Основные закономерности протекания органических реакций

РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Лекции по химии
для студентов лечебного, педиатрического,
московского и стоматологического факультетов
Подготовлено соответствии с ФГОС-3
в рамках реализации
Программы развития РНИМУ
Кафедра общей и биоорганической химии
1
Часть 2. Органическая химия
Тема 11
Пространственное строение
органических соединений.
Основные закономерности протекания
органических реакций
Общая редакция — зав. кафедрой ОБОХимии,
проф. В.В. Негребецкий
2
Пространственное строение органических
соединений. Основные закономерности
протекания органических реакций
● Строение органических соединений
○ Структурная изомерия
● Пространственное строение
○ Конформации и конформационные изомеры
● Конфигурация и конфигурационные изомеры
o Энантиомеры
○ Стереохимическая номенклатура
○ Диастереомеры
● Основные закономерности протекания органических реакций
○ Типы реагентов и реакций
○ Понятие о механизме реакции
○ Факторы, определяющие реакционную способность
органического соединения
3
Строение органических соединений
Химическое строение
А.М. Бутлеров
(1861)
Пространственное строение
(стереохимия)
Конфигурация
Конформация
О С Н О В Н Ы Е П ОЛ О Ж Е Н И Я Т Е О Р И И
Х И М И Ч Е С К ОГ О СТ Р ОЕ Н И Я
В органических молекулах атомы соединяются между собой в
определённом порядке согласно их валентности, что
определяет химическое строение молекул
Химические и физические свойства органических соединений
зависят как от природы и числа входящих в их состав атомов,
так и от химического строения молекул
Химическое строение — природа и последовательность
связывания атомов в молекуле.
– отображается при помощи структурных формул
4
Структурная формула ─ изображение при помощи
химических символов последовательности связей между
атомами в молекуле.
H
H
H
C
C
H
H
H
этан
CH3CH3
этан
(сокращенная запись)
– отражают двумерное строение молекулы.
Для каждой эмпирической формулы можно вывести определённое число
теоретически возможных структур (изомеров)
Каждое органическое соединение имеет одну формулу, которая даёт
представление о свойствах этого соединения
В молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и
непосредственно не связанных друг с другом
5
Структурная изомерия
(одно из основных положений теории химического строения)
Структурные изомеры ─ соединения, имеющие одинаковый
состав, но различное химическое строение.
Типы структурных изомеров
Изомерия углеродного скелета
CH3
CH3 CH CH3
2-метилпропан
CH3 CH2 CH2 CH3
бутан
Изомерия положения кратных связей или функциональных групп
CH2 CHCH2 CH3
бутен-1
CH3 CH CHCH3
OH
CH3CH2CHCH 3
CH3CH2CH2CH2OH
бутен-2
бутанол-1
бутанол-2
Изомерия функциональных групп
O
CH3CH2CH2CCH3
CH3CH2CH2CH2C
пентаналь
O
H
пентанон-2
6
Пространственное строение
— взаимное расположение атомов и атомных групп в трехмерном
пространстве.
o
(более полная характеристика
с химическим строением)
соединений
по
сравнению
— изображается при помощи стереохимических формул
химическая связь лежит в плоскости чертежа
химическая связь уходит за плоскость назад
химическая связь выходит из плоскости вперед
СН3
С
Стереохимические
формулы
Н
ОН
Сl
H
H
C
H
метан
C
этилен
H
7
Конформации и конфигурация
•
Взаимное расположение атомов и атомных групп в молекуле
органического соединения включает два стереохимических
аспекта − конформацию молекулы и ее конфигурацию.
Конфигурация ─ порядок расположения атомов и атомных
групп в пространстве без учета возможных различий за счет
вращения вокруг σ- связей.
H
C
H
H
H
H
тетраэдрическая
H
C
H
C
H
C
C H
H
плоскостная
линейная
Конфигурационные изомеры превращаются друг в друга с
разрывом химических связей.
8
Конформация и конформационные изомеры
– формы молекул, образующиеся в результате вращения одной
части молекулы относительно другой вокруг σ-связей;
– превращаются друг в друга без разрыва химических связей.
Конформации 1,2-дихлорэтана
Cl
Cl
С
Cl H
С
H
H
H
H
заслоненная
конформация
С
С
Cl
H
С
Cl
H
HH
H
H
H
H
H
скошенная (гош)
анти
заторможенные конформации
Cl
Cl
H
H
Cl
H
H
С
H
Cl
Cl
Cl
H
H
H
Проекционные формулы Ньюмена
H
Cl
H
9
Конфигурация и конфигурационные изомеры
Конфигурационные изомеры ─ соединения с одинаковой
последовательностью связей атомов в молекуле, но различной
конфигурацией без учета возможных различий за счет
вращения вокруг σ-связей.
CH3
CH3
C
H
H
C
CH3
C
H
цис-бутен-2
Z-изомер
CH3
H3C
CH3
H
CH3
C
H
транс-бутен-2
E-изомер
H
H
цис-1,4-диметилциклогексан
Z-изомер
H3C
H
транс-1,4-диметилциклогексан
E-изомер
• Конфигурационные изомеры могут существовать в виде различных
конформаций.
Конфигурационные изомеры могут быть энантиомерами и
диастереомерами.
10
Хиральность
— свойство предмета быть неидентичным своему зеркальному
отображению (от греч. cheir — рука).
(левая и правая рука, перчатки,
пара ботинок, левая и правая
винтовые лестницы и другие предметы)
• Молекулы, как геометрические тела, могут быть
хиральными и ахиральными.
Как следствие хиральности, некоторые молекулы существуют в виде
пары пространственных изомеров — энантиомеров,
представляющих собой несовместимые в пространстве
зеркальные изображения (зеркальные изомеры).
Простейший случай хиральности — наличие в молекуле центра
хиральности (хирального центра), которым может служить атом
углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами
— асимметрический атом углерода (*С)
11
Энантиомеры
(зеркальные изомеры или оптические антиподы)
энантиомеры
глицеринового
альдегида
С(О)Н
С
Н
ОН
СН2ОН
С(О)Н
НО С
НОСН2
Н
Энантиомеры – стереоизомеры, молекулы которых относятся
друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное
изображение.
o Одинаковые физические и химические свойства в обычных
условиях, оптически активны.
Оптическая активность – способность вещества изменять
плоскость поляризации света.
o Энантиомеры поворачивают плоскость поляризации на равный
угол в противоположном направлении: (+) – правовращающие,
(–) – левовращающие.
12
Конфигурационный стандарт — глицериновый альдегид
Стереохимическая формула
D(+)
1
2
3
HOCH2
L(−
−)
1
1
CHO
CHO
2
C
OH
H
Формулы Фишера
C
HO
H
H
1
CHO
2
OH
HO
3
CH2OH
3
CH2OH
CHO
2
H
3
CH2OH
Углеродная цепь расположена сверху вниз
(наверху старшая группа)
Горизонтальные связи выходят вперед из плоскости чертежа,
вертикальные — назад за плоскость чертежа
Перестановка двух заместителей изменяет
конфигурацию молекулы на противоположную
Следствие — четное число перестановок не изменяет конфигурацию.
Поворот формулы Фишера на 90°° изменяет конфигурацию на
противоположную; поворот на 180°° ее не изменяет
13
Рацематы
•
•
•
Рацемат — оптически неактивная смесь равных количеств
энантиомеров.
Разделение рацематов
Механический способ — разделение путем отбора кристаллов по
их форме (Л. Пастер, 1848).
При кристаллизации рацемата индивидуальные энантиомеры в
этом случае кристаллизуются самостоятельно.
Биохимический способ — разделение с использованием
микроорганизмов, способных потреблять один из энантиомеров.
Расщепление рацемической виноградной кислоты на энантиомеры с помощью плесневого грибка Penicillium glaucum, использующего для своей жизнедеятельности лишь (+)-винную кислоту.
Химический способ — перевод обоих энантиомеров в
диастереомеры с последующим их разделением.
Диастереомеры получают взаимодействием рацемата с
хиральным реагентом.
14
Стереохимическая номенклатура
D,L-Система обозначения конфигурации (М.А. Розанов, 1906)
Определение D- или L-конфигурации:
1. Записать формулу Фишера в «стандартном» виде, т.е. так чтобы
углеродная цепь располагалась вертикально, а старший заместитель
располагался наверху.
2. Если функциональная группа у асимметрического атома углерода
окажется при этом слева − это L-энантиомер,
если справа − это D-энантиомер.
COOH
H2 N
H
CH3
L-аланин
COOH
H
OH
CH3
D-молочная кислота
3. Если формула Фишера записана не в стандартном виде, необходимо
путем перестановок заместителей преобразовать ее к стандартному
виду и учесть число перестановок. Например, если при четном числе
перестановок был получен D-энантиомер, значит и исходный
стереоизомер имел D-конфигурацию.
15
Пример.
Определить, D- или L-конфигурацию имеет соединение,
приведенное ниже?
OH
CH3
H
COOH
COOH
OH
CH3
H
COOH
?
1-я перестановка
(OH, COOH)
CH3
H
OH
COOH
2-я перестановка
(OH, CH3)
HO
H
CH3
L-молочная
кислота
Переход к стереоизомеру с известной конфигурацией требует четного
числа (2-х) перестановок заместителей. Следовательно и исходный
стереоизомер имел ту же, т.е. L-конфигурацию.
16
R,S-Система обозначения конфигурации
(Р. Кан, К. Ингольд и В. Прелог, 1956)
(от лат. rectus − правый, sinister − левый)
Основные правила:
а) чем больше атомный номер элемента, непосредственно связанного с
центром хиральности, тем старше заместитель. Если первое окружение не
позволяет выбрать порядок старшинства двух или более заместителей, то
рассматривают второе окружение, затем третье и т. д. Атомные номера
элементов, связанных двойной и тройной связью, удваивают или
утраивают;
б) молекулу энантиомера располагают так, чтобы самый младший заместитель был обращен назад (формулу Фишера перестраивают так, чтобы он
оказался снизу или сверху). Если порядок старшинства остальных трех
заместителей убывает по часовой стрелке, то данный изомер имеет Rконфигурацию, если против часовой стрелки, то S-конфигурацию.
COOH
HO
H
CH3
L-молочная
кислота
6
COOH
1-я перестановка
(H, CH3)
HO
CH3
H
COOH
2-я перестановка
(OH, CH3)
6
8
CH3
OH
H
(S)-молочная
кислота
17
Диастереомеры
Диастереомеры — конфигурационные изомеры
(стереоизомеры), не являющиеся энантиомерами.
СН3
Н
С
С
С
СН3
π-диастереомеры
H
H
Н
Н
o
CH3
СН3
Н
СН3
транс
С
H
CH3
H
цис
CH3
CH3
σ-диастереомеры
Диастереомеры обладают различными физическими и
химическими свойствами.
18
Диастереомеры
σ -Диастереомеры
π -Диастереомеры
σ -Диастереомеры — диастереомеры, в которых
заместители связаны с хиральным центром σ - связями.
π -Диастереомеры — диастереомеры, содержащие π-связи.
σ-Диастереомеры
— Соединения, имеющие более одного центра хиральности,
могут существовать в виде диастереомеров;
— число стереоизомеров N = 2n, где n равно числу
асимметрических атомов (хиральных центров).
19
σ -Диастереомеры с двумя атомами *С
Если в молекуле имеется 2 асимметрических атома углерода,
то для нее существует 22 = 4 конфигурационных изомера
(в том числе 4/2 = 2 пары энантиомеров).
O
O
С ОН
С
H
NH2 Н2N
H
OH
СН3
Н2N
H
H
СН3
С
С ОН
ОН
НO
O
O
H
H
OH
СН3
ОН
NH2
H
НO
H
СН3
энантиомеры
энантиомеры
σ-диастереомеры
o Любой энантиомер из левой пары энантиомеров будет являться
диастереомером по отношению к энантиомерам правой пары
энантиомеров и наоборот.
20
Стереоизомеры винных кислот
Винные кислоты содержат два хиральных центра и должны были бы
существовать в виде четырех стереоизомеров. Известны, однако, только
три: энантиомеры D(+)-винная и L(–)-винная кислоты и их диастереомер
— оптически неактивная мезовинная кислота.
O
O
O
С ОН
С ОН
С ОН
H
HО
H
OH
H
H
НO
С
ОН
ОН
L - винная
кислота
ОН
H
OH
О
О
С
H
ОН
D - винная
кислота
оптически активны
плоскость
симметрии
О
С
ОН
мезовинная
кислота
оптически неактивна
21
π -Диастереомеры
• Возникают при неидентичности лигандов, связанных с атомами
углерода двойной связи; отличаются различным расположением
лигандов относительно плоскости симметрии π -связи.
π-Диастереомеры бутена-2
H3C
C C
H
CH3
H
цис-бутен-2
т. кип. +3.72 °C
H3C
C C
H
H
CH3
транс-бутен-2
т. кип. +0.88 °C
π-Диастереомеры октадецен-9-овой кислоты
H
H
C
CH 3(CH2)7
CH 3(CH2)7
C
H
C
(CH2)7COOH
олеиновая кислота
(цис-октадецен-9-овая кислота)
жидкая, т. пл. 13–16 °C
H
C
(CH2)7COOH
элаидиновая кислота
(транс-октадецен-9-овая кислота)
твердая, т. пл. 44–47 °C
22
Z,E-Система обозначения конфигурации π -диастереомеров
(К. Ингольд и В. Прелог, 1951)
(от нем. zusammen − вместе, entgegen − напротив)
Основные правила
а) чем больше атомный номер элемента, непосредственно
связанного с двойной связью, тем старше заместитель. Если
первое окружение не позволяет выбрать порядок старшинства
двух или более заместителей, то рассматривают второе
окружение, затем третье и т. д.
б) Z-конфигурация для диастереомеров соответствует цисрасположению старших заместителей в каждой паре,
E — транс-расположению.
HOOC
COOH
C C
H
H
(Z)-бутендиовая
(малеиновая)
кислота
(цис-изомер)
HOOC
H
C C
H
COOH
(E)-бутендиовая
(фумаровая)
кислота
(транс-изомер)
CH3
COOH
C C
CH3CH2
H
(E)-3-метилпентен-2-овая
кислота
23
Изомерия
• С учетом пространственного строения понятие изомерии
расширяется и включает в себя не только структурную
изомерию, но также и пространственную изомерию.
Изомеры ─ соединения с одинаковым составом, отличающиеся последовательностью связывания атомов и (или)
расположением их в пространстве.
Таким образом, приведенное общее определение изомерии
включает как химическое строение, так и пространственное
расположение атомов.
Пространственные изомеры (стереоизомеры) ─
соединенения с одинаковым химическим строением, т.е.
одной и той же последовательностью соединения атомов,
но различным расположением этих атомов относительно
друг друга в пространстве.
24
Классификация изомеров
ИЗОМЕРЫ
cтруктурные
(изомеры строения)
cтереоизомеры
(пространственные)
конфигурационные
конформационные
25
Основные закономерности
протекания органических реакций
Реакционная способность — способность вещества вступать
в ту или иную химическую реакцию и реагировать с большей
или меньшей легкостью
— характеристика химической активности соединения.
Реакционный центр — атом или группа атомов в молекуле,
непосредственно участвующие в химической реакции
Субстрат — вещество, реакционная способность которого
по отношению к реагенту рассматривается
в данной химической реакции
Реагент — действующее на субстрат вещество
(реакционная частница)
26
реагент
субстрат
О
О
H2O + СН3 С
+ Na OH
СН3 С
О
Примеры
Н
О Na
продукт реакции
реакционный центр
реакционный центр кислотный, реагент основный
реагент
субстрат
NH2
+
H Cl
продукт реакции
NH3 Cl
реакционный центр
реакционный центр основный, реагент кислотный
27
Типы реагентов
и характер изменения связей в реакционном центре субстрата
Кислотные и основные реагенты
Кислотные реагенты (кислоты) — доноры протона по отношению к
реакционному партнеру.
СВОЙСТВА:
частично или нацело ионизированы в водных растворах,
являются нейтральными молекулами
(HCl, CH3COOH)
или положительно заряженными частицами
(NH4+,H3O+)
Основные реагенты (основания) — акцепторы протона по отношению
к реакционному партнеру.
СВОЙСТВА:
способны оторвать протон от кислотного центра,
являются отрицательно заряженнымичастицами — HO–, CH3O–
или нейтральными молекулами — :NH3, H2O:.
Символ В– или В.
28
Нуклеофильные и электрофильные реагенты
Нуклеофильные реагенты (нуклеофилы) — частицы, образующие
новую ковалентную связь за счет своей электронной пары.
СВОЙСТВА:
— обладают повышенной электронной плотностью, взаимодействуют с
любым атомом (кроме водорода), несущим частичный или полный
положительный заряд;
— нуклеофил заряжен отрицательно
(Nu–, Cl–, HO–, CH3O–, R3C– карбоанион)
или имеет неподеленную пару электронов (Nu, NH3, H2O)
или π -связь CH2=CH2, C6H6
Символ Nu– или Nu.
Электрофильные реагенты (электрофилы) – частицы, образующие
новую ковалентную связь за счет пары электронов партнера;
СВОЙСТВА:
— имеют недостаток электронов;
— взаимодействуют с реакционным центром партнера с повышенной
электронной плотностью;
— имеют атом, несущий частичный или полный положительный
заряд или обладают вакантной орбиталью.
δ+ O
H+, Cl+, AlCl3, SO3, R3C+ (карбокатион), RC(O)+,
H C
Символ E+ или E.
H
29
Радикальные реагенты, окислители и восстановители
Радикальные реагенты (радикалы) — свободные атомы или
частицы с неспаренным электроном (парамагнитные частицы)
(Cl•, Br•, HOO•, R•, •O—O• (бирадикал)).
Символ R.
Окислители — нейтральные молекулы или ионы, принимающие
электроны или атомы водорода от органического субстрата.
(O2, Fe3+, органические окислители).
Символ [O] (или Ox) .
Восстановители — нейтральные молекулы или ионы,
отдающие электроны или атомы водорода органическому субстрату
(H2, Fe2+, H–, органические восстановители).
Символ [H] (или Red).
30
Способы разрыва ковалентной связи
1. Гомолитический (свободнорадикальный)
X Y
X
+
Y
гомолиз связи
образующиеся активные промежуточные частицы
— свободные радикалы.
2. Гетеролитический (ионный)
Х Y
+
X
+ Y
–
гетеролиз связи
образующиеся активные органические промежуточные частицы
— карбокатионы (положительный заряд на атоме С) или
— карбоанионы (отрицательный заряд на атоме углерода).
31
Классификация реакций органических соединений
1. По характеру изменения связей в субстрате и реагенте
(а) Гомолитические (радикальные) реакции
H3C H + Cl Cl
субстрат
CH3Cl + HCl
реагент
продукты реакции
(а) Гетеролические (ионные) реакции
электрофил
H
NO2
+ HO
+
NO2
реагент
субстрат
HO H
Электрофильная
реакция
продукты реакции
нуклеофил
Br
+ Na+OH–
субстрат
реагент
CH3
CH3
OH
+
Na +Br–
продукты реакции
Нуклеофильная
реакция
32
(в) Согласованные (синхронные) реакции
CH2
HC
CH2
HC
CH2
бутадиен-1,3
CH2
этилен
переходное
состояние
циклогексен
Для согласованных реакций теряют смысл понятия реагента и субстрата
2. По типу реагента
— радикальные (R)
— электрофильные (E)
— нуклеофильные (N)
— окислительные [O]
— восстановительные [H]
Примеры реакций
— радикальные (R);
СН2=СН–СН3 + НО— → СН2=СН–СН2— + Н2О
— электрофильные (E);
С6Н6 + NO2+ → C6H5NO2 + H+
— нуклеофильные (N);
CH3 Cl + OH
— окислительные [O];
O
CH3C
+ Ag2O
H
— восстановительные [H]
CH3 OH + Cl
O
+ 2 Ag
CH3C
OH
O
+ H2
CH3C
CH3CH2OH
H
34
3. По направлению (конечному результату)
— реакции замещения (S);
Cl
H
+ Сl2
+ HCl
(S)
CH3
Cl
CH CH3
— реакции присоединения (A);
CH3 CH CH2 + HCl
(A)
— реакции отщепления или элиминирования (E);
CH3CH2OH
H+
CH2 CH2 + H2O
(E)
35
— реакции перегруппировки (изомеризации);
CH3CH2CH2CH2CH3
AlCl3, 100 °C
CH3 CH CH2CH3
2-метилбутан
(изобутан)
пентан
CH3CH2CH2OH
CH3
H+
пропанол-1
CH3
OH
CH CH3
пропанол-2
— реакции циклизации
CH2CH2CH2COOH
OH
4-гидроксибутановая
кислота (ГОМК)
O
O
+ H2O
γ -бутиролактон
36
4. По числу молекул (частиц), участвующих в стадии,
определяющей общую скорость реакции
— мономолекулярные (диссоциативные);
AB
A + B
D
C
— бимолекулярные (ассоциативные)
A
+
B
AB
A
+ BC
AB
+ C
Сочетание классификационых признаков
NaOH
HO
–
+ CH3I
метилиодид
+
δ+
CH3 I
CH3OH +
метанол
NaI
–
HO .... C ...... I
–
CH3OH + I
ассоциативный механизм SN2
37
Понятие о механизме реакции
Механизм реакции
— детальное описание процесса, в результате которого
исходные вещества превращаются в конечные продукты;
— детальное описание всех стадий реакции
Включает:
(1) элементарные стадии реакции;
(2) способ разрыва и образования связей на каждой стадии.
Согласуется с:
(3) стереохимией процесса – пространственным строением
исходных продуктов, переходных состояний, промежуточно
образующихся частиц и продуктов реакции;
(4) кинетическими закономерностями процесса;
(5) термодинамикой процесса.
38
Механизм реакции
Исходные
соединения
Продукты
интермедиат
переходное состояние
или
промежуточный продукт
Радикал
Карбоанион
Карбокатион
R•
R−
R+
CH3CHCH3
CH3CHCH3
CH3CHCH3
реакции
π-Комплекс
CH2 CH2
Xδ
Xδ
Активные промежуточные частицы
39
Факторы, определяющие реакционную способность
органического соединения
(статические и динамические)
Статические факторы
(молекула в нереагирующем состоянии)
электронный
пространственный
Электронный фактор —
распределение электронной плотности в молекуле
(электроотрицательность атомов, входящих в молекулу,
электронные эффекты заместителей, наличие сопряженных и
ароматических фрагментов).
Пространственный фактор —
пространственная доступность реакционного центра молекулы.
40
Динамические факторы
Включают оценку энергии промежуточных частиц
или переходного состояния.
Чем больше возможностей для делокализации
(рассредоточения) электронной плотности в
промежуточной частице (свободном радикале, катионе,
анионе, π -комплексе), или в переходном состоянии, тем
более они устойчивы (стабильны), тем ниже их энергия и
тем легче идет реакция.
41
Энергетические диаграммы
энергетическая диаграмма
одностадийной реакции
Энергия
частица
переходное
состояние
1
Еа
энергетическая диаграмма
двухстадийной реакции
Энергия
промежуточная
исходные
вещества
2
1
2
продукты
продукты
координата реакции
координата реакции
реакции (2) протекают быстрее и легче, чем реакции (1)
42
Влияние совокупности различных факторов на
направление реакции
Электрофильный
нуклеофильная
центр
атака
H δ+
H C
H
Кислотный
центр
H
CH2
–
Brδ
+
замещение
+
–
Na OH
(SN2)
+ NaBr
CH3OH
атака основанием
CH3
δ+
C
δ–
Br
CH3
трет-бутилбромид
(субстрат)
+
Na+OH–
реагент
(основание)
элиминирование
(Е2)
CH2
C
CH3
CH3
2-метилпропен
43