Билет №4
1. Кислотность и основность органических соединений по Бренстоду-Лоури. Типы органических кислот и оснований. Факторы, влияющие на кислотность и основность.
2. Химические свойства моносахаридов: восстановление, окисление (мягкое, жесткое, ферментативное), образование простых и сложных эфиров, гликозидов.
Химия теория билет 4
1. По Бренстеду-Лоури, кислоты представляют собой вещества, способные отдавать протон, а основания - вещества, присоединяющие протон. Такой подход известен как бренстедовская кислотность и основность органических соединений или протонная теория кислот и оснований (протолитическая теория): кислота протон + основание. Процесс отрыва протона и его присоединение другим партнером по взаимодействию проиллюстрируем простейшим примером. Рассмотрим химизм процесса растворения серной кислоты в воде. Серная кислота отдает протон основанию, роль которого выполняет вода, при этом образуются новая кислота (ион гидроксония H3О+) и новое основание (бисульфат-анион ). Последние еще называются соответственно сопряженной кислотой и сопряженным основанием. С переходом протона взаимодействующие соединения поменялись ролями - серная кислота превратилась в сопряженное основание , а вода (основание) - в сопряженную кислоту H3O+ : При смешении серной и уксусной кислот последняя играет роль основания. Образующаяся протонированная уксусная кислота и бисульфат-анион соответственно являются сопряженными кислотой и основанием: то есть, по Бренстеду-Лоури, кислотно-основное взаимодействие рассматривается как процесс передачи протона. Приведенные примеры показывают, что не может быть абсолютного деления веществ на кислоты и основания. Такое деление носит относительный характер. Вещества, потенциально способные быть кислотами, становятся таковыми только в присутствии основания, и наоборот. Несмотря на относительный характер, деление веществ на кислоты и основания существует, и в основу такого деления положены кислотно-основные взаимодействия в воде. То есть вода принята за своеобразный стандарт для оценки кислотно-основных свойств веществ - стандарт нейтральной среды. Если в аналогичных условиях рассматриваемое вещество способно отдавать водород в виде протона легче, чем вода, то его следует отнести к группе кислот. Если вещество по способности присоединять (связывать) протон превосходит воду - это основание (основность выше, чем у воды). Отнесение веществ к кислотам или основаниям не мешает рассматривать их кислотно-основные свойства во всем диапазоне кислотно-основных взаимодействий, то есть кислоту в роли основания и наоборот.
Кислоты и основания Бренстеда классифицируют по природе атома при кислотном или основном центре.
В зависимости от природы элемента, с которым связан протон, различают четыре основных типа органических кислот Бренстеда:
O-H – кислоты - карбоновые кислоты, спирты, фенолы;
S-H – кислоты - тиолы;
N-H – кислоты - амины, амиды, имиды;
C-H – кислоты - углеводороды и их производные.
В зависимости от природы атома, к неподеленной паре электронов которого присоединяется протон, основания Бренстеда делят на три основных типа:
аммониевые основания - амины, нитрилы, азотсодержащие гетероциклические соединения;
оксониевые основания - спирты, простые эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их функциональные производные;
сульфониевые основания - тиолы, сульфиды.
Особый тип оснований Бренстеда представляют p-основания, в которых центром основности являются электроныp-связи (алкены, арены).
Кислотно-основные свойства определяют естественный фон (атмосфера, почва, моря и океаны). Вода хорошо растворяет многие полярные и диссоциирующие на ионы вещества. По физическим характеристикам вода хорошо сольватирует как недиссоциированные молекулы, так и свободные ионы. Кроме того, молекулы воды способны к автопротолизу - передаче протона между молекулами одного и того же вещества. Кислотность соединений количественно оценивается долей ионизированной формы вещества в растворе (воде) или константой равновесия (К ) реакции переноса протона от кислоты к воде как основанию. - lg Ка = pКа
Основность соединений оценивают по величине рКа сопряженных с ними кислот. Чем больше величина рКа сопряженной кислоты, тем больше основность соединения. Для этих же целей можно воспользоваться известной зависимостью: произведение константы кислотности кислоты и константы основности сопряженного с ней основания в любом растворителе равно константе автопротолиза этого растворителя: рКа + рКb = рКавто , тогда рКb = рКавто - рКа .
Согласно Бренстеду-Лоури, для того чтобы быть кислотой, соединение должно иметь водород. За редким исключением почти все органические соединения отвечают этому условию. Поэтому все они являются потенциальными бренстедовскими кислотами. А вот сила этих кислот определяется конкретной структурой соединений. Степень кислотности определяется главным образом характером атома, с которым связан водород. Элемент и связанный с ним атом водорода называют кислотным центром. Кислотность соединения будет определяться как характером связи в кислотном центре (элемент-водород) (статический фактор), так и способностью атома удерживать электронную пару после ухода иона водорода (динамический фактор). Способность удерживать электронную пару зависит от различных факторов, в том числе от электроотрицательности атомов и их размера. Таким образом, в периодах таблицы Менделеева кислотность возрастает с увеличением электроотрицательности. Кислотность: H - CH3 < H - NH2 < H - OH < H - F, H - SH < H - Cl. В группах кислотность возрастает с увеличением размеров атома. Кислотность: H - F < H - Cl < H - Br < H - J, H - OH < H - SH < H - SeH.
2. Моносахариды - бесцветные кристаллические вещества, легко растворимые в воде, ДМСО, трудно - в этаноле, не растворимы в неполярных органических растворителях. Важнейшие физико-химические характеристики моносахаридов - удельное вращение, используемое наряду с хроматографическими методами для идентификации природных моносахаридов, и спектры ПМР, с помощью которых можно определить относительную конфигурацию моносахарида. Для выяснения абсолютной конфигурации используют рентгеноструктурный анализ кристаллов или химическую трансформацию моносахаридов в более простые соединения с известной конфигурацией.
Химические свойства моносахариды обусловлены наличием в их молекулах групп С=О (у ациклического таутомера) и ОН. При действии NaBH4 в водном растворе карбонильная группа моносахаридов количественно восстанавливается до спиртовой; образующиеся полиолы в виде летучих ацетатов или триметилсилиловых эфиров можно использовать для количественного анализа смесей моносахаридов с помощью ГЖХ. Группы С=О альдоз в мягких условиях окисляются бромной водой с образованием лактонов альдоновых кислот. Кетозы в эту реакцию не вступают и моносахариды были таким образом выделены из сложных смесей с альдозами. Определение "восстанавливающей способности" (т.е. окисление группы С=О) используют в многочисленных методиках анализа моносахаридов
При действии оснований возможна енолизация группы С=О, сопровождающаяся изменением конфигурации соседнего асимметричного центра или миграцией карбонила (смотри Лобри де Брюйна - ван Экенстейна реакция). В более жестких условиях происходит β-элиминирование заместителей и скелетные перегруппировки. При обработке кислотами в жестких условиях из пентоз образуется фурфурол. из гексоз - 5-гид-роксиметилфурфурол; конденсация последних с фенолами или ароматич. аминами с образованием окрашенных соединений лежит в основе разнообразных методик спектрофотометрического определения моносахаридов
Из реакций группы С=О с азотистыми соединениями большое историческое значение имела конденсация моносахаридов с фенилгидразином, приводящая к фенилозазонамоносахаридам. Широко используется реакция альдоз с NH2OH с последующим ацетилированием:
Образующиеся ацетилированные альдононитрилы удобны для анализа с использованием ГЖХ. Распад таких нитрилов под действием оснований служит для укорочения углеродной цепи моносахариды на один атом, а присоединение HCN к карбонильной группе с последующим восстановлением нитрила в альдегид (Килиани - Фишера реакция) - для удлинения.
Из реакций групп ОН широко используются образование простых и сложных эфиров. ацеталей, замещение на другие функциональные группировки, окисление и т. д. Метиловые эфиры (весьма прочные соединения) служат для постоянной защиты групп ОН в структурном анализе олиго- и полисахаридов. Бензиловые эфиры применяют для временной защиты групп ОН, поскольку эти группы легко удаляются гидрогенолизом. Трифенилметиловые (тритиловые) эфиры удобны для избирательного замещения первичных групп ОН в присутствии вторичных. Ацетилирование широко применяют для временной неизбирательной защиты всех групп ОН в молекуле моносахаридов, тогда как бензоилирование чаще используют для избирательного замещения (первичные группы ОН реагируют легче вторичных, экваториальные легче аксиальных). Омыление эфиров, образованных орг. кислотами, легко осуществляется обработкой метилатом Na в метаноле и приводит к исходным моносахаридам. Напротив, эфиры сульфокислот (тозилаты, мезилаты и трифлаты) применяют для активации соответствующей группы ОН при нуклеофильном замещении, в том числе с обращением конфигурации. Это позволяет осуществлять эпимеризацию (напр., при действии бензоата Na) у какого-либо атома С (то есть переход от одного моносахарида к другому), замещение группы ОН на атом галогена, на другие функциональные группы (синтез амино- и тиосахаров), получать внутримолекулярные простые эфиры (ангидросахара), ненасыщенные производные моносахариды и т.д.
С альдегидами и кетонами моносахариды образуют циклические ацетали, строение которых определяется природой исходного моносахариды и реагента (с альдегидами предпочтительно образуются шестичленные циклы, с кетонами -пятичленные); реакция может сопровождаться таутомерными превращ. (знак ~ показывает, что моносахариды может иметь α- или β-конфигурацию), например:
Ацетали устойчивы в щелочных и нейтральных средах; в присутствии кислот гидролизуются, причем в ряде случаев возможно избирательное удаление одной из двух присутствующих группировок, например:
Комбинации перечисленных реакций групп ОН (образование и гидролиз простых и сложных эфиров. получение ацеталей) позволяют синтезировать частично защищенные моносахариды с определенным расположением заместителей, что имеет важное значение в синтетической химии моносахаридов
Окисление защищенных моносахаридов, содержащих свободную первичную группу ОН, применяют для получения уроновых кислот, а содержащих свободную вторичную группу ОН - для получения карбонильных производных, широко используемых как промежуточных соединений в синтезе моносахаридов с новыми функциональными группами, для разветвления углеродной цепи и для обращения конфигурации асимметричных центра при последующем восстановлении. Для анализа моносахариды применяют специфическое окисление их йодной кислотой и ее солями - так называемое периодатное окисление (смотри Малапрада реакция).
Гидроксил у аномерного атома С (его называют аномерным, гликозидным, или полуацетальным) значительно отличается от прочих групп ОН повыш. склонностью к реакциям нуклеоф. замещения. Его обмен на остатки спиртов приводит к образованию гликозидов. Если спиртовой компонентой гликозида (агликоном) служит др. молекула моносахариды, образуются олигосахариды и полисахариды. При кипячении моносахариды с большим избытком низшего спирта в присутствии кислот (метод Фишера) образуется смесь изомерных гликозидов, соответствующих разным таутомерным формам моносахаридов:
При разделении этой смеси получают индивидуальные гликозиды, устойчивые в щелочных и нейтральных средах, а при нагревании с водными кислотами дающие исходный моносахариды Получение таких гликозидов служит наиболее удобным и распространенным способом временной защиты карбонильной группы моносахариды
Для синтеза гликозидов со сложными агликонами применяют защищенные производные моносахариды с фиксированным размером цикла, в которых гликозидный центр активирован введением подходящего заместителя (смотри, например, Кёнигса-Кноppa реакция).