Програмата на основния курс по органична химия и някои допълнителни материали, демонстрирани по време на лекциите - втори семестър. Ароматни съединения Определяне на ароматността

Ароматичността е специално свойство на някои химични съединения, поради което спрегнатият пръстен от ненаситени връзки проявява необичайно висока стабилност; по-голямо от това, което би се очаквало само с едно конюгиране Ароматичността не е пряко свързана с миризмата на органични съединения и е концепция, която характеризира съвкупността от структурни и енергийни свойства на определени циклични молекули, съдържащи система от спрегнати двойни връзки. Терминът "ароматност" беше предложен, защото първите представители на този клас вещества имаха приятна миризма. Най-често срещаните ароматни съединения съдържат шест въглеродни атома в пръстена; предшественикът на тази серия е бензен C 6 H 6 . Рентгеновият дифракционен анализ показва, че молекулата на бензена е плоска, а дължината на C-C връзките е 0,139 nm. От това следва, че всичките шест въглеродни атома в бензена са вътре sp 2-хибридно състояние, всеки въглероден атом образува σ връзки с два други въглеродни атома и един водороден атом, разположени в същата равнина, ъглите на връзката са 120º. Така σ-скелетът на молекулата на бензена е правилен шестоъгълник. Освен това всеки въглероден атом има нехибрид стр-орбитала разположена перпендикулярно на плоския скелет на молекулата; и шестте са нехибридни стр-електроните взаимодействат помежду си, образувайки π-връзки, които не са локализирани по двойки, а са обединени в единичен π-електронен облак. По този начин в молекулата на бензена се получава кръгово конюгиране. Графично структурата на бензена може да се изрази със следната формула:

Кръговото конюгиране дава енергийна печалба от 154 kJ/mol - тази стойност е енергия на конюгиране - количеството енергия, което трябва да се изразходва за унищожаване на ароматната система на бензена.

За образуването на стабилна ароматна система е необходимо стр-електроните са формално групирани в 3, 5, 7 и т.н. двойни връзки; математически това се изразява Правилото на Хюкел : циклични съединения, които имат плоска структура и съдържат (4n + 2) електрона в затворена конюгационна система, където n е естествена серия от числа, имат повишена термодинамична стабилност.

31 . Реакции на електрофилно заместване в бензен (халогениране, нитриране, сулфониране, алкилиране, ацилиране). Представа за механизма на реакциите на електрофилно заместване в ароматните серии, σ- и π-комплекси.

Халогениране

За въвеждане на халоген в ароматния пръстен като реагенти се използват комплекси от халогени с киселини на Луис. Ролята на последния е да поляризира връзката халоген-халоген, в резултат на което един от атомите придобива положителен заряд, а другият образува връзка с киселината на Луис поради свободния си заряд. д-орбитали.

Нитриране

Бензолът и неговите хомолози се превръщат в нитросъединения чрез действието на нитруваща смес, която се състои от концентрирана сярна и азотна киселина (2:1). Нитруващата частица (електрофил) е нитрониевият катион NO 2 +, чието съществуване в нитруващата смес се доказва чрез криоскопски метод: измерванията на температурите на замръзване на азотната и сярната киселина и тяхната смес показват наличието на четири частици в решение.

Сулфониране

Смята се, че реакцията на сулфониране на арен се извършва в олеум под действието на серен триоксид и в сярна киселина с участието на HSO 3 + катион. Серният триоксид проявява електрофилен характер поради полярността на S–O връзките.

Алкилиране на Фридел-Крафтс

Един от начините за получаване на бензенови хомолози е реакцията на алкилиране. Трансформацията е кръстена на С. Фридел и Дж. М. Крафтс, които я откриват. По правило халоалканите и алуминиевите халиди се въвеждат в реакцията като катализатори. Смята се, че катализаторът, киселина на Луис, поляризира С-халогенната връзка, създавайки дефицит на електронна плътност върху въглеродния атом, т.е. механизмът е подобен на реакцията на халогениране

Фридел-Крафтс ацилиране

Подобна на реакцията на алкилиране е реакцията на ацилиране на ароматни съединения. Като реагенти се използват анхидриди или халогениди на карбоксилни киселини, продуктите са ароматни кетони. Механизмът на тази реакция включва образуването на комплекс между ацилиращия реагент и киселината на Люис. В резултат на това положителният заряд на въглеродния атом се увеличава несравнимо, което го прави способен да атакува ароматното съединение.

Трябва да се отбележи, че за разлика от реакцията на алкилиране, в този случай е необходимо да се вземе излишък от катализатора спрямо количеството на реагентите, т.к. реакционният продукт (кетон) сам по себе си е способен да образува комплекс и свързва киселината на Луис.

Реакции на електрофилно заместване на σ- и π-комплексихарактеристика на ароматни карбоциклични и хетероциклични системи. В резултат на делокализацията на р-електроните в молекулата на бензена (и други ароматни системи), р-електронната плътност се разпределя равномерно от двете страни на пръстена. Такова екраниране на пръстенните въглеродни атоми от р-електрони ги предпазва от атака от нуклеофилни реагенти и, обратно, улеснява възможността за атака от електрофилни реагенти. Но за разлика от реакциите на алкени с електрофилни реагенти, взаимодействието на ароматни съединения с тях не води до образуване на присъединителни продукти, тъй като в този случай ароматността на съединението ще бъде нарушена и неговата стабилност ще намалее. Запазването на ароматността е възможно, ако електрофилна частица замести водороден катион.Механизмът на реакциите на електрофилно заместване е подобен на механизма на реакциите на електрофилно добавяне, тъй като има общи модели на реакции.

Обща схема на механизма на реакциите на електрофилно заместване S E:

Образуването на пи комплекс се дължи на пи връзката в съединението, а сигма комплексът се дължи на сигма връзката.

Образуване на π-комплекс. Полученият електрофил X+ (например Br+ йон) атакува богатия на електрони бензенов пръстен, образувайки π-комплекс.

Трансформация на π-комплекс в σ-комплекс. Електрофилът отнема 2 електрона от π-системата, образувайки σ-връзка с един от въглеродните атоми на бензеновия пръстен. Разлика между пи и сигма връзки: Сигма връзката е по-силна, сигма връзката се образува от хибридни орбитали Пи връзката се образува от нехибридизирани пи орбитали Пи връзката е по-отдалечена от центровете на атомите, които се свързват, така че е по-малко здрави и по-лесни за счупване.

32. Ароматни въглеводороди. Влиянието на заместителите в бензеновия пръстен върху изомерния състав на продуктите и скоростта на реакцията. Активиращи и дезактивиращи заместители. Орто-, пара- и мета-ориентатори. Реакции на радикално заместване и окисление в страничната верига.

Съществена характеристика на реакциите за получаване и трансформация на ароматни въглеводородни производни е, че нови заместители влизат в бензеновия пръстен в определени позиции спрямо съществуващите заместители. Моделите, които определят посоката на реакциите на заместване в бензеновия пръстен, се наричат правила за ориентация.

Реактивността на конкретен въглероден атом в бензеновия пръстен се определя от следните фактори: 1) позицията и природата на съществуващите заместители, 2) природата на активния агент, 3) условията на реакцията. Първите два фактора имат решаващо влияние.

Заместителите на бензеновия пръстен могат да бъдат разделени на две групи.

Донорите на електрони (от първи вид) са групи от атоми, способни да отдават електрони. Те включват OH, OR, RCOO, SH, SR, NH2, NHR, NR2, NHCOR, -N=N-, CH3, CH2R, CR3, F, CI, Br, I.

Електрон-оттеглящите заместители (от втория вид) са атомни групи, способни да изтеглят и приемат електрони от бензеновото ядро. Те включват S03H, N02, CHO, COR, COOH, COOR, CN, CC13 и др.

Полярните реагенти, действащи върху ароматни съединения, могат да бъдат разделени на две групи: електрофилни и нуклеофилни. Най-често срещаните процеси за ароматни съединения са алкилиране, халогениране, сулфониране и нитриране. Тези процеси възникват по време на взаимодействието на ароматни съединения с електрофилни реагенти. Известни са и реакции с нуклеофилни реагенти (NaOH, NH2Na и др.), Например реакции на хидроксилиране и аминиране.

Заместителите от първия вид улесняват реакциите с електрофилни реагенти и ориентират новия заместител в орто-И двойка- провизии.

Заместителите от втория вид усложняват реакциите с електрофилни реагенти: те ориентират новия заместител към мета позицията. В същото време тези заместители улесняват реакциите с нуклеофилни реагенти.

Нека разгледаме примери за реакции с различни ориентировъчни ефекти на заместителите.

1. Наместник от първи род; електрофилен реагент. Улесняващият реакцията ефект на заместителя, о-, р-ориентация:

2. Наместник от втори род; електрофилен реагент. Действието на заместител, който възпрепятства реакцията; м-ориентация:

3. Наместник от първи род; нуклеофилен реагент; м-ориентация. Възпрепятстващо действие на зам. Не са известни примери за такива реакции с безспорен механизъм.

4. Наместник от втори род; нуклеофилен реагент, о-, р-ориентация:

Правила за ориентация при електрофилно заместванев бензеновия пръстен се основават на взаимното влияние на атомите в молекулата. Ако в незаместен бензен C 6 H 6 електронната плътност в пръстена е разпределена равномерно, тогава в заместен бензен C 6 H 5 X, под въздействието на заместител X, настъпва преразпределение на електрони и се появяват области с повишена и намалена електронна плътност. Това влияе върху лекотата и посоката на реакциите на електрофилно заместване. Входната точка на нов заместител се определя от природата на съществуващия заместител.

Правила за ориентиране

Наличните заместители на бензеновия пръстен насочват нововъведената група към определени позиции, т.е. имат ориентировъчен ефект.

Според насочващото си действие всички заместители се делят на две групи: ориентанти от първи видИ ориентанти от втория вид.

Ориентанти от 1-ви вид ( орто-пара орто- И двойка- провизии. Те включват донорни на електрони групи (електронните ефекти на групите са посочени в скоби):

R( + аз); -OH( +М,-И); -ИЛИ ( +М,-И); -NH2( +М,-И); -NR 2 (+М,-И)+М-ефектът в тези групи е по-силен от -Аз-ефекта.

Ориентантите от 1-ви вид увеличават електронната плътност в бензеновия пръстен, особено върху въглеродните атоми в орто- И двойка-позиции, което благоприятства взаимодействието на тези конкретни атоми с електрофилни реагенти. Пример:

Ориентанти от 1-ви вид, увеличавайки електронната плътност в бензеновия пръстен, повишават неговата активност в реакциите на електрофилно заместване в сравнение с незаместения бензен.

Особено място сред ориентантите от 1-ви вид заемат халогените, които показват електроноотвличащиИмоти: - Е (+М<–I ), -кл (+М<–I ), -бр (+М<–I ).Битие орто-пара-ориентанти, те забавят електрофилното заместване. Разум - силен – аз-ефектът на електроотрицателните халогенни атоми, който намалява електронната плътност в пръстена.

Ориентанти от 2-ри вид ( мета-ориентатори) насочват последващото заместване предимно към мета- позиция. Те включват електрон-оттеглящи групи:

НЕ 2 ( –М, –И); -COOH( –М, –И); -CH=O ( –М, –И); -SO3H ( – аз); -NH3+ ( – аз); -CCl 3 ( – аз).

Ориентантите от 2-ри вид намаляват електронната плътност в бензеновия пръстен, особено в орто- И двойка- провизии. Следователно електрофилът атакува въглеродните атоми не в тези позиции, а в мета-позиция, където електронната плътност е малко по-висока. Пример:

Всички ориентанти от 2-ри вид, като цяло намаляват електронната плътност в бензеновия пръстен, намаляват неговата активност в реакциите на електрофилно заместване.

По този начин, лекотата на електрофилно заместване на съединенията (дадени като примери) намалява в реда:

толуен C 6 H 5 CH 3 > бензен C 6 H 6 > нитробензен C 6 H 5 NO 2.

Реакции на радикално заместване и окисляване на страничната верига

Втората най-важна група реакции на алкил ароматни въглеводороди е заместване на свободните радикали водороден атом в страничната верига а- позиция спрямо ароматния пръстен.

Преференциална замяна в а-позицията се обяснява с високата стабилност на съответните алкилови ароматни радикали и следователно относително ниската якост а-C-H-връзки. Например, енергията на разкъсване на връзката C-H в страничната верига на молекулата на толуола е 327 kJ/mol - 100 kJ/mol по-малко от енергията на връзката C-H в молекулата на метана (427 kJ/mol). Това означава, че стабилизиращата енергия на свободния бензилов радикал C 6 H 5 -CH 2 · е равна на 100 kJ/mol.

Причината за високата стабилност на бензил и други алкилови ароматни радикали с несдвоен електрон е а-въглероден атом е възможността за разпределяне на спиновата плътност на несдвоения електрон в несвързваща молекулярна орбитала, покриваща въглеродни атоми 1", 2, 4 и 6.

В резултат на разпределението (делокализация) само 4/7 от спиновата плътност на несдвоения електрон остава с непръстеновия въглероден атом, останалите 3/7 от спиновата плътност се разпределят между един двойка- и две орто- въглеродни атоми на ароматното ядро.

Окислителни реакции

Окислителните реакции, в зависимост от условията и природата на окислителя, могат да протичат в различни посоки.

молекулярен кислородпри температура от около 100 o C, той окислява изопропилбензен чрез механизъм на радикална верига до относително стабилен хидропероксид.

33. Кондензирани ароматни въглеводороди: нафталин, антрацен, фенантрен, бензопирен. Техните структурни фрагменти в естествени и биологично активни вещества (стероиди, алкалоиди, антибиотици).

Нафталин - C 10 H 8 твърдо кристално вещество с характерна миризма. Неразтворим във вода, но разтворим в бензол, етер, алкохол, хлороформ. Нафталинът е подобен по химични свойства на бензена: лесно се нитрира, сулфонира и взаимодейства с халогени. Различава се от бензена по това, че реагира още по-лесно. Нафталинът се получава от каменовъглен катран.

Антраценът е безцветни кристали, точка на топене 218° C. Неразтворим във вода, разтворим в ацетонитрил и ацетон, разтворим в бензен при нагряване. Антраценът се получава от каменовъглен катран. По химични свойства е подобен на нафталина (лесно се нитрира, сулфонира и др.), но се различава от него по това, че по-лесно влиза в реакции на присъединяване и окисление.

Антраценът може да фотодимеризира под въздействието на UV радиация. Това води до значителна промяна в свойствата на веществото.

Димерът съдържа две ковалентни връзки, образувани в резултат на циклоприсъединяване. Димерът се разлага обратно на две антраценови молекули при нагряване или при ултравиолетово облъчване с дължина на вълната под 300 nm.Фенантренът е трицикличен ароматен въглеводород. Фенантренът изглежда като лъскави, безцветни кристали. Неразтворим във вода, разтворим в органични разтворители (диетилов етер, бензол, хлороформ, метанол, оцетна киселина). Разтворите на фенантрен светят в синьо.

Химичните му свойства са подобни на нафталина.Бензпиренът или бензопиренът е ароматно съединение, представител на семейството на полицикличните въглеводороди, вещество от първи клас на опасност.

Образува се при изгарянето на въглеводородни течни, твърди и газообразни горива (в по-малка степен при изгаряне на газообразни горива).

В околната среда се натрупва главно в почвата, по-малко във водата. Той навлиза в растителните тъкани от почвата и продължава движението си по-нататък в хранителната верига, като на всеки етап съдържанието на BP в природните обекти се увеличава (виж Биомамагнификация).

Има силна луминесценция във видимата част на спектъра (в концентрирана сярна киселина - A 521 nm (470 nm); F 548 nm (493 nm)), което позволява да се открива в концентрации до 0,01 ppb чрез луминесцентни методи.

34. Халогенопроизводни на въглеводороди. Класификация, номенклатура, изомерия.

Халогенните производни могат да бъдат класифицирани по няколко начина:

1. в съответствие с общата класификация на въглеводородите (т.е. алифатни, алициклични, ароматни, наситени или ненаситени халогенни производни)

2. от количеството и качеството на халогенните атоми

3. според вида на въглеродния атом, към който е прикрепен халогенният атом: първични, вторични, третични халогенни производни.

Според номенклатурата на IUPAC позицията и името на халогена се посочват в префикса. Номерирането започва от края на молекулата, до която е най-близо халогенният атом. Ако има двойна или тройна връзка, то именно тя определя началото на номерацията, а не халогенният атом: Т.нар. “рационална номенклатура” за съставяне на имената на халогенопроизводните. В този случай името се конструира по следния начин: въглеводороден радикал + халогенид.

Някои халогенни производни имат тривиални имена, например инхалационният анестетик 1,1,1-трифлуоро-2-бромо-2-хлороетан (CF 3 -CBrClH) има тривиалното име флуоротан. 3. Изомерия

3.1. Структурна изомерия 3.1.1. Изомерия на позициите на заместителите

1-бромобутан 2-бромобутан

3.1.2. Изомерия на въглеродния скелет

1-хлоробутан 2-метил-1-хлоропропан

3.2. Пространствена изомерия

Стереоизомерия може да възникне, когато има четири различни заместителя на един въглероден атом (енантиомеризъм) или когато има различни заместители на двойна връзка, например:

транс-1,2-дихлороетен цис-1,2-дихлороетен

35. Реакции на нуклеофилно заместване на халогенния атом, използването им в синтеза на органични съединения от различни класове (алкохоли, етери и естери, амини, тиоли и сулфиди, нитроалкани, нитрили). - дава възможност за получаване на представители на почти всички класове органични съединения (алкохоли, етери, амини, нитрили и др.), Следователно тези реакции се използват широко в синтеза на лекарствени вещества. Основни механизми на реакция

Заместването на халоген при sp3-хибриден въглероден атом може да бъде извършено както по SN1, така и по SN2 механизми. Заместването на халогена при sp 2 -хибридния въглероден атом (в арил и винил халогениди) се извършва или чрез типа добавяне-елиминиране, или чрез типа елиминиране-добавяне и е много по-трудно, отколкото за sp3-хибрида. - S N 1 механизмът включва два етапа: а) дисоциация на алкилхалогенид в йони; б) взаимодействие на катион с нуклеофил. Нуклеофилната атака на контактна йонна двойка, при която до голяма степен се запазва асиметрията, води до обръщане на конфигурацията. В йонна двойка, разделена на солват, едната страна на катиона е екранирана от солватиран халиден йон и нуклеофилната атака е по-вероятна от другата страна, което води до преференциална промяна на конфигурацията, но селективността е намалена и рацемизацията е увеличена. Пълна рацемизация е възможна само с образуването на свободен катион (с). Въпреки това, обикновено не се наблюдава пълна рацемизация за оптически активни халиди чрез S N 1 механизма. Рацемизацията варира от 5 до 20%, следователно практически не се образува солватиран катион.

Етапът на образуване на карбокатион е ограничаващ и следователно стабилността на катиона определя скоростта на процеса. Скоростта на процеса също зависи от концентрацията на алкилхалида и не зависи от концентрацията на нуклеофила.

Образуването на карбокатион може да предизвика редица странични процеси: изомеризация на въглеродната верига, елиминиране (EI) и др.

Нуклеофил Nu - атакува субстрата от страната, противоположна на напускащата група. В този случай реакцията протича в един етап с образуването на преходно състояние, при което sp 3 -хибридизацията на централния въглероден атом се променя на sp 2 - с p-орбитала, перпендикулярна на равнината на местоположението на хибридните орбитали. Единият дял на еторната орбитала се припокрива с нуклеофила, а вторият с напускащата група.Връзката C-Nu се образува едновременно с разцепването на връзката C-Y.

Скоростта на превръщане на изходните вещества в реакционни продукти зависи от: 1) големината на положителния заряд на въглеродния атом на субстрата, 2) пространствените фактори, 3) силата на нуклеофила и 4) в кинетичната област, концентрация както на нуклеофила, така и на алкилхалида. При голям излишък на нуклеофил реакцията може да протече в първи или фракционен ред. (Термините S N 1 и S N 2 показват само молекулярност, а не реда на реакцията.)

Реакцията винаги е придружена от обръщане на конфигурацията.Странична реакция може да бъде елиминирането на Е2.

Механизмът S N Ar (добавяне-елиминиране) обикновено се реализира в присъствието на електрон-оттеглящи заместители, които създават d+ (насочват нуклеофила) и стабилизират s-комплекса. В хетероциклите тяхната роля се играе от хетероатома. За разлика от S N 2 механизма за алкил халиди, нуклеофилът образува нова връзка, преди старата да се разпадне.

Пиридинът и хинолинът могат да се считат за аналози на нитробензена. Както при нитробензена, положението на халогена в пръстена е от голямо значение. 3-халопиридините са подобни на халобензените, 2-,4-заместените са подобни на нитрохалобензените, докато 4-халопиридинът е по-активен от 2-заместения. Реактивността на алкилхалидите в реакциите на нуклеофилно заместване в протонни разтворители намалява (способността на групите да напускат намалява) в следния ред: RI > RBr > RCl > RF.

В случай на активирани халоарени появата на положителен заряд в реакционния център зависи не само от броя, местоположението и естеството на другите заместители в ядрото, но и от естеството на заместения халоген. Следователно халогенните атоми могат да бъдат заменени с нарастваща лекота в ред 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

Ароматните субстрати (арилхалиди) трябва да бъдат активирани, в противен случай добивът на целевия продукт (естер) може да бъде нисък поради странични процеси. Замяната на халоген в първични и вторични алкилхалогениди с аминогрупа се извършва чрез нагряването им с алкохолен, воден или водно-алкохолен разтвор на амоняк, първичен или вторичен амин под налягане (в автоклав). Това произвежда смес от соли на първични, вторични, третични амини и кватернерни амониеви соли

1. Молекулата има плоска циклична структура.

2. Всички атоми в цикъла са в състояние на sp2 хибридизация (следователно s-скелетът е плосък и всички sp-орбитали са успоредни.

3. В молекулата има делокализирана p-електронна система, съдържаща 4n + 2 p-електрона, където n = 0,1,2, е естествена редица от числа. Това правило се нарича правило на Хюкел

Хетероцикличните съединения също имат ароматен характер. При замяна на –CH= в молекула на бензен с –N= се образува хетероцикличното съединение пиридин.

Мезомерен ефект. Електронодонорни и електрон-приемащи заместители. Резонансната теория като качествен начин за описване на делокализацията на електронната плътност.

Мезомерният ефект или ефективното конюгиране е прехвърлянето на електронното влияние на заместителите през конюгирана система. За разлика от I (индуктивен) ефект, M (мезомерен) ефект се предава през системата за конюгиране без затихване. Депутат долна ел. плътност в спрежението система (изместване на ЕД в нейната посока) прояв. - М-ефект и феномен. акцептор на електрони. (заместителите съдържат множество връзки на въглероден атом с повече отрицателни хетероатоми).

Депутат повишена електрич. плътност в спрежението система (изместване на EF от себе си към спрегнатата система) проявява. +М-ефект и феномен. донор на електрони. (заместители, съдържащи хетероатом с несподелена двойка електрони)

М-ефект (хидрокси, амино, OR, халогени). - М-ефект (нитро, сулфо, карбоксил, карбонил).

Теория на резонанса- теорията за електронната структура на химичните съединения, според която разпределението на електроните в молекулите е комбинация (резонанс) на канонични структури с различни конфигурации на двуелектронни ковалентни връзки.

Резонансни структури на циклопентадиенид йон

Конфигурацията и конформацията са най-важните понятия в стереохимията. Конфигурация. Елементи на симетрия на молекули (ос, равнина, център) и операции на симетрия (въртене, отражение). Хирални и ахирални молекули. Асиметричен въглероден атом като център на хиралност.

Стериохимия– секция по химия, учебно пространство. построена молекули и тяхното влияние. по физични и химични свойства, както и по посока. и скоростта на тяхната реакция. Базира се на три основни концепции: хиралност, конфигурация и конформация.

Конфигурация– това са пространства. местоположение на входа в състава на молекула от атоми или при. групи, без да се вземат предвид различията, възникнали в следното. въртене около единични връзки.

Ос на симетрия. Ако въртенето на молекула около която и да е ос, минаваща през нея, е под ъгъл 2π/ н= 360°/ нводи до структура, която не се различава от оригиналната, тогава такава ос се нарича ос на симетрия н-ти ред C н.

Равнина на симетрия (огледална равнина)е въображаема равнина, която минава през молекулата и я разделя на две огледално равни части.

В присъствието на център на симетриявсички атоми на молекула, които не лежат в центъра на симетрия, са разположени по двойки на една права линия, минаваща през центъра, на същото разстояние от центъра, както например в бензена.

Конформациимолекули - различни пространствени форми на молекули, възникнали при промяна на относителната ориентация на отделните му части в рез. вътрешни въртене на атоми или групи от атоми около единични връзки, огъване на връзки и др.

Ако молекулите са несъвместими с огледалния си образ. Това свойство се нарича хиралност, и самите молекули – хирален(означава, че два обекта се отнасят един към друг като лява и дясна ръка (от гръцки. хирос- ръка) и са огледални изображения, които не съвпадат, когато се опитват да ги комбинират в пространството).

Асиметричен въглероден атом -атом, свързан с четири различни заместителя.

Молекули с един център на хиралност (енантиомеризъм). Глицералдехид като конфигурационен стандарт. Проекционни формули на Фишер. Относителна и абсолютна конфигурация. D-, L- и R-, S-системи от стереохимична номенклатура. Рацемати.

Енантиомерите са стереоизомери, чиито хирални молекули са свързани една с друга като обект и несъвместим огледален образ (те представляват два оптични антипода и затова се наричат ​​още оптични изомери).

Глицералдехидът съдържа хирален център, съществуващ под формата на 2 стереоизомера, притежаващ. различни опт.дейност.

Предложени проекционни формули Е. Фишер: 1) местоположение на въглероден скелет. вертикално; 2) поставени отгоре. старша функция група; 3) тетраедърът е ориентиран така, че хиралният център да е разположен в равнината, заместителите, разположени отдясно и отляво на въглеродната верига, са насочени напред от проекционната равнина; Заместителите се поставят вертикално, отдалечавайки се от наблюдателя извън равнината на проекцията; Асиметричният въглероден атом се пренася в равнината в пресечната точка на хоризонталните и вертикалните линии. Относителна конфигурация- това е относителното разположение на заместителите при различни асиметрии. атоми един спрямо друг; обикновено се обозначава с префикси ( цис-И транс-, трео-И еритро-и т.н.). Абсолютна конфигурация- това е истинското разположение в пространството на заместителите при всеки асиметричен атом на молекулата; най-често се означава с букви дили Л .

R,S-номенклатура.1) Определете реда на приоритет на заместителите в хиралния център: а) редът на приоритет първо се установява за непосредствено съседни атоми. Връзка с центъра: „колкото по-висок е атомният номер, толкова по-стар е заместителят.“ b) ако е най-близкият. атомите са еднакви, тогава процедурата трябва да се извърши за атома на следващата сфера 2) След като локализирате най-младия заместител от наблюдателя, определете посоката на намаляване на старшинството на останалите три заместителя. Ако се появи по посока на часовниковата стрелка, това е R-изомер; ако се появи обратно на часовниковата стрелка, това е S-изомер. D,L-номенклатура(Свързано с проекцията на Фишер). Ако функционалната група в хиралния център е отдясно, тогава това е D-изомер, а отляво е L-изомер.Енантиомерите се различават по способността си да въртят равнинно поляризирана светлина: отдясно (+) D , вляво (-) Л.

7. Възникване на конформации в резултат на въртене около σ връзки. Фактори, които затрудняват ротацията. Проекционни формули на Нюман. Видове стрес. Енергийни характеристики на конформации с отворена верига. Връзка между пространствена структура и биологична активност

1. Конформации (ротационен изомеризъм). Без да се променят нито ъглите на връзката, нито дължините на връзката, човек може да си представи много геометрични форми на молекулата на етана, различаващи се една от друга във взаимното въртене на въглеродните тетраедри около връзката C-C, която ги свързва. В резултат на тази ротация, ротационни изомери (конформери).

В проекция Нов мъжмолекулата се разглежда по протежение на C-C връзката). Три линии, отклоняващи се под ъгъл 120° от центъра на кръга, показват връзките на въглеродния атом, който е най-близо до наблюдателя; линиите, които „стърчат“ зад кръга, са връзките на отдалечения въглероден атом.

Показаната вляво конформация се нарича затъмнен . Това име ни напомня, че водородните атоми на двете СН3 групи са един срещу друг. Затъмнената конформация има повишена вътрешна енергия и следователно е неблагоприятна. Показаната вдясно конформация се нарича инхибиран , което означава, че свободното въртене около C-C връзката е „инхибирано“ в тази позиция, т.е. молекулата съществува предимно в тази конформация.

Минималната енергия, необходима за пълно завъртане на молекула около определена връзка, се нарича ротационна бариера за тази връзка. Ротационната бариера в молекула като етан може да бъде изразена по отношение на промяната в потенциалната енергия на молекулата като функция на промяната двустенен (усукващ) ъгъл системи. Двустенният ъгъл (обозначен с ) е показан на фигурата по-долу:

Тъй като молекулата става по-сложна, броят на възможните конформации се увеличава. По-долу конформациите на n-бутан са изобразени като проекции на Нюман. Конформациите, показани вляво (защриховани), са енергийно неблагоприятни; практически се реализират само инхибираните.

Циклоалкани. Номенклатура. Малки цикли. Електронна структура на циклопропан. Характеристики на химичните свойства на малки цикли (реакции на добавяне). Редовни цикли. Реакции на заместване. Видове стрес. Енергийна разлика между конформациите на циклохексан (стол, вана, полу-стол). Аксиални и екваториални връзки. Касова бележка. Имоти

Физични свойства. При нормални условия първите два члена на поредицата (C 3 - C 4) са газове, (C 5 - C 16) са течности, като се започне от C 17 са твърди вещества.. Подготовка. 1. Основният метод за получаване на циклоалкани е елиминирането на два халогенни атома от дихалоалкани:

2. По време на каталитичното хидрогениране на ароматни въглеводороди се образува циклохексан или неговите производни: t °, P, Ni C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12.

Химични свойства. По отношение на химичните свойства малките и обикновените цикли се различават значително един от друг. Циклопропанът и циклобутанът са склонни към присъединителни реакции, т.е. подобни в това отношение на алкените. Циклопентанът и циклохексанът са близки по химично поведение до алканите, тъй като преминават през реакции на заместване.1. Например, циклопропанът и циклобутанът могат да добавят бром (въпреки че реакцията е по-трудна, отколкото с пропен или бутен):

2. Циклопропан, циклобутан и дори циклопентан могат да добавят водород, давайки съответните нормални алкани.
Добавянето става при нагряване в присъствието на никелов катализатор:

3. Отново, само малки цикли влизат в реакцията на присъединяване с водородните халиди. Добавянето към хомолози на циклопропан става съгласно правилото на Марковников:

4. Реакции на заместване. Конвенционалните цикли (C 6 и по-високи) са стабилни и претърпяват само реакции на радикално заместване като алкани: t ° C 6 H 12 + Br 2 → C 6 H 11 Br + HBr.

5. Дехидрогенирането на циклохексан в присъствието на никелов катализатор води до образуването на бензен: t ° Ni
C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 .6. Когато силни окислители (например 50% азотна киселина) действат върху циклохексан в присъствието на катализатор, се образува адипинова (хександиева) киселина:

Структурни особености на циклоалканитеи тяхното химично поведение. Циклопропанът има плоска структура, така че водородните атоми на съседните въглеродни атоми са разположени над и под равнината на цикъла в енергийно неблагоприятно („затъмнено“) положение. Това е една от причините за „напрегнатостта” на цикъла и неговата нестабилност.

Конформации на шестчленния пръстен: a - стол: 6 - баня Друга възможна подредба на атомите за циклохексан съответства на конформацията на банята, въпреки че е по-малко стабилна от конформацията на стола. Трябва да се отбележи, че както в конформациите на стола, така и в банята, връзките около всеки въглероден атом са в тетраедрична подредба. Оттук и несравнимо по-голямата стабилност на обикновените цикли в сравнение с малките цикли, оттам способността им да влизат в реакции на заместване, но не и на присъединяване.Циклоалканите са наситени циклични въглеводороди. Най-простите представители на тази серия: циклопропан циклобутан. Обща формула CnH2n. Структура. Изомерия и номенклатура. Циклоалканите са наситени циклични въглеводороди. Най-простите представители на тази серия:

Алкени. Номенклатура. Изомерия. Методи за получаване. Електрофилни присъединителни реакции, механизъм. Добавяне на халогени, хидрохалогениране, хидратация и ролята на киселинната катализа. Правилото на Марковников. Понятие за реакции на радикално присъединяване. Окисляване на алкени (озониране, епоксидиране).

Алкени-Това не са циклични въглеводороди, в молекулите на които 2 въглеродни атома са в състояние на sp 2 хибридизация и са свързани помежду си чрез двойна връзка.

Първият представител на хомоложната серия алкени е етен (етилен) - C 2 H 4. . Хомоложната серия от алкени има обща формула C n H 2n. Характерна особеност на структурата на алкените е наличието на двойна връзка >C=C в молекулата<. 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.

Алкените се характеризират със структурна изомерия: разлики във верижното разклоняване и в позицията на двойната връзка, както и пространствена изомерия (цис и транс изомери).Според международната номенклатура алкените се наименуват чрез номериране на най-дългата верига, започваща от края до която двойна връзка е най-близо. Според рационалната номенклатура те се считат за производни на етилена, където един или повече водородни атоми са заменени с въглеводородни радикали. Например, нека назовем веществото според международната (IUPAC) номенклатура: CH 3 – C(CH 3) = CH 2 Изобутилен, несиметричен диметилетилен, 2-метилпропен.

Ароматичността не е пряко свързана с миризмата на органични съединения и е концепция, която характеризира съвкупността от структурни и енергийни свойства на някои циклични молекули, съдържащи система от спрегнати двойни връзки. Терминът "ароматност" е въведен, защото първите членове на този клас вещества са имали приятна миризма.

Ароматните съединения включват широка група от молекули и йони с различни структури, които отговарят на критериите за ароматност.

Енциклопедичен YouTube

1 / 5

Ароматни съединения и правило на Хюкел

Мезомерен ефект (ефект на конюгация). Част 1.

Ароматност. Критерии за ароматичност на органичните съединения.

Ароматни хетероцикли. Част 1

Правилото на Хюкел за ароматността

субтитри

Вече говорих за феномена на ароматността и ще посветя това видео изцяло на тази тема. И така, аромати. Първо: защо тези вещества се наричат ​​ароматни? Очевидно от думата „аромат“. Може би си мислите, че всички ароматни съединения имат силна миризма, но много от тях изобщо нямат миризма. Така че, защо? Може би това се дължи на факта, че те по някакъв начин са свързани с вещества, които имат силна миризма, така че са наречени ароматни. Остава мистерия. Повечето известни ароматни съединения, 99% от тези вещества, са или бензен, или бензенови производни. Нека нарисуваме бензен. Обикновено молекулата на бензена е нарисувана така. Цикъл от 6 атома с три двойни връзки. Това са трите двойни връзки. Във видеото за резонанса казах, че тази структурна формула не е единствената. Възможен е и друг вариант. Този електрон може да се движи тук, този електрон може да се движи тук и този електрон може да се движи тук. Нека нарисуваме това, което получаваме накрая. Това е структурната формула, която получаваме. Възможна конфигурация на молекулата на бензена е мястото, където двойните връзки са разположени по различен начин, отколкото в първата формула. Ето двете формули. От видеото за резонанса знаете, че в действителност всичко е малко по-сложно. И двете формули са правилни. Бензолът съществува в две конфигурации едновременно и не се променя от една в друга. Това е показано като цикъл от шест въглеродни атома с кръг в средата. Ето как химиците често изобразяват бензеновия пръстен. Това означава, че всички π електрони, които образуват двойни връзки в молекулата, са разпределени между атомите, размазани в целия пръстен. Именно делокализацията на π електроните в пръстена придава на ароматните вещества техните уникални свойства. Тази конфигурация е много по-стабилна от просто статично редуване на единични и двойни връзки в пръстена. Има друг начин за изтегляне на бензен. Ще сменя цвета и ще го покажа в жълто. Делокализацията на π електроните е показана по следния начин: пунктирана линия тук, тук, тук, тук, тук и тук. Това е най-популярният вариант за показване на делокализацията на електрони в бензеновия пръстен, тоест наличието на спрегната система от π-електрони. Ще ти кажа какво е. Тези две формули също се използват, но истинската структура на бензена се намира между тези конфигурации. Трябва да ви покажем какво става там. Със сигурност сте чували за спрегнати системи от π-електрони. Мисля, че би било полезно да покажа молекулата на бензена в три измерения. Така че, вижте. Ето един цикъл от шест въглеродни атома: въглерод, въглерод, въглерод, въглерод, въглерод, въглерод. Всеки от въглеродните атоми е свързан с още три атома, два въглеродни атома и водороден атом. Ще начертая водород и връзката му с въглерода. Ето един водороден атом, ето един водороден атом, водород, водород и още два водородни атома. Всеки въглероден атом има три хибридни орбитали, това е sp2 хибридизация. Освен това всеки от тях все още има свободна p-орбитала. Тази p орбитала не образува сигма връзки със съседните атоми. И тогава има р-орбитали, които приличат на дъмбели. Ето една p-орбитала, ето една p-орбитала, тук, ето още две p-орбитали. Всъщност има повече орбитали, но тогава те биха покрили картината. Не забравяйте, че молекулата на бензена има двойни връзки. Ще подчертая един от въглеродните атоми. Тази сигма връзка съответства на, да кажем, тази сигма връзка. За удобство ще покажа друга връзка. Да кажем, че тази сигма връзка съответства на тази връзка между два въглеродни атома. Двойната връзка, която ще покажа в лилаво, се образува от странично припокриване на p орбиталите. P орбиталите на съседни въглеродни атоми се припокриват. Орбитала е област, в която електрон може да се окаже с определена вероятност. Тези области са големи, припокриват се и електроните образуват допълнителна π връзка. Какво се случва в спрегнатата система от π-електрони. Ще запиша това, за да не забравиш. Конюгирана система от π-електрони. Може да има връзка на това място, ако орбиталите се припокриват. Ето как ще покажа припокриването на орбиталите. При преминаване към друга конфигурация орбиталите ще се припокриват тук. Всъщност всички тези π електрони скачат около целия пръстен. Електроните преминават през всички тези p орбитали. Те могат да бъдат навсякъде в цикъла. Това се има предвид, когато се говори за ароматните свойства на веществата. Поради това веществата придобиват специална стабилност. Повечето ароматни вещества са точно такива цикли, бензенът и неговите производни. Но има и други вещества. Всяко вещество, което има 4n + 2 π електрона в своя пръстен, където n е цяло число, е ароматно, т.е. то е ароматно съединение. Нека преброим електроните. Всеки от шестте въглеродни атома има един π електрон. Всеки въглероден атом има една p-орбитала и всяка такава орбитала е заета от един електрон. Общо има 1, 2, 3, 4, 5, 6. Можете да го кажете по друг начин: всяка двойна връзка е 2 π-електрона. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Това се нарича съответствие с правилото на Хюкел. Мисля, че е немско фамилно име. Правилото на Хюкел. На него отговаря бензенът. Когато n е равно на едно, 4 * 1 + 2 = 6. Правилото е вярно. При n равно на 2, трябва да има 10 π електрона.При десет π електрона правилото е вярно. Това ще бъде молекула като тази и тя отговаря на правилото на Хюкел. В пръстена ще има 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 въглеродни атома. Тук има 5 двойни връзки: 1, 2, 3, 4, 5. Така че връзките се редуват. Това също е ароматно съединение. Той има 10 π електрона, по един за всеки въглероден атом или два във всяка двойна връзка. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. А сега частта, която ме изненадва. 6 и 10 отговарят на правилото, но не и 8. Какво не е наред с осем електрона? Защо този номер е неподходящ? Ами ако има четири π електрона? Да кажем, че молекулата изглежда като четириъгълник. Или като пътен знак - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и редуващи се двойни връзки. Дали тези вещества също ще бъдат ароматни съединения? Те също имат редуващи се връзки, което означава, че електроните могат да се движат от място на място и да се делокализират в цикъла. Преместете се от тук до тук, от тук до тук. От тук до тук, от тук до тук. Но се оказва, че в такива вещества π електроните изобщо не стабилизират системата и цикълът се оказва по-малко стабилен от линейната молекула. И тези молекули не отговарят на правилото на Хюкел. 4n + 2 е 6, 10, 14 π електрони, тоест 14, 10 или 6 въглеродни атома. Ако броят на атомите е различен, но това е цикъл с редуващи се връзки, веществото е антиароматно. Нека запишем този член. Те са много нестабилни. Те са много нестабилни и се отварят, превръщайки се в линейни молекули. Надявам се, че ви е било интересно. Субтитри от общността на Amara.org

История

През 1959г Сол Уинщайнвъвежда концепцията за "хомоароматизъм" - термин, използван за описване на системи, в които се формира стабилизирана циклична конюгатна система чрез заобикаляне на един наситен атом.

Обяснение на ароматността

Критерии за ароматност

Няма нито една характеристика, която да позволява надеждно класифициране на съединение като ароматно или неароматно. Основните характеристики на ароматните съединения са:

• склонност към реакции на заместване, а не към добавяне (най-лесният за определяне, исторически първият знак, пример - бензенът, за разлика от етилена, не обезцветява бромната вода)
• енергийна печалба в сравнение със система от неконюгирани двойни връзки. Нарича се още резонансна енергия (усъвършенстван метод - резонансна енергия на Дюар) (печалбата е толкова голяма, че молекулата претърпява значителни трансформации, за да постигне ароматно състояние, например циклохексадиенът лесно се дехидрогенира до бензен, дихидрогенните и тривалентните феноли съществуват предимно под формата на феноли (еноли), а не кетони и т.н.)
• наличието на пръстенен магнитен ток (наблюдението изисква сложно оборудване), този ток осигурява изместване на химическите измествания на протоните, свързани с ароматния пръстен, в слабо поле (7-8 ppm за бензеновия пръстен) и протоните, разположени над/ под равнината на ароматната система - в силно поле (ЯМР спектър).
• наличието на самата равнина (минимално изкривена), в която се намират всички (или не всички - хомоароматизъм) атоми, образуващи ароматна система. В този случай пръстените от пи-електрони, образувани по време на конюгирането на двойни връзки (или електрони, включени в пръстена на хетероатомите), лежат над и под равнината на ароматната система.
• Правилото на Хюкел се спазва почти винаги: само система, съдържаща (в пръстена) 4n+2 електрона (където n = 0, 1, 2, ...) може да бъде ароматна. Система, съдържаща 4n електрони, е антиароматна (в опростен смисъл това означава излишък на енергия в молекулата, неравенство на дължините на връзките, ниска стабилност - склонност към реакции на добавяне). В същото време, в случай на пери-преход (има атом(и), принадлежащи към 3 пръстена едновременно, т.е. няма водородни атоми или заместители близо до него), общият брой на pi електроните не съответства на Правилото на Хюкел (фенален, пирен, корона). Също така се предвижда, че ако е възможно да се синтезират молекули под формата на лента на Мьобиус (пръстен с достатъчно голям размер, така че усукването във всяка двойка атомни орбитали да е малко), тогава за такива молекули ще се създаде система от 4n електрона ще бъде ароматен, а от 4n+2 електрона ще бъде антиароматен.

Съвременни представи

В съвременната физическа органична химия е разработена обща формулировка на критерия за ароматност

АРОМАТНОСТ(от гръцки аромат, пол aromatos - тамян), концепция, характеризираща набор от структурни, енергийни. свойства и характеристики на реакцията. циклични способности структури със система от спрегнати връзки. Терминът е въведен от Ф. А. Кекуле (1865), за да опише свойствата на съединения, структурно близки до бензена, основателят на класа ароматни съединения.

Към броя на повечето важни признаци на ароматност включват тенденцията да бъде ароматна. конн. към заместване, което запазва системата от спрегнати връзки в цикъла, а не към добавяне, което разрушава тази система. В допълнение към бензена и неговите производни, такива разтвори са характерни за полицикличните ароматни съединения. въглеводороди (например нафталин, антрацен, фенантрен и техните производни), както и за изоелектронни хетероциклични конюгати. връзки. Известно е обаче, че връзките са много. (азулен, фулвен и др.), които също лесно влизат в системи за заместване, но нямат всички други признаци на ароматност.

реакция способността не може да служи като точна характеристика на ароматността и защото отразява свойствата не само на основното. състояние на това съединение, но също и преходното състояние (активиран комплекс) на разтвора, в който това е връзката. влиза. Следователно по-строгите критерии за ароматност са свързани с физическия анализ. св. в осн електронни състояния циклични. спрегнати структури. Основната трудност е, че ароматността не е експериментално определена характеристика. Следователно няма недвусмислен критерий за установяване на степента на ароматност, т.е. степен на сходство със св. бензен. По-долу се считат за най. важни признаци на ароматност.

Структурата на електронната обвивка на ароматните системи.

Тенденцията на бензена и неговите производни да запазят структурата на спрегнатия пръстен при разлагане. трансформации означава по-високо. термодинамика и кинетична стабилност на този структурен фрагмент. Стабилизиране (намаляване на електронна енергия) на молекула или йон, който има цикличност структура, се постига, когато всички свързващи молекулни орбитали са напълно запълнени с електрони, а несвързващите и антисвързващите орбитали са празни. Тези условия са изпълнени, когато общият брой електрони в цикъла. полиен е равно на (4l + 2), където n = = 0,1,2... (правилото на Хюкел).

Това правило обяснява стабилността на бензена (форма I) и циклопентадиенилния анион (II; n = 1). Това направи възможно правилното прогнозиране на стабилността на циклопропенил (III; n = 0) и циклохептатриенил (IV; n = 1) катиони. Поради сходството на електронните черупки на конн. II-IV и бензен, като по-високи циклични. полиени - , , анулени (V-VII), се считат за ароматни. системи.

Правилото на Hückel може да се екстраполира към серия от спрегнати хетероциклични съединения. конн. - производни на пиридин (VIII) и пирилиев катион (IX), изоелектронни на бензен, петчленни хетероцикли от тип X (пирол, фуран, тиофен), изоелектронни на циклопентадиенилов анион. Тези съединения също се класифицират като ароматни. системи.

Производни на съединения II-X и други по-сложни структури, получени чрез изоелектронно заместване на метинови групи в полиени I-VII, също се характеризират с високи термодинамични свойства. стабилност и обща склонност към реакции на заместване в ядрото.

Циклични. спрегнатите полиени, които имат 4n електрона в пръстена (n=1,2...), са нестабилни и лесно влизат в присъединителни реакции, тъй като имат отворена електронна обвивка с частично запълнени несвързващи орбитали. Такива връзки, повечето типичен пример за което е циклобутадиен (XI), включително кантиаромат. системи.

Правилата, които отчитат броя на електроните в един цикъл, са полезни за характеризиране на свойствата на моноциклите. структури, но не са приложими за полицикли. При оценката на ароматността на последния е необходимо да се вземе предвид как електронните обвивки на всеки отделен цикъл на молекулата отговарят на тези правила. Те трябва да се използват с повишено внимание в случай на многократно заредени циклични батерии. йони Така електронните обвивки на дикатиона и дианиона на циклобутадиена отговарят на изискванията на правилото на Хюкел. Въпреки това, тези структури не могат да бъдат класифицирани като ароматни, тъй като дикатионът (n = 0) не е стабилен в плоска форма, което осигурява циклична структура. конюгиране и в огънат диагонал; Дианионът (n=1) обикновено е нестабилен.

Енергийни критерии за ароматност. Резонансна енергия.За определяне на количества. мерки за ароматичност, характеризиращи повишена термодинамика стабилност ароматен conn., беше формулирана концепцията за резонансна енергия (ER) или енергия на делокализация.

Топлината на хидрогениране на молекула бензен, формално съдържаща три двойни връзки, е с 151 kJ/mol по-голяма от топлината на хидрогениране на три етиленови молекули. Тази стойност, свързана с ER, може да се разглежда като енергия, допълнително изразходвана за разрушаването на цикличността. система от спрегнати двойни връзки на бензеновия пръстен, която стабилизира тази структура. T. arr., ER характеризира приноса на цикличния. конюгиране в топлината на образуване (обща енергия, топлина на атомизация) на съединението.

Предложени са редица теоретични методи. спешни оценки. Те се различават гл. обр. избиране на структура за сравнение (т.е. структура, в която цикличното спрежение е нарушено) с цикличното. форма. Обичайният подход за изчисляване на ER е да се сравнят електронните енергии на цикъла. структура и сумата от енергиите на всички изолирани множествени връзки, съдържащи се в нея. Въпреки това, изчислената t. ER, независимо от използвания квантов химикал. метод, са склонни да се увеличават с увеличаване на размера на системата. Това често противоречи на експериментите. данни за светците ароматични. системи. По този начин ароматността в серията полиаценбензол (I), нафталин (XII), антрацен (XIII), тетрацен (XIV) намалява (например, тенденцията към добавяне се увеличава, редуването на дължините на връзките се увеличава) и ER ( дадено в единици = 75 kJ/ mol) растат:

Стойностите на ER, изчислени чрез сравняване на електронните енергии на цикличните цикли, нямат този недостатък. структура и подобни ациклични. конюгат пълен (M. Dewar, 1969). Изчислено t. количествата обикновено се наричат ​​Dewar ER (ED). Например EDP на бензен (1,013) се изчислява чрез сравняването му с 1,3,5-хексатриен, а EDP на циклобутадиен чрез сравняването му = = с 1,3-бутадиен.

Връзки с положителни стойностите на ERD се класифицират като ароматни, тези с отрицателни стойности се класифицират като антиароматни, а тези с ERD стойности, близки до нула, се класифицират като неароматни. Въпреки че стойностите на EDP варират в зависимост от квантово-химичните приближения. метод на изчисление, отнася. редът им практически не зависи от избора на метод. По-долу са ERD на електрон (ER/e; в единици), изчислени с помощта на модифицираната версия. Метод на молекулярната орбита на Hückel:

Наиб. ERD/e, т.е. макс. бензенът е ароматен. Намаляването на ERD/e отразява намаляване на ароматните. Св. Представените данни са в добро съответствие с установените представи за проявите на ароматичност.

Магнитни критерии за ароматност.Циклични. Конюгирането на електрони води до появата на пръстенов ток в молекулата, което предизвиква екзалтация на диамагнозата. възприемчивост. Тъй като стойностите на тока на пръстена и екзалтацията отразяват ефективността на цикличността. двойки, те могат. използвани като количества. мярка за ароматност.

Ароматните съединения включват съединения, чиито молекули поддържат индуцирани диамагнитни електронни пръстенни токове (диатропни системи). В случай на анулини (n ​​= 0,1,2...) има пряка пропорционалност между силата на пръстенния ток и големината на електрическото задвижване. Въпреки това, за неалтернативни въглеводороди (например азулен) и хетероциклични. конн. тази зависимост става по-сложна. В някои случаи системата може едновременно диатропно и антиароматно, например. бициклодекапентаен.

Наличие на индуктори. пръстенов ток в цикличен спрегнати системи се проявява характерно в протонните магнитни спектри. резонанс (PMR), т.к токът създава анизотропно магнитно поле. поле, което значително влияе на хим измествания на протони, свързани с пръстенни атоми. Сигнали на протони, намиращи се във вътрешния части ароматни пръстените се изместват към силно поле, а сигналите на протоните, разположени по периферията на пръстена, се изместват към слабо поле. Да, вътрешно протоните на анулен (форма VI) и анулен (VII) се появяват съответно при -60°C в PMR спектъра. на 0.0 и -2.99м. д. и външни при 7,6 и 9,28 ppm.

За антиароматни Анулановите системи, напротив, се характеризират с парамагнитни свойства. пръстенови токове, водещи до изместване на външните протони в силно поле (паратропични системи). Да, хим. смяна вътр. протони на анулена е само 4,8 ppm.

Структурни критерии за ароматичност.Най-важните структурни характеристики на молекулата на бензена са нейната планарност и пълното подреждане на връзките. Една молекула може да се счита за ароматна, ако дължините на въглерод-въглеродните връзки в нея са в диапазона 0,136-0,143 nm, т.е. близо до 0,1397 nm за молекулата на бензен(I). За нециклични на спрегнати полиенови структури, дължините на С-С връзките са 0,144-0,148 nm, а дължините на С=С връзките са 0,134-0,135 nm. Още по-голямо редуване на дължините на връзките е характерно за антиароматите. структури. Това се подкрепя от строги неемпирични данни. геометрични изчисления параметри на циклобутадиен и експ. данни за неговите производни.

Предложени различни изрази за количества. характеристики на ароматност, базирани на степента на редуване на дължините на връзките, например. за въглеводороди се въвежда индексът на ароматност (HOMA d):

където a = 98.89, X r е дължината на r-тата връзка (в A), n е броят на връзките. За бензена HOMA d е максимален и равен на 1, за циклобутадиен е минимален (0,863).

Подробна програма от лекции и
коментари по втората част на курса

Подробната програма на лекциите и коментарите към втората част на общия курс на лекциите по органична химия (PLL) се основават на програмата на общия курс на органичната химия, разработена в Катедрата по органична химия на Химическия факултет на Москва Държавен университет. PPL разкриват запълването на втората част от общия курс на лекциите с фактически материали по теорията и практиката на органичната химия. PPL е предназначен предимно за студенти от 3 курс, които искат да се подготвят добре и достатъчно бързо за изпити и колоквиуми и да разберат колко знания трябва да има един студент, за да получи отлична оценка на изпита. PPL са изготвени по такъв начин, че задължителният програмен материал е отпечатан с нормален шрифт, а незадължителният материал е с курсив, въпреки че трябва да се признае, че подобно разделение понякога е доста произволно.

Една от целите на това ръководство е да помогне на студентите правилно и точно да съставят лекционни бележки, да структурират материала, да поставят правилните акценти в бележките и да отделят задължителния материал от несъществения, когато работят самостоятелно с бележки или учебник. Трябва да се отбележи, че въпреки широкото разпространение на съвременните методи на преподаване и наличието на разнообразни учебни материали в учебниците и в Интернет, само независима упорита, ако не и упорита, работа по водене на бележки (лекции, учебници, други материали), работата на семинари, самостоятелното писане на най-важните уравнения и механизми и самостоятелното решаване на синтетични задачи могат да доведат до успех в изучаването на органична химия (и други предмети). Авторите смятат, че слушането на курс от лекции създава основата за изучаване на органична химия и обхваща всички теми, включени в изпита. Но изслушаните лекции, както и прочетените учебници остават пасивни знания до затвърждаване на материала на семинарни упражнения, колоквиуми, при писане на контролни, задачи и анализ на грешки. В ЗОП липсват уравнения на химични реакции и механизми на най-важните процеси. Този материал е достъпен в лекции и учебници. Всеки студент трябва да получи някои знания сам: да напише най-важните реакции, механизми и още по-добре повече от веднъж (самостоятелна работа с бележки от лекции, с учебник, колоквиум). Само това, което е придобито чрез независима, усърдна работа, се помни дълго време и се превръща в активно знание. Това, което се получава лесно, лесно се губи или забравя, и това е вярно не само по отношение на курса по органична химия.

В допълнение към програмните материали, тази разработка съдържа редица помощни материали, които бяха демонстрирани по време на лекциите и които според авторите са необходими за по-доброто разбиране на органичната химия. Тези спомагателни материали (числа, таблици и др.), Дори и да са отпечатани с нормален шрифт, най-често не са предназначени за буквално запаметяване, а са необходими за оценка на тенденциите в промените в свойствата или реактивността на органичните съединения. Тъй като помощните материали, фигури и таблици, демонстрирани по време на лекции, могат да бъдат трудни за пълно и точно записване в бележки, поставянето на тези материали в тази разработка има за цел да помогне на студентите да попълнят празнините в бележките и бележките и да се съсредоточат по време на лекцията не върху стенографския запис на числа и таблици, а върху възприемането и разбирането на материала, обсъждан от лектора.

АРОМАТНОСТ.

1. Алифатни (от гръцки αλιφατικό - масло, мазнина) и ароматни (αρωματικόσ - тамян) съединения (XIX век).

2. Откриване на бензена (Фарадей, 1825 г.). Структурата на бензена (Кекуле, 1865). о-, м-, п-изомери, орто-ксилен.

3. Други предложени формули за бензен (Ladenburg, Dewar, Thiele и др.). Бензенови изомери (призман, бициклохекса-2,5-диен, бензвален, фулвен).

4. Метод на молекулярната орбита на Хюкел. Независимо разглеждане на σ- и π-връзките (т.е. образувани от sp 2 и p-орбитали). Молекулни орбитали на бензен (три свързващи орбитали: една орбитала няма възли, две орбитали имат една възлова равнина, всички те са заети, имат само 6 електрона; три орбитали са антисвързващи. Две от тях имат 2 възлови равнини, най-високата енергия антисвързващата орбитала има три възлови равнини и антисвързващите орбитали не са заети.

Концепция за кръга на Фрост за бензен, циклобутадиен и циклооктатетраен.

Правилото на Хюкел. РАВЕН, МОНОЦИКЛЕН, СВЪРЗАНвъглеводородите ще бъдат ароматни, ако цикълът съдържа (4n+2) π – електрони.

Антиароматни съединения. Неароматни съединения. Циклооктатетраен.

5. Описание на бензена с помощта на метода на "валентната схема", теория на резонанса (Полинг), мезомерия, използване на гранични структури.

6. Анулации. Метаноанулини. Ароматни йони. Кондензирани въглеводороди. Хетероцикли.

Няколко коментара относно стабилността на анулациите.

-отменен -не е плосък, не може да бъде ароматен.

1,6-метан - отменен- плосък, (с изключение на моста, разбира се!), ароматен е.

Ануленът е неароматен полиен, стабилен под -70 o C.

-отмененне плоски цикли, ако няма 2 моста. Следователно - не ароматни.

Ануланите са обикновени полиени.

-отменен– плосък, ароматен. Познайте особеностите на неговия PMR спектър!

7. Детайлно разглежданеАРОМАТНИ КРИТЕРИИ.

Критерии за ароматност – квантово механичен – брой p-електрони 4n+2(правило на Хюкел), вижте коментарите по-долу. Енергия (увеличаване на термодинамичната стабилност поради делокализация на електрони, т.нар енергия на делокализация – ED). ED в бензен: (6a +8β) – (6a +6β) (за циклохексатриен) = 2β = 36 kcal/mol или 1,56 eV е EER (емпирична резонансна енергия). Има още няколко начина за изчисляване на резонансната енергия: вертикална резонансна енергия (известна също като ED според Hückel, измерена в единици интеграл β, за бензена е 0,333), има също (при 5++) ERD (т.е. резонансната енергия на Дюар, на 1 електрон, 0,145 eV за бензен), има също (при 5++++) ERD според Hess-Schaad, за бензен: 0,065 eV , след това същото като EDNOE в учебника на Reutov, Kurtz, Butin. Има също (при 5++++) TER (топологичен ER). Освен това „има много неща в света, приятелю Хорацио, за които нашите мъдреци не са и мечтали” (У. Шекспир). Енергийният критерий е най-неудобният и неясен от всички. Енергийните стойности за този критерий винаги се изчисляват, тъй като по правило е невъзможно да се избере съответната неароматна молекула за сравнение. Следователно трябва да сме спокойни за факта, че има много различни оценки на енергията на делокализация дори за класическите ароматни молекули, но за по-сложни системи тези стойности напълно отсъстват. Никога не можете да сравнявате различни ароматни системи въз основа на големината на делокализационните енергии - не можете да заключите, че молекула А е по-ароматна от молекула Б, тъй като енергията на делокализация е по-голяма. Структурни - много важен, ако не и най-важният критерий, тъй като той няма теоретичен, а експериментален характер. Спецификата на геометрията на молекулите на ароматните съединения се състои в тенденцията към копланарно разположение на атомите и подреждане на дължините на връзките. В бензена подреждането на дължините на връзките е идеално - всичките шест C-C връзки са еднакви по дължина. За по-сложни молекули подреждането не е перфектно, но е значително. Критерият се приема като мярка за относителното отклонение на дължините на спрегнатите връзки от средната стойност. Колкото по-близо до нулата, толкова по-добре. Това количество винаги може да бъде анализирано, ако е налична структурна информация (експериментална или от висококачествени квантово-химични изчисления). Тенденцията към копланарност се определя от предимството на колинеарността на атомните оси Р-орбитали за тяхното ефективно припокриване. Възниква въпросът: какво отклонение от равнинното разположение е допустимо без загуба на ароматност? Примери за равнинно изкривяване в ароматни молекули са дадени в лекцията, те могат да бъдат намерени и в специализирана литература (виж по-долу, стр. 20). Магнитни (наличие на пръстенов ток - диатропна система, влияние върху химичните измествания на протоните извън и вътре в пръстена, примери - бензен и -анулен). Най-удобният и достъпен критерий, тъй като 1Н NMR спектърът е достатъчен за оценката му. За точно определяне се използват теоретични изчисления на химичните отмествания. Какво е диатропия? химически – склонност към реакции на заместване, а не към реакции на добавяне. Най-очевидният критерий, който ясно разграничава химията на ароматните съединения от химията на полиените. Но не винаги работи. В йонни системи (например в циклопентадиенилов анион или тропилиев катион) не може да се наблюдава заместване. Реакциите на заместване понякога възникват в неароматни системи, но ароматните системи винаги са способни на реакции на добавяне до известна степен. Следователно е по-правилно химичният критерий да се нарече ЗНАК за ароматност.

8. КОНЦЕПЦИЯТА ЗА АРОМАТНОСТ. ПРИЗНАЦИ И КРИТЕРИИ ЗА АРОМАТНОСТ. - Коментари

Ароматност - концепция, която характеризира набор от специални структурни, енергийни и магнитни свойства, както и характеристики на реактивността на циклични структури със система от спрегнати връзки.

Въпреки че ароматността е една от най-важните и най-плодотворни концепции в химията (не само органичната), - няма общоприето кратко определение тази концепция. Ароматичността се разбира чрез набор от специални характеристики (критерии), присъщи на редица циклични спрегнати молекули в една или друга степен. Някои от тези критерии са от експериментален, наблюдаем характер, но другата част се основава на квантовата теория за структурата на молекулите. Ароматността има квантова природа. Невъзможно е да се обясни ароматността от гледна точка на класическата структурна теория и теорията на резонанса.

Не го правиСбъркайте ароматността с делокализация и конюгация. В молекулите на полиените (1,3-бутадиен, 1,3,5-хексатриен и др.) Има ясна тенденция към делокализация на електрони (виж 1-ви семестър, химия на диените) и образуването на единична спрегната електронна структура , което се проявява в спектри (предимно електронни абсорбционни спектри), някои промени в дължините и реда на връзките, енергийна стабилизация, специални химични свойства (електрофилно 1,4-присъединяване в случай на диени и др.). Делокализацията и конюгацията са необходими, но не и достатъчни условия за ароматичност. Ароматичността може да се дефинира като свойството, при което конюгиран пръстен от ненаситени връзки проявява по-голяма стабилност, отколкото би се очаквало само от конюгиране. Тази дефиниция обаче не може да се използва без експериментални или изчислени данни за стабилността на цикличната конюгирана молекула.

За да бъде една молекула ароматна, тя трябва да съдържа поне един цикъл, всекиот чиито атоми е подходящ за образуване на ароматна система Р- орбитален. Именно този цикъл (пръстен, система от пръстени) се счита за ароматен в пълния смисъл на думата (ако са изпълнени изброените по-долу критерии).

Трябва да има 4n+2 (т.е. 2, 6, 10, 14, 18, 22 и т.н.) електрона в този цикъл.

Това правило се нарича правило на Huckel или критерий за ароматичност. Източникът на това правило са силно опростени квантово-химични изчисления на идеализирани циклични полиени, направени в ранните дни на квантовата химия. Допълнителни изследвания показват, че това просто правило фундаментално дава правилни прогнози за ароматност дори за много сложни реални системи.

Правилото обаче трябва да се използва правилно, в противен случай прогнозата може да е неправилна. Общите препоръки са дадени по-долу.

Молекула, съдържаща поне един ароматен пръстен има право даможе да се нарече ароматен, но не бива да се прекалява с това обобщение. И така, очевидно е, че стиренът съдържа бензенов пръстен и следователно може да се нарече ароматна молекула. Но може да се интересуваме и от етиленовата двойна връзка в стирола, която няма пряка връзка с ароматността. От тази гледна точка стиренът е типичен олефин със спрегната двойна връзка.

Никога не забравяйте, че химията е експериментална наука и никакви теоретични разсъждения не заместват или заменят знанията за реалните свойства на веществата. Теоретичните понятия, дори толкова важни като ароматността, само помагат да се разберат по-добре тези свойства и да се направят полезни обобщения.

Кои орбитали се считат за подходящи за образуване на ароматна система?– Всички орбитали, перпендикулярни на равнината на цикъла, и

а) принадлежащи към включени в цикъла множество (ендоциклични двойни или тройни) връзки;

б) съответстващи на несподелени двойки електрони в хетероатоми (азот, кислород и др.) или карбаниони;

в) съответстващи на шестелектронни (секстетни) центрове, по-специално карбокатиони.

Моля, обърнете внимание, че изброените фрагменти a), b), c) дават четен брой електрони на цялата система: всякакви множествени връзки - 2 електрона, несподелени двойки - 2 електрона, свободни орбитали - 0 електрона.

Какво не е подходящо или не допринася за ароматната система:

а) ониеви форми на катионни центрове– тоест катиони, съдържащи пълен октет електрони. В този случай такъв център прекъсва конюгираната система, например N-метилпиролът е ароматен (6 електрона в пръстена), а N,N-диметилпиролиумът е неароматен (амониевият азот не допринася за π-системата) :

Внимание - ако ониевият център е част от кратна връзка, тогава кратната връзка участва в образуването на ароматната система, следователно, например, N-метилпиридиният е ароматен (6 π-електрона, по два от всеки от три кратни връзки).

Концепцията за изоелектронност. Изоелектронните системи обикновено са подобни по отношение на ароматността. В този смисъл, например, N-метилпиридиният е изоелектронен спрямо метилбензена. И двете очевидно са ароматни.

б) самотни двойки, разположени в равнината на пръстена.На един атом само една π орбитала може да допринесе за ароматната система. Следователно в циклопентадиениловия анион карбанионният център допринася с 2 електрона, а във фениловия анион въглеродният атом на карбанионния център допринася с 1 електрон, както в молекулата на бензена. Фениловият анион е изоелектронен на пиридина, а циклопентадиениловият анион е изоелектронен на пирола.

Всички са ароматни.

в) Екзоциклична двойна връзка или радикален център. Такива структури обаче обикновено са неароматни всяка такава структура изисква специално внимание, като се използват реални експериментални данни .

Например хиноните са неароматни, въпреки че а) имат равнинни, напълно спрегнати пръстени, съдържащи 6 електрона (четири от двете кратни връзки в пръстена плюс два от двете екзоциклични връзки).

Наличието в определена конюгирана структура на така наречените хиноидни фрагменти, тоест свързващи системи с две екзоциклични двойни връзки, винаги е източник на нестабилност и благоприятства процеси, които трансформират системата с хиноиден фрагмент в нормална ароматна система. По този начин антраценът е 14-електронна ароматна система, съдържаща хиноиден фрагмент, следователно антраценът лесно свързва бром или диенофили, тъй като продуктите вече имат два пълноценни ароматни бензенови пръстена:

Ароматност на полициклични структури представлява доста сложен теоретичен проблем. От формална гледна точка, ако една система има поне един бензенов пръстен, тогава тя може да се счита за ароматна. Този подход обаче не позволява да се разгледат свойствата на молекулата като цяло.

Съвременният подход към полицикличните системи е да се намери в тях всичковъзможни ароматни подсистеми, започвайки от възможно най-големия – външния контур. В този смисъл, например, нафталинът може да бъде представен като обща 10-електронна система (външен контур) и два еднакви 6-електронни бензенови пръстена.

Ако външният контур не е ароматен, тогава трябва да се търсят по-малки ароматни контури. Например дифениленът има 12 електрона по външния си контур, което не отговаря на правилото на Хюкел. Въпреки това, можем лесно да намерим два практически независими бензенови пръстена в това съединение.

Ако бицикличните въглеводороди са плоски и имат спрегнати двойни връзки, правилото на Хюкел работи за би- и полициклични въглеводороди, които имат една обща връзка ( нафталин, антрацен, фенантрени т.н., а също азулен). Правилото на Hückel не работи добре за кондензирани пръстени, които имат въглероден атом, общ за 3 пръстена.Правилото за преброяване на електронните двойки с помощта на метода „разходка по периметъра или по един от контурите“ може да помогне в този случай, например:

аценафтилен пирен перилен

сума от π-електрони: 12 16 20

включително по периметъра, 10 14 18 (по нафталиновия контур - 10 и 10)

За такива сложни цикли обаче това правило може да не работи винаги. Освен това не казва нищо за действителните свойства на молекулата. Например аценафтиленът има правилна двойна връзка между атоми 1 и 2.

Различни примери за изоелектронни ароматни хетероцикли.

ПИРОЛ – ФУРАН – ТИОФЕН (6π електрони) .

ПИРИДИН– ПИРИДИНИЙ– ПИРИЛИЙ (6π електрони) .

Пиридазин – ПИРИМИДИН– пиразин (6 π електрони) .

Оксазоли – тиазоли – ИМИДАЗОЛ (6π електрони) .

ИНДОЛ– ХИНОЛИН (10π електрони) .

За "орехите" . В образователната литература ароматните цикли често се обозначават с помощта на кръг вътре в многоъгълник. Нека изясним, че този тип обозначение трябва да се избягва, когато е възможно. Защо?

защото:

а) в сложни полициклични структури кръговете нямат конкретно значение и не ни позволяват да разберем къде живее ароматността - в отделни цикли или като цяло. Ако нарисувате например антрацен с „ядки“, няма да стане ясно каква е причината за неговите „не съвсем ароматни“ и изразени диенови свойства

б) дори най-класическите ароматни системи като бензен и неговите производни могат да проявяват неароматни полиенови свойства, за да се разгледат, е необходимо да се види структурата на множество връзки.

в) структурата Kekul е необходима, за да се разгледат ефектите на заместителите, като се използва незаменим инструмент - резонансни структури. "Nut" е напълно безплоден в това отношение. Така че, използвайки формулата на Кекуле, ще разберем напълно причината за високата киселинност П-нитрофенол и ярко жълт цвят П-нитрофенолат. Какво ще правим с „ядката“?

Предпочитан е простият метод “Кекул-Бутлеров”, който отговаря на класическата теория на структурата и изрично обозначава множествените връзки. След като нарисувате такава класическа структура, винаги можете да говорите за нейната ароматност или неароматност, като използвате подходящите правила и критерии. Това е класическата структура на Kekul, която е приета като стандарт във всички водещи международни химически списания.

И кога чашите са подходящи?? За обозначаване на небензеноидни ароматни системи, особено заредени. В този случай класическата нотация е донякъде тромава и не показва делокализация на заряда.

Също така е трудно да се направи без кръгове в органометалната химия, където ароматните системи често играят ролята на лиганди. Опитайте се да отразите структурата на фероцен или други комплекси, съдържащи циклопентадиенил лиганд без кръгове!

Плоскост. Цикъл, който твърди, че е ароматен и съдържа необходимата непрекъсната система от p-орбитали, трябва да бъде такъв апартамент(или почти плоска). Това изискване е едно от най-неприятните, тъй като не е много лесно да се определи „на око“ кой цикъл е равен и кой не. Следните точки могат да се считат за прости съвети:

а) циклични спрегнати системи, съдържащи 2 или 6 електрона и отговарящи на условията, считани като правило за планарни и ароматни. Такива системи обикновено се изпълняват в малки и средни цикли (2-8 члена);

б) цикличните йонни системи с брой електрони 2, 6, 10, 14 почти непременно са ароматни, тъй като ароматността е причината за съществуването и стабилността на такива йони;

в) неутрални системи с 10, 14, 18 или повече електрони в един единствен цикъл с голям размер, напротив, почти винаги изискват допълнителни мерки за стабилизиране на плоската структура под формата на допълнителни мостове, тъй като печалбата от енергия поради образуването на голяма ароматна система не компенсира нито енергията на напрежението, генерирана в макроциклите, нито ентропията, загубена при образуването на единична равнинна структура.

внимание : Четенето на следващия параграф строго не се препоръчва за хора със слаби и нестабилни познания. Всеки с рейтинг под 99 точки могапропуснете този параграф.

Антиароматизъм. Системи, които отговарят на всички условия, обсъдени по-горе (плоски цикли с непрекъсната система от π-орбитали), но броят на електроните е 4n, се считат за антиароматни - тоест наистина не съществува. Но ако при ароматичността имаме работа с реални молекули, то при антиароматността проблемът е по-сложен. Важно е да се разбере, че истинската антиароматна система не е с минимум, а с максимум потенциална енергия, тоест не е молекула, а преходно състояние. Антиароматността е чисто теоретична концепция, която описва защо някои циклични спрегнати системи са или напълно нестабилни и не могат да бъдат получени дори с цената на огромни усилия, или показват ясни тенденции да съществуват под формата на обикновен полиен с редуващи се единични и множествени връзки.

Например циклобутадиен би било антиароматен, ако съществуваше като квадратна молекула с връзки с еднаква дължина. Но в природата няма такава квадратна молекула. Следователно правилният начин да го кажем е: хипотетичният квадратен циклобутадиен е антиароматен и Ето защоне съществува.Експериментално при много ниски температури бяха изолирани заместени циклобутадиени, но тяхната структура се оказа типични неароматни диени - те имаха ясна разлика между къси двойни и дълги единични връзки.

Реално съществуващите равнинни спрегнати молекули с 4n електрони винаги са силно реактивни неароматни полиени. Например, бензоциклобутадиен действително съществува (8 електрона във външната верига), но има свойствата на изключително активен диен.

Антиароматност – изключително важнопонятие в теорията на ароматичността. Теорията за ароматичността предвижда както съществуването на особено стабилни ароматни системи, така и нестабилността на антиароматните системи. И двата полюса са важни.

Антиароматността е много важно понятие в химията. Всички ненаситени спрегнати циклични системи, съдържащи антиароматен брой π електрони, винаги имат много висока реактивност в различни реакции на присъединяване.

9. Тривиални примери за синтез на небензеноидни ароматни йони.

Циклопропенилиев катион, тропилиев катион

Циклопентадиенилиден анион. Ароматни карбоциклични аниони C8, C10, C14.

10. По избор: опити за синтезиране на антиароматни молекули –циклобутадиен, циклопентадиенилиев катион.

Развитие на концепцията за ароматност. Циклобутадиен железен трикарбонил. Обемна, сферична ароматност, хомоароматичност и др.

11. Получаване на ароматни въглеводороди.

1. Индустриални източници– нефт и въглища.

Реформиране. Верига: хептан – толуен – бензен – циклохексан.

2. Лабораторни методи:

а) реакция на Wurtz-Fittig (остарял метод, който има по-скоро историческо значение, не го прави прилагайте при решаване на проблеми),

б) каталитична тримеризация на ацетилен,

c) киселинно-катализирана тримеризация на ацетон и други кетони;

г) кръстосано свързване, както некаталитично с използване на купрати, така и каталитично в присъствието на паладиеви комплекси,

д) Трябва да се използва реакция на Friedel-Crafts, главно ацилиране с редукция по Clemmensen (алкиларилкетони) или Kizhner-Wolf (всякакви кетони и алдехиди),

е) ароматизиране на всякакви производни на циклохексан, циклохексен, циклохексадиен под действието на сяра (сплав, подходящ само за най-простите съединения) или дихлородицианбензохинон (DDQ или DDQ, реагент с общо предназначение).

12. Свойства на пръстена и алифатната странична верига в ароматни въглеводороди.

1. Хидрогениране. Кога се случва частично хидрогениране на пръстена? Хидрогениране на функционални групи (C=C, C=O) без хидрогениране на пръстена. Примери.

2. Редукция на бреза (Na, течен NH 3). Защо е необходим EtOH? Влиянието на донорите и акцепторите в пръстена върху посоката на реакцията.

3. Свободнорадикално халогениране на бензен (беше в училище!). Халогениране на толуен и неговите хомолози в страничната верига. Селективност на халогенирането.

4. Окисление на страничната верига и поликондензирани ароматни въглеводороди. Озониране на бензен и други ароматни съединения.

5. Реакция на Дилс-Алдер за бензени антрацен. Условия.

6. Реакция на алкални метали и Mg с нафталин и антрацен (по избор).

ЕЛЕКТРОФИЛНО ЗАМЕСТВАНЕ В АРОМАТНИЯ РЕД.

1. Защо електрофилно заместване (ES)?

2. Какви видове електрофили има и какви EZ реакции ще разгледаме подробно? (протониране, нитриране, сулфониране, халогениране, алкилиране, ацилиране, формилиране). След месец ще разгледаме: азосвързване, нитрозиране, карбоксилиране).

3. Опростен механизъм на електрофилно заместване в ароматния пръстен (без π-комплекси). Аренониеви йони. Сходство с алилов катион. Представяне на аренониеви йони на хартия - резонансни структури или „подкова“ - не забравяйте да научите как да рисувате резонансни структури за s-комплекси, тъй като „подковата“ ще доведе до задънена улица, когато стигнем до влиянието на заместителите върху посоката на електрофилно заместване. Протониране на арени.

4. Доказателство за съществуването на π-комплекси чрез примера на реакцията на DCl и бензен (G. Brown 1952). Доказателства за съществуването на σ-комплекси.

5. Обобщен механизъм на EZ, включително образуването на π- и σ-комплекси. Етапът на ограничаване на скоростта на електронна детонация в бензеновия пръстен. Концепцията за кинетичния изотопен ефект.Нека си припомним още веднъж какво е преходно състояние и междинно състояние.

6. Ориентация за електрофилно заместване: орто-, мета, пара-, ипсо. Ориентанти от първи и втори вид. Не забравяйте да начертаете резонансни структури за s-комплекси с различни заместители. Отделно анализирайте влиянието върху структурата на s-комплекси на заместители с индуктивни и мезомерни ефекти, както и комбинация от многопосочни ефекти. Коефициенти на частична скорост. Последователна и противоречива ориентация. Примери за различни съотношения на о-/р-изомери в случаите, когато пръстенът съдържа заместител от 1-ви вид (например пространствено затруднен) или от 2-ри вид (орто-ефект). ЯМР на бензолониеви йони и някои арени.

7. Разглеждане на специфични реакции на електрофилно заместване. Нитриране. Агенти. Екзотични агенти. Атакуваща частица. Характеристики на нитриране на различни класове съединения - нитроарени (условия), халогенирани бензени (разделяне на о- и р-изомери. Как?), нафталин и бифенил. Нитриране на ароматни амини (защитни групи, как се прави О- И П- изомери? Възможно ли е да се нитрират анилините до m-позиция?). Нитриране на фенол (условия, разделяне о-И П-изомери).

7. Сулфониране на арени. Агенти, природа на електрофила, обратимост. Характеристики на сулфониране на нафталин, толуен, фенол, анилин, защита със сулфо група в EZ реакции.

8. Производни на сулфоновата киселина: тозил хлорид, тозилати, сулфонамиди. Възстановяване на сулфогрупата.

9. Халогениране. Серия от халогениращи агенти в низходящ ред на активност (знайте поне 3 примера). Естеството на електрофила, характеристиките на халогенирането на толуен, халогенирани бензени, възможност за получаване на всички халогенирани бензени, халогениране на нафталин, бифенил, анилин, фенол, анизол. Характеристики на йодирането. Хлориране на йодбензол без електрофилни катализатори. Поливалентни йодни съединения (PhICl 2, PhI=O, PhI(OAc) 2)

10.Алкилиране и ацилиране по Friedel-Crafts. Алкилиране – 3 недостатъка, примери за синтези, обратимост, влияние на халогена в RHal, агенти, вътрешномолекулно алкилиране, ограничения за заместители, особености на алкилиране на феноли и амини, синтез на n-алкилбензени. Ацилиране - сравнение с алкилиране, реагенти, циклични анхидриди при ацилиране, вътрешномолекулни реакции, пренареждане на Фрайз.

Маса 1.

Таблица 2. Данни за нитриране на халобензени.

Съединение	продукти, %*			роднина скорост нитриране (бензен =1)**	Коефициент на частична скорост за о-И П-позиция (бензен = 1)
	орто	мета	двойка
C 6 H 5 – F					0,054 (О) 0,783 (П)
C 6 H 5 – Cl					0,030 (О) 0,136(П)
C 6 H 5 – Br					0,033 (О) 0,116(П)
C 6 H 5 – I***					0,205 (О) 0,648(П)

*) К. Инголд. Теоретични основи на органичната химия М., "Мир", 1973 г., стр. 263;

**) пак там. 247; ***) Според най-новите изследвания механизмът на електрофилно заместване в арилиодидите може да е по-сложен от приеманото досега.

Относно раздялата О- И П-изомери на двузаместени арени чрез кристализация.

Таблица 3. Т.т. о-И П-изомери на дизаместени арени в o C.

СРАВНЕНИЕ НА РЕАКЦИИТЕ НА АЛКИЛИРАНЕ И АЦИЛИРАНЕ СПОРЕД ФРИДЕЛ-КРАФТС.

	АЛКИЛИРАНЕ		АЦИЛИРАНЕ
РЕАКТИВ	AlkHal, AlkOH, алкени. (Без ArHal!).		Халогениди на карбоксилни киселини (CA), анхидриди CA, рядко - CA
КАТАЛИЗАТОР	Киселини на Луис, особено халогениди на цветни метали Al, Fe, Sn и др., BF 3, H 2 SO 4, H 3 PO 4, катионобменници.		AlCl3 (не по-малко мол на мол, още по-добре повече), H2SO4, H3PO4.
ПРОДУКТ	Алкил и полиалкиларени.		Ароматни кетони. Може да бъде въведена само една ацилова група.
ХАРАКТЕРИСТИКИ И НЕДОСТАТЪЦИ	Практически е малко полезен поради много нежелани реакции, а именно: 1) полиалкилиране, 2) изомеризация на изходния n-алкил във втор- и трет-алкил. 3) изомеризация на полиалкилбензени в смес или в по-стабилен продукт.		Много удобна реакция, практически неусложнена от нежелани реакции. По правило се образува само пара изомерът. Ако П-позиция е заета, тогава е орто изомер (спрямо най-силната ориентация).
ОБРАТИМОСТ	ЯЖТЕ. (виж отдолу)
ОБЛАСТ НА ПРИЛОЖЕНИЕ	НЕ МОЖЕ ДА СЕ ИЗПОЛЗВА за арени, съдържащи заместители тип II. Може да се използва за арил халиди.
ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПРИЛОЖЕНИЕТО КЪМ ФЕНОЛИТЕ	НЕЖЕЛАНОизползвайте AlCl3. МОГАизползвайте катализатори - H 3 PO 4, HF с алкохоли като алкилиращи реагенти.	CAcCl може да претърпи ацилиране върху кислород. Когато фенол етерът се нагрява, FRIS прегрупиране(кат. – AlCl 3). Понякога AcOH\BF 3 може да се използва за Fr-Kr реакцията Синтез на фенолфталеин.
ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПРИЛОЖЕНИЕТО КЪМ АРОМАТИТЕ ЧЕСКИ, АМИНИ	Директното алкилиране е практически невъзможно, тъй като е невъзможно да се използват AlCl 3, H 2 SO 4, H 3 PO 4, HF (атака на AlCl 3 или H + или алкил върху азот - в резултат на това електронодонорните свойства на азота намаляват Под действието на RHal, N -алкиланилини).	Настъпва азотно ацилиране. Катализаторите образуват азотни комплекси. Ацилирането е възможно с помощта на два еквивалента. ацилиращ агент и ZnCl2 за образуване на р-ацил-N-ациланилини.

Забележка:

Обратимостта на реакцията на алкилиране според Фридел-Крафтс води до факта, че всички възможни реакции на алкилиране и деалкилиране протичат едновременно в системата и мета позицията също е засегната, тъй като алкиловата група активира всичкопозиции на бензеновия пръстен, макар и в различна степен.

Въпреки това, поради преференциалната орто-пара ориентация на процесите на алкилиране и обратно деалкилиране под въздействието на електрофил, например по време на ипсо-атака на протон, най-малко реактивните и по-термодинамично стабилни 1,3- и 1 ,3 се натрупват в сместа по време на продължителна реакция ,5-изомери, тъй като алкилите в тях по-малко ориентират протонната атака под други алкили:

Подобни причини обуславят образуването на различни региоизомери по време на сулфониране, със съществената разлика, че сулфоновата група е ориентант от втори вид, което затруднява полисулфонирането.

12. ФОРМИРАНЕ – въвеждане на група СНО.

Формилирането е специален случай на ацилиране.

Много производни на мравчена киселина могат да формилират арени. Реакции на формилиране с CO, HCN, HCO(NMe 2) 2. Особености при избора на електрофилни катализатори за реакции на формилиране.

ГАТЕРМАН-КОХ(1897) – ArH + CO + HCl (AlCl 3 / Cu 2 Cl 2). Има ли NS(O)S1? А НС(О)Ф?

ГАТЕРМАН– HCN b\w + HCl газ. котка AlCl3 или ZnCl2.

Гутерман-Адамс(по избор) – Zn(CN) 2 + HCl. Можете да използвате 1.3.5. триазин,/HC1/A1C1 3 (по избор), или C1 2 CHOR (при 5+++)

Губен-Геш(ацилиране с RCN, HCl и ZnCl2).

ФОРМИРАНЕ СПОРЕД VILSMEIER-HAACK. Само обогатена с електрони арена! + DMF + POC13 (може да бъде SOCI2, COCl2).

13. Реакция на хидроксиметилиране, кондензация на карбонилни съединения с арени (ДДТ, дифенилолпропан), хлорометилиране.

14.Приложимост на реакциите на формилиране и хидроксиметилиране.

Гатерман-Кох -алкилбензени, бензен, халобензени.

Gatterman – активирани арени, толуен.

Vilsmeyer-Haack – само активирани арени

Хлорометилиране – фенол, анизол, алкил и халогенбензени.

Хидроксиметилиране – активирани арени.

(Активираните арени са анилини, фенол и фенолни естери.)

15. Триарилметанови багрила. Кристално виолетово (4-Me 2 N-C 6 H 4) 3 C + X - . Синтез от p-Me 2 N-C 6 H 4 CHO + 2 Me 2 NPh + ZnCl 2 → LEUCO ФОРМА (бял цвят). Допълнително окисление (PbO 2 или друг окислител) в тер-алкохол, след това обработка с киселина, външен вид на цвета.

МАТЕРИАЛ ПО ИЗБОР.

1) Меркуризация на бензен с Hg(OAc) 2 Хексамеркуризация на бензен с Hg(OAc F) 2. Получаване на хексайодобензен.

2) Декарбоксилиране на ароматни киселини ArCOOH (нагряване с меден прах в хинолин) = ArH + CO 2. Ако има електрон-оттеглящи групи в пръстена, тогава можете просто да загреете солта на аренкарбоксилната киселина много силно. Ако има донори, особено в орто позиция, е възможно заместване на карбоксилна група с протон, но това е рядко!

3) Екзотични електрофили в реакции с арени: (HN 3 /AlCl 3 - дава анилин), R 2 NCl / AlCl 3 дава R 2 NAr) (SCl 2 /AlCl 3 дава Ar 2 S. Роданиране на анилин или фенол с диродан ( SCN) 2. Образуване на 2-аминобензотиазоли.

4) Има голям брой „сложни“ реакции, които е невъзможно да се запомнят и не са необходими, например PhOH + TlOAc + I 2 = o-йодофенол или PhOH + t-BuNH 2 + Br 2, -70 o C = о-бромофенол

НУКЛЕОФИЛНО ЗАМЕСТВАНЕ В АРОМАТНИЯ РЕД.

Защо нуклеофилното заместване в арени, които не съдържат силни електрон-оттеглящи групи, се случва с голяма трудност?

1. S N Ar– ДОБАВЯНЕ-ОТКАЧВАНЕ.

1) Естеството на междинния продукт. Комплекси на Майзенхаймер. (Условия за стабилизиране на междинния продукт.) 13C NMR, ppm: 3 (ipso), 75.8 (o), 131.8 (m), 78.0 (p).

2) Нуклеофили. Разтворители.

3) Серия за мобилност на халогени. F (400)>>NO 2 (8)>Cl(1) ≈ Br(1,18)>I (0,26). Ограничаващ етап.

4) Серия от активираща способност на заместителите (в каква позиция?) NO 2 (1)>MeSO 2 (0,05)>CN(0,03)>Ac(0,01).

5) Примери за специфични реакции и специфични условия.

6) По избор: възможност за заместване на NO 2 - група. Селективно заместване на NO 2 - групи. Пространствени фактори.

7) Нуклеофилно заместване на водород в ди- и тринитробензен. Защо се нуждаете от окислител?

2. ARINE механизъм – (АБЛИШМЕНТ-ДОПЪЛНЕНИЕ).

Белязан хлоробензен и орто-хлоротолуен, калиеви или натриеви амиди в течен NH3. Механизъм.

Хидролиза на о-, м- и р-хлоротолуен, NaOH, H2O, 350-400 o C, 300 atm. МНОГО ТЕЖКИ УСЛОВИЯ!

Значението на индуктивния ефект. Случаят с о-хлороанизол.

Бавният етап е отнемане на протони (ако Hal=Br, I) или отнемане на халидни аниони (ако Hal=Cl, F). Оттук и необичайните серии за мобилност за халогени:Br>I> Cl>F

Методи за получаване на дехидробензен. Структурата на дехидробензен - в тази частица Не тройна връзка! Възстановяване на дехидробензен.

3. МеханизъмS RN1. Доста рядък механизъм. Генериране на радикални аниони - електрически ток, или облъчване, или метален калий в течен амоняк. Реактивност ArI>ArBr. Няколко примера. Какви нуклеофили могат да се използват? Приложение S RN1 : реакции за а-арилиране на карбонилни съединения чрез енолати.

4. Нуклеофилно заместване в присъствието на мед. Синтез на дифенилов етер, трифениламин, хидролиза на о-хлороанизол.

5. Няколко редки примера. Синтез на салицилова киселина от бензоена киселина, нуклеофилно заместване в хексафлуоробензен.

6. S N 1 Ar – вижте темата "Диазо съединения".

Допълнително четене по темата "Ароматни съединения"

M.V.Gorelik, L.S.Efros. Основи на химията и технологията на ароматните съединения. М., "Химия", 1992 г.

НИТРО СЪЕДИНЕНИЯ.

Минимални познания за алифатни нитро съединения.

1. СИНТЕЗ: а) директно нитриране в газова фаза - само най-простите (1-ви семестър, тема - алкани).

б) RBr + AgNO 2 (етер) = RNO 2 (I) + RONO (II). Съотношението на I и II зависи от R: R първи. 80:10; Р вт. 15:30 часа. Р трие 0:10:60 (Е2, алкен). Можете да използвате NaNO 2 в DMF. Тогава количеството на RNO 2 е по-голямо дори за вторичния R.Метод b) е добър за RX активен в S н 2-заместване, например ClCH 2 COONa + NaNO 2 във вода при 85 o C. (тема: нуклеофилно заместване и амбидентни аниони, 1 семестър).

в) НОВ МЕТОД ЗА СИНТЕЗ– окисление на аминогрупата с CF 3 CO 3 H(от (CF 3 CO) 2 O + H 2 O 2 в CH 2 Cl 2 или MeCN) Подходящ за алифатни и ароматни амини. Понякога можете да вземете m-CNBA (m-хлоропербензоена киселина, m-CPBA, търговски реагент).НЕ ПРИЕМАЙТЕ KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 ЗА ОКИСЛЕНИЕ! Особено за ароматни амини!

2. СВОЙСТВА.Най-важното свойство е високата CH киселинност, тавтомерия на нитро и аци форми (pKa MeNO 2 10.5). Равновесието се установява бавно! И двете форми реагират с NaOH, но само аци формата реагира със сода! (Ганч).

Високата CH киселинност прави нитро съединенията аналози на енолизируемите карбонилни съединения. Киселинността на нитрометан е близка до киселинността на ацетилацетона, а не на простите алдехиди и кетони, така че се използват доста слаби основи - основи, карбонати на алкални метали, амини.

Реакцията на Анри (Хенри) е аналог на алдолната или кротонова кондензация. Тъй като реакцията на Анри се провежда при меки условия, продуктът често е нитроалкохол (аналог на алдол), а не нитроолефин (аналог на кротонов продукт). RСН 2 NO 2 винаги е CH компонент!

Реакции на Майкъл и Маних за RNO 2. По избор: халогениране в NaOH, нитрозиране, алкилиране на аниони.

ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА АРОМАТНИ СЪЕДИНЕНИЯ.

1) Най-важните междинни продукти на редукция на нитробензен в кисела среда (нитрозобензен, фенилхидроксиламин) и алкална среда (азоксибензен, азобензен, хидразобензен).

2) Селективна редукция на една от нитро групите в динитробензен.

3) ВАЖНИ СВОЙСТВА НА ПРОДУКТИ ЗА НЕПЪЛНО ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА НИТРОАРЕНИТЕ.

3a) Бензидиново пренареждане (B.P.).

ДОБИВ 85% за бензидин. (R, R’ = Н или друг заместител). ОБЪРНЕТЕ ВНИМАНИЕ НА ПОЗИЦИЯТА НА R и R’ преди и след прегрупиране!

Други 15% са странични продукти – главно дифенилин (2,4’-диаминодифенил) и орто-бензидин.

Кинетично уравнение: V=k[хидразобензен] 2– като правило е необходимо протониране и при двата азотни атома.

Пренареждането на бензидина е вътрешномолекулна реакция.Доказателство. Механизъм: съгласувано-сигматропно пренареждане. Хармонизиран процес за бензидин.

Ако една или и двете пара позиции на изходните хидразобензени са заети (R=Hal. Alk, AlkO, NH 2, NMe 2), може да възникне полудиново пренареждане, за да се образува ПОЛУДИН OV.

Някои заместители, например SO3H, CO2H, RC(O), намиращи се в р-позиция, могат да бъдат елиминирани, за да образуват продуктите на обичайния B.P.

Б.П. използвани в производството на азобагрила, диамини, напр. бензидин, толидин, дианизидин. Открит от Н. Н. Зинин през 1845 г

БЕНЗИДИНЪТ Е КАНЦЕРОГЕН.

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

АЗОКСИБЕНЗЕН Ph-N + (→О -)=N-Ph. (Задача: синтез на несиметрични азо- и азоксибензени съответно от нитрозоарени и ароматни амини или арилхидроксиламини или синтез на азоксибензени от нитробензени и ароматни амини (NaOH, 175 o C).

5) ФЕНИЛХИДРОКСИЛАМИН. Пренареждане в кисела среда.

На 5 +: свързани пренареждания: N-нитрозо-N-метиланилин (25 o C), N-нитроанилин (10 o C, беше), Ph-NH-NH 2 (180 o C). Механизмът обикновено е междумолекулен.

6) НИТРОЗОБЕНЗОЛ и неговия димер.

За реакцията на нитробензен RMgX с образуването на алкилнитрозобензени и други продукти. Тази реакция показва защо НЕ правете реактиви на Гринярд от халонитробензени!

МЕТОДИ ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА АМИНИ,

известни от материалите на предишни лекции.

1. Алкилиране на амоняк и амини по Хофман

2. Редукция на нитрили, амиди, азиди, оксими.

3. Редукция на ароматни нитро съединения.

4. Прегрупиране на Хофман, Курциус и Шмид.

5. (Хидролиза на амиди.)

Нови начини.

1. Редуктивно аминиране на C=O (каталитично).

2. Реакция на Leuckart (Eschweiler-Clark).

3. Габриел синтез,

4. Реакция на Ритър.

5. Каталитичното арилиране на амини в присъствието на медни и паладиеви катализатори (реакции на Улман, Бухвалд-Хартвиг) е най-мощният съвременен метод за синтез на различни амини.

Химични свойства на амините , познати от предишни лекции.

1. Нуклеофилно заместване (алкилиране, ацилиране).

2. Нуклеофилно присъединяване към C=O (имини и енамини).

3. Елиминиране по Hoffmann и Cope (от аминооксиди).

4. Реакции на електрофилно заместване в ароматни амини.

5. Основност на амините (училищна програма).

Нови имоти .

1. Базичност на амините (ново ниво на знания). Какво представляват pK a и pK b.

2. Реакция с азотиста киселина.

3. Окисляване на амини.

4. Разни– Тест на Хинсберг, халогениране на амини.

ДИАЗОНОВИ СЪЕДИНЕНИЯ.

1. ДИАЗО и AZO съединения. ДИАЗОНИЕВА СОЛ. Анионите са прости и сложни. Разтворимост във вода. Експлозивни свойства. Разпределение на заряда върху азотните атоми. Ковалентни производни.

2. Диазотиране на първични ароматни амини. Механизъм на диазотиране (опростена схема с използване на H + и NO +). Колко мола киселина са необходими? (Формално – 2, реално – повече.) Странично образуване на триазени и странично азо свързване.

3. Диазотиращи агенти в ред на намаляване на реактивността.

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

4. Нитрозиране вт. И трие. амини Взаимодействие на алифатни амини с HNO 2.

5. Методи на диазотиране: а) класически, б) за нискоосновни амини, в) обратен ред на смесване, г) в неводна среда - използване на i-AmONO. Характеристики на диазотиране на фенилендиамини. Проследяване на завършването на реакцията.

6. Поведение на диазониеви соли в алкална среда. Диазохидрат, син- и антидиазотати. Амбидност на диазотатите.

7. Реакции на диазо съединения с освобождаване на азот. 1) Термичното разлагане на арилдиазониум става чрез силно реактивни арилни катиони. Механизмът на заместване в този случай е подобен на S N 1 в алифатната химия. Този механизъм е последван от реакцията на Шиман и образуването на феноли и техните етери. 2) Нуклеофилите са редуциращи агенти. Механизмът е трансфер на електрон и образуване на арилов радикал. Съгласно този механизъм протича реакция с йодиден йон, заместваща диазогрупата с водород. 3) Реакции в присъствието на меден прах или медни (I) соли. Те също имат радикален характер, медта играе ролята на редуциращ агент. Нуклеофилът се прехвърля към арилния радикал в координационната сфера на медните комплекси. Такива реакции са повечето в химията на диазониеви соли. Реакция на Сандмайер и нейните аналози. 4) Реакцията на Несмеянов. 5) Диарилиодониеви и бромониеви соли.

8. Реакции на диазо съединения без отделяне на азот. Възстановяване. Азо комбинация, изисквания към азо и диазокомпонентите. Примери за азобагрила (метилоранж).

9. Реакции на Гомберг-Бахман и Майервайн Съвременна алтернатива са реакциите на кръстосано свързване, катализирани от комплекси на преходни метали и реакцията на Хек. При 5++: кръстосано комбиниране с диазониеви соли и диарилиодониеви соли.

10. ДИАЗОМЕТАН.Получаване, структура, реакции с киселини, феноли, алкохоли (разлика в условията), с кетони и алдехиди.

ФЕНОЛИ И ХИНОНИ.

Повечето от най-важните методи за синтез на феноли са известни от материалите на предишни лекции:

1) синтез чрез Na-соли на сулфонови киселини;

2) хидролиза на арилхлориди;

3) чрез диазониеви соли;

4) метод с кумол.

5) хидроксилиране на активирани арени според Fenton.

СВОЙСТВА НА ФЕНОЛИТЕ.

1) Киселинност; 2) синтез на естери; 3) електрофилно заместване (вижте темата "Електрофилно заместване в арени");

4) Реакции на електрофилно заместване, които не са разглеждани преди това: карбоксилиране на Колбе, формилиране на Раймер-Тиман, нитрозиране; 5) тавтомерия, примери; 6) Синтез на етери; 6а) синтез на алилови етери; 7) пренареждане на Клайзен;

8) окисляване на феноли, ароксилни радикали; реакция на Bucherer;

10) превръщане на PhOH в PhNR 2.

ХИНОНИ.

1. Строеж на хиноните. 2. Получаване на хинони. Окисляване на хидрохинон, семихинон, хинхидрон. 3. Хлоранил, 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-хинон (DDQ). 4. Свойства на хиноните: а) редокс реакции, 1,2- и 1,4-присъединяване, реакция на Diels-Alder.

ВАЖНИ ПРИРОДНИ ЕНОЛИ, ФЕНОЛИ И ХИНОНИ.

ВИТАМИН С (1):Аскорбинова киселина. Редуциращ агент. Оцветяване с FeCl3. В природата се синтезира от всички хлорофилсъдържащи растения, влечуги и земноводни и много бозайници. В хода на еволюцията хората, маймуните и морските свинчета са загубили способността си да го синтезират.

Най-важните функции са изграждането на междуклетъчното вещество, регенерацията и заздравяването на тъканите, целостта на кръвоносните съдове, устойчивостта на инфекции и стрес. СИНТЕЗ НА КОЛАГЕН (хидроксилиране на аминокиселини). (Колагенът е всичко за нас: кожа, кости, нокти, коса.) Синтез на норепинефрин. Липса на витамин С – скорбут. Съдържание на витамин С: касис 200 mg/100 g, червен пипер, магданоз – 150-200, цитрусови плодове 40-60, зеле – 50. Потребност: 50-100 mg/ден.

ТАНИН, това е гликозид на галова киселина (2). Съдържа се в чая, има дъбилни свойства

РЕСВЕРАТРОЛ (3) – намира се в ЧЕРВЕНОТО ВИНО (френско). Намалява вероятността от сърдечно-съдови заболявания. Инхибира образуването на ЕНДОТЕЛИН-1 пептид, ключов фактор за развитието на атеросклероза. Помага за популяризиране на френското вино на пазара. Повече от 300 публикации през последните 10 години.

МАСЛО КАРАМФИЛ: евгенол (4).

ВИТАМИН Е (5)(токоферол - "нося потомство"). Антиоксидант. (Самият той образува неактивни свободни радикали). Регулира метаболизма на селен в глутатион пероксидазата, ензим, който предпазва мембраните от пероксиди. При дефицит - безплодие, мускулна дистрофия, намалена потентност, се повишава окислението на липидите и ненаситените мастни киселини. Съдържа се в растителни масла, маруля, зеле, жълтък, зърнени храни, овесени ядки (валцувани овесени ядки, мюсли). Необходимост – 5 mg/ден. Витаминният дефицит е рядък.

ВИТАМИНИ ОТ ГРУПА К (6).Регулиране на съсирването на кръвта и минерализацията на костната тъкан (карбоксилиране на остатъка от глутаминова киселина на позиция 4 (в протеините!)) - резултат: свързване на калция, растеж на костите. Синтезира се в червата. Необходимост – 1 mg/ден. Хеморагични заболявания. Антивитамини К. Дикумарин. Намалено съсирване на кръвта по време на тромбоза.

УБИКИНОН(„вездесъщ хинон“), известен също като коензим Q (7). Пренос на електрони. Тъканно дишане. Синтез на АТФ. Синтезирани в организма.

CHROMONE (8) и FLAVONE (9)– семихинони, фенолни полуестери.

КВЕРЦЕТИН (10). РУТИН – витамин Р (11)(това е кверцетин + захар).

Витамин за пропускливост. При недостиг, кървене, умора, болки в крайниците. Връзката между витамините С и Р (аскорутин).

АНТОЦИАНИНИ(от гръцки: оцветяване на цветя).

КАКВО Е ЛИГНИН От какво се състои дървото? Защо е твърд и водоустойчив?

"АЛИКЪЛ", 2 лекции.

1. Формална класификация на циклите(хетероцикли и карбоцикли, като и двата могат да бъдат ароматни или неароматни. Неароматните карбоцикли се наричат ​​алицикли.

2. Разпространение в природата (масло, терпени, стероиди, витамини, простагландини, хризантема киселина и пиретроиди и др.).

3. Синтез – края на 19 век. Пъркин младши – от натрамолонов естер. (виж параграф 13). Густавсън:

Br-CH2CH2CH2-Br + Zn (EtOH, 80 o C). Това е 1,3-елиминиране.

4. БАЙЕР (1885). Теория на напрежението. Това дори не е теория, а дискусионна статия: Според Байер – всички цикли са плоски. Отклонение от ъгъл 109 около 28’ – напрежение. Теорията живя и живя 50 години, после умря, но терминът остана. Първи синтези на макро- и средни цикли (Ружичка).

5. ВИДОВЕ НАПРЕЖЕНИЯ В ЦИКЛИ: 1) ЪГЛОВИ (само малки цикли), 2) УСУКНАНИ (препятствани), ТРАНСАННУЛАРНИ (при средни цикли).

напр. според Bayer
напр. според D H o f kcal/m (топлинно изображение)
напр. според D H o f kcal/m: C 9 (12,5 kcal/m), C 10 (13 kcal/m), C 11 (11 kcal/m), C 12 (4 kcal/m), C 14 (2 kcal/m).
Топлина на изгаряне за CH 2 група, kcal/m	МАЛКИ ЦИКЛИ 166.6 (C3), 164.0 (C4)		РЕДОВЕН 158.7 (C5), 157.4 (C6)		СРЕДЕН ДО ОТ 12 (ОТ 13) МАКРОЦИКЛИ > C 13

6. ЦИКЛОПРОПАН. Структура(С-С 0,151 nM, Р НСН = 114 о), хибридизация (Според изчисленията за C-H е по-близо до sp 2, за C-C - до sp 5), бананови връзки, ъгъл 102 o, сходство с алкени, TORSION стрес - 1 kcal/m на C-H, т.е. 6 kcal/m от 27,2 (таблица). Киселинност CH - pKa като етилен = 36-37, възможно конюгиране на циклопропановия фрагмент с Р-орбитали на съседни фрагменти (стабилност на циклопропилметил карбокатион) .

ОСОБЕНОСТИ НА ХИМИЧНИТЕ СВОЙСТВА. 1. Хидрогениране в C 3 H 8 (H 2 /Pt, 50 o C)/ 2. с мокър HBr - отваряне на пръстена на метилциклопропан по Марковников, 1,5-присъединяване към винилциклопропан 3. Радикално халогениране. 4. Устойчивост на някои окислители (неутрален разтвор на KMnO 4, озон). Във фенилциклопропан озонът окислява Ph пръстена до образуване на циклопропанкарбоксилна киселина.

7. ЦИКЛОБУТАН. Структура(С-С 0,155 nM, Р НСН = 107 о) , КОНФОРМАЦИЯ – сгъната, отклонение от равнината 25o. УСУКНАЩО напрежение.

Почти неХАРАКТЕРИСТИКИ НА ХИМИЧНИТЕ СВОЙСТВА: Хидрогениране в C 4 H 10 (H 2 / Pt, 180 o C).Структурни характеристики на оксетаните: ТОРСИОННО напрежение – 4 kcal/m вместо 8.

8. ЦИКЛОПЕНТАН. Почти няма ъглово напрежение. В плоския има 10 двойки затъмнени CH връзки (това може да доведе до усукване от 10 kcal/m, но циклопентанът не е плосък). Конформации: отворен ПЛИК – полустол – отворен ПЛИК. ПСЕВДОРОТАЦИЯТА е компромис между ъглово и усукващо напрежение.

9. ЦИКЛОХЕКСАН – СТОЛ. Няма ъглово или усукващо напрежение. Аксиални и екваториални атоми.Всички C-H връзки на съседни въглеродни атоми са в инхибирано положение. Преход между две възможни конформации на стол чрез форма на усукване и т.н. 10 5 пъти в секунда.ЯМР спектър на циклохексан Бързи и бавни метаболитни процеси в ЯМР.

МОНОПОДАВАНИ ЦИКЛОХЕКСАНИ. Конформатори. Аксиален и гош-бутан взаимодействия.

Свободни конформационни енергии на заместителите.– D G o, kcal/m: H(0), Me(1,74, това е ~ 95% от e-Me конформера в равновесие), i-Pr(2,1), t-Bu (5,5), Hal (0,2- 0,5) Ph (3,1).

Трет-бутиловата група действа като котва, осигуряваща конформацията, в която самата тя заема екваториална позиция. IN трие-бутилциклохексан при стайна температура е повече от 99,99% екваториален конформер.

Аномерен ефект.Открит върху монозахаридите и ще бъде разгледан по-подробно там.

10. ОТХВЪРЛЕНИ ЦИКЛОХЕКСАНИ. Цис-транс изомери, енантиомери за 1,2-. 1.3-. 1,4-дизаместени циклохексани.

11. ВЛИЯНИЕ НА КОНФОРМАЦИОННОТО СЪСТОЯНИЕ върху реактивността. Спомнете си елиминирането в ментил и изоментил хлорид (1 sem). Правилото на Бред.

12. Концепцията за конформациите на средните цикли (бани, корони и др.)Трансануларно напрежение. Концепцията за трансануларни реакции.

13. Методи за синтез на малки цикли.

14. СИНТЕЗ НА ОБИКНОВЕН И СРЕДЕН ЦИКЪЛ.

Чрез малонов етер.

Пиролиза на Ca, Ba, Mn, Th соли на a,w-дикарбоксилни киселини.

Кондензация на Дикман.

Чрез a,w – динитрили.

Ацилоидна кондензация.

Метатеза на алкени.

Циклотри- и тетрамеризация върху металокомплексни катализатори.

Реакцията на Демянов.

15. Структурни особености на циклоалкените.

16. Синтез на циклоалкини.

17. Велосипеди. Спирани. Адамантан.

18. Екзотика. Тетраедър, кубин, ангулан, пропелан.

ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ.

1. Петчленни хетероцикли с един хетероатом.

Пирол, фуран, тиофен, ароматичност, техните производни в природата (порфирин, хем, хлорофил, витамин B 12, аскорбинова киселина, биотин).

2. Методи за синтез на петчленни хетероцикли с един хетероатом.Метод на Paal-Knorr. Синтез на пирол според Knorr и фуран според Feist-Benary. Трансформации на фуран в други петчленни хетероцикли според Юриев. Получаване на фурфурол от растителни отпадъци, съдържащи въглехидрати с пет въглерода (пентозани).

3. Физични и химични свойства на петчленните хетероцикли.

1Н и 13С NMR спектрални данни, 5 ppm. (за бензен δН 7,27 и δС 129 ppm)

Диполни моменти

3.1 Електрофилно заместване в пирол, фуран и тиофен.

От гледна точка на реактивност към електрофили, пиролът прилича на активирани ароматни субстрати (фенол или ароматни амини), пиролът е по-реактивен от фурана (коефициент на скорост повече от 10 5), тиофенът е много по-малко реактивен от фурана (също приблизително 10 5 пъти), но по-реактивен от бензена (коефициент на скорост 10 3 -10 5). Всички петчленни хетероцикли са склонни към полимеризация и смоли в присъствието на силни протични киселини и силно реактивни киселини на Люис. Пиролът е особено ацидофобен.ЗА ЕЛЕКТРОФИЛНО ЗАМЕСТВАНЕ В ПЕТЧЛЕННИ ХЕТЕРОЦИКЛИ НЕ МОГАТ ДА СЕ ПРИЕМАТ ОСОБЕНО ПИРОЛИ, СИЛНИ МИНЕРАЛНИ КИСЕЛИНИ, AlCl 3 И СИЛНИ ОКИСЛИТЕЛИ! Въпреки че това правило не е абсолютно и тиофенът е до известна степен устойчив на киселина, по-просто и по-безопасно е да се избегнат такива реакции като цяло за всички донорни хетероцикли. Примери за реакции на електрофилно заместване в пирол, фуран и тиофен.

3.2. Базичност и киселинност на пирола, алкилиране на Li, Na, K и Mg производни на пирола.

3.3. Кондензация на пирол с алдехиди (формилиране, образуване на порфирини).

3.4. Характеристики на химичните свойства на фураните (реакция с бром, реакция на Diels-Alder.

3.5. Характеристики на химичните свойства на тиофена. Десулфуризация.

3.6. Реакции на С-металирани петчленни хетероцикли.

4. Кондензирани петчленни хетероцикли с един хетероатом.

4.1. Индоли в природата (триптофан, скатол, серотонин, хетероауксин. Индиго.)

4.2 Синтез на Фишер на индоли. Механизъм.

4.3 Сравнение на свойствата на индол и пирол.Подобен на пирола индолът е ацидофобен и много чувствителен към окислители. Значителна разлика от пирола е ориентацията на електрофилното заместване в позиция 3.

5. Петчленни хетероцикли с два хетероатома Имидазол, амфотерност, тавтомерия, използване при ацилиране. Сравнение с амидини. Имидазолът е донор и акцептор на водородна връзка. Това е важно за химията на ензими като химотрипсин. Това е хистидиновият фрагмент на химотрипсина, който пренася протона и осигурява хидролизата на пептидната връзка.

6. Пиридин, ароматност, основност (рКа 5,23; основност, сравнима с анилин (pKa = 4,8), но малко по-висока). pKa на пиридинови производни: 2-амино-Ру= 6,9 , 3-амино-Ру = 6,0 . 4-амино-Ру = 9.2. Това е доста здрава основа. 4-нитро-Ру = 1.6; 2-циано-Ру= -0,26).

Производни на пиридин в природата (витамини, никотин, NADP).

6.1. 1Н (13С) NMR спектрални данни, 5, ppm

6.2. Методи за синтез на пиридини (от 1,5-дикетони, трикомпонентен синтез на Hantzsch).

6.3. Химични свойства на пиридина.Алкилиране, ацилиране, DMAP, пиридинови комплекси с киселини на Люис. (cSO3, BH3, NO2 + BF4-, FOTf). Меки електрофилни реагенти съответно за сулфониране, редукция, нитриране и флуориране.

6.4. Реакции на електрофилно заместване на пиридин. Характеристики на реакциите и примери за условия за електрофилно заместване в пиридин.

6.5. Пиридин N-оксид, получаване и използването му в синтеза. Въвеждане на нитро група в 4-та позиция на пръстена.

6.6. Нуклеофилно заместване в 2-, 3- и 4-хлоропиридини.Коефициенти на частична скорост в сравнение с хлоробензен.

Подобна тенденция се наблюдава за 2-, 3- и 4-халохинолините.

6.7. Нуклеофилно заместване на хидриден йон:

реакция на пиридин с алкил или ариллитий;

реакция на пиридин с натриев амид (реакция на Чичибабин).Тъй като елиминирането на свободния хидриден йон е невъзможно поради енергийни причини, в реакцията на Чичибабин междинният сигма комплекс се ароматизира чрез взаимодействие с реакционния продукт за образуване на натриева сол на продукта и молекулярен водород.

При други реакции хидридът обикновено се отстранява чрез окисление. Така, пиридиниевите соли могат да претърпят хидроксилиране, което води до образуването на 1-алкилпиридони-2. Процесът е подобен на аминиране, но в присъствието на окислител, например К 3 .

6.8. Литиеви производни на пиридина.Рецепция, реакции.

6.9. Пиридиновото ядро ​​като силен мезомерен акцептор. Стабилност на карбаниони, конюгирани към пиридиновия пръстен на 2- или 4-позиции. Характеристики на химичните свойства на метилпиридини и винилпиридини.

7. Кондензирани шестчленни хетероцикли с един хетероатом.

7.1. Хинолин. Хинин.

1Н (13С) NMR спектри на хинолин, 5, ppm.

7.1. Методи за получаване на хинолини. Синтези на Скроуп и Дьобнер-Милър.Концепцията за механизма на тези реакции. Синтез на 2- и 4-метилхинолини.

7.2. изохинолини,синтез по Бишлер-Напиералски .

7.3. Химични свойства на хинолините и изохинолините.Сравнение с пиридин, разлики в свойствата на пиридин и хинолин.

Поведение на хетероциклени съединения в присъствието на окислители и редуциращи агенти, предназначени да модифицират странични вериги.

Редуктори:

Пиролът е почти неограничено устойчив на редуциращи агенти, както и на основи и нуклеофили (например, той може да издържи на хидриди, боран, Na в алкохол, без да засяга пръстена, дори при продължително нагряване).

Тиофенът - подобно на пирола, е устойчив на редуциращи агенти, както и на основи и нуклеофили, с изключение на редуциращи агенти на базата на преходни метали. Всички никелови съединения (никел на Реней, никелов борид) причиняват десулфуризация и хидрогениране на скелета. Паладиеви и платинени катализатори обикновено са отровени от тиофени и не работят.

Фуранът е същият като пирола, но много лесно се хидрогенира.

Индолът е напълно подобен на пирола.

Пиридиновият пръстен се редуцира по-лесно от бензеновия пръстен. За странични вериги можете да използвате NaBH4, но е нежелателно (често дори невъзможно) да използвате LiAlH4.

За хинолин правилата са почти същите като за пиридин; LiAlH 4 не може да се използва.

В кватернизирана форма (N-алкилпиридиний, хинолиний) те са много чувствителни към редуциращи агенти (редукция на пръстена), основи и нуклеофили (отваряне на пръстена).

Окислители.

Използването на окислители за съединения на пирол, индол и в по-малка степен фуран обикновено води до разрушаване на пръстена. Наличието на електрон-оттеглящи заместители повишава устойчивостта към окислители, но по-подробна информация за това е извън обхвата на програмата за 3-та година.

Тиофенът се държи като бензен - обикновените окислители не разрушават пръстена. Но използването на пероксидни окислители под каквато и да е форма е строго забранено - сярата се окислява до сулфоксид и сулфон със загуба на ароматност и незабавна димеризация.

Пиридинът е доста стабилен към повечето окислители при меки условия. Съотношението на пиридина към нагряването с KMnO 4 (pH 7) до 100 o C в запечатана ампула е същото като при бензена: пръстенът се окислява. В кисела среда пиридинът в неговата протонирана форма е още по-устойчив на окислители; може да се използва стандартен набор от реагенти. Перкиселините окисляват пиридина до N-оксид - виж по-горе.

Окисляването на един от хинолиновите пръстени с KMnO 4 води до пиридин-2,3-дикарбоксилна киселина.

8. Шестчленни хетероцикли с няколко азотни атома

8.1. Пиримидин.Пиримидинови производни като компоненти на нуклеинови киселини и лекарства (урацил, тимин, цитозин, барбитурова киселина). Антивирусни и противотуморни лекарства - пиримидини (5-флуороурацил, азидотимидин, алкилметоксипиразини - компоненти на миризмата на храна, плодове, зеленчуци, чушки, грах, пържено месо. Така наречената реакция на Maillard (по желание).

8.2. Концепцията за химичните свойства на пиримидиновите производни.

Пиримидинът може да бъде бромиран в позиция 5. Урацилът (виж по-долу) също може да бъде бромиран и нитриран в позиция 5.

Леки реакции S N 2 Ar в хлоропиримидини(аналогия с пиридин!): Позиция 4 върви по-бързо от позиция 2.

Заместване на 2-C1 под влияние на KNH 2 в NH 3 l. Механизма не е arine, а ANRORC (5+++).

10. Двуядрени хетероцикли с няколко азотни атома. пурини (аденин, гуанин).

Най-известните пурини (кофеин, пикочна киселина, ацикловир). Пуринови изостери (алопуринол, силденафил (Viagra™)).

Допълнителна литература по темата "Хетероцикли"

1. Т. Гилкрист „Химия на хетероцикличните съединения” (Превод от английски - М.: Мир, 1996)

2. J. Joule, K. Mills “Химия на хетероцикличните съединения” (Превод от английски - М.: Мир, 2004).

АМИНОКИСЕЛИНИ .

1. Аминокиселини (АА) в природата. (≈ 20 аминокиселини присъстват в протеините, те са кодирани от АА; >200 АА се срещат в природата.)

2. α-, β-, γ-аминокиселини. S-конфигурация на естествени L-аминокиселини.

3. Амфотерност, изоелектрична точка(рН обикновено е 5,0-6,5). Основни (7,6-10,8), киселинни (3,0-3,2) аминокиселини. Потвърждение на цвитерионната структура. Електрофореза.

4. Химични свойства на АК– свойства на COOH и NH 2 групите. Хелати. Бетаини. Поведение, когато отопление(сравнете с хидрокси киселини). Образуването на азлактони от N-ацетилглицин и хидантоини от урея и AA е 5++. Естерният синтез и N-ацилирането са пътят към пептидния синтез (вижте лекцията за протеина).

5. Химични и биохимични дезаминиране,(не преподавайте механизмите!), принципът на ензимното трансаминиране с витамин B 6 (беше в темата „Карбонилни съединения“ и в курса по биохимия).

7. Най-важните методи за синтез на аминокиселини:

1) от халокарбоксилни киселини - два примитивни метода, включително фталимид. (И двете вече са известни!)

2) Стрекер синтез;

3) алкилиране на СН киселинни аниони – PhCH=N–CH 2 COOR и N-ацетиламиномалонов естер.

4) Енантиоселективен синтез на АК чрез:

а) микробиологично (ензимно) разделяне и

б) енантиоселективно хидрогениране с използване на хирални катализатори.

5) β-аминокиселини. Синтез според Майкъл.

	Хидрофобни аминокиселини	Малко за биохимичната роля (за общо развитие)
АЛАНИН		Отстраняване на амоняка от тъканите към черния дроб. Трансаминиране, превръщане в пирогроздена киселина. Синтез на пурини, пиримидини и хем.
ВАЛИН*		Ако в резултат на мутация валинът замести глутаминовата киселина в хемоглобина, възниква наследствено заболяване - сърповидноклетъчна анемия. Сериозно наследствено заболяване, често срещано в Африка, но което придава устойчивост на малария.
ЛЕВЦИН*
ИЗОЛЕЙЦИН*
ПРОЛИН		Огъвания в протеиновите молекули. Няма ротация, където има пролин.
ФЕНИЛАЛАНИН*		Ако не се превърне в тирозин, ще има наследствено заболяване, фенилпировинова олигофрения.
ТРИПТОФАН*		Синтез на NADP, серотонин. Разграждане в червата до скатол и индол.
	Хидрофилни аминокиселини
ГЛИЦИН Gly (G)	H2N-CH2-COOH	Участва в огромен брой биохимични синтези в организма.
СЕРИНСер (S)	HO-CH 2-CH(NH2)-COOH	Участват (като част от протеините) в процесите на ацилиране и фосфорилиране.
ТРЕОНИН* Thr (T)	CH3-CH(OH)-CH(NH2)-COOH
ТИРОЗИНТир (Y)		Синтез на хормони на щитовидната жлеза, адреналин и норепинефрин
	"Киселинни" аминокиселини
АСПАРАГИНОВА КИСЕЛИНА Asp (D)	HOOC-CH 2-CH(NH2)-COOH	Донор на аминогрупи в синтези.
ГЛУТАМИНОВА КИСЕЛИНА Glu(E)	HOOC-C 4 H 2 -CH 2-CH(NH2)-COOH	Образува GABA (γ-аминомаслена киселина (аминалон) - седатив. Glu премахва NH3 от мозъка, превръщайки се в глутамин (Gln). 4-карбоксиглутаминова киселина свързва Ca в протеини.
	"A M I ​​​​D S" на киселинни аминокиселини
АСПАРАГИН Asn(N)	H2N-CO-CH2-CH(NH2)-COOH
ГЛУТАМИН Gln (Q)	H2N-CO-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH	Донорамино групи в синтези
ЦИСТЕИН Cys(C)	HS-CH 2-CH(NH2)-COOH	Образуване на S-S връзки (tert, протеинова структура, регулиране на ензимната активност)
ЦИСТИН	Cys-S-S-Cys
МЕТИОНИН*Мет	MeSCH 2 CH 2 - CH(NH2)COOH	Донор на метилова група
	„Есенциални“ аминокиселини
ЛИЗИН* Lys (K)	H2N-(CH2)4-CH(NH2)-COOH	Образува кръстосани връзки в колагена и еластина, което ги прави еластични.
АРГИНИН Arg(R) Съдържа гуанидинов фрагмент	H 2 N-C(=NH)-NH-(CH 2) 3 -CH(NH 2)-COOH	Участва в отстраняването на амоняка от тялото
ХИСТИДИННеговият (H) Имидазолов остатък		Синтез на хистамин. Алергия.

* - незаменими аминокиселини.Глюкозата и мазнините се синтезират лесно от повечето аминокиселини. Нарушенията в метаболизма на аминокиселините при децата водят до умствена изостаналост.

ЗАЩИТНИ ГРУПИ, ИЗПОЛЗВАНИ В ПЕПТИДНИЯ СИНТЕЗ.

Н.Х. 2 -защитни групи –

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

ROC(O)- = PhCH 2 OC(O)-и заместени бензили , t-BuOC(O)-и т.н. трие- групи,

Флуоренилметилоксикарбонилна група,

Ц-група

COOH -защитни групи – етери – PhCH 2 O- и заместени бензили,

t-BuO- и флуоренил метилови етери.

Не е предвидено отделно разглеждане на защитните групи за други аминокиселини на аминокиселини.

Методи за създаване на пептидна връзка.

1. Киселинен хлорид (чрез X-NH-CH(R)-C(O)Cl). Методът е остарял.

2..Азид (според Curtius, чрез X-NH-CH(R)-C(O)Y → C(O)N 3 като мек ацилиращ реагент.

3.Анхидрит – напр. чрез смесен анхидрид с въглена киселина.

4. Активирани естери (например C(O)-OS 6 F 5 и др.)

5. Карбодиимид – киселина + DCC + амин

6. Синтез върху твърда подложка (например върху смола Merrifield).

Биологична роля на пептидите. Няколко примера .

1. Енкефалините и ендорфините са опиоидни пептиди.

например Tyr-Gly-Gly-Phe-Met и

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu от свински мозък. Известни са няколкостотин аналози.

2. Окситоцин и вазопресин Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-лев -Gly-NH 2

│________________│

DuVigneaud, Nob.pr. 1955 Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Арг -Gly-NH 2

│________________│

3. Инсулинът контролира усвояването на глюкозата от клетката. Излишъкът на глюкоза в кръвта (диабет) води до гликозилиране на всичко (главно протеини).

4. Пептидни трансформации: ангиотензиноген → ангиотензин I → ангиотензин II. Един от основните механизми за регулиране на кръвното налягане (АН), мястото на приложение на много лекарства (АСЕ блокери - ангиотензин-конвертиращ ензим. Етап 1 катализатор е ензимът ренин (изолиран от бъбреците).

5. Пептидни токсини. Ефективен срещу болести - ботулизъм, тетанус, дифтерия, холера. Отрови от змии, скорпиони, пчели, гъбични токсини (фаллоидин, амантин), морски безгръбначни (Conusgeographus – 13 AK, два -S-S-моста). Много от тях са стабилни при варене в кисел разтвор (до 30 минути).

6. Пептидни антибиотици (грамицидин S).

7. Аспартамът Asp-Phe-OMe е 200 пъти по-сладък от захарта. Горчиви и "вкусни" пептиди.

8. Протеини. Четири нива на организация на нативната протеинова молекула. Протеинът е уникален (заедно с нуклеиновите киселини) вид макромолекула, която има точно известна структура, подредена до детайлите на стереохимията и конформацията. Всички останали известни макромолекули, включително естествените (полизахариди, лигнин и др.) имат повече или по-малко неподредена структура - широко разпределение на молекулните тегла, свободно конформационно поведение.

Първичната структура е последователността от аминокиселини. Какво е съкратеното наименование на първичната структура?

Вторична структура - конформационно правилни елементи от два вида (α-спирали и β-слоеве) - така се подрежда само част от протеиновата макромолекула.

Третичната структура е уникална подредена стереохимична конфигурация на пълна макромолекула. Концепцията за „сгъване“ на полипептидна верига в третичната структура на протеин. Приони.

Кватернерната структура е комбинация от няколко субединици в протеини, състоящи се от няколко полипептидни вериги. Дисулфидни мостове (обратима трансформация на цистеин-цистин) като начин за фиксиране на третични и кватернерни структури.

ВЪГЛЕХИДРАТИ.

1. Какво представляват въглехидратите? Въглехидратите са около и вътре в нас.

2. Концепцията за фотосинтезата на производни на D-глицеринова киселина Само за особено изявени ученици - образуването на дифосфат на глицеринова киселина от D-рибулоза.

3. Какво представлява D-серията въглехидрати?(Накратко за историята на концепцията на D- и L-сериите).

4. Класификация на въглехидратите: а) по броя на С атомите; б) чрез наличието на С=О или СНО групи; в) по броя на цикличните фрагменти.

5. Синтез на въглехидрати от D-глицералдехид по метода на Килиани-Фишър.Как Фишер установи формулата за глюкозата?

6. Извеждане на формулите на всички D-тетрози, -пентози, -хексози от D-глицералдехид (отворени структури).За всички ученици – знаят формулата на глюкозата (отворена и циклична), манозата (2-глюкозен епимер), галактозата (4-глюкозен епимер), рибозата. Пиранози и фуранози.

7. Да може да премине от отворена форма към циклична форма според Haworth. Да може да начертае формулите на α- и β-глюкоза (всички заместители в е-позиция, с изключение на аномерната) в конформацията на стола.

8. Какво представляват епимерите, аномерите, мутаротацията.Аномерен ефект.

9. Химични свойства на глюкозата като алдехиден алкохол: а) хелати с метални йони, получаване на гликозиди, пълни етери и естери, изопропилиденова защита; б) окисление на СНО групата с метални йони, бромна вода, HNO3. Разделяне от Уил.Реакция с амини и получаване на озони.Най-важните принципи и техники за селективно алкилиране на различни хидроксилни групи в глюкозата.

10. D-фруктозата като представител на кетозите. Отворени и циклични форми.Сребърна огледална реакция за фруктоза.

11. Понятие за дезокси захари, аминозахари. Това също включва хитин и хепарин. Септулоза и октулоза в авокадото. Реакция на Мейлард.

12. ОЛИГОЗАХАРИДИ. малтоза,целобиоза,лактоза, захароза. Редуциращи и нередуциращи захари.

13. Полизахариди – нишесте(20% амилоза + 80% амилопектин),йоден тест за нишесте, гликоген, целулоза,хидролиза на нишесте в устната кухина (амилаза) и хидролиза на целулоза,нитро влакна, вискозни влакна,производство на хартия , кръвни групи и разликите между тях.

ВАЖНИ ПОЛИЗАХАРИДИ.

ПОЛИЗАХАРИД	СЪСТАВ и структура	бележки
циклодекстрини	α-(6), β-(7), γ-(8) Състои се от глюкоза 1-4 връзки.	Отлични комплексообразователи, хелатиращи агенти
нишесте	α-glu-(1,4)-α-glu 20% амилоза + 80% амилопектин	Амилоза= 200 glu, линеен полизахарид. Амилопектин= 1000 или повече glu, разклонени.
гликоген	"разклонено" нишесте, участие на 6-OH	Резервите на глюкоза в тялото
	От остатъци от фруктоза	Съдържа се в ерусалимския артишок
целулоза	β-glu-(1,4)-β-glu	Памук, растителни влакна, дърво
целулоза	Ксантат на 6 позиция	Производство на вискоза - коприна, целофан (опаковъчно фолио)
целулозен ацетат	Приблизително диацетат	ацетатни влакна
целулозен нитрат	Тринитроестер	Бездимен барут
Изработка на хартия от дърво	Дърво = целулоза + лигнин. Третирайте с Ca(HSO 3) 2 или Na 2 S + NaOH	Сулфатиране на дървесина - отстраняване на лигнина във вода - производство на целулозна маса.
	Поли-α-2-деокси-2-N-Ac-аминоглюкоза (вместо 2-OH - 2-NH-Ac)	Ако премахнете Ac от азота, получавате хитозан - модерна хранителна добавка
Хиалуронова киселина	– (2-AcNH-глюкоза – глюкуронова киселина) n –	Смазване в тялото (напр. стави).
	Структурата е много сложна – (2-HO 3 S-NH-глюкоза – глюкуронова киселина) n –	Увеличава времето за съсирване на кръвта
Хондроитин сулфат	Гликопротеини (колаген), протеогликани, свързване чрез NH2 аспарагин или ОН серин	Намира се навсякъде в тялото, особено в съединителната тъкан и хрущяла.

Забележка: Глюкуронова киселина: 6-COOH – 1-CHO

Глюконова киселина: 6-CH 2 OH – 1-COOH

Глюкарова киселина: 6-COOH – 1-COOH

1. Химия и биохимия на нуклеиновите киселини.

Азотни бази в РНК: U (урацил), C (цитозин) са пиримидинови производни. А (аденин), G (гуанин) са пуринови производни. В ДНКВместо U (урацил) присъства Т (тимин).

Нуклеозиди ( захар+ азотна основа): уридин, цитидин, тимидин, аденозин, гуанозин.

нуклеотиди ( фосфат+ захар+ азотна основа).

Лактим-лактамен тавтомеризъм.

Първична структурануклеинови киселини (свързване на нуклеозиди чрез кислородни атоми при С-3 и С-5 на рибоза (дезоксирибоза) с помощта на фосфатни мостове.

РНК и ДНК.

а) Големи бази и второстепенни бази (РНК). Само за тРНК списъкът на второстепенните бази доближава 50. Причината за тяхното съществуване е защитата от хидролитични ензими. 1-2 примера за второстепенни бази.

в) Правилата на Чаргаф за ДНК. Най-важното: A=T. G=C. Въпреки това, G+C< А+Т для животных и растений.

Принципи на структурата на ДНК

1. Нередност.
Има правилен захарен фосфатен гръбнак, към който са прикрепени азотни основи. Редуването им е неравномерно.

2. Антипаралелизъм.
ДНК се състои от две полинуклеотидни вериги, ориентирани антипаралелно. Краят 3' на единия е разположен срещу края на 5' на другия.

3. Комплементарност (комплементарност).
Всяка азотна база от една верига съответства на строго определена азотна база от другата верига. Съответствието се определя от химията. Пурин и пиримидин се сдвояват, за да образуват водородни връзки. Има две водородни връзки в A-T двойката и три в G-C двойката, тъй като тези бази имат допълнителна аминогрупа в ароматния пръстен.

4. Наличие на правилна вторична структура.
Две комплементарни, антипаралелни полинуклеотидни вериги образуват десни спирали с обща ос.

Функции на ДНК

1. ДНК е носител на генетична информация.
Функцията се осигурява от факта на съществуването на генетичен код. Брой ДНК молекули: в една човешка клетка има 46 хромозоми, всяка от които съдържа една ДНК молекула. Дължината на 1 молекула е ~ 8 (т.е. 2x4) см. Опакована е 5 nm (това е третичната структура на ДНК, супернавиване на ДНК върху хистонови протеини).

2. Възпроизвеждането и предаването на генетична информация се осигурява от процеса на репликация (ДНК → нова ДНК).

3. Реализация на генетична информация под формата на протеини и всякакви други съединения, образувани с помощта на ензимни протеини.
Тази функция се осигурява от процесите на транскрипция (ДНК към РНК) и транслация (РНК към протеин).

Ремонт– възстановяване на увредената ДНК секция. Това се дължи на факта, че ДНК е двуверижна молекула; има допълнителен нуклеотид, който „казва“ какво трябва да се коригира.

Какви грешки и повреди възникват? а) Репликационни грешки (10 -6), б) депуринация, загуба на пурин, образуване на апуринови места (във всяка клетка загубата на 5000 пуринови остатъка на ден!), в) дезаминиране (например цитозинът се превръща в урацил).

Индуцируеми щети. а) димеризация на пиримидинови пръстени под въздействието на UV при C = C връзки с образуване на циклобутанов пръстен (използват се фотолиази за отстраняване на димери); б) химическо увреждане (алкилиране, ацилиране и др.). Възстановяване на увреждане – ДНК гликозилаза – апуринизация (или апиримидинизация) на алкилираната база – след това въвеждане на „нормална“ база в пет етапа.

Нарушаване на възстановителния процес – наследствени заболявания (пигментна ксеродерма, трихотиодистрофия и др.) Съществуват около 2000 наследствени заболявания.

Инхибиторите на транскрипцията и транслацията са антибактериални лекарства.

Стрептомицин – инхибитор на протеиновия синтез при прокариотите.

Тетрациклини - „свързват се с 30S субединицата на бактериалната рибозома и блокират прикрепването на аминоацил-тРНК към А-центъра на рибозомата, като по този начин нарушават удължаването (т.е. четенето на иРНК и синтеза на полипептидната верига).“

Пеницилини и цефалоспорини – β-лактамни антибиотици. β-лактамният пръстен инхибира синтеза на клетъчната стена в грам-отрицателни микроорганизми.

Вируси – инхибитори на матриксния синтез в еукариотните клетки.

Токсини – често правят същото като вирусите. а-аманитин– токсин от гъба, LD 50 0,1 mg на kg телесно тегло. Инхибиране на РНК полимераза. Резултатът е необратими промени в черния дроб и бъбреците.

Рицин – много силна протеинова отрова от рицин. Това е N-гликозилазен ензим, който премахва адениновия остатък от 28S rRNA на голямата рибозомна субединица и инхибира протеиновия синтез в еукариотите. Съдържа се в рициново масло.

Ентеротоксин от причинителя на дифтерия (протеин с маса 60 kDa) - инхибиране на протеиновия синтез във фаринкса и ларинкса.

Интерферони – протеини с размер около 160 AA се секретират от някои гръбначни клетки в отговор на инфекция от вируси. Количеството интерферон е 10 -9 – 10 -12 g, т.е. една протеинова молекула защитава една клетка. Тези протеини, подобно на протеиновите хормони, стимулират синтеза на ензими, които разрушават синтеза на вирусна иРНК.

Наследствени заболявания (моногенни) и (да не се бърка!) фамилна предразположеност към заболявания (диабет, подагра, атеросклероза, уролитиаза, шизофрения са многофакторни заболявания.)

Принципи на анализ на нуклеотидната последователност (по избор).

ДНК технология в медицината.

А. Екстракция на ДНК. B. ДНК разцепване с помощта на рестрикционни ензими. Човешката ДНК е 150x106 нуклеотидни двойки. Те трябва да бъдат разделени на 500 000 фрагмента по 300 двойки всеки. Следва гел електрофореза. Следва – Southern blot хибридизация с радиопроба или други методи.

Секвениране. Екзонуклеазите последователно разцепват един мононуклеотид. Това е остаряла техника.

PCR (PCR) – полимеразна верижна реакция. (Нобелова награда за 1993 г.: Кари Мълис)

Принцип:праймери (това са ДНК фрагменти от ~20 нуклеотида - налични в търговската мрежа) + ДНК полимераза → производство на ДНК (усилвател) ​​→ анализ на ДНК (секвентор). Сега всичко става автоматично!

Метод за секвениране на ДНК с използване на белязани дефектни нуклеотиди (като дидезоксинуклеотиди). Сега етикетите не са радиоактивни, а флуоресцентни. Тестване за СПИН и други ППИ. Бързо, но скъпо. По-добре е да не се разболявате!

Успехът на PCR за диагностика и широко разпространена употреба се дължи на факта, че ензимите, участващи в процеса, изолирани от топлоустойчиви бактерии от горещи извори и генетично модифицирани, могат да издържат на топлина, която денатурира (дисоциира ДНК веригите) и ги подготвя за следващия кръг на PCR.

ТЕРПЕНИ, ТЕРПЕНОИДИ И СТЕРОИДИ.

Терпентин – летливо масло от борова смола.

Терпените са група ненаситени въглеводороди със състав (C 5 H 8) n, където n³ 2, широко разпространени в природата. Съдържат изопентанови фрагменти, обикновено свързани по начин глава-към-опашка. (това е правилото на Ружичка).

Монотерпени C 10 (C 5 H 8) 2 Ce стискамТерпени C 15, (C 5 H 8) 3 Дитерпени C 20, (C 5 H 8) 4 Тритерпени C 30, (C 5 H 8) 6. Политерпени (каучук).

Степента на хидрогениране на терпените може да варира, така че броят на Н атомите не трябва да е кратен на 8. Няма терпени C 25 и C 35.

Терпените са ациклични и карбоциклични.

Терпеноидите (изопреноидите) са терпени (въглеводороди) + функционално заместени терпени. Обширна група природни съединения с правилна скелетна структура.

Изопреноидите могат да бъдат разделени на

1) терпени, вкл. функционално заместени,

2) стероиди

3) смолни киселини,

4) полиизопреноиди (каучук).

Най-важните представители на терпените.

Някои особености на химията на терпените, бицикличните молекули и стероидите.

1) некласически катиони; 2) пренареждания от типа на Вагнер-Майервайн; 3) лесно окисление; 4) диастереоселективен синтез; 5) влияние на отдалечени групи.

Формално терпените са продукти от полимеризацията на изопрен, но пътя на синтеза е съвсем различен! Защо точно полиизопреновите производни са толкова разпространени в природата? Това се дължи на особеностите на техния биосинтез от ацетил коензим А, т.е. всъщност от оцетна киселина. (Блох, 40-60. И двата въглеродни атома от C 14 H 3 C 14 UN са включени в терпена.)

СХЕМА ЗА СИНТЕЗ НА МЕВАЛОНОВА КИСЕЛИНА - най-важният междинен продукт в биосинтезата на терпени и стероиди.

Кондензация ацетилкоензим А b ацетоацетилКоензим А претърпява процеса на кондензация на Claisen естер.

Синтез на лимонен от геранил фосфат, важен междинен продукт както в синтеза на голямо разнообразие от терпени, така и в синтеза на холестерол. По-долу е трансформацията на лимонен в камфор под въздействието на HCl, вода и окислител (PP - пирофосфатен остатък).

Превръщането на мевалонова киселина в геранил фосфат става чрез 1) фосфорилиране на 5-ОН, 2) повторно фосфорилиране на 5-ОН и образуване на пирофосфат, 3) фосфорилиране при 3-ОН. Всичко това се случва под въздействието на АТФ, който се превръща в АДФ. Допълнителни трансформации:

Най-важните стероидни хормони.

Образува се в тялото от холестерола. Холестеролът е неразтворим във вода. Прониква в клетката и участва в биосинтезата чрез комплекси със стерол-трансферни протеини.

ЖЛЪЧНИ КИСЕЛИНИ . Холна киселина. Цис-съединение на пръстени А и В. Жлъчните киселини подобряват усвояването на липидите, понижават нивата на холестерола и се използват широко за синтеза на макроциклични структури.

СТЕРОИДИ – ЛЕКАРСТВА.

1. Кардиотоници. Дигитоксин. Намерени в различни видове напръстник (Digitalis purpurea L. или Digitalislanata Ehrh.) Гликозидите са естествени съединения, които се състоят от един или повече глюкозни или други захарни остатъци, най-често свързани чрез 1- или 4- позиции към органична молекула (AGLICONE) . Вещества с подобна структура и действие се намират в отровата на някои видове жаби.

2. Диуретици.Спиронолактон (верошпирон). Алдостеронов антагонист. Блокира реабсорбцията на Na+ йони, като по този начин намалява количеството течности, което води до понижаване на кръвното налягане.Не влияе на съдържанието на K+ йони! Много е важно.

3. Противовъзпалителни лекарства.Преднизолон. 6-Метилпреднизолон (вижте формулата по-горе). Флуоростероиди (дексаметазон (9а-флуоро-16а-метилпреднизолон), триамцинолон (9а-флуоро-16а-хидроксипреднизолон. Противовъзпалителни мехлеми.

4. Анаболи.Насърчава образуването на мускулна маса и костна тъкан. метандростенолон.

5. БРАСИНОСТЕРОИДИ- ПРИРОДНИ СЪЕДИНЕНИЯ, КОИТО ПОМАГАТ НА РАСТЕНИЯТА ДА СЕ БОРЯТ СЪС СТРЕСА (суша, измръзване, преовлажняване) ИМАТ РЕГУЛИРАЩА РАСТЕЖА ДЕЙНОСТ.

24-епибрасинолид [(22R, 23R,24R)-2α,3α,22,23-тетрахидрокси-В-хомо-7-окса-5α-ергостан-6-он.

Лекарството "Epin-extra", NNPP "NEST-M".

МЕТАЛОКОМПЛЕКСНА КАТАЛИЗА (1 СЕМЕСТЪР).