Тема XII. Механизмы реакций в органической химии. Реакции биологического окисления

Химическая реакция представляет собой процесс, который сопровождается изменением состава или строения веществ. Биологические процессы в клетке связаны с прохождением химических реакций. Принято подразделять химические процессы на два типа: in vivo- те, что проходят в клетках живых организмов и in vitro – вне организма. Знание закономерностей протекания химических реакций составляет фундамент для обобщения экспериментальных данных, позволяет выявить сходство и различие между разнообразными химическими и биохимическими реакциями и, наконец, помогает управлять ходом того или иного процесса.

По теме занятия студент должен:

знать следующий материал:

• определения: химическая реакция, радикал, нуклеофил, электрофил;

• типы разрыва химических связей, строение промежуточных частиц (радикал, нуклеофил, электрофил и их условные обозначения);

• понятие механизм реакции, связь между строением биоорганического соединения и возможными направлениями и механизмами его реакции;

уметь записывать условные обозначения для основных типов реакций органических соединений (S, A, E) с учетом электронной природы активных частиц (R, Nu, E⁺); определять возможные типы реакции для различных классов органических соединений: алканы – S_R; арены – S_Е; алкены – A_Е; карбонильные соединения – A_N; спирты, галогенопроизводные - S_N, E; классификацией биоорганические реакции по их уравнениям (восстановление, замещение, окисление, присоединение, элиминирование), кофермент НАД⁺, механизм реакции, нуклеофил, радикал, реакции in vivo и in vitro;

владеть знанием исследования механизмов химических реакций для понимания действия ферментов, рецепторов, лекарственных средств.

Вопросы для подготовки

1. Типы разрыва химических связей (гомолитический, гетеролитический).

2. Радикал, электрофил, нуклеофил: электронное строение активных частиц, образующихся при разрыве химических связей, влияние заместителей (доноров и акцепторов) на их устойчивость. Супероксид и гидроксид - радикалы, фотолиз воды.

3. Реакции электрофильного присоединения (A_E) к ненасыщенным соединениям. Реакции присоединения воды и галогеноводородов к несимметричной двойной связи в алкенах, содержащих донорные и акцепторные группировки (R-CH=CH-X, где X = -СН₃, -СООН, -Cl, -CN). Биологическое значение реакций гидратации природных метаболитов с кратными связями.

4. Реакции нуклеофильного присоединения (A_N) карбонильных соединений:

а) электронное строение карбонильной группы в альдегидах и кетонах;

б) реакции присоединения воды, циановодорода, спиртов (образования полуацеталей, ацеталей), аминов (образование оснований Шиффа - иминов), тиолов (образование тиополуацеталей);

в) влияние донорных и акцепторных заместителей на реакционную способность карбонильных соединений.

5. Реакции радикального замещения в ряду алканов - галогенирование.

6. Реакции электрофильного замещения в ряду аренов (бензол, его гомологи и производные) - нитрование, галогенирование, сульфирование, алкилирование. Правило замещения. Реакция йодирования тирозина in vivo – биосинтез гормона L-тироксина.

7. Реакции элиминирования (отщепления). На примере дегидратации спиртов и природных метаболитов - яблочной кислоты и 3-гидроксикарбоновых кислот. Биологическое значение реакций элиминирования для молекул природных метаболитов.

8. Реакции окисления-восстановления:

а) окисление спиртов, альдегидов, тиолов;

б) строение и механизм действия кофермента НАД⁺. Значение гидридного переноса в биохимических процессах.

Задачи и упражнения

1. Составьте схемы гомолитического и гетеролитического разрывов связей в молекулах Cl₂, HCl, CH₃Cl, Н₂О. Какой тип разрыва связей характерен в каждом случае? Почему? Как называются образовавшиеся частица? Укажите условия.

2. Оцените и сопоставьте устойчивость изомерных карбкатионов состава С₄Н₉⁺.

3. Запишите уравнения реакций:

а) уксусный альдегид + этанол

б) ацетон + циановодород

в) бензальдегид + анилин

4. Напишите механизм свободнорадикального замещения в реакции взаимодействия хлора с пропаном; 2-метилпропаном.

5. Растворение в воде трихлорэтаналя (хлораля) сопровождается образованием устойчивого хлоральгидрата, который использовался как слабое снотворное средство. Объясните высокую активность хлораля в реакции А_N.

6. Запишите уравнения реакций нитрования бензола и фенола и сравните активность двух ароматических соединений. Составьте схему механизма реакции S_E на примере бензола.

7. Запишите схему реакции, определите тип реакции, назовите полученные соединения:

а) метиламин + хлорэтан

б) пиридин + хлорметан

8. Какое соединение образуется при окислении гидрохинона (1,4-дигидроксибензола)? Биологическое значение аналогичной реакции в митохондрии.

9. Запишите схему реакции и объясните в конкретных случаях направление присоединения:

а) этен + НОН (HСl , HBr)

б) пропен + НОН (HСl , HBr )

в) пропеновая (акриловая) кислота + НОН

г) 2-бутеновая (кротоновая) кислота + НОН

д) транс-бутендиовая кислота + НОН

10. Запишите уравнение реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе (A_N). Опишите механизм этой реакции. Объясните влияние заместителей (доноров и акцепторов) на активность карбонильных соединений в реакциях присоединения. Все перечисленные реакции A_N происходят in vivo, в биологических объектах, в клетках организма человека.

а) присоединение воды (гидратация) метаналя, этаналя, трихлорэтаналя RCHO + HOH →

б) присоединение циановодорода НСN – образование циангидринов RCHO + HCN →

в) присоединение одноатомного спирта ROH – образование полуацеталя RCHO + R₁OH →

Дальнейшее взаимодействие полуацеталя со спиртом - образование ацеталя в реакции нуклеофильного замещения S_N.

г) присоединение тиола RSH – образование тиополуацеталя

RCHO + RSH →

д) присоединение амина (с последующим элиминированием воды) образование имина RCH=N-R₁ (основания Шиффа)

RCHO + R₁NH₂ →

11. Запишите уравнение реакции электрофильного замещения S_E в ароматических соединениях. Запишите механизм реакции электрофильного замещения:

а) нитрование бензола;

б) хлорирование бензола с катализатором;

в) алкилирование бензола с катализатором АlСl₃;

г) бромирование фенола.

Сравните активность бензола и фенола. Поясните правило замещения 2,4,6 в бензольном цикле фенола.

12. Запишите уравнение реакции нуклеофильного замещения S_N.

Примеры: реакции S_N in vitro

а) С₂Н₅ОН+ НСl ↔

б) С₂Н₅Сl + НОН ↔

в) С₂Н₅Сl + NaOH (в среде HOH) →

г) СН₃–СНСl–СН₃ + 2 NH₃ →

д) нагревание этанола с конц. серной кислотой при Т < 140 ^оС

С₂Н₅ОН + С₂Н₅ОН →

Примеры реакции S_N , моделирующие реакции in vivo:

а) триметиламин + хлорметан

(СН₃)₃N + CH₃Cl → тетраметиламмоний хлорид

б) пиридин + CH₃Cl → N-метилпиридиний хлорид

13. Запишите уравнение реакции элиминирования (Е). Отщепление воды – реакция дегидратации.

а) нагревание этанола с конц. серной кислотой при Т > 175 ^оС

С₂Н₅ОН →

б) нагревание галогеналканов со спиртовым раствором щелочи

С₂Н₅Сl + NaOH (спирт) →

СН₃–СНСl–СН₃ + NaOH (спирт) →

14. Запишите реакции элиминирования Е in vivo

а) 2-гидроксибутандиовая кислота (яблочная) → НОН + фумаровая кислота

б) 3-гидроксибутановая кислота (β-оксимасляная) → НОН + кротоновая кислота

15. Запишите уравнения окислительно-восстанови-тельных реакций in vivo с участием кофермента НАД+.

1. этанол ↔ этаналь → уксусная кислота;

2. молочная кислота ↔ пировиноградная;

3. 3-гидроксибутановая ↔ 3-оксобутановая (ацетоуксусная);

4. яблочная (2- гидроксибутандиовая) ↔ щавелевоуксусная;

5. этантиол ↔ 1,2-диэтилдисульфид;

6. цистеин ↔ цистин;

Тесты