Лекция_Биологически_важные_реакции_карбонильных_соединений

1. Биологически важные реакции карбонильных соединений.

Кафедра общей и медицинской химии
Биологически важные реакции
карбонильных соединений.

2. Карбонильные соединения.

Соединения, содержащие С=О (оксо группу),
называются карбонильными.
Существует два класса карбонильных соединений:
(А) Альдегиды
И
H
C
O
C
O
R
R
(К) Кетоны
R
2

3.

3

4. I.Классификация и номенклатура альдегидов (А)

По природе R : 1) предельные (CnH2nO)
O
Систематическая заместительная
номенклатура ИЮПАК: название УВ + АЛЬ
- метанАЛЬ
Тривиальная номенклатура:латура
формальдегид
муравьиный альдегид.
O
- этанАЛЬ
- ацетальдегид,
уксусный льдегид.
H
C
H
H
C
CH3
H
C
CH3 CH2
O
- пропанАЛЬ
- пропионовый альдегид
- метилуксусный альдегид
4

5.

2) непредельные (CnH2n-2O)
- пропеналь
- акролеин, акриловый А.
- бутен-2-аль
- изокротоновый (цис-бутен-2-аль)
- кротоновый (транс-бутен-2-аль)
- бутен - 3- аль
- винилуксусный альдегид
- метилпропеналь
- метакриловый альдегид
5

6.

3)Ароматические А
O
C
бензальдегид
H
4) Алициклические А
O
C
Циклопентанкарбальдегид
H
6

7.

7

8. Кетоны (представители, номенклатура)

1) Алифатические
CH3
C
CH3
O
Систематическая заместительная
номенклатура (ИЮПАК)
Название УВ + ОН
пропанон
Радикало-функциональная
номенклатура
- диметилкетон
Тривиальная номенклатура -ацетон
2) Ароматические
C6H5
C
-дифенилкетон
C6H5 - бензофенон
O
8

9.

3) Смешанные
C
O
CH3
- метилфенилкетон
- ацетофенон
4) Циклические
- циклопентанон
9

10. II. Электронное строение и природа химической связи >C=O группы

II. Электронное строение и природа
химической связи >C=O группы
1.
Гибридизация атомных орбиталей С
“С” в >C=O находится в
sp2 – гибридизации,
3 , 1 -связи, плоская
геометрия.
Благодаря такому электронному строению оксогруппы для карбонильных соединений
возможны реакции присоединения А
10

11. 2. Полярность и поляризуемость связи С – О

2. Полярность и поляризуемость связи
С–О
1) Из–за большой электроотрицательности атома О (ЭОо>ЭОс) связь
сильно поляризована С
О.
2) - связь легко поляризуется.
3) Образуется электрофильный центр на атоме С.
4) К электрофильному центру С происходит присоединение нуклеофила.
Для карбонильных соединений характерны реакции нуклеофильного
присоединения (АN)
Nu - центр
+δ
>С
-δ
О
>С
О-
Nu
ε - центр
Nu атака
11

12. 3. Особые свойства Н при  С атоме

3. Особые свойства Н при С атоме
Водород при С атоме обладает кислотными свойствами
(из-за –I эффекта С=O-группы), которые он проявляет при
соответствующих
условиях.
Кислотный
характер
H
обуславливает протекание следующих реакций:
1) альдольной конденсации
2) кето – енольной таутомерии
+δ2
СН
+δ1
С
-δ
О
Н
Н
12

13. Для альдегидов и кетонов характерны следующие реакции:

I. A
N
II. ОВР
III. Реакции в R
Схема реакции нуклеофильного замещения AN
sp2
R1
O
+
C
u
R2
Nu
Nu
R1
C
O-
R1
C
sp3
R2
-
R2
O
13

14.

Для увеличения заряда +δ на электрофильном центре С и
облегчения протекания реакций АN используется кислотный
катализатор.
Cхема кислотного катализа.
>C
O
+
H
>C
+
OH
+
OH
>C
Многие реакции нуклеофильного замещения протекают в
кислой среде.
14

15.

Закономерности реакционной способности А и К в
реакциях AN
1) Альдегиды легче вступают в реакции AN, из-за большего
положительного заряда (+ ) на С атоме
(электрофильном
центре)
H
C
CH3 +Iэф
CH3+Iэф
C
O
O
C
+Iэф
CH3
O
+Iэф
H
CH3
H
формальдегид
ацетальдегид
ацетон
C
O
π-π сопряжение
ацетофенон,
метилфенилкетон
Наиболее реакционноспособное соединение - формальдегид
15

16.

2) Введение ЭА заместителя увеличивает активность
в реакциях нуклеофильного присоединения AN.
CI -Iэф
CI
С
O
H
+δ2
C
CI
C
CH3
H
хлораль
O
этаналь
3) Большие заместители затрудняют доступ Nu к С+
(стерический фактор)
CH3
C
CH3
O
C4H9
C
O
CH3
16

17. Химические свойства карбонильных соединений.

I. Реакции AN
1) Присоединение HCN– образование - гидроксинитрилов
(циангидринов)
Вступают в реакцию альдегиды и кетоны – А, К.
Реагент: - HCN (условие- следы КОН или KCN в Н+ среде)
CN
СH3
O
C
H
C
N
OH-
CH3
O-
C
H
CN
H
H+
CH3
C
H
OH
2 - гидроксипропанонитрил
17

18.

Гидролиз -гидроксинитрилов приводит к образованию
α-гидроксикарбоновых кислот
HCI
CH3
CH
CN + 2H2O
OH
CH3
CH
COOH
+
NH4Cl
in vitro
OH
2 – гидроксипропановая кислота
(молочная)
In vivo – в живом организме - происходит ферментативное разложение
циангидринов с образованием
синильная
кислота
2 – гидроксинитрил
миндальной кислоты
18

19.

!Значение реакции присоединения HCN
1) Используется при синтезе аминов и карбоновых кислот
(образуются соединения с большей длиной углеродной цепи)
RCN
H
RCH2NH2
восстановление
н2о
RCN гидролиз RCOOH
2) Применяется для получения - гидрокси- и
- аминокислот.
19

20.

2) Присоединение спиртов – образование полуацеталей
и ацеталей ( реакции - в основном для А)
а) реагент – ROH (CH3OH, С2H5OH и т.д. )
условие – HCl сухой – обратимость процесса
OC 2H5
СH3
O
C
H
C2H5OH
Nu
HCl, сух АN
{SN}
CH3
C
C
OH
n\a
H
полуацеталь этилового спирта
и ацетальдегида
OC 2H5
HCIсух
CH3
OC 2H5
H2O
H
диэтилацетальдегид
20

21.

Роль катализатора в реакции AN - увеличение заряд + на С,
в SN - создание хорошо уходящей группы Н2О.
Механизм
C2H5OH
СH3
O
H
C
+
C2H5OH
+
OH
C
CH3
AN
+
C
CH3
-
CI
OH
-HCI
H
OC2H5
n\a
OH
C
SN
CH3
H
C
H
OC2H5
CH3
C
H
+
O
OC2H5
H+
CH3
H
H
+
OH -H2O
CH3
C
+
C2H5
C2H5OH
H
H
OC 2H5
O
H
C2H5
CI-HCI
CH3
C
OC2H5
H
21

22.

Гидролиз ацеталей и полуацеталей происходит только в
кислой среде –образуются исходные вещества -альдегид и
спирт.
В щелочной среде- ацетали и полуацетали устойчивы.
OC2H5
CH3
C
OH
H+
+ H2O
O
CH3
C
H
этаналь
+ C2H5OH
H
спирт
22

23.

Присоединение многоатомного спирта – образуется
циклический ацеталь:
C
CH3
O
CH2
OH
H
CH2
OH
этиленгликоль
CH2
O
CH3
C
CH2
O
HCI сух.
циклический ацеталь
этиленгликоля и ацетальдегида
H2O
H
23

24.

внутримолекулярное взаимодействие альдегидной
и гидроксогруппы приводит к образованию циклических
полуацеталей.
Общая схема образования полуцеталей
H
п/а
C
O
OH
OH
H
C
O
24

25.

H
O
C
OH
(CH2)3
(CH2)3
O
5
CH2OH +
CH2
1
C
H
H+
5 – гидроксипентаналь
Пятичленный цикл
- фуранозный
n\a
шестичленный цикл
- пиранозный
25

26. Значение реакции ацетализации

Реакция
лежит
в
основе
получения
природных
полисахаридов (полиацеталей) – целлюлозы, крахмала и т.д.
(гетерополисахаридов – хондроитинсульфатов).
1).
26

27. Значение реакции ацетализации

2). Образование ацеталей происходит при выделении из организма
чужеродного соединения – например фенола (может содержаться в
составе лекарственных препаратов - парацетомола)
глюкуроновой кислотой
COOH
O
C6H5OH
O
C6H5
Фенилглюкуронид (ацеталь)
3). Используется в органическом синтезе для временной
защиты альдегидной группы
Кетоны - образуют кетали, реакция протекает хуже, затруднена.
27

28.

3) Присоединение H- гидридов металлов (гидрид –
ионов).В результате образуются спирты .
Альдегиды восстанавливаются в первичные , а кетоны - во
вторичные спирты.
Реагенты: NaAlH4 , LiH
CH3
O + Li+H-
C
H
АN
CH3
C
гидролиз
OLi
H2O, H+
- Li +
CH3
CH3
H
CH3
C
OH
CH3
пропанол -2
28

29. Восстановление в организме А и К

В организме восстановление(гидрирование) альдегидов и кетонов
до спиртов осуществляется ферментативно под действием
восстановленных форм коферментов (НАДН) или ФАД(2Н).
(никотинамидадениндинуклеотид)
восстановленная форма
29

30.

4) Взаимодействие с аминами и их производными
(NH2X) - образуются имины - (основания Шиффа).
В реакцию вступают и альдегиды и кетоны, процесс
протекает в два этапа:
-нуклеофильное присоединение NH2X - первичных аминов
или аммиака NH3
-отщепление Н2О
классифицируется как реакция AN –E (присоединения-
отщепления)
CH3
C
O + C2H5NH2
AN –E
CH3
- H2O
CH3
Рассматриваются 2 механизма этой реакции :
1) с Н+ катализатором;
2)через образование биполярного иона
C
N
C2H5
этилимин ацетона
CH3
30

31.

Механизм через образование биполярного иона.
СH3
O
C
..
+ C2H5 - NH2
O
H
C
+N
H
C2H5
AN
CH3
H
H
OH
биполярный ион
H
E
CH3
C
N
C2H5
- H2O
H
карбиноламин
CH3
C
C2H5
N
H
этилимин ацетальдегида
31

32.

Гидролиз: основания Шиффа и подобные соединения
легко гидролизуются в кислой (Н+ ) среде:
CH3
C
CH3
N-C2H5 + H2O
H+
CH3
C
O
+ NH2 – C2H5
CH3
Образуются исходные вещества: карбонильное соединение и
амин.
32

33. Взаимодействие альдегидов и кетонов с аммиаком

• Реакция
осложняется
циклизацией
продуктов присоединения
первоначальных
метаналь
Гексаметилентетрамин-уротропин
33

34. Уротропин - лекарственный препарат, дезинфецирующее средство, использующееся при воспалении мочевых путей (А.М.Бутлеров 1859г).

Уротропин
лекарственный
препарат,
дезинфецирующее
средство, использующееся при воспалении мочевых путей
(А.М.Бутлеров 1859г).
• Из уротропина в кислой среде (гидролиз)
образуются формальдегид и аммиак.которые
обладают антимикробными свойствами.
• Особенно сильное антимикробное
действие уротропин оказывает
в кислой среде мочевыводящих
путей почек.
34

35. Роль иминов в биохимических процессах.

Имины -промежуточные соединения при получении аминов
из
альдегидов
и
кетонов
восстановительным
аминированием.
R1
O
C + NH3
R2
[H] E
-H2O
R1
C
R2
NH
R1
CH
NH2
R2
В организме восстановительное аминирование
осуществляется в ходе синтеза α-аминокислот
35

36.

Процесс образования - аминокислот из - оксокислот
называется переаминированием или трансаминированием.
Он протекает через стадию стадию получения иминов.
В процессе трансаминирования участвует кофермент
пиридоксальфосфат.
2 метил – 3 гидрокси, 5 гидрокси –
пиридин – 4 карбальдегидфосфат
Пиридоксальфосфат
выполняет функцию
переносчика аминогруппы т.е.
временно хранит
NH2-группу, являясь «камерой
хранения»)
36

37.

Химические превращения α-аминокислот в организме
с участием пиридоксальфосфата.
H
R
H
C
H
O
C
N
C
O3POCH2
O3POCH2
+
N
CH3
NH 2CHCOOH
R
H
пиридоксальфосфат
H
O
OH
+
COOH
+
N
CH3
H
α-аминокислота
альдимин
37

38. Аналитические реакции иминов

• Используя производные NH3 и аминов, можно выделить А и К
из реакционной смеси и идентифицировать
их по
температурам плавления.
• Оксимы - продукты реакции А и К с гидроксиламином
NH2OH, механизм реакции AN - E
38

39. Примеры получения некоторых оксимов

39

40.

• Гидразоны - продукты взаимодействия
гидразина NH2-NH2 с альдегидами и кетонами.
40

41.

• Фенилгидразоны - продукты взаимодействия А и К с
фенилгидразином
NH2-NH-C6H5
41

42.

5. Альдольная конденсация (А,К)
Конденсация - реакция,образования из относительно
простых молекул более сложных.
Условия протекания реакции:
1) Реакции возможны только для А и К, имеющих
С,обладающий кислотным характером:
Н при
2) Щелочная среда (ОН-)
42
3- гидроксибутаналь (альдоль)
42

43.

Механизм реакции альдольной конденсации AN
а) Образование нуклеофильной частицы (Nu) из 1-ой молекулы
O
альдегида
CH3
C
H
CH2
C
O
O
OH-
H
-H2O
CH2
C
карбанион - Nu
H
H
43

44.

б) Присоединение образовавшегося Nu ко второй молекуле
карбонильного соединения –
O
образование альдоля
C
CH3
H
O
O
CH3
C
O
+
CH2
-
C
O
CH3
CH
CH2
C
H
H
H
OH
H2O
- OH
O
CH3
возврат катализатора
CH
CH2
C
H
3- гидроксибутаналь
альдоль
44

45.

Кротоновая конденсация
Если
реакцию конденсации проводить в более жестких
условиях (при нагревании и в кислой среде),то альдоль
дегидратируется с образованием кротонового альдегида
CH3
OH
H
CH
CH
O
O H+
C
H
-H2O
CH3
CH
CH
C
H
trans бутен – 2 –аль,
кротоновый альдегид
45

46.

Значение реакции альдольной конденсации
(присоединения).
Реакции альдольного присоединения обратимы . В организме
происходят два процесса: альдольная конденсация и
альдольное расщепление.
1) В углеводном обмене, например, образуется нейраминовая
кислота (С9) из С3 и С6. ( в свободном состоянии содержится в
спинномозговой жидкости).
Ее производные - сиаловые кислоты:
компоненты специфических веществ крови и тканей входят в
состав ганглиозидов мозга, участвующих в проведении
нервных импульсов
46

47. Образование нейраминовой кислоты-реакция альдольного присоединения

47

48.

Значение реакции альдольной конденсации
(присоединения).
2) Образование новых связей С – С с участием тиоэфиров
карбоновых кислот.
3) Альдольное расщепление:
серин гли + метаналь
O
CH2
CH
COOH
E
H
+
C
CH2
COOH
H
OH
серин
NH 2
NH 2
метаналь
глицин
48

49.

6.Присоединение Н2О - гидратация ,
Механизм реакции- AN
Процесс гидратации - обратимый. Чем больше положительный
заряд на атоме С,тем активнее присоединяется вода.
Полностью гидратирован трихлоруксусный альдегид
(-I эффект трех атомов CI приводит к образованию большого
на С ),
Ацетальдегид- гидратирован только наполовину,
ацетон практически не образует гидратов.
Cl
Cl
O
+
Cl C C
Cl хлораль H
H2O
Cl
OH
C
Cl
C
OH
H
хлораль-гидрат
49

50.

Хлоральгидрат применяется в медицине как успокаивающее и
снотворное средство. В основе его фармакологического
эффекта лежит наркотическое действие на организм
альдегидной группы.
50

51.

7. Взаимодействие с NaHSO3 - качественная реакция
на >С=О группу.
CH3
CH3
C
CH3
O + NaHSO3
CH3
C
SO3Na
OH
белый осадок
51

52. II. Кето-енольная таутомерия.

Таутомерия - сосуществование в динамическом равновесии двух
и более изомерных форм. Кето – енольная таутомериячастный случай прототропной Т.Между кетонной и енольной
формой осуществляется перенос протона. Атом Н при α атоме
С обладает слабыми кислотным характером
Карбанион
енолят- ион
енол
52

53. III.Окисление альдегидов

1). Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот
большинством окислителей KMnO4,K2Cr2O7,и т.д.(даже
кислородом воздуха).
53

54.

2). Окисление альдегидов реактивом Толленса и реактивом
Фелинга– качественная реакция на альдегидную группу.
O
C
H
O
Ag(NH3)2
OH
+ H 2O
реакция серебряного зеркала
O
O
C
C
OH
Р-в Толленса
R
+ R
Ag
+
C
H
CH
O
ONa
Cu2O
+
H2O
+
C
O
Cu
CH
O
O
+
R
ONa
O
CH
OH
OH
CH
OH
C
C
O
OK
Р-в Фелинга
Щелочной раствор тартратного
комплекса меди
C
OK
оранжевый цвет
реакция медного зеркала54

55.

3) Окислительно-восстановительная реакция альдегидов –
реакция Канниццаро-Тищенко (диспропорционирования)
Характерна для альдегидов, у которых нет Н при С:.
O
H
C
(CH3)3 C
C
H
H
формальдегид
бензальдегид
Реакция протекает в ОН- - щелочной среде
O
O
H
триметилуксусный
альдегид
Реакция диспропорционирования для метаналя
H
o
O
+ H
C
H
вI
O
OH
o
C
H
ок II
+2
H
O
C
-2
+
CH 3OH
OH
ок I
в II
55

56.

C6H5CHO
вI
бензальдегид
C6H5CHO
ок II
KOH
O
C6H5C
ок I OK
бензоат калия
C6H5CH2OH
H2O
в II
Фенилкарбинол,
бензиловый спирт
56

57.

V Реакции карбонильных соединений в радикале .
1.Для предельных альдегидов и кетонов характерны реакции радикального замещения SR : Cl2, Br2, h или Р красный.
Замещение происходит всегда в -С атоме.
O
CH3
CH2
C
+ Br2
O
Pkp
CH3
CH
H
- HBr
H
C
Br
2-бромпропаналь
галогензамещенные
альдегиды и кетоны оказывают
сильное
раздражающее
действие
на
слизистые
оболочки носа и глаз, то есть
являются лакриматорами (от
лат. Lacrima - слеза)
57

58.

2. Для непредельных альдегидов и кетонов характерны
реакции электрофильного присоединения – AЕ в радикале,
присоединение к , атомам С происходит против правила
Марковникова
O
CH2
CH
C
HBr
O
CH2
CH2
C
H
H
Br
3-бромпропаналь
Акролеин
сильный
лакриматор,очень токсичен.
акролеин
Используется для синтеза
глицерина,пиридина,
аминокислот,лекарственных
препаратов и ряда других
веществ.
58

59.

3) Для ароматических альдегидов и кетонов характерны
реакции электрофильного замещения - SЕ ( катализатор AlCl3
AIBr3) – замещение происходит в мета – положении в
бензольном кольце.
O
C
O
C
H
Br2
AIBr3
H
HBr
3-бромбензальдегид
Br
Бензальдегид применяется для
синтеза душистых веществ,
в парфюмернокосметических
композициях,как
растворитель и т.д.
59

60.

Галоформная реакция – качественная реакция
на фрагмент
CH3
C
O
Используется для определения ацетона и ацетоновых тел
в клиническом анализе при сахарном диабете.
O
CH3
C
R + 3 I2 + 4 NaOH
CHI3 + R
иодоформ
O
C
+ 3 NaI + 3 H2O
ONa
60

61.

Механизм галоформной реакции
OH
C
CH3
R
3 I2
4 NaOH
- 3 NaI
I
+δ
C
+δ
C
ONa
I
O
CHI3
I
R
Желтый цвет
O
R
C
O-
61
Na+

62.

Биологическое значение.
62

63. Карбонильные соединения – активные участники метаболизма

1. Кетокислоты
участвуют в метаболизме углеводов(ПВК)
и в процессах окисления липидов.
Малоновый альдегид - пропандиаль - важнейший
продукт перекисного окисления липидов, его
определение в биосредах практикуется в
биохимическом анализе.
O
O
C
H
CH2
C
H
63

64.

2. Убихиноны
Участвуют в окислительно-восстановительных
O
процессах
пара-хинон
циклогексадиен - 2,5 – дион 1,4
O
O
CH3
2- метилнафтохинон - 1,4
O
Витамин К4 – отвечает за свертываемость
крови.
64

65.

3. Пиридоксальфосфат – участник реакций
трансаминирования (переаминирования),
декарбоксилирования, важнейших
H
O
C
химических реакций аминокислот.
HO
CH2OH
4. Углеводы – участники гликолиза.
H3C
N
5.Многие стероидные гормоны содержат кетонную
группировку, например, тестостерон и прогестерон –
половые гормоны.
65

66. Карбонильные соединения как лекарственные средства (некоторые примеры)

1.Производные бутиферона
C6H5
CO
CH2
CH2
CH2
NR2
обладают успокаивающим
действием (нейролептики).
66

67.

2) Фурфурол
O
C
O
- в синтезе фурацилина (лечение
больного горла)
H
3) Камфора – является кетоном терпенового ряда. Она с
давних времен используется как средство, стимулирующее
сердечную деятельность.
67