Scrigroup - Documente si articole

Username / Parola inexistente      

Home Documente Upload Resurse Alte limbi doc  

 
CATEGORII DOCUMENTE






BulgaraCeha slovacaCroataEnglezaEstonaFinlandezaFranceza
GermanaItalianaLetonaLituanianaMaghiaraOlandezaPoloneza
SarbaSlovenaSpaniolaSuedezaTurcaUcraineana

електроненизкуство култураикономикаисториякнигакомпютрилитературамедицина
психологияразличнисоциологиятехникауправлениефинансихимия

КАРБОНИЛНИ СЪЕДИНЕНИЯ – АЛДЕХИДИ И КЕТОНИ

химия

+ Font mai mare | - Font mai mic

DOCUMENTE SIMILARE

Trimite pe Messenger
КАРБОНИЛНИ СЪЕДИНЕНИЯ – АЛДЕХИДИ И КЕТОНИ
Първични химични източници на ел енергия – галванични и горивни елементи. Процеси

TERMENI importanti pentru acest document



КАРБОНИЛНИ  СЪЕДИНЕНИЯ – АЛДЕХИДИ И КЕТОНИ

Едни от най-реактивоспособните съединения в органичната химия са алдехидите и кетоните. Алдехидите са съединения с обща формула RCHO, а кетоните – с обща формула RCOR′. Заместителите R и R′ могат да бъдат както алкилови, така и арилови. Наличието на карбонилната група С=О обединява двата вида съединения под общото название карбонилни.

В по-широк смисъл под понятието карбонилни съединения се разбират всички съединения, в чиято структура има карбонилна група. Освен алдехидите и кетоните, такива са също карбоксиловите киселини, естерите, амидите, анхидридите и киселинните халогениди.

Освен в изброените съединения карбонилната група участва и в структурата на различни видове природни вещества, напр.въглехидрати, мазнини, висши мастни киселини, восъци, протеини, стероиди, някои терпени /напр.камфор/, някои лекарствени препарати и др.

1.Структура на карбонилната група

Често срещаната електронна формула на карбонилната група   ни показва наличие на  σ- и π-връзки, sp2-хибридно състояние на въглеродния атом и две свободни електронни двойки при кислородния атом. Според съвременно схващане при алдехидите и кетоните кислородът също е в sp2-хибридно състояние. В подкрепа на това твърдение се привежда ъгълът на връзките –С-О, който е ~1200, дължината на връзката С=О, която е равна на 1.22 Е и енергията на тази връзка, която е 748 кДж/мол. Обяснението на факта за по-голямата здравина на връзката в карбонилната група в сравнение с С=С връзката /610 кДж/мол / трябва да се търси в по-голямото отдалечаване на свободните електронни двойки.

Полярност на връзката в карбонилната група. Като по-електроотрицателен кислородният атом има повишена електронна плътност, т.е.карбонилната група е полярна. Електронодонорни групи повишават полярността на карбонилната група. Обратния ефект се наблюдава при електроноакцепторните групи. Като мярка за относителната полярност на различните молекули с карбонилна група служи диполния момент. Диполните моменти на отделните връзки са векторна сума, така, че при някои вещества е възможно диполния момент да бъде нула при такава вътрешна компенсация, независимо, че отделните връзки са полярни. Така че диполният момент зависи от геометрията на молекулата.

Стойностите на диполните моменти на алдехидите и кетоните показват, че в тези съединения карбонилните групи притежават до 40-50 % йонен характер.

Дължина на връзката. Дължината на двойната връзка в карбонилната група в различните карбонилни съединения е около 1.20 Е. Значително се отклонява от тази цифра дължината на връзката С = О в неорганичните съединения / напр.СО или СО2 /. За сравнение – дължината на двойната С = С връзка е 1.34 Е.

Енергия на връзката. Общо взето, енергията на С = О връзката в карбонилните съединения ео-висока от сумата на две прости С-О връзки. Колкото дължината на С = О връзката е по-малка, толкова и енергията на връзката е по-голяма /при СО е 1076 кДж/мол, при СО2 – 803 кДж/мол /.

2.Номенклатура и класификация

За алдехидите и кетоните се използват два вида наименования – тривиални /или рационални/ и по номенклатурата на IUPAC.

             Тривиални                                                               по IUPAC

Алдехиди – от наименованията на                  - от наименованието на съответния

                      съответните карбоксилови           въглеводород със същия брой С- ат

                      киселини + думата “алдехид”        и окончанието  -ал.

Кетони -     от наименованията на двата           - от наименованието на съответния

                     въглеводородни остатъка  +          въглеводород със същия брой С-ат.

                     думата “кетон”                                и окончанието  -он / с означение за

                                                                               място /.

Карбонилната група се нарича още оксогрупа и това наименование се използва, когато тази група се означава като заместител в по-сложни по структура органични съединения.

При класификацията на алдехидите и кетоните се използва същата класификация както и при въглеводородите, като тя може да се разшири според броя на функционалните групи в тези съединения :

                                     Алдехиди

                            І. Моноалдехиди

                            / с една –СНО група/

Алканали

метанал                     етанал

/мравчен                /ацеталдехид/

алдехид /

Алкенали

пропенал                                      2-бутенал                                3-фенил-2-пропенал

/акролеин/                                 /кротонов алдехид /                   / канелен алдехид /

Алкинали

пропинал                              3-бутинал

Циклоалканали 

циклопентанал /циклопентанкарбалдехид/

Ароматни алдехиди

бензалдехид                         1-нафталенкарбалдехид

               

                                                Кетони

                                  І. Монокетони

                                  /с една  -СО – група/

Алканони

пропан-2-он                бутан-2-он

/ацетон /                       /метилетилкетон/

 Алкенони

1-бутен-3-он                           кетен

/метилвинилкетон/

Алкинони

      1-пентин-4-он

Циклоалканони

циклохексанон             метилциклохексилкетон

Ароматни кетони

метилфенилкетон                   дифенилкетон

/ ацетофенон /                            /бензофенон /

                                           ІІ. Диалдехиди

етандиал                          пропандиал                    2-бутендиал                   1,3-бензендикарбалдехид

/глиоксал/

                                           ІІ. Дикетони

бутан-2,3-дион                     пентан-2,4-дион                         1,2-дифенилетандион        1,4-бензохинон

/диацетил /                              / ацетилацетон/                           / дибензил , бензил /

3.Получаване на алдехиди

3.1.Получаване на наситени моноалдехиди

а/ чрез окисление на първични алкохоли :

Получаващият се алдехид трябва бързо да се отделя от реакционната среда, за да не отиде окислението до киселина.

б/ чрез дехидриране на първични алкохоли ; това е основната реакция от която произлиза и името “алдехид” – alcohol  dehydrogenates :

Когато се използва паладий като катализатор се отделя PdH2, тъй като паладия поглъща голямо количество водород / 1 част паладий поглъща 300 части водород/. Но когато се използва мед като катализатор в хода на реакцията се отделя Н2 и реакцията става обратима.

в/ чрез редукция на алкилцианиди /нитрили/ :

                            хлоримин                      алдимин

Като катализатор се използва безводен калаен хлорид и сух газообразен HCl.

г/ чрез редукция на киселинни хлориди :

Ако се използва катализатор на Линдлар ( Pd + BaSO4 ) за контактна отрова , тогава се възпрепятства по-нататъшната редукция на алдехида и реакцията се нарича реакция на Розенмунд.

д/ чрез декарбоксилиране на карбоксилови киселини /по Sabatier/:

В тази реакция една от киселините винаги трябва да бъде мравчена киселина. Образувалият се смесен анхидрид е нетраен и се декарбоксилира до алдехид.

е/ от алкини по реакция на Кучеров :

ж/ чрез оксопроцес – това е технически метод, широко използван през Втората световна война в Германия. Работи се с Фишер-Тропшов катализатор /90% Co2O3, ThO2 и MgO / при температура 50 – 2000 и 150 атм .

3.2. Получаване на ароматни алдехиди

а/ чрез окисление на метилбензени :

Най-често като катализатор се използва като окислител MnO2  +  H2SO4.

б/ реакция на Гатерман-Кох  -  частен случай на Фридел-Крафтсовите синтези. Реакцията се провежда като на ароматния въглеводород се действа със смес от сух СО и хлороводород /HCl/ в присъствие на AlCl3 и CuCl. Предполага се, че от двата газа се образува формилхлорид, който в присъствието на AlCl3 реагира с бензеновото ядро . Този процес се нарича формилиране :

в/ реакция на Гатерман  -

г/ редукция на киселинни халогениди :

Редукцията може по-удобно да се проведе с литиев трет.бутоксиалумохидрид LiAlH (O-tret.C(CH3)3 )3.

д/  редукция на киселинни амиди

4. Получаване на кетони

4.1. Получаване на алифатни монокетони

а/ чрез окисление на вторични алкохоли :

б/ чрез дехидриране на вторични алкохоли :

в/ окисление на олефини :

Ако окислението се извърши с KmnO4 се минава през диоли, а ако се извърши с озон се минава през озониди.

г/ чрез присъединяване на Гринярови реактиви към нитрили и хидролиза :

д/ по реакцията на Кучеров от алкини :

е/ чрез пиролиза на калциеви или бариеви соли на карбоксилови киселини :

4.2. Получаване на ароматни кетони

Някои от методите за получаване на ароматните кетони са почти същите както и при алифатните :  пиролиз на калциеви соли на съответни ароматни киселини ; пропускане на парите на съответните киселини върху нагрят ториев оксид или манганов оксид /методът е приложим, когато трябва да се получи СО-група в страничната верига/ ;  окисление на вторични ароматни алкохоли.

а/ ацилиране по Фридел-Крафтс :

б/ прегрупировка на Фрис – при нагряване етери на фенола с AlCl3 се извършва миграция на ацилната група към о- или р-положение спрямо ОН-групата :

в/ с органомагнезиеви съединения и ароматни киселинни халогениди :

 

5. Физични свойства на карбонилните съуединения

Низшите алдехиди и кетони са течни вещества. Само формалдехида /метанала/ е газообразен. По-висшите са твърди вещества.

Полярността на карбонилната група прави полярни като цяло и алдехидите и кетоните. Поради това те имат по-високи температури на кипене /с около 50-800/ в сравнение със съответните по-неполярни съединения със същия брой С-атоми, т.е.със същия молекулен състав /напр.етерите/. Тъй като алдехидите не могат да образуват помежду си водородни връзки /защото съдържат водородни атоми, свързани само с С-ат./, техните температури на кипене са по-ниски от тези на алкохолите и фенолите със същата молекулна маса.

Низшите алдехиди и кетони са забележимо разтворими във вода, вероятно вследствие на образуването на водородни връзки между молекулите на разтвореното вещество и разтворителя. Разтворимостта рязко намалява за карбонилните съединения над С5 –ат.Обикновено алдехидите и кетоните са много добре разтворими в органични разтворители със средна полярност.

6. Химични свойства на карбонилните съединения

Нека се опитаме да направим аналогия с реакциите на двойната връзка при алкените, т.е.да сравним реакциите на С = О – групата с реакциите на С = С-групата. Нека си припомним, че присъединителните реакции към алкени са една атака на π-системата  /π- връзката / от електрофил. Присъединяването към карбонилната група е основано на атака към карбонилния С-атом от нуклеофил. Карбонилната група много леко се атакува от нуклеофили главно по две причини : 1/ Тази група може да съществува в две резонансни структури, едната от които носи /+/ - заряд при С-атом и 2/ Електроотрицателността на О-атом обуславя и налага една постоянна поляризация на карбонилната група, при което С-атом се оказва зареден положително.

На какво трябва да се обърне особено внимание при сравняването на двойните връдки при алкените и карбонилните съединения ? Сходството между тези връзки се състои в това, че тяхната реакционна способност се повишава от присъствието на катализатор. Електрофилната атака на двойната връзка при алкените се нуждае понякога от катализатор, който обикновено повишава концентрацията на електрофилния агент.

                   

Нуклеофилното присъединяване към карбонилната група се ускорява в резултат на образуването на координационна връзка между Люисова киселина и карбонилния кислороден атом. В този процес ролята на катализатора се свежда до това да увеличи /+/ - заряд на карбонилния С-атом и да го направи по-чувствителен към нуклеофилна атака.

                

Но наред с тези сходства в реакциите на двойните връзки при двете групи /на алкените и на карбонилните съединения / съществуват и някои различия. /Става въпрос за характерните при тях реакции на присъединяване. /  За реакцията присъединяване към връзката С = О е характерна голяма обратимост, в резултат на което се регенерира /възстановява/ карбонилната група. Много от тези реакции могат да се разглеждат като истински равновесия. Напр.:

                  

Да разгледаме сега от какво зависи присъединителната нуклеофилна реакция ( AN ) при карбонилните съединения ? 

1/ Зависи от самото карбонилно съединение. Казахме, че карбонилната група има плоска тригонална конфигурация. Това я прави удобна за атака и от двете страни на равнината. Трябва да се отбележи, че поради тази причина карбонилните съединения са едни от най-реактивоспособните органични съединения.

Такава пространствена конфигурация предполага едно постепенно преминаване от тригонално към по-стабилното тетрагонално разположение в крайния продукт.

2/ Активността на карбонилното съединение зависи и от нарастването на / + / заряд при карбонилния С-ат., защото това ще улесни атаката на нуклеофила. Така че различните заместители могат да оказват съществено влияние върху заряда на С-ат.чрез електронните си ефекти ( I и М ). Така напр.електронодонорите ще понижават /+/товар на С-ат, докато електроноакцепторите ще го повишават. Активността намалява в реда :

 

3/ За успешното протичане на реакцията АN съществено влияние оказва и атака на електрофил /най-често протон / към карбонилната група :

Вижда се, че нуклеофилната атака се улеснява от присъствието на електрофил, който засилва стойността на /+/ товар при карбонилния С-ат. Предварителното протониране снижава  Еа за нуклеофилната атака, тъй като то позволява на кислорода да придобие чифта π-електрони без при това да се натоварва отрицателно.

Общо взето, като правило, алдехидите по-лесно встъпват в АN-реакции, отколкото кетоните. Това се обяснява с факта, че кетона съдържа втора  алкилова /или арилова/ група, а алдехида само водороден атом. Втората алкилова /арилова / група е по-обемиста от Н-атом и в по-голяма степен ще препятства образуването на междинно съединение в преходното състояние. Освен това алдехидната група подава електрони и по този начин дестабилизира преходното състояние за сметка на засилване на / - / товар при О-атом.

Нуклеофилните реагенти, способни да атакуват карбонилния С-атом, могат да се класифицират според техните базични /и нуклеофилни/ свойства на три групи :

I група  -  основи /бази/ или Н-съдържащи съединения, образуващи бази /аниони/ след дисоциация. Това са :  NH3, RNH2, NH2NH2, RNHNH2, C6H5NHNH2, NH2OH  / N – нуклеофили / ;  H2O, ROH / O-нуклеофили / ; NaHSO3, RSH, H2S / S-нуклеофили /.

II група  -  псевдокиселини /потенциални нуклеофили/. Това са СН-киселини, които се превръщат в основи /карбаниони/ след отцепване на Н+ под действие на протоноакцептор : HCN, C2H2, CH3CHO, CH3COR и др.

III група -  криптооснови. Това са съединения, в които анионната част е в “скрит” вид. Образува се при атаката върху карбонилния С-ат. или съществува в здрава контактна йонна двойка. Напр.органометални съединения R-Li+, RMgX и др.

От първата група нуклеофили N-съдържащите имат сравнително активен нуклеофилен център, а О- и S-съдържащите – по-слабо активен. Затова и АN- реакциите, особено с кислород и сярасъдържащите нуклеофили /с обща формула :В-Н / се катализират от Н+ /от протолит Н-А /, който участва като електрофил. Водородният катион, присъединявайки се към карбонилния О-атом, причинява “изтегляне” на π-електроните към този атом. В резултат на това се получава един мезомерен катион /карбениево-оксониев/, който лесно се атакува от нуклеофилния реагент /:В-Н /. По този начин електрофилът, който играе ролята на катализатор, благоприятства нуклеофилната атака. Механизмът на този тип Н+-катализирана АN-реакция, е тристадиен :

Скоростоопределящ е втория стадий /нуклеофилната атака /. Скоростта на реакцията расте линейно с увеличаване на концентрацията на Н+. В такъв случай казваме, че се осъществява специфичен киселинен катализ  

По-силно основните N-съдържащи нуклеофили реагират с карбонилните съединения при рН~7, докато по-слабо основните кислород и сяра-съдържащи нуклеофили – при рН < 7, т.е.в кисела среда.Отделните видове АN-реакции с азот-съдържащи нуклеофили са показани на следната схема :

                                                                     алдимин  /или кетимин /

                                                                     азометин  /шифова база /

                                                                      оксим  /алдоксим и кетоксим /

                                                                        хидразон                         азин /алдазин и кетазин

                                     арилхидлазон  /фенилхидразон /

АN-реакциите с О- и S-съдържащи нуклеофили са дадени на схемата :

                             дихидрати  /нетрайни съединения ; бързо се разлагат /

                                       полуацетал                                    ацетал  /или  кетал /

                              полутиоацетал                      тиоацетал

  бисулфитно съединение

АN-реакциите с потенциални нуклеофили  СН-киселини /реакции от II група нуклеофили / протичат в присъствие на катализатор основа  / :В, напр.ОН-, CN- и др/. За разлика от киселинно катализираните АN-реакции в случая С = О групата предварително не се активира. Ролята на катализатора е да “активира” СН-киселината, т.е.да я превърне в карбанион /активен нуклеофил /, способен да атакаува карбонилния С-атом. Механизмът на тази катализирана от основи реакция  /ANB / е тристадиен :

Вторият  /бавния / стадий може да се ускорява чрез киселинен катализ и затова взаимодействието в този етап протича в прототен разтворител /вода, алкохол и др.

                                                          цианхидрин

                                                                  хидроксиалкин  /реакция на Фаворски /

                                                                                         алдол                                  ненаситено

                                                                                                                                     карбонилно  с-ие

                                                                                                                            /реакция на Кньовенагел         

                                                                                                                  ненаситена киселина

                                                                                                                / Перкинова синтеза /

АNВ-реакциите с участието на карбаниони се наричат общо алдолни реакции. Напр

Характерното при алдолните реакции е, че за да се получи метиленовия компонент /карбаниона /, то съединението трябва да притежава α-Н-атоми, т.е.водородни атоми при съседния на карбонилната група въглероден атом. Йонизацията на α-водородния атом довежда до появата на карбаниона I, който е резонансен хибрид от двете структури /II и III/. Такъв резонанс е възможен само при участие на карбонилната група :

                                             амбидентен йон

          карбанион                         енолатен анион

По такъв начин карбонилната група влияе върху киселинността на α-водородните атоми по същия начин както върху тях влияе и карбоксиловата група :

В сравнение с α-водородния атом, водородния атом на киселината, разбира се е по-кисел, но общо взето α-водородния атом е все пак значително по-кисел, отколкото другите водородни атоми в молекулата.

Трябва да се отбележи, че алдолната кондензация, която се катализира от основи, също така може да се катализира и от киселини.

Алдолоподобен тип реакция е т.нар.бензоинова кондензация, която се извършва с ароматни алдехиди при каталитичното действие на алкален цианид. Реакцията не протича в кисела среда. В реакцията, следователно, не се извършва протониране на карбонилното съединение. Алкалната среда оказва каталитично действие само на циановодорода, превръщайки го в цианиден анион – частичка с голяма нуклеофилна активност :

Присъединителни реакции протичат и между нуклеофили /криптооснови от III група/ и карбонилни съединения. Реакцията протича по хелатен механизъм. Нарича се още диспропорциониране или дисмутация. Има окислително-редукционен характер.

Такава реакция е т.нар.Каницарова реакция. Протича при взаимодействието между две молекули алдехид, който не съдържа α-водороден атом  /обикновено бензалдехид/ в присъствие на конц.алкална основа. Механизмът на реакцията е следният :

След присъединяването в първия стадий на нуклеофила ОН- към карбонилната група С = О, отцепващия се хидрид-йон Н- /криптоосновата / извършва атака върху карбонилната група от втората молекула алдехид чрез образуването на хелатно преходно състояние. Продуктите са карбоксилова киселина /продукт на окисление на алдехида / и ароматен алкохол /продукт на редукция на алдехида /.

Друга важна реакция, която може да се отнесе към типа  III /с криптооснови/, е взаимодействието на карбонилни съединения с Гринярови реактиви /алкилмагнезиеви халогениди RMgX / :

Реакцията може да се разглежда като редукционна, тъй като С = О-групата се превръща в  С- ОН група.

Доказано е, че в реакцията участва димерна форма на Гриняровия реактив, който се отнася като криптооснова. Атаката се извършва от :R- /криптооснова /.

Хидриране /редукция / на карбонилни съединения

1/ С каталитично активиран Н2 /в присъствие на катализатори Ni, Pt, Pd / алдехидите се редуцират до първични алкохоли, а кетоните  -  до вторични :

2/ С насцентен /атомарен / водород алдехидите също дават първични алкохоли, но отчасти и гликоли :

Това особено силно важи за кетоните /отиват до пинаколи /.

3/ Хидриране по Клеменсен  -  с аомалгамиран цинк в солнокисела среда. В този случай редукцията отива до парафини :

4/ Редукция по Кижнер-Волф /при кетоните /  -  косвена редукция ; отначало кетона се превръща в кетохидразон, който при нагряване до 2000 се разпада до парафин и азот :

Окисление на карбонилни съединения

Алдехидите и кетоните се отнасят различно в окислителните реакции. Алдехидите са много чувствителни към окислители. Те се окисляват лесно под действието на слаби и средни по сила окислители до карбоксилови киселини :

                                                перкиселина

Кетоните се окисляват по-трудно  -  те са устойчиви на слаби окислители.Под действието на по-силни окислители се разкъсват С – С връзки във въглеводородните остатъци на кетоните и се получават смеси от различни окислителни продукти  -  киселини и по-леки кетони :

Тъй като алдехидите са доста чувствителни към слаби окислители, то някои от тези реакции се използват за качествено доказване на алдехидите. Това става с реактивите на Толенс, Фелинг, Бенедикт, Ниландер:

Реактив на Толенс -  амонячен разтвор на сребърен нитрат.Реакцията е известна като “реакция на сребърното огледало”, защото се отделя елементарно сребро, полепващо по стените на епруветката :

Реактив на Фелинг – смес от слабокисел разтвор на CuSO4 с алкален разтвор на калиево-натриев тартарат /сол на винената киселина /. При нагряване с алдехид пада червена утайка от Cu2O :

Реактив на Бенедикт  - същият както при Фелинг, но се използва алкален разтвор на калиево-натриев цитрат /сол на лимонената киселина /.

Реактив на Ниландер – използва се разтвор на Bi (NO3)3 в алкален разтвор на винена киселина ; пада черна утайка от бисмут.

Карбонилните съединения могат да се окисляват и с перкиселини :

                                       киселинен естер

Кислородният атом в карбонилната група може да бъде заместен с хлорни атоми под действието напр.на PCl5 :

Една характерна реакция, с която също може да се замести кислородния атом в карбонилната група, е реакцията на  Витиг :

                        метилентрифенил-                                     трифенилфосфинов

                             фосфоран / илиди /                                                оксид

Реакцията на Витиг много често се използва за синтез на алкени.

В алдехидната група може да бъде заместен и водородния атом, напр.с халоген /по заместителна реакция / :

Но много по-лесно се замества водородния атом в α-положение :

Получените монохалогенопроизводни са силни лакриматори /сълзотворни/. Това се дължи на активния халоген на α-място спрямо карбонилната група.

Тази реакция рязко се отличава от халогенирането при алканите, което е една свободно-радикалова заместителна реакция. Важна особеност при карбонилните съединения е, че първо се извършва енолизация, а след това присъединяване и елиминиране на халогена към двойната С = С връзка на енола. Веднъж вкаран в карбонилната група халогенът засилва киселинността на оставащите α-водородни атоми като улеснява тяхното заместване. Стига се до пълно халогениране на С-ат., който е на α – място спрямо карбонилната група. Образувалият се трихалогенкетон лесно се атакува от основи, което довежда до разкъсване на С – С връзката :

                                        бромоформ

Реакцията носи името халоформна реакция и служи за качествена проба за наличие на метилкетони /терминални кетони /;  особено в случая с йодоформа, тъй като той представлява малко разтворима яркожълта твърда утайка.

Низшите алдехиди /но не и кетони/ са склонни към полимеризация на принципа “глава с опашка”, образувайки както циклични, така и линейни полимери. Полимеризацията върви толкова лесно, че чист формалдехид въобще не се пуска от промишлеността. Обикновено в продажба се пуска параформалдехид /линеен полимер/, който се получава от формалдехида във вода и 1,3,5-триоксан /цикличен тример/, получен при нагряване на параформалдехида в разредена киселина :

формалдехид                     параформалдехид

                                         1,3,5-триоксан

7. Представители на алдехидите и кетоните и техни производни

Формалдехид /метанал / - безцветен газ с остра миризма. Смес от 40% формалдехид, 52% вода и 8% метанол носи търговското наименование формалин.

Във воден разтвор формалдехидът е напълно хидратиран. Ако този разтвор се изпари, от хидрата се образува параформалдехид – неразтворим линеен полимер .

С амоняк дава уротропин /хексаметилентетрамин / :

                                   

Уротропинът е сходен по структура с адамантана. Намира приложение като диуретик и за лечение на ревматизъм. Уротропинът при обработка с конц.HNO3 се превръща в 1,3,5-тринитрохексанхидро-1,3,5-триазин, известен под името хексоген или циклонит /взривни вещества, влизащи в състава на пластичния експлозив С-4 / :

                                            

                                            хексоген /циклонит /

Формалинът се използва като дезинфекционно средство, а също и като консервант и втвърдител на анатомични препарати. Най-голямо приложение намира при производството на фенолформалдехидни и карбамидформалдехидни смоли.

Ацеталдехид /етанал/ - междинен продукт при биологичното разграждане на въглехидратите /като междинно съединение при алкохолната ферментация ; глюкоза етанол с участието на NADH и декарбоксилаза /.

Ацеталдехидът е безцветна течност с остра миризма. Смесва се във всяко отношение с вода, етанол, етер.

При смесването на ацеталдехид с няколко капки конц.H2SO4 при стайна температура протича бурна реакция с образуването на паралдехид, течност която се използва като сънотворно средство ; ако реакцията се провежда при 00С, се получава твърдо вещество – металдехид, т.нар.”сух спирт” :

             

Основното приложение на ацеталдехида е за получаването на оцетна киселина.

Бензалдехид – в свободно състояние се намира в някои етерични масла. Той е безцветна течност със силна миризма на горчиви бадеми /подобно на нитробензена и циановодорода /. Лесно се окислява от кислорода на въздуха до бензоена киселина. Използва се като ароматизатор, а също и като изходна суровина за много синтези.

Ацетон / 2-пропанон / - безцветна течност с приятна миризма. Изходно вещество за много синтези. Използва се и като разтворител. При захарна болест /диабет / ацетона е аномален продукт на обмяната и се отделя с урината. Там той може да бъде доказан с йодоформена реакция.

Циклохексанон – важен междинен продукт за получаване на полиамиди и полиамидни влакна. Също добър разтворител.

Ацетофенон – по-рано, под името “хипнон” се е използвал като сънотворно средство.

Карбонилните съединения като биологични елементи участват като междинни или крайни продукти в метаболизма на живите организми. Те са важни биологични обекти и влизат в състава на въглехидрати, хормони, витамини, феромони и др. Напр.

Това са феромони при мравките, които съобщават за опасност. Мравките и пчелите изпускат химични вещества за своя защита, някои от които са от групата на терпените или хиноните :

2-метокси-3-метилбензохинон

        анисалдехид                               ванилин

Производни на 1,4-бензохиноните под името убихинони влизат в състава на коензим Q  ( Q 10 ), който участва в реакции на пренос на електрони във веригите на процеса дишане.

Диалдехиди

Най-простият представител е глиоксалът /етандиал /  ОНС – СНО. Получава се чрез окисление на ацеталдехид със SeO2 :

                                          

Промишленото окисление се извършва с азотна киселина. Окислението се извършва внимателно, за да не отиде до киселина.

Технически глиоксалът се получава от гликол при окисление в газова фаза в присъствие на катализатор Ag или Cu :

                                        

Глиоксалът е най-простото цветно съединение. Неговият цвят се дължи на системата от спрегнати двойни връзки /хромофори / :

                                         жълтеникав цвят

Химични свойства

Като диалдехид глиоксала реагира с натриев хидросулфит :

                                       

Реагира също с хидроксиламин до глиоксим :

                                       

Образува и дифенилхидразони с фенилхидразина /C6H5NHNH2 /.

При окисление с азотна киселина се превръща в оксалова киселина :

                                     

Под действието на разредени алкални основи претърпява вътрешномолекулна Каницарова реакция като дава гликолова киселина :

                                    

Други диалдехиди са :  малоновия диалдехид ОНС-СН2-СНО, янтарния алдехид ОНС-(СН2)2-СНО. Общия метод за получаването им се състои в хидриране с Pd на съответните ди-киселинни хлориди, т.е.производни на съответните киселини.

Дикетони

Според положението на кетогрупата една спрямо друга различаваме :  1,2- или α- дикетони ; 1,3- или β-дикетони ; 1,4- или γ-дикетони и т.н. Тези групи дикетони имат доста различен химичен характер и затова ще се разглеждат поотделно /с по един техен представител /.

1,2-Дикетони, α-дикетони

Диацетил , диметилглиоксал, бутан-2,3-дион , СН3СОСОСН3. Получава се от метилетилкетон чрез окисление със SeO2 :

                                 

Диацетилът е жълтеникава течност. Цветът си дължи /както и глиоксала / на системата от спрегнати двойни връзки.

От действието на Н2О2 диацетилът дава количественно 2 молекули оцетна киселина :

                                 

Като дикарбонилно съединение реагира с хидроксиламина и дава диоксим, обикновено наричан диметилглиоксим :

                                  

Този оксим образува със солите на тежки метали вътрешнокомплексни соли. Най-характерна от тях е никеловата сол, която има хубав розовочервен цвят. Използва се за качественно и количественно определяне на никела :

                                  

Характерно за вътрешнокомплексните соли е, че те са цветни и трудно се дисоциират. Това свойство се дължи на координативните връзки.

1,3-Дикетони , β-дикетони

Ацетилацетон, пентан-2,4-дион , СН3СОСН2СОСН3

Тези дикетони се получават чрез Клайзенова кондензация на естери с кетони в присъствие на натриев етилат :

           

Механизмът на реакцията е следния :

Ацетилацетонът е сравнително добре разтворим във вода ; разтворът дори показва известна електропроводимост. Това показва, че този кетон се енолизира в значителна степен :

             

                           ацетилацетон                                                    енол

                                  (15%)                                                          (85%)

При получаването на енолати /с алкален метал / процесът се изтегля значително надясно. Изместят ли се двата водородни атома с алкилови радикали  /  -С (R )2- / енолизирането вече е невъзможно.

Енолната форма на ацетилацетона е стабилна форма поради образуването на вътрешномолекулна водородна връзка. Освен това стабилизацията се засилва поради делокализация на електрони :

             

Характерно за 1,3-дикетоните е, че могат да образуват стабилни и слабополярни енолати с хелатообразуващи агенти  /соли на тежки метали /. Солта на тривалентното желязо има червен цвят. Трябва да се знае, че FeCl3 е един реактив за β-дикетони, но по-скоро за еноли. Медните соли образуват вътрешнокомплексни соли :

                                         

Това разсредоточаване на π-електроните в хелатната система позволява всеки шестатомен хелатен пръстен да придобие известен ароматен характер.

Да разгледаме добре кето- и енолната форми :

          

С тази структура се обяснява получаването на О- и С-производни. Реактивоспособността на 1,3-дикетоните и по-точно на тяхната метиленова группа се изразява в много реакции. На студено те реагират с Br2 /енолната форма /. Нитрират се също много лесно.

1,3-Дикетоните могат да се кондензират с алдехиди, тъй като притежават много лабилен α-водороден атом.

1,3-Дикетоните /диалкилзаместените / при нагряване с конц.алкални основи претърпяват С – С разцепване на киселина и кетон :

Карбонилните групи на β-дикетоните реагират с хидроксиламин и фенилхидразин и дават съответните производни, но последните циклизират.

Хинони

Към дикетоните могат да се причислят и о- и р-хиноните. Хиноните са окислителни продукти на арените. Могат да се получат също чрез оксляване на съответните аминофеноли или ароматни моно- или диаминопроизводни.

Хиноните имат свойствата на α, β-ненаситени кетони и нямат ароматен характер. Подобно на тези кетони хиноните могат да участват в 1,4- или 3,4-присъединителни реакции /АN /. Напр.

Хиноните участват в 3,4-присъединяване по реакциите на Дийлс-Алдер, в които те участват като диенофили.

Ненаситени алдехиди. Етиленови алдехиди.

По-важни са α, β-етиленовите алдехиди. Те се получават като се действа на етиленови алкохоли с окислители, които не засягат двойната връзка, напр.MnO2 или въздух в присъствие на паладий :

                        

Получават се също чрез окси-редукция на α-етиленови алкохоли при катализатор трет.Al-бутилат в присъствие на водородоакцептор /ацетон, р-бензохинон и др./ :

              

Етиленови алдехиди се получават при алдолна кондензация след кротонизация :

              

Електрофилните присъединявания към С = С се забавят значително поради намалена електрлонна плътност – спрягане с карбонилната група :

           

Все пак те реагират с Br2 и HCl като при последния брома отива на β-място /обратно на Марковников, пак поради спрягане /. Карбонилната група реагира нормално с органомагнезиеви съединения RMgX, с хидроксиламин NH2OH, с циановодород HCN, с LiAlH4.

Нуклеофилните присъединявания /вода, алкохол, амини, карбанион / става при  С = С връзката, но всъщност след спрягане :

                                                    енолна форма

При ненаситените алдехиди много лесно се извършва алдолна кондензация с други алдехиди поради подвижните α-водородни атоми вследствие на мезомерно спрягане. В слабо алкална среда :

Получават се винилови производни на ненаситените алдехиди /винилози/. Явлението се нарича винилогия.

Най-простия представител на ненаситените алдехиди е акролеина, /пропенал,

СН2 = СНСНО/. Той се получава при обезводняване на глицерол с KHSO4 :

                     

Също и при каталитичното окисление на пропен :

                       

Може да се получи и чрез алдолна кондензация и кротонизация между формалдехид и ацеталдехид.

Характерно за акролеина е, че поради спрегнатите двойни връзки той лесно се полимеризира в полимер, наречен неправилно дисакрил :

                            по-правилно е  полиакрил

По-висши ненаситени алдехиди се намират в етеричните масла /цитронелал, цитрал, гераниал и др./. Намират приложение в парфюмерийната и хранително-вкусовата промишленост.

Ненаситени кетони. Ешиленови кетони.

α, β-ненаситените кетони се получават по няколко метода :

 - чрез кротонизация /след алдолна кондензация / между кетони или между кетон и алдехид :

-         от β-хлоркетони при нагряване :

Свойства на ненаситените кетони. Понеже съдържат система от спрегнати двойни връзки , те присъединяват на 1,4-място. Тук по-важна е реакцията на Кохлер с органомагнезиеви съединения :

По същият начин се присъединяват амоняк и циановодород :

               

Кетени

Когато разглеждахме класификацията на алдехидите и кетоните, отбелязахме, че към тях ще разгледаме и кетените. Те биха могли да се разглеждат като ненаситени карбонилни съединения. Някои автори ги определят като вътрешни киселинни анхидриди.

Най-простият представител е кетенът или етенон СН2 = С = О. Всички кетени се разглеждат като производни на първия член. По-висшите му аналози се наричат алдокетени  R-CH = C = O или кетокетени  (R)2C = C = O, където R – алкил или арил. Напр. : СН3СН = С = О е метил-кетен, който е един алдокетен, а (CH3)2C = C = O е диметил-кетен, който е един кетокетен.

Получаване на кетени

1/ От α-халогенирани киселинни халогениди като се действа с Zn в отсъствие на въздух :

2/ От киселинни хлориди и третични амини :

3/ От ацетонови пари при пиролиза /7500/ над Cr-Ni-спирала :

4/ Технически метод е пиролизата  /8000/ на оцетна киселина при използване на катализатор триетилфосфат или AlPO4 :

Химични свойства

По електронна конфигурация на въглеродните атоми кетените са аналогични с алените. Кетените са значително реактивоспособни съединения и участват в АN-реакции към двойната С = С връзка, Като първоначално става присъединяване към карбонилната С = О връзка /поради по-голямата и полярност / :

          

                  / δ1+ < δ2+ /                                          енол                                  кетон

Полученият отначало енол се изомеризира в по-стабилната кето-форма /продукт на присъединяване към С = С връзката /.

Присъединителните реакции по посочения механизъм на кетен с някои полярни реагенти са дадени по-долу :

       етилов естер на оцетната киселина

                     ацетилхлорид

                   оцетна киселина

                   ацетамид

Кетенът лесно димеризира в четиричленно циклично съединение β-лактон. Реакцията е тип циклоприсъединяване :

                                

                                                                   β-лактон на 3-хидрокси -3-бутеновата киселина

ВЪГЛЕХИДРАТИ

В зелените листа на растенията в резултат на взаимодействие на две прости съединения – СО2 и Н2О се образува едно съединение /глюкоза /. Този процес, известен под името фотосинтеза  изисква наличието на катализатор. Тази роля изпълнява зеленото багрило хлорофил. Процесът се извърщва при осветяване  /източник на енергия / :

                  

Хиляди молекули глюкоза могат да се обединят в молекули със значително по-големи размери – целулоза, която се явява основния градивен елемент на растенията.

Молекулите на глюкозата могат да се съчленят по друг начин , давайки също големи молекули – тези на нишестето, което се съдържа в семената като запас от хранителни вещества за новите растения.

При хранене на животните, а и на човека с нишесте, а в някои  случаи и с целулоза, те се разрушават давайки отново изходната глюкоза. Последната с кръвта се пренася черния дроб и там се преврлъща в гликоген или животинско нишесте. В случай на необходимост гликогена може отново да бъде разрушен до гликоза. След това гликозата се пренася в ток от кръв до тъканите, където се окислява до СО2 и Н2О с отделяне на енергия, получена първоначално от слънчевата светлина. Известно количество глюкоза се превръща в мазнини, а друго количество реагира с N-съдържащи съединения, образувайки аминокиселини, които съединявайки се една с друга дават белтъци,  основа на всички известни форми на живот.

Глюкозата, целулозата, нишестето и гликогена принадлежат към един и същи клас органични съединения, наречени въглехидрати.  В крайна сметка въглехидратите са основен източник за нашата храна. Ние употребяваме зърно, съдържащо нишесте или храним с него животните, в организма на които то се превръща в месо и мазнини, които ние употребяваме. Нашето облекло е почти изцяло от целулоза /памук, лен, вискоза, ац;етатните влакна и др./. Мебели, къщи, хартия – всичко това е от дърво, а то е също целулоза. По такъв начин въглехидратите в буквалния смисъл обезпечават нашия живот .

Химията на въглехидратите е една от най-интересните области в органичната химия. Тя обхваща широк кръг въпроси от сложни проблеми при изучаване на процеса фотосинтеза до разплитането на доста сложните стадии във ферментативните превръщания на глюкозата до СО2 и Н2О. Та между тези два сложни биохимични проблема лежат и нашите задачи :  да определим структурата и свойствата на някои по-прости въглехидрати и да изучим някои техни превръщания в други органични съединения.

Наименованието въглехидрати е възникнало заради това, че съставът на голяма част от тези съединения може да се изрази с общата формула Cm(H2O)n , т.е.могат да се разглеждат като въглеродни хидрати /Шмид, 1844 /. Впоследствие, когато се установи тяхната структура, се оказа че те не са никакви хидрати на въглерода. Днес приемаме въглехидратите като полихидроксикарбонилни съединениял.

Класификация на въглехидратите. Тя се изгражда въз основата на състава и структурата на молекулите на тези съединения. И тривиалната номенклатура и тази на IUPAC са утвърдили окончанието –оза в наименованията на по-голяма част от въглехидратите. Поради сладкия вкус на мнага от въглехидратите те се наричат още и захари или захариди.

                                               Въглехидрати

                                                   /захариди/

монозахариди                          олигозахариди                            полизахариди

 ( монози, 3-8 С ат.)                              (2-10 монози )                              (от 10 до няколко хиляди монози )

алдози    кетози                  дизахариди   тризахариди         хомополи-        хетерополи-

                                                                                                  захариди            захариди

Монозахариди /монози /

Това са бифункционални съединения. Молекулата им съдържа една алдехидна   /-СНО / или кетонна  / С = О / групи и повече от две ОН-групи. Те са полихидроксиалдехиди или полихидроксикетони.

Класификация, структура, изомерия и номенклатура.  Класификацията на монозахаридите се основава на съчетаването на два признака – вида на функционалната карбонилна група и броя на С-атоми в молекулата. Според първия признак монозахаридите се делят на алдози и кетози, а според втория – триози, тетрози, пентози, хексози и т.н. Трябва да се знае, че в молекулата на монозахаридите въглеродните атоми са свързани в права /нормална / верига и при един С-атом може да има само една –ОН-група.

Алдози. Те биват алдотетрози, алдопентози, алдохексози и т.н. В техните молекули алдехидната група естествено е при краен С-атом, а при останалите С-атоми има по една –ОН-група. По-голямо значение имат алдопентозите и алдохексозите, много от които са природни продукти.

Най-простият представител на алдозите е глицериналдехида. Той притежава асиметричен /хирален / С-атом и следователно има два енантиомера :

              D (+) или R            L(-) или  S                  D (+) – енантиомер

Конфигурацията на енантиомерите може да бъде определена по R, S-системата на Кан-Инголд-Прелог. А преди нея за означаване на монозахаридите и други хирални съединения е била създадена и използвана т.нар. D, L-системата. За нейното изграждане като основа са послужили именно конфигурациите на енантиомерите на глицериналдехида. Условно е било прието с D (+) да се означава този негов енантиомер, в проекционната формула на който хидроксилната група е отдясно, когато СНО-групата е отгоре. Другият енантиомер е означен като L (-). Конфигурацията на D-енантиомера съответства на R-конфигурация, а тази на L-енантиомера – на S-конфигурацията.

D, L-системата се основава на следната постановка :  монозахариди, които могат да се разглеждат като произлезли от D-глицериналдехида  чрез удължаване на въглеродната верига откъм СНО-групата, се обединяват в т.нар.D-стеричен ред енантиомери /стереоизомери/. По аналогичен начин се регламентира формирането и на L-стеричния ред. По-висшите от глицериналдехида алдози притежават нарастващ брой структурно различни асиметрични С-атоми и следователно имат 2n хирални стереоизомера. Те се систематизират съответно в D, L-стерични редове според конфигурацията на най-отдалечения от алдехидната група асиметричен С-атом, който се смята че е “наследен” от съответния енантиомер на глицериналдехида. Енантиомерите на дадената алдоза имат еднакви наименования /окончаващи на –оза /, чрез които се означава конфигурацията на всеки от тях :  D или R ,  съотв.L или S.

От алдохексозите напр.са познати 16 стереоизомера /D и L/ : глюкоза, маноза, идоза, галактоза, алтроза, алоза, гулоза и талоза.

                                       

                                      D (+) – глюкоза

Кетози .Те също биват кетотетрози, кетопентози, кетохексози и т.н. Разбира се, че тук карбонилния С-атом не може да бъде в края. Най-често това е втория С-атом. При кетозите също съществува енантиомерия /стереоизомерия/. Както при алдозите и тук стереоизомерите се причисляват към D, L-стерични редове. Особен интерес представляват кетохексозите и техния представител фруктозата. Фруктозата има три асиметрични С-атома и съществува като D- и L-форма, което се определя от най-отдалечения от кетогрупата асиметричен С-атом. Проекционната формула на фруктозата е следната :

                                      

                                        D (+)-фруктоза

Това означаване на формулата е по Фишер – т.нар.Фишерови проекционни формули /оксоформули /. УВ и ИЧ-спектрите обаче не показват наличие на ивици на поглъщане за С = О група. Освен това разтвор на D (+)-глюкозата след известно време променя специфичното си въртене. Това явление за промяна на оптичното въртене на монозахаридите след разтварянето им се нарича мутаротация. Липсата на С = О група показва че те нямат оксоструктура и следва да се приеме, че те имат циклична полуацетална структура. Да си припомним, че полуацетали се образуват при взаимодействието на на молекула алдехид /или кетон/ с молекула алкохол. Така че при монозахаридите се образува един вътрешен полуацетал. Между молекулите на даден монозахарид с тези два вида структури /отворена и циклична / се осъществява оксоциклотавтомерно равновесие в разтвор, което обяснява и явлението мутаротация.

Образуването на циклични полуацетални форми на алдохексозите може да се осъществи сравнително лесно след пространствено сближение на ОН-групата при С5-атом и –СНО-групата :

Установено е, че оксоциклотавтомерията се катализира както от киселини, така и от основи, като тяхното действие е най-ефективно при съвместното им участие в процеса.

Когато в по-горната схема новополучената хидроксилна група при карбонилния въглероден атом, наречен гликозиден, се намира от страната на  пръстена, получения изомер се означава като α-аномер. Когато хидроксилната група се намира от противната страна, тогава имаме β-аномер  /от гр.ано – на върха /. Изразяването на тези два изомера може да стане или чрез цикличните форми, показани по-долу :

                                  

                                         α – аномер                 β – аномер

или чрез цикличните формули на Хауърд :

                                   

                                       β – аномер                                   α – аномер

При формулите на Хауърд трябва да се знае, че винаги в шестчленния цикъл кислородния атом се намира в горния десен ъгъл. Тогава хидроксилната група при гликозидния С-атом се намира нагоре при β-аномера и надолу – при α-аномера.

Но най-ясно пространственото разположение на хидроксилните групи при хиралните въглеродни атоми се изразява с конформационните форми “стол” :

             

                                     α – аномер                                                   β – аномер

По-стабилна е молекулата на β-изомера, тъй като всички хидроксилни групи се намират в по-изгодното екваториално положение. Това ще си припомним, когато разглеждаме огромната молекула на целулозата, съставена от β-D-глюкозни остатъци.Ето защо целулозата е най-разпространения въглехидрат в природата.

Химични свойства на алдози и кетози

1/ Окисление. Алдозите и най-вече хексозите са силни редуктори. Те лесно се поддават на окисление. При умерено окисление с разредена HNO3 или J2 разтворен в алкална основа /алкален хипойодид / , алдозите дават монокарбоксилови киселини със същия брой С-атоми, които се наричат алдонови киселини. Напр.глюкозата дава глюконова киселина. /Окислява се карбонилната група ! /.

                  

Калциевият глюконат напр.намира приложение в медицината.

Кетозите от същите окислители не се променят !!!

От по-силни, по-енергични окислители (конц.HNO3 ) алдозите преминават в хидроксидикарбоксилови киселини, наречени –арови или захарни киселини. Например D-глюкозата дава D-глюкарова киселина :

                 

От същите окислители кетозите се разграждат при кетонната група и получените остатъци се окисляват по-нататък.

От много силни окислители /KmnO4, хромена киселина, сребърноамонячен разтвор, Фелингов разтвор и др./ алдозите и кетозите се окисляват до по-сложни окислителни продукти.Класическият пример е Фелинговия разтвор. Трябва да се отбележи, че тук кетозите също редуцират Фелинговия разтвор, докато кетоните са трайни спрямо него. Амонячният разтвор на сребърен нитрат се редуцира както от алдози, така и от кетози. Това е познатата реакция на “сребърното огледало”.

2/ При редукция в слабокисела среда с натриева амалгама алдозите и кетозите дават поливалентни алкохоли. От кетозите се получава нов асиметричен С-атом и се образуват два алкохола, които са диастереомери.

3/ С циановодород HCN алдозите и кетозите дават цианхидрини :

                       

4/ С хидроксиламин NH2OH монозахаридите /алдози и кетози/ дават оксими :

                      

5/ С фенилхидразин отначало се образува хидразон. След това втора молекула фенилхидразин действа дехидриращо върху съседната алкохолна група и се създава карбонилна група, която реагира с нова молекула фенилхидразин и се образува озазон. Озазоните при нагряване с конц.солна киселина се хидролизират и дават озони :

                  озони

При кетозите, където карбонилната група СО е винаги на второ място, първо се извършва дехидрирането с фенилхидразин, а след това се получават озазоните.

6/ Като многоатомни алкохоли монозите образуват с алкални метали и с хидроксиди на алкалоземни метали алкохолати, наречени захарати.

7/ Метилиране. От хидроксилните групи на монозахаридите най-лесно се метилира ОН-групата, произлязла от карбонилната. Достатъчно е да се действа на α- или β-монозахарид с метилалкохолна солна киселина  (CH3OH / HCl ), за да се получат съответно α- или β-производни, които са аномери. Общото наименование на тези съединения е гликозиди. Метилгликозидите са най-простите представители на тази важна група съединения, които са много разпространени в природата. Останалите ОН-групи са представители на същинските алкохоли и като алкохолите се метилират с CH3J и Ag2O или с диметилсулфат, разтворен в натриева основа. Така че могат да се метилират всичките ОН-групи в монозахаридите.

8/  С ацетон монозахаридите, подобно на някои полихидроксисъединения се кондензират в присъствие на водоотнемащи средства /киселини, двуфосфорен пентаоксид, цинков дихлорид и др./

               

9/ Естерифициране. Тази реакция става много  лесно и се извършва главно с оцетен анхидрид. Извършва се пълно естерифициране и се получава пентаацетилглюкоза. /Не трябва да се забравя, че естерификацията се извършва в слабокисела среда ! /.  Много разпространени в природата естери на глюкозата с галовата /шикълчена / киселина са дъбилните вещества – танините. Това са аморфни вещества, способни да превръщат суровата кожа в обработена кожа, да коагулират лепливите разтвори и да дават неразтворими утайки с алкалоиди и оловни соли. Танините биват китайски и турски танин. Различават се по галовите остатъци в молекулите си. Китайския е с 9 галови остатъка, а турския – с 5-6 остатъка.

10/ Действие на алкални основи. В този случай монозахаридите претърпяват два типа реакции – изомеризация и деградация /разграждане/.

Изомеризацията се извършва от разредени основи при обикновена температура. Вероятно се извършват следните превръщания, включително и енолизация :

              

                        маноза                            ендиол                     фруктоза

Поради този факт и фруктозата дава положителна реаякция с Фелингов разтвор и реактив на Толенс, които са алкални или амонячни разтвори.

Глюкозата и манозата се различават само по конфигурацията на α-въглеродния атом. Такива изомери се наричат епимери  / епи – от гр.против/.Следователно, за да се превърне един епимер с друг, той претърпява α-инверсия.

Деградацията става под действие на концентрирани водни разтвори на алкални основи. При тази реакция става разкъсване на молекулата на по-прости молекули. Напр.една алдохексоза с отцепване при С1, С2, С3 дава съответно пентози, тетрози, триози и по-прости съединения. Тези съединения по-нататък претърпяват всевъзможни други промени като изомеризация, алдолна кондензация, Каницарова реакция и др. Някои учени са изчислили, че при действие на силна алкална основа върху една хексоза могат да се образуват над 116 различни съединения.

11/ При нагряване с минерални киселини монозахаридите се обезводняват и се получават пръстенни съединения. Напр.пентозите дават фурфурал :

                      

12/  Синтези.  а/превръщането на един монозахарид в негов по-висш хомолог става по комбинирания метод на Килиани-Фишер (действа се с циановодород и получаващия се цианхидрин се хидролизира ; следва редукция ) б/ разпадане на монозахарида в по-низши хомолози става по методите на Руф, метод на Веерман и др.

13/ Алкохолна ферментация. Въглехидратите под действието на различни микроорганизми, напр.спиртен квасец, плесени и бактерии, се разпадат с отделяне на газове като СО2, Н2 и СН4 и дават определени продукти. Този процес се нарича ферментация, която според продукта бива спиртна, млечнокисела, масленокисела и др.

Алкохолната /спиртната /ферментация се причинява от сборния ензим цимаза, ксойто се произвежда от спиртните гъбички. Извършва се съгласно уравнението :

                       С6Н12О6 2Н5ОН  +  2СО2

Алкохолната ферментация е безкислородна /анаеробна /. Химизмът на алкохолната ферментация е сложен процес и всеки стадий се извършва под действието на определен ензим /цимазата се състои от 13 отделни ензима /.

Представители на монозахаридите

D-глюкоза (гроздена захар) – намира се в сладките плодове. В кръвта на човек ; в урината също. У здрав човек тя е 0.1%, а при болен от диабет – 12%. Концентрацията на захар в организма се регулира от един хормон, наречен инсулин.

D-маноза – намира се в портокаловите кори; също и в охлювите.

D-фруктоза (овощна захар ) – намира се в сладките плодове и в меда (около 8%) под формата на инвертна захар.

Производно на D-глюкозата е витамин С.Той се намира в много растения – шипки, цитруси, пиперки, магданоз и др.Вит.С е противоскорбутен препарат. За синтеза на вит.С се излиза от D-глюкоза :

D-глюкоза          L-сорбит                   L-сорбоза            полуацетална форма

                                                   2-кето-L-гулонова киселина

                    γ-лактон на                             L – аскорбинова  киселина

Витамините са органични вещества, които се произвеждат в малки соличества от растения и които животните и човекът получават с храните си. Те са необходими за правилното функциониране на организма. Витамините обикновено имат сложна структура и ниска стабилност. Вит.С в най-голямо количество се съдържа както казахме в шипките, портокалите, лимоните, пиперките, касиса и др. Липсата на вит.С води до появата на болеста скорбут , която се проявява като кръвотечене от венците, заболяване на костната система, отслабване на сърцето. Излишъкът на вит.С не вреди на здравето – той се отделя чрез урината и потта.

Дизахариди

Структура. Установено е, че свързването на две молекули монозахарид в молекула дизахарид става чрез обезводняване между две ОН-групи на монозахаридите, поне едната от които е гликозидна. /Да припомним, че гликозиден е този С-атом, който преди това е бил в състава на карбонилна група./.

Според начина на гликозидното свързване между монозахаридите, дизахаридите биват от следните типова :

                                    

                                            трехалоза  /свързване от трехалозов тип /

                                          

                                           малтоза  /свързване от малтозов тип /

                                          

                                          гентиобиоза /свързване от гентиобиозов тип /

                                        

                                         целобиоза /свързване от целобиозов тип /

Или ако се използват цикличните проекционни формули на Хауърд ще имаме :

     

        трехалозов тип  / 1-1 свързване /  с участие на 2 гликозидни ОН-групи

       

       малтозов тип  /1-4 свързване / с участие на 1 гликозидна и 1 алкохолна ОН-групи

    

гентиобиозов тип  /1-6 свързване / с участие на 1 гликозидна и 1 алкохолна ОН-групи

   

целобиозов тип  /1-4 свързване/, но гликозидната ОН-група е в β-положение

Тези няколко типа свързване между монозахаридите са в основата на образуване на молекулите не само на дизахаридите, но и на много полизахариди като напр.нишесте и целулоза.

Захароза

Тя е един α-D-глюкопиранозил-β-D-фруктофуранозид. Молекулата и е образувана чрез 1-2 свързване на две гликозидни С-атоми  -  на α-D-глюкопираноза и β-D- фруктофураноза :

                                        

Имаме свързване от първия тип – трехалозов тип, т.е.свързване на две гликозидни ОН-групи. Ако изобразим захарозата посредством Фишеровите проекционни формули, ще получим :

                                  

                                  α-D-глюкоза                β-D-фруктоза

Захарозата се хидролизира лесно в присъствие на слаби киселини или под действието на ензима инвертаза  до D (+)-глюкоза и D (-)-фруктоза, еквимоларната смес от които се нарича инвертна захар. Захарозата има специфично въртене [α]D20 = +66.50. Тъй като въртенето на хидролизните продукти е : D (+) глюкозата  ]20 = +52.70D (-) –фруктозата [α]20 = -92.40, то инвертната захар има отрицателно специфично въртене /оттуки името “инвертна захар” спрямо захарозата /.

Поради липсата на свободни гликозидни ОН-групи, т.е.поради невъзможност за равновесно превръщане в оксоформа, захарозата не редуцира Фелингов реактив – тя е нередуктивна захар. Освен това тя не образува озазон за разлика от глюкозата и фруктозата. Захарозата обаче може да образува етери и естери с алкохолните си групи

От малтозовия тип дизахаризи /с 1-4 свързване / по-важни представители са :

                              

                                                                малтоза

Малтоза /малцова захар/ - получава се от нишесте с помощта на ензима диастаза, който се намира в малца /прораслите и изсушени ечемичени зърна/. Същото действие върху нишестето има и птиалинът на слюнката. Малтозата е по-малко сладка от захарозата.

                                      

                                                                целобиоза

Полизахариди

Те биват хомополизахариди, когато са изградени от еднакви монозахаридни остатъци и хетерополизахариди, когато са изградени от различни монозахариди.Ще разгледаме само хомополизахаридите и по-точно хексозаните, чиито по-важни представители са нишестето, гликогена и целулозата.

Нишесте, скорбяла (Amylum )

Молекулите на нищестето са изградени от α-D-глюкопиранозни остатъци (звена). Свързването на тези звена става чрез поликондензация от малтозов тип /1-4 свързване / и гентиобиозов тип /1-6 свързване /. Пръв френския учен Maquenne е забелязал, че нишестето е нееднородно и се състои от две вещества :  амилоза и амилопектин. Количеството на амилозата е около 20%, а на амилопектина – 80%. Амилозата е разтворима във вода, а амилопектина не се разтваря а само набъбва.

Молекулата на амилозата е изградена чрез 1-4 свързване на α-D-гликозидни остатъци. Тя съдържа около 200 – 1000 подобни остатъци и има спираловидна или т.нар.helix-структура в права линия :

      

При хидролиза на амилозата тя изцяло се превръща в малтоза.

Молекулата на амилопектина е разклонена, тъй като освен 1-4 свързване се осъществява и 1-6 свързване /от гентобиозов тип /. Средно на 20-30 линейни звена се извърщва по едно 1-6 свързване. Амилопектина съдържа ~2500 глюкозни остатъка :

       

Мястото на 1-6 свързването се нарича точка на разклонение.

Частичната хидролиза на амилопектина дава декстрини – достатъчно едри молекули, съдържащи 8-12 глюкозни остатъци. По-нататъшната хидролиза дава дизахариди – главно малтоза. При пълната хидролиза се получава α-D-глюкоза.

Гликоген

Друг полизахарид е гликогена /”животинско нишесте”/, което се образува в черния дроб и мускулите на животните и играе важна роля в метаболизма на въглехидратите. Молекулата му е аналогична с тази на амилопектина, но е по-разклонена /средно на 10-14 глюкозни остатъка има по едно 1-6 свързване /.

Целулоза

Името и произлиза от cellula – клетка. Целулозата образува стените на клетките у висшите растения. Тя има линейна структура на молекулите си и те са изтрадени от   β-D-глюкопиранозни остатъци, свързани както в целобиозата /1-4 свързване както в малтозата, но аномерния атом е в β-положение / :

       

Средният брой на глюкозидните остатъци в молекулата е 600-6000, а молекулната маса вече е доста голяма – от 100000 до 1000000. Установено е, че линейните молекули са свързани “сноповидно” (фибрилно) въ влакна чрез междумолекулни водородни връзки. Това придава значителна здравина на целулозните влакна.

При частична хидролиза на целулозата се получават олигозахариди – главно целобиоза, а по-нататък – β-D-глюкоза. Поради наличието на алкохолни ОН-групи целулозата проявява реакционна способност на поливалентни алкохоли. Тя се разтваря в разтвор на медно(II)-амонячен комплекс /Швайцеров реактив/ поради образуването на комплексни съединения с Cu (II)-йоните. В разтвор на алкални основи целулозата дава алкохолати. Тя образува естери с различни киселини и етери с алкилхалогениди.

При нитриране на целулозата със смес от азотна и сярна киселина се получават целулозни нитрати. Нитрираната целулоза със състав, близък до този на тринитроцелулозата, се нарича пироксилин /гърмящ памук/ и се използва за изготвяне на бездимни барути. А целулозния динитрат се нарича колодиев памук или колоксилин. Той се разтваря в смес от алкохол и етер – колодий. Служи за херметизиране на капачки. С камфор образува полимер, наречен целулоид, в миналото използван за изработване на филмови ленти Целулоидът е запалим !

Естерите на целулозата с оцетната киселина се използват за получаване на изкуствени влакна /т.нар.ацетатна коприна /.

При взаимодействието на алкална целулоза със CS2 се получава Na-сол на естера на ксантогеновата киселина /целулозен ксантогенат /, чиито алкален разтвор се нарича вискоза. Целофанът е регенерирана въ вид на листове. Ако се накъдри вискозата се получава т.нар.изкуствена вълна или целволе.

Освен същинската целулоза са познати още  хидратна целулоза, хемицелулоза, пектин, хитин и др.

Хидратната целулоза е целулоза, обогатена с 25-30%-на натриева основа и се нарича мерсиризирана.Има блясък, здравина, повишена хигроскопичност и добре се багри.

Хемицелулоза /полуцелулоза /.Тя е хетерополизахарид. В състава и влизат хексози, пентози и някои уронови киселини. Тя е доста застъпена в природата. Обикновено придружава същинската целулоза в стените на растителните клетки, но служи и като резервна храна.

Пектинови вещества.Те също са хетерополизахариди. Придружават целулозата в мембраната на месестите растителни части на цвеклото, морковите, и др. Или пък в зрелите плодове – ябълки, круши, лимони и др. Добива се чрез екстахиране с гореща вода на сок от плодовете. В присъствието на захари и органични киселини образува гели и затова намира приложение за приготвяне на плодови желета.

Хитин. Принадлежи към скелетните полизахариди. Среща се в черупките на раци и насекоми /крилата на бръмбари напр./. Съдържа азот и при пълна хидролиза се разпада на аминохексоза :

                                    

                                              глюкозамин

Целулозата е най-разпространения полизахарид в природата. Причината за това е следната : глюкозните звена в молекулата и са в β-аномерна форма на конфигурацията “стол”, което е най-стабилната структура на глюкопиранозата поради екваториалното разположение на всички ОН-групи. Това определя и разликата в стабилността и свойствата и в сравнение с нишестето, в чиято молекула глюкозните остатъци са в α-аномерна форма.

КАРБОКСИЛОВИ  КИСЕЛИНИ

Производни на въглеводородите, които съдържат в молекулата си функционалната група  -СООН се наричат карбоксилови киселини. Карбоксиловата функционална група е съставена от две по-прости функционални групи :  карбонилна ( С = О ) и хидроксилна (-ОН ), откъдето произлиза и наименованието и /карбоксилна/

Електронната структура и орбиталния модел на карбоксилната група са сходни с тези на карбонилната група :

                       

Това обуславя плоската конфигурация на σ-скелета на карбоксилната група и перпендикулярното разположение на π-връзката към равнината като тя е поляризирана /изтеглена/ към О-атом, който е по-електроотрицателен.

Класификация и номенклатура

Класификацията на карбоксиловите киселини се изгражда на два принципа :

А. Според броя на карбоксилните групи те биват моно-, ди- и т.н.

Б. Според вида на въглеводородния остатък, свързан с –СООН и наличието на други функционални групи /заместители / в него :  алканови, алкенови, аренови; хидрокси-, кето-, халогено- и т.н.

Монокарбоксилови киселини с незаместен въглеводороден остатък са :

-         алканови монокарбоксилови киселини :

Н-СООН       СН3-СООН        СН3СН2-СООН     и т.н.    R-СООН

Метанова            етанова                       пропанова                             алканова киселина

(мравчена)           ( оцетна )                     (пропионова)

Според IUPAC наименованията се образуват като към името на съответния алкан със същия брой С-атоми се прибави окончанието  -ова киселина. При разклонените алкилови вериги се избира главна /права/ верига, в единия край на която е  -СООН-групата и чиито С-атом носи № 1. Оттук почва броенето.

-         ненаситени (алкенови и алкинови ) монокарбоксилови киселини :

СН2 = СН-СООН             СН3СН = СН-СООН             

Пропенова киселина             2 -  бутенова киселина                 пропинова киселина

      (акрилова )                                ( кротонова )                                  (пропионова )

-         алициклени /пръстенни / монокарбоксилови киселини :

    

циклопентанкарбоксилова         циклохексанкарбоксилова        циклопропанкарбоксилова

           киселина                                      киселина                                        киселина

-    аренови /ароматни / монокарбоксилови киселини :

   

бензоена                               нафтален-1-карбоксилова                 нафтален-2-карбоксилова  

(бензенкарбоксилова)          (α-нафталенкарбоксилова )                  (β-нафталенкарбоксилова )

Наименованието се образува като към името на арена се прибави “карбоксилова киселина”.

Киселинния остатък   се нарича ацилов остатък  /R е алкил, алкенил, арил и т.н. /. Напр. :

             

                формилов                   ацетилов                           бензилов

При карбоксиловите киселини и техните производни се проявяват различни видове изомерия – верижна, позиционна, стереоизомерия и др.при наличието на необходимите условия в съответните въглеводородни остатъци.

Когато заменяме атоми или атомни групи във функционалната група –СООН с други атоми или атомни групи, тогава казваме, че се получават техни функционални  производни :  ако заместим Н-ат.от хидроксилната група на карбоксилова киселитна с метален атом, тогава получаваме сол на съответната киселина ;  ако водородния атом се замени с алкилов или арилов радикал (R, Ar), тогава се получават естери ; ако заместим водорода с ацилов остатък (RCO), получаваме анхидрид ;ако заменим цялата хидроксилна група с халогенен елемент, тогава получаваме киселинни халогениди ; ако вместо ОН-групата имаме аминогрупа, тогава са получени киселинни амиди ; когато заместваме с хидразин, получаваме хидразиди ; при заместване на всичките функционални групи в карбоксиловата киселина (ОН-групата и карбонилния кислороден атом) с азотен атом се получават нитрили.

Получаване на монокарбоксилови киселини

За получаването на алканови, алкенови и аренови киселини има някои общи методи :

1/  От киселинни производни /естери, халогениди, анхидриди, амиди, нитрили / чрез хидролиза :

                

където  Y = OR, Cl, NH2, CN, OCOR и др.

2/  Чрез окисление на въглеводороди, алкохоли и алдехиди :

        

Трябва да се отбележи, че при ароматните въглеводороди окислението става винаги при α-С-атом, т.е.окислението винаги води до получаване на бензоена киселина, колкото и дълга да е била веригата.

Киселини се получават, когато разкъсваме двойна връзка с по-силни окислители

       

3/  Чрез присъединяване на органомагнезиеви съединения към СО2 :

Освен тези общи методи съществуват и някои по-специфични методи за получаване на алканови карбоксилови киселини. Например, ето някои промишлени методи за получаване на низши алканови карбоксилови киселини :

4/  Метод на карбонилиране. Смес от алкен, СО и вода се нагряват в присъствие на катализатор Ni (CO )4 при 120-200 атм и температура 2000. Това е методът на Репе :

                       

Вероятно, подобно на оксосинтеза се извършва реакция между алкена и СО и след това полученият цикличен пръстен се хидролизира :

        

5/  От ацетиленови въглеводороди /алкини/ чрез хидролиза до алдехид и последващо окисление . Напр.познатата реакция на Кучеров :

       

6/  Чрез ферментация на алкохол с помощта на ензима acetobacter :

                    

 Основните методи за получаване на аренови карбоксилови киселини са дадени на базата на бензоената киселина.

7/  От бензен и фосген с последваща хидролиза :

         

8/ Чрез хидролиза на нитрили :

         

9/  Чрез окисление на нафтален /промишлен метод / :

        

Физични свойства на монокарбоксиловите киселини

Низшите членове /първите три / на киселините са течности с остра миризма, средните /С4 – С10 / са маслообразни течности с неприятна гранлива миризма, а висшите /включително и ароматните / са кристални вещества.

Интересна картина представляват точките на топене на монокарбоксиловите киселини с нормална верига. Тези с четен брой С-атоми се топят при по-висока температура от съответните съседни членове с нечетен брой С-атоми. Това е изразено на следната схема :

Така че киселините по отношение на т.т.се делят на два реда – с четен и с нечетен брой С-атоми. И в двата реда с качване в хомоложния ред разликата в т.т. намалява. Все пак на какво се дължи тази разлика ? Предполага се, а и така е обяснено, че по-високите т.т.на киселините с четен брой С-атоми се дължи на по-голямата симетрия на молекулата, което води до по-стабилна решетка :

          

Температурата на кипене /т.к./ се повишава нормално с увеличаване на въглеродното съдържание. Ненормално е, обаче молекулното състояние на киселините. Те са силно асоциирани и експериментално показват двойно по-голямо молекулно тегло. Причината за това е същата както и при алкохолите, а именно асоцииране на молекулите чрез водородни мостове. Но за разлика от алкохолите, при киселините свързването е по-здраво. Това по-здраво свързване се дължи на факта, че при киселините О – Н –връзката е по-полярна от хидроксилната връзка при алкохолите. Освен това при киселините се образуват връзки с карбонилен О-атом, който е силно електроотрицателен, а не само с О-атом от друга ОН-група както е при алкохолите.

                          

Съществуват и линейни асоциати, подобно на алкохолите :

               

Низшите киселини добре се разтварят във вода /и др.протонни разтворители / . Това също се дължи на образуването на междумолекулни въглеродни връзки с тях. С удължаване на въглеводородния остатък разтворимостта във вода намалява, защото нараства относителния дял на въглеводородния хидрофобен остатък. След С9 киселините са практически неразтворими във вода, но затова пък добре се разтварят в органични разтворители /етер, бензен и др./.

Химични свойства на монокарбоксиловите киселини

Най-важните типове реакции, в които участват монокарбоксиловите киселини са следните :

1/ Реакции, при които се разкъсва О – Н-връзката в карбоксиловата група :

                                           

2/ Реакции, при които се разкъсва С – ОН връзката в карбоксиловата група (заместване на –ОН-групата ) :

                                            

3/ Реакции на декарбоксилиране /отцепване на СО2 / от цялата карбоксилова група :

                                           

4/ Реакции с участието на въглеводородния остатък, свързан с карбоксиловата група, напр.реакции при α-водородния атом :

                                          

Тези реакции стават с едновременното участие и на функционалната група  на карбоксиловата киселина (-СООН ).

5/ Редукционни реакции.

Започваме от първия тип реакции  -  разкъсване на връзката О – Н. На този тип разкъсване се дължат много важни свойства на карбоксиловите киселини. Една от тях е, че карбоксиловите киселини имат киселинно-основен характер. Те притежават ясно изразени киселинни свойства, които се проявяват във възможността за дисоциацията им, напр.във водна среда :

                    

Както и за всяко равновесие, концентрациите на отделните компоненти на тази равновесна смес са свързани помежду си с уравнението :

                                         

Равновесната константа в случая се нарича константа за киселинност (Ка). На по-голяма Ка съответства по-голяма степен на йонизация и по-голяма сила на киселината. Ка се използва като мярка за сравнение на силата на различните киселини. Тя изразява степента на пренос на протон от киселината към водата. Понякога се използва и отрицателния десетичен логаритъм на тази стайност, която се изразява с рКа.

Карбоксиловите киселини имат, макар и мнага слабо изразени, основни свойства. В силнокисела среда те присъединяват протон :

                Дисоциацията на монокарбоксиловите киселинив разтвор протича в различна степен в зависимост от вида на въглеводородните остатъци, свързани с карбоксилната група. Алкановите и ареновите киселини имат рКа ~ 4-5 и във всички случаи са по-слаби от най-известните неорганични киселини. Обаче са по-силни киселини от алкохолите /рКа = 16 / и фенолите. По-голямата дисоциация на карбоксиловите киселини се дължи на по-добрата резонансна стабилизация на карбоксилатния анион RCOO- за разлика от алкохолатния анион RO-. Стабилизацията на карбоксилатния анион е вследствие на р-π-спрежение между двойката електрони на р-орбитала, обуславяща анионния заряд, и π-електроните от С = О-групата. В резултат на този резонансен ефект отрицателния заряд се разпределя равномерно между двата О-атома в карбоксилатния анион :

          

И действително, данни от рентгеноструктурни изследвания напр.на мравчена киселина и нейния карбанион, показват, че дължините на връзките при карбаниона са еднакви за разлика от тези при недисоциираната киселина :

                            

От опит се знае, че различните карбоксилови киселини са различни и по сила на тяхната киселинност. На какво се дължи това ? Кои са причините за различната киселинност ?

Главно това са различията в степента на дисоциация на киселините. А различната степен на дисоциация се обуславя от възможността за допълнителна стабилизация /или дестабилизация / на изходната киселина и на карбоксилатния анион под действие на електронните ефекти /индукционен и мезомерен / на въглеводородния остатък или на други заместители в него.

Електронодонорни заместители / с +I и +М-ефект/ повишават електронната плътност при кислородния атом в ОН-групата и затрудняват дисоциацията, а след дисоциация увеличават отрицателния (-) заряд на карбоксилатния анион и го дестабилизират :

         

Разбира се, карбоксилови киселини, съдържащи такива заместители са слаби киселини.

Електроноакцепторни заместители /с –I и –М-ефекти/ оказват обратно влияние върху дисоциацията на карбоксилната група и стабилизацията на карбоксилатния анион, като повишават силата на киселините :

Така че различията в рКа-стойностите на киселините /незаместени и заместени/ могат да се обяснят въз основа на горните съображения за влияние на заместителите.

Освен дисоциацията характерна реакция от първия тип е и получаването на соли на карбоксиловите киселини при взаимодействието  им с основи /неутрализация/ или метали :

               RCOOH   +   NaOH RCOO-Na+   +   H2O

               ArCOOH   +   K  ArCOO-K+   +   1/2H2

Реакции от тип 2 /разкъсване на връзката С – О и заместване на ОН-групата в карбоксиловите киселини/  са заместителни реакции – нуклеофилни /SN/ и електрофилни /SE/.

А. Нуклеофилните заместителни реакции се извършват чрез атака на нуклеофил /Н-В:/ върху карбоксилатния С-атом.. Атаката може да бъде облекчена от каталитичното действие на Н+ както при карбонилните съединения :

          

В този случай реакцията протича като “присъединяване – елиминиране” и се нарича ацилно нуклеофилно заместване, т.е.АсSN2 (бимолекулна реакция ).

Видът на нуклеофилния агент Н-В:, който може да бъде алкохол (ROH), киселина (RCOOH) и др., определя характера на реакционните продукти  -  производни на киселините, съответно естери, анхидриди и др.

Напр.реакцията естерификация : това е реакция между киселина и алкохол. Ролятя на нуклеофила в случая се изпълнява от алкохола  /по-точно от свободната електронна двойка на хидроксилната група в алкохола /. Това е слаб нуклеофил. Още повече, че и товарите в карбоксилната група е частичен. Ето защо реакцията се подпомага от присъствието на Н+, който превръща частичния товар при С-атом в карбоксилната група в С+ - способен да взаимодейства със слабия нуклеофил ROH.

          

Б. Електрофилни заместителни реакции (SE ) се извършват чрез атака на електрофили, напр.киселинни хлориди, SOCl2, PCl3 и др.върху кислородния атом от ОН-група в СООН. С такива електрофили се получават хлориди на киселините :

       

По-важните реакции от типа 1 и 2, т.е.тези които се отнасят до хидроксилната група в СООН-групата на монокарбоксиловите киселини, са отразени по-долу :

Получават се съответно соли /натриеви и амониеви/, амиди, киселинни хлориди, естери, анхидриди.

Третият тип реакции /декарбоксилирането / може да протече хетеролитично :

                 

В първия стадий на реакцията се образува карбаниона R:-, който във втория стадий се атакува от Н+ по SE-реакция и се получава алкан. Декарбоксилирането по този механизъм протича най-трудно при незаместените алканови киселини. Заместените карбоксилови киселини с електроноакцепторни заместители, съседни на  -СООН –групата се декарбоксилира по-лесно.

Важен метод на декарбоксилиране на соли на карбоксилови киселини е т.нар.метод на Дюма  , при който се нагряват при висока температура солите на карбоксиловите киселини и натриева основа. Методът се нарича още алкално стапяне:

                     

От реакциите тип 4 /с участието на въглеводородния остатък / характерна е реакцията елиминиране на вода /-ОН-групата на карбоксиловата група и α-водородния атом от въглеводородния остатък/. Тази реакция се извършва при висока температура и води до получаване на кетени :

                    

Заместителните реакции във въглеводородния остатък /други реакции от типа 4/ протичат както при въглеводородите, но групата СООН оказва известно влияние. Напр.в алкановите киселини е възможно заместване на Н-атом в алкиловия остатък с халоген при взаимодействието на киселината с молекула Х2 в присъствие на фосфор /реакция на Хел-Фолхард-Зелински/ :

                       

Последователните стадии, по които протича реакцията, са следните :

                          +  3Br2 2PBr3

Халогенирането в тази реакция протича предпочетено на α-място спрямо карбоксилната група. При реакцията се получава РХ3, който превръща част от киселината в ацилхалогенид, като последния улеснява халогенирането на α-място.

При ареновите киселини /бензеновото ядро играе ролята на въглеводороден остатък / особено характерни са заместителните електрофилни реакции (SE ), които се извършват в ароматното ядро, Това са нитриране, сулфониране, халогениране /с катализатор / по механизма, който е разглеждан при ароматните въглеводороди. Трябва да се знае, че карбоксилната група е деактивиращ  m-ориентант и затова този тип реакции протичат по-трудно, отколкото при незаместените арени :

                                   

                                   

                                   

Друг тип реакции /тип 5 / на карбоксиловите киселини е редукцията им до алдехиди и алкохоли. Тя протича трудно чрез каталитично хидриране и по успешно под действието на литиево-алуминиев хидрид /LiAlH4/ :

                      

Когато се действа на карбоксиловите киселини със силен водороден прекис в присъствието на сярна киселина се получават перкиселини :

                      

Перкиселините са силни окислители ! Окисляват алкените до епоксиди.

Представители на монокарбоксиловите киселини

Мравчена киселина, Ac.formicum – името произлиза от червената мравка /Formica rufa /, където е намерена преди няколко столетия. Тя се намира още и в други насекоми (гъсеници) както и в копривата, в листата на елата и в пчелния мед. На насекомите служи за химична защита.

Мравчената киселина е безцветна подвижна течност с т.к.100.60. Тя има остра миризма.Върху кожата действа възпалително.

Тази киселина малко се отклонява от химичните свойства на нейните хомолози. Това се дължи на факта, че тя съдържа алдехидна група. Като алдехид тя лесно се окислява до СО2 и Н2О :

             

Тя е сравнително евтина и затова днес се употребява в багрилната техника вместо сярна или оцетна киселина, още повече, че тя е много по-безвредна за плата от сярната киселина. В кожарството се употребява за очистване на кожите от варта.

Оцетна киселина, Ac.aceticum.  Тя е разпространена в растенията в свързано или в свободно състояние. Намира се също в някои животински секрети като пот, урина и др. От древни времена тя се получава като се изложат на действието на въздуха алкохолни разтвори. Окислението на алкохола става от кислорода на въздуха при каталитичното действие на ензимите на оцетнокиселите бактерии (Mucoderma aceti). Виланд опитно е установил, че ензимите увеличават реактивоспособността на водородните атоми и затова се извършва не окислителен, а дехидриращ процес, при което се образува ацеталдехид   :

Днес се получава от ацетилен /етин/ и затова се нарича карбидна оцетна киселина.

Тя е безцветна течност с остра миризма с т.к.1180.Безводната киселина образува кристали, подобни на лед /Ac.aceticum glaciale/ с т.т.16.50. За разлика от мравчената киселина, тя е много трайна спрямо окислители. Има голямо приложение за получаване на естери, които се употребяват като приятно миришещи вещества.

Солите и се наричат ацетати. Някои ацетати се използват в лабораториите, други в медицината, трети – в промишлеността.. Напр.Са-ацетат се използва главно за получаване на ацетон, Pb-ацетат, нар.още “оловна захар”/защото има сладък вкус/ се използва за лекуване на очи, а също и за оловно белило.Cu-ацетат има зелен цвят и е разтворим във вода. Тази сол служи за добиване на швайнфутово зелено, което е двойна сол от меден ацетат и за лекуване на рани.Разтвор на  Al-ацетат под името Liquor aluminii acetici служи като антисептично и адстрингиращо /свиващо/ средство в медицината за лекулане на рани.

Пропионовата киселина по свойства прилича на оцетната.

Маслената киселина, Ac.butyricum. Има два изомера – нормална и изомаслена. Нормалната маслена киселина се намира в кравето масло, а в други мазнини се намира като глицерид. В свободно състояние се среща в потта на животните и човека, а също и в мускулния сок.Тя се образува при ферментацията на захар или нишесте под действието на Bacillus butylicus. Има много неприятна миризма на пот, но естерите и – напротив, имат приятна миризма и се използват в парфюмерията. Солите и се наричат бутирати.

Изомаслената киселина се намира в свободно състояние в някои растения, а като естер – в някои етерични масла. Тя се получава при окисление на ферментационен изобутилов алкохол /патоки/.

Валерианови киселини. Те са четири изомера. Имат миризма на развалено сирене. Най-важната от тях е изовалериановата киселина, която се намира в растението Valeriana officinalis /котешка билка/. Корените на това растение от древни времена се използват като лечебно средство за успокоение на нервите.

От средните киселини – капроновата6) и каприновата10) са с миризма на пръч /caper/. Силната миризма на сиренето “Рокфор” се дължи на тази киселина.

Една от най-важните висши мастни киселини палмитиновата16) е изолирана за пръв път от палмово масло, а стеариновата18) под формата на глицериди съставляват животинските и растителните мазнини.

От ненаситените монокарбоксилови киселини по-важни са:

Акриловата. Тя лесно полимеризира при нагряване и в присъствие на Н2О2. Получените полиакрилови киселини са разтворими в алкални основи. Нитрилът на акриловата киселина се полимеризира линейно. Преде се лесно из разтвор на ДМФА. Влакното се нарича волкрилон и прилича на вълна.

Метакриловата киселина. Нейният метилов естер под действието на органични пероксиди полимеризира в прозрачни смоли /плексиглас/ и служи за изработвоне на очила, лещи, стъкла за самолети и др.

Олеиновата /октадецен-9-ова киселина/, линоловата и линоленовата18). Последните две като глицериди влизат в състава на съхливите масла /ленено, конопено, маково/ от които се приготвят безирите.

Бензоена киселина, Ac.benzoicum. Тя се намира в свободно състояние, а също и във формата на естери в някои смоли и балсами като бензоена смола, перубалсам (течност, която до 70% представлява смес от бензилбензоат и бензилцинамат), толубалсам (твърдо тяло, което съдържа около 7% естери на перубалсам). Тя е получена много отдавна от тези смоли главно чрез сублимация. Бензоената киселина се среща и в боровинките като вицинин, който представлява 6-бензоилглюкоза. Тя се среща и в животинския организъм, особено у конете, като се отделя в урината като хипурова киселина. По-рано тя се е получавала именно от хипурова киселина, която се оставя да ферментира и после се хидролизира. По пътя на хипуровата киселина от организма се отстраняват всички ароматни съединения, които имат странична верига и при окисление дават бензоена киселина /или нейни хомолози/.

Бензоената киселина е безцветно кристално вещество с т.т.121-1220. Тя сублимира и кристализира под формата на иглести кристали, а получена при дестилация – като пластинки. При обикновена температура тя е почти без миризма, но парите и имат остра миризма и предизвикват кашлица и кихане. Бензоената киселина действа антисептично и затова тя и нейните соли се употребяват за консервиране на храни и напитки. Намира приложение и при синтеза на багрила.

Фенилоцетна киселина. Кристализира под формата на люспи.Метиленовата група във фенилоцетната киселина е активирана и в нея най-лесно се измества един водороден атом с магнезилни групи. Това най-добре се постига като се действа на киселината с изо-С3Н7MgCl :

Полученото съединение е същински Гриняров реактив, който се използва за синтези на други карбоксилови киселини. Много хлорни производни на фенилоцетната киселина са използвани като пестициди, хербициди и др. Например един много добър хербицид е 2,4-дихлорфенилоцетна киселина.

Функционални производни на карбоксиловите киселини

Функционални производни на карбоксиловите киселини са : киселинни халогениди, естери, анхидриди, киселинни амиди, нитрили.

Някои химични свойства са общи за функционалните производни. В тези съединения С-ат. е сравнително активен електрофилен център. Ето защо и тук /както при карбоксиловите киселини/ е характерна нуклеофилната заместителна реакция AcSN2 /ацилно нуклеофилно заместване/. Тази реакция се извършва чрез атака на нуклеофила (база) В: върху С-атом на ацилната група R-C = O и след отцепване на Y- се получава заместения продукт RCOB. Механизмът на реакцията е следния :

тригонален            преходно състояние                    тетраедричен

  субстрат                                                                          продукт

Реакционната способност на карбоксиловите производни се изменя в следния ред :   хлориди  >  анхидриди  >  естери  >  амиди, като надясно нараства нуклеофилността на Y:-, а наляво намалява реакционната способност при AcSN.

Нуклеофилната заместителна реакция при функционалните производни може да се катализира от Н+ както при карбонилните съединения и протича подобно на AcSN – реакцията като отначало Н+ се присъединява към карбонилния О-атом, облекчава атаката на В:- и спомага за отделяне на Y:- като H-Y :

Ще разгледаме поотделно някои от производните :

Киселинни хлориди /ацилхлориди/  -  свойства :

1/ Хидролиза

2/ Алкохолиза – протича лесно във воден разтвор на натриева основа :

3/ Амонолиза

4/ С киселини образува анхидриди :

5/ Ацилиране по Фридел-Крафтс /на ароматни въглеводороди / :

6/ Реакция с органомагнезиеви съединения :

7/ Редукция до алдехиди /по Розенмунд с Н2 и Pd/BaSO4 / и до алкохоли :

Анхидриди

Анхидридите биват прости ( RCO )2O и смесени RCO-O-COR. За анхидридите също са характерни реакциите AcSN2 :

1/ Хидролиза :

         киселина

2/ Алкохолиза :

          естер

3/ Амонолиза :

   амид

4/ Преацилиране /с друга киселина/ :

    друг анхидрид

Други реакции с използване на анхидриди са следните :

5/ Перкинова синтеза – реакция от алдолов тип с ароматни алдехиди :

6/ Ацилиране по Фридел-Крафтс – анхидридите много лесно дават ацилиеви йони RC+O, които подобно на ацилхлоридите се използват за ацилиране на бензеновото ядро по SE-реакция :

Трябва да се отбележи, че ацилирането с оцетен анхидрид има това предимство пред киселинните хлориди, че не образува корозионна солна киселина.!!!

Амиди

Амидите биват незаместени RCONH2 и N-заместени (първични и вторични) RCONHR и RCONR2 .

1/ Хидролиза – вид ацилно заместване, което протича както в кисели, така и в алкална среда :

Нуклеофилността, съответно основността на амидната група е малка поради р-π-спрежение в нея :

            

Незаместените амиди са слаби NH – киселини /по силни от NH3/. Киселинните свойства на амидите се проявяват при взаимодействието им с Гринярови реактиви и алкални хипохалогениди :

2/ С Гринярови реактиви амидите дават N-заместени производни :

          

3/ С алкални хипохалогениди NaOX протича Хофманово разпадане :

                            

Хофмановото разпадане се характеризира с това, че при него дължината на въглеродната верига се намалява с един член.

Други характерни реакции за амидите са тези от редукционен тип.

4/ Дехидриране до нитрили :

                           

5/ Редукция до амини :

                           

Получават се първични , вторични или третични амини.

Естери

Реакционната способност на естерите на монокарбоксиловите киселини може да се охарактеризират с два вида реакции :

А. Реакции с участието на естерната група (-COOR )

Б. Реакции с участието на въглеводородните остатъци.

 А. Реакции с участие на естерната група -  както и при другите карбоксилови производни и при естерите са характерни AcSN- реакции :

1/ Хидролиза /нарича се още осапунване/ :

-   с киселини  -  тъй като киселините катализират реакцията естерификация, то те катализират и обратната реакция  - хидролизата :

              

-         с основи  -  използват се разтвори на алкални основи и нагряване :

   

2/  Алкохолиза /преестерификация/  -  катализира се от Н+ :

3/ Амонолиза  -  протича в алкална среда като AcSN-B :  

4/ С хидроксиламин :

                                            хидроксамова киселина

5/ С хидразин :

                                               ацилхидразин

6/ С Гриняров реактив  -  върви по АN-реакция :

Реакцията не спира до кетон, а продължава с нова порция Гриняров реактив и последваща хидролиза до третичен алкохол.

Естерите се редуцират под действието на сравнително активни редуктори :

7/ Каталитично хидриране :

първични алкохоли

8/ Хидриране под действието на системата Na/алкохол или LiAlH4 :

първични алкохоли

Б. Реакции с участието на въглеводородни остатъци и естерната група

1/ Алдолни реакции (Клайзенова кондензация)  -  катализира се от основи /бази/ като алкокси анион, амиден анион и др.:

                                                                            естер на β-кетокиселина

От реакцията се вижда, че естерите участват и като карбонилен и като СН-киселинен компонент, т.е.участват както с карбонилната си група, така и с въглеводородния си остатък /активен α-Н-атом/ .

2/ Електрофилни заместителни реакции /SE2/ в ароматното ядро на естери на ароматни киселини. Тези реакции протичат по-трудно, отколкото при арените поради деактивиращото действие на групата COOR, която е m-ориентант :

            

Представители и разпространение /по-подробно ще се разглеждат накрая/

Естерите на различните карбоксилови киселини са разпространени както в природата, така и в животинските организми. Природните естери се разделят на четири групи :

-         естери с плодова миризма ;

-         восъци ;

-         мазнини ;

-         фосфатиди.

1/ Естери с плодова миризма  -  това са естерите на низшите и средни карбоксилови киселини с низши и средни алкохоли : напр.етилацетат, i-амилацетат, i-амилизовалерианат и др.

2/ Восъците са естери на висшите мастни киселини и висши алкохоли. Восъците биват :  а)животински – пчелен, китайски насекомов, китов спермацет, вълнен восък ; б) растителен – карнаубов, планински и др.

3/ Мазнини. Те биват масти и масла. Мастите са твърди или полутвърди, а маслата  -  течни. В състава на мазнините има само един алкохол – глицерол. Така че те са глицериди на висшите мастни киселини. И те се разделят на животински (млечни масла, лой, свинска мас, рибено масло и др) и растителни (маслиново, слънчогледово, кокосово, памучно, ленено и др.)

Забележка: тук е мястото да се говори за осапунване ! Какво е сапун? Видове сапуни ? На какво се дължи миещото действие на сапуните?

4/ Фосфатиди или фосфолипиди  - влизат в състава на човешкия организъм /съдържат се в мозъчната тъкан/. Биват естерни и ацетилни.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   Наситени дикарбоксилови киселини

Наименование и номенклатура. По IUPAC наименованията се образуват от името на въглеводородите със същия брой С-атоми и се прибавя наставката “-диова киселина”. Много често обаче се използват и тривиални наименования. Напр.:

                           

                            етандиова киселина  /оксалова киселина/

                           

                            пропандиова киселина  /малонова киселина/

                          

                            бутандиова киселаин  /янтална киселина/

                          

                                 пентандиова киселина  /глутарова киселина/

                          

                            хександиова киселина  /адипинова киселина/

                          

                            хептандиова киселина  /пимелинова киселина /           

бензен-1,2-дикар-                             бензен-1,3-дикарбок-                     бензен-1,4-дикарбоксилова

боксилова к-на                                  силова киселина                             киселина  (терефталова )

(фталова киселина )                          (изофталова киселина)

Получаване на дикарбоксиловите киселини     

1/ Технически метод  - от СО2 и натрий :

Na  +  CO2  +  CO2  +  Na NaOOC – COONa

2/ От монохлороцетна киселина и KCN :

ClCH2COONa  +  KCN CNCH2COONa HOOCCH2COOH

3/ Чрез окисление на диоли и диали :

4/ Чрез малонови синтези :

5/ Чрез окисление на циклохексанол се получава адипинова киселина :

6/ Чрез окисление се получават и ароматни дикарбоксилови киселини :

По същия начин чрез окисление на бензен се получава малеинов анхидрид и малеинова и янтарна киселина.

Химични свойства

Във  воден разтвор алкановите и ароматните дикарбоксиловите киселини претърпяват двустепенна дисоциация :

Най-общо дисоциационната константа к1 е двойно по-голяма в сравнение с ка на аналогичните монокарбоксилови  киселини, тъй като едната СООН-група (като електроноакцепторен заместител ) благоприятства дисоциацията на другата. Дисоциацията на втората СООН-група обаче протича по-трудно /к2 е малка /, тъй като получения карбоксилатен анион (електронодонорен заместител) затруднява дисоциацията не само по индукционен път, но и чрез ефекта на полето.

Дикарбоксиловите киселини притежават химични свойства, аналогични на монокарбоксиловите. И тук могат да се разграничат :

А. Реакции на карбоксиловите групи  -  образуване на функционални производни : соли, хлориди, анхидриди, амиди, естери, нитрили.

Б. Реакции на въглеводородния остатък – проява на СН-киселинност или пък SE-реакции в ароматното ядро.

А ето и някои реакции, обусловени от едновременното участие на двете функционални групи.

Много характерни са реакциите при нагряване на различните дикарбоксилови киселини. Общо взето при нагряване със или без дехидратиращ агент те претърпяват разпадане, което зависи от относителното разположение на двете карбоксилови групи.

1/ Оксаловата киселина при нагряване над 1000 постепенно се разпада до мравчена киселина и СО2, а след това до СО и Н2О :

         НООС - СООН СО2  +  НСООН СО  +  Н2О

2/ Малоновата киселина, а също и нейните алкилови производни при нагряване над температурата на топене се разпадат като губят една молекула СО2 и минават в монокарбонова киселина :

          НООС-СН2-СООН  СО2  +  СН3СООН

3/ Янтарната и глутаровата киселини при нагряване с водоотнемащи средства, напр.оцетен анхидрид, преминават в съответните анхидриди :

       

4/ Адипиновата и пимелиновата киселини при нагряване се превръщат в кетони след декарбоксилиране и дехидратация :

                   

                  

Обобщението, че янтарната и глутаровата киселини дават пръстенни анхидриди, а адипиновата и пимелиновата – пръстенни кетони е познато като правило на Бланк. Намира приложение за установяване структурата на пръстенни съединения.

5/ Киселини с карбоксилни групи в 1,8-положение и повече, нагрети с обезводнители не се циклизират, а дават междумолекулни линейни полимерни анхидриди :

                    НО (СН2 )8СО [ O (CH2)8CO ]n O (CH2)nCOOH

6/ Стабилни анхидриди при нагряване дава и фталовата киселина /по структура тя прилича на янтарната киселина / :

                   

7/ Цикличните анхидриди проявяват същата реакционна способност, както и анхидридите на монокарбоксиловите киселини. Така напр.AcSN2реакцията протича по схемата :

                  

където  Y = ROH (RO-), H2O (OH-), NH3 (NH2-) и др.

8/ При взаимодействието на фталов анхидрид с фенол в присъствие на ZnCl2 протича кондензация от алдолоподобен тип като се получава индикатора фенолфталеин :

( безцветен )

В алкална среда се получава хиноидна структура на единия фенолен пръстен (червено оцветяване), а след това в кисела среда се възстановява солевата безцветна форма.

9/ Взаимодействието на фталов анхидрид с амоняк при нагряване води до образуването на фталимид :

 ( фталимида е една NH-киселина )

Имидите са по-силни NH-киселини от амидите поради електроноакцепторното влияние на двете карбонилни СО групи. Така имидите много лесно се бромират или метилират (имат подвижен Н-атом) :

10/ Реакции с естери на дикарбоксиловите киселини. Към тази група реакции се причисляват и т.нар.малонови синтези, базиращи се на активираната СН2-група, която действа като една СН-киселина :

Синтезите с малонов естер намират широко приложение в синтетичната органична химия.

Представители на дикарбоксиловите киселини

Оксалова киселина. Намира се в спанака, доматите, гроздето и др. В киселеца (Oxalis acetocella)  и в други растения тя е застъпена като кисела калиева сол. В стените на растителните клетки се намира неразтворимия Са-оксалат. В някои растения като лишеи, водорасли и гъби тази сол се намира в голямо количество (понякога 60% от сухото вещество напр.на лишеите ).У човека също се намират оксалати. Напр.в урината, а също и в камъните в пикочния мехур се намират калциеви оксалати. В организма оксаловата киселина се образува при окисление на много органични вещества (глюкоза, захароза, нишесте, целулоза и др.).

Малонова киселина /Ac.malonicum /. Името си носи от това, че е била открита при окисление на ябълчена киселина (malum – ябълка). Намира се в захарното цвекло и в захарния сироп. Получава се от хлороцетна киселина и KCN с последваща хидролиза. Нейния диетилов естер /малонов естер/ се използва за много органични синтези.

Янтарна киселина /Ac.succcinicum/. Получава се от етиленбромид и две молекули KCN ; от малонов естер и бромоцетна киселина и последващо декарбоксилиране. Солите и естерите и се наричат сукцинати. Напр.сукцинимид.

Адипинова киселина /от адепс – мас /. Получава се от циклохексанол при окисление с азотна киселина или калиев перманганат. Използва се като заместител на винената киселина в хранителната промишленост /за лимонада, в хлебипроизводството/ и най-вече в производството на “найлон 66”.

Фталова киселина. Тази киселина още при топене се превръща в анхидрид, който е важно изходно вещество за органични синтези. Напр.фталимидът, който се образува от фталов анхидрид и амоняк притежава NH-кисели свойства. Калиевият фталимид се използва за получаване на първични амини по метода на Габриел. Фталовата киселина и фталовия анхидрид са необходими за производството на багрила, полиестери и пластификатори. Естерите на фталовата киселина с по-висшите алкохоли са пластификатори за синтетични полимери.

Терефталова киселина. Кристализира във вид на безцветни кристали, които във вода и в много органични разтворители са малко разтворими. Тя има голямо значение преди всичко за производството на полиестери.

Напр.адипинова киселина  +  хексаметилендиамин полиамид (найлон 66 ) ; фталов анхидрид  +  глицерол глифталов полиестер (глифталови смоли) ; диметилтерефталат  +  етиленгликол полиестер (полиетилентерефталат).

Интересен аналог на фталимида е производното на о-сулфобензоената киселина, по-точно амида на о-сулфобензоената киселина (о-сулфаминобензоена киселина ).

                      

Последното вещество има т.т.2290 и се нарича захарин. Подобно на фталимида това е една NH-киселина / Н-атом може да се заменя с метали/. Захаринът е 500 пъти по сладък от захарта. Не се усвоява от организма, а се отделя с урината непроменен. В малки количества не е вреден за здравето

Натриевото производно на захарина също има сладък вкус и се нар.кристалоза (разтворим захарин), а амониевата сол, наречена сюкрамин е по-сладка от кристалозата.

Ненаситени дикарбоксилови киселини

По-важни са етен-1,2-дикарбоксиловите киселини, а техни представители са :

                          

                                  малиенова                       фумарова

Получават се при дехидратация на хидроксикарбоксилови киселини /ябълчена/ :

                         

Може да се получат също и при окисление на бензохинон :

                             

Двете киселини показват различни дисоциационни константи. Малеиновата киселина е по-силна от фумаровата, което се дължи на благоприятното разположение на карбоксиловите групи, които си влияят взаимно. Фумаровата киселина е по-стабилна поради транс-разположението на СООН-групите. 

При каталитично хидриране по-лесно се хидрира  малеиновата киселина. Същата и по-лесно дава анхидрид  -  малиенов анхидрид, който е важен изходен /или междинен/ реагент в синтетичната органична химия. 

При хидриране двете киселини дават янтарна киселина, а при присъединяване на бромоводород  -  бромянтарна киселина.

Присъединяването на атом или атомни групи съм двойната С=С връзка става по различен начин. Напр.с KMnO4, с който се вкарват две ОН-групи, малеиновата киселина дава мезо-винена киселина /цис-присъединяване/, а фумаровата  -  гроздена, т.е.D,L-винена /транс-присъединяване /.

Малеиновата киселина се употребява в хранителната промишленост. Тя предотвратява гранясването на мазнини, масла и мляко на прах. Анхидридът на малеиновата киселина служи като диенофил в реакциите на Дийлс-Алдер или като изходно вещество за получаване на полиестери  .

Хидроксикиселини.Монохидроксимонокарбоксилови киселини.     

Наименованията се образуват по няколко начина. Според вида на въглеводородния остатък те биват алканови, алкенови, аренови и др. Според броя на хидроксилните групи могат да бъдат моно-, ди-, три- и т.н.хидроксипроизводни.А според отдалечеността на хидроксилната група от карбоксиловата група те биват α, β, γ, δ и т.н. По IUPAC α-хидроксипропионовата киселина е пропанол-2-кисделина, а β-хидроксипропионовата киселина е пропанол-3-киселина.

Съществуват и много тривиални наименования, които се употребяват и до днес :

HOCH2COOH е гликолова киселина, а CH3CH (OH )COOH млечна киселина.  

Получаване:

1/ От цианхидрини  -  алдехиди и кетони се превръщат в цианхидрини, които се хидролизират до α-хидроксимонокарбоксилови киселини :

2/ От α-халогенирани киселини чрез заместване на халогена с ОН-група при нагряване с водна калиева основа :

3/ От халогенхидрини на гликоли като им се действа с KCN и получения хидроксинитрил се хидролизира :

4/ Чрез хидратация на ненаситени киселини при нагряване с алкални основи или с 50%-на сярна киселина :

5/ Метод на Колбе  -  получаване на салицилова киселина. Реакцията се извършва чрез карбоксилиране на натриев фенолат с СО2 в автоклав :

6/ От диазониеви соли на аминокиселини :

7/ Чрез алкално стапяне на сулфокарбоксилови киселини :

8/ Чрез окисление на хомолози на фенола :

В този случай се получават смес от дихидроксипроизводни и хидроксикиселини.

Свойства

Притези киселини, освен другите видове изомерия е възможна и оптична изомерия.

Хидроксимонокарбоксиловите киселини са по-силни от съответните незаместени киселини поради влиянието на ОН-групата /има –I-ефект/. От друга страна, поради  -I-ефект на СООН-групата, хидроксилната група тук проявява по-голяма киселинност от тази на алкохолите и фенолите.

Химичните свойства се определят от реакционната способност на двете функционални групи  - СООН и ОН-групата.

Специфични при тези съединения са реакциите, в които могат да участват едновременно и двете функционални групи. Напр.дехидратирането :

1/ α-Хидроксиалкановите киселини след междумолекулно дехидратиране образуват циклични диестери, наречени лактиди :

2/   β- Хидроксиалкановите киселини се дехидратират като реакции на елиминиране до α, β-ненаситени киселини :

3/ γ- и δ-Хидроксиалкановите киселини след вътрешномолекулно дехидратиране дават циклични естери, наречени лактони :

   γ-лактон

4/ Хидроксибензеновите киселини проявяват реакционна способност както бензеновите киселини и фенолите. Важни техни производни са естерите. Напр.чрез ацилиране на салицилова киселина с оцетен анхидрид се получава ацетилсалицилова киселина / аспирин/. :

аспирин

Хидроксиди-  и хидрокситрикарбоксилови киселини

Методите за получаване на тези киселини са сходни с тези на хидроксимонокарбоксиловите киселини. В промишлени условия някои от тези киселини се изолират от плодове, тъй като те са широко застъпени природни киселини. Най-важни представители от тях са :

ябълчена киселина               винена киселина                   лимонена киселина

Наименованията на повечето киселини в тази група са тривиални и са получени от продуктите от които са изолирани.За ябълчената киселина е характерно наличието на хирален С-атом и поради това възможност за енантиомерия /оптична изомерия/.

Винената киселина има два хирални С-атома. Тук са възможни два енантиомера и един диастереомер – мезоформа :

        

D (- )-винена киселина         L ( + )-винена киселона          мезо винена киселина

Свойства

Хидроксиди- и хидрокситрикарбоксиловите ктиселини имат аналогична реакционна способност както хидроксимонокарбоксиловите киселини. Те образуват функционални карбоксилови производни – соли, естери, анхидриди и др. Присъщи са им и реакции с едновременното участие на СООН-групата и ОН-групата. Солите на винената киселина се наричат тартарати. Киселият К-тартарат /моносолта/ се нарича винен камък (бакпулвер), а калиево- натриевия тартарат  -  сегнетова сол. Някои преходни метали (Сu, Fe, Ni и др.) образуват вътрешнокомплексни соли с алкални тартарати. Напр.комплексът на медта със сегнетова сол е активния компонент на Фелинговия разтвор :

                   

                                              Реактив за алдехиди

Ябълчената киселина може да проявява свойства както на α- , така и на β-хидроксикарбоксилова киселина /зависи към коя СООН-група отнасяме ОН-групата/. Най-ясно това проличава при реакцията дехидратиране :

                    

При ябълчената киселина съществува т.нар.Валденово обръщане.При взаимодействие на S (-)-ябълчена киселина с фосфорен пентахлорид Валден (1896 г) е открил обръщането на конфигурацията при SN2реакции :

                           

                                            L- ябълчена                               D-хлорянтарна

                                       

                                           L-хлорянтарна                           D-ябълчена                                           

 Депсиди. Хидроксикиселините образуват помежду си естери, наречени депсиди, които са природни продукти с дъбилни свойства. Тези свойства се изразяват в обработка на кожи с цел белтъчните им вещества да образуват водонеразтворими високомолекулни съединения. Според броя на молекулите фенолни киселини, те биват :  дидепсиди, тридепсиди и т.н.

                   дидепсид                                                                      тридепсид

Когато се свързва 3,4,5-трихидроксибензоена киселина /галова киселина/ с втора молекула, получава се m-галоилгалова киселина :

                          

Трябва да се отбележи, че галовата киселина се навързва с ОН-групата на m-място спрямо СООН-групата. Този дидепсид на галовата киселина е в основата на съединения, наречени танини.

Танини. Това са хидролизуеми дъбилни вещества. Установено е, че китайския танин представлява глюкоза, която е естерифицирана отчасти с дигалова, отчасти с галова киселина. При хидролиза са получени 9 молекули галова киселина :

                                  

                                                      китайски танин

Турският танин при хидролиза дава 5-6 галови киселини. Танините се използват в кожарската промишленост, а също и във фармацевтичната промишленост.

Оксомонокарбоксилови киселини  /алдехид- и кетокарбоксилови киселини /

По-важни техни представители са :

    етаналова                             пропанонова                                    3-бутанонова

 ( глиоксалова )                     ( пирогроздена )                         ( ацетоцетна киселина)

Оксокарбоксиловите киселини се получават по специфични методи :

1/ Глиоксаловата киселина  -  чрез озонолиза на малеинова или фумарова киселина :

                         

Може да се получи и чрез варене на дихлороцетна киселина с вода :

                         

2/ Пирогроздената киселина се получава при термично разпадане /пиролиза/ на винена киселина :

             

Освен това може да се получи по общия метод с ацетилхлорид, взаимодействие с KCN и последваща хидролиза :

             

Пирогроздена киселина се получава и в биологични условия при ферментация и аеробно /безкислородно/ окисление на глюкоза и мазнини.

3/ Ацетоцетна киселина най-удобно се получава чрез Клайзенова кондензация на етилов естер на оцетната киселина в присъствие на натриев етилат :

 Технически ацетоцетов естер се получава от дикетен и етилов алкохол :

                                         димер на кетена                                 енолна форма

Химични свойства

α-Оксокиселините са по-силни от съответните алканови киселини поради индукционното (-I ) влияние на оксогрупата и участието и в резонансна стабилизация ( π-π-спрежение ) на карбоксилатния анион.

Химичните свойства се определят от реакционната способност на СООН- и СО-групата. Взаимното влияние на двете функционални групи обуславя и някои специфични свойства. Подобно на карбонилните съединения оксокиселините могат да образуват производни на С=О-групата  -  цианхидрини, оксими, фенилхидразони и др.

Глиоксаловата киселина в алкална среда участва в Каницарова реакция, т.е.действа с карбонилната си група :

         

                                                    оксалова к-на          гликолова  к-на

Пирогроздената киселина може да участва в оксиредукционни реакции :

      

Ацетоцетната киселине е нестабилна и лесно се декарбоксилира :

         

Специфичните свойства, които се определят от взаимното влияние на двете функционални групи, най-добре могат да се илюстрират при β-оксокиселините и техните производни. Така например ацетоцетовия естер поради наличието на активирана СН2-група проявява СН-киселинни свойства. При него съществува прототропна изомерия, наречена кето-енолна тавтомерия :

            кето-форма                                                            енолна форма

Тавтомерното превръщане се катализира както от основи, така и от киселини.

Енолизация, катализирана от основи :

                                                                                енолат анион                                        кето-анион

За разлика от дисоциацията на слабите киселини, подвижния Н-атом, свързан с С-атом се отделя бавно и сдкоростта на образуване между кетона и неговия енолат-анион е много малка. Поради тази причина енолат-аниона има достатъчно време да присъедини протон към Оанион и да се стабилизира в енол :

             амбидентен  анион                                                                  енол

Енолизация, катализирана от киселини :

Отначало се образува оксониева сол, а след това под действието на вода или други акцептори се отделя α-водородния атом :

Този процес се отличава от енолизацията с основи по това, че енола се образува непосредствено, а не чрез стадий на енолат-анион. Присъединяването на протон към карбонилната група увеличава способността за откъсване на водород от α-С-атом поради голямата електроотрицателност на ( + )-заредения кислороден атом.

Върху устойчивостта на енолната форма оказват  влияние главно два фактора : 1) Спрежението на С=С връзката с естерната С=О-група и 2) Образуването на стабилен шестатомен хелатен пръстен чрез вътрешномолекулна водородна връзка. Както бе споменато при дикетоните, тук стабилизирането се извършва поради разсредоточаване на електронната плътност вътре в шестатомния пръстен :

                                    

                                                цис-енолна хелатна форма

Немският учен Лудвиг Кнор (1911 г) доказал наличието на двете форми, т.е.той опитно е установил съществуването на кето-енолната тавтомерия : енолната форма реагира с PCl5 като замества ОН-групата с халогенен атом, реагира и с FeCl3  и дава положителна реакция за хидроксилна група при двойна връзка /червено-виолетово оцветяване/, реагира с бром /бромира се двойната връзка/, взаимодейства с метален натрий и дава енолати ;  кето-формата дава с циановодород цианхидрини, с кисел натриев сулфит – бисулфитно съединение, с хидроксиламин  - оксими.

Реакционната способност на ацетоцетовия естер се проявява чрез т.нар.ацетоцетови синтези  -  реакции, определящи се от СН-киселинните му свойства. Под действието на протоноакцептори (бази, металиращи агенти) се получава карбанион , който може да реагира напр.с алкилиращи ( R-X ) или ацилиращи (RCOX)  реагенти :

Моно- и диалкиловите производни на ацетоцетовия естер участват и в реакции на разпадане :

                                                                                                 кетонно разпадане

                                                                                                                                 киселинно разпадане

                                                 естерно разпадане /реакция, обратна на Клайзеновата конд./

Ацетоцетовият естер може да реагира като метиленов компонент в алдолни кондензации с карбонилни съединения, при което се получават кондензационни продукти /тип реакция на Кньовенагел/ :

         

       

АЗОТСЪДЪРЖАЩИ  ОРГАНИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ

Изучаваме азотсъдържащите органични съединения, защото много от тях имат важно биологично значение /напр.аминокиселините, пептидите, хемоглобина, хлорофила, алкалоидите, стероидите и мн.др./.

Отначало ще разгледаме някои основни групи ациклени /нециклични/ азотсъдържащи съединения. В тях азотът може да бъде тривалентен или четиривалентен положително зареден /т.нар.”амониево” валентно състояние/. Основното валентно състояние на азотния атом в неговите съединения е : 2s22px2py2pz.При хибридизацията трите р-електрона образуват връзките, а остават свободни двата s-електрона / Помнете: при азотния атом винаги има два свободни електрона/. Валентните връзки на азота в неговите съединения преминават в sp3-хибридно състояние  -  формират се 4 sp3-орбитали, от които 3 се заемат от по един електрон, а четвъртата – от свободна двойка електрони. Отдаването на последната е причина за преминаването на азотния атом в “амониево” валентно състояние.

Органични нитросъединения  

Това са съединения, които съдържат нитрогрупата NO2 непосредствено свързана с въглероден атом. Те се класифицират като алкохолите, т.е.биват първични, вторични, третични или четвъртични. Освен това биват моно-, ди-, три- и т.н. Наименованията се образуват както при алканите, но с представката нитро. Например

CH3NO2 – нитрометан, CH3CH(NO2)CH3 – изонитропропан и т.н.

Следва да се приеме, че в нитрогрупата азотния атом е четиривалентен с (+) заряд поради образуването на семиполярна връзка с единия О-атом. С другия О-атом връзката трябва да бъде двойна. Спектрални и рентгеноструктурни данни обаче са показали, че структурата на групата NO2 е плоска с валентен ъгъл O-N-O приблизително 1250, а дължината на двете N-O връзки е еднаква, около 0.120 нм. Това може да се обясни с допускането на sp2-хибридизация на азотния атом и резонансна стабилизация на NO2-групата :

Тази електронна структура на нитрогрупата обяснява и силния и електроноакцепторен характер  / -I и –M /.

Получаване на нитросъединения /алифатни и ароматни/     

Нитропарафини се образуват в малки количества при пряко взаимодействие на азотна киселина и съответния парафин, при което NO2-групата отива при вторичен или третичен С-атом. Трябва да се отбележи, че общо взето концентрираната азотна киселина действа върху парафините като окислител, но разредена  /~12%/ азотната киселина под налягане действа нитриращо /метод на Коновалов/ :

                      

Нитрирането при аломатните съединения е много по-лесно. Използва се т.нар. “нитрирна смес”  :

                       

Реакцията е една електрофилна субституция SE като частицата N+O2 реагира с бензеновото ядро :

                     

Нитрирането продължава по-нататък като групата NO2 ориентира другите нитрогрупи на m-място /тя е m-ориентант/. Най-големият брой нитрогрупи, които могат да встъпят в бензеновото ядро е 3, като третата нитрогрупа влиза много трудно чрез дирактно нитриране поради пространствено пречене.

                       

Много по-лесно се нитрират хомолозите на бензена. Разбира се в този случай алкиловата група ориентира на о- и р-място. Напр.толуена се нитрира 13 пъти по-лесно от бензена. Получава се 2,4,6-тринитротолуен /ТНТ/ или тротил.

Димяща азотна киселина при хомолозите на бензена може да действа заместително и в страничната верига. Напр.така се получава C6H5CH2NO2 или фенилнитрометан. Обикновено при нагряване на алкилбензени се нитрира само страничната верига и то на α-място спрямо бензеновото ядро.

Нитропарафини могат да се получат и при дестилация на алкилйодид и сребърен нитрит :   R-I   +   AgNO2 RNO2   +   AgI. Основно се използват алкилхалогениди и натриев нитрит :

    

Вижда се, че се образува и немалка част от естери на азотистата киселина, т.е.образуват се алкилнитрити.

Нитропарафини се образуват като на воден разтвор на α-халогенирани мастни киселини се действа с натриев нитрит NaNO2. Отначало се образува сол на нитромастната киселина, която при подкисляване и нагряване се разпада на нитропарафин и въгледвуокис :

    

Физични свойства                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

Нитропарафините са безцветни маслообразни течности с приятна миризма / по-висшите са твърди вещества/. Напр.нитробензенът /мирбанова есенция/ е с миризма на горчиви бадеми и по-рано е служил като одорант на сапуни.Днес това е забранено, защото ароматните нитросъединения са отровни! При вдишване на пари, а така също и при всмукване през кожата се получава главоболие, виене на свят и посиняване на устните и върха на пръстите – цианоза!

Те са полярни съединения и имат сравнително високи т.к. и специфични тегла.Високата температура на кипене се обяснява с високия диполен момент (μ≈3.5 – 4 D ). Освен това подвижността на α-Н-атоми води до създаване на протонни мостове или водородни връзки.

Малко разтворими са във вода, а много добре се разтвмарят в органични разтворители.

В термодинамично отношение нитросъединенията са доста неустойчиви – топлината на разлагане на нитрометана напр. е едва -67 ккал/мол.

Значителната енергия и голямата скорост, с която протича процеса са послужили за основа на практическото използване на нитросъединенията в качеството на взривни вещества. Съществено преимущество на нитросъединенията, напр.ТНТ, се състои в малката им чувствителност към удар. При удар не произлиза взрив от ТНТ и дори при горене на ТНТ не следва взрив ; все пак започнала веднъж, детонацията се развива мигновено и следва взрив.

Химични свойства

Химичните свойства на нитроалканите и нитроарените се определят от реакционната способност на нитрогрупата и въглеродния остатък присъщестнвено взаимно влияние на тези два структурни фактора.

1/ Реакциите с участието само на NO2-групата са окислително-редукционни. Под действието на определени редуктори тези процеси при нитроалканите и нитроарените протича до различни продукти в зависимост от рН на средата :

                          

Вижда се, че при прякото хидриране на нитросъединения се получават амини :

                                     

          2/ Основните отнасяния на първичните и вторичните нитросъединения се дължат главно на подвижността на α-водородния атом, т.е.на тяхната СН-киселинност. Това се дължи на силния електроноакцепторен ефект на нитрогрупата. Ще илюстрираме този факт с един пример.Установено е, че 2-нитропропана, който практически е почти неразтворим във вода, поддържа киселинност на водата рН = 4.3. Следователно трябва да се приеме, че става изамеризиране вследствие на прескачане на един Н-атом като се образува съответната тавтомерна форма, която съдържа хидроксилна група  - годна да се дисоциира и да дава соли. :

              

                                                                                  нитронова киселина

Тази структура много наподобява карбоксиловата група. Нарича се ациформа /киселинна форма /. Точното наименование на съединението е 2-изонитропропан. Този вид изомерия се нарича нитро-изонитро дезмотропия. Тези нитросъединения са едни псевдокиселини /лъжливи киселини/. При истинските киселини неутрализацията е йонна реакция и протича мигновенно, а при псевдокиселините разтварянето в алкални основи е бавно. Това е така, защото трябва първо нитросъединението да премине в ациформа и едва след това да реагира.

3/ Пак поради подвижността на α-водородния атом в нитросъединенията те лесно се хлорират и бромират в алкална среда. Вероятно халогенирането се извършва чрез присъединяване към двойната връзка на ациформата, след което се отделя халогеноводород :

Тъй като полученото съединение съдзържа още един α-водороден атом, то халогенирането може да продължи. Така напр.бойната отрова хлорпикрин Cl3CNO2 се получава от нитрометан и хлор.

4/ Друга реакция, която се дължи на активиращото действие на нитрогрупата, е нитрирането на първичните и вторични нитропарафини с азотиста киселина HNO2. Първичните дават нитролни киселини :

                  

Вторичните нитросъединения с азотиста киселина дават псевдонитроли :

                  

Третичните нитросъединения не реагират с азотиста киселина ! Така че азотистата киселина е един добър реактив за различаване на трите вида нитросъединения..

5/ Подвижността на α-водородния атом позволява нуклеофилни присъединявания към карбонилни съединения подобно на алдолна кондензация :

6/ Като пример към по-горната реакция може да се причисли и реакцията на нитрометан с три молекули формалдехид :

Този трихидроксинитрометан се използва като емулгатор на мазнини /за приготвяне на маргарин/. При нитриране на това съединение се получава неговия тринитрат, който под названието нотьол се употребява като отличен експлозив :

                                       

                                                                   нотьол

Продължаваме с ароматните нитросъединения. С алкални основи дават ли тавтомерни форми ? Не! Защото при тях липсва подвижен α-водороден атом спрямо нитрогрупата.

Нитрогрупата в ароматните съединения активира Х-атоми на о- и р-място. Същото се отнася и до съответните водородни атоми. Така напр.докато бензена и нитробензена не се покисляват почти никак, то динитробензена лесно преминава в съответния фенол :

                                 

Макар нитрогрупата да е свързана здраво с ядрото все пак в о- и р-положение /динитробензен/, едната нитрогрупа лабилизира другата и тя може посредством натриева основа да се замести с ОН-група :

                               

По същия начин динитробензените взаимодействат с NH3 като се измества едната група с аминогрупа, а таках също и с натриев метилат CH3ONa като едната NO2-група се замества с метоксилова. Посочените по-горе нитрофеноли са псевдокиселини. С алкални основи дават соли с портокаленочервен цвят. Техните ациформи имат хиноидна структура :

                                 

Най-характерен представителна нитрофенолите е пикриновата киселина, 2,4,6-тринитрофенол.  Тя е една силна киселина. Във воден разтвор е силно дисоциирана. Киселината е силен експлозив с бризантно действие. С органични основи пикриновата киселина образува трудноразтворими соли, наречени пикрати. Тези соли се използват в аналитичната органична химия за охарактеризиране на някои съединения .

АМИНИ

Амините са най-важните съединения на азота. Ще разгледаме засега относително по-простите амини  -  алкиламините и ариламините.Амините могат да се разглеждат като производни на амоняка, т.е.като алкил- или арилзаместени амоняци.

Класификацията на амините съответства на броя на алкиловите или арилови групи, свързани с азота. Така че амоняк, в който само един водороден атом е заместен с алкилова или арилова група, се нарича първичен амин ; ако са заместени два Н-атома  -  вторичен амин ; при третичните амини са заместени всичките три водородни атома на амоняка.с алкилови (арилови) групи. Още един тип съединения влизат в тази класификация  - четвъртичните амониеви соли / R4N+X- /.

Освен това при амините е възможна и друг вид изомерия – метамерия /както при етерите/.

Названията на алкиламините се образуват от името на алкиловата група, която е свързана с азотния атом  +  думата “амин”. Словосъчетанието е едно, т.е.пишат се заедно. Напр :

метиламин                 метилетиламин                         триетиламин            метиламониев хлорид

/първичен/                         /вторичен/                                  /третичен/                   

По аналогичен начин се образуват имената и на ариламините, като почти всички могат да се разглеждат като производни на анилина  -  най-простия ароматен амин.

Когато NH2-групата е необходимо да се означи като приставка в по-сложни съединения, то наименованието се обозначава с приставката “амино”. Например:

NH2-CH2-CH2-OH  -  аминоетанол  или пък

  -  р-аминобензоена киселина.

Получаване на амини.

1/ Чрез редукция на азотсъдържащи съединения :

        а) редукция на нитросъединения :

       

Този начин на получаване се отнася главно до ароматните амини. Както посочихме при нитросъединенията, в зависимост от рН на средата реакцията протича по различни начини.

       б/ редукция на нитрили :

       

        адипонитрил                        1,6-хексаметилендиамин

         

         фенилацетонитрил                β-фенилетиламин

            /бензилцианид/

        в/ редукция на амиди :

       

       

          N-метилацетанилид                   N-метил-N-етиланилин

        г/ редукция на оксими :

        

2/ Амонолиз на алкилхалогениди – при взаимодействие на амоняк с алкилхалогениди се образуват първични алкиламини /метод на Хофман/ :

CH3CH2J   +   NH3CH3CH2NH3+ ] J-

CH3CH2NH3+ ] J-  +  NH3 /излишък/CH3CH2NH2   +   NH4+J-

Реакцията обаче може да продължи по-нататък :

Поради тази причина чрез директна амонолиза не се получават само първични амини, а смес от всички видове амини, включително и четвъртични амониеви соли.

3/ Синтез на Габриел  -  използва се фталимид. Алкилирането на калиевия фталимид с алкилхалогениди дава N-алкилфталимиди, които могат лесно да се хидролизират до съответния амин :

Чрез правилен подбор на алкилхалогенида могат да се получат различни първични амини

4/ Чрез Хофманово разпадане на амиди :.

Физични свойства на амините

Подобно на амоняка и амините са полярни съединения и /с изключение на третичните амини/ могат да образуват междумолекулни водородни връзки. Ето защо амините имат по-високи температури на кипене и молекулна маса, отколкото неполярни съединения.

                       

Алкохолите и карбоксиловите киселини образуват по-здрави водородни връзки, отколкото амините и затова имат по-високи т.к. Това се дължи на по-малката електроотрицателност на азотния атом в сравнение с кислородния. Нискомолекулните амини са добре разтворими във вода благодарение на образуването на водородни връзки с молекулите на водата.

Метиламините са лесновъзпламеняващи се газове с мирис на амоняк. Характерния мирис на риба се обуславя от присъствието на по-високомолекулни амини. Т.нар.”трупна миризма” в значителна степен се предизвиква от наличието на два диамина  -  путресцин /putrescere – разлагащ се, гниещ/ и кадаверин /cadaverosus – трупен/. Путресцина и кадаверина са отрови и спадат към групата на токсичните амини, наречени птомаини. Отравянето, предизвикано от развалено месо, се дължи на наличието на птомаини.

Ароматните амини миришат по-добре от алифатните, но като правило те са токсични. Опасността се задълбочава от това, че ариламините лесно се просмукват през кожата. Много от амините са мощни канцерогенни вещества /бензидин, β-нафтиламин и др./

Химични свойства на амините

Най-характерните химични свойства на амините се определят : 1) от тяхната основност и нуклеофилност и 2) от тяхната NH-киселинност. Тези свойства характеризират реакционната им група  -  аминогрупата, NH2. Проявата на основен и киселинен характер на амините се илюстрира със следната схема :

амина действа като основа

амина действа като киселина

Основният /базичният/ характер на амините е по-добре изразен от киселинния. Основността на амините расте в реда :

                                R-NH2  <  ( R )2NH  <  ( R )3N

Това се дължи на +I ефектна алкиловите заместители, което води до увеличаване на електронната плътност при азотния атом. Алкиламините са по-силни основи от амоняка, от алкохолите, от етерите, а така също и от ароматните амини. Последното се обяснява с теорията на резонанса. Извършва се делокализация на свободния чифт електрони при азотния атом в бензеновото ядро :

NH-киселинността на амините се проявява в обратна зависимост от тяхната основност, т.е.RNH2  <  ArNH2. Това се обяснява с влиянието на същите електронни фактори, които в случая благоприятстват по-добрата NH-киселинност при ариламините.

Реакциите, в които амините участват като нуклеофили, могат да се обединят в три групи :

-         образуване на соли с полярни съединения ;

-         присъединителни и заместителни реакции със съединения, съдържащи С=О, N=O и др.групи ;

-         реакции на окисление.

Амините, подобно на амоняка, се превръщат в соли под действието на минерални киселини и се получават при разлагане на солите под действие на хидроксилатен йон. С други думи, амините се явяват по-силни основи от водата и по-слаби основи от хидроксилатния йон :

                          

                         по-силна                                                       по-слаба

                               основа                                                           основа

                          

                                           по-силна                   по-слаба

                                                 основа                       основа

При карбоксиловите киселини, както беше споменато, е въведена една равновесна константа, наречена константа на киселинност Ка  , която определя степента на пренос на протон от киселината към водата при дисоциация. По аналогия и при амините за удобство и за сравнение се определя степента на пренос на протона от водата към основата /амина/. Константата на равновесие на тази реакция се нарича константа на основност Кb :

                            

Колкото Кb е по-голяма, толкова е по-силна основата.

Ще разгледаме как влияят заместителите върху основността на ароматните амини.

Установено е, че електронодонорни заместители от типа –СН3 увеличават основността на анилина, а електроноакцепторни заместители от типа на халогените Х или NO2  -  намаляват основността.Тези ефекти са напълно понятни.Подаването на електрони способства за разсредоточаване на положителния заряд на анилиниевия йон ArN+H3, което го стабилизира в сравнение с амина. Притеглянето на електрони пък води до засилване на ( + ) заряд в анилиниевия йон и го дестабилизира в сравнение с амина.

               

1/ Амините, освен с различни киселини /НХ/, образуват соли и с полярни реагенти  /R+X-/. С алкилхалогенидите взаимодействието може да протече като SN2 или Е2 реакция. При нуклеофилната заместителна реакция от първичните амини се получават вторични и третични амини и кватернерни амониеви соли :

           

Реакцията се нарича изчерпателно алкилиране на амини /по Хофман/.

По Е2-реакциите с алкилхалогениди /с по-дълга верига/ се получават и алкени :

               

По Е2 протича също и разлагането на тетраалкиламониевите соли в алкална среда, т.нар.Хофманово елиминиране :

2/ Нуклеофилните реакции на първични и вторични амини с карбонибни съединения /алдехиди и кетони/, с ктарбоксилови производни /хлориди, анхидриди и др./ и с азотиста киселина протичат главно като присъединителни реакции (АN). Напр.реакциите с алдехиди /и кетони/ води до получаването на азометинови съединения :

                    азометинов                    азометинови

                         катион                         съединения

Ацилирането на амини протича като реакция АсSN с киселинни хлориди, анхидриди и др. карбоксилови производни :

                                                                                     N-заместен амид

Ацилирането обикновено се извършва с използването на оцетен анхидрид, а не с ацетилхлорид :

                                                                                      ацетанилид

Заместените амиди много лесно се хидролизират до киселина и съотв.амин :

Тук е мястото да се отбележи, че заместване може да се извърши и в бензеновото ядро при ароматните амини. Групите NH2, NHR, NR2 са мощни активатори и о- и р-ориентанти при реакциите на електрофилно заместване ( SE ) в ароматното ядро. Ацетамидната група /NHCOCH3/ също притежава активиращо действие (макар и малко по-слабо) и също ориентира на о- и р-място.

Ароматните амини могат да се халогенират, нитрират и сулфонират :

                       

Реакцията протича бързо и халогенирането е пълно.

Ако обаче реакцията се проведе като халогениране по Фридел-Крафтс в присъствие на AlCl3, тогава е необходимо аминогрупата да се защити, тъй като ако е свободна тя ще реагира с Люисовата киселина /AlCl3/ и ще се получи сол :

По същия начин /чрез защита на аминогрупата/ протичат и реакциите на нитриране:

Сулфонирането протича директно със сярна киселина до сулфанилова киселина :

                                 анилинсулфат             фенилсул-             сулфани-       бетаинова

                                                                        фаминова к-на     лова к-на       структура

3/ Първичните алкил-и ариламини взаимодействат с азотиста киселина в кисела среда.. Реакцията се нарича диазотиране. Образуват се диазониеви соли. Тези соли, получени от първични амини са нестабилни, а от първични ариламини  -  сравнително по-стабилни :

Реакцията по-лесно може да се запомни и осмисли ако се представи по следния начин :

                                                       диазониева сол

Диазониевите соли са трайни при около 0-50С. При нагряване до 50-600 в присъствие на вода, от тнях се получава фенол :

Вторичните амини образуват с азотистата киселина нитрозамини :

                                                                                                                N-нитрозодиалкиламин

Третичните амини реагират с азотистата киселина като образуват соли. Ароматните трет.амини дават заместени в ядрото нитрозосъединения /напр.нитрозодиметиланилин /.

4/ Окислителните реакции при амините протичат до различни продукти според вида на амина :

                            N –алкилхидроксиламин

                         N-диалкилхидроксиламин

                        аминооксид

Тези три окислителни процеса протичат сложно поради факта, че и самите алкилхидроксиламини лесно се окисляват по-нататък до нитросъединения.

По-интересен е случая с аминооксида, който съдържа лабилен /подвижен/  β-водороден атом и при нагряване до около 1500 се разлага до олефин и производно на хидроксиламина :

Представители на аминоалканите и ароматните амини

Метиламин, диметиламин и триметиламин. Получават се при нагряване на амониев хлорид със съответното количество формалдехид. В промишлени условия се получават от амоняк и метанол при 4500 под налягане и над катализатор Al2O3. И трите съединения са безцветни, горливи газове които се разтварят във вода. Метиламинът се използва като изходно вещество при химични синтези и като работно вещество в хладилни агрегати. Триметиламинът има характерна миризма на риба.

Етилендиамин (1,2-диаминоетан). Безцветна хигроскопична течност, която се използва като комплексообразувател.

Путресцин (1,4-диаминобутан) и кадаверин (1,5-диаминопентан). Образуват се при гниенето на белтъци. Имат неприятна миризма и са трупни отрови.

Анилин (аминобензен). Получен е за пръв път през 1826 г при дестилация на индиго. В промишленоста се получава при редукция на нитробензен с желязо и солна киселина. Анилинът е безцветна или слабожълтеникава течност, която бързо потъмнява на въздуха. Силно отровен е. Използва се като изходно вещество за многобройни синтези и най-вече за синтез на бои и багрила.

Метил- и диметиланилин. Получават се от анилин и метанол при температури около 2300 в присъствие на сярна киселина. Също се използват за синтез на багрила.

Дифениламин. Кристализира в безцветни кристали. Той е много слаба основа и образува соли само с много силни киселини. Разтвор на дифениламин в конц.сярна киселина под действието на окислители дава синьо оцветяване. Тази реакция се използва за доказване на нитратнийони.

Диазосъединения. Диазониеви соли.

Диазосъединенията се обособяват като отделна група азотсъдържащи съединения, които съдържат два свързани помежду си азотни атома и един въглеводороден радикал. В зависимост от това участва ли в състава на молекулата и друг, неорганичен остатък или не, диазосъединенията биват два вида :

а/  без неорганичен остатък с обща формула , чиито представителе диазометана  CH2 = N+ = N-  ]

б/   с неорганичен остатък ( Y = OH, X ) с обща формула

          

        диазоструктура                                                               диазониева сол

чиито представител е бензендиазониевия хлорид /хидроксид/.

Реакционната способност на първия тип съединения се определя от нуклеофилния характер на С-атом, свързан с диазогрупата. Това определя възможността за протичане на два типа реакции с тези съединения :

1/ Реакции с отделяне на молекула азот и образуването на реакционноспособни карбениеви йони и карбени и

2/ Присъединителни реакции към ненаситени съединения и зц-аместителни р-ии.

Първият тип реакции / с отделяне на N2/ се дели от своястрана на нови два типа : а/чрез протониране на диазосъединението и последващо получаване на карбениев йон и б/ чрез разпадане /при облъчване/ до карбеново съединение.

    

    

Най –простият представител на диазосъединенията от тази група е диазометана, чиято формула е СН2N2 или CH2 = N+= N- или :СН2N+= N: .Това е един от най-универсалните и ценни реагенти в органичната химия, въпреки неговата висока токсичност, взривоопасност и трудност при съхраняване. Диазометанът реагира енергично със съединения с подвижен Н-атом като киселини, феноли, еноли, с имино- и аминогрупи като ги метилира с отделяне на азот.

Аминокиселини

Напоследък засилено развитие търпи биохимията  -  гранична наука, изучаваща явленията в живите организми чрез химични методи. Възникна и нова наука биоорганична химия  -  област от органичната химия, изучаваща химичните основи на жизнените процеси. Обект на биоорганичната химия са органичните съединения, на чиято основа се гради животът. Напр.аминокиселините, ензимите, протеините, нуклеиновите киселини и др.

Карбоксилови киселини, във въглеродния остатък на които се съдържа аминогрупа  /-NH2 /, са аминокарбоксилови киселини. Следователно техните функционални групи са СООН и NH2-групите.

Класификация и номенклатура

Класификацията може да се изгради по различни структурни признаци :  вида на въглеводородния остатък, броя на СООН- и NH2-групите и др. Така че имаме различни групи аминокиселини. Важна група са моноалканкарбоксиловите аминокиселини. Те биват различни според положението на двете функционални групи в алкановата верига :  2- или α-аминокарбоксилова киселина, 3- или β-аминокарбоксилова киселина, 4- или γ- и т.н.

          

2-аминокарбоксилова киселина                                    3- аминокарбоксилова киселина

          / α – аминокиселина /                                                    /β – аминокиселина /

Най-важна група от тези киселини са α-аминокиселините, тъй като е установено, че те са съставна част на протеините в живите организми. Тези киселини се изразяват с общата формула :

                                            

където  Y = алкил, фенилметил, хидроксил, аминоалкил, карбоксиметил, меркаптометил и др.

Днес са известни повече от 20 такива аминокиселини. Наименованията /освен тези по IUPAC/ са обикновено тривиални, които се използват по-често. Тривиалните им наименования са свързани с някои техни свойства или произхождат от наименованията на продуктите, от които са били изолирани. Напр.глицин от гр.glykysсладък, левцин  - от гр.leukos – бял /от белтъка на млякото/, цистин – от гр.kystis- мехур /изолиран от жлъчните камъни/. Живите организми сами синтезират част от α-аминокиселините. Някои от тях обаче се получават чрез храната. Тези аминокиселини се наричат незаменими : валин, левцин, фенилаланин, треонин, метионин, триптофан, аргинин, хистидин.

Структура, изомерия и физични свойства

Всички α-аминокиселини, освен първата /глицин, аминооцетна киселина/, имат асиметричен С-атом и притежават по два енантиомера D и L /или R и S / :

                                  

В природата са разпространени L-енантиомерите на α-аминокиселините. Стойностите на специфичното им въртене варират в широки граници. Аминокиселините, съдържащи хетеропръстен /хистидин, триптофан, пролин и др./ имат значителна отрицателна стойност на специфично въртене.

Аминокиселините са твърди вещества със сравнително висока т.т./над 2000/ и са лесноразтворими във вода, а трудноразтворими в по-неполярни разтворители /етер, бензен и др./. Те имат голям диполен момент. Тези свойства са указание за йонния /солеобразен/ характер на α-аминокиселините. Така че свойствата на α-аминокиселините не се съгласуват с техните съставящи – свойствата на амините и карбоксиловите киселини са различни от посочените показатели на α-аминокиселините.

Химични свойства

α – Аминокиселините са амфолити /в разтвор/, а иначе са амфотерни -  те притежават киселинни  /-СООН / и основни / -NH2 / функционални групи. Във воден разтвор на α-аминокиселините съществува киселинно-основно равновесие с участието на биполярни йони /вътрешномолекулни соли/, наречени още цвитер-йони /двойни / :

        

             амониева сол                   биполярен йон                      аминокарбоксилат

               / киселина/                                                                           /основа /

                  рКа ~ 2                               рКа ~ 9

В кисела среда /рН < 7 / аминокиселините се отнасят като киселини, а в алкална среда / рН > 7 /  -  като основи. При определени стойности на рН всяка аминокиселина съществува само като биполярен йон. Тогава казваме, че се достига т.нар.изоелектрична точка . В областта на изоелектричната  точка разтворимостта на аминокиселините е най-ограничена. В изоелектричната точка аминокиселината не се движи между катода и анода в електролизна вана.

Аминокиселините участват в реакции характерни както за карбоксиловите киселини, така и да амините :

Освен тези реакции трябва да се знае, че α-аминокиселините образуват стабилни хелатни комплекси с преходни метали. Този вид комплексообразуване се използва в количествения анализ на аминокиселините, а така също и за синтетични цели. Така напр.от Cu/II/-комплекса на глицина могат да се получат други α-аминокиселини по реакция от алдолов тип с участие на активирана СН2-група в хелатно свързания глицин :

                                                                                                                  треонин

Получаване на α-аминокиселини

1.      Чрез амонолиза на α-халогенкарбоксилови киселини :

      

2.      Амонолиз на алдехиди, последващо вкарване на цианиди и хидролиза :

3.      От  α-кетокиселина като се мине през оксим, който се хидрира :

       

4.      Метод на Габриел – от халогенкарбоксилова киселина и калиев фталимид :

     

Хетероциклени съединения

Хетероциклени се наричат органични съединения, чиито молекули са изградени от свързани в пръстен освен въглеродни атоми и атоми на други елементи. Молекулните пръстени на тези съединения се наричат хетеропръстени /хетероцикли./, а атомите на съответните елементи  -  хетероатоми.

От множеството хетероциклени съединения най-добре са изучени тези, съдържащи в молекулните си пръстени О-, N- и S-. С някои представители на тези съединения вече се запознахме :  етиленов оксид, диоксан, лактоните, лактимите, анхидридите и др. Пръстените на тези съединения обаче са нетрайни, докато хетероциклените съединения, които предстои да разглеждаме, притежават стабилна устойчивост. Ще разгледаме кислород-, азот- и сярасъдържащи хетероциклени съединения главно с ароматна структура. Много от тези съединения имат важно значение за биологията, медицината, фармацията и селското стопанство.Така напр. в състава на жизнено важни биологични обекти като кръв, нуклеинови киселини и др. участват хетероциклени съединения. Почти цялата фармацевтична химия е химия на хетероциклите.

Класификация и номенклатура

Класификацията на хетероциклените съединения може да се извърши по различни признаци :

- по общия брой на атомите в пръстена, т.е.вида на цикъла  -  триатомни, четириатомни /четиричленни/, петатомни /петчленни/ и т.н.

-  по вида и броя на хетероатомите в пръстена  -  един, два, три и т.н.кислородни, азотни, серни или др.атоми в пръстена ;

-  по броя на пръстените в молекулата  -  еднопръстенни /моноциклични/, двупръстенни /бициклични/ и т.н.хетероциклени съединения.

Повечето хетероциклени съединения имат тривиални наименования. За еднопръстенните /моноциклични/ съединения номенклатурата на IUPAC въвежда правила, с които се определят наименованията, от които се вижда вида на хетероатома в пръстена, неговата големина и “ненаситеност”(броя на двойните връзки в пръстена). Хетероатомите се означават в наименованията на пръстените с представките : окса- за О-атом, тиа- за S-атом и аза- за N-атом, съответно диокса-, дитиа- и диаза- за два еднакви хетероатома. Ако атомите са различни тогава : оксаза- за кислород и азот, тиаза- за сяра и азот и т.н.

Атомите в пръстените се номерират, като номерирането започва от хетероатома и върви обратно на часовниковата стрелка. При наличието на повече и различни хетероатоми в пръстена предимство има О пред S-ат., а той пред N-ат. Номерирането при няколко хетероатома се извършва така че те да получат възможно най-малки номера. Напр. :

                                                    

                                                    1,3 – тиазол

Когато имаме съединения с две кондензирани ядра, то наименованието е на пръстена с хетероатом и представка (другия пръстен) :

                                      

                                                    бензотиазол

Когато и двата пръстена са хетероциклени, предимство в избора на основното наименование има N-съдържащия, пред О- и S-съдържащите хетеропръстени. Ако двата хетеропръстена имат ръзличен брой хетероатоми, основното наименование дава този с повече хетероатоми.

Петатомни пръстени с един хетероатом

Основните представители в тази група са фуран, пирол и тиофен :

               

                              фуран                             пирол                         тиофен

Структура и физични свойства

Установено е, че в пръстените на трите съединения всички атоми лежат в една равнина, т.е.имаме копланарност. Въглеродните атоми са в sp2-хибридно състояние и р-орбиталата на всеки от тях (от π-връзките) заедно с р-орбиталата на свободната двойка електрони при хетероатома образуват π-електронен секстет, подобно на бензена. Така че четирите π-електрона  +   р-електрона на хетероатома правят съединението ароматно.

                                                       където  Х = NH, O, S

р-π-Спрежението в пръстените им може да се изрази чрез гранични структури или резонансен хибрид :

Фуранът има 0.8 D, тиофенът – 0.5 D и пиролът – 1.8 D диполни моменти. ЛКАО-МО метода показва, че най-голям частичен отрицателен товар (δ-) има при 2(α) и 5(α’)-място.

Както се вижда, почти всички гранични структури са биполярни и в резонансния хибрид електронната плътност при С-атомите е повишена. Това е причина за появата на диполен момент в молекулата за разлика от бензена. Различната електроотрицателност на кислорода, азота и сярата се отразява върху диполния момент и върху стойността на енергията на резонансната стабилизация /Е/. От тези стойности може да се подредят трите хетероциклени съединения по реда на нарастване на тяхната ароматност фуран < пирол < тиофен . Но общо взето ароматния характер на тези три съединения е по-слабо изразен от бензена, който има Е ~  150 кДж/мол /фурана – 80, пирола- 110 и тиофена – 120 кДж/мол /.

Различието в ароматния характер между фурана и пирола се дължи на по-голямата електроотрицателност на О-ат .в сравнение с N-ат., в резултат на което свободната двойка електрони при О-ат.е “локализирана” в по-голяма степен при него и по-малко ефективно участва в π-спрежението.

         

Трите съединения са течни :  фуранът с т.к.310С, тиофенът с т.к.810С и пиролът с т.к.1290С.

Получаване

1.Създаден е промишлен метод /на Юрьев/ за получаване на пирол и тиофен чрез пропускане на фуранови пари и NH3 и H2S през катализатор Al2O3 при 4500 :

                                 

2. Друг общ метод е от бутандиал чрез циклизация /по Пал-Кнор/ :

3. Фурфурал /а след окисление и декарбоксилиране и фуран / се получава промишлено чрез дехидриране и циклизация на алдопентоза (от царевични кочани или талаш ) в присъствие на сярна киселина :

                  

4.      Тиофен се получава от бутан и сяра при нагряване /пиролиза/ :

                    

5.      Пирол се получава от ацетилен и амоняк :

                    

Химични свойства

Химичните свойства на фурана, тиофена и пирола са три вида : 1/ Основни и киселинни ; 2/ Ароматни  -  участие в S Е-реакции, подобно на бензена и 3 / Свойства на ненаситени съединения /присъединителни реакции /.

1.Основните свойства на тези съединения се определят от наличната свободна двойка електрони при хетероатома. При N-атома в пирола липсва свободна двойка електрони. Оказва се обаче, че ясно изразени основни свойства притежават фурана и пирола /след нарушаване на π-електронния секстет/1 докато тиофена практически не проявява такива свойства. Основността на фурана и пирола е сравнително слаба. Те присъединяват Н+ при хетероатомите, или при α-С-атом след нарушаване на π-електронния секстет :

Йоните, които се получават са съответно 1)оксониеви и азониеви и 2)фуролониеви и пиролониеви. Получаващите се при това фуролониев и пиролониев катиони могат да участват по-нататък в полимеризационни процеси с нова молекула фуран и пирол. Това е причина за нестабилността на тези съединения в кисела среда.

2. Киселинни свойства. И трите съединения проявяват киселинни свойства. Пиролът се отнася като NH-киселина (рКа~15), а фуранът и тиофенът  -  като сравнително слаби СН-киселини :

                  

                                                        пиролониев анион

Пиролът е по-силна киселина от NH3 и RNH2 /по-лесно отдава Н+/. Анионите на трите съединения могат да участват в различни заместителни и присъединителни нуклеофилни реакции, напр.алкилиране, ацилиране и др. :

3. За тези съединения са характерни SE-реакциите, които са характерни и за ароматните съединения /бензен и производните му/. Те протичат чрез междинно получаващ се σ-комплекс /-ониев йон/. Реакционната способност на трите съединения спрямо електрофилни реагенти е по-голяма в сравнение с тази на бензена. Това се побяснява с повишената електронна плътност при С-атомите в пръстените на трите съединения, особено на α-място. Поради това при SE- реакциите халогениране, нитриране и сулфониране при тези съединения водят до получаването на главно α – заместени продукти :

                                                                               2,5-дибромофуран

тиофенсулфонова киселина

α-нитротиофен

ацилтиофен

5.      И трите съединения лесно се хидрират :

(тетрахидрофуран, тетрахидротиофен и пиролидин)

6.                       Присъединителни реакциил  Към π-системата на трите съединения могат да се присъединят различни съединения, напр.Н2 /вж.по-горната схема/, молекула халоген, напр.Br2 и др. Тези реакции протичат най-лесно при фурана, който в най-голяма степен проявява свойствата на диен със спрегнати двойни връзки. Към диеновата система на трите съединения може да се извърши и 1,2- и 1,4-присъединяване, напр.диенова синтеза /реакции на Дийлс-Алдер/ :

                       

Може да се присъединяват олефини /алкени/, напр.СН3СН = СН2 :

                       

6. При окисление на фуран с въздух в присъствие на V2O5 се получава малиенова киселина :

                       

7.                       Вследствие на подвижността на водородния атом при азота, при пирола са възможни тавтомерни форми, които съдържат метиленова група и които се наричат пироленини (α- и β- ) :

                 

В този случай имаме проява на кетиминна-енаминова изомерия, в която като равновесие преобладава пироловата форма.

8. Подобно на фенолите и пиролите купелуват с диазониеви соли на α-място като се получават азо- и диазосъединения

:                

                           фенилазопирол                              дифенилдиазопирол

Природни пиролови багрила

Порфин – пръстенна система от четири пиролови ядра, свързани с метинови групи :

                     

Порфинът представлява тъмночервена утайка. При биологично окисление дава билирубин :

                        

Билирубинът се съдържа в жлъчката и жлъчните камъни и се отделя от организма чрез урината и фекалиите

В природата се срещат и порфирини, които са също цветни вещества. Те представляват порфин, в който някои С-атоми са заменени с органични остатъци. Вътрешнокомплексни соли на порфина и порфирина с двувалентно желязо се наричат хеми, които са в основата на хемоглобина. В организма хемоглобина пренася кислорода от белите дробове до тъканите и мозъка. 1 г хемоглобин свързва 1.35 см3 кислород. При отравяне с СО е установено, че той се свързва по-здраво от О2 и така блокира хемоглобина, който не може да изпълнява своята основна фенкция.

По същия начин, на основата на пирола, се образуват вътрешнокомплексни соли и с двувалентен магнезий, които са в основата на хлорофила, зеленото багрило на растенията. Ако пък вътрешнокомплексните соли се образуват с двувалентен кобалт, те са в основата на вит.В12 /цианкобаламин/.

Друг природен продукт, който съдържа в молекулата си тетрахидротиофен  е

                                               

биотинът /вит.Н/.  Той се среща в жълтъка на яйцето и в черния дроб. Необходим е за растежа на микроорганизмите. Има три хирални атома и съществува само в цис-положение, тъй като транс-кондензирането на двата пръстена създава голямо напрежение. Участва в организма в процеса карбоксилиране /вкарване на СООН /. Тази карбоксипреносителна роля се подпомага от АТФ и АДФ.     

Петатомен пръстен с два хетероатома

Според вида на хетероатомите съединенията от тази група са различни видове. Когато единия от хетероатомите е N, адругите са N, O или S, то групата се нарича азолова група . Към нея принадлежат следните съединения :

      

           пиразол     имидазол           изоксазол    оксазол              изотиазол       тиазол    

Получаване   За получаването на пиразол, имидазол, тиазол и техни производни има разнообразни синтетични методи.

1.      От ацетилен и диазометан :

       

2.От глиоксал, мравчен алдехид и амоняк :

        

2.      От α-халогениран алдехид и иминотиол :

      

Химични свойства

Подобно на фурана, пирола и тиофена и азолите имат ароматна структура. В π-електронния секстет участва двойката електрони от кислородния, азотния и серния атоми, като тривалентно свързания азотен атом запазва свободната се двойка електрони.

От азолите по-голям интерес представляват тези, които бяха дадени при методите за получаване  - пиразола, имидазола и тиазола. Азолите имат свойства на основи. Основността им се дължи на свободната двойка електрони при азотния атом. Тиазола и пиразола имат приблизително еднаква основност, а имидазола  -  малко по-голяма.

Пиразола и имидазола са NH-киселини /подобно на пирола и притежават аналогични свойства./.

Пиразола, имидазола и тиазола са по-слабореактивоспособни при SE-реакциите от пирола и тиофена поради електроноакцепторното действие на втория хетероатом /тривалентния азот/. В резултат на това електронната плътност при С-ат.в пръстена е намалена  -  при тях по-лесно протичат SN-реакции.

Електрофилните заместителни реакции /SE/ се извършват с предпочетена атака на електрофилния агент на 4- и 5-то мяста в 1,3-азолите. При тиазола нитрирането и сулфонирането протичат най-успешно с получаването на 5-заместени производни :

5-нитротиазол

тиазол-5-сулфокиселина

При бромиране на имидазол се получава2,4,5-трибромоимидазол :

   / извършва се пълно халогениране /

При купелуване на имидазола се получава 2-заместен продукт :

имидазолазосъединение

Азолите се хидрират сравнително трудно до ди- и тетрахидропроизводни :

                              тиазолин                  тиазолидин

Нуклеофилни заместителни реакции /SN/. Протичат при азолите с различни нуклеофилни реагенти. Нуклеофилната атака е най-успешна на 2-ро място в пръстена.

Някои производни на пиразола и тиазола са билогичноастивни вещества. Така напр.лекарствата антипирин, пирамидон и аналгин са производни на двата тавтомера на 5-хидрокспиразола и 5-пиролона :

5-хидроксипиразол          5-пиразолон

когато Y = CH3 e пирамидон

                                когато Y = CH2SO3Na e аналгин

Производно на имидазола е аминокиселината хистидин /имидазолилаланин/. Продуктът на декарбоксилиране на хистидина е съединението хистамин :

                                            

Хистаминът действа съдоразширяващо на кръвоносните съдове. Увеличеното количество на хистамина в кръвта е симптом на алергични заболявания.

Производни на тиазола са ефикасните лекарствени препарати сулфазоли и пеницилини :     

сулфатиазол  /ултласептил, сулфазол /

пеницилин /кондензирана система от тиазолидинов пръстен с

                                                                               β-лактимен пръстен /

   

Шестчленни хетероцикли с 1 хетероатом. Пиридинова група.

Към тази група спадат хетероциклените съединения пиран, тиопиран и пиридин. От първите два до сега са познати само производни. Като индивидуално съединение е познат само пиридина.

             

                  пиран                           тиопиран                         пиридин

Структурата на пиридина е аналогична с тази на бензена :

                                     

Петте С-атома и азота са в sp2-хибридно състояние. Електроните на р-орбиталите на С-атомите и N-ат.образуват π-електронен секстет, а на sp2-хибридната орбитала остава свободна двойка електрони. Поради по-голямата електроотрицателност на N-ат π-електронната плътност в пръстена е частично локализирана към него. Диполен момент  μ = 2.3 D.

                  

От резонансната структура се вижда, че на α (2 и 6 ) и γ ( 4 )-места електронната плътност е най-малка .

Пиридинът и неговите хомолози се образуват при суха дестилация на каменни въглища, битумни шисти, торф или дървесина и затова се срещат най-често в катрана, получен при тази дестилация.

По синтетичен път пиридинът се получава като през нажежена тръба се пропуска смес от ацетилен и циановодород :

                            

Много важна синтеза за получаване на заместени пиридини се състои в кондензацията на кетоестери /в енолна форма/, алдехиди и амоняк. След хидролиза и декарбоксилиране се получават заместени пиридини :

      

Подобен на горната синтеза е метода на Чичибабин, при който се кондензират алдехиди и кетони в смес с амоняк и в присъствие на алуминиев оксид :

                     

Свойства

Пиридинът проявява основни свойства  (рКа ~ 9 ). Със силни киселини образува соли :

пиридиниева  сол

Реакциите SE протичат по-трудно, отколкото при бензена поради това, че ядрото е деактивирано от по-електроотрицателния азотен атом. В кисела среда, поради образуването на пиридиниев катион, електрофилната атака се затруднява още повече.

                                       

Реакцията SN протича по-лесно, отколкото при бензена.

                          

Получават се нитропиридини, пиридинсулфонови киселини и халогенпиридини.

    2-аминопиридини

   2- хидроксипиридини

 2-фенилпиридини

Метиловите производни на пиридина се наричат пиколини :

               

                   α – пиколин                    β – пиколин                       γ – пиколин

Диметиловите производни се наричат лутидини :

                                

                                                  2,4- и  2,6-лутидини

Триметиловите производни се наричат колидини. Напр.:

                                       

                                                    2,4,6 – колидин

Пиколините при окисление дават :

    пиколинова киселина

  никотинова киселина

 изоникотинова киселина

Пиридинът може да се хидрира до пиперидин :

                         

Представители и производни

Пиридин – т.к.1150. Разтваря се във вода във всяко отношение. Много добър разтворител на органични съединения. Използва се в много синтетични реакции като база или като реагент.

Никотинова киселина  -  амидът на тази киселина е съставна част на дехидриращия ензим кодехидраза или коцимаза  / NAD+ и NADH /. При липса на този ензим в организма се появява болеста пелагра. Може да се каже, че никотинамида е провитамин от групата В и се нарича РР-никотинамид.

Никотиновата киселина се биосинтезира в организма от глицериналдехид и аспарагинова киселина :

             

Диетиламинът на никотиновата киселина, наречен корамин, се употребява, подобно на камфора, за регулиране дейността на сърцето.

                                       корамин

Изоникотинова киселина – хидразидът на изоникотиновата киселина се нарича римифон, търговското наименование на лекарствено средство, което е мощно противотуберкулозно лекарство.

                                         римифон

Друго производно на пиридина е пиридоксина /адермин/ - лекува кожни болести. Изолиран е от бирена мая. Познат е като вит.В6. Това съединение се използва като β-блокер /подсигурява транспорта на Са2+-йони в клетъчните мембрани и успокоява дейността на сърдечния мускул.Понижава високото кръвно налягане.

                                     пиридоксин

Пиридоксинът след биотрансформация в пиридоксал-5-фосфат участва в дезаминирането и преаминирането на аминокиселините.

Производно на α-аминопиридина е 2-(р-аминобензенсулфамид)-пиридин с търговското наименование сулфидин,който е едно ефикасно средство срещу болестите на стрептококите (напр.ангина), на пневмококите (пневмония) и гонококите (гонорея). Молекулата е подобна на тази на сулфатиазола :

                                               сулфидин

Производно на напълно хидрирания пиридин /пиперидина/ е кокаина :

                                  кокаин

Шестчленни хетероцикли с 2 хетероатома

Когато хетероциклените съединения съдържат 2 хетероатома, единия от които е азот, те се наричат азини. Според вида на втория хетероатом азините биват диазини, оксазини и тиазини :

пиридазин            пиримидин           пиразин                  оксазин                  тиазин

/1,2-диазин/           /1,3-диазин/         /1,4-диазин/

В сравнение с пиридина наличието на втори N-атом в диазините понижава още повече електронната плътност при С-атоми в пръстена. Така напр.в пиримидина с най-ниска плътност са С-атоми на 2-, 4- и 6-място :

                           

Така, че пиримидина е значително реактивоспособен в нуклеофилните заместителни реакции /SN/. Електрофилните заместителни реакции /SЕ/ протичат с атака към С5-място. При това реакционната способност на пиримидина е по-малка от тази на пиридина.

 Диазините могат да участват и в присъединителни реакции, напр.хидриране, при което се нарушава ароматната структура.

По-голям интерес представляват пиримидиновите производни, тъй като участват в състава на биологични вещества  -  нуклеинови киселини, витамини и др.

От хидрокси- и аминопроизводните на пиримидина по-важни са следните :

         

        2,4-дихидрокси-                 2,4-дихидрокси-5-метил-              2-хидрокси-4-амино –

           пиримидин                                 пиримидин                                    пиримидин

            / урацил/                                     /тимин /                                       /цитозин /

                   

                         барбитурова  к-на                      кето-форма

След дисоциация на хидроксипроизводните, получените фенолатни аниони могат да участват в региоспецифични реакции, напр.алкилиране, при което се получават два вида продукти – производни на хидрокси- и кето-формите. Трябва да се знае, че метиленовата група е силно реактивоспособна.. Напр.:

                        

                                         веронал                      луминал /фенобарбитал/

Барбитуровата киселина може да се разглежда като уреид на малоновата киселина. Получава се при кондензация на малонов естер и карбамид :

           

Производно на пиримидина и тиазола е вит.В1 /тиамин, аневрин/. Съдържа се в дрождите и зърнените храни.

                              

Недостигът на вит.В1 уврежда нервната система /полиневрит/ и причинява болеста бери-бери. Установеният лечебен ефект на оризовите люспи за тази болест е дал основание да се въведе понятието “витамин” /от vita – живот/ от Функ.

Производно на пиримидина и по-точно на тимина е лекарството азидотимидин /AZT /, което в момента е най-мощното анти-HIV лекарство. Това лекарство модифицира части на ДНК.

                                 

Съединения, съдържащи фуранов, пиролов и тиофенов пръстен и бензеново ядро. Индолова група.

            

                 бензофуран                            индол                            тионафтен

                   /кумарон/

Структурата на тези съединения е сходна с тази на нафталена по отношение броя на π-електроните. Ето защо и тези съединения притежават ароматен характер.

Петчленният хетеропръстен има понижена степен на ароматност и повишена електронна плътност в β-положение :

                       

Така, че на това място /β / протичат характерните за ароматните съединения реакции  /халогениране, нитриране, сулфониране/. Известни са и хидроксилни производни, напр.на индола :

                      

                         3-хидроксииндол                                   кето-форма

                              /индоксил/

Индоксилът е изходно вещество за синтез на багрилото индиго :

                

                 индиготин /синьо индиго /                    бяло индиго /левкоиндиго/

Индиготинът /синьото индиго / е отдавна известно багрило. Намира се в някои растения като гликозида индикан. Напр.в Indigoferia tinctoria, Isatic tinctoria и др., в които се съдържа до 0.5 – 2%. Индигото е вещество с тъмносин цвят. Не се разтваря в обикновени разтворители, а в нитробензен и анилин. При редукция в алкална среда се разтваря като същевременно се обезцветява /левкосъединение или бяло индиго/. Днес индигото се получава по синтетичен път. Напр.една от синтезите е : анилин + хлороцетна киселина фенилглицин индоксил индиго.

Индигото се използва като багрило за боядисване главно на памук или като багрило за копирна хартия.

Подобно на индигото е 6,6’-диброминдигото /античен пурпур/. Добива се от охлюва Murex brandaris. Около 10 000 охлюва съдържат 1.5 г безцветно вещество, което на въздуха се окислява до пурпурночервено багрило.

Други производни на индола са скатол /3-метилиндол/. Това е продукт на биологично разпадане на триптофана, който е 3-индолилаланин. Скатолът притежава силна миризма на фекалии, но при големи разреждания има мирис на цветя и се използва в парфюмерийната промишленост.

3-Индолилоцетна киселина. Среща се в царевичното брашно. В малки дози подпомага растежа на растенията, но при по-големи концентрации е силна растителна отрова.

Серотонин /5-хидрокситриптамин/. Среща се в серума на топлокръвните животни. Участва в поддържане на тонуса на кръвоносните съдове и действа на централната нервна система. В организма се образува от триптофан :

                

               триптофан /3-индолилаланин /       серотонин /5-хидрокситриптамин/

Друго производно на индола е псилоцина/4-хидрокси-N,N’-диметилтриптамин/.

                                                 

Това е психотропно вещество, изолирано от мексиканската “вълшебна” гъба Teonancatl. Псилоцинът повишава психичната възбудимост и предизвиква халюцинации.

Други индолови алкалоиди са стрихининът и LSD /диетиламид на лизергиновата киселина / :

                      LSD /силен халюциноген/

Бициклични хетеросъединения. Хинолинова група.

В тази група влизат съединенията хинолин, изохинолин и акридин и техни производни :

            

                  хинолин                         изохинолин                              акридин

Молекулите и на трите съединения съдържат пиридинов пръстен, кондензиран с бензенови ядра. Те имат по-слабо изразен ароматен характер от този на бензена и пиридина, а тяхната основност е сходна с тази на пиридина, т.е.те са силни бази. В тези съединения електронната плътност в бензеновите ядра е по-голяма от тази в пиридиновото ядро. Това означава, че SE-реакциите при тях ще протичат предпочитано в бензеновите ядра, а SN-реакциите  -  в пиридиновото ядро.

При SE-реакциите на нитриране, сулфониране и халогениране на трите съединения се получава смес от съответните заместени продукти :

              

Протичат и SNреакции, например хидроксилиране, цианиране, аминиране. Отиват главно на местата α- и γ- в пиридиновото ядро :

               

При окисление и трите съединения дават N-оксиди. При по-нататъшно окисление с KmnO4 се стига до хинолинова киселина :

                           

                                хинолин-N-оксид            хинолинова киселина

Някои производни на акридина са лекарства. Напр.риванол :

                               

                                                            риванол

И трите съединения се намират в каменовъгления катран, откъдето могат  да се изолират. Иначе се получават /напр.хинолина/ синтетично – по метода на Скрауп  от анилин и акролеин :

                

Пурин и пуринови производни

Пуринът се състои от петчленен и шестчленен пръстени с по два азотни хетероатома. Единият пръстен /петчленния/ е имидазолов, а другия /шестчленния /  - пиримидинов :

                                          

Първо се означава шестчленния пръстен и след това – петчленния.

Тези съединения имат ароматен характер, обусловен от π-електронния  децет / 10 π-електрона/ в молекулата им, подобно на нафталена.

Производни на пурина имат важно биологично значение. Някои от тях участват в състава на нуклеиновите киселини, ензими, алкалоиди и др.

По-важни са хидрокси- и аминопроизводните на пурина. Основен представител е 2,6,8-трихидроксипурина (пикочна киселина) :

                   

                              енолна форма                                       кето-форма

Пикочната киселина е краен продукт от белтъчната обмяна в организма на птиците. Тя е и изходен продукт за получаване на други производни на пурина. Чрез хлорирането и с POCl3 се получават 2,6,8-трихлорпурини, чиито хлорни атоми се заместват лесно с нуклеофилни реагенти по SN-реакции :

       ксантин                          хипоксантин                    гуанин

/2,6-дихидрокси-             /6-хидроксипурин /      /2-амино-6-хидрокси-

         пурин /                                                                        пурин /

Тези пуринови производни съществуват в две форми  -  енолна (хидрокси-формите) и кето-форми, подобни на пикочната киселина. Заместителни реакции с участието на фенолатните аниони на тези производни водят до получаването на О- или N-заместени продукти. Напр.N-производните на ксантина са следните съединения

    

                 теофилин                              теобромин                                    кофеин

     /1,3-диметилксантин /             /3,7-диметилксантин/                 /1,3,7-триметилксантин/

Теофилинът се съдържа в листата на чая. Действа диуретично и съдоразширяващо. Използва се при коронарна недостатъчност и сърдечни заболявания.

Теоброминът се съдържа в какаовите зърна (teo-бог , broma- храна) в количество до 1.8%. Действа по-силно диуретично от теофилина.

Кофеинът се съдържа в кафеените зърна до 1.5% и в листата на чая до 5%. Действа силно възбуждащо върху централната нервна система. Усилва дейността на сърцето. Има и слабо диуретично действие.

Природни органични съединения с важни биологични функции.

Пептиди

Пептидите са съединения /амиди/, получени чрез кондензация /амидно свързване с отделяне на вода/ на α-аминокиселини. Може да се каже, че пептидите са аминокиселинни полимери от индивидуални аминокиселинни единици, наречени остатъци :

Характерна функционална група в молекулите на пептидите е амидната група      СО – NH - , наречена още пептидна връзка.

В зависимост от броя на α-аминокиселинните остатъци в молекулите на пептидите те биват :  олигопептиди  - дипептиди, трипептиди,декапептиди и полипептиди – с повече от 10 аминокиселинни остатъци. Дългите повтарящи се пептидни връзки –СО-NH- построяват непрекъсната верига, наречена протиенова основа /база/. Общоприето е пептидите винаги да се изписват като N-терминални аминокиселини отляво и като С-аминокиселини отдясно.

Наименования

      глицилаланин

 глицилаланилвалин

Структура

Според данни от рентгеноструктурния анализ пептидните вериги имат плоска /планарна/ конфигурация. Въглеродният атом в амидната група е в sp2-хибридно състояние, а азотния атом е със силно понижена базичност, поради отдаване на свободната двойка електрони, която се делокализира :

Оказва се, че пептидната връзка е по-малка от простата С-N-връзка /0.132 и 0.147 нм съотв./, което е резултат от р-π-спрежението в амидната група. В молекулната верига разположението на двата α-С-атома при всяка пептидна връзка са в транс-положение по отношение на амидната С-N-връзка.

В резултат на спрежението в амидната връзка, около простата С – N-връзка ще има ограничено въртене.

Определяне структурата на пептидите

За да се определи структурата на даден пептид, необходимо е да се знае следното :

-         какви аминокиселини влизат в състава на молекулата ;

-         колко аминокиселини от всеки вид има в молекулата ;

-         в каква последователнист са свързани аминокиселините във веригата.

За определяне състава на пептида той се подлага на хидролиза като се определя количеството на всяка от аминокиселините. Един от най-добрите методи за анализ на смеси от аминокиселини се явява хроматографията /в нейните многообразни разновидности /.

За изчисляване на “молекулната формула” на пептида, т.е.за установяване на действителния брой на всеки от остатъците в молекулата на пептида, е необходимо да се знае неговото молекулно тегло, което може да се определи както по химически, така и чрез физични методи.

Накрая трябва да се изясни последователността на свързване на аминокиселините, т.е.да се покаже структурната формула на пептида.За целта се използва комбинация от два метода  -  определяне на крайните групи и частична хидролиза.

Определяне на крайните групи – заключава се в идентификация на аминокиселинните остатъци на края на пептидната верига.

Един от успешните методи за идентификация на N-крайните остатъци е разработен през 1945 г от Ф.Сенджър /Сангер/ и се основава на използването на 2,4-динитрофлуорбензен /ДНФБ/, който встъпва в реакция със свободната аминогрупа с образуването на N-динитрофенилно производно. Така заместения пептид се подлага на хидролиза, след което N-крайния остатък, белязан с 2,4-динитрофенилна група се отделя и се идентифицира.

Друг метод за определяне на N-терминалните групи е разработен от шведския учен Пер Едмън през 1950 г и се основава на реакция на аминогрупата с фенилизотиоцианат. Следват същите процедури – хидролиза и идентификация. Преимущество е, че по този метод не се засяга останалата част на пептида, така че анализа може да се повтори и да се определи следващата крайна група /до пълно определяне на всички крайни N-групи/.

Най-успешният метод за определяне на С-крайни остатъци се явява ферментативния метод. Селективното отстраняване на С-крайния остатък се осъществява с помощта на ензима карбоксипептидаза, който разцепва само тази пептидна връзка, която е разположена в α-положение към свободната карбоксилна група в пептидната верига.

На практика обаче е невъзможно да се определи последователността на остатъците в дълга пептидна верига чрез такова степенно отстраняване на крайни остатъци. Вместо това веригата се подлага на частична хидролиза и след това на фрагментите се определят крайните остатъци и се идентифицират.

Получаване на пептиди /пептиден синтез/. 

Общата схема на една пептидна синтеза включва следните стадии :

Първи стадий  -  защита на някои от NH2- и СООН-групи в изходните аминокиселини. Това е необходимо по следната причина :  ако проведем кондензация, напр.между два вида аминокиселини, могат да се получат 4 различни дипептида ; за получаване само на единия от тях /съдържащ остатъци от двете аминокиселини/ трябва да защитим по една от функционалните групи /NH2- или СООН-/ във всяка от тези аминокиселини, за да се осигури кондензационно свързване само между свободните NH2- и СООН-групи.

Защитата на аминогрупата става чрез ацилиране :

                                 

Защитата на СООН-групата става чрез алкилиране /естерификация/ :

                                 

Втори стадий  -  активиране на N-защитената аминокиселина с цел да се получи по-реактивоспособно производно :

                                 

Z е остатък от подходящ реагент /напр.Cl/, който активира карбоксиловата група.

Трети стадий  -  образуване на пептидната връзка между една защитена и една активирана аминокиселина.

Четвърти стадий  -  отцепване на защитните групи главно чрез хидролиза.

Автоматизиран пептиден синтез /твърдофазна техника на Мерифийлд/

Твърдофазният метод е въведен от Брус Мерифийлд от Рокфелеровия университет. Методът се провежда върфу твърд полимер от полистирен, приготвен така, че на всеки 100 бензенови пръстена да има по един хлорметиленов остатък /-СН2Cl /.Полимерът се използва, за да защити карбоксиловата група /използва се именно хлорметиленовия остатък/. Тази твърдофазна техника е контролируема и компютърно подсигурена. Тя автоматично защитава, синтезира и разрушава след това защитените групи чрез хидролиза. Напр.синтеза на панкреатична рибонуклеаза, която съдържа 124 аминокиселинни остатъци се извършва автоматично за около 6 седмици с общ добив ~ 17%. За лабораторен синтез времето е почти година.

Химични свойства на пептидите

Реакционната способност на пептидите с участието на NH2- и СООН-групите е подобна на тази на аминокиселините. Това дава възможност за извършване на пептиден синтез на по-висши пептиди от по-низши и за получаване на циклични пептиди от типа на 2,5-дикетопиперазините.

Хидролизното разкъсване на пептидната връзка става при каталитичното действие на Н+ или ОН- по механизъм, даден при амидите. Получават се свободни аминокиселини.

       

Белтъчни вещества  /протеини и протеиди /

Белтъчните вещества  -  това са високомолекулни природни съединения, молекулите на които са изградени главно от α-аминокиселинни остатъци, свързани с пептидни връзки. Белтъчните вещества, чиито молекули имат само пептидна структура и молекулна маса над 10 000, се наричат протеини. Белтъчни вещества, чиито молекули са изградени от полипептидна част и други (органични или неорганични ) остатъци, наречени простетични групи, се наричат протеиди. За живата клетка тези вещества имат първостепенно значение /от гр.protos пръв/. Молекулната маса на белтъчните вещества /протеини и протеиди / варира в широки граници  -  от 10 000 до 50 млн.

Класификация

Според формата на молекулите и физиологичната си роля белтъчните вещества могат да се класифицират, да се делят на две различни морфологични групи :

-         фибрилни белтъчни вещества  -  неразтворими във вода, с нишкообразна, влакнеста /фибрилна/ структура ;

-         глобулни белтъчни вещества  -  лесноразтворими във вода, със сферична, кълбообразна форма.

Фибрилните белтъчни вещества са  основен строителен материал на живата тъкан /както целулозата при растенията /. Общото им наименование е склеропротеини Например : кератина /роговото вещество / се намира в рогата, в космите /вълната/, ноктите, копитата, перата ; съдържа около 5% сяра, която идва от цистеина ; колагена – белтъчното вещество на костите, хрущялите, сухожилията и кожата ; съдържа много гликокол /глицин/ и при хидролиза дава желатин /избелен/ или туткал /ако е неизбелен/.

Глобулните белтъчни вещества изпълняват функциите по поддържане и регулиране на жизнените процеси в организма. Такива са някои протеини, протеиди, ензими, хормони и др. Напр.албумин – серум-албумин /в кръвта/, лакталбумин /в млякото/, яйчен албумин /в яйчения белтък/, хемоглобин и фибриноген /в кръвта/, инсулин /в панкреатичната жлеза / и мн.др.

Протеини  /прости белтъци /

Условната граница между протеини и протеиди и в молекулната маса на двата вида съединения. Съществени различия при тях се проявяват и в пространствената структура и физичните свойства. Така например, няма пречка по възпроизвеждането на химичния синтез на природни протеини, но стигне ли се до реализиране на конфигурационните особености там нещата почти винаги удрят на камък.

Структурата на протеините се разглежда от различни аспекти, което регламентира няколко структурни нива :

-   първична структура  -  това е последователността на свързване на аминокиселините в полипептидна верига ;

- вторична структура  -  конфигурацията на полипептидната верига в молекулата

- третична структура  -  пространствената структура на протиеновата молекула като цяло ;

- четвъртична структура  -  асоциация на повече протеинови молекули в определени комплекси /агрегати/ с по-голямо молекулно тегло.

Първичната структура на протеините е специфична за всеки протеин. Отделните протеини могат да съдържат от няколко десетки до стотици аминокиселинни остатъци в молекулите си.Първичната структура отразява конституцията /устройството/ на протеините. За установяване на тази структура се използват различни методи на разграждане, описани при пептидите. Чрез тях се определя състава и последователността на аминокиселинните остатъци в пептидната верига.

Вторичната структура на протеините показва каква е конфигурацията /ориентацията в пространството/ на пептидната верига. Тя се определя от първичната структура и е фиксирана посредством вътрешномолекулни водородни връзки между карбонилния кислород и азотния водород в една и съща верига. Чрез рентгеноструктурен анализ Полинг /1951 г/е установил, че чрез такива връзки се създават спирални структури. Това са устойчиви конформационни структури, наречени α-спирали или α-helix.

Третичната структура на протеините показват сумарната конформация или пространствената подреденост между две пептидни вериги, които се стабилизират чрез вандерваалсови сили между неполярни групи или чрез дисулфидни мостове. В много случаи могат да възникнат и електростатични взаимодействия или π, π-взаимодействия /напр.между две бензенови ядра на някои от аминокиселините /.

Четвъртичната структура в много случаи показва как няколко пептидни вериги, наречени субединици, се агрегират в по-големи комплекси, при което между тези субединици не съществуват никакви ковалентни връзки.

Третичната и четвъртичната структури на протеините са по-висш тип организация, чието съществуване се поддържа от локализацията между функционалните групи чрез кулонови и вандерваалсови сили, одни връзки, хидрофобни взаимодействия, дипол-диполни взаимодействия, дисулфидни мостове .

Физични свойства на протеините

Освен различията в тяхната разтворимост, някои от свойствата на протеините са свързани и с промяна на тяхната структура. Макроструктурата на белтъка се определя от доста крехкото равновесие между различните сили на привличане и отблъскване, които действат между тези биополимери и октръжаващата я водна среда. Белтъчните вещества из разтвор, в който те са колоиди, могат да коагулират в гел по няколко начина. Явлението коагулация се изразява в утаяването на протеиновите молекули от техния колоиден разтвор под действието на т.нар.електролити /киселини, основи, соли /.Едни от така получените утайки са обратими, т.е.те наново могат да преминат в разтвор. В такъв случай се приема, че белтъка не е претърпял промяна и е идентичен с първоначалния. Други утайки не се разтварят обратно във вода. Тогава се говори, че утаяването е необратимо. Когато коагулацията е необратим процес се говори за пептизация /под действието на електролити/, а когато е необратим процес говорим за денатурация. Денатурация се извършва при : а) повишение на температурата ; б) изменение на рН на средата ; в) наличие на окислители или редуктори, които разрушават дисулфидните връзки ; г) внасянето на детергенти или други ПАВ, които нарушават хидрофобните мзаимодействия между молекулите на водата и белтъка ; д) добавянето на силни акцептори на водородни връзки /алкохол, карбамид, танини и др./ ; е) физични взаимодействия /ултравиолетово облъчване, ултразвук и др./. При денатурацията имаме промяна както в конформационния, така и в химичния състав на структурата на молекулата на белтъка.

Съществуват няколко начина за откриване ва белтъчни вещества в разтвори. По-важни от тях са утаечните и цветните реакции.Утаечните реакции се извършват при наличие на :  а) соли на тежки метали като живак, олово, кадмий, цинк и др.; б) киселини ; в) алкохол, ацетон и др. Цветните реакции за откриване на белтъчните вещества са следните :

-   биуретова реакция  -  добавя се меден сулфат към силно алкален разтвор на белтъчното вещество ;  важи за съединения с повече от две аминогрупи;

-   ксантопротеинова реакция  -  извършва се с конц.азотна киселина ; извършва се нитриране в ароматно ядро /напр.при аминокиселини, съдържащи бензеново ядро като тирозин, триптофан, хистидин / ;

-   милонова реакция  -  работи се с меркуринитрат в кон.HNO3 ; тази реакция се дължи на хидроксифениловата група на тирозина ;

-   реакция на Паули  -  Na2CO3 + диазобензенсулфонова киселина ; появява се червено оцветяване, което се дължи на купелуване на диазониевата сол с тирозина или хистидина ;

-   реакция на Адамкевич, Хопкинс, Коле  -  глиоксалова киселина + сярна киселина ; дава синьовиолетово оцветяване поради кандензиране на алдехидната група с индоловия пръстен на триптофана ;

-   оловносулфидна реакция  -  работи се с оловен ацетат в алкална среда ; появява се тъмносива утайка от PbS ; сярата е от сярасъдържащите аминокиселини ;

-   нинхидринова реакция  -  с разтвор на нинхидрин белтъците дават синьо оцветяване

Протеиди /сложни белтъци /

Молекулите на протеидите са изградени от свързани полипептидни вериги и други /органични или неорганични/ остатъчни групи /простетични групи/. Те биват :

-   фосфопротеиди  -  съдържат фосфорна киселина, която е свързана солеобразно или естерно ; напр.казеина на млякото или вителина в яйчния жълтък ;

-         хромопротеиди  - съдържат цветни групи, напр.хемоглобина и др.;

-         гликопротеиди  - съдържат въглехидратна група, напрмуцините в слюнката ;

-         липопротеиди  -  съдържат мазнини ;

-   нуклеопротеиди  -  съдържат нуклеинови киселини, свързани солеобразно с белтъчни молекули. Нуклеопротеидите са главна съставна част на клетъчното ядро. Те имат кисел характер. Тук спадат вирусите,напр.на полиомиелита на тютюневите листа и др.

Нуклеинови киселини

Нуклеиновите киселини са важна съставна част от живата клетка. Тяхната роля в клетката е двояка : те съдържат и предават наследствените белези /генетична информация / на организма и вземат определящо участие в биосинтезата ва белтъчните вещества.

Макар че химически нуклеиновите киселини рязко да се отличават от белтъците, те все пак са сходни в едно  -  в молекулите на всички нуклеинови киселини се намира еднаква по природа /но не и по големина/ дълга верига, явяваща се скелет на молекулата, а към този скелет са прикрепени различни групи, последователността и разновидността на които са специфични за всяка нуклеинова киселина.

Ако скелета на белтъчната молекула е полипептидната верига, то скелета на нуклеиновите кисделини е една полиестерна верига /полинуклеотидна верига/. Естерните връзки се образуват между фосфорната киселина /която се явява киселинен остатък/ и въглехидрат /който се явява алкохолен остатък / :

      

Два са въглехидратите, които се намират в нуклеиновите киселини : D-рибоза – за класа нуклеинови киселини, наречени рибонуклеинови киселини /РНК/ и D-2-дезоксирибоза – за класа, наречен дезоксирибонуклеинови киселини /ДНК/.Въглехидратите се намират във фуранозна форма и са свързани с фосфорната киселина чрез С3- и С5-хидроксилни групи.

Към всеки С1 /гликозидния С-атом/ от въглехидратите е присъединена азотна база. Обикновено това са хетероциклени съединения. Звеното база-въглехидрат се нарича нуклеозид, а звеното база-въглехидрат-фосфорна киселина  -  нуклеотид :

                                                       нуклеотид

                         

                                           нуклеозид

В /база/ = цитозин, тимин, аденин, гуанин, урацил /при РНК/.

                                  

                                       Фрагмент от молекула на ДНК

Макромолекулата на ДНК е изградена от остатъци на 4 вида нуклеотиди, наречени : А-нуклеотид, Г-нуклеотид, Ц-нуклеотид и Т-нуклеотид. Тези нуклеотиди са свързани чрез естерни връзки като двата им края са означени като 5-край, съдържащ ОН-група от фосфатен остатък и 3-край, съдържащ ОН-група от фуранозния остатък. Броят на нуклеотидните звена във веригата на ДНК може да бъде от 1000 до 30 000. За последователността на свързване на четирите вида нуклеозиди /първична структура/ е установено, че броят на А-нуклеотидите е равен на броя на Т-нуклеотидите, а броя на Г-нуклеотидите на този на Ц-нуклеотидите. Този факт, както и рентгеноструктурен анализ дават основание да се твърди, че макромолекулата на ДНК е изградена от две спираловизни полиестерни вериги /вторична структура/, разположени антипаралелно. В кухината на двойната спирала се разполагат нуклеотидните остатъци А, Т, Г, Ц от двете вериги. Между А от едната верига и Т от другата, както и между Г и Ц се образуват водородни връзки /напр.О---Н-N или N---H-N /.

По същия начин е изградена и макромолекулата на РНК с тази разлика, че при ней се използва и базата урацил. РНК бива информационна и транспортна. РНК се синтезира в ядрото на клетката и структурата и се определя от генетичната информация, предадена от ДНК. РНК в ядрото се нарича рибозома. Дадена рибозомна РНК става информационна, когато нейната верига служи като матрица, която определя реда на свързване на аминокиселините в даден тип белтък.

По такъв начин структурата на нуклеиновите киселини определя структурата на молекулата на белтъка. С други думи, нуклеиновите киселини играят важна роля в жизнените процеси. В последно време се появиха експериментални данни, показващи, че нуклеиновите киселини са отговорни за химията на паметта  -  от най-простите червеи до висшите бозайници.

Липиди

Липидите са природно срещащи се органични молекули, изолирани от клетките и тъканите чрез екстракция с неполярни органични разтворители.Това определение ги отделя от въглехидратите и белтъчните вещества.

По същество липидите /от гр.lipos тлъстина и eidos- вид/ са естери или амиди на висши алканови или алкенови карбоксилови киселини. Липидите са полифункционални съединения  -  съдържат или само алкоксикарбоксилови групи, или алкоксикарбонилни и алкоксифосфорни, или алкоксифосфорилни и амидни. Според химичния си състав и физиологичните функции те се делят на две групи :

- такива, приличащи на мазнини и восъци и които съдържат естерни връзки и могат да бъдат хидролизирани.Това са простите липиди /мазнини и восъци /  и

-  такива, приличащи на холестерола и други стероиди, ксоито нямат естерни връзки и не се хидролизират. Това са сложните липиди – фосфолипиди и гликолипиди

Мазнини

Те представляват естери на монокарбоксилови киселини (алканови или алкенови, съдържащи обикновено до С24-атома) и глицерол. Наричат се още ттриглицериди. Идентифицирани са повече от 100 различни мастни киселини, които се естерифицират от глицерола – 40 от тях се срещат по-често. Най-често се срещат :

С15Н31СООН  палмитинова киселина

С17Н35СООН  стеаринова ксиселина

С17Н33СООН  олеинова киселина /с една двойна връзка/

С17Н31СООН  линолова киселина /с две двойни връзки/

С17Н29СООН линоленова киселина /с три двойни връзки/

Когато имаме ненаситени киселини в триглицеридите тези киселини са в цис-форма. За отбелязване е, че транс-формите (напр.елайдиновата киселина, изомер на олеиновата) не се усвояват от организма.

Триглицеридите биват два вида :  прости триестери /на една и съща киселина/ и смесени триестери /на различни киселини/. Имената им се образуват от основата на името на съответната киселина и окончанието –ин :

            

                    тристеарин                              бутиропалмитоолеин

               /прост глицерид /                            /смесен глицерид/

Според агрегатното си състояние мазнините се делят на масти, които са твърди вещества и масла – течни вещества.

Свойства и приложение на мазнините

Едно от най-важните свойства на мазнините е хидролизата  -  реакция с промишлено значение. Когато хидролизата се извършва с алкална основа процесът се нарича осапунване, тъй като продукти на реакцията са соли на висшите мастни киселини /сапуни/ и глицерол :

                                                        глицерол                     натриеви  сапуни

На какво се дължи миещото свойство на сапуните ?

На доброто им емулгиращо действие върху мастната фаза /която всъщност е онечистването/ във вода поради факта, че неполярните части на сапуна / - R / се разтварят в мастната фаза, а карбоксилните групи  -  във водата :

             

По този начин обвитите с йонна обвивка маслени капки образуват устойчива емулсия във водата.

При обработка на сапуните с минерални киселини или под действието на ензима липаза се получават смеси от свободни карбоксилови киселини. При редукция на тези киселини се получават висши алкохоли с С1218-атоми, които след естерификация със сярна киселина дават кисели алкилсулфати. Техните Na-соли също са добри миещи вещества, наречени детергенти.

Мазнините с алкенови, алкадиенови и алкатриенови карбоксилови остатъци        / напр.лененото, памучното и др.растителни масла/ са известни като съхливи масла и са важен компонент на блажните бои и лакове. Съхненето на маслата /съответно на боите и лаковете/ е химичен процес на окисление и полимеризация на глицеридите под действие на кислорода от въздуха. Процесът се ускорява от катализатори /сикативи/ и протича вероятно по радикалов механизъм. Такъв процес на полимеризация на съхливи масла се среща при приготвянето на линолеуми  -  памучен плат, импрегниран с окислено съхливо масло, смесено с оцветители, колофон и пълнители.

Съхливите масла /растителни или др.мазнини/ се подлагат в промишлени условия на хидриране /напр.с Н2 /Ni при 1800 и налягане/, при което се превръщат в твърди мазнини  -  масти. Този процес е в основата на производството на маргарина  -  емулсия на хидрирани растителни масла във вода и малко мляко.

Восъци

Восъците представляват естери на висши монокарбоксилови киселини с висши едновалентни алкохоли. Биват животински и растителни восъци. Животински са : 1) Пчелен восък – изграждащ пчелните килийки в кошерите ; 2) Китайски насекомов восък-добива се в големи количества ; 3) Китов спермацет – намира се в черепната кухина на китовете; употребява се главно за приготвяне на луксозни свещи ; 4) Вълнен восък – като съставна част на вълнената мас; в него се съдъпжа и алкохола холестерол. Растителни восъци са : 1) Карнаубов восък – образува се под формата на прах върху листата на палмата Copernica cerifera; поради високата т.к. и водонепропускливост този восък е един от ценните компоненти на подовите восъци и копирните хартии ; 2) Планински восък – намира се в някои каменни въглища и катрани като парафин ; употребявал се е главно като електроизолатор ;

Восъците намират приложение за направата на свещи, на восъчни фигури, за приготвяне на кремове за обувки, за мазане на паркет и мебели и др.

Фосфолипиди  /фосфатиди/

По състав и структура наподобяват мазнините. Делят се на две групи  -  естерни и ацетални.

Естерни фосфолипиди

Изградени са от глицерол, естерно свързан с висши мастни киселини и аминофосфат. Важни техни представители са лецитините и цефалините /кефалини/ със следната обща формула :

                        

където R е остатък от палмитинова или стеаринова киселина, R’’ е ненаситена киселина, а R е Н или СН3 ; n = 1, 2. Лецитините съдържат остатък от аминоалкохола холин [ HO-(CH2)2-N+(CH3)3 ]OH-, а цефалините  -  естерно свързан 2-аминоетанол /коламин/ или аминокиселината серин / HOCH2CH(NH2)COOH /.Структурата на фосфолипидите има биполярен характер /бетаинова структура /

Лецитините имат амфотерни свойства и при хидролиза се разпадат до висши мастни киселини, холин и глицерофосфорна киселина. В организма те играят важна биологична роля  - с въглехидрати, гликозиди, белтъци и алкалоиди образуват адсорбционни и абсдорбционни “съединения”, които имат добри проникващи способности през клетъчните мембрани. Лецитините притежават добри емулгиращи свойства спрямо мазнините.

Ацетални фосфолипиди

При тях глицеролът е ацетално свързан с висши алдехиди и естерно с фосфорна киселина :

                                         

където R е палмитинов или стеаринов остатък, а R е Н или алкил.

Тези фосфолипиди също влизат в състава на клетъчните мембрани. Намират се главно в мозъка и нервните тъкани и тогава се наричат сфингомиелини.

Изопреноиди /терпени /

Терпените са особен род органични съединения. Общо взето те се изолират от етерични масла /обикновено чрез дестилация с водна пара /. Много от етеричните масла са се използвали като парфюми, ароматизатори и лечебни средства много преди химията да започне да ги изучава. През 1818 г  беше намерено, че природен продукт, изолиран от борова смола има съотношение С : Н = 5 : 8. Този природен продукт е познат като терпен /оттам и терпентин – също изолиран от борова смола или евкалиптово масло /.

През 1877 г германския химик Ото Валах определя структурата на терпените и открива общ структурен белег  -  всички те се състоят от две или повече изопренови единици /изопрен – 2-метил-1,3-бутадиен/. Свързването на тези изопренови единици става или “глава” с “опашка”, или “глава” с “глава”, или “опашка” с “глава”.

                                           

                                                    “глава”  “опашка”

Понякога тези изопренови единици се свързват не само във вериги, но сключват и цикли. Много терпени съдържат и функционални групи /обикновено –ОН или –СНО или –СООН/ и тогава се наричат терпеноиди.

Класификация на терпените

Според състава на молекулите си, изразен чрез една изопренова молекула или според броя на С-атоми в тях, терпените се класифицират по следния начин :

Монотерпени  - димери на изопрена с С10-атома ;

Сескитерпени  - тримери (1.5 монотерпени) с С15-атома ;

Дитерпени – тетрамери с С20-атома ;

Тритерпени – хексамери с С30 – атома ;

Политерпени – полимери на изопрена или (С5Н8)n .

От друга страна те могат да бъдат ациклени /с права верига – алканови, алкенови, алкадиенови и др./ и алициклени или пръстенни /еднопръстенни, двупръстенни и т.н./.

С цел по-ясно да се изрази генетичната връзка в структурата на ациклените /правоверижните/ терпени, молекулните им форми ще се описват в полуцикличен вид. Например молекулата на монотерпена мирцен :

                             

Пунктираните линии тук разграничават отделните изопренови остатъци.

Монотерпени

Представители на ациклените монотерпени са мирценът и неговия изомер оцимен. Те се срещат най-често в етеричните масла, напр.хмелово масло; оцименът се среща и в босилковото масло, а мирценът – в лавровото масло.

                                

                                               мирцен                             оцимен

Към тази група спадат и множество терпеноиди :

                            

                                гераниол                    нерол                   цитронелол

                            

                           гераниал                   нерал                    цитронелал

Някои от тези терпеноиди зе намират в розовото масло /гераниол, цитронелол/, вбергамотовото масло /нерол/, в лимоновото масло /цитронелол, цитронелал/.

   Моноциклични монотерпени. Съединенията от тази група се разглеждат като диенови производни на въглеводорода ментан / 4-изопропил-1-метилциклохексан/ :

                          

                    

              Δ1,3-ментадиен    Δ1(7),3-ментадиен    Δ1,4(5)-ментадиен   Δ1,5-ментадиен

             /α-терпинен /          /β-терпинен /           /γ-терпинен/

                           

                       Δ1(7),5-ментадиен      Δ1,4(8)-ментадиен        Δ1,8(9)-ментадиен

                                                                                                     /лимонен /

В тези формули наличието на двойните връзки се означава с гръцката буква Δ, а с цифри се отбелязва положението на π-връзката.  

Към тази група принадлежат и някои моноциклични терпеноиди :

                               

                                      ментол               ментон             карвон

(+)-Лимоненът се съдържа в кимионовото масло, а (-)-лимонена е основна съставна част на маслото от листата /игличките/ на смърч. (-)-Ментолът е съставна част от ментовото масло и има характерния вкус и миризма на мента. Той е слаб антисептик. Промишлено се получава чрез хидриране на тимол.

Бициклични монотерпени

Тези терпени се делят на 4 групи и са ненаситени производни на въглеводородите туйан, каран, пинан и камфан :

                     

                          туйан                 каран                пинан               камфан

Терпените, производни на туйана са α-туйан и β-туйан :

                                            

                                                    α-туйен            β-туйен

Каранът също има два изомерни производни терпена :

                                            

                                          Δ3-карен        Δ4-карен

α-Пиненът и β-пиненът са терпените, производни на пинана, а терпенът борнилен е производен на въглеводорода камфан :

                                

                                     α-пинен             β-пинен            борнилен

В етеричните масла на хвойната, елата и др.се срещат терпените от карановата и пинановата групи. α-Пиненът е най-разпространеният в природата и има промишлено значение.

От бицикличните терпеноиди по известни са следните кетони :

                   

                        туйон                   карон                 вербенон              камфор

Туйонът като рацемат се намира в целината. Той има нервно-токсично деаствие. Каронът не се среща в природата. Камфорът се намира в камфоровото дърво, което вирее в Япония. Получава се и синтетично от α-пинен чрез превръщането му в борнеол и последващо окисление. Камфорът се използва в медицината /възбужда сърдечната дейност/, в пластмасовата промишленост като пластификатор и др.

Каротеноиди  

Това са по-дълговерижни терпени.Повечето каротеноиди съдържат 40 въглеродни атома и могат да се разглеждат като тетратерпени. Те имат множество спрегнати двойни връзки и поради това са цветни съединения. Всички каротеноиди намерени в природата са с trans-конфигурация на двойните си връзки. По важни от каротеноидите са :

                   

                                                            ликопен

                   

                                                 γ – каротен

                   

                                                  β-каротен

                   

                                                 α-каротен

Ликопенът е червеното багрило на доматите и шипките. Той съдържа 13 двойни връзки /повечето спрегнати – хромофорни групи /.И трите изомерни каротена са изолирани от морковите. В организма β-каротена се разпада на 2 молекули витамин А и затова го наричат провитамин А.

Представители на по-дълговерижните терпеноиди са :

Фитол. Получен е при хидролиза на хлорофил. Съдържа само една двойна връзка. Фитолът е безцветно висококипящо вещество.

                             

                                               фитол

Вит.А /ретинол, аксерофтол/. Съдържа се в рлибеното масло, яйчния жълтък, морковите и млякото. Той се получава в животинския организъм чрез разпадане на β-каротен под действието на ензима каротеназа. Разпадането става чрез окислително разкъсване на централната С = С-връзка. За първи път е изолиран от Карер /1931 г/ от маслото, намиращо се в черния дроб на риба. Вит.А е необходим за нормалния растеж на човека и млекопитаещите и играе важна роля във фотовъзприемчивостта на ретината на окото. Недостигът на вит.А води до отслабване на зрението в сумрак, т.нар.”кокоша слепота”, а липсата на вит.А води до ксерофталмия – изсъхване на роговицата и ослепяване.

                                  

                                                      ретинол /вит.А/

От дитерпеновите /С20-ат./ трициклени съединения практическо приложение има само абиетиновата киселина :

                                             

Абиетиновата киселина се намира в смолата на боровете и е основна съставна част на колофона. Използва се при приготвяне на лакове и сапуни.

Стероиди

Стероидите се намират в пряка връзка с изопреноидите, защото те могат да се разглеждат като едни тетрациклени терпеноиди. Притежават въглеродния скелет на един циклопентанперхидрофенантрeн. Въглеводорода с такъв скелет се нарича стеран

                                      

                                                             стеран

От стерана, чрез последователно заместване на водородни атоми на определени места с СН3- или други алкилови групи1 са получени неговите производни естран, андростан, прегнан, холан и холестан :

            естран                                         андростан                                           прегнан

            

                                  холан                                                          холестан

Всеки от тези въглеводороди е родоначалник на съответна група стероиди. Например :

холестан  -  основен въглеводород на стеролите ;

холан  -  основен въглеводород на жлъчните киселини ;

прегнан  -  основен въглеводород на гестагените и хормоните на надбъбречната жлеза ;

андростан  -  основен въглеводород на андрогените /мъжки полови хормони/ ;

естран  -  основен въглеводород на естрогените /женски полови хормони /.

Стероидите са биологично важни природни съединения и играят съществена роля в жизнената дейност на животни и растения. Въз основа на биологичното действие стероидите се делят на :  стероли /стерини/, жлъчни киселини, полови хормони, хормони на надбъбречната жлеза, сърдечни агликони, дигиталисови /жабешки/ отрови и стероидни алкалоиди.

Стероли

Тези съединения са производни на холестана и биват растителни и животински. Животинският стерол е холестеролът /холестерин/ :

                              

Холестеролът се намира в почти всички тъкани на живия организъм в свободно състояние или като естер на някои киселини. Най-голямо е съдържанието му в мозъка.Неговото натрупване по стените на кръвоносните съдове води до нарушаване на кръвообръщението – настъпва заболяването атеросклероза.

Изследвания са показали, че в организма съществуват липопротеини с ниска плътност /LDL’s / и липопротеини с висока плътност /HDL’s /, които служат като носители на холестерола от и към черния дроб  Съществуват доказателства,че LDL’s пренася холестерола към периферните тъкани, докато HDLs отстранява холестерола от клетките и го транспортира обратно в черния дроб. Ако LDL’s доставя повече холестерол, отколкото е необходимо, а HDLs престава да го отстранява, но излишъка се натрупва по стените на артериите /атеросклероза/.

От структурните аналози на холестерола по-важни са 7-дехидрохолестерола и ергостерола :

           7-дехидрохолестерол                                                    ергостерол

Първият се съдържа в нервните тъкани на животните, а ергостерола  -  в дрожди и гъби. В организма чрез биотрансформация или при облъчване с ултравиолетова светлина тези стероли се превръщат в свои изомери. Например :

калциферол /vit. D2 /

Също и холекалциферол  /вит.D3 /. Следователно тези стероли /ергостерола и 7-дехидрохолестерола/ са предшественици или провитамини на витамините от групата D. Най-активни от тази група са именно витамините D2 и D3. Те са необходима съставна част от храната на човека и регулират усвояването на калция и съответно растежа на костите. Недостигът на витаминвите ог групата D води до болестта на костната система рахит . Богати на вит.D са рибените масла, яйцата, млякото и други продукти.

Полови хормони

Половите хормони са стероиди, които се образуват в гонадите /яйчници и тестикули / и стимулират на свой ред хормоните с пептидна структура,които се отделят в кръвния поток от предната част на хипофизата. Тези стероиди са отговорни за развитието на половите белези и половите чувства у мъжките и женските индивиди. Хормоните на половите жлези съ съответно мъжки и женски и са производни на андростана и естрана. Женските полови хормони се наричат естрогени, а мъжките  -  андрогени. По-важни андрогени са :

       

                         андростерон                                        тестостерон

А от естрогените /женските полови хормони / по-важни са следните :

          естрон                    естрадиол                       прогестерон

      /фоликулин/                                                      /лутеостерон/

Изолирането на естрадиола е един истински подвиг на органичната химия. По-малко от 12 мг вещество са изолирани от около 8 тона свински яйчници.

Вторият тип женски полови хормони, нар.прогестерон, се явява секрет на жълтото тяло (corpus luteum) – един от тъканите на яйчниците.Този хормон участва в подготовката и запазването на бременността.

От мъжките полови хормони тестостерона и андростерона са главни членове. Тестостеронът се явява екскрет на тестикулите. Той е първичният хормон.Андростеронът се образува от него и се отделя с урината. Около 10 мг тестостерон са отделени от 100 кг тъкани от тестикули на бик.

Понастоящем всички тези хормони и някои техни аналози, получени по синтетичен път служат като важни медицински препарати. Така напр., естронът и тестостеронът се използват като тонизиращи и лечебни средства при недостатъчна продуктивност на полови хормони, при хормонални заболявания или при преходната възраст /климактериума/. Прогестеронът предпазва от отхвърляне на зародиша и обезпечава нормалното протичане на бременността. В организма всички тези хормони се изработват под въздействие на “гонадотропни хормони”, отделящи се от хипофизата. Отстраняването на хипофизата или на гонадите води до угасване на половите функции.

Хормони на надбъбречната жлеза /кортикостероиди /  

Докато “мозъчното вещество” на надбъбречната жлеза отделя хормона адреналин , то кората на тази жлеза отделя в кръвта цяла серия (около 40) стероидни хормони,  без които е невъзможно функционирането на живия организъм. По-важните от тях са кортикостеронът и кортизонът :

              

                        кортикостерон                           кортизон

Кортизонът играе важна роля за въглехидратната обмяна в организма, а именно в синтезата на гликоген /животинското нишесте/ и превръщането на белтъците във въглехидрати. Участва също така в извеждането на водата от организма. Кортикостеронът пък поддържа нормалния солеви баланс в организма / съотношението K+: Na+/. От медицинска гледна точка по-важен е кортизона, който е важно средство за лечение на ревматизъм и артрити. Синтетичният аналог на кортизона преднизон притежава същите свойства и също се използва в медицината.

Синтетични контрацептиви и анаболни препарати

През 1946 г Карл Джераси, американски учен, роден във Виена, но с български корени, показва, че някои деривати на холестерола могат да бъдат прегрупирани до естронови хомолози като напр.1-метилестрадиол :

                                       

С такива и подобни препарати може да се симулира състояние, подобно на бременност, когато се спира овулацията и тогава оплождането е невъзможно.На този принцип се основава действието на оралните контрацептивни средства. Днес повечето противозачатъчни хапчета са смес от две съединения : синтетичен естроген /етинилестрадиол / и синтетичен прогестерон /норетиндрон/ :

      

                     етинестрадиол                                            норетиндрон

Анаболните стероиди пък са синтетични андрогени, които имитират тъканния растеж на природния тестостерон. Такива са станозолола и дианабола :

   

                      Станозолол                                                 Дианабол

Алкалоиди

Алкалоидите са азотсъдържащи основи, които се намират главно в растенията. Наименованието им е свързано с техния основен /алкален/ характер. В растенията алкалоидите се съдържат предимно като соли на органичтни киселини. Много алкалоиди имат специфично физиологично действие върху животинския и човешкия организъм. От дълбока древност алкалоидсъдържащите дроги се употлебяват като лекарствени, наркотични и вкусови вещества.

Добиването на алкалоидите се извършва чрез обработване на раздробените растителни части или техни водни извлеци с основи. При това алкалоидите се освобождават от солите и техното изолиране е възможно чрез екстракция с органични разтворители или чрез дестилация с водна пара. Много често алкалоидите се утаяват из техни водни разтвори като пикрати, фосфати, фосфоволфрамати или като чисти субстанции.

Повечето алкалоиди са хетероциклени съединения. Класифицирането на алкалоидите се извършва или според растенията, в които се съдържат, или според лежащите в основата им хетероциклени системи (пиридин, тропан, хинолин, индол и др.). Понастоящем са познати около 3 000 алкалоида.

Алкалоиди, производни на фенилетиламина

                  ефедрин                                                               мескалин

Ефедринът се съдържа в тропическия храст Ephedra vulgaris. Той действа съдоразширяващо на сърдечно-съдовата система и бронхите. Почти всички лекарства, успокояващи кашлицата, съдържат ефедрин. Мескалинът се намира в кактусите от рода Anhalonium. Този алкалоид предизвиква цветни халюцинации и причинява смущения в зрението. В медицината се използва за лекуване на болезнена меланхолия

Алкалоиди, производни на пиридина, пиперидина и пиролидина

       никотин                                           кониин

Никотинът се съдържа с още десетина алкалоида в листата на тютюна /Nicotiana tabacum / в количество от 0.6 до 2 %. В махорката /Nicotiana rustica / никотинът е в по-голямо количество – 8-10 %.Влияе върху вегетативната нервна система (повишава кръвното налягане поради стесняване и свиване на кръвоносните съдове ). Леталната доза е 30 – 60 мг. Често се използва за борба с насекоми.Никотинът е оптически активен [α ]D20 = -1690.

Кониинът се съдържа в петнистия бучиниш /Conium maculatum / и също е силно отровен. Той парализира краищата на двигателните и сетивни нерви. В древна Атина с воден извлек от бучиниш са привеждали в изпълнение смъртните присъди. През 399 г пр.н.е.Сократ е бил принуден да изпие чаша с тази отрова. Също както и никотина притежава оптическа активност.Кониинът е първият синтетично получен алкалоид.

Лобелин. Този алкалоид се съдържа в растението лобелия /Lobelia inflata /, което вирее в прериите на Североамериканските щати. Лобелинът възбужда дишането и се прилага в медицината при задушаване, особено когато е причинено от вземане на наркотици.

                     

                                                   лобелин

Пиперин. Това е основният алкалоид в черния пипер и е носител на вкусовите му качества.

                      

                                                           пиперин

Алкалоиди от тропанов тип

 Атропин. Съдържа се в старо биле /Atropa belladonna/ и в татула /Datura stramonium/. N-Метилзаместеното му хетероциклено ядро се нарича тропаново и може да се разглеждза като съставено от два пръстена – пиролидинов и пиперидинов с общ азотен атом. Атропинът действа разширяващо на зеницата и затова намира приложение в офталмологията. Освен това той парализира всички нервни окончания

                                

                                                        атропин              

които се възбуждат от алкалоида мускарин и затова атропинът служи като противоотрова при отравяне с мухоморка. Атропинът намалява също дейността на някои жлези – напр.отделянето на слюнка и пот.

Кокаин.  Той е главният алкалоид на перуанския храст Erythroxylon coca, от където през 1862 г го е изолирал Вьолер. Кристалите му са безцветни с леко горчив вкус. Кокаинът парализира краищата на чувствителните нерви. Неговият хидрохлорид

                                

                                                                кокаин

се е използвал по-рано като локален /местен/ аналгетик.Той се числи към наркотиците. Продължителното му приемане води до пристрастяване /кокаинизъм/. При смъркане поразява централната нервна система като предизвиква главозамайване, възбуждане и парализа. Голяма доза предизвиква смърт поради парализа на дихателните центрове. При животните и човека кокаина силно повишава температурата на тялото.

Скополамин. Както и атропина и скополамина притежава мидриатични свойства и парализира нервната система. За разлика от атропина при приемане на

                            

                                                   скополамин

скополамин състоянието на депресия не се предшества от възбуждане. На този факт се основава използването на скополамина като успокоително средство / в комбинация с морфина се използва и като наркоза/. Съставна част е на лекарството аерон – против морска и въздушна болест.

 Алкалоиди от хинолинов тип

Към алкалоидите от този тип спадат около 30 алкалоида, наречени хиналкалоиди. Те се съдържат в корите на южноамериканските растения Cinchona  /хининови дървета/.Тези растения са наречени на графиня Цинхон, съпруга на испанския вицегубернатор на Перу. Тя е първата европейка, на която са дали извлек от корите на дървото като средство за понижаване на температурата. На местните туземци действието на дрогата е било познато от древни времена.

Хининът е безцветно, трудноразтворимо във вода вещество. Изолиран е през

                                  

                                                                             хинин

1820 г  и е използван като антипиретик. Дълго време той е бил единственото средство срещу остра малария /маларийна треска/. От 1926 г в употреба се вкарва и синтетичния противомалариен препарат плазмохин. Той превъзхожда по своето действие хинина, като унищожава половите форми на причинителя на маларията – маларийния плазмодий.

                                             

                                                             плазмохин

            Алкалоиди от изохинолинов тип

Източник на около 25 алкалоиди от този тип е познатия от III век пр.н.е.опиум, който представлява изсушен млечен сок от неузрели макови главички ( Papaver somniferum).

Папаверин – оптическинеактивен, почти неразтворим във вода, но лесно се разтваря в хлороформ. По своето физиологично действие е близък до морфина и кодеина, но е по-слаб от тях. Използва се в медицината Като спазмолитик /противогърчово средство/. Използва се и при бъбречни и жлъчни кризи.

                                           Папаверин

Морфин – първият алкалоид, получен в чисто състояние. Изолиран е от опиума в 1806 г, но строежа му е разчетен много по-късно. Морфинът, както и кодеинът се явяват производни на фенантрена. Формулата на морфина /и на кодеина/ е предложена от Робинсън и е следната :

                                             Морфин

Морфинът действа главно върху централната нервна система на човека. Той е успокояващо средство, а в по-големи дози е наркотик /прекратява дейността на чувствителните периферни нерви и затова има голямо практическо значение Като болкоуспокояващо средство.

При повторно използване на морфина бързо се привиква и организма става способен да понася по-големи дози от този наркотик. Продължителното действие на морфина предизвиква тежки явления /изсъхване на тялото, отслабване, затъпяване/. Доколкото опиянението с морфин за много хора може да представлява приятно състояние, това създава голяма опасност от пристрастяване /морфинизъм/.

Кодеин – монометилов етер на морфина . Метилирана е хидроксилната група при ароматното ядро. Кодеинът действа успокоително на раздразнените дихателни пътища и се употребява против кашлица. За същата цел се използва и хероинът.

            

                               Кодеин                                                         Хероин

Ацетилираният морфин /хероин/ е един от най-силните наркотици, предизвикващ много бързо пристрастяване.

Алкалоиди от индолов тип

Йохимбин – намира се в растението Corynanthe yohimbe.Действа съдоразширяващо и е силен афродизиак. Влияе силно върху потентността на мъжете.

Стрихнин – намира се в семената на растението Strychnos nux vomica. Силно отровен е и служи за борба с гризачи.

Диетиламид на лизерговата киселина /LSD/- психоактивно вещество. Предизвиква силни шизофренични цветни халюцинации.

          

                         Йохимбин                                                  LSD

                                

 

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 9104
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Distribuie URL

Adauga cod HTML in site

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2014. All rights reserved