Програма основного курсу органічної хімії та деякі додаткові матеріали, що демонструються на лекціях – другий семестр. Ароматичні сполуки Визначення ароматичності

Ароматичність особлива властивість деяких хімічних сполук, завдяки якому сполучене кільце ненасичених зв'язків виявляє аномально високу стабільність; більшу ніж та, яку можна було б очікувати тільки при одному сполученні. Ароматичність не має безпосереднього відношення до запаху органічних сполук, і є поняттям, що характеризує сукупність структурних та енергетичних властивостей деяких циклічних молекул, що містять систему сполучених подвійних зв'язків. Термін «ароматичність» був запропонований тому, що перші представники цього класу речовин мали приємний запах. Найбільш поширені ароматичні сполуки, що містять у циклі шість вуглецевих атомів; родоначальником цього ряду є бензол C6H6. Рентгеноструктурний аналіз показує, що молекула бензолу плоска, а довжина зв'язків С-С становить 0,139 нм. З цього випливає, що всі шість атомів вуглецю в бензолі знаходяться в sp 2-гібридному стані, кожен атом вуглецю утворює σ-зв'язку з двома іншими атомами вуглецю та одним атомом водню, що лежать в одній площині, валентні кути становлять 120 º. Таким чином, σ-скелет молекули бензолу є правильним шестикутником. При цьому кожен атом вуглецю має негібридну p-орбіталь, розташовану перпендикулярно плоскому скелету молекули; усі шість негібридних p-електрони взаємодіють між собою, утворюючи π-зв'язки, не локалізовані в пари, а об'єднані в єдину π-електронну хмару. Таким чином, у молекулі бензолу здійснюється кругове сполучення. Графічно будову бензолу можна передати такою формулою:

Кругове сполучення дає виграш енергії в 154 кДж/моль – ця величина становить енергію сполучення – кількість енергії, яку потрібно витратити, щоб зруйнувати ароматичну систему бензолу.

Для утворення стійкої ароматичної системи необхідно, щоб p-Електрони формально групувалися в 3, 5, 7 і т. д. подвійних зв'язків; математично це виражається правилом Хюккеля : підвищеної термодинамічної стабільністю мають циклічні сполуки, що мають плоску будову та містять у замкнутій системі сполучення (4n + 2) електронів, де n – натуральний ряд чисел.

31 . Реакції електрофільного заміщення у бензолі (галогенування, нітрування, сульфування, алкілування, ацилювання). Уявлення про механізм реакцій електрофільного заміщення в ароматичному ряду, σ- та π-комплекси.

Галогенування

Для введення галогену в ароматичне кільце як реагенти використовують комплекси галогенів з кислотами Льюїса. Роль останніх полягає в поляризації зв'язку галоген-галоген, в результаті чого один з атомів набуває позитивного заряду, тоді як інший утворює зв'язок з кислотою Льюїса за рахунок її вакантної d-орбіталі.

Нітрування

Бензол та його гомологи перетворюються на нітросполуку дією нітруючої суміші, яка складається з концентрованих сірчаної та азотної кислот (2:1). Нітруючою частинкою (електрофілом) є катіон нітронію NO 2 + , існування якого в нітруючої суміші доведено кріоскопічним методом: вимірювання температур замерзання азотної та сірчаної кислот та їх суміші вказує на присутність чотирьох частинок у розчині.

Сульфування

Реакція сульфування аренів, як вважають, протікає в олеумі при дії триоксиду сірки, а сірчаної кислоті - за участю катіону HSO 3 + . Триоксид сірки виявляє електрофільний характер завдяки полярності зв'язків S-O.

Алкілювання за Фріделем-Крафтсом

Одним із способів одержання гомологів бензолу є реакція алкілування. Перетворення носить ім'я Ш. Фріделя та Дж. М. Крафтса, які його відкрили. У реакцію, як правило, вводять галогеналкани та галогеніди алюмінію як каталізатори. Вважають, що каталізатор – кислота Льюїса – поляризує зв'язок С-галоген, створюючи атомі вуглецю дефіцит електронної щільності, тобто. механізм аналогічний реакції галогенування

Ацилювання за Фріделем-Крафтсом

Подібною реакцією алкілування є реакція ацилювання ароматичних сполук. Як реагенти застосовують ангідриди або галогенангідриди карбонових кислот, продуктами є ароматичні кетони. Механізм цієї реакції включає утворення комплексної сполуки між ацилюючим реагентом та кислотою Льюїса. В результаті позитивний заряд на атомі вуглецю незрівнянно зростає, що робить його здатним до атаки ароматичного з'єднання.

Слід зазначити, що, на відміну реакції алкілування, у разі необхідно брати надлишок каталізатора стосовно кількості реагентів, т.к. продукт реакції (кетон) сам здатний до комплексоутворення та зв'язує кислоту Льюїса.

Реакції електрофільного заміщення σ- та π-комплексихарактерні для ароматичних карбоциклічних та гетероциклічних систем. Через війну делокалізації p-електронів у молекулі бензолу (та інших ароматичних систем) p-електронна щільність розподілена рівномірно з обох боків циклу. Подібне екранування p-електронами атомів вуглецю циклу захищає їх від атаки нуклеофільними реагентами і навпаки полегшує можливість атаки електрофільними реагентами. Але на відміну від реакцій алкенів з електрофільними реагентами, взаємодія ароматичних сполук з ними не призводить до утворення продуктів приєднання, оскільки в цьому випадку порушувалася ароматичність з'єднання і зменшувалася його стійкість. Збереження ароматичності можливе у випадку, якщо електрофільна частка замісить катіон водню.

Загальна схема механізму реакцій електрофільного заміщення S Е:

Утворення пі-комплексу йде за рахунок пі-зв'язку в з'єднанні, а сигма-комплексу - за рахунок сигма-зв'язку.

Освіта π-комплексу. Утворений електрофіл Х+(наприклад, іон Br+) атакує багате на електронну щільність бензольне ядро, утворюючи π-комплекс.

Перетворення π-комплексу на σ-комплекс. Електрофіл відбирає 2 електрони у π-системи, утворюючи σ-зв'язок з одним з атомів вуглецю бензольного кільця. Різниця між пі- і сигма-зв'язком: Сигма зв'язок більш міцна, сигма зв'язок утворюється гібридними орбіталями Пі зв'язок, яка утворена негібридизованими пі-орбіталями.

32. Ароматичні вуглеводні. Вплив заступників у бензольному кільці на ізомерний склад продуктів та швидкість реакції. Активуючі та дезактивуючі заступники. Орто-, пара-і мета-орієнтанти. Реакції радикального заміщення та окислення у боковому ланцюзі.

Істотною особливістю реакцій отримання та перетворень похідних ароматичних вуглеводнів є те, що нові заступники вступають у бензольне кільце у певні положення стосовно вже наявних заступників. Закономірності, що визначають напрямок реакцій заміщення в бензольному ядрі, називаються правилами орієнтації.

Реакційна здатність того чи іншого атома вуглецю в бензольному кільці визначається наступними факторами: 1) становищем і природою вже наявних заступників; 2) природою діючого агента; 3) умовами проведення реакції. Вирішальний вплив мають два перші чинники.

Заступники у бензольному кільці можна розділити на дві групи.

Електронодонорні (першого роду) – це угруповання атомів, здатні віддавати електрони. До них відносяться ВІН, OR, RCOO, SH, SR, NH 2 NHR, NR 2 NHCOR, -N=N-, CH 3 , CH 2 R, CR 3 , F, CI, Br, I.

Електроноакцепторні заступники (другого роду) – це атомні угруповання, здатні відтягувати, приймати електрони від бензольного ядра. До них відносяться S0 3 H, N0 2 CHO, COR, COOH, COOR, CN, СС1 3 і т. д.

Полярні реагенти, що діють на ароматичні сполуки, можна розділити на дві групи: електрофільні та нуклеофільні. Найбільш характерні для ароматичних сполук процеси алкілування, галогенування, сульфування та нітрування. Ці процеси йдуть за взаємодії ароматичних сполук з електрофільними реагентами. Відомі реакції з нуклеофільними реагентами (NaOH, NH 2 Na і т. д.), наприклад реакції гідроксилювання, амінування.

Заступники першого роду полегшують реакції з електрофільними реагентами, причому вони орієнтують новий заступник орто-і пара-Положення.

Заступники другого роду ускладнюють реакції з електрофільними реагентами: вони орієнтують новий заступник у мета-положення. У той же час, ці заступники полегшують реакції з нуклеофільними реагентами.

Розглянемо приклади реакцій із різними орієнтуючим дією заступників.

1. Заступник першого роду; реагент електрофільний. Полегшуючу реакцію дія заступника, про-, п-орієнтація:

2. Заступник другого роду; реагент електрофільний. Ускладнює реакцію дію заступника; м-орієнтація:

3. Заступник першого роду; реагент нуклеофільний; м-орієнтація. Тяжке дію заступника. Приклади таких реакцій із безперечним механізмом невідомі.

4. Заступник другого роду; реагент нуклеофільний, про-, п-орієнтація:

Правила орієнтації при електрофільному заміщенніу бензольному кільці ґрунтуються на взаємному впливі атомів у молекулі. Якщо в незаміщеному бензолі 6 Н 6 електронна щільність в кільці розподілена рівномірно, то в заміщеному бензолі 6 Н 5 Х під впливом заступника Х відбувається перерозподіл електронів і виникають області підвищеної і зниженої електронної щільності. Це впливає на легкість та напрямок реакцій електрофільного заміщення. Місце вступу нового заступника визначається природою вже існуючого заступника.

Правила орієнтації

Заступники, що у бензольному ядрі, направляють знову вступає групу у певні становища, тобто. мають орієнтуючу дію.

За своєю напрямною дією всі заступники діляться на дві групи: орієнтанти першого родуі орієнтанти другого роду.

Орієнтанти 1-го роду ( орто-пара орто- І пара-Положення. До них відносяться електронодонорні групи (електронні ефекти груп вказані у дужках):

R ( +I); -OH ( +M,-I); -OR ( +M,-I); -NH 2 ( +M,-I); -NR 2 (+M,-I)+M-ефект у цих групах сильніший, ніж -I-ефект.

Орієнтанти 1-го роду підвищують електронну щільність у бензольному кільці, особливо на вуглецевих атомах орто- І пара-положеннях, що сприяє взаємодії з електрофільними реагентами саме цих атомів. Приклад:

Орієнтанти 1-го роду, підвищуючи електронну щільність у бензольному кільці, збільшують його активність у реакціях електрофільного заміщення порівняно із незаміщеним бензолом.

Особливе місце серед орієнтантів 1-го роду займають галогени, які виявляють електроноакцепторнівластивості: - F (+M<–I ), -Cl (+M<–I ), -Br (+M<–I ).Як орто-пара-орієнтантами, вони уповільнюють електрофільне заміщення. Причина – сильний -I-ефект електронегативних атомів галогенів, що знижує електронну щільність у кільці

Орієнтанти 2-го роду ( мета-орієнтанти) направляють наступне заміщення переважно в мета-Положення. До них відносяться електроноакцепторні групи:

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

Орієнтанти 2-го роду зменшують електронну щільність у бензольному кільці, особливо у орто- І пара-Положеннях. Тому електрофіл атакує атоми вуглецю не в цих положеннях, а в мета-положенні, де електронна щільність дещо вища. Приклад:

Усі орієнтанти 2-го роду, зменшуючи загалом електронну щільність у бензольному кільці, знижують його активність у реакціях електрофільного заміщення.

Таким чином, легкість електрофільного заміщення для сполук (наведених як приклади) зменшується в ряду:

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

Реакції радикального заміщення та окислення у боковому ланцюгу

Друга за важливістю група реакцій алкілароматичних вуглеводнів вільнорадикальне заміщення атома водню бічного ланцюга в a-положенні по відношенню до ароматичного ядра.

Переважне заміщення у a-положенні пояснюється високою стійкістю відповідних алкілароматичних радикалів, а отже, порівняно невеликою міцністю a-С-Н-зв'язку. Наприклад, енергія розриву зв'язку С-Н у боковому ланцюзі молекули толуолу становить 327 кДж/моль - на 100 кДж/моль менше, ніж енергія зв'язку С-Н у молекулі метану (427 кДж/моль). Це означає, що енергія стабілізації вільного радикалу бензилу С6Н5-СН2 дорівнює 100 кДж/моль.

Причиною високої стійкості бензильного та інших алкілароматичних радикалів з неспареним електроном у a-Вуглецевого атома є можливість розподілу спинової щільності неспареного електрона на незв'язувальної молекулярної орбіталі, що охоплює атоми вуглецю 1", 2, 4 і 6.

В результаті розподілу (делокалізації) спинова щільність неспареного електрона тільки на 4/7 залишається у кільцевого атома вуглецю, решта 3/7 спинової щільності розподілені між одним пара- і двома орто- Вуглецевими атомами ароматичного ядра.

Реакції окиснення

Реакції окислення в залежності від умов та природи окислювача можуть протікати в різних напрямках.

Молекулярний кисеньпри температурі близько 100 о С окислює ізопропілбензол за радикально-ланцюговим механізмом до порівняно стійкого гідропероксиду.

33. Конденсовані ароматичні вуглеводні: нафталін, антрацен, фенантрен, бензпірен. Їх структурні фрагменти у природних та біологічно активних речовинах (стероїдів, алкалоїдів, антибіотиків).

Нафталін - З 10 Н 8 тверда кристалічна речовина з характерним запахом. У воді не розчиняється, але добре розчинний у бензолі, ефірі, спирті, хлороформі. Нафталін за хімічними властивостями подібний до бензолу: легко нітрується, сульфується, взаємодіє з галогенами. Відрізняється від бензолу тим, що ще легше входить у реакції. Нафталін одержують із кам'яновугільної смоли.

Антрацен - безбарвні кристали, t пл 218 ° C. Нерозчинний у воді, розчинний в ацетонітрилі та ацетоні, при нагріванні розчинний у бензолі. Антрацен одержують із кам'яновугільної смоли. За хімічними властивостями схожий з нафталіном (легко нітрується, сульфується і т. д.), але відрізняється від нього тим, що легше вступає в реакції приєднання та окислення.

Антрацен може фотодимеризуватися під дією УФ-випромінювання. Це призводить до суттєвої зміни властивостей речовини.

У димері є два ковалентні зв'язки, утворені в результаті циклоприєднання. Димер розпадається назад на дві молекули антрацену при нагріванні або при УФ опроміненні з довжиною хвилі нижче 300 нм. Фенантрен – трициклічний ароматичний вуглеводень. Фенантрен є блискучими безбарвними кристалами. Не розчиняється у воді, розчиняється в органічних розчинниках (діетиловому ефірі, бензолі, хлороформі, метанолі, оцтовій кислоті). Розчини фенантрену світяться блакитним кольором.

За хімічними властивостями нагадує нафталін Бензпірен, або бензапірен - ароматична сполука, представник сімейства поліциклічних вуглеводнів, речовина першого класу небезпеки.

Утворюється при згорянні вуглеводневого рідкого, твердого та газоподібного палива (меншою мірою при згорянні газоподібного).

У навколишньому середовищі накопичується переважно у ґрунті, менше у воді. З ґрунту надходить у тканини рослин і продовжує свій рух далі в харчовому ланцюзі, при цьому на кожному її ступені вміст БП у природних об'єктах зростає (див. Біомагніфікація).

Має сильну люмінесценцію у видимій частині спектру (у концентрованій сірчаній кислоті - А 521 нм (470 нм); F 548 нм (493 нм)), що дозволяє виявляти його в концентраціях до 0,01 мільярдних часток люмінесцентними методами.

34. Галогенпохідні вуглеводнів. Класифікація, номенклатура, ізомерія.

Класифікувати галогенопохідні можна кількома способами:

1. відповідно до загальної класифікації вуглеводнів (тобто аліфатичні, аліциклічні, ароматичні, граничні або ненасичені галогенопохідні)

2. за кількістю та якістю атомів галогенів

3. за типом атома вуглецю, до якого приєднано атом галогену: первинні, вторинні, третинні галогеновиробні.

За номенклатурою ІЮПАК положення та назва галогену вказується у приставці. Нумерація починається з того кінця молекули, якого ближче розташований атом галогену. Якщо присутній подвійний чи потрійний зв'язок, саме вона визначає початок нумерації, а чи не атом галогену: До цього часу широко використовується т.зв. "Раціональна номенклатура" для складання назв галогенопроізводних. У цьому випадку назва будується в такий спосіб: вуглеводневий радикал + галогенід.

Деякі галогенопохідні мають тривіальні назви, наприклад, інгаляційний анестетик 1,1,1-трифтор-2-бром-2-хлоретан (CF 3 -CBrClH) має тривіальну назву фторотан. 3. Ізомерія

3.1. Структурна ізомерія 3.1.1. Ізомерія положення заступників

1-бромбутан 2-бромбутан

3.1.2. Ізомерія вуглецевого скелета

1-хлорбутан 2-метил-1-хлорпропан

3.2. Просторова ізомерія

Стереоізомерія може виявлятися за наявності чотирьох різних заступників в одного атома вуглецю (енантіомерія) або за наявності різних заступників при подвійному зв'язку, наприклад:

транс-1,2-дихлоретен цис-1,2-дихлоретен

35. Реакції нуклеофільного заміщення атома галогену, їх використання у синтезі органічних сполук різних класів (спиртів, простих та складних ефірів, амінів, тіолів та сульфідів, нітроалканів, нітрилів). - дозволяє отримувати представники практично всіх класів органічних сполук (спирти, ефіри, аміни, нітрили та ін), тому ці реакції широко застосовуються у синтезі лікарських речовин. Основні механізми реакцій

Заміщення галогену sp 3 -гібридного атома вуглецю може здійснюватися як по S N 1, так і по S N 2 механізмів. Заміщення галогену у sp 2 -гібридного атома вуглецю (в арил-і вінілгалогеніда) йде або за типом приєднання-відщеплення, або за типом відщеплення-приєднання і значно важче, ніж у sp 3 -гібридного. - S N 1 механізм включає дві стадії: а) дисоціація алкілгалогеніду на іони; б) взаємодія катіона з нуклеофіломНуклеофільна атака контактної іонної пари, в якій асиметрія значною мірою зберігається, призводить до навернення конфігурації. У сольватно-розділеній іонній парі одна сторона катіона екранується сольватованим галогенід-іоном і атака нуклеофіла більш ймовірна з іншого боку, що призводить до переважного звернення конфігурації, але селективність знижується і збільшується рацемізація. Повна рацемізація можлива лише за утворення вільного катіона (с). Однак повної рацемізації для оптично активних галогенідів при механізмі S N 1 зазвичай не спостерігається. Рацемізація становить від 5 до 20%, отже, сольватований катіон практично не утворюється.

Стадія утворення карбокатіону є лімітуючою, а отже, стабільність катіону визначає швидкість проходження процесу. Швидкість процесу залежить також від концентрації алкілгалогеніду та не залежить від концентрації нуклеофіла.

Утворення карбокатіону може бути причиною низки побічних процесів: ізомеризація вуглецевого ланцюга, елімінування (EI) та ін.

Нуклеофіл Nu - атакує субстрат з боку, протилежної групі, що йде. При цьому реакція йде в одну стадію з утворенням переходного стану, в якому sp 3 -гібридизація центрального атома вуглецю змінюється на sp 2 - з р-орбіталлю, перпендикулярної площині розташування гібридних орбіталей. Одна частка цейр-орбіталі перекривається з нуклеофілом, а друга - з групою, що йде. Зв'язок С-Nu утворюється одночасно з розривом зв'язку С-Y.

Швидкість перетворення вихідних речовин на продукти реакції залежить: 1) від величини позитивного заряду на атомі вуглецю субстрату, 2) просторових факторів, 3) сили нуклеофіла та 4) у кінетичній області від концентрації як нуклеофіла, так і алкілгалогеніду. При великому надлишку нуклеофілу реакція може протікати попервому або дробовому порядку. (Терміни S N 1 і S N 2 вказують лише на молекулярність, але не порядок реакції.)

Реакція завжди супроводжується зверненням конфігурації. Побічною може бути реакція елімінування Е2.

Механізм S N Ar (приєднання - відщеплення) - зазвичай реалізується за наявності електроноакцепторних заступників, які створюють d + (направляють нуклеофіл) і стабілізують s-комплекс. У гетероциклах їхню роль виконує гетероатом. На відміну від механізму S N 2 для алкілгалогенідів нуклеофіл утворює новий зв'язок раніше, ніж рветься стара.

Піридін та хінолін можна розглядати як аналоги нітробензолу. Як і в нітробензолі, велике значення має положення галогену в кільці. 3-Галогенпіридин схожі на галогенбензоли, 2-,4-заміщені аналогічні нітрогалогенбензолам, при цьому 4-галогенпіридин активніший за 2-заміщений. Реакційна здатність алкілгалогенідів у реакціях нуклеофільного заміщення в протонних розчинниках зменшується (зменшується здатність груп йти) у наступному ряду: RI > RBr > RCl > RF.

У разі активованих галогенаренів поява позитивного заряду у реакційного центру залежить не тільки від кількості, розташування та природи інших заступників в ядрі, а й від природи галогену, що заміщується. Тому атоми галогену можуть бути заміщені із зростаючою легкістю в ряду I< Br < Cl < F .Катализ замещения галоген в аренах медью – один из важных технологических приемов, позволяющий ускорить реакцию замещения неактивированного галогена в аренах, снизить температуру реакции (~ на 100 о С), увеличить селективность процесса и выход продукта. Предполагают, что реакция идет через стадию образования медь-органических комплексов

Ароматичні субстрати (арилгалогеніди) мають бути активованими, інакше вихід цільового продукту (ефіру) може бути низьким за рахунок побічних процесів. . Заміна галогену в первинних і вторинних алкілгалогеніда на аміно групу здійснюється нагріванням їх зі спиртовим, водним або водно-спиртовим розчином аміаку, первинного або вторинного аміну під тиском (в автоклаві). При цьому утворюється суміш первинних, вторинних, третинних амінів і четвертинних солей амонію

1. Молекула має плоску циклічну будову.

2. Всі атоми в циклі в стані sp2-гібридизації (отже s-скелет плоский і всі sp-орбіталі паралельні).

3. У молекулі існує справакалізована p-електронна система, що містить 4n + 2 p-електрона, де n = 0,1,2 – натуральний ряд чисел. Це правило отримало назву правила Хюккеля

Ароматичний характер мають і гетероциклічні сполуки. При заміні молекули бензолу –СН= на –N= утворюється гетероциклическое з'єднання пиридин.

Мезомірний ефект. Електронодонорні та електроноакцепторні заступники. Теорія резонансу як якісний спосіб опису ділової електронної щільності.

Мезомірний ефект або еф.сполучення - це передача електронного впливу заступників по сполученій системі. На відміну від I (індуктивний)-ефекту, М (мезомерний) -ефект передається по пряж-ної системи без загасання. Замість. пониж-е електр. густини в сопряж. системі (смещ-е ЕП на свій бік) проявл. - М-ефект та явл. електроноакцептор. (Заступники содерж. кратні зв'язки атома углер. з більш запереч. гетероатомами).

Замість. підвищення електр. густини в сопряж. системі (смещ-е ЕП від себе у бік сопряж. системи) проявл. +М-ефект та явл. електронодонор. (заступники утрим. гетероатом. з не поділеною парою електр.)

М-ефект (гідроксо, аміно, OR, галогени). - М-ефект (нітро, сульфо, карбоксильна, карбонільна).

Теорія резонансу- теорія електронної будови хім. з'єдн., відповідно до якої розподіл електронів у мол., є комбінацією (резонансом) канонічних структур з різною конфігурацією двоелектронних ковалентних зв'язків.

Резонансні структури циклопентадієнід-іону

Конфігурація та конформація – найважливіші поняття стереохімії. Конфігурація Елементи симетрії молекул (вісь, площина, центр) та операції симетрії (обертання, відображення). Хіральні та ахіральні молекули. Асиметричний атом вуглецю як центр хіральності.

Стеріохімія- Розділ хімії, изуч.простір. будований. молекуи та його впливів. на фіз-хім якості, а як і на направл. та швидкість їх реакції. В її основі лежать три фундаментальні поняття: хіральність, конфігурація та конформація.

Конфігурація- Це просторів. розташ.вхід. до складу молекули атомів чи ат. груп без урахування відмінностей, виник. обертання довкола одинарних зв'язків.

Вісь симетрії. Якщо обертання молекули навколо якоїсь осі, що проходить через неї, на кут 2π/ n= 360 ° / nпризводить до структури, що не відрізняється від вихідної, таку вісь називають віссю симетрії n-го порядку С n.

Площина симетрії (дзеркальна площина)є уявною площиною, яка проходить через молекулу і ділить її на дві дзеркально-рівні частини.

При наявності центру симетріївсі атоми молекули, що не лежать у центрі симетрії, розташовані попарно на одній прямій, що проходить через центр, на однаковій відстані від центру, наприклад, в бензолі.

Конформаціїмолекул - різні простр.форми молекул, виник.при зміні щодо орієнтації окремих її частин у рез. внутр. обертання атомів або груп атомів навколо ординарних зв'язків, вигину зв'язків та ін.

Якщо молекули несумісні зі своїм дзеркальним зображенням. Ця властивість називається хіральністю, А самі молекули - хіральними(Означає, що два предмети ставляться один до одного як ліва та права руки (від грец. хірос– рука) і є дзеркальними зображеннями, які не збігаються при спробі поєднати їх у просторах).

Асиметричний атом вуглецю -атом, пов'язаний із чотирма різними заступниками.

Молекули з одним центром хіральності (енантіомерія). Гліцериновий альдегід як конфігураційний стандарт. Проекційні формули Фішера. Відносна та абсолютна конфігурація. D-, L-і R-, S-системи стереохімічної номенклатури. Рацемати.

Енантіомери - це стереоізомери, хіральні молекули яких відн-ся між собою як предмет і несумісне з ним дзеркальне зображення (є два оптич. антипода і тому називаються також оптичними ізомерами).

Гліцериновий альдегід містить хіральний центр, сущ.у вигляді 2-х стереоізомерів, облад. різн. опт.активністю.

Проекційні формули, запропоновані Е. Фішером: 1) углер.скелет розпол. вертикально; 2) вгорі розташовують наиб. старшу функцію. групу; 3) тетраедр орієнтують те щоб хіральний центр расп-ся у площині, заступники, распол-ся праворуч і ліворуч від вуглецевої ланцюга, спрямовані вперед від площині проекції; по вертикалі мають у своєму розпорядженні заступники, що уникають спостерігача за площину проекції; Асиметр.атом вуглецю переноситься на площину в точку перетину гориз.і вертик.ліній. Відносна конфігурація- це взаємне розташування заступників за різних асиметрів. атомах по відношенню один до одного; зазвичай її позначають приставками ( цис-і транс-, трео-і еритро-ін). Абсолютна конфігурація- це справжнє розташування у просторі замісників при кожному асиметричному атомі молекули; найчастіше її позначають буквами Dабо L .

R,S-номенклатура.1) Опред-е старшинства заступників при хиральном центрі: а) порядок старшинства спочатку уст-ся для атомів, непоср. зв'язок. з центром: «що більше атомний номер, то старше заступник».б) якщо ближ. атоми одинак., то процедуру слід проводити для атома наступної сфери.2) Розташувавши наймолодший заступник від спостерігача, визначають напрямок падіння старшинства трьох заступників, що залишилися. Якщо воно відбувається за годинниковою стрілкою – це R-ізомер, проти – S-ізомер. D,L-номенклатура(пов'язана з проекцією Фішера). Якщо функц-ая група при хиральном центрі нах-ся справа, це D-ізомер, ліворуч – L-изомер.Энантиомеры відрізняються здатністю обертати плоскополяризоване світло: справа (+) D, ліворуч (-) L.

7. Виникнення конформацій у результаті обертання навколо σ-зв'язків. Фактори, що ускладнюють обертання. Проекційні формули Ньюмена. Види напруги. Енергетична характеристика конформацій відкритих кіл. Зв'язок просторової будови з біологічною активністю

1. Конформації (поворотна ізомерія). Не змінюючи ні валентних кутів, ні довжин зв'язків, можна уявити безліч геометричних форм молекули етану, що відрізняються один від одного взаємним поворотом вуглецевих тетраедрів навколо зв'язку С-С, що з'єднує їх. Внаслідок такого обертання виникають поворотні ізомери (конформери).

У проекції Ньюменамолекулу розглядають уздовж зв'язку С-С). Три лінії, що розходяться під кутом 120 про з центру кола, позначають зв'язки найближчого до спостерігача вуглецевого атома; лінії, що "висовуються" через коло - зв'язки віддаленого вуглецевого атома.

Зображену ліворуч конформацію називають заслоненою . Ця назва нагадує про те, що атоми водню обох СН 3 -груп знаходяться один проти одного. Затулена конформація має підвищену внутрішню енергію, і тому невигідна. Конформацію, зображену праворуч, називають загальмованою , Маючи на увазі, що вільне обертання навколо зв'язку С-С "гальмується" у цьому становищі, тобто. молекула існує переважно у цій конформації.

Мінімум енергії, необхідний для повного обертання молекули навколо певного зв'язку називається бар'єром обертання для зв'язку. Бар'єр обертання в молекулі, подібній до етану, може бути виражений через зміну потенційної енергії молекули як функції зміни двогранного (торсійного) кута системи. Двогранний кут (позначений ) зображений на малюнку, наведеному нижче:

З ускладненням молекули кількість можливих конформацій зростає. Нижче конформації н-бутану зображені у вигляді проекцій Ньюмена. Зображені зліва (заслонені) конформації енергетично невигідні, практично реалізуються лише загальмовані.

Циклоалкани. Номенклатура. Малі цикли. Електронна будова циклопропану. Особливості хімічних властивостей малих циклів (реакція приєднання). Звичайні цикли. Реакція заміщення. Види напруги. Енергетична відмінність конформацій циклогексану (крісло, ванна, напівкрісло). Аксіальні та екваторіальні зв'язки. Отримання. Властивості

Фізичні властивості. За звичайних умов перші два члени ряду (З 3 - З 4) - гази, (З 5 - З 16) - рідини, починаючи з C 17 - тверді речовини. 1. Основний спосіб отримання циклоалканів – відщеплення двох атомів галогену від дигалогеналканів:

2. При каталітичному гідруванні ароматичних вуглеводнів утворюються циклогексан або його похідні: t°,P,Ni C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12 .

Хімічні властивості. За хімічними властивостями малі та звичайні цикли суттєво різняться між собою. Циклопропан і циклобутан схильні реакцій приєднання, тобто. подібні щодо цього з алкенами. Циклопентан і циклогексан за своєю хімічною поведінкою близькі до алканів, оскільки вступають у реакції заміщення. Так, наприклад, циклопропан і циклобутан здатні приєднувати бром (хоча реакція і йде важче, ніж з пропеном або бутеном):

2. Циклопропан, циклобутан та навіть циклопентан можуть приєднувати водень, даючи відповідні нормальні алкани.
Приєднання відбувається при нагріванні у присутності нікелевого каталізатора:

3. У реакцію приєднання з галогеноводородами знову ж таки вступають лише малі цикли. Приєднання до гомологів циклопропану відбувається за правилом Марковникова:

4. Реакція заміщення. Звичайні цикли (З 6 і вище) стійкі і вступають тільки в реакції радикального заміщення подібно до алканів:t°С 6 Н 12 + Вr 2 → С 6 Н 11 Вr + НВr.

5. Дегідрування циклогексану в присутності нікелевого каталізатора призводить до утворення бензолу: t° Ni
C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2.6. При дії сильних окислювачів (наприклад, 50% азотної кислоти) на циклогексан у присутності каталізатора утворюється адипінова (гександіова) кислота:

Особливості будови циклоалканівта їх хімічна поведінка. циклопропан має плоску будову, тому атоми водню у сусідніх атомів вуглецю розташовуються над і під площиною циклу в енергетично невигідному ("затуленому") положенні. Це - одна з причин "напруженості" циклу та його нестійкості.

Конформації шестичленного циклу: а - крісло: 6 - ванна. Інше можливе для циклогексану розташування атомів відповідає конформації ванни, хоча воно менш стійке, ніж конформація крісла. Слід зазначити, що і конформації крісла, і конформації ванни зв'язку навколо кожного атома вуглецю мають тетраедрическое розташування. Звідси - незрівнянно велика стійкість звичайних циклів проти малими циклами, звідси - їх можливість вступати у реакції заміщення, але з приєднання.Циклоалкани - це граничні циклічні вуглеводні. Найпростіші представники цього ряду: циклопропан циклобутан. Загальна формула CnH2n. Будова. Ізомерія та номенклатура. Циклоалкани - це граничні циклічні вуглеводні. Найпростіші представники цього ряду:

Алкени. Номенклатура. Ізомерія. Способи одержання. Реакція електрофільного приєднання, механізм. Приєднання галогенів, гідрогалогенування, гідратація та роль кислотного каталізу. Правило Марковнікова. Уявлення про реакції радикального приєднання. Окислення алкенів (озонування, епоксидування).

Алкени-це не циклічні УВ, в молекулах яких 2 атоми вуглецю перебувають у стані sp 2 -гібридизації і пов'язані один з одним подвійним зв'язком.

Першим представником гомологічного ряду алкенів є етен (етилен) - С2Н4. . Гомологічний ряд алкенів має загальну формулу З n Н 2n. Характерною особливістю будови алкенів є наявність у молекулі подвійного зв'язку >C=C<. Двойная связь образуется при помощи двух пар обобщенных электронов. Углеродные атомы, связанные двойной связью, находятся в состоянии sp²-гибридизации, каждый из них образует три σ-связи, лежащие в одной плоскости под углом 120º.

Для алкенів характерна структурна ізомерія: відмінності в розгалуженні ланцюга і в положенні подвійного зв'язку, а також просторова ізомерія (цис- і трансізомери). За раціональною номенклатурою вони вважаються похідними етилену, де один або кілька атомів водню заміщені на вуглеводневі радикали. Наприклад, назвемо речовину за міжнародною (ІЮПАК) номенклатурами: СН 3 – С(CH 3)= СН 2 Ізобутилен, несимм.-диметилетилен,2-метил-пропен.

Ароматичність не має безпосереднього відношення до запаху органічних сполук, і є поняттям, що характеризує сукупність структурних та енергетичних властивостей деяких циклічних молекул, що містять систему сполучених подвійних зв'язків. Термін «ароматичність» був запропонований тому, що перші представники цього класу речовин мали приємний запах.

До ароматичних сполук відносять велику групу молекул та іонів різноманітної будови, які відповідають критеріям ароматичності.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

Ароматичні сполуки та правило Хюккелю

Мезомірний ефект (ефект сполучення). Частина 1.

Ароматичність. Критерії ароматичності органічних сполук.

Ароматичні гетероцикли. Ч.1

Правило ароматичності Хюккелю

Субтитри

Я вже говорив про явище ароматичності, а цей ролик повністю присвячую цій темі. Отже, ароматичні речовини. Насамперед: чому ці речовини називаються ароматичними? Очевидно, що від слова "аромат". Ви можете вирішити, що всі ароматичні сполуки мають сильний запах, проте багато з них зовсім не пахнуть. Тоді чому? Можливо, це через те, що вони пов'язані з речовинами, що мають сильний запах, ось їх і назвали ароматичними. Це залишається таємницею. Більшість відомих ароматичних сполук, 99% таких речовин, є або бензол, або похідні бензолу. Давайте намалюємо бензол. Зазвичай молекулу бензолу малюють так. Цикл із 6 атомів з трьома подвійними зв'язками. Ось ці три подвійні зв'язки. У ролику про резонанс я казав, що ця структурна формула не єдина. Можливий інший варіант. Цей електрон може зміщуватися сюди, цей електрон – сюди, а цей електрон – сюди. Давайте намалюємо, що вийде. Виходить така структурна формула. Можлива така конфігурація молекули бензолу, де подвійні зв'язки розташовані інакше, ніж першій формулі. Ось такі дві формули. З ролика про резонанс ви знаєте, що насправді дещо складніше. Обидві формули вірні. Бензол існує відразу у двох конфігураціях, а не переходить з однієї до іншої. Це відображається так: цикл із шести атомів вуглецю з колом у середині. Так хіміки часто зображують бензольне кільце. Це означає, що всі π-електрони, які утворюють подвійні зв'язки в молекулі, розподілені між атомами, розмазані по всьому кільцю. Саме справакалізація π-електронів у циклі наділяє ароматичні речовини їх унікальними властивостями. Ця конфігурація набагато стабільніша, ніж просто статичне чергування одинарних і подвійних зв'язків у кільці. Є ще один спосіб намалювати бензол. Я зміню колір та покажу його жовтим. Делокалізованість π-електронів показують так: пунктирна лінія тут, тут, тут, тут, тут і тут. Це найпопулярніший варіант відображення справакалізації електронів у бензольному кільці, тобто наявності сполученої системи π-електронів. Я розповім вам, що таке. Ці дві формули також застосовуються, але справжня структура бензолу лежить між цими конфігураціями. Потрібно показати вам, що відбувається. Напевно, ви чули про сполучені системи π-електронів. Думаю, буде зовсім не зайвим показати молекулу бензолу у трьох вимірах. Отже, дивіться. Ось цикл із шести атомів вуглецю: вуглець, вуглець, вуглець, вуглець, вуглець, вуглець. Кожен із атомів вуглецю пов'язаний ще з трьома атомами, двома атомами вуглецю та атомом водню. Я намалюю водень та його зв'язок із вуглецем. Ось атом водню, ось атом водню, водень, водень і ще два атоми водню. Кожен атом вуглецю має три гібридні орбіталі, це sp2-гібридизація. Крім того, у кожного з них залишилася вільна p-орбіталь. Ця p-орбіталь не утворює сигма-зв'язків із сусідніми атомами. А ще є p-орбіталі, які схожі на гантелі. Ось p-орбіталь, ось p-орбіталь, ось, ось і ще дві p-орбіталі. Насправді орбіталей більше, але тоді вони закривали б малюнок. Не забувайте, що у молекулі бензолу є подвійні зв'язки. Я виокремлю кольором один із атомів вуглецю. Ось цей сигма-зв'язок відповідає, припустимо, цього сигма-зв'язку. Для зручності покажу інший зв'язок. Припустимо, цей сигма-зв'язок відповідає цьому зв'язку між двома атомами вуглецю. Подвійний зв'язок, який я покажу ліловим кольором, утворений за рахунок бічного перекриття p-орбіталей. p-орбіталі сусідніх атомів вуглецю перекриваються. Орбіталь - це область, де може бути електрон з певною ймовірністю. Ці області великі, вони перекриваються і електрони утворюють додатковий зв'язок. Що ж відбувається у сполученій системі π-електронів. Я запишу це, щоб ви не забули. Сполучена система π-електронів. Тут може бути зв'язок, якщо орбіталі перекриваються. Отак я покажу перекриття орбіталей. При переході в іншу конфігурацію орбіталі перекриватимуться тут. Насправді всі ці π-електрони скачуть по всьому кільцю. Електрони мандрують всіма цими p-орбіталями. Вони можуть бути будь-де циклу. Саме це мають на увазі, коли говорять про ароматичні властивості речовин. Через цю речовину набувають особливої ​​стійкості. Більшість ароматичних речовин є саме такими циклами, бензолом і його похідними. Але є й інші речовини. Будь-яка речовина, у якої в циклі є 4n + 2 π-електронів, де n-ціле число, має ароматичність, тобто являє собою ароматичну сполуку. Давайте підрахуємо електрони. У кожного атома вуглецю із шести один π-електрон. У кожного атома вуглецю одна p-орбіталь, і кожну орбіталь займає один електрон. Разом їх 1, 2, 3, 4, 5, 6. Можна інакше: кожен подвійний зв'язок це 2 π-електрона. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Це називається відповідністю правилу Хюккеля. Думаю, це німецьке прізвище. Правило Хюкеля. Бензол йому відповідає. При n, що дорівнює одиниці, 4 * 1 + 2 = 6. Правило виконується. При n, що дорівнює двом, π-електронів має бути 10. З десятьма π-електронами правило виконується. Це буде молекула такого виду, і вона відповідає правилу Хюккеля. Тут буде 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 атомів вуглецю у циклі. Тут 5 подвійних зв'язків: 1, 2, 3, 4, 5. Ось так, щоб зв'язки чергувалися. Це також ароматичне з'єднання. У нього 10 π-електронів, по одному у кожного атома вуглецю, ну або по два у кожному подвійному зв'язку. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. А тепер те, що мене дивує. Правилу відповідають 6 і 10, але не 8. Що ж не так із вісьмома електронами? Чому це число не підходить? А якщо π-електронів чотири? Допустимо, молекула виглядає так, як чотирикутник. Або як дорожній знак - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 і подвійні зв'язки, що чергуються. Чи будуть ці речовини також ароматичними сполуками? У них також чергуються зв'язки, отже електрони можуть зміщуватися з місця на місце і ділокалізовуватись у циклі. Зміщуватися звідси ось сюди, звідси сюди. Звідси сюди, звідси. Але виявляється, що в подібних речовинах π-електрони зовсім не стабілізують систему, і цикл виявляється менш стабільним, ніж лінійна молекула. І ці молекули не відповідають правилу Хюккеля. 4n + 2 - це 6, 10, 14 -електронів, тобто 14, 10 або 6 атомів вуглецю. Якщо число атомів інше, але це цикл із чергуванням зв'язків, речовина є антиароматичною. Запишемо цей термін. Вони дуже нестабільні. Вони дуже нестабільні та розмикаються, стаючи лінійними молекулами. Сподіваюся, що вам було цікаво. Subtitles by the Amara.org community

Історія

1959 року Сол Вінстайнввів поняття «гомоароматичність» - термін, що застосовується для опису систем, в яких стабілізована циклічна сполучена система утворюється в обхід одного насиченого атома.

Пояснення ароматичності

Критерії ароматичності

Єдиної характеристики, що дозволяє надійно класифікувати сполуку як ароматичну або неароматичну, не існує. Основними характеристиками ароматичних сполук є:

• схильність до реакцій заміщення, а чи не приєднання (визначається найлегше, історично перший ознака, приклад - бензол, на відміну етилену не знебарвлює бромну воду)
• виграш за енергією, порівняно із системою несопряженных подвійних зв'язків. Також називається Енергією резонансу (удосконалений метод - Енергією резонансу Дьюара) (виграш настільки великий, що молекула зазнає значних перетворень для досягнення ароматичного стану, наприклад циклогексадієн легко дегідрується до бензолу, двох і триатомні феноли існують переважно у формі фенолів). і т.д.)
• наявність кільцевого магнітного струму (спостереження вимагає складної апаратури), цей струм забезпечує зміщення хім-зсувів протонів, пов'язаних з ароматичним кільцем у слабке поле (7-8 м.д. для бензольного кільця), а протонів розташованих над/під площиною ароматичної системи. у сильне поле (спектр ЯМР).
• наявність самої площини (мінімально спотвореної), в якій лежать всі (або не всі - гомоароматичність) атоми, що утворюють ароматичну систему. При цьому кільця пі-електронів, що утворюються при поєднанні подвійних зв'язків (або електронів входять в кільце гетероатомів) лежать над і під площиною ароматичної системи.
• практично завжди дотримується Правило Хюккеля: ароматичною може бути лише система, що містить (у кільці) 4n+2 електронів (де n = 0, 1, 2, …). Система, що містить 4n електронів є антиароматичною (у спрощеному розумінні це означає надлишок енергії в молекулі, нерівність довжин зв'язків, низька стабільність - схильність до реакцій приєднання). У той же час, у разі пери-зчленування (є атом(и), що належить(є) одночасно 3 циклам, тобто біля нього немає атомів водню або заступників), загальна кількість пі-електронів не відповідає правилу Хюккеля (фенален, пірен, коронний). Також передбачається, що якщо вдасться синтезувати молекули у формі стрічки Мебіуса (кільце досить великого розміру, щоб закручування в кожній парі атомних орбіталей було мало), то для таких молекул система з 4n електронів буде ароматичною, а з 4n+2 електронів - антиароматичною.

Сучасні уявлення

У сучасній фізичній органічній хімії вироблено загальне формулювання критерію ароматичності

АРОМАТИЧНІСТЬ(від грец. aroma, рід. відмінок aromatos - пахощі), поняття, що характеризує сукупність структурних, енергетич. св-в та особливостей реакц. Можливості цикліч. структур із системою сполучених зв'язків. Термін введений Ф. А. Кекуле (1865) для опису св-в сполук, структурно близьких до бензолу - родоначальника класу ароматичних сполук.

До наиб. важливих ознак ароматичності належить схильність ароматич. з'єдн. до заміщення, що зберігає систему сполучених зв'язків у циклі, а не до приєднання, що руйнує цю систему. Крім бензолу та його похідних, такі р-ції характерні для поліциклів ч. ароматич. вуглеводнів (напр., нафталіну, антрацену, фенантрену та їх похідних), а також для ізоелектронних ним пов'язаних гетероцикліч. з'єднань. Відомо, проте, чимало з'єднань. (азулен, фульвен та ін), які також легко вступають в р-ції заміщення, але не володіють всіма ін. ознаками ароматичності.

Реакція. здатність неспроможна бути точною характеристикою ароматичності ще й оскільки вона відбиває св-ва як осн. стану даного з'єднання, а й перехідного стану (активів. комплексу) р-ції, в к-рую це з'єдн. вступає. Тому суворіші критерії ароматичності пов'язані з аналізом фіз. св-в осн. електронних станів цикліч. сполучених структур. Головна труднощі у тому, що ароматичність перестав бути експериментально визначається характеристикою. Тому немає однозначного критерію задля встановлення ступеня ароматичності, тобто. ступеня подібності св-вам бензолу. Нижче розглянуті наиб. важливі ознаки ароматичності.

Будова електронної оболонки ароматичних систем.

Тенденція бензолу та його похідних до збереження структури сполученого кільця в разл. перетвореннях означає підвищення. термодинамічні. та кінетич. стійкість цього структурного фрагмента. Стабілізація (зниження електронної енергії) молекули або іона, що володіють цикліч. структурою, що досягається при повному заповненні електронами всіх зв'язувальних молекулярних орбіталей і вакантності незв'язувальних та антизв'язувальних орбіталей. Виконання цих умов досягається, коли загальна кількість електронів в цикліч. полієні дорівнює (4л + 2), де п = = 0,1,2 ... (Правило Хюккеля).

Це правило пояснює стійкість бензолу (ф-ла I) та циклопентадієнільного аніону (II; п = 1). Воно дозволило правильно передбачити стійкість циклопропенільного (III; п = 0) та циклогептатріенільного (IV; п = 1) катіонів. З огляду на подобу електронних оболонок з'єдн. II-IV і бензолу вони, як і вищі цикліч. полієни - , , анулени (V-VII), розглядаються як ароматич. системи.

Правило Хюккеля можна екстраполювати на ряд сполучених гетероцикліч. з'єдн. - похідні піридину (VIII) і катіону пірилію (IX), ізоелектронні бензолу, п'ятичленові гетероцикли типу X (піррол, фуран, тіофен), ізоелектронні циклопентадієнільний аніон. Ці сполуки також відносять до ароматич. системам.

Для похідних сполук II-Х та ін більш складних структур, одержуваних ізоелектронним заміщенням метинових груп у полієнах I-VII, також характерні висока термодинамічні. стійкість та загальна схильність до р-цій заміщення в ядрі.

Цикліч. пов'язані полієни , що мають у циклі 4nелектронів (n=1,2...), нестійкі і легко вступають у р-ції приєднання, тому що мають незамкненою електронною оболонкою з частково заповненими незв'язуючими орбіталями . Такі сполуки, наиб. типовим прикладом яких брало служить циклобутадієн (XI), відносять кантіароматич. системам.

Правила, що враховують число електронів у циклі, корисні для характеристики св-в моноцикліч. структур, проте непридатні до поліциклів. Оцінюючи ароматичності останніх необхідно враховувати, як відповідають цим правилам електронні оболонки кожного окремого циклу молекули . З обережністю слід користуватися ними і у разі багатозаряджених цикліч. іонів. Так, електронні оболонки дикатіону та діаніону циклобутадієну відповідають вимогам правила Хюккеля. Однак ці структури не можна відносити до ароматичних, тому що дикатіон (п = 0) стійкий не в плоскій формі, що забезпечує цикліч. сполучення, а в зігнутій по діагоналі; діаніон (n=1) взагалі нестійкий.

Енергетичні критерії ароматичності. Енергія резонансу.Для визначення кількостей. заходи ароматичності, що характеризує підвищення. термодинамічні. стійкість ароматич. з'єдн., було сформульовано поняття енергії резонансу (ЕР), або енергія ділокалізації.

Теплота гідрування молекули бензолу, що формально містить три подвійні зв'язки, на 151 кДж/моль більше, ніж теплота гідрування трьох молекул етилену. Цю величину, що зв'язується з ЕР, можна розглядати як енергію, що додатково витрачається на руйнування цикліч. системи сполучених подвійних зв'язків бензольного кільця, що стабілізує цю структуру Т. обр., ЕР характеризує внесок цикліч. поєднання теплоту освіти (повну енергію, теплоту атомізації) з'єднання.

Запропоновано ряд способів теоретич. оцінок ЕР. Вони різняться гол. обр. вибором структури порівняння (тобто. структури, в якій порушено цикліч. сполучення) з цикліч. формою. Звичайний підхід до обчислення ЕР полягає в зіставленні електронних енергій цикліч. структури та суми енергій всіх ізольованих кратних зв'язків, що містяться в ній. Проте розраховані т. зр. ЕР, незалежно від використовуваного квантовохім. методу, мають тенденцію до зростання зі збільшенням розмірів системи. Це часто суперечить експеримент. даним про св-вах ароматич. системи. Так, ароматичність серед поліаценовбензол (I), нафталін (XII), антрацен (XIII), тетрацен (XIV) знижується (напр., зростає схильність до приєднання, збільшується альтернування довжин зв'язків), а ЕР (наведені в одиницях= 75 кДж/ моль) ростуть:

Цього недоліку позбавлені величини ЕР, що розраховуються шляхом порівняння електронних енергій цикліч. структури та аналогічного ацикліч. сполученого повна (М. Дьюар, 1969). Розраховані т. зр. величини заведено називати ЕР Дьюара (ЕРД). Напр., ЕРД бензолу (1,013) обчислюється при зіставленні його з 1,3,5-гексатрієну, а ЕРД циклобутадієну-порівнянням його = = з 1,3-бутадієну.

З'єднання з покласти. значеннями ЕРД відносять до ароматичних, з негативними до антиароматичних, а зі значеннями ЕРД, близькими до нуля, - до неароматичних. Хоча значення ЕРД варіюють залежно від наближень квантовохім. методу розрахунку, відносить. порядок їх практично залежить від вибору методу. Нижче наведено ЕРД у розрахунку на один електрон (ЕРД/е; в одиницях), обчислені по модифікаціях. методом молекулярних орбіталей Хюккеля:

наиб. ЕРД/е, тобто наиб. ароматичністю, має бензол. Зниження ЕРД/е відбиває зниження ароматич. св-в. Наведені дані добре узгоджуються з уявленнями про прояви ароматичності.

Магнітні критерії ароматичності.Цикліч. сполучення електронів призводить до виникнення в молекулі кільцевого струму, який викликає екзальтацію діамагні. сприйнятливості. Оскільки величини кільцевого струму та екзальтації відображають ефективність цикліч. сполучення, вони м. б. використані як кількостей. міра ароматичності.

До ароматичних відносяться соед., в молекулах яких підтримуються наведені діамагнітні електронні кільцеві струми (діатропні системи). У разі ануленів (n = 0,1,2...) існує пряма пропорційність між силою кільцевого струму та величиною ЕРД. Однак для неальтернантних вуглеводнів (напр., азулена) та гетероцикліч. з'єдн. ця залежність ускладнюється. Нерідко система м.б. одночасно і діатропної та антиароматичної, напр. біциклодекапентаєн.

Наявність індукуючих. кільцевого струму в цикліч. пов'язаних системах характерно проявляється у спектрах протонного магн. резонансу (ПМР), т.к. Струм створює анізотропне магн. поле, що помітно впливає на хім. зрушення протонів, пов'язаних з атомами кільця. Сигнали протонів, розташованих у внутр. частини ароматич. кільця, що зміщуються у бік сильного поля, а сигнали протонів, розташованих на периферії кільця, - у бік слабкого поля. Так, внутр. протони анулену (ф-ла VI) і анулену (VII) виявляються при - 60 ° С в спектрі ПМР соотв. при 0,0 та -2,99м. д., а зовнішні-при 7,6 та 9,28 м. д.

Для антиароматич. систем ануленів, навпаки, характерні парамагні. кільцеві струми, що призводять до зсуву зовніш. протонів у сильне поле (паратропні системи). Так, хім. зсув зовніш. протонів аннулена дорівнює всього 4,8 м.д.

Структурні критерії ароматичності.Найважливіші структурні характеристики молекули бензолу - її планарність та повна вирівняність зв'язків. Молекулу можна як ароматичну, якщо довжини вуглець-вуглецевих зв'язків у ній лежать у межах 0,136-0,143 нм, тобто. близько 0,1397 нм для молекули бензолу (I). Для нецикліч. пов'язаних полієнових структур довжини зв'язків С-С становлять 0,144-0,148 нм, а зв'язків С=З-0,134-0,135 нм. Ще більше альтернування довжин зв'язків притаманно антиароматич. структур. Це підтверджується даними суворих неемпірич. розрахунків геометрич. параметрів циклобутадієну та експерим. даними для його похідних.

Запропоновано разл. вирази для кількостей. характеристики ароматичності за ступенем альтернування довжин зв'язків, напр. для вуглеводнів вводиться індекс ароматичності (НОМА d):

де а = 98,89, Х r - Довжина r-ної зв'язку (в А), n-число зв'язків. Для бензолу HOMA d максимальний і дорівнює 1, для циклобутадієну мінімальний (0,863).

Детальна програма лекцій та
коментарі до другої частини курсу

Детальна програма лекцій та коментарі до другої частини загального курсу лекцій з органічної хімії (ППЛ) заснована на Програмі загального курсу органічної хімії, розробленої на кафедрі органічної хімії хімічного факультету МДУ. ППЛ розкривають наповнення другої частини загального курсу лекцій фактичним матеріалом з теорії та практики органічної хімії. ППЛ призначена в першу чергу для студентів 3 курсу, які бажають добре і досить швидко підготуватися до іспитів та колоквіумів та зрозуміти, який обсяг знань повинен мати студент для отримання відмінної оцінки на іспиті. ППЛ підготовлені таким чином, що обов'язковий матеріал програми надрукований нормальним шрифтом, факультативний матеріал – курсивом, хоча слід визнати, що такий поділ іноді досить умовний.

Однією з цілей цього посібника є допомога студентам правильно та акуратно скласти конспект лекції, структурувати матеріал, зробити правильні акценти у записі, відокремити обов'язковий матеріал від другорядного за самостійної роботи з конспектом чи підручником. Необхідно відзначити, що незважаючи на широке поширення сучасних методів навчання та доступність різноманітного навчального матеріалу в підручниках та в Інтернеті, лише самостійна завзята, якщо не сказати важка робота з конспектування (лекцій, підручників, інших матеріалів), робота на семінарах, самостійне написання найважливіших рівнянь і механізмів, і самостійне вирішення синтетичних завдань здатне призвести до успіху у вивченні органічної хімії (та інших предметів). Автори вважають, що прослуховування курсу лекцій створює основу для вивчення органічної хімії та охоплює всі теми, що виносяться на іспит. Однак, прослухані лекції, так само як і прочитані підручники залишаються пасивним знанням доти, доки не відбудеться закріплення матеріалу на семінарах, колоквіумах, при написанні тестів, контрольних робіт та аналізі помилок. У ППЛ відсутні рівняння хімічних реакцій та механізми найважливіших процесів. Цей матеріал доступний на лекціях та з підручників. Кожен студент повинен здобувати якісь знання самостійно: написати найважливіші реакції, механізми та краще не один раз (самостійна робота з конспектом лекцій, з підручником, колоквіум). Тільки те, що здобувається шляхом самостійної копіткої роботи, запам'ятовується надовго і стає активним знанням. Те, що легко дістається – легко губиться або забувається, причому це справедливо не лише стосовно курсу органічної хімії.

Крім матеріалів програмного характеру, дана розробка містить низку допоміжних матеріалів, які демонструвалися на лекціях і які необхідні, на думку авторів, для кращого розуміння органічної хімії. Ці допоміжні матеріали (цифри, таблиці та інших.), навіть якщо вони надруковані нормальним шрифтом найчастіше призначені буквального запам'ятовування, але необхідні оцінки тенденцій зміни властивостей чи реакційної здатності органічних сполук. Оскільки демонстровані на лекціях допоміжні матеріали, цифри, таблиці буває важко повністю та якісно записати в конспект, розміщення цих матеріалів у даній розробці має на меті допомогти слухачам курсу заповнити прогалини в записах та конспектах, а на лекції зосередитися не на стенографуванні цифр та таблиць, а на сприйнятті та розумінні матеріалу, що обговорюється лектором.

АРОМАТИЧНІСТЬ.

1. Аліфатичні (від грец. αλιφατικό- олія, жир) та ароматичні (αρωματικόσ- пахощі) сполуки (ХIХ століття).

2. Відкриття бензолу (Фарадей, 1825). Будова бензолу (Кекуле, 1865). про-, м-, п-ізомери, орто-ксилол.

3. Інші формули, запропоновані для бензолу (Ладенбург, "Дьюар", Тіле та ін.). Ізомери бензолу (призман, біциклогекс-2,5-дієн, бенвален, фульвен).

4. Метод молекулярних орбіталей Хюккеля. Незалежний розгляд σ- та π- зв'язків (тобто утворених sp 2 і р-орбіталями). Молекулярні орбіталі бензолу (три орбіталі пов'язують: одна орбіталь не має вузлів, дві орбіталі мають по одній вузловій площині, всі вони зайняті, на них всього 6 електронів; три орбіталі розпушують. Дві з них мають 2 вузлові площини, найвища по енергії орбіталь, що розпушує має три вузлові площини, орбіталі, що розпушують, не зайняті.

Поняття про коло Фроста для бензолу, циклобутадієну та циклооктатетраєну.

Правило Хюккеля. Плоскі, моноциклічні, сполученівуглеводні будуть ароматичними, якщо цикл містить (4n+2) π – електронів.

Антиароматичні сполуки. Неароматичні сполуки. Циклооктатетраєн.

5. Опис бензолу методом "валентних схем", теорія резонансу (Полінг), мезомерія, використання граничних структур.

6. Анулени. Метаноанулени. Ароматичні іони. Конденсовані вуглеводні. Гетероцикли.

Кілька коментарів щодо стабільності ануленів.

-анульований -не плоский, може бути ароматичним.

1,6-метано-- анулен- Плоский, (крім містка, зрозуміло!), Він ароматичний.

Анулен - неароматичний полієн, стабільний нижче -70 про С.

-Ануленине плоскі цикли, якщо немає 2-х містків. Отже – не ароматичні.

Анулени - звичайні полієни.

-анульований- Плоский, ароматичний. Знати особливість його ПМР спектра!

7. Детальний розглядКРИТЕРІЇВ АРОМАТИЧНОСТІ.

Критерії ароматичності – квантовомеханічний – кількість p-електронів 4n+2(Правило Хюккеля), див. Коментарі нижче. Енергетичний (підвищення термодинамічної стійкості за рахунок ділокалізації електронів, так звана енергія делокалізації – ЕД). ЕД у бензолі: (6a +8β) – (6a +6β) (для циклогексатрієну) = 2β = 36 ккал/моль або 1,56 еВ – це ЕЕР (емпірична енергія резонансу). Є ще кілька способів розрахунку енергії резонансу: вертикальна енергія резонансу (вона ж ЕД за Хюккелем, вимірюють в одиницях інтеграла β, для бензолу вона дорівнює 0,333), ще буває (на 5++) ЕРД (тобто. енергія резонансу Дьюара, на 1 електрон, 0,145 еВ для бензолу), ще буває (на 5+++) ЕР по Гессу-Шааду, для бензолу: 0,065 еВ, то ж, як і ЕДНОЕ в підручнику Реутов, Курц, Бутін. Ще буває (на 5++++) ПЕР (топологічна ЕР). Ще "є багато на світі, друже Гораціо, що і не снилося нашим мудрецям" (В. Шекспір). Енергетичний критерій з усіх найнезручніший і незрозумілий. Величини енергій для цього критерію завжди беруть розрахункові, тому що, як правило, неможливо підібрати відповідну неароматичну молекулу для порівняння. Слід, тому, спокійно ставитися до того, що є безліч різних оцінок енергії делокализации навіть класичних ароматичних молекул, а складніших систем ці величини взагалі відсутні. Ніколи не можна порівнювати різні ароматичні системи за величиною енергій делекалізації – не можна зробити висновок, що молекула А ароматніша за молекулу В, тому що енергія декалізації більша. Структурний – дуже важливий, а то й найважливіший, критерій, оскільки має теоретичну, а експериментальну природу. Специфіка геометрії молекул ароматичних сполук полягає у тенденції до копланарному розташуванню атомів та вирівнюванню довжин зв'язків. У бензолу вирівнювання довжин зв'язків ідеально - всі шість зв'язків С-С однакові по довжині. У складніших молекул вирівнювання не ідеально, але значно. Як критерій беруть міру відносного відхилення довжин пов'язаних зв'язків від середнього значення. Чим ближче до нуля, тим краще. Цю величину можна проаналізувати завжди, якщо є структурна інформація (експериментальна або з високоякісного квантовохімічного розрахунку). Тенденція до копланарності обумовлюється вигідністю колінеарності осей атомних. р-орбіталей їхнього ефективного перекриття. Постає питання: яке відхилення від площинного розташування допустиме без втрати ароматичності? Приклади спотворення площини в ароматичних молекулах наведено на лекції, їх також можна знайти в спеціальній літературі (див. нижче стор. 20). Магнітний (Наявність кільцевого струму - діатропна система, вплив на хімічні зрушення протонів зовні і всередині кільця, приклади - бензол і -аннулен). Найзручніший і найдоступніший критерій, тому що для його оцінки достатньо спектру 1 H ЯМР. Для точного визначення застосовують теоретичні розрахунки хімічних зрушень. Що таке діатропність? Хімічний – схильність до реакцій заміщення, а чи не приєднання. Найбільш наочний критерій, що ясно розрізняє хімію ароматичних сполук від хімії полієнів. Але він працює далеко не завжди. В іонних системах (наприклад, циклопентадієніл-аніон або тропілій-катіон) заміщення спостерігати неможливо. Реакції заміщення іноді проходять і на неароматичних системах, а ароматичні завжди певною мірою здатні до реакцій приєднання. Тому хімічний критерій більш правильно назвати Ознакою ароматичності.

8. ПОНЯТТЯ АРОМАТИЧНОСТІ. ОЗНАКИ І КРИТЕРІЇ АРОМАТИЧНОСТІ. - Коментарі

Ароматичність – поняття, що характеризує сукупність особливих структурних, енергетичних і магнітних властивостей, і навіть особливостей реакційної спроможності циклічних структур із системою сполучених зв'язків.

Хоча ароматичність – одна з найважливіших та найбільш плідних концепцій хімії (не лише органічної), - немає загальноприйнятого короткого визначення цього поняття. Ароматичність розуміється через сукупність особливих ознак (критеріїв), властивих ряду циклічних сполучених молекул тією чи іншою мірою. Частина цих критеріїв має експериментальну, що спостерігається природу, але інша частина ґрунтується на квантовій теорії будови молекул. Ароматичність має квантову природу. Неможливо пояснити ароматичність із позицій класичної структурної теорії та теорії резонансу.

Не слідплутати ароматичність з ділокалізацією та поєднанням. У молекулах полієнів (1,3-бутадієну, 1,3,5-гексатрієну і т.п.) проявляється явно виражена тенденція до ділалізації електронів (див. 1-й семестр, хімія дієнів) та утворення єдиної сполученої електронної структури, що проявляється у спектрах (насамперед, електронних спектрах поглинання), певній зміні довжин і порядків зв'язків, енергетичної стабілізації, особливих хімічних властивостях (електрофільне 1,4-приєднання у разі дієнів тощо). Делокалізація та сполучення – необхідні, але не достатні умови ароматичності. Можна дати визначення ароматичності як властивості, при якому сполучене кільце ненасичених зв'язків виявляє більшу стабільність, ніж ту, на яку можна було б очікувати тільки при одному поєднанні. Однак цим визначенням не можна користуватися, не маючи експериментальних чи розрахункових даних щодо стабільності циклічної сполученої молекули.

Для того, щоб молекула могла бути ароматичною, вона повинна містити хоча б один цикл, коженз атомів якого має придатну для утворення ароматичну систему р-орбіталлю. Ароматичним у сенсі цього терміну вважається (у разі виконання критеріїв, перелічених нижче) саме цей цикл (кільце, система кілець).

У цьому циклі має бути 4n+2 (тобто 2, 6, 10, 14, 18, 22 тощо) електронів.

Це називається правилом чи критерієм ароматичності Хюккеля. Джерело цього правила - сильно спрощені квантовохімічні розрахунки ідеалізованих циклічних полієнів, вироблені на зорі розвитку квантової хімії. Подальші дослідження показали, що в основі своїй це просте правило дає вірні прогнози ароматичності навіть для дуже складних реальних систем.

Правилом, проте, потрібно правильно користуватися, інакше прогноз може бути невірним. Загальні рекомендації наведено далі.

Молекула, що містить хоча б один ароматичний цикл має правоназиватися ароматичною, але цим узагальненням не варто зловживати. Так, очевидно, що стирол містить бензольне кільце, отже може називатися ароматичною молекулою. Але нас у стиролі може цікавити і етиленовий подвійний зв'язок, що ніякого прямого відношення до ароматичності не має. З цього погляду стирол – типовий олефін із сполученим подвійним зв'язком.

Ніколи не забувайте, що хімія є наукою експериментальною, і ніякі теоретичні міркування не замінюють і не підмінюють знання реальних властивостей речовин. Теоретичні концепції, навіть такі важливі, як ароматичність, лише допомагають краще розуміти ці властивості та робити корисні узагальнення.

Які орбіталі вважаються придатними для утворення ароматичної системи?- Будь-які орбіталі, перпендикулярні площині циклу, та

а) які належать що входять до циклу кратним (ендоциклічним подвійним або потрійним) зв'язкам;

б) відповідні неподіленим парам електронів у гетероатомів (азоту, кисню тощо) або карбаніонів;

в) відповідні шестиелектронним (секстетним) центрам, зокрема карбокатіонам.

Зверніть увагу, що перелічені фрагменти а), б), в) дають парне число електронів у загальну систему: будь-які кратні зв'язки – 2 електрони, неподілені пари – 2 електрони, вакантні орбіталі – 0 електронів.

Що не годиться або не робить внесок в ароматичну систему:

а) онієві форми катіонних центрів- Тобто катіони, що містять повний октет електронів. При цьому такий центр розриває сполучену систему, наприклад, N-метилпіррол ароматичний (6 електронів у циклі), а N,N-диметилпірролій неароматичний (амонійний азот не робить внесок у π-систему):

Увага – якщо онієвий центр є частиною кратного зв'язку, то саме кратний зв'язок бере участь у освіті ароматичної системи, тому, наприклад, ароматичний N-метилпіридиній (6 π-електронів, по два від кожного з трьох кратних зв'язків).

Дуже велика підмога у розгляді аналогічних систем дає концепція ізоелектронності. Ізоелектронні системи зазвичай аналогічні й у сенсі ароматичності. У цьому сенсі, наприклад, N-метилпіридиній ізоелектронен метилбензолу. Обидва, очевидно, ароматичні.

б) неподілені пари, що лежать у площині кільця.На одному атомі тільки одна π-орбіталь може робити внесок в ароматичну систему. Тому, в циклопентадієніл-аніоні карбаніонний центр дає внесок у 2 електрони, а у феніл-аніоні атом вуглецю карбаніонного центру дає внесок у 1 електрон, як і в молекулі бензолу. Феніл-аніон ізоелектронен піридину, циклопентадієніл-аніон – піролу.

Усі ароматичні.

в) Екзоциклічний подвійний зв'язок чи радикальний центр. Такі структури, як правило, неароматичні, хоча кожна така структура потребує особливого розгляду із залученням реальних експериментальних даних .

Наприклад, хінони неароматичні, хоча а) мають плоскі повністю сполучені цикли, що містять 6 електронів (чотири від двох кратних зв'язків у циклі плюс два від двох екзоциклічних зв'язків).

Наявність у певній сполученій структурі про хіноїдних фрагментів, тобто систем зв'язків з двома екзоциклічними подвійними зв'язками, завжди є джерелом нестабільності, і сприяє процесам, що переводять систему з хіноїдним фрагментом в нормальну ароматичну систему. Так, антрацен є 14-електронною ароматичною системою, що містить хіноїдний фрагмент, тому антрацен легко приєднує бром або дієнофіли, так як у продуктах вже два повноцінних ароматичних бензольних кільця:

Ароматичність поліциклічних структур є досить складне теоретичне завдання. З формальної точки зору, якщо в системі є хоча б одне бензольне кільце, її можна вважати ароматичною. Такий підхід, однак, не дозволяє розглянути властивості молекули в цілому.

Сучасний підхід до поліциклічних систем полягає в тому, щоб знайти в них Усеможливі ароматичні підсистеми, починаючи з максимально великого – зовнішнього контуру. У цьому сенсі, наприклад, нафталін можна подати у вигляді загальної 10-електронної системи (зовнішній контур) і двох однакових 6-електронних бензольних кілець.

Якщо зовнішній контур не ароматичний, слід шукати менші ароматичні контури. Так, наприклад, дифенілен за зовнішнім контуром має 12 електронів, що не відповідає правилу Хюккеля. Однак ми легко знайдемо в цьому з'єднанні два практично незалежні бензольні кільця.

Якщо біциклічні вуглеводні плоскі і мають пов'язані подвійні зв'язки, правило Хюккеля працює для бі- та поліциклічних вуглеводнів, що мають один загальний зв'язок ( нафталін, антрацен, фенантрен, і т.п., а також азулен). Правило Хюккеля погано працює для конденсованих циклів, які мають атом вуглецю, загальний для 3 циклів.Правило підрахунку пар електронів методом "обходу по периметру або по одному з контурів" може допомогти в цьому випадку, наприклад:

аценафтилен пірен перилен

сума π-електронів: 12 16 20

у тому числі по периметру, 10 14 18 (по контуру нафталіну – 10 та 10)

Однак, для таких складних циклів і це правило не завжди може працювати. Більше того, воно нічого не говорить про реальні властивості молекули. Наприклад, аценафтилен, має звичайний подвійний зв'язок між атомами 1 та 2 .

Різні приклади ізоелектронних ароматичних гетероциклів.

ПІРРОЛ – ФУРАН – ТІОФЕН (6π-електронів) .

ПІРИДИН– ПІРИДІНІЙ– ПИРІЛІЙ (6π-електронів) .

Піридазин – ПІРИМІДІН- Піразін (6 π-електронів) .

Оксазоли – тіазоли – ІМІДАЗОЛ (6π-електронів) .

ІНДОЛ– ХІНОЛІН (10)π-електронів) .

Про "гайки" . У навчальній літературі ароматичні цикли часто позначають за допомогою кола всередині багатокутника. З усією визначеністю відзначимо, що такий спосіб позначення слід уникати у всіх випадках, коли можливо. Чому?

Тому що:

а) у складних поліциклічних структурах гуртки немає певного сенсу і дозволяють зрозуміти, де живе ароматичність – в окремих циклах чи загалом. Якщо намалювати "гайками", наприклад, антрацен, то не буде зрозуміло, в чому криється причина його "не зовсім ароматичності" і яскраво-виражених дієнових властивостей

б) навіть найкласичніші ароматичні системи типу бензолу та його похідних можуть виявляти неароматичні полієнові властивості, для розгляду яких необхідно бачити структуру кратних зв'язків.

в) саме кекулівська структура необхідна для розгляду ефектів заступників за допомогою незамінного інструменту – резонансних структур. "Гайка" щодо цього абсолютно безплідна. Так, користуючись формулою Кекуле, ми чудово зрозуміємо причину високої кислотності. п-нітрофенолу та яскраво-жовтий колір п-нітрофеноляти. А що робитимемо з "гайкою"?

Переважним є простий "кекулівсько-бутлерівський" спосіб, що відповідає класичній теорії будови і в явному вигляді позначає кратні зв'язки. Намалювавши таку класичну структуру, ви завжди можете міркувати про її ароматичність чи неароматичність, використовуючи відповідні правила та критерії. Саме класичну кекулівську структуру прийнято як стандарт у всіх провідних міжнародних хімічних журналах.

А коли все ж таки доречні гуртки? Для позначення небензоїдних ароматичних систем, особливо заряджених. У цьому випадку класичне позначення дещо незграбне і не показує ділокалізацію заряду.

Також без гуртків важко обійтися у металоорганічній хімії, де ароматичні системи часто відіграють роль лігандів. Спробуйте без гуртків відобразити структуру ферроцену або інших комплексів, що містять циклопентадієнільний ліганд!

Площинність. Цикл, що претендує на звання ароматичного і містить потрібну безперервну систему p-орбіталей повинен бути плоским(або майже плоским). Ця вимога - одна з найнеприємніших, тому що визначити "на око", який цикл є плоским, а який ні, вельми не просто. Як прості підказки можна розглянути такі положення:

а) циклічні сполучені системи, що містять 2 або 6 електронів і задовольняють розглянутим умовам, як правило, плоскі та ароматичні. Такі системи зазвичай реалізуються в циклах малого та середнього розміру (2-8 членів);

б) циклічні іонні системи з числом електронів 2, 6, 10, 14 практично обов'язково ароматичні, так як ароматичність і є причиною існування і стійкості таких іонів;

в) нейтральні системи з 10, 14, 18 і більше електронами в одному єдиному циклі великого розміру, навпаки, практично завжди потребують додаткових заходів щодо стабілізації плоскої структури у вигляді додаткових містків, тому що виграш енергії за рахунок утворення великої ароматичної системи не компенсує жодного енергії напруги, що виникає в макроциклах, ні ентропії, що втрачається при утворенні єдиної плоскої структури.

Увага : Читання наступного параграфа категорично не рекомендується особам зі слабкими та нестійкими знаннями. Усі, хто має рейтинг менше 99 балів, можутьпропустити цей параграф.

Антиароматичність. Системи, що задовольняють усім умовам, розглянутим вище (плоські цикли з безперервною системою π-орбіталей), але числом електронів 4n вважаються антиароматичними. тобто реально неіснуючими. Але якщо у разі ароматичності ми маємо справу з реальними молекулами, то у разі антиароматичності проблема складніша. Важливо зрозуміти, що справжня антиароматична система знаходиться не в мінімумі, а в максимумі потенційної енергії, тобто не молекулу, а перехідний стан. Антиароматичність – суто теоретична концепція, що описує, чому деякі циклічні сполучені системи або зовсім нестійкі і не могли бути отримані навіть ціною величезних зусиль, або виявляють явні тенденції до існування у вигляді звичайного полієну з простими і кратними зв'язками, що чергуються.

Наприклад, циклобутадієн був би антиароматичний, якби існував у вигляді квадратної молекули зі зв'язками однакової довжини. Але такої квадратної молекули у Природі немає. Тому коректно слід сказати так: гіпотетичний квадратний циклобутадієн антиароматичний, та томуне існує.Експериментально, при дуже низьких температурах виділяли заміщені циклобутадієни, але вони структурою виявлялися типовими неароматичними дієнами - мали ясну різницю між короткими подвійними і довгими простими зв'язками.

Реально існуючі плоскі сполучені молекули з 4n електронами завжди є високореакційними неароматичні полієни. Наприклад, бензоциклобутадієн реально існує (8 електронів у зовнішньому контурі), але має властивості надзвичайно активної дієни.

Антиароматичність – винятково важливепоняття теорії ароматичності. Теорія ароматичності передбачає як існування особливо стабільних ароматичних систем, так і нестабільність антиароматичних систем. Обидва ці полюси важливі.

Антиароматичність - дуже важливе поняття в хімії. Всі ненасичені сполучені циклічні системи, що містять антиароматичне число π-електронів, завжди мають дуже високу реакційну здатність у різних реакціях приєднання.

9. Тривіальні приклади синтезу небензоїдних ароматичних іонів.

Циклопропенілій-катіон, тропілій-катіон

Циклопентадієнілід-аніон. Ароматичні карбоциклічні аніони С8, С10, С14.

10. Факультативно: спроби синтезу антиароматичних молекулциклобутадієн, циклопентадієнілій-катіон.

Розвиток поняття ароматичності. Циклобутадієнжелезо трикарбоніл. Об'ємна, сферична ароматичність, гомоароматичність та ін.

11. Одержання ароматичних вуглеводнів.

1. Промислові джерела- Нафта і кам'яне вугілля.

Риформінг. Ланцюжок: гептан – толуол – бензол – циклогексан.

2. Лабораторні методи:

а) реакція Вюрца-Фіттіга (застарілий спосіб, що має швидше історичне значення, не слід застосовувати при вирішенні завдань),

б) каталітична тримеризація ацетилену,

в) кислотно-каталізована тримеризація ацетону та ін. кетонів;

г) крос-поєднання, як некаталітичне з використанням купратів, так і каталітичне в присутності комплексів паладію,

д) реакція Фріделя-Крафтса, в основному слід використовувати ацилювання з відновленням за Клемменсеном (алкіларилкетони) або Кіжнеру-Вольфу (будь-які кетони та альдегіди),

е) ароматизація будь-яких похідних циклогексану, циклогексену, циклогексадієну під дією сірки (сплавлення, годиться тільки для найпростіших сполук) або дихлордиціанбензохінону (ДДХ або DDQ, реагент загального призначення).

12. Властивості кільця та аліфатичного бічного ланцюга в ароматичних вуглеводнях.

1. Гідрування. Коли часткове гідрування кілець? Гідрування функціональних груп (С=С, С=О) без гідрування кільця. приклади.

2. Відновлення по Берчу (Na, Рідк. NH 3). Навіщо потрібний EtOH? Вплив донорів та акцепторів у кільці на напрямок реакції.

3. Вільнорадикальне галогенування бензолу (було у школі!). Галогенування толуолу та його гомологів у бічну ланцюг. Вибірковість галогенування.

4. Окислення бічного ланцюга та поліконденсованих ароматичних вуглеводнів. Озонування бензолу та інших ароматичних сполук.

5. Реакція Дільса-Альдера для бензолута антрацену. умови.

6. Реакція лужних металів та Mg з нафталіном та антраценом (факультативно).

ЕЛЕКТРОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНОМУ РЯДУ.

1. Чому саме електрофільне заміщення (ЕЗ)?

2. Які бувають електрофіли і які реакції ЕЗ ми розбиратимемо докладно? (Протонування, нітрування, сульфування, галогенування, алкілування, ацилювання, формування). Через місяць будуть розглянуті: азопоєднання, нітрозування, карбоксилювання).

3. Спрощений механізм електрофільного заміщення в ароматичному кільці (без π-комплексів). Аренонієві іони. Подібність до алільного катіону. Зображення аренонієвих іонів на папері - резонансні структури або "підкова" - обов'язково навчитеся малювати резонансні структури для s-комплексів, тому що "підкова" заведе в глухий кут, коли дійдемо до впливу заступників на напрямок електрофільного заміщення. Протонування аренів.

4. Докази існування π-комплексів на прикладі реакції DCl та бензолу (Г. Браун 1952). Докази існування σ-комплексів.

5. Узагальнений механізм ЕЗ, що включає утворення π-і σ-комплексів. Лімітує стадія при ЕЗ у бензольному кільці. Поняття про кінетичний ізотопний ефект.Ще раз згадаємо, що таке перехідний стан та інтермедіат.

6. Орієнтація при електрофільному заміщенні: орто-, мета, пара-, іпсо. Орієнтанти першого та другого роду. Обов'язково малювати резонансні структури для s-комплексів із різними заступниками. Окремо розберіть вплив на структуру s-комплексів замісників з індуктивними та мезомерними ефектами, а також поєднанням різноспрямованих ефектів. Чинники парціальної швидкості. Узгоджена та неузгоджена орієнтація. Приклади різного співвідношення про-/п-ізомерів у випадках, коли в кільці є заступник 1-го роду (наприклад, просторово-утруднений) або 2-го роду (орто-ефект). ЯМР бензолонієвих іонів та деяких аренів.

7. Розгляд конкретних реакцій електрофільного заміщення. Нітрування. Агенти. Екзотичні агенти. Атакуюча частка. Особливості нітрування різних класів сполук – нітроаренів (умови), галогенбензолів (розподіл о- та п-ізомерів. Яким чином?), нафталіну та дифенілу. Нітрування ароматичних амінів (захисні групи, як зробити про- І п- Ізоміри? Чи можна нітрувати аніліни в м-положення?). Нітрування фенолу (умови, поділ про-і п-ізомерів).

7. Сульфування аренів. Агенти, природа електрофіла, оборотність. Особливості сульфування нафталіну, толуолу, фенолу, аніліну, захист сульфогрупи при реакціях ЕЗ.

8. Похідні сульфокислот: тозилхлорид, тозилати, сульфаміди. Відновлення сульфогрупи.

9. Галогенування. Ряд галогенуючих агентів зі спадання активності (знати хоча б 3 приклади). Природа електрофіла, особливості галогенування толуолу, галогенбензолів, вміти отримувати всі галогеннітробензоли, галогенування нафталіну, біфенілу, аніліну, фенолу, анізолу. Особливості йодування. Хлорування йодбензолу без електрофільних каталізаторів. Сполуки полівалентного йоду (PhICl 2 , PhI=O, PhI(OAc) 2)

10. Алкілування та ацилювання за Фріделем-Крафтсом. Алкілування – 3 недоліки, приклади синтезів, оборотність, вплив галогену в RHal, агенти, внутрішньомолекулярне алкілування, обмеження за заступниками, особливості алкілування фенолів та амінів, синтез н-алкілбензолів. Ацилування – порівняння з алкілуванням, реагенти, циклічні ангідриди в ацилюванні, внутрішньомолекулярні реакції, перегрупування Фріса.

Таблиця 1.

Таблиця 2. Дані щодо нітрування галогенбензолів.

З'єднання	продукти, % *			відносна швидкість нітрування (бензол =1)**	Фактор парціальної швидкості для про-і п-положення (бензол = 1)
	орто	мета	пара
З 6 Н 5 - F					0,054 (про) 0,783 (п)
З 6 Н 5 - Cl					0,030 (про) 0,136(п)
З 6 Н 5 – Br					0,033 (про) 0,116(п)
З 6 Н 5 – I***					0,205 (про) 0,648(п)

*) К. Інгольд. Теоретичні основи органічної хімії М., "Світ", 1973, с. 263;

**) там же с. 247; ***) згідно з новітніми дослідженнями, механізм електрофільного заміщення в аріліодидах може бути складнішим, ніж було прийнято раніше.

Про поділ про- І п-ізомерів дизаміщених арен кристалізацією.

Таблиця 3. Т. пл. про-і п-ізомерів дизаміщених аренів в о С.

ПОРІВНЯННЯ РЕАКЦІЙ АЛКІЛЮВАННЯ ТА АЦІЛЮВАННЯ ЗА ФРИДЕЛЕМ-КРАФТОМ.

	АЛКІЛЮВАННЯ		АЦІЛЮВАННЯ
РЕАГЕНТ	AlkHal, AlkOH, алкени. (Не можна ArHal!).		Галогенангідриди карбонових кислот (КК), ангідриди КК, рідко – КК
КАТАЛІЗАТОР	Кислоти Льюїса, особливо б/в галогеніди Аl, Fe, Sn та ін, BF 3 H 2 SO 4 H 3 PO 4 катіоніти.		AlCl 3 (не менше благаючи на моль, краще ще більше), H 2 SO 4 , H 3 PO 4 .
ПРОДУКТ	Алкіл-і поліалкіларени.		Ароматичні кетони. Можна ввести лише одну ацильну групу.
ОСОБЛИВОСТІ ТА НЕДОЛІКИ	Практично малопридатна через безліч побічних реакцій, а саме: 1) поліалкілування, 2) ізомеризація вихідних н-алкілів у втор.-і трет-алкіли. 3) ізомеризація поліалкілбензолів у суміш або більш стабільний продукт.		Дуже зручна реакція практично не ускладнена побічними реакціями. Утворюється, як правило, лише пара-ізомер. Якщо п-положення зайняте, то орто-ізомер (стосовно найбільш сильного орієнтанта).
ЗВОРОТНІСТЬ	Є. (див. нижче)
ГАЛУЗЬ ЗАСТОСУВАННЯ	НЕ МОЖНА ВИКОРИСТОВУВАТИ для аренів, що містять заступники ІІ-го роду. Можна використовувати для арілгалогенідів.
ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ДО ФЕНОЛІВ	НЕБАЖАЛЬНОвикористовувати AlCl 3 . МОЖНА, МОЖЛИВОвикористовувати каталізатори – H 3 PO 4 , HF зі спиртами як алкілуючі реагенти.	CAcCl може йти ацилювання по кисню. При нагріванні ефіру фенолу йде перегрупування ФРІСА(Кат. - AlCl 3). Іноді для реакції Фр-Кр можна використовувати АсОНВF 3 Синтез фенолфталеїну.
ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ДО АРОМАТИ- ЧЕСЬКИМ, АМІНАМ	Пряме алкілування практично неможливо, тому що не можна використовувати AlCl 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , HF (атака AlCl 3 або Н + або алкілу по азоту - в результаті електронодонорні властивості азоту зменшуються. При дії RHal утворюються N -алкіланіліни).	Йде ацилювання азотом. Каталізатори утворюють комплекси азоту. Можливе ацилювання при використанні двох екв. ацилюючого агента та ZnCl 2 з утворенням п-ацил-N-ациланілінів.

Примітка:

Оборотність реакції алкілування за Фріделем-Крафтсом призводить до того, що в системі одночасно йдуть всі можливі реакції алкілування і деалкілування, причому зачіпається і мета-становище, тому що алкільна - група активує Усеположення бензольного кільця, хоча й по-різному.

Тим не менш, через переважну орто-пара-орієнтацію процесів алкілування та зворотного деалкілування під дією електрофіла, наприклад, при іпсо-атаці протона, у суміші при тривалій реакції накопичуються найменш реакційноздатні і більш термодинамічно стабільні 1,3- і 1,3 ,5-ізомери, тому що в них алкіли гірше орієнтують атаку протона під інші алкіли:

Подібні причини визначають і утворення різних регіоізомерів при сульфуванні з тією істотною різницею, що сульфогрупа є орієнтант другого роду, що ускладнює полісульфування.

12. ФОРМІЛЮВАННЯ – запровадження СНТ групи.

Формілювання - окремий випадок ацилювання.

Багато похідних мурашиної кислоти можуть формувати арени. Реакції формування з СО, НСN, HCO(NMe 2) 2 . Специфіка підбору електрофільних каталізаторів реакцій формування.

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

ГАТТЕРМАН- НСN б\в + НС1 газ. Кат. AlCl 3 або ZnCl 2 .

Гаттерман-Адамс(факультативно) - Zn (CN) 2 + HCl. Можна використати 1,3.5. тріазин,/НС1/А1С1 3 (факультативно), або С1 2 СНОR (на 5+++)

Губен-Геш(ацилювання з RCN, HCl та ZnCl 2).

ФОРМІЛЮВАННЯ ПО ВІЛЬСМЕЙЄРУ-ХААКУ. Тільки електронозбагачений арен! + ДМФА + РОС1 3 (можна SOCl 2 COCl 2).

13. Реакція гідроксиметилювання, конденсація карбонільних сполук з аренами (ДДТ, дифенілолпропан), хлорметилювання.

14. Застосовність реакцій формування та гідроксиметилювання.

Гаттерман-Кох -алкілбензоли, бензол, галогенбензоли.

Гаттерман – активовані арени, толуол.

Вільсмейєр-Хаак – лише активовані арени

Хлорметилювання – фенол, анізол, алкіл- та галогенбензоли.

Гідроксиметилювання – активовані арени.

(Активовані арени – це аніліни, фенол та ефіри фенолу.)

15. Тріарілметанові барвники. Кристалвіолет (4-Ме 2 N-C 6 H 4) 3 С + Х - . Синтез із п-Ме 2 N-C 6 H 4 CHO + 2 Ме 2 NPh + ZnCl 2 → ЛІЙКО-ФОРМА (білий колір). Далі окислення (PbO 2 або інший окислювач) трет-спирт, потім обробка кислотою, поява забарвлення.

ФАКУЛЬТАТИВНИЙ МАТЕРІАЛ.

1) Меркурування бензолу з Hg(OAc) 2 Гексамеркурірованіе бензолу з Hg(OAc F) 2. Отримання гексаіодбензолу.

2) Декарбоксилювання ароматичних кислот ArCOOH (нагрівання з порошком міді у хіноліні) = ArH + CO 2 . Якщо є електроноакцепторні групи в кільці, можна просто сильно нагріти сіль аренкарбонової кислоти. Якщо є донори, особливо в ортоположенні, можливе заміщення протоном карбоксильної групи, але це рідко!

3) Екзотичні електрофіли в реакціях з аренами: (HN 3 /AlCl 3 – дає анілін), R 2 NCl/ AlCl 3 дає R 2 NAr) (SCl 2 /AlCl 3 дає Ar 2 S. Родонування аніліну або фенолу дироданом (SCN) 2. Утворення 2-амінобензотіазолів.

4) Існує велика кількість "хитрих" реакцій, які запам'ятати неможливо, і не потрібно, наприклад PhOH + TlOAc + I 2 = о-іодфенол, або PhOH + t-BuNH 2 + Br 2 , -70 o C = о-бромфенол

НУКЛЕОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ В АРОМАТИЧНОМУ РЯДУ.

Чому нуклеофільне заміщення в аренах, що не містять сильних електроноакцепторних груп, відбувається насилу?

1. S N Ar– ПРИЄДНАННЯ-ВІДЩОПЛЕННЯ.

1) Природа інтермедіату. Комплекси Мейзенгеймера. (Умови стабілізації інтермедіату.) ЯМР 13, м.д.: 3(іпсо), 75.8(о), 131.8(м), 78,0(п).

2) Нуклеофіли. Розчинники.

3) Ряд рухливості галогенів. F (400)>>NO 2 (8)>Cl(1) ≈ Br(1.18)>I (0.26). Лімітує стадія.

4) Ряд активуючої здатності заступників (у якому положенні?) NO 2 (1)>MeSO 2 (0.05)>CN(0.03)>Ac(0.01).

5) Приклади конкретних реакцій та конкретних умов.

6) Факультативно: можливість заміщення NO 2 – групи. Виборче заміщення NO 2 – групи. Просторові фактори.

7) Нуклеофільне заміщення водню в ді- та тринітробензолі. Навіщо потрібний окислювач?

2. АРІНОВИЙ механізм - (ВІДЩОПЛЕННЯ-ПРИЄДНАННЯ).

Мічений хлорбензол і ортохлортолуол, аміди калію або натрію в рідкому NH 3 . Механізм.

Гідроліз про-, м-, і п-хлортолуолу, NaOH, H 2 O, 350-400 o C, 300 атм. ДУЖЕ Жорсткі УМОВИ!

Важливість індуктивного ефекту. Випадок о-хлоранізолу.

Повільна стадія – відрив протона (якщо Hal=Br, I) або відрив галогенід-аніону (якщо Hal=Cl, F). Звідси – незвичайний ряд рухливості галогенів:Br>I> Cl>F

Способи генерування дегідробензолу. Будова дегідробензолу – у цій частинці ні потрійний зв'язок! Уловлювання дегідробензолу.

3. МеханізмS RN1. Досить рідкісний механізм. Генерація аніон-радикалів – електричний струм, чи опромінення, чи металевий калій у рідкому аміаку. Реакційна здатність ArI>ArBr. Декілька прикладів. Які нуклеофіли можна використовувати? Застосування S RN1 : реакції для a-арилювання карбонільних сполук через єноляти.

4. Нуклеофільне заміщення у присутності міді. Синтез дифенілового ефіру, трифеніламіну, гідроліз о-хлоранізолу.

5. Декілька рідкісних прикладів. Синтез саліцилової кислоти з бензойної, нуклеофільне заміщення в гексафторбензолі.

6. S N 1 Ar – див. тему "Діазоз'єднання".

Додаткова література на тему "Ароматичні сполуки"

М.В.Горелік, Л.С.Ефрос. Основи хімії та технології ароматичних сполук. М., "Хімія", 1992.

НІТРОСПОЄДНЕННЯ.

Мінімум знань з аліфатичних нітросполук.

1. СИНТЕЗ: а) пряме нітрування у газовій фазі – лише найпростіші (1 семестр, тема – алкани).

б) RBr + AgNO 2 (ефір) = RNO 2 (I) + RONO (II). Співвідношення I та II залежить від R: R перш. 80:10; R друг. 15:30. R трет 0: 10: 60 (Е2, алкен). Можна використовувати NaNO 2 ДМФ. Тоді кількість RNO 2 більша навіть для вторинних R.Спосіб б) хороший для RX, активних S N 2-заміщення, наприклад, СlСН 2 COONa + NaNO 2 у воді при 85 про С. (тема: нуклеофільне заміщення та амбідентні аніони, 1 семестр).

в) НОВИЙ СПОСІБ СИНТЕЗУ– окислення аміногрупи з CF 3 CO 3 H(з (CF 3 CO) 2 О + H 2 O 2 в CH 2 Cl 2 або MeCN).Потрібно для аліфатичних та ароматичних амінів. Іноді можна брати м-ХНБК (м-хлорнадбензойної кислоти, m-CPBA, продажний реагент).НЕ БРАТИ ДЛЯ ОКИСЛЕННЯ KMnO 4 або K 2 Cr 2 O 7 ! Особливо для ароматичних амінів!

2. ВЛАСТИВОСТІ.Найголовніша властивість – висока СН-кислотність, таутомерія нітро-і аци-форми (РКу МеNO 2 10,5). Рівновага встановлюється повільно! З NaOH реагують обидві форми, і з содою – лише аци-форма! (Ганч).

Висока СН-кислотність робить нітросполуки аналогами енолізованих карбонільних сполук. Кислотність нітрометану близька до кислотності ацетилацетону, а не простих альдегідів та кетонів, тому використовуються досить слабкі основи – луги, карбонати лужних металів, аміни.

Реакція Анрі (Генрі) – аналог альдольної чи кротонової конденсації. Оскільки реакція Анрі проводиться у м'яких умовах, продуктом часто є нітроспирт (аналог альдоля), а чи не нітроолефін (аналог кротонового продукту). RCH 2 NO 2 - завжди CH-компонента!

Реакції Міхаеля та Манніха для RNO 2 . Факультативно: галогенування в NaOH, нітрозування, алкілування аніонів.

ВІДНОВЛЕННЯ АРОМАТИЧНИХ СПОЛУК.

1) Найважливіші проміжні продукти відновлення нітробензолу в кислому середовищі (нітрозобензол, фенілгідроксиламін) та лужному середовищі (азоксибензол, азобензол, гідразобензол).

2) Селективне відновлення однієї з нітрогруп у динітробензолі.

3) ВАЖЛИВІ ВЛАСТИВОСТІ ПРОДУКТІВ НЕПОВНОГО ВІДНОВЛЕННЯ НІТРОАРЕНІВ.

3а) Бензидинове перегрупування (Б.П.).

ВИХІД 85% для бензидину. (R, R' = H або ін. Заступник). ЗВЕРНУТИ УВАГУ НА ПОЛОЖЕННЯ R і R' до і після перегрупування!

Ще 15% - побічні продукти - в основному дифенілін (2,4'-діамінодіфеніл) і орто-Бензидин.

Кінетичне рівняння: V=k[гідразобензол] 2- Як правило, необхідно протонування по обох атомах азоту.

Бензидинове перегрупування - внутрішньомолекулярна реакція.Доведення. Механізм - узгоджена -сигматропна перегрупування. Узгоджений процес для бензидину.

Якщо одне або обидва пара-положення вихідних гідразобензолів зайнято (R=Hal. Alk, AlkO, NH 2 , NMe 2), може відбуватися семидінова перегрупування з освітою СЕМІДІНВВ.

Деякі заступники, наприклад, SO 3 H, CO 2 H, RC(O), що знаходяться в п-положенні, можуть відщеплюватися з утворенням продуктів звичайної Б.П.

Б.П. використовується у виробництві азобарвників, діамінів, напр. бензидину, толідину, діанізидину. Відкрита Н.Н.Зініним у 1845 р.

БЕНЗИДИН – КАНЦЕРОГЕН.

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

АЗОКСИБЕНЗОЛ Ph-N + (→О -)=N-Ph. (Завдання: синтез несиметричних азо- та азоксибензолів з нітрозоаренів та ароматичних амінів або арилгідроксиламінів відповідно, або синтез азоксибензолів з нітробензолів та ароматичних амінів (NaOH, 175 o C).

5) ФЕНІЛГІДРОКСИЛАМІН. Перегрупування в кислому середовищі.

На 5 +: споріднені перегрупування: N-нітрозо-N-метиланілін (25 o С), N-нітроанілін (10 o С, було), Ph-NH-NH 2 (180 o C). Механізм зазвичай міжмолекулярний.

6) НІТРОЗОБЕНЗОЛ та його димер.

Про реакцію нітробензолу RMgX з утворенням алкілнітрозобензолів та інших продуктів. Ця реакція показує, чому НЕ МОЖНА РОБИТИ реактиви Гриньяра з галогеннітробензолів!

МЕТОДИ ОТРИМАННЯ АМІНІВ,

відомі із матеріалів попередніх лекцій.

1. Алкілювання аміаку та амінів за Гофманом

2. Відновлення нітрилів, амідів, азидів, оксимів.

3. Відновлення ароматичних нітросполук.

4. Перегрупування Гофмана, Курціуса та Шмідта.

5. (Гідроліз амідів.)

Нові методи.

1. Відновлювальне амінування С=О (каталітичне).

2. Реакція Лейкарта (Ешвайлера-Кларка).

3. Синтез Габріеля,

4. Реакція Ріттера.

5. Каталітичне арілювання амінів у присутності мідних та паладієвих каталізаторів (реакції Ульмана, Бухвальда-Хартвіга) – найпотужніший сучасний метод синтезу різноманітних амінів.

Хімічні властивості амінів , відомі з попередніх лекцій.

1. Нуклеофільне заміщення (алкілування, ацилювання).

2. Нуклеофільне приєднання до С=О (іміни та єнаміни).

3. Елімінування за Гофманом і Коупом (з оксидів амінів).

4. Реакції електрофільного заміщення в ароматичних амінах.

5. Основність амінів (шкільна програма).

Нові властивості .

1. Основність амінів (новий рівень знань). Що таке рК а та рК b.

2. Реакція з азотистою кислотою.

3. Окислення амінів.

4. Різне– проба Хінсберга, галогенування амінів.

ДІАЗПОЄДНАННЯ.

1. ДІАЗО- та АЗО- з'єднання. СОЛІ ДІАЗОНІЯ. Аніони – прості та комплексні. Розчинність у воді. Вибухові властивості. Розподіл заряду на атомах азоту. Ковалентні похідні.

2. Діазотування первинних ароматичних амінів. Механізм діазотування (спрощена схема з використанням Н+ та NO+). Скільки молей кислоти потрібно? (Формально – 2, реально – більше.) Побічна освіта тріазенів та побічна азопоєднання.

3. Агенти діазотування в порядку зменшення їхньої реакційної здатності.

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

4. Нітрозування друг. і трет. амінів. Реакція аліфатичних амінів з HNO2.

5. Прийоми діазотування: а) класичний; б) для низькоосновних амінів; в) зворотний порядок змішування; г) у неводному середовищі – використання i-AmONO. Особливості діазотування фенілендіамінів. Контроль закінчення реакції.

6. Поведінка солей діазонію в лужному середовищі. Діазогідрат, син- та анти-діазотати. Амбидентність діазотатів.

7. Реакції діазоз'єднань із виділенням азоту. 1) Термічне розкладання арилдіазонію протікає через високореакційноздатні арил-катіони. Механізм заміщення у разі аналогічний S N 1 в аліфатичної хімії. За цим механізмом йде реакція Шимана та утворення фенолів та їх простих ефірів. 2) Нуклеофіли – відновники. Механізм - перенесення електрона, і утворення арил-радикалу. За цим механізмом протікає реакція з йодид-іоном, заміщення діазогрупи на водень. 3) Реакції у присутності порошку міді чи солей міді(I). Також мають радикальну природу, роль відновника грає мідь. Нуклеофіл переноситься на арил-радикал у координаційній сфері комплексів міді. Таких реакцій більшість у хімії солей діазонію. Реакція Зандмейєра та її аналоги. 4) Реакція Несміянова. 5) Діаріліодонієві та бромонієві солі.

8. Реакції діазосполуки без виділення азоту. Відновлення. Азосполучення, вимоги до азо- та діазокомпонентів. Приклади азобарвників (метилоранж).

9. Реакції Гомберга-Бахмана та Мейервейна Сучасна альтернатива – реакції крос-сполучення, що каталізуються комплексами перехідних металів та реакція Хека. На 5++: крос-поєднання з солями діазонію та діарілодонієвими солями.

10. ДІАЗОМЕТАН.Отримання, будова, реакції з кислотами, фенолами, спиртами (відмінність в умовах), з кетонами та альдегідами.

Феноли та хінони.

Більшість найважливіших методів синтезу фенолів відомі з матеріалів попередніх лекцій:

1) синтез через Na-солі сульфокислот;

2) гідроліз арилхлоридів;

3) через солі діазонію;

4) кумольний метод.

5) гідроксилювання активованих аренів за Фентоном.

ВЛАСТИВОСТІ ФЕНОЛОВ.

1) Кислотність; 2) синтез складних ефірів; 3) електрофільне заміщення (див. тему "Електрофільне заміщення в аренах");

4) Реакції електрофільного заміщення, не розглянуті раніше: карбоксилювання по Кольбі, формування за Реймером-Тіманом, нітрозування; 5) таутомерія, приклади; 6) Синтез простих ефірів; 6а) синтез алілових ефірів; 7) перегрупування Кляйзена;

8) окислення фенолів, ароксильні радикали; реакція Бухерера;

10) перетворення PhOHв PhNR 2 .

Хінони.

1. Будова хінонів. 2. Отримання хінонів. Окислення гідрохінону, семіхінон, хінгідрон. 3. Хлораніл, 2,3-дихлор-5,6-диціано-1,4-хінон (DDQ). 4. Властивості хінонів: а) окисно-відновні реакції, 1,2- та 1,4-приєднання, реакція Дільса-Альдера.

Найважливіші природні еноли, феноли і хінони.

ВІТАМІН С (1):Аскорбінова кислота. Відновлювач. Фарбування з FeCl 3 . У природі синтезується всіма хлорофиллсодержащими рослинами, плазунами і земноводними, багатьма ссавцями. Людина, мавпи, морські свинки під час еволюції втратили здатність її синтезувати.

Найважливіші функції – побудова міжклітинної речовини, регенерація та загоєння тканин, цілісність кровоносних судин, стійкість до інфекції та стресу. СИНТЕЗ КОЛАГЕНУ (гідроксилювання амінокислот). (Колаген – це наше все: шкіра, кістки, нігті, волосся.) Синтез норадреналіну. Нестача вітаміну С – ЦИНГУ. Вміст вітаміну С: чорна смородина 200 мг/100 г, червоний перець, петрушка – 150-200, цитрусові 40-60, капуста – 50. Потреба: 50-100 мг/день.

ТАННІН, це глікозид галової кислоти (2). Міститься в чаї, має дублячі властивості

РЕЗВЕРАТРОЛ(3) – міститься у ЧЕРВОНОМУ ВИНІ (французькому). Знижує ймовірність серцево-судинних захворювань. Інгібує утворення пептиду ЕНДОТЕЛІНА-1 – ключового чинника розвитку атеросклерозу. Сприяє просуванню французького вина ринку. Понад 300 публікацій за останні 10 років.

ГВОЗДИЧНЕ ОЛІЯ: евгенол (4).

ВІТАМІН Е (5)(Токоферол - "нащадок несу"). Антиоксидант. (Сам утворює неактивні вільні радикали). Регулює обмін селену у глутатіонпероксидазі – ферменті, який захищає мембрани від пероксидів. При нестачі – безпліддя, м'язова дистрофія, зниження потенції, зростає окислюваність ліпідів та ненасичених жирних кислот. Міститься в рослинних оліях, салаті, капусті, жовтку, злаках, вівсянці (геркулес, мюслі). Потреба – 5 мг/день. Авітаміноз буває рідко.

ВІТАМІНИ ГРУПИ К (6).Регуляція згортання крові та мінералізації кісткової тканини (карбоксилювання залишку глутамінової кислоти в положення 4 (у складі білків!)) – результат: зв'язування кальцію, ріст кісток. Синтезується у кишечнику. Потреба – 1 мг на добу. Геморагічні захворювання. Антивітаміни К. Дікумарін. Зниження згортання крові при тромбозах.

УБІХІНОН("Всюдисущий хінон"), він же - коензим Q (7). Перенесення електронів. Тканинне дихання. Синтез АТФ. Синтезується в організмі.

ХРОМОН (8) та ФЛАВОН (9)- Напівхінони, напівефіри фенолів.

КВЕРЦЕТИН (10). РУТИН – вітамін Р (11)(Це кверцетин + цукор).

Вітамін проникності. При нестачі кровотеча, стомлюваність, біль у кінцівках. Зв'язок вітамінів С та Р (аскорутин).

АНТОЦІАНИНИ(Від грец.: Забарвлення кольорів).

ЩО ТАКЕ ЛІГНІН? З чого складається деревина? чому вона тверда та водонепроникна?

"АЛІЦИКЛИ", 2 лекції.

1. Формальна класифікація циклів(гетероцикли та карбоцикли, і ті та інші можуть бути ароматичними та неароматичними. Аліциклами називаються неароматичні карбоцикли.

2. Поширення в природі (нафта, терпени, стероїди, вітаміни, простагландини, хризантемова кислота та піретроїди, ін.).

3. Синтез – кінець ХІХ ст. Перкін мол. – із натрмалонового ефіру. (Див. п.13). Густавсон:

Br-CH2CH2CH2-Br+Zn (EtOH, 80 o C). Це 1,3-елімінування.

4. БАЙЄР (1885 р.). Теорія напруги. Це навіть не теорія, а дискусійна стаття: За Байєром – всі цикли плоскі. Відхилення від кута 109 про 28' – напруга. Теорія жила-жила років 50, потім померла, а термін залишився. Перші синтези макро- та середніх циклів (Ружичка).

5. ТИПИ НАПРУГИ У ЦИКЛАХ: 1) Кутове (тільки малі цикли);

Напр. за Баєром
Напр. по D H o f ккал/м (теплий образ.)
Напр. по D H o f ккал/м: З 9 (12,5 ккал/м), 10 (13 ккал/м), 11 (11 ккал/м), 12 (4 ккал/м), 14 (2 ккал/м).
Теплота згоряння на CH 2 групу, ккал/м	МАЛІ ЦИКЛИ 166.6 (С3), 164,0 (С4)		ЗВИЧАЙНІ 158,7 (С5), 157,4 (С6)		СЕРЕДНІ ДО З 12 (C 13) МАКРОЦИКЛИ > C 13

6. ЦИКЛОПРОПАН. Будова(С-С 0,151 нМ, НСН = 114 о), гібридизація (по расчетамдляС-Н вона ближче до sp 2 , для C-C- sp 5 ), банановые зв'язку, кут 102 про подібність з алкенами, ТОРСІЙНА напруга – 1 ккал/м на С-Н, тобто. 6 ккал/м із 27.2 (табл.). Кислотність CH - рКа як у етилену = 36-37, можливе сполучення циклопропанового фрагмента з р-орбіталями сусідніх фрагментів (стабільність циклопропілметильного карбокатіону) .

ОСОБЛИВОСТІ ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ. 1. Гідрування С 3 Н 8 (Н 2 /Pt, 50 про С)/ 2. з вологим HBr – розкриття циклу метилциклопропану за Марковниковим, 1,5-приєднання до вінілциклопропану 3. Радикальне галогенування. 4. Стійкість до деяких окислювачів (нейтральний розчин KMnO 4 озон). У фенілциклопропані озон окислює Phкільце утворенням циклопропанкарбонової кислоти.

7. ЦИКЛОБУТАН. Будова(С-С 0,155 нМ, НСН = 107 о) , КОНФОРМАЦІЯ - складчаста, відхилення від площини дорівнює 25 о. ТОРСІЙНА напруга.

Майже немаєОСОБЛИВОСТЕЙ ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ:Гідрування в С 4 Н 10 (Н 2 /Pt, 180 про З).Особливості будови оксетанов: торсіонна напруга – 4 ккал/м замість 8.

8. ЦИКЛОПЕНТАН. Кутового напруження майже немає. У плоскому – 10 пар заслонених СН зв'язків (це могло б дати торсіонну напругу 10 ккал/м, але циклопентан – не плоский). Конформації: відкритий конверт – напівкрісло – відкритий конверт. ПСЕВДОВТОР - компроміс між кутовим і торсіонним напругою.

9. ЦИКЛОГЕКСАН - КРІСЛО. Кутової та торсійної напруги немає. Аксіальні та екваторіальні атоми.Всі С-Н зв'язку сусідніх атомів вуглецю знаходяться в загальмованому положенні. Перехід між двома можливими кріслоподібними конформаціями через твіст-форму і т.д. 10 5 разів на сек.ЯМР спектр циклогексану.Швидкі та повільні обмінні процеси в ЯМР.

МОНОЗАМІЩЕНІ ЦИКЛОГЕКСАНИ. Конформери. Аксіальні та гош-Бутанові взаємодії.

Вільні конформаційні енергії заступників.- D G о, ккал/м: H(0), Me(1.74, це ~ 95% е-Ме конформера в рівновазі), i-Pr(2.1), t-Bu (5.5), Hal (0.2-0.5) Ph (3.1).

Третій-бутільная група як якір, що закріплює конформацію, у якій сама займає екваторіальне становище. У трет-бутилциклогексани при кімнатній температурі понад 99,99% екваторіального конформера

Аномерний ефект.Відкритий на моносахаридах і детальніше буде розглянуто там.

10. ДИЗАМІЩЕНІ ЦИКЛОГЕКСАНИ. Цис-транс-ізомери, енантіомери для 1,2-. 1,3-. 1,4-дизаміщених циклогексанів.

11. ВПЛИВ КОНФОРМАЦІЙНОГО СТАНУ на реакційну здатність. Згадати елімінування в ментил- та ізоментілхлориді (1 сем). Правило Бредт.

12. Поняття про конформації середніх циклів (крісла-ванни, корони тощо)Трансаннулярна напруга. Поняття про трансаннулярні реакції.

13. Методи синтезу малих циклів.

14. СИНТЕЗ ЗВИЧАЙНИХ І СЕРЕДНІХ ЦИКЛІВ.

Через малоновий ефір.

Піроліз Ca, Ba, Mn, Th солей a, w-дикарбонових кислот.

Конденсація Дікмана.

Через a, w-динітрили.

Ацилоїнова кондесація.

Метатеза алкенів.

Циклотри- та тетрамеризація на металокомплексних каталізаторах.

Реакція Дем'янова.

15. Особливості будови циклоалкенів.

16. Синтез циклоалкінів.

17. Біцикли. Спірани. Адамантан.

18. Екзотика. Тетраедран, кубан, ангулани, пропеллан.

ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ.

1. П'ятичленові гетероцикли з одним гетероатомом.

Піррол, фуран, тіофен, ароматичність, їх похідні у природі (порфірин, гем, хлорофіл, вітамін В 12, аскорбінова кислота, біотин).

2. Методи синтезу п'ятичленних гетероциклів із одним гетероатомом.Метод Пааля-Кнорра. Синтез піролу за Кнорром та фурана по Фейсту-Бенарі. Перетворення фурану на інші п'ятичленові гетероцикли за Юр'євим. Одержання фурфуролу з рослинних відходів, що містять п'ятивуглецеві вуглеводи (пентозани).

3. Фізичні та хімічні властивості п'ятичленних гетероциклів.

Дані спектрів ЯМР 1 Н і 13 С, м.д. (Для бензолу δН 7.27 і δС 129 м.д.)

Дипольні моменти

3.1 Електрофільне заміщення у піролі, фурані та тіофені.

За реакційною здатністю по відношенню до електрофілів пірол нагадує активовані ароматичні субстрати (фенол або ароматичні аміни). більш реакційноздатний, ніж бензол (фактор швидкості 103-105). Всі п'ятичленові гетероцикли схильні до полімеризації та осмолення в присутності сильних протонних кислот та високореакційних кислот Льюїса. Особливо високою ацидофобністю вирізняється пірол.ДЛЯ ЕЛЕКТРОФІЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ У П'ЯТИЧЛЕНИХ ГЕТЕРОЦИКЛАХ, ОСОБЛИВО ПІРРОЛІ, НЕ МОЖНА БРАТИ СИЛЬНІ МІНЕРАЛЬНІ КИСЛОТИ, AlCl 3 , А ТАКОЖ СИЛЬНІ ОКИСЛЮВАЧІ! Хоча це правило не абсолютно, і тіофен до певної міри стійкий до дії кислот, простіше і надійніше уникати таких реакцій для всіх донорних гетероциклів. Приклади реакцій електрофільного заміщення у піролі, фурані та тіофені.

3.2. Основність і кислотність піролу, алкілування Li, Na, К та Mg похідних піролу.

3.3. Конденсація піролу з альдегідами (формілювання, утворення порфіринів).

3.4. Особливості хімічних властивостей фуранів (реакція з бромом, реакція Дільса-Альдера).

3.5. Особливості хімічних властивостей тіофену. Десульфурізація.

3.6. Реакції С-металевих п'ятичленних гетероциклів.

4. Конденсовані п'ятичленові гетероцикли з одним гетероатомом.

4.1. Індоли у природі (триптофан, скатол, серотонін, гетероауксин. Індиго.)

4.2 Синтез індолів за Фішером. Механізм.

4.3 Порівняння властивостей індолу та піролу.Аналогічно піролу індол ацидофобний і дуже чутливий до окислювачів. Істотною відмінністю від піролу є орієнтація електрофільного заміщення у положення 3.

5. П'ятичленові гетероцикли з двома гетероатомами. Імідазол, Амфотерність, таутомерія, використання при ацилюванні. Порівняння із амідинами. Імідазол – донор та акцептор водневих зв'язків. Це важливо для хімії ферментів, наприклад, хімотрипсину. Саме гістидиновий фрагмент хімотрипсину переносить протон і забезпечує гідроліз пептидного зв'язку.

6. Пиридин, ароматичність, основність (рка 5,23; основність можна порівняти з аніліном (рКа = 4,8), але трохи більше). рка похідних піридину: 2-аміно-Ру = 6,9 , 3-аміно-Ру = 6,0 . 4-аміно-Ру = 9,2. Це досить сильна основа. 4-нітро-Ру = 1,6; 2-ціано-Ру = -0,26).

Похідні піридину в природі (вітаміни, нікотин, NADP).

6.1. Дані спектрів ЯМР 1 Н (13 С), δ, м.д.

6.2. Методи синтезу піридинів (з 1,5-дикетонів, трикомпонентний синтез Ганча).

6.3. Хімічні властивості піридину.Алкілювання, ацилювання, DMAP, комплекси піридину з кислотами Льюїса. (cSO 3 BH 3 NO 2 + BF 4 - FOTf). М'які електрофільні реагенти для сульфування, відновлення, нітрування та фторування відповідно.

6.4. Реакції електрофільного заміщення для піридину. Особливості реакцій та приклади умов електрофільного заміщення у піридині.

6.5. N-окис піридину, отримання та її використання у синтезі. Введення нітрогрупи в 4 положення кільця.

6.6. Нуклеофільне заміщення в 2-, 3-, та 4-хлорпіридинах.Чинники парціальних швидкостей проти хлорбензолом.

Аналогічна тенденція спостерігається і для 2-, 3- та 4-галогенхінолінів.

6.7. Нуклеофільне заміщення гідрид-іону:

реакція піридину з алкіл-або ариллітієм;

реакція піридину з амідом натрію (реакція Чічібабіна).Оскільки елімінування вільного гідрид-іону неможливе з енергетичних причин, у реакції Чичибабіна проміжний сигма-комплекс ароматизується за рахунок взаємодії з продуктом реакції з утворенням натрієвої солі продукту та молекулярного водню.

В інших реакціях гідриди зазвичай видаляють за допомогою окислення. Так, солі піридину можуть піддаватися гідроксилюванню, що призводить до утворення 1-алкілпіридонів-2. Процес іде аналогічно амінуванню, але у присутності окислювача, наприклад, K 3 .

6.8. Літіопохідні піридину.Одержання, реакції.

6.9. Пиридинове ядро ​​як сильний мезомірний акцептор. Стійкість карбаніонів, пов'язаних з піридиновим ядром у 2- або 4-положеннях. Особливості хімічних властивостей метилпіридинів та вінілпіридинів.

7. Конденсовані шестичленові гетероцикли з одним гетероатомом.

7.1. Хінолін. Хінін.

Спектри ЯМР 1 Н (13 С) хіноліну, δ, м.д.

7.1. Методи одержання хінолінів. Синтези Скраупа та Дебнера-Міл-лера.Поняття механізм цих реакцій. Синтез 2- та 4-метилхінолінів.

7.2. Ізохіноліни,синтез за Бішлером-Напіральським .

7.3. Хімічні властивості хінолінів та ізохінолінів.Порівняння з піридином, відмінності властивостей піридину та хіноліну.

Поведінка гетероциклічних сполук у присутності окислювачів та відновників, призначених для модифікації бічних ланцюгів.

Відновлювачі:

Піррол – практично необмежено стійкий до дії відновників, а також основ та нуклеофілів (наприклад, витримує гідриди, боран, Na у спирті без торкання кільця, навіть при тривалому нагріванні).

Тіофен – як і пірол, стійкий до дії відновників, а також підстав, нуклеофілів за винятком відновників на основі перехідних металів. Будь-які сполуки нікелю (нікель Ренея, борід нікелю) викликають десульфуризацію та гідрування скелета. Каталізатори на основі паладію та платини зазвичай отруюються тіофенами і не працюють.

Фуран також як пірол, але дуже легко гідрується.

Індол - повністю аналогічний піролу.

Кільце піридину відновлюється легше, ніж кільце бензолу. Для бічних ланцюгів можна використовувати NaBH 4 небажано (часто навіть не можна) використовувати LiAlH 4 .

Для хіноліну закономірності практично ті ж, що для піридину, не можна використовувати LiAlH 4 .

У кватернізованій формі (N-алкілпіридиній, хіноліній) дуже чутливі до відновників (відновлення кільця), основ, нуклеофілів (розкриття кільця).

Окислювачі.

Використання окислювачів для сполук піролу, індолу та, меншою мірою фурану, призводить, як правило, до руйнування кільця. Присутність електроноакцепторних заступників підвищує стійкість до окислювачів, проте докладніша інформація про це виходить за межі програми 3 курсу.

Тіофен веде себе подібно до бензолу – звичайні окислювачі не руйнують кільце. Але категорично виключено використання перекисних окислювачів у будь-якій формі – відбувається окислення сірки до сульфоксиду та сульфону із втратою ароматичності та негайною димеризацією.

Піридін досить стійкий до більшості окислювачів у м'яких умовах. Відношення піридину до нагрівання з KMnO 4 (рН 7) до 100 o З запаяною ампулі таке ж, як і для бензолу: кільце окислюється. У кислому середовищі в протонованій формі піридин ще більш стійкий до окислювачів можна використовувати стандартний набір реагентів. Надкислоти окислюють піридин у N-оксид – див. вище.

Окислення одного з кілець хіноліну з KMnO 4 призводить до піридин-2,3-дикарбонової кислоти.

8. Шестичлені гетероцикли з кількома атомами азоту

8.1. Піримидин.Похідні піримідину як компоненти нуклеїнових кислот та лікарських препаратів (урацил, тимін, цитозин, барбітурова кислота). Противірусні та протипухлинні препарати – пр-ні піримідину (5-фторурацил, азидотимидин, алкілметоксипіразини – компоненти запаху їжі, фруктів, овочів, перцю, гороху, смаженого м'яса. Так звана реакція Мейяра (Maillard) (факультативно).

8.2. Поняття про хімічні властивості похідних піримідину.

Пиримидин можна бромувати в положення 5. Урацил (див. нижче) також можна бромувати і нітрувати в положення 5.

Легкі реакції S N 2Ar у хлорпіримідинах(аналогія з піридином!): за положенням 4 йде швидше, ніж 2.

Заміщення 2-С1 під дією КNH 2 NH 3 ж. Механізм не ариновий, а ANRORC (5+++).

10. Біадерні гетероцикли із кількома атомами азоту. Пурини (аденін, гуанін).

Найбільш відомі пурини (кофеїн, сечова кислота, ацикловір). Ізостери пуринів (алопуринол, силденафіл (віагра)).

Додаткова література на тему "Гетероцикли"

1. Т.Джілкріст "Хімія гетероциклічних сполук" (Пер. з англ. - М.: Світ, 1996)

2. Дж. Джоуль, К. Міллс "Хімія гетероциклічних сполук" (Пер. з англ. - М.: Світ, 2004).

АМІНОКИСЛОТИ .

1.Амінокислоти (АК) у природі. (≈ 20 амінокислот присутні в білках, це АК, що кодуються, >200 АК зустрічаються в природі.)

2. α-, β-, γ-амінокислоти. S-конфігурація природних L-амінокислот.

3. Амфотерність, ізоелектрична точка(РН зазвичай 5,0-6,5). Основні (7,6-10,8), кислі (3,0-3,2) амінокислоти. Підтвердження цвіттер-іонної будови. Електрофорез.

4. Хімічні властивості АК- властивості COOH і NH 2 груп. Хелати. Бетаїни. Поведінка при нагріванні(СР з оксикислотами). Освіта азлактонів з N-ацетилгліцину та гідантоїнів із сечовини та АК – на 5++. Синтез складних ефірів і N-ацілювання - шлях до пептидного синтезу (див. лекцію про білок).

5. Хімічне та біохімічне дезамінування,(механізми не вивчати!), принцип ферментативного переамінування з вітаміном В 6 (було в темі "Карбонільні сполуки" та в курсі біохімії).

7. Найважливіші способи синтезу амінокислот:

1) з галогенкарбонових кислот – два примітивні способи, включаючи фталімідний. (Обидва вже відомі!)

2) синтез Штрекера;

3) алкілування аніонів СН-кислот – PhCH=N–CH 2 COOR та N-ацетиламіномалонового ефіру.

4) Енантіоселективний синтез АК шляхом:

а) мікробіологічного (ферментативного) поділу та

б) енантіоселективне гідрування з використанням хіральних каталізаторів.

5) β-амінокислоти. Синтез по Міхаелю.

	Гідрофобні амінокислоти	Трохи про біохімічну роль (для загального розвитку)
АЛАНІН		Винесення аміаку з тканин у печінку. Трансамінування, перетворення на піровиноградну до-ту. Синтез пуринів, піримідинів та гему.
ВАЛІН*		Якщо в результаті мутації валін встає на місце глутамінової кислоти в гемоглобіні – буває спадкове захворювання – серповидно-клітинна анемія. Серйозна спадкова хвороба, поширена в Африці, але при цьому надає стійкості до малярії.
Лейцин*
ІЗОЛЕЙЦИН*
ПРОЛІН		Вигини в молекулах білків. Відсутність обертання там, де є пролін.
Фенілаланін *		Якщо не перетворюється на тирозин – буде спадкове захворювання на фенілпіровино-градну олігофренію.
ТРИПТОФАН*		Синтез НАДФ, серотоніну. Розпад у кишечнику до скатолу та індолу.
	Гідрофільні амінокислоти
ГЛІЦІН Gly (G)	H 2 N-CH 2 -COOH	Бере участь у великій кількості біохімічних синтезів в організмі.
СЕРІН Ser (S)	HO-CH 2-CH(NH 2)-COOH	Беруть участь (у складі білків) у процесах ацилювання та фосфорилювання.
ТРЕОНІН* Thr (T)	CH 3 -CH(OH)- CH(NH 2)-COOH
ТИРОЗИН Tyr (Y)		Синтез тиреоїдних гормонів, адреналіну та норадреналіну.
	"Кислі" амінокислоти
АСПАРАГІНОВА КИСЛОТА Asp (D)	HOOC-CH 2-CH(NH 2)-COOH	Донор аміногруп при синтезах.
ГЛУТАМІНОВА КИСЛОТА Glu (E)	HOOC-C 4 H 2 -CH 2-CH(NH 2)-COOH	Утворює ГАМК (γ-аміномасляну кислоту (аміналон) – заспокійливий засіб. Glu виносить NH 3 з мозку, перетворюючись при цьому на глутамін (Gln).
	"А М І Д И" кислих амінокислот
АСПАРАГІН Asn (N)	H 2 N-CO-CH 2 -CH(NH 2)-COOH
ГЛУТАМІН Gln (Q)	H 2 N-CO-CH 2 -CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Донораміногруп у синтезах
ЦИСТЕЇН Cys (C)	HS-CH 2-CH(NH 2)-COOH	Освіта S-S зв'язків (третина, структура білків, регуляція активності ферментів)
ЦИСТИН	Cys-S-S-Cys
МЕТІОНІН* Met	MeSCH 2 CH 2 - CH(NH 2)COOH	Донор мітильних груп
	"Основні" амінокислоти
ЛІЗИН* Lys (K)	H 2 N-(CH 2) 4 -CH(NH 2)-COOH	Утворює зшивки в колагені та еластині робить їх еластичними.
Аргінін Arg (R) Містить фрагмент гуанідину	H 2 N-C(=NH)-NH-(СН 2) 3 -СH(NH 2)-COOH	Бере участь у виведенні аміаку з організму
Гістидін His (H) Залишок імідазолу		Синтез гістаміну. Алергія.

* - незамінні амінокислоти.З більшості амінокислот легко синтезуються глюкоза та жири. Порушення обміну амінокислот в дітей віком призводить до розумової неповноцінності.

ЗАХИСНІ ГРУПИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ У ПЕПТИДНОМУ СИНТЕЗІ.

NH 2 -захисні групи -

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

ROC(O)- = PhСН 2 OC(O)-та заміщені бензили , t-BuOC(O)-та ін. трет-групи,

Флуоренілметилоксикарбонільна група,

Ts-група

СООН -захисні групи - ефіри – PhCH 2 O- та заміщені бензили,

t-BuO- та флуоренілметилові ефіри.

Окремого розгляду захисних груп для інших ФГ амінокислот не передбачено.

Методи створення пептидного зв'язку.

1. Хлорангідридний (через X-NH-CH(R)-C(O)Cl). Спосіб застарів.

2..Азидний (за Курціусом, через X-NH-CH(R)-C(O)Y → C(O)N 3 як м'який ацилюючий реагент.

3. Ангідридний - напр. через змішаний ангідрид із вугільною кислотою.

4.Активовані ефіри (наприклад С(О)-ОС 6 F 5 і т.п.)

5. Карбодіімідний - кислота + ДЦК + амін

6. Синтез на твердому носії (напр., на смолі Мерріфілда).

Біологічна роль пептидів. Декілька прикладів .

1. Енкефаліни та ендорфіни – опіоїдні пептиди.

наприклад Tyr-Gly-Gly-Phe-Met та

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu измозгасвині. Відомо кілька сотень аналогів.

2. Окситоцин та вазопресин Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu -Gly-NH 2

│________________│

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

│________________│

3. Інсулін контролює засвоєння глюкози клітиною. Надлишок глюкози у крові (діабет) – призводить до глікозилювання всього поспіль (переважно білків).

4. Перетворення пептидів: ангіотензиноген → ангіотензин I → ангіотензин II. Один з основних механізмів регуляції артеріального тиску (АТ), місце застосування багатьох ліків (блокатори АПФ - ангіотензин-перетворюючого ферменту. Каталізатор 1 стадії - фермент ренін (виділений з нирок).

5. Пептидні токсини. Діють при хворобах – ботулізм, правець, дифтерія, холера. Отрути змій, скорпіонів, бджіл, токсини грибів (фалоїдин, амантин), морських безхребетних (Conusgeographus – 13 АК, два -S-S-містки). Багато стійкі при кип'ятінні в кислому розчині (до 30 хв).

6. Пептидні антибіотики (граміцидин S).

7. Аспартам Asp-Phe-OMe у 200 разів солодший за цукор. Гіркі та "смачні" пептиди.

8. Білки. Чотири рівні організації нативної білкової молекули. Білок – унікальний (поряд з нуклеїновими кислотами) тип макромолекули, що має точно відому структуру, впорядковану аж до деталей стереохімії та конформації. Всі інші відомі макромолекули, у тому числі й природні (полісахариди, лігнін тощо) мають більшою чи меншою мірою невпорядковану будову – широке розподілення молекулярних мас, вільну конформаційну поведінку.

Первинна структура – ​​послідовність амінокислот. Як коротко позначається первинна структура?

Вторинна структура – ​​конформаційно-регулярні елементи двох типів (α-спіралі та β-шари) – так упорядковується лише частина білкової макромолекули.

Третинна структура – ​​унікальна впорядкована стереохімічна конфігурація повної макромолекули. Поняття про "складання" (folding) поліпептидного ланцюга в третинну структуру білка. Пріони.

Четвертична структура – ​​з'єднання кількох субодиниць у білках, що складаються з кількох поліпептидних ланцюгів. Дисульфідні містки (оборотне перетворення цистеїн-цистин) як спосіб закріплення третинної та четвертинної структури.

ВУГЛЕВОДИ.

1. Що таке вуглеводи? Вуглеводи навколо та всередині нас.

2. Поняття про фотосинтез похідних D-гліцеринової кислоти. Тільки для особливо видатних студентів – про утворення дифосфату гліцеринової кислоти з D-рибулози.

3. Що таке D-ряд вуглеводів?(Коротко про історію виникнення поняття про D-і L-ряди).

4. Класифікація вуглеводів: а) за кількістю атомів; б) за наявністю С=О або СНТ груп; в) за кількістю циклічних фрагментів.

5. Синтез вуглеводів з D-гліцеринового альдегіду методом Кіліані-Фішера.Як Фішер встановив формулу глюкози?

6. Виведення формул всіх D-тетроз, -пентоз, -гексоз з D-гліцеринового альдегіду (відкриті структури).Для всіх студентів – знати формулу глюкози (відкриту та циклічну), маннози (2-епімер глюкози), галактози (4-епімер глюкози), рибози. Піранози та фуранози.

7. Вміти перейти від відкритої форми до циклічної за Хеуорсом. Вміти намалювати формули α- та β–глюкози (всі заступники в положенні крім аномерного) у конформації крісла.

8. Що таке епімери, аноміри, мутаротація.Аномерний ефект.

9. Хімічні властивості глюкози як альдегідоспирту: а) хелати з іонами металів, одержання глікозидів, повних простих та складних ефірів, ізопропіліденовий захист; б) окислення СНТ групи іонами металів, бромною водою, НNО 3 . Розщеплення за Волею.Реакція з амінами та одержання озазонів.Найважливіші принципи та прийоми вибіркового алкілування різних гідроксилів у глюкозі.

10. D-фруктоза як представник кетозу. Відкрита та циклічна форми.Реакція срібного дзеркала на фруктозу.

11. Поняття про дезоксицукри, аміносахари. Сюди ж хітин та гепарин. Септулози та октулози в авокадо. Реакція Меяра (Maillard).

12. Олігосахариди. Мальтоза,целобіозу,лактоза, цукроза. Відновлюючі та невідновлювальні цукру.

13. Полісахариди – крохмаль(20% амілози + 80% амілопектину),іодкрохмальна проба, глікоген, целюлоза,гідроліз крохмалю в порожнині рота (амілаза) та гідроліз целюлози,нітроклітковина, віскозне волокно,виробництво паперу , групи крові та відмінність між ними.

Найважливіші полісахариди.

ПОЛІСАХАРИД	СКЛАД і будова	примітки
циклодекстрини	α-(6), β-(7), γ-(8) Складається з глюкози, 1-4 зв'язки.	Відмінні комплексоутворювачі, хелатоутворювачі
крохмаль	α-глю-(1,4)-α-глю 20% амілози + 80% амілопектину	Амілоза= 200 глю, лінійний полісахарид. Амілопектін= 1000 і більше глю, розгалужений.
глікоген	"розгалужений" крохмаль, участь 6-ОН	Запас глюкози в організмі
	З залишків фруктози	Міститься в топінамбурі
целюлоза	β-глю-(1,4)-β-глю	Бавовна, клітковина рослин, деревина
целюлоза	Ксантогенат за 6-положенням	Отримання віскози – штучного шовку, целофану (пакувальної плівки)
ацетат целюлози	Приблизно діацетат	ацетатне волокно
нітрат целюлози	Тринітроефір	Бездимний порох
Виробництво паперу з деревини	Деревина = целюлоза + лігнін. Обробити Са(НSO 3) 2 або Na 2 S + NaOH	Сульфатація деревини – видалення лігніну у воду – одержання целюлозної маси.
	Полі-α-2-дезокси-2-N-Ac-аміноглюкоза (замість 2-ОН – 2-NH-Ac)	Якщо видалити Ас від азоту вийде хітозан – модна БАД
гіалуронова кислота	– (2-AcNH-глюкоза – глюкуронова кислота) n –	Мастило в організмі (напр. у суглобах).
	Будова дуже складна – (2-HO 3 S-NH-глюкоза – глюкуронова кислота) n –	Збільшує час згортання крові
Хондроїтин сульфат	Глікопротеїни (колаген), протеоглікани, зв'язок через NН 2 аспарагіну або ВІН серину	Є скрізь в організмі, особливо у сполучній тканині, хрящах.

Примітка: Глюкуронова к-та: 6-СООН – 1- СНТ

Глюконова к-та: 6-СН 2 ВІН - 1-СООН

Глюкарова к-та: 6-СООН – 1- СООН

1. Хімія та біохімія нуклеїнових кислот.

Азотисті основи в РНК:У (урацил), Ц (цитозин) – похідні піримідину. А (аденін), Г (гуанін) – похідні пурину. У ДНКзамість У (урацилу) присутній Т (тимін).

Нуклеозиди ( цукор+ азотистий основа): уридин, цитидин, тимідин, аденозин, гуанозин.

Нуклеотиди( фосфат+ цукор+ азотисту основу).

Лактим-лактамна таутомерія.

Первинна структурануклеїнових кислот (з'єднання нуклеозидів через атоми кисню у С-3 та С-5 рибози (дезоксирибози) за допомогою фосфатних містків.

РНК та ДНК.

а) Головні основи та мінорні основи (РНК). Лише для тРНК перелік мінорних основ наближається до 50. Сенс їхнього існування – захист від гідролітичних ферментів. 1-2 приклади мінорних основ.

в) Правила Чаргафа для ДНК. Найважливіше: А=Т. Г=Ц. Однак Г+Ц< А+Т для животных и растений.

Принципи будови ДНК

1. Нерегулярність.
Існує регулярний сахарофосфатний кістяк, до якого приєднані азотисті основи. Їхнє чергування нерегулярне.

2. Антипаралельність.
ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, орієнтованих антипаралельно. 3`-кінець однієї розташований навпроти 5`-кінця іншої.

3. Комплементарність (додатковість).
Кожній азотистої основи одного ланцюга відповідає строго певна азотна основа іншого ланцюга. Відповідність задається хімією. Пурин і піримідин у парі утворюють водневі зв'язки. У парі A-Т два водневі зв'язки, у парі Г-Ц – три, оскільки в цих підставах в ароматичному кільці є додаткова аміногрупа.

4. Наявність регулярної вторинної структури.
Два комплементарні, антипаралельно розташовані полінуклеотидні ланцюги утворюють праві спіралі із загальною віссю.

Функції ДНК

1. ДНК є носієм генетичної інформації.
Функція забезпечується фактом існування генетичного коду. Кількість молекул ДНК: у клітині людини – 46 хромосом, у кожній одна молекула ДНК. Довжина 1 молекули ~ 8 (тобто 2х4) див. У упакованому вигляді – 5 нм (це третинна структура ДНК, суперспіралізація ДНК на білках-гістонах).

2. Відтворення та передача генетичної інформації забезпечується процесом реплікації (ДНК → нова ДНК).

3. Реалізація генетичної інформації у вигляді білків та будь-яких інших сполук, що утворюються за допомогою білків-ферментів.
Ця функція забезпечується процесами транскрипції (ДНК у РНК) та трансляції (РНК у білок).

Репарація- Відновлення пошкодженої ділянки ДНК. Це відбувається через те, що ДНК – дволанцюжкова молекула, є комплементарний нуклеотид, який "підказує", що потрібно виправити.

Які бувають помилки та пошкодження? а) Помилки реплікації (10 -6); б) депуринізація, втрата пурину, утворення апуринових сайтів (у кожній клітині втрата 5000 пуринових залишків на добу!); в) дезамінування (наприклад цитозин перетворився на урацил).

Ушкодження, що індукуються. а) димеризація піримідинових кілець під дією УФ по С = зв'язків з утворенням циклобутанового кільця (для видалення димерів використовуються фотоліази); б) хімічне ушкодження (алкілування, ацилювання та ін.). Ремонт пошкоджень – ДНК-глікозилаза – апуринізація (або апіримідінізація) алкільованої основи – далі введення "нормальної" основи у п'ять стадій.

Порушення процесу репарації - Спадкові хвороби (пігментна ксеродерма, трихотіодистрофія та ін.) Спадкових хвороб близько 2000.

Інгібітори транскрипції та трансляції – антибактеріальні препарати.

Стрептоміцин - Інгібітор синтезу білка у прокаріотів.

Тетрацикліни - "зв'язуються з 30S субодиницею бактеріальної рибосоми і блокують приєднання аміноацил-тРНК в А-центр рибосоми, тим самим порушуючи елонгацію (тобто зчитування мРНК і синтез поліпептидного ланцюга)".

Пеніциліни та цефалоспорини - β-лактамні антибіотики. β-Лактамне кільце інгібує синтез клітинних стінок у грамнегативних мікроорганізмів.

Віруси – інгібітори матричних синтезів у еукаріотичних клітинах.

Токсини – часто роблять те саме, що й віруси. α-Аманітін- Токсин блідої поганки, LD 50 0,1 мг на кг маси тіла. Інгібування РНК-полімерази. Результат – незворотні зміни у печінці та нирках.

Ріцин - дуже сильна білкова отрута з рицини. Це фермент N-глікозилаза, який видаляє залишок аденіну з 28S рРНК великої субодиниці рибосоми, пригнічує синтез білка в еукаріотів. Міститься в рициновій олії.

Ентеротоксин збудника дифтерії (білок з масою 60 кД) – інгібування синтезу білків у зіві та гортані.

Інтерферони – білки з розміром близько 160 АК секретуються деякими клітинами хребетних у відповідь на зараження вірусами. Кількість інтерферону – 10-9 – 10-12 г, тобто. одна молекула білка захищає одну клітину. Ці білки як білкові гормони стимулюють синтез ферментів, які руйнують синтез мРНК вірусів.

Спадкові хвороби (моногенні) та (не плутати!) сімейна схильність до хвороб (діабет, подагра, атеросклероз, сечокам'яна хвороба, шизофренія – це мультифакторні хвороби.)

Принципи аналізу нуклеотидної послідовності (факультативно).

Технологія ДНК в медицині.

А. Виділення ДНК. Б. Розщеплення ДНК за допомогою рестриктаз. ДНК людини – 150х10 6 пар нуклеотидів. Їх треба поділити на 500 000 фрагментів по 300 пар у кожному. Далі гель-електрофорез. Далі – блот-гібридизація по Саузерну з радіозондом чи інші методики.

Секвенування. Екзонуклеази – послідовно відщеплюють один мононуклеотид. Це застаріла методика.

ПЛР (PCR) – полімеразно-ланцюгова реакція. (Нобел. пр. 1993: Кері Мулліс)

Принцип:праймери (це фрагменти ДНК ~20 нуклеотидів – комерційно доступні) + ДНК-полімераза → напрацювання ДНК (ампліфікатор) → аналіз ДНК (секвенатор). Нині все робиться автоматично!

Метод секвенування ДНК з використанням мічених дефектних нуклеотидів (наприклад, дідезоксинуклеотидів). Нині мітки не радіоактивні, а флуоресцентні. Аналіз на СНІД та інші ІПСШ. Швидко, але дорого. Краще не хворіти!

Успіх ПЛР для діагностики та поширення пов'язаний з тим, що ферменти, що беруть участь у процесі, виділені з термостійких бактерій гарячих джерел і зроблені генною інженерією, витримують нагрівання, при якому відбувається денатурація (дисоціація ланцюгів ДНК) і підготовка їх до наступного циклу ПЛР.

ТЕРПІНИ, ТЕРПЕНОЇДИ І СТЕРОЇДИ.

Турпентін – летюча олія із соснової смоли.

Терпени – група ненасичених вуглеводнів складу (З 5 Н 8) n , де n³ 2, поширені у природі. Містять фрагменти ізопентану, пов'язані, як правило, на кшталт “голова до хвоста” (це і є Правило Ружички).

Монотерпени З 10 (З 5 Н 8) 2 Се сквитерпени З 15, (З 5 Н 8) 3 Дітерпени С 20, (З 5 Н 8) 4 Тритерпени С 30, (З 5 Н 8) 6 . Політерпени (каучук).

Ступінь гідрування терпенів може бути різним, тому число атомів Н не обов'язково повинно бути кратно 8. Не буває 25 і 35 терпенов.

Терпени бувають ациклічні та карбоциклічні.

Терпеноїди (ізопреноїди) – це терпени (вуглеводні) + функціонально заміщені терпени. Велика група природних з'єднань з регулярною будовою скелета.

Ізопреноїди можна поділити на

1) терпеливі, у т.ч. функціонально заміщені,

2) стероїди

3) смоляні кислоти,

4) поліізопреноїди (каучук).

Найважливіші представники терпенів.

Деякі особливості хімії терпенів, біциклічних молекул та стероїдів.

1) некласичні катіони; 2) перегрупування типу Вагнера-Мейєрвейну; 3) легка окислюваність; 4) діастереоселективний синтез; 5) вплив віддалених груп.

Формально терплені - продукти полімеризації ізопрену, але шлях синтезу зовсім інший! Чому ж саме похідні поліізопрену набули такого поширення в природі? Це з особливостями їх біосинтезу з ацетилкоэнзима А, тобто. фактично з оцтової кислоти. (Блох, 40-60 рр. Обидва атоми вуглецю з 14 Н 3 З 14 ООН включаються в терп.)

СХЕМА СИНТЕЗУ МЕВАЛОНОВОЇ КИСЛОТИ – найважливішого проміжного продукту в біосинтезі терпенів та стероїдів.

Конденсація ацетилкоензиму А в ацетоацетилкоензим А проходить за типом складноефірної конденсації Кляйзена.

Синтез лимонену з геранілфосфату – важливої ​​проміжної речовини як у синтезі найрізноманітніших терпенів, і у синтезі холестерину. Нижче наведено перетворення лимонену на камфору під дією HCl, води та окислювача (РР – залишок пірофосфату).

Перетворення мевалонової кислоти в геранілфосфат відбувається шляхом 1) фосфорилювання 5-ОН; 2) повторного фосфорилювання 5-ОН та утворення пірофосфату; 3) фосфорилювання по 3-ОН. Все це відбувається під дією АТФ, яка перетворюється на АДФ. Подальші перетворення:

Найважливіші стероїдні гормони.

Утворюються в організмі із холестерину. Холестерин не розчинний у воді. Проникає в клітину та бере участь у біосинтезі через комплекси зі стеринопереносними білками.

ЖОВЧНІ КИСЛОТИ . Хольова кислота. Цис-зчленування кілець А і В. Жовчні кислоти покращують всмоктування ліпідів, знижують рівень холестерину, широко використовуються для синтезу макроциклічних структур.

СТЕРОЇДИ – ЛІКАРСЬКІ ЗАСОБИ.

1. Кардіотоніки. Дигітоксин. Міститься в різних видах наперстянки (DigitalispurpureaL. або DigitalislanataEhrh.). Глікозиди - це природні сполуки, які складаються з одного або декількох залишків глюкози або іншого цукру, найчастіше пов'язаних через положення 1 або 4 з органічною молекулою (АГЛІКОН). Речовини схожої структури та дії зустрічаються в отруті деяких видів жаб.

2. Діуретики.Спіронолактон (верошпірон). Антагоніст альдостерону. Блокує зворотне всмоктування іонів Na+, зменшує таким чином кількість рідини, що призводить до зниження артеріального тиску. Не впливає на вміст іонів К+! Це дуже важливо.

3. Протизапальні засоби.Преднізолон. 6-Метилпреднізолон (див. формулу вище). Фторстероїди (дексаметазон (9a-фтор-16a-метилпреднізолон), тріамцинолон (9a-фтор-16a-гідроксипреднізолон. Протизапальні мазі).

4. анаболіки.Сприяють утворенню м'язової маси та кісткової тканини. Метандростенолон.

5. БРАСИНОСТЕРІЇ- ПРИРОДНІ З'ЄДНАННЯ, ЩО ДОПОМАГАЮТЬ РОСЛИНАМ БОРОТИСЯ СО СТРЕСОМ (посуха, заморозки, зайве зволоження), Мають РОСТОРЕГУЛЮЮЧУ Активність.

24-епібрасінолід [(22R, 23R,24R)- 2α,3α,22,23- тетрагідрокси-В-гомо-7-окса-5α-ергостан-6-он.

Препарат "Епін-екстра", ННВП "НЕСТ-М".

МЕТАЛОКОМПЛЕКСНИЙ КАТАЛІЗ (1 СЕМЕСТР).