Карбокатион – изменение стереоряда

Переходное состояние

Изменение стереоряда носит название «Вальденовское обращение» по имени ученого, впервые обратившего внимание на этот процесс.

Скорость реакции S_N 2 зависит от концентрации обоих реагирующих веществ.

V = k [ Y^– ] [ RX ]

Заместители- акцепторы оттягивают электронную плотность , увеличивают заряд б + на атоме углерода в электрофильном центре и увеличивают скорость реакции нуклеофильного замещения. Если уходящая группа способна к сольватации растворителем, то это обстоятельство также способствует увеличению скорости реакции. В связи с этим в реакциях in vitro аминогруппа NH₂, связанная с атомом углерода в sp³ - крайне редко обменивается нуклеофильно.

Реакция S _N 1.- мономолекулярная

Для реакций in vivo характерен механизм нуклеофильного замещения S _N 1- мономолекулярный, что связано с участием в реакции катализатора- фермента. Этот же механизм возможен in vitro в случае образования устойчивого промежуточного карбокатиона.

Критерии S _N 1:

- концентрация приходящего нуклеофила Y^– не влияет на скорость реакции.

- добавление в среду уходящего нуклеофила X^–снижает скорость реакции.

Скорость реакции S _N 1 зависит от концентрации только RX и стабильности образующегося промежуточного устойчивого карбокатиона.

V = k [ RX ]

Устойчивость карбокатиона увеличивается под влиянием донорных заместителей, снижающих дефицит электронной плотности в реакционном центре .

Увеличение устойчивости карбокатионов :

СН₃ + < СН₃ СН₂ + < ( СН₃ )₂ СН + < ( СН₃ )₃ С +

Рассмотрим образование устойчивого промежуточного карбокатиона

| | | |

– С^б+ —>Х ^б- <==> —С ^б+ … Х^б- <==> — С ⁺ . . . Х ^– <==> ( – С⁺ ) ( Х ^–)

| | | |

переходное ионная пара ( карбокатион) ( анион)

состояние сольватированные

ионы

Карбокатион имеет плоское строение, атом углерода в sp³ – гибридном состоянии, нуклеофильная частица может атаковать карбокатион с любой стороны плоскости. Если в реакции участвует определенный стереоизомер, то в случае механизма S _N 1 возникает рацемизация- образуются два разных стереоизомера ( D и L ) в соотношении 1:1, содержащие новую нуклеофильную частицу.

Ферментативные реакции in vivo проходят по механизму S _N 1 , образуется всегда только один стереоизомер, который необходим для осуществления биохимических процессов.

Равновероятная атака нуклеофилом плоского карбокатиона с двух противоположных

сторон в химической реакции in vitro

У^–

|

У – С^*–

+ |

> С —

|

– С^* –У

|

У^–

Пример:

D –бутанол-2 + НС1 ———> Н₂ О + 2-хлорбутан ( рацемическая смесь)

L- бутанол-2 + НС1 ———> Н₂ О + 2-хлорбутан ( рацемическая смесь)

рацемическая смесь

CН₃ СН₃

| |

С1 – С – Н Н – С – С1 2-хлорбутан

| |

С₂ Н₅ С ₂ Н ₅

энантиомеры , образуют рацемическую смесь в отношении 1:1

К биологически важным процессам нуклеофильного замещения относятся :

А) образование и гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот, синтез

триглицеридов-жиров

Б) образование с участием АТФ фосфорных эфиров соединений, содержащих гидроксильные группы

R–ОН + АТФ —> R–О –РО₃ Н₂ + АДФ

В) образование гликозидных связей между молекулами углеводов или углеводов с веществами других классов( спиртами, аминами, тиолами).

Г) образование полимеров аминокислот- полипептидов и белков.

Д) образование вторичных, третичных, четвертичных аминов, что особенно важно в синтезе адреналина, холина, кофермента НАД⁺.

б- б + б -

R —NH₂ + CН₃ —Х———> R —NH—CН₃ + H — Х

первичный амин полярная связь вторичный амин

Аминогруппа , содержащая неподеленную пару электронов, несет отрицательный заряд

б- , и нуклеофильно замещает ион галогенида, который является уходящей группой.

Модельной реакцией синтеза динуклеотида НАД⁺ может служить образование катиона метилпиридиния . В процессе метилирования пиридина йодометаном образуется соль метилпиридиний йодид

| +

СН₃

4.2.5. Реакции элиминирования ( E )

Реакции элиминирования in vitro имеют самостоятельное значение, но и часто конкурируют с реакциями нуклеофильного замещения( происходят одновременно). Представляют собой распространенный способ образования двойной связи. Элиминирование воды из спиртов проходит при нагревании спирта с конц. серной кислотой при температуре выше 140⁰. В случае вторичных или третичных спиртов реакция идет по правилу Попова( упрощенно - двойная связь располагается внутри цепи)

Механизм реакции элиминирования связан с образованием промежуточного карбокатиона с более устойчивой сопряженной системой.

Н₂ S О_{4 конц} t >140

СН₃ – СН₂ –ОН ———————> СН₂ =СН₂ + НОН

этанол этен

Н₂ S О_{4 конц} t >140

CН₃ – СН₂ – СН – СН₃ ———————> CН₃ – СН = СН – СН₃ + НОН

|

ОН

бутанол-2 бутен-2

Элиминирование галогеноводорода происходит под влиянием спиртового раствора щелочи( КОН или NаОН )

спирт. р-р

СН₃ – СН₂ –С1 + КОН ———————> СН₂ =СН₂ + КС1 + НОН

этанол этен

4 3 2 1КОНспирт. р-р

СН₃ – СН – СН₂ –СООН ———————> СН ₃ – СН =СН – СООН (А)

|

С1 2- бутеновая( кротоновая) кислота

3-хлорбутановая кислота сопряженная система

СН ₂ = СН– СН – СООН (В)

3- бутеновая кислота

нет сопряженной системы

В реакции элиминирования 3-хлорбутановой кислоты возможно образование двух изомеров ( А) и ( В) .

В молекуле 3-хлорбутановой кислоты атом углерода С-2 представляет собой более сильный СН- кислотный центр по сравнению с атомом С-4, удаление протона происходит от атома С-2, возникает сопряженная система. В молекуле 3-бутеновой кислоты отсутствует сопряженная система.

Ферментативные реакции элиминирования in vivo имеют огромное значение в обеспечении множества метаболических процессов( реакции цикла Кребса, синтез и окисление высших жирных кислот). Эти процессы осуществляет особый класс ферментов - лиазы в условиях кислотного катализа при строгом контроле стереоизомерии ( образуется только цис- или только транс- форма )

Наиболее важные биохимические реакции

гидроксилиаза

СН₃ – СН – СН₂ –СООН < ———————> СН ₃ – СН =СН – СООН + НОН

| кротоновая кислота ( транс )

ОН

3-гидроксибутановая кислота (ß– гидроксимасляная)

гидроксилаза

НООС – СН – СН₂ –СООН <———————> СН ₃ – СН =СН – СООН НОН

|

ОН фумаровая( транс-бутендиовая)

яблочная кислотая (малат)

Механизмреакции элиминирования in vitro .

Н₂ S О_{4 конц} t >140 +

СН₃ – СН₂ – О – Н + Н ⁺ ———––—— —––——> СН₃ – СН₂ – О – Н ——–> НОН +

(1) | (2)

Н

Н^б+ катион гидроксония

| +

Н^б+–С –> СН₂ —————————> СН₂ = СН₂ + Н ⁺

| карбокатион ( 3 ) алкен

Н^б+

СН-кислотный

центр

Этапы реакции:

1. Среда кислая. В растворе присутствует катион водорода. Происходит протонирование спиртовой гидроксигруппы. Образуется катион гидроксония( используется неподеленная пара электронов атома кислорода)

2. Отщепление молекулы воды. Возникает карбокатион, т.к. пара электронов возвращается для восстановления электронной оболочки атома кислорода( неподеленной пары электронов )в молекуле воды. В соседнем α- положениивозникает СН- кислотный центр, атомы водорода приобретают заряды б+ .

3. Карбокатион « выбрасывает» протон Н⁺ из α- положения, оставшаяся пара электронов связи ( выделена красным цветом) участвует в образовании двойной связи. Катион водорода возвращается в раствор.

Аналогично действует каталитический центр фермента гидролиазы, который участвует в элиминировании воды.