Органическая химия

нитрозамин диазогидроксид соль диазония

Дальнейший ход реакции зависит от природы углеводородного радикала.

Если R - алифатический радикал, то соль диазония очень неустойчива и немедленно разлагается с образованием молекулы азота и карбокатиона, который затем взаимодействует с находящимися в реакционной среде нуклеофилами (например, с растворителем) или отщепляет протон и дает продукт элиминирования. Например, превращения катиона н-пропилдиазония могут быть представлены следующей схемой:

Реакция не имеет препаративного значения. Процесс используется в аналитических целях для количественного определения первичных алифатических аминов, в том числе природных б -аминокислот, по объему выделяющегося азота.

Соли арилдиазония более устойчивы и могут быть выделены из реакционной смеси. Они являются высокореакционноспособными соединениями и широко используются в органическом синтезе.

Реакции солей арилдиазония

Процесс получения ароматических диазосоединений называется диазотированием и выражается следующим суммарным уравнением.

ArNH₂ + NaNO₂ + 2HCl > ArN₂⁺Cl^- + NaCl + 2H₂O

Реакции солей арилдиазония можно разделить на два типа: реакции с выделением азота и реакции без выделения азота.

Реакции, протекающие с выделением азота. Этот тип реакций представляет собой замещение в ароматическом кольце, уходящей группой в котором является молекула азота N₂.

Реакции используются для введения различных заместителей в ароматическое кольцо.

Реакции, протекающие без выделения азота. Наиболее важной реакцией этого типа является азосочетание. Катион диазония обладает слабыми электрофильными свойствами и вступает в реакции электрофильного замещения с аренами, содержащими сильные электронодонорные заместители. При этом образуются азосоединения.

Азосоединения содержат длинную систему сопряженных связей и поэтому окрашены. Они используются как красители. Образование окрашенных соединений при взаимодействии солей арилдиазония с ароматическими аминокислотами (тирозин, гистидин) используется для их качественного и количественного определения.

Реакции ароматического кольца ариламинов

Аминогруппа является сильным активирующим заместителем и ориентантом 1 рода.

Анилин легко бромируется бромной водой с образованием триброманилина.

В большинстве реакций электрофильного реакционноспособная аминогруппа предварительно защищается путем ацилирования. После проведения реакции ацильную защиту снимают кислотным или щелочным гидролизом.

Лекция № 15

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Гетероциклическими называют соединения, молекулы которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов. Гетероциклы - самый многочисленный класс органических соединений, включающий около 2/3 всех известных природных и синтетических органических веществ. К гетероциклам относятся многие алкалоиды, витамины, природные пигменты. Они являются структурными фрагментами молекул нуклеиновых кислот и белков. Более 60% наиболее известных и широко употребляемых лекарственных препаратов являются гетероциклическими соединениями.

1. Классификация

Гетероциклы классифицируют по следующим основным признакам:

o по природе и числу гетероатомов;

o по размеру цикла;

o по степени ненасыщенности.

Наибольшее распространение в природе имеют пяти- и шестичленные гетероциклы, содержащие в качестве гетероатомов азот, кислород и серу.

По степени ненасыщенности различают насыщенные, ненасыщенные и ароматические гетероциклы. Гетероциклы неароматического характера по своим свойствам сходны с соответствующими ациклическими соединениями (аминами, амидами, простыми и сложными эфирами и т.д.). 5- и 6-членные гетероциклы, замкнутая сопряженная система которых включает (4n + 2) электрона, обладают ароматическим характером. Такие соединения по свойствам родственны бензолу и относятся к ароматическим гетероциклическим соединениям. Для них, как и для бензоидных систем, наиболее характерны реакции замещения. Именно ароматические гетероциклические соединения широко распространены в природе.

Пятичленные азотсодержащие гетероциклы с одним гетероатомом

Пиррол

Пиррол - 5-членный ароматический гетероцикл с одним атомом азота.

Ароматическая система пиррола включает 6 электронов: четыре р -электрона от двойных связей и два р- от гетероатома.

Атом азота с неподеленной парой электронов действует как донор, повышая электронную плотность на атомах углерода цикла.

Химические свойства пиррола определяются наличием ароматической системы и полярной связи N-H.

Шестичленные азотсодержащие гетероциклы с одним гетероатомом.

Пиридин

Пиридин - 6-членный ароматический гетероцикл с одним атомом азота.

Ароматическая система пиридина включает 6 р -электронов и подобна ароматической системе бензола: каждый атом цикла подает в ароматический секстет один р-электрон. Неподеленная пара электронов азота в силу своей пространственной ориентации в сопряжении не участвует

Атом азота действует как акцептор, понижая электронную плотность на атомах углерода цикла.

Химические свойства пиридина определяются наличием ароматической системы и основного атома азота.

Пяти- и шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота.

Имидазол. Пиразол.

Имидазол и пиразол - 5-членные ароматические гетероциклы, содержащие два атома азота.

Ароматические системы имидазола и пиразола включают по 6 электронов. При этом один из атомов азота цикла подает в ароматическую систему один р-электрон, другой атом азота - неподеленную пару электронов.

Имидазол и пиразол являются амфотерными соединениями. При этом основные свойства преобладают над кислотными.

Имидазол и пиразол ассоциированы за счет образования межмолекулярных водородных связей.

Особый вид таутомерии характерен для 5-гидроксипиразолов (пиразолонов-5). В растворе они существуют в виде равновесной смеси гидроки-(I) и оксо-(II,III) таутомерных форм.

В кристаллическом состоянии наиболее устойчива форма II.

Пиримидин

Пиримидин - 6-членный ароматический гетероцикл с двумя атомами азота.

Ароматическая система пиримидина подобна ароматической системе пиридина.

Важную биологическую роль играют гидрокси- и аминопроизводные пиримидина.

Урацил, тимин и цитозин - нуклеиновые основания; входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов, нуклеиновых кислот. Существуют в таутомерных оксо- и гидроксиформах, переходы между которыми осуществляются за счет миграции протона между кислородом и азотом кольца.

Наиболее стабильными являются оксо-форма для цитозина и диоксо-формы для урацила и тимина.

Оксо-формы нуклеиновых оснований образуют прочные межмолекулярные водородные связи.

Ассоциация такого типа играет важную роль в формировании структуры ДНК.

Барбитуровая кислота и ее производные - барбитураты (веронал, люминал) - снотворные и противосудорожные средства.

Тиамин (витамин В₁) содержит два гетероцикла - пиримидин и тиазол.

Тиамин является предшественником кофермента кокарбоксилазы, принимающего участие в декарбоксилировании a -кетокислот и синтезе кофермента А.

Пурин

Пурин - ароматическое гетероциклическое соединение, содержащее конденсированные пиримидиновый и имидазольный циклы.

Пурин, подобно имидазолу, существует в виде двух таутомерных форм. Более стабильной является форма с атомом водорода в положении 7.

Важную биологическую роль играют гидрокси- и аминопроизводные пурина.

Аденин и гуанин - нуклеиновые основания; входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов, в том числе нуклеотидных коферментов, нуклеиновых кислот.

Для аденина известны две таутомерные формы, являющиеся результатом миграции протона между атомами азота имидазольного цикла. У гуанина, кроме того, существуют таутомерные гидрокси- и оксоформы.

Стабильными таутомерными формами гуанина являются оксо-формы.

Нуклеиновые кислоты - присутствующие в клетках всех живых организмов биополимеры, которые выполняют важнейшие функции по хранению и передаче генетической информации и участвуют в механизмах ее реализации в процессе синтеза клеточных белков.

Установление состава нуклеиновых кислот путем их последовательного гидролитического расщепления позволяет выделить следующие структурные компоненты.

а

Лекция № 16

АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ

Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, содержащие карбоксильную и аминогруппы. По взаимному расположению функциональных групп различают б-, Я-, г- и т.д. аминокислоты.

1. Методы получения

!) Аммонолиз галогензамещенных кислот.

2) Метод Штеккера- Зелинского

Включает стадии образования аминонитрила при взаимодействии альдегида с HCN и NH₃ c последующим гидролизом его в аминокислоту. В качестве реагента применяют смесь NaCN и NH₄Cl.

Метод применим для синтеза только б -аминокислот.

3) Восстановительное аминирование оксокислот

4) Присоединение аммиака к непредельным карбоновым кислотам.

Метод применим для синтеза Я -аминокислот.

5) Из оксимов циклических кетонов перегруппировкой Бекмана.

Метод используется для синтеза е -аминокислот.

2. Химические свойства

Аминокислоты дают реакции, характерные для карбоксильной и аминогрупп, проявляют специфические свойства, обусловленные наличием двух функциональных групп и их взаимным расположением.

2.1 Кислотно-основные свойства

Аминокислоты содержат кислотный и основный центры и являются амфотерными соединениями. В кристаллическом состоянии они существуют в виде внутренних солей (биполярных ионов), которые образуются в результате внутримолекулярного переноса протона от более слабого основного центра (СОО^-) к более сильному основному центру (NH₂).

Ионное строение аминокислот подтверждается их физическими свойствами. Аминокислоты - нелетучие кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Они нерастворимы в неполярных органических растворителях и растворимы в воде. Их молекулы обладают большими дипольными моментами.

Форма существования аминокислот в водных растворах зависит от рН. В кислых растворах аминокислоты присоединяют протон и существуют преимущественно в виде катионов. В щелочной среде биполярный ион отдает протон и превращается в анион.

При некотором значении рН, строго определенном для каждой аминокислоты, она существует преимущественно в виде биполярного иона. Это значение рН называют изоэлектрической точкой (рI). В изоэлектрической точке аминокислота не имеет заряда и обладает наименьшей растворимостью в воде.

2.2 Реакции по аминогруппе

Дезаминирование

Аминокислоты содержат первичную аминогруппу и подобно первичным аминам взаимодействуют с азотистой кислотой с выделением азота. При этом происходит замещение аминогруппы на гидроксильную.

RCH(NH₂)COOH + HNO₂ > RCH(OH)COOH + N₂ + H₂O

Реакция используется для количественного определения аминокислот по объему выделившегося азота (метод Ван-Слайка).

Алкилирование и арилирование

При взаимодействии аминокислот с избытком алкилгалогенида происходит исчерпывающее алкилирование аминогруппы и образуются внутренние соли.

Аминокислоты взаимодействуют с ангидридами и хлорангидридами с образованием N-ацильных производных.

Реакция используется для защиты аминогруппы в синтезе пептидов. Такая защита должна легко сниматься, а амиды, как известно, гидролизуются в жестких условиях. При разработке методов синтеза пептидов были найдены защитные группы, которые легко удаляются путем гидролиза или гидрогенолиза.

2.3 Реакции по карбоксильной группе

Декарбоксилирование

При сухой перегонке в присутствии гидроксида бария аминокислоты декарбоксилируются с образованием аминов.

Этерификация

Аминокислоты взаимодействуют со спиртами в присутствии газообразного HCl как катализатора с образованием сложных эфиров.

В отличие от самих аминокислот, их сложные эфиры - легко летучие соединения и могут быть разделены путем перегонки или газожидкостной хроматографии, что используется для анализа и разделения смесей аминокислот, полученных при гидролизе белков.

Реакция используется для активации аминогруппы в синтезе пептидов.

2.4 Специфические реакции аминокислот

Комплексообразование

б -Аминокислоты образуют прочные хелатные комплексы с ионами переходных металлов (Cu, Ni, Co, Cr и др.).

Отношение аминокислот к нагреванию

Превращения аминокислот при нагревании зависят от взаимного расположения карбоксильной и аминогруппы и определяются возможностью образования термодинамически стабильных 5-ти- 6-тичленных циклов

б -Аминокислоты вступают в реакцию с образованием циклических амидов - дикетопиперазины.

Я-Аминокислоты при нагревании переходят в непредельные кислоты.

г - и д -Аминокислот претерпевают внутримолекулярное ацилирование с образованием циклических амидов - лактамов.

Пептиды

Петиды - это полиамиды, построенные из б -аминокислот. По числу аминокислотных остатков в молекуле пептида различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называют олигопептидами, более 10 аминокислотных остатков - полипептидами. Природные полипептиды, включающие более 100 аминокислотных остатков, называют белками.

Формально пептиды можно рассматривать как продукты поликонденсации аминокислот.

Аминокислотные остатки в пептиде связаны амидными (пептидными) связями. Один конец цепи, на котором находится аминокислота со свободной аминогруппой, называют N-концом. Другой конец, на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называют С-концом. Пептиды принято записывать и называть, начиная с N-конца.

Название пептида строят на основе тривиальных названий, входящих в его состав аминокислотных остатков, которые перечисляют, начиная с N-конца. При этом в названиях всех аминокислот за исключением С-концевой суффикс “ин” заменяют на суффикс “ил”. Для сокращенного обозначения пептидов используют трехбуквенные обозначения входящих в его состав аминокислот.

Размещено на Allbest.ru