Реакционная способность углеводородов. Реакции SR, АЕ , SЕ

Основные вопросы лекции:
1. Предмет изучения биоорганической химии
2. Классификация органических реакций.
2. Реакции SR алканов, циклоалканов. Механизм, биологическая роль в метаболических процессах.
3. Реакция АЕ алкенов, алкадиенов. Механизм, значение.
4. Реакции SЕ аренов, гетероциклов. Механизм, биологическая роль .

Биоорганическая химия изучает строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредственной связи с познанием их биологической функции.

Субстрат – вещество, в котором происходит разрыв старых и образование новых связей с участием атома углерода.
Реагент – вещество, под действием которого происходят изменения в субстрате.
СН3Br + NaOH СН3OH + NaBr
Субстрат Реагент продукты реакции
Механизм реакции – детальное описание процесса в результате которого исходные вещества (субстрат и реагент) превращаются в продукты реакции.

Классификация
реакций
По направлению и конечному результату:
Реакции присоединения – А;
Реакции замещения – S;
Реакции отщепления – Е (элиминирования);
Реакции перегруппировки
Реакции окисления и восстановления

Классификация
реакций
По характеру изменения связей в субстратах и реагентах:
реакции радикальные (гомолитический тип разрыва связей)
Х : У ? Х. + У.
(образуются радикалы (R.): Х. и У. )
реакции ионные (гетеролитический тип разрыва связей)
E : N ? E + + :N–
(образуются электрофилы E + и нуклеофилы :N– )

Ионные реакции в зависимости от природы реагента:
электрофильные
нуклеофильные
Классификация
реакций

Основные понятия
РАДИКАЛЫ(R.) – свободные атомы или частицы с неспаренным электроном (.CH3, Cl., Br .).
ЭЛЕКТРОФИЛЫ (E) – частицы или фрагменты молекул, содержащие свободную орбиталь и имеющие недостаток электронной плотности (H+, Br +, Cl + ) .
НУКЛЕОФИЛЫ (N ) – частицы или фрагменты молекул, содержащие подвижную электронную пару на внешнем электронном уровне (Br -, Cl -, OH -, :NH3, Н2О:).
.

Основные понятия

Алканы
CnH2n+2

Реакции радикального замещения (SR) – …
… реакции замещения, в которых атаку осуществляют свободные радикалы — частицы, содержащие один или несколько неспаренных электронов.
Стадии процесса:
инициирование цепи;
развитие цепи;
обрыв цепи.

Пример SR реакции
1)Инициирование реакции
2) Развитие цепи

3) Обрыв цепи
Рекомбинация свободных радикалов:

Региоселективность реакций SR
Реакция галогенирования (Br2, Cl2) протекающая по механизму радикального замещения (SR), характеризуется региоселективностью, т.е. избирательностью к месту замещения.
При этом в первую очередь замещается атом водорода у третичного, затем у вторичного и первичного атомов углерода, что обусловлено меньшей энергией связи
С-Н у третичного атома углерода и большей стабильностью третичного радикала.

* Биологическая роль SR
*Поражение кроветворных систем, кожных покровов, желез внутренней секреции, иммунной системы, мутации.
* Злокачественные новообразования в организме.
* Изучение структур ферментов, мембран, липидов.
* Синтез лекарств: противоопухолевые, антибиотики.

Алкены
CnH2n

Механизм реакций АE
Реакция идет по механизму электрофильного присоединения (AE)
Нижник Я.П. http://norgchem.professorjournal.ru

Реакции электрофильного присоединения (АЕ) — …
… реакции, в которых атаку на начальной стадии осуществляет электрофил — частица, заряженная положительно или имеющая дефицит электронов. На конечной стадии образующийся карбкатион подвергается нуклеофильной атаке.
Чаще атакующей электрофильной частицей является H+.

М е х а н и з м р е а к ц и й АE
1. Образование π-комплекса
2. Образование циклического галогенониевого иона
Нижник Я.П. http://norgchem.professorjournal.ru

М е х а н и з м р е а к ц и й АE
3. Атака галогенониевого иона галогенид-ионом
Нижник Я.П. http://norgchem.professorjournal.ru
Атака галогенид -ионом происходит со стороны, противоположной по отношению атому галогена в галогенониевом ионе (в транс-положение), образуется продукт транс-присоединения.

Гидрогалогенирование
(присоединение галогеноводородов)
пропен 2-хлорпропан
Реакции идут по механизму электрофильного присоединения (AE)
CH2 = CH2 + HCl CH3-CH2-Cl
этен хлорэтан

М е х а н и з м р е а к ц и й АE
(карбокатион)
Электрофил H+, образующийся при гетеролитическом разрыве связи в молекуле HCl, атакует π-связь, образуя неустойчивый π-комплекс (быстрая стадия), который превращается в карбкатион (ϭ-комплекс). Это медленная стадия, определяющая скорость процесса в целом.
Нуклеофильная атака хлорид-анионом Cl– образовавшегося карбкатиона приводит к конечному продукту (быстрая стадия).

Правило В.В. Марковникова
При присоединении веществ типа НХ (НCl, HBr, HOH) к нессиметричным алкенам, водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (содержащему большее число атомов водорода)
пропен 2-хлорпропан

Правило Марковникова объясняют различием в стабильности двух альтернативных карбокатионов, т.е. направление присоединения реагентов типа НХ определяется относительной устойчивостью промежуточно образующихся карбкатионов (статический и динамический факторы).
Правило В.В. Марковникова

Относительная устойчивость карбкатионов определяется возможностью частичной делокализации положительного заряда в каждом из них (динамический фактор).
Алкильные группы (СН3) за счет своего положительного индуктивного эффекта (+I-эффекта, электронодонорные группы) обладают способностью понижать положительный заряд у соседнего атома углерода - увеличивают стабильность.
Таким образом, образование третичных карбкатионов более выгодный процесс, чем первичных.

Гидратация (присоединение воды)
Реакция идет по механизму электрофильного присоединения (AE) в соответствии с правилом Марковникова.
этилен этанол
(этиловый спирт)

Механизм реакции гидратации алкенов (AE)

* Биороль реакций AE
*Расщепление жиров в организме, ЖК, углеводов.
*Процессы окисления в клетках ЖК липидов.
*Биосинтез БАВ: терпены, стероиды, гормоны.
*Процессы превращения в цикле Кребса (основной катаболический путь) непредельных ЖК в гидроксикислоты.

фумаровая кислота яблочная кислота
Нижник Я.П. http://norgchem.professorjournal.ru
Присоединение воды к двойной связи протекает в организме
и катализируется ферментами, например в цикле Кребса:

Арены

Основной тип реакции для аренов – SЕ (sp2 - гибридизованные атомы углерода), реагенты галогены Hal2 (Cl2 , Br2), Н2SO4, НNО3,СН3Сl, СН3СОСl.
π-электронное облако, расположенное над- и под- плоскостью ароматического цикла восприимчиво к атаке электрофилами.
Реакции электрофильного замещения (SE)

Реакции электрофильного замещения (SE)
Атакующая частица — электрофил (положительно заряженная частица или частица с дефицитом ē). Уходящая частица — электрофуг. Процесс протекает в 4 стадии:
1. Генерирование электрофильной частицы.
2. Образование π–комплекса (быстрая стадия).
3. Образование σ–комплекса (медленная стадия).
4. Образование конечного ароматического продукта реакции.

Пример реакции SE
Реакции галогенирования

Пример реакции SE
Реакция нитрования

Ориентирующее действие заместителя
По ориентирующему и активирующему/дезактивирующему действию заместители можно разделить на 3 группы:
Ориентанты первого рода: направляют электрофильное замещение в орто- и пара-положения и активируют реакцию – она протекает легче, чем с незамещённым бензолом. (алкильные группы, OH, NH2, CH3O)
Ориентанты второго рода: направляют электрофильное замещение в мета-положения и дезактивируют реакцию – она протекает труднее, чем с незамещённым бензолом. (COOH, CHO, CONH2, SO3H, NO2)
Галогены. Направляют электрофильное замещение в орто- и пара-положения и дезактивируют реакцию (F, Cl, Br, I).

Механизм реакции SE
(заместители I рода )
SE
Орто-анилинсульфокислота

Пример реакции SE

Механизм реакции SE
(заместители II рода )

*Биологическая роль SE
* Биосинтез ароматических гормонов и аминокислот.
* Синтезы лекарственных препаратов: сульфаниламидов, салицилатов, антисептиков, гормональных препаратов, сахарина и др.