1 курс / Химия / Биоорганическая химия-1

Например, в молекуле п-крезола (4-метилфенола) метильный радикал за счет +I-эффекта повышает электронную плотность в бензольном кольце и на сопряженной с ним гидроксильной группе. Так как электронная плотность на атоме кислорода повышается, он слабее притягивает электроны от атома водо-

рода. Связь О-Н становится менее полярной и труднее разрывается гетероли-

тически – следовательно, водород отрывается труднее и кислотность понижа-

ется. Таким образом, п-крезол является более слабой кислотой по сравнению с незамещенным фенолом.

В молекуле п-нитрофенола нитрогруппа за счет –I и –М-эффектов пони-

жает электронную плотность на бензольном кольце и на сопряженной с ним гидроксильной группе. Поэтому атом кислорода сильнее притягивает элек-

тронную пару от атома водорода. Связь О-Н еще более поляризуется и легче разрывается по гетеролитическому механизму. Протон отрывается легче, сле-

довательно, кислотность повышается. Таким образом, п-нитрофенол является более сильной кислотой, чем незамещенный фенол.

4. Зависимость кислотности от растворителя.

Взаимодействие молекул или ионов растворенного вещества с растворите-

лем называется сольватацией. Стабильность аниона существенно зависит от его сольватации в растворе: чем легче ион взаимодействует с растворителем (чем больше он сольватирован), тем он устойчивее. Таким образом, чем сильнее рас-

творитель сольватирует сопряженную кислоту и сопряженное основание, тем выше кислотность органического соединения. Сольватация ионов тем больше,

чем меньше размер иона и чем меньше делокализация в нем заряда.

61

4.2. Основность органических соединений.

Согласно определению Бренстеда, основания – акцепторы протона. Для того, чтобы присоединить протон, молекула органического соединения должна обладать избытком электронной плотности, т. е. неподеленной электронной па-

рой или π-электронами. Исходя из этого, органические основания делятся на р – основания и π – основания:

р-основания - соединения, в которых имеется гетероатом с неподеленной парой электронов. В зависимости от природы гетероатома, р-основания делятся на аммониевые (к ним относятся амины R3N, имины R=NH, нитрилы RCN и т. д.),

оксониевые (к ним относятся альдегиды и кетоны R-C(O)R1, простые эфиры

R-O-R1, сложные эфиры R-C(O)OR1 и т. д.), сульфониевые (сульфиды R-S-R1, тио-

альдегиды и тиокетоны RC(S)R1 и т. д.)

π-основания (алкины, алкены, диены, арены и т. д.), в которых центром ос-

новности являются электроны π-связи. Это очень слабые основания, так как прото-

нируемые электронные пары несвободны.

На основность органических соединений влияют те же факторы, что и на ки-

слотность.

1. Зависимость основности от природы гетероатома.

Влияние природы гетероатома на основность противоположно ее влиянию на кислотность. Для атомов одного периода, чем меньше электроотрицательность гетероатома, несущего электронную пару, тем сильнее основность. Поэтому спир-

ты и простые эфиры являются более слабыми основаниями по сравнению с амина-

ми:

CH3 CH2 NH2 CH3 CH2 OH

Для атомов, находящихся в одной группе, основность уменьшается с увели-

чением поляризуемости гетероатома. Поэтому простые эфиры проявляют большую основность, чем органические сульфиды:

62

2. Зависимость основности от стабильности катиона - сопряженной

кислоты.

Зависимость силы оснований от стабильности сопряженного основания аналогична зависимости силы кислот от стабильности сопряженной кислоты – чем больше стабильность катиона (сопряженной кислоты), тем сильнее основа-

ние. Например, 2,3-диметилбутен-2 является более сильным π-основанием, чем этилен:

Это объясняется тем, что при присоединении протона к 2,3-диметилбутену-2 об-

разуется более устойчивый третичный катион:

3. Зависимость основности от строения радикала, связанного с основ-

ным центром.

Влияние заместителей на основность противоположно их влиянию на ки-

слотность. Электронодонорные заместители увеличивают основность органиче-

ских соединений, а электроноакцепторные - уменьшают. Например, в молекуле п-

метилфенола гидроксильная группа за счет +М-эффекта увеличивает электронную плотность на бензольном кольце, а также на сопряженной с ним аминогруппе.

Повышение электронной плотности на аминогруппе увеличивает способность последней присоединять протон, то есть повышает основность. Следовательно, п-

аминофенол является более сильным основанием, чем незамещенный анилин:

63

В молекуле п-нитроанилина нитрогруппа за счет −I и −М-эффектов понижает электронную плотность на бензольном кольце, а вместе с тем и на сопряженной с ним аминогруппе. Понижение электронной плотности уменьшает способность аминогруппы присоединять протон, то есть понижает основность.

4. Зависимость основности от растворителя.

Растворители влияют на основность так же, как и на кислотность – чем луч-

ше сольватируется катион, тем он устойчивее. Более устойчивые катионы легче образуются, следовательно, протон легче присоединяется к основанию. Таким образом, чем лучше растворитель сольватирует катион, тем выше основность.

Именно влиянием растворителя объясняется то, что в растворах третичные амины являются более слабыми основаниями, чем вторичные и даже первичные.

Возникающий при присоединении протона к третичному амину катион со всех сторон экранирован объемными метильными заместителями. Это препятству-

ет взаимодействию катиона с молекулами растворителя, что значительно снижает устойчивость катиона.

64

Катионы, образованные при присоединении протона к вторичным и первич-

ным аминам, имеют меньше пространственных затруднений и сольватируются легче. Поэтому устойчивость этих катионов выше, чем катионов, образованных третичными аминами. Следовательно, протон легче присоединяется к вторичным и первичным аминам, то есть они являются более сильными основаниями.

В газовой фазе основность аминов убывает от третичных аминов к первич-

ным.

CH3 H3C

CH3 H3C

В газовой фазе взаимодействие с растворителем отсутствует, поэтому основ-

ность определяется только величиной электронной плотности на атоме азота. В

третичных аминах электронная плотность на азоте будет наиболее высокой, так как она повышается за счет +I-эффекта трех алкильных радикалов. Во вторичных ами-

нах электронную плотность на азот подают два радикала, а в первичных - один радикал. Таким образом, в газовой фазе третичные амины являются более сильны-

ми основаниями, чем первичные и вторичные.

При определении кислотности и основности органических соединений необ-

ходимо учитывать все вышеперечисленные факторы в совокупности.

Вопросы для самоконтроля:

1.Дайте определение кислот и оснований с точки зрения теории электро-

литической диссоциации.

2.Дайте определение кислот и оснований по теории Бренстеда – Лоури.

3.Дайте определение кислот и оснований по теории Льюиса.

4.Приведите примеры нейтральных молекул и ионов, являющихся ки-

слотами по определению Бренстеда.

5.Приведите примеры нейтральных молекул и ионов, которые по теории Бренстеда являются основаниями.

65

6.Что такое константа кислотности (Кa) ипоказатель константы кислот-

ности (pKa)? Как они характеризуют кислотность соединения?

7.На какие типы делятся органические кислоты? Приведите примеры.

8.Какие факторы оказывают влияние на кислотность органических со-

единений?

9.Проиллюстрируйте примерами влияние природы гетероатома на ки-

слотность органических соединений.

10.Как влияет на кислотность стабильность аниона – сопряженного осно-

вания? Приведите примеры.

11. Какое влияние на кислотность оказывают заместители в углеводород-

ном радикале? Приведите примеры.

12. Приведите примеры влияния растворителя на кислотность органиче-

ских соединений.

13. Типы органических оснований. Приведите примеры оснований каждо-

го типа.

14.Какие факторы влияют на основность органических соединений?

15.Приведите примеры влияния природы гетероатома на основность ор-

ганического соединения.

16. Как влияет на основность стабильность катиона – сопряженной кисло-

ты? Ответ проиллюстрируйте примерами.

17. Какое влияние на основность оказывают заместители в углеводород-

ном радикале? Приведите примеры.

18.Как растворитель влияет на основность органических соединений?

19.Сравните основность первичных, вторичных и третичных алифатиче-

ских аминов в газовой фазе и в растворителе. Ответ поясните.

Напишите уравнение реакции с NaOH для самой сильной кислоты.

Запишем структурные формулы предложенных соединений, определим в них кислотный центр и электронные эффекты заместителей:

д) CH3 CH CH2

SH SH

В пропаноле и пропандиоле кислотным центром является ОН-группа; в

пропантиоле и пропандитиоле – SH-группа, а в пропиламине - NH2-группа.

Гидроксильная группа является более активным кислотным центром, чем ами-

ногруппа, так как атом кислорода более электроотрицателен, чем атом азота, а

тиольная группа обладает большей кислотностью, чем гидроксильная, так как поляризуемость атома серы больше, чем атома кислорода. Пропандитиол д) яв-

ляется более сильной кислотой, чем пропантиол в), так как так как в радикале пропандитиола имеется электроноакцепторный заместитель (вторая группа

SH), который усиливает кислотность. По этой же причине пропандиол б) обла-

дает большей кислотностью, чем пропанол а). Таким образом, кислотность рас-

сматриваемых соединений растет св следующем ряду:

67

:NH2

H3C .. NH

H3C

Так как анилин является слабым основанием, он образует соли только с сильными кислотами (HCl, H2SO4 и т. д.). Более сильное основание диметиламин может образовывать соли и со слабыми кислотами, такими, как уксусная:

Анилин не образует солей с уксусной кислотой.

Упражнения для самостоятельной работы

1. Расположите в ряд по возрастанию кислотности следующие соединения:

Дайте объяснения.

2.Расположите в ряд по убыванию кислотности следующие кислоты. Ответ поясните.

в) CH3 CH2 CH2 C C

Cl OH

3.Объясните, почему анилин проявляет более слабые основные свойства, по сравнению с этиламином.

69

4.Напишите уравнение реакции, которая доказывает более сильные кислот-

ные свойства фенола по сравнению с алифатическими с спиртами.

5.В качестве антидота при отравлении солями мышьяка был предложен 2,3-

димеркаптопропанол. Объясните, чем определяется его большая кислот-

ность в сравнении с пропантриолом.

6.Расположите в порядке возрастания кислотных свойств фенол, 4-этилфенол,

4-аминофенол. Дайте объяснения.

7.Расположите в порядке убывания основности анилин, 4-метиланилин, эти-

ловый эфир 4-аминобензойной кислоты. Ответ поясните.

8.Сравните основность диэтиламина и диметилэтиламина в водном растворе и в газовой фазе. Дайте объяснения.

Рекомендуемая литература:

1.Биоорганическая химия. Учебник. /Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И., С.Э. Зурабян. – М: ГЭОТАР-Медиа, 2012. – 416 стр., ил.

Глава 4, стр. 80-84

2.Биоорганическая химия: руководство к практическим занятиям: учеб. Пособие для студентов мед. Вузов / по ред. Н.А. Тюкавкина – М.: ГЭОТАР-

Медиа, 2010. – 168 с.

70