, поэтому число атомов Н не обязательнодолжно быть кратно 8. Не бывает С 25 и С 35 терпенов.

Терпены бывают ациклические и карбоциклические.

Терпеноиды (изопреноиды) – это терпены (углеводороды) + функционально замещенные терпены. Обширная группа природных соединений с регулярным строением скелета.

Изопреноиды можно подразделить на

1) терпены, в т.ч. функционально замещенные,

2) стероиды

3) смоляные кислоты,

4) полиизопреноиды (каучук).

Важнейшие представители терпенов.

Некоторые особенности химии терпенов, бициклических молекул и стероидов.

1) неклассические катионы; 2) перегруппировки типа Вагнера-Мейервейна; 3) легкая окисляемость; 4) диастереоселективный синтез; 5) влияние удаленных групп.

Формально терпены – продукты полимеризации изопрена, но путь синтеза совершенно иной! Почему же именно производные полиизопрена получили такое распространение в природе? Это связано с особенностями их биосинтеза из ацетилкоэнзима А, т.е. фактически из уксусной кислоты. (Блох, 40-60 гг. Оба атома углерода из С 14 Н 3 С 14 ООН включаются в терпен.)

СХЕМА СИНТЕЗА МЕВАЛОНОВОЙ КИСЛОТЫ – важнейшего промежуточного продукта в биосинтезе терпенов и стероидов.

Конденсация ацетил коэнзима А в ацетоацетил коэнзим А проходит по типу сложноэфирной конденсации Кляйзена.

Синтез лимонена из геранилфосфата – важного промежуточного вещества как в синтезе самых разнообразных терпенов, так и в синтезе холестерина. Ниже приведено превращение лимонена в камфору под действием HCl, воды и окислителя (РР – остаток пирофосфата).

Превращение мевалоновой кислоты в геранилфосфат происходит путём 1) фосфорилирования 5-ОН, 2) повторного фосфорилирования 5-ОН и образование пирофосфата, 3) фосфорилирования по 3-ОН. Всё это происходит под действием АТФ, которая превращается в АДФ. Дальнейшие превращения:

Важнейшие стероидные гормоны.

Образуются в организме из холестерина. Холестерин не растворим в воде. Проникает в клетку и участвует в биосинтезе через комплексы со стеринопереносящими белками.

ЖЕЛЧНЫЕ КИСЛОТЫ . Холевая кислота. Цис-сочленение колец А и В. Желчные кислоты улучшают всасываемость липидов, понижают уровень холестерина, широко используются для синтеза макроциклических структур.

СТЕРОИДЫ – ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА.

1. Кардиотоники . Дигитоксин. Содержится в различных видах наперстянки (DigitalispurpureaL. или DigitalislanataEhrh.) Гликозиды – это природные соединения, которые состоят из одного или нескольких остатков глюкозы или другого сахара, чаще всего связанных через положения 1- или 4- с органической молекулой (АГЛИКОНом). Вещества похожей структуры и действия встречаются в яде некоторых видов жаб.

2. Диуретики. Спиронолактон (верошпирон). Антагонист альдостерона. Блокирует обратное всасывание ионов Na+, уменьшает таким образом количество жидкости, что приводит к понижению артериального давления Не влияет на содержание ионов К+ ! Это очень важно.

3. Противовоспалительные средства. Преднизолон. 6-Метилпреднизолон (см. формулу выше). Фторстероиды (дексаметазон (9a -фтор-16a -метилпреднизолон), триамцинолон (9a -фтор-16a -гидроксипреднизолон. Противовоспалительные мази.

4. Анаболики. Способствуют образованию мышечной массы и костной ткани. Метандростенолон.

5. БРАССИНОСТЕРОИДЫ - ПРИРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ПОМОГАЮЩИЕ РАСТЕНИЯМ БОРОТЬСЯ СО СТРЕССОМ (засуха, заморозки, излишнее увлажнение), ОБЛАДАЮТ РОСТОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ АКТИВНОСТЬЮ.

24-эпибрассинолид [(22R, 23R,24R)- 2α,3α,22,23- тетрагидрокси-В-гомо-7-окса-5α-эргостан-6-он.

Препарат "Эпин-экстра", ННПП "НЭСТ-М".

МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСНЫЙ КАТАЛИЗ (1 СЕМЕСТР).