Альдольная конденсация

Сущность реакции: реагируют два карбонильных соединения. Одно вещество- нуклеофил, другое- объект нуклеофильной атаки.Реакцию проводят в щелочной среде, которая способствует образованию отрицательно заряженной частицы- нуклеофила.

ОН^–

СН₃–СНО + СН₃ –СН О < => СН₃ – СН – СН₂– СНО

|

ОН 3-гидроксибутаналь

Механизм реакции:

а) образование нуклеофильной частицы - карбоаниона

Н б+

б+ | б+ б-

Н—>С —>СН = О + ОН^– — > СН₂ —СН=О + НОН

| (– )

Н б+ нуклеофил (карбоанион)

сопряженная система

б) нуклеофильная атака карбоаниона на атом углерода карбонильной группы

б+ + НОН

СН₃–СН=О + СН₂ —СН=О < => СН₃ – СН – О^– < =>

( – ) |

СН₂– СН =О

СН₃ – СН – СН₂– СНО + ОН^–

|

ОН 3-гидроксибутаналь

Реакции альдольной конденсации распространены в биологических процессах. С ними

связан энергетический обмен - синтез кетоновых тел, синтез стеринового цикла холестерина, стероидных гормонов, превращения углеводов –моносахаридов( распад фруктозо-1,6-дифосфата на фосфотриозы, трансальдолазные и транскетолазные реакции в пентозофосфатном цикле, который обеспечивает клетку рибозой для синтеза рибо-нуклеиновых кислот). Большинство перечисленных реакций будут позднее изучены в курсе биоорганической химии и биохимии.

4.2.3. Реакции электрофильного замещения в ряду ароматических соединений( S_E⁺ )

Ароматические соединения отличаются самой высокой степенью делокализации

π -электронной плотности и высокой термодинамической устойчивостью. В растворе они вступают в реакции электрофильного замещения – нитрования , сульфирования, галогенирования, алкилирования, в которых сохраняется ароматическая электронная система.

Чем выше степень ароматичности, тем легче идет реакция. Донорные заместители увеличивают электронную плотность в ароматической системе и облегчают реакции S_E.

Акцепторные заместители уменьшают электронную плотность в ароматической системе и затрудняют реакции S_{E .}

Следует вспомнить, что заместители изменяют равномерное распределение электронной плотности : доноры увеличивают частичные заряды б - в положениях 2,4,6 , а акцепторы уменьшают в этих же положениях 2,4,6 электронную плотность и создают частичный заряд б+. ( Лекция 2. Взаимное влияние атомов в молекулах биоорганических соединений. Эффекты заместителей).

Реакция нитрования

Бензол нитруют концентрированной азотной кислотой в присутствии серной. Образуется нитробензол.

Н ₂S О₄

С₆ Н₆ + НNО₃ ————> С₆ Н₅— NО₂ + Н₂ О

нитробензол

Роль серной кислоты заключается в образовании активной электрофильной частицы- катиона нитрония.

_{+ +}

Н–О – NО ₂ + Н ⁺ ——> Н–О – NО ₂ ——> НОН + NО₂

| нитроний- катион

Н

Многие нитропроизводные ароматических соединений обладают высокой противобактериальной и противогрибковой активностью - их используют в качестве лекарственных препаратов.

Большие количества нитробензола необходимы для получения анилина( по реакции Зинина- восстановление нитрогруппы). Анилин используется в промышленности для получения разнообразных красителей и разнообразных лекарственных препаратов ( сульфаниламидов, обезболивающих – новокаина, противоопухолевых ).

Реация сульфирования

Проводят серной кислотой, которая выполняет роль реагента и катализатора.

С₆ Н₆ + Н ₂S О₄ ——> С₆ Н₅—S О₃ Н + Н₂ О

сульфобензол

( синоним- бензолсульфокислота)

Образование активной электрофильной частицы- катиона сульфония.

₊

Н –О– SO₃ H + Н ⁺ ——> Н–О – SO₃ H ——> НОН + ⁺ SO₃H

| катион сульфония.

Н

В качестве сульфирующего средства используют также оксид серы (1V ).

Сульфирование бензола и его производных играет важную роль в синтезе лекарственных средств -сульфаниламидных препаратов, в получении поверхностно активных средств. Сульфобензол является сильной кислотой, образует соли .

В биохимических процессах нет аналогов реакциям нитрования и сульфирования.

Реакция галогенирования

Проходит в присутствии катализаторов - кислот Льюиса, которые позволяют из неполярной молекулы галогена( хлора, брома) получить электрофильную частицу путем гетеролитического разрыва связи.

FeCl₃

С₆ Н₆ + С1₂ ——> С₆ Н₅ С1 + НС1

Хлорбензол

Образование электрофильной частицы С1⁺

^{б+ б-}

С1 — С1 + FeCl₃ <=> С1 –>С1 … FeCl₃ <=> С1⁺ [ FeCl₄]^–

Комплексное соединение.

содержащее электрофил С1⁺

Введение йода в ароматический цикл in vivo проводят с участием электрофильного йода I⁺ в составе йодноватистой кислоты НОI в виде протонированной частицы

IОН₂⁺. Для получения йодбензола можно применять смешанный галоген ICl- монохлорид йода.

б + б-

С₆ Н₆ + I –> Cl ———> С₆ Н₅ I + НС1

полярная связь йодбензол

Образование именно йодбензола, а не хлорбензола, доказывает электрофильный механизм реакции замещения.

В организме протекает реакция йодирования ароматической аминокислоты тирозина в процессе биосинтеза гормонов щитовидной железы – йодтиронинов. В клетках щитовидной железы происходит в окислительно- восстановительной реакции образование иона гипойодида, который осуществляет электрофильное замещение в положениях 2,4 фенольного цикла тирозина.

фермент

I^– + Н₂ О₂ –———> IО^– + Н₂ О

Реакция алкилирования

Самый простой метод – алкилирование по Фриделю- Крафтсу алкилгалогенидом в присутствии хлорида алюминия.

R—>C1 + A1C1₃ <=> R—>C1… A1C1₃ <=> R⁺ [ A1C1₄ ] ^–

С₆ Н₆ + R⁺ [ A1C1₄ ] ^– –———> С₆ Н₅ – R + НС1 + A1C1₃

Алкилбензол

В реакциях in vivo переносчиком активной метильной группы ( карбокатиона СН₃⁺) являются витамины В₁₂ и фолиевая кислота , а источником активного одноуглеродного карбокатиона СН ₃ служат аминокислоты метионин или серин. Реакция чрезвычайно важна в синтезе тимина из урацила.

5. Реакция карбоксилирования

Возможна для ароматических соединений, активированных заместителями с сильным + М эффектом, например, в синтезе салициловой кислоты, взаимодействие расплава фенолята натрия с СО ₂ ( см лекцию «Лекарственные препараты»).