Механизмы биоорганических реакций

Под механизмом реакции подразумевается подробное описание процесса, в результате которого реагенты превращаются в продукты.

Изучение механизма реакции включает в себя исследование( или умозрительное предположение) :

- этапов реакции

- электронного и пространственного строения промежуточных частиц, которые образуются во время реакции.

Механизм реакции должен быть подтвержден экспериментально с использованием нескольких соединений гомологического ряда или веществ, отличающихся только заместителями. В процессе познания представления о механизме реакции могут изменяться или даже полностью отвергаться. Для некоторых реакций на данном этапе развития науки, может быть предложено несколько механизмов, каждый из которых имеет свои подтверждения .

Если механизм реакции изучен и подтвержден , то делают дополнение к типу реакции,

указывая электронную природу активных промежуточных частиц, определяющих механизм реакции:

А _Е - реакция электрофильного присоединения

А _Nu - реакция нуклеофильного присоединения.

S _Е - реакция электрофильного замещения

S _R -реакция радикального замещения

Реакционная способность- тип реакции и электронная природа промежуточных активных частиц- зависит от строения биоорганического соединения, типа связей.

Например, для непредельных соединений характерны реакции А _Е , для ароматических соединений - S _{Е ,} спиртов - S _N .

4.2.1. Реакции электрофильного присоединения в ряду алкенов(А _Е)

Характерны для алкенов, содержащих изолированные и сопряженные двойные связи.

В реакциях могут участвовать галогены , галогеноводороды, спирты, карбоновые кислоты, вода. Присоединение воды-гидратация- наиболее важный вид реакций in vivo.

Вспомним реакции , которые изучают в школьной программе органической химии:

А) Присоединение галогенов- дигалогенирование. Обычно используют раствор галогена в СС1₄ . Обесцвечивание раствора бромной воды- качественная реакция на двойную связь.

> CH=CH< + Вг₂ —> > CH Вг — СHВг< дибромалкан

Б) Присоединение галогеноводорода- гидрогалогенирование

> CH=CH< +НВг —> > CH₂ — СHВг< бромалкан

В) Присоединение воды. В отличие от предыдущих реакций происходит в условиях кислотного катализа, чаще используют серную кислоту

Н₂ S О₄

> CH=CH< +НОН ——> > CH₂ — СH<

|

ОН алканол(спирт)

Если двойная связь несимметричная, то для оценки направления реакции используют эмпирическое ( опытное) правило Марковникова (empeiria- греч- опыт ) : атом водорода присоединяется к более ”гидрированному“ атому углерода, если рядом с двойной связью расположен заместитель-донор.

СН₂ = СН— СН₃ + НС1 ——> СН₃ — СН — СН₂Н

пропен | 2-хлорпропан

С1

Реакция идет против правила Марковникова, если рядом с двойной связью располагается заместитель- акцептор.

СН₂ = СН— СООН + НС1 ——> СН₂ — СН — СООН

пропеновая кислота | | 3-хлорпропановая кислота

С1 Н

Для объяснения правила Марковникова можно использовать два объяснения, используя знание о распределении электронной плотности в молекуле :

1. статическое - изначальное распределение

2. динамическое - возникающее в процессе реакции, которое связано с конкретным механизмом реакции.

В молекулах пропена и пропеновой ( акриловой) кислоты различное распределение электронной плотности , в соответствии с этим распределением происходит присоединение заряженных частиц ( Н⁺ и С1^– )

б – б+

СН₂ = СН <— СН₃ СН₂ = СН —> СООН

донор ( +I ) акцептор ( -I )

Механизм реакции А _Е

Реакционный процесс можно представить в виде нескольких стадий:

1. атака электрофилом двойной связи

2. образование π -комплекса

3. превращение π -комплекса в σ- комплекс( карбокатион). Из двух возможных

карбокатионов образуется более устойчивый

4. присоединение нуклеофила, образование конечного продукта реакции

Положительно заряженная частица электрофил( чаще всего Н⁺) ориентируется около электронов двойной связи, которые располагаются перпендикулярно σ- скелету. В поле притяжения электрофила находится отрицательно заряженный нуклеофил( в нашем конкретном случае Вг ^– ). Затем протон образует химическую σ- связь с одним из двух атомов углерода. Для образования связи нужна пара электронов. Поэтому соседний атом теряет свой электрон и приобретает заряд (+), получается карбокатион. Всегда возможно образование двух карбокатионов. Далее в реакции присоединения нуклеофильной частицы участвует тот карбокатион, который более устойчив. Нуклеофильная частица присоединяется с противоположной стороны по отношению к протону.

На схеме представлены два возможных пути присоединения протона Н⁺ после образования π –комплекса ( карбокатионы I и II ).

Более устойчивым является карбокатион I, поскольку заряд (+ ) который соответствует свободной электронной орбитали - компенсируется донорным действием двух соседних радикалов( метильных групп), а в карбокатионе II – только со стороны одного радикала ( этильной группы).

При исследовании реакции присоединения бромоводорода к пропену установлено , что полностью образуется 2-бромпропан, и не обнаружено образование другого изомера.

Схема механизма реакции А _Е

π –комплекс σ- комплекс-карбокатион

π –комплекс σ- комплек-карбокатионс

Донорные заместители увеличивают скорости реакций присоединения., а акцепторные – снижают, так как уменьшают электронную плотность в области двойной связи и затрудняют притяжение электрофильной частицы при образовании π –комплекса.

Сравним относительные скорости реакций присоединения брома к двойной связи:

Этен 1, 0 ( стандарт)

Пропен 3, 0

Метилпропен( изобутен) 5, 5

2-метилбутен-2 10,4

Бромэтен 0,04 ( + М < - I )

В организме с участием ферментов непрерывно протекают реакции присоединения воды к двойной связи. Эти процессы связаны с энергетическим обменом ( реакции цикла Кребса), синтезом и окислением высших карбоновых кислот. Реакции стереоспецифичны, что означает - образуется только один стереоизомер.

Фумаровая кислота + Н₂О ——> D- яблочная кислота

СООН

Н СООН |

> С=С < Н –С – ОН

НООС Н |

СН₂

|

СООН

Гидратация активных форм 2,3-непредельных кислот всегда приводит к получению 3-гидроксипроизводных ( ß -гидроксикарбоновых кислот).

СН ₃ – СН = СН – СООН + Н₂О ——> СН ₃ – СН – СН₂ – СООН

2-бутеновая кислота | 3-гидроксибутановая

( кротоновая) ОН ( ß –гидроксимасляная )

Задание для самостоятельной работы: запишите строение двух возможных σ –комплексов( карбокатионов), которые образуются при гидратации пропеновой (акриловой) кислоты, обсудите, какой из них более устойчив и сравните ваши выводы с направлением реакции, которая сопровождается образованием 3-гидроксипропановой кислоты.