Ароматична зв'язок присутній в молекулі. Теоретичні та експериментальні критерії ароматичності і антіароматічності. Найважливіші стероїдні гормони

Детальна програма лекцій і
коментарі до другої частини курсу

Детальна програма лекцій і коментарі до другої частини загального курсу лекцій з органічної хімії(ППЛ) засновані на Програмі загального курсу органічної хімії, розробленої на кафедрі органічної хімії хімічного факультету МГУ. ППЛ розкривають наповнення другій частині загального курсу лекцій фактичним матеріалом з теорії та практиці органічної хімії. ППЛ призначена в першу чергу для студентів 3 курсу, які бажають добре і досить швидко підготуватися до іспитів і колоквіум і зрозуміти, який обсяг знань повинен мати студент для отримання відмінної оцінки на іспиті. ППЛ підготовлені таким чином, що обов'язковий матеріал програми надрукований нормальним шрифтом, факультативний матеріал - курсивом, хоча слід визнати, що такий розподіл іноді є досить умовним.

Однією з цілей даного посібника є допомога студентам правильно і акуратно скласти конспект лекції, структурувати матеріал, зробити правильні акценти в запису, відокремити обов'язковий матеріал від другорядного при самостійній роботі з конспектом або підручником. Необхідно відзначити, що незважаючи на широке розповсюдження сучасних методів навчання і доступність різноманітного навчального матеріалу в підручниках і в Інтернеті, тільки самостійна наполеглива, якщо не сказати важка робота по конспектування (лекцій, підручників, інших матеріалів), робота на семінарах, самостійне написання найважливіших рівнянь і механізмів, і самостійне рішення синтетичних завдань здатне привести до успіху у вивченні органічної хімії (та й інших предметів). Автори вважають, що прослуховування курсу лекцій створює основу для вивчення органічної хімії і охоплює всі теми, які виносяться на іспит. Однак, прослухані лекції, так само як і прочитання підручники залишаються пасивним знанням доти, поки не відбудеться закріплення матеріалу на семінарах, колоквіумах, при написанні тестів, контрольних робіт і аналізі помилок. У ППЛ відсутні рівняння хімічних реакційі механізми найважливіших процесів. Цей матеріал доступний на лекціях і з підручників. Кожен студент повинен добувати якісь знання самостійно: написати найважливіші реакції, механізми і краще не один раз (самостійна робота з конспектом лекцій, з підручником, колоквіум). Тільки те, що купується шляхом самостійної кропіткої роботи запам'ятовується надовго і стає активним знанням. Те, що легко дістається - легко губиться або забувається, причому це справедливо не тільки по відношенню до курсу органічної хімії.

Крім матеріалів програмного характеру дана розробка містить ряд допоміжних матеріалів, які демонструвалися на лекціях і які необхідні, на думку авторів, для кращого розуміння органічної хімії. Ці допоміжні матеріали (цифри, таблиці та ін.), Навіть якщо вони надруковані нормальним шрифтом найчастіше не призначені для буквального запам'ятовування, але потрібні для оцінки тенденцій зміни властивостей або реакційної здатності органічних сполук. Оскільки демонстровані на лекціях допоміжні матеріали, цифри, таблиці буває важко повністю і якісно записати в конспект, розміщення цих матеріалів в даній розробці має на меті допомогти слухачам курсу заповнити прогалини в записах і конспектах, а на лекції зосередитися не на стенографування цифр і таблиць, а на сприйнятті і розумінні матеріалу, обговорюваного лектором.

Ароматичний.

1. Аліфатичні (від грец. Αλιφατικό- масло, жир) і ароматичні (αρωματικόσ- пахощі) з'єднання (ХIХ століття).

2. Відкриття бензолу (Фарадей, 1825). Будова бензолу (Кекуле, 1865). о-, м-, п-ізомер, орто-ксілол.

3. Інші формули, запропоновані для бензолу (Ладенбург, "Дьюар", Тіле і ін.). Ізомери бензолу (Прізман, біціклогекса-2,5-дієн, бензвален, Фульвіо).

4. Метод молекулярних орбіталей Хюккеля. Незалежне розгляд σ- і π- зв'язків (тобто освічених sp 2 і р-орбіталей). Молекулярні орбіталі бензолу (три орбіталі зв'язують: одна орбіталь не має вузлів, дві орбіталі мають по одній вузловій площині, всі вони зайняті, на них лише 6 електронів; три орбіталі розпушують. Дві з них мають 2 вузлових площині, найвища по енергії розпушуються орбіталь має три вузлових площині. Розпушуючі орбіталі незайнятість.

Поняття про колі Фроста для бензолу, ціклобутадіена і циклооктатетраєн.

правило Хюккеля. ПЛОСКІ, моноциклическими, поєднаневуглеводні будуть ароматичними, якщо цикл містить (4n + 2) π - електронів.

Антіароматіческіе з'єднання. Неароматичного з'єднання. Циклооктатетраєн.

5. Опис бензолу за методом "валентних схем", теорія резонансу (Полінг), Мезомерія, використання граничних структур.

6. анулени. Метаноаннулени. Ароматичні іони. Конденсовані вуглеводні. Гетероцикли.

Кілька коментарів по стабільності аннуленов.

-аннулен -не плаский, не може бути ароматичним.

1,6-метано-- анулени- плоский, (крім містка, зрозуміло!), Він ароматніший.

Анулени - неароматичний поліен, стабільний нижче -70 о С.

-аннуленине плоскі цикли, якщо немає 2-х містків. Отже - НЕ ароматичні.

Анулени - звичайні поліени.

-аннулен- плоский, ароматичний. Знати особливість його ПМР спектра!

7. Детальний розглядКРИТЕРІЇВ ароматичний.

критерії ароматичності – квантово-механічний – кількість p-електронів 4n + 2(Правило Хюккеля), см. Коментарі нижче. енергетичний (Підвищення термодинамічної стійкості за рахунок делокалізації електронів, так звана енергія делокалізації - ЕД). ЕД в бензолі: (6a + 8β) - (6a + 6β) (для ціклогексатріена) = 2β = 36 ккал / моль або 1,56 еВ - це ЕЕР (емпірична енергія резонансу). Є ще кілька способів розрахунку енергії резонансу: вертикальна енергія резонансу (вона ж ЕД по Хюккель, вимірюють в одиницях інтеграла β, для бензолу вона дорівнює 0,333), ще буває (на 5 ++) ЕРД (тобто енергія резонансу Дьюара, на 1 електрон, 0,145 еВ для бензолу), ще буває (на 5 +++) ЕР по Гессові-Шаад, для бензолу: 0,065 еВ, то ж, що і ЕДНОЕ в підручнику Реутов, Курц, Бутін. Ще буває (на 5 ++++) ПЕР (топологічна ЕР). Ще "є багато чого на світі, друг Гораціо, що й не снилося нашим мудрецям" (В. Шекспір). Енергетичний критерій з усіх самий незручний і неясний. Величини енергій для цього критерію беруть завжди розрахункові, тому що, як правило, неможливо підібрати відповідну неароматичного молекулу для порівняння. Слід, тому, спокійно ставитися до того, що існує безліч різних оцінок енергії делокализации навіть для класичних ароматичних молекул, а для більш складних системці величини взагалі відсутні. Ніколи не можна порівнювати різні ароматичні системи за величиною енергій делокализации - не можна зробити висновок, що молекула А ароматичний молекули В, тому що енергія делокалізації більше. структурний - дуже важливий, якщо не найважливіший, критерій, так як має не теоретичну, а експериментальну природу. Специфіка геометрії молекул ароматичних з'єднаньполягає в тенденції до копланарному розташуванню атомів і вирівнюванню довжин зв'язків. У бензолу вирівнювання довжин зв'язків ідеально - всі шість С-С зв'язків однакові по довжині. У більш складних молекул вирівнювання не ідеально, але значно. Як критерій беруть міру відносного відхилення довжин сполучених зв'язків від середнього значення. Чим ближче до нуля, тим краще. Цю величину можна проаналізувати завжди, якщо є структурна інформація (експериментальна або з високоякісного Квантовохімічні розрахунку). Тенденція до копланарності обумовлюється вигідністю коллинеарности осей атомних р-орбіталей для їх ефективного перекривання. Виникає питання: яке відхилення від площинного розташування допустимо без втрати ароматичності? Приклади спотворення площині в ароматичних молекулах дані на лекції, їх також можна знайти в спеціальній літературі (див. Нижче стор. 20). магнітний (Наявність кільцевого струму - діатропная система, вплив на хімічні зрушення протонів зовні і всередині кільця, приклади - бензол і -аннулен). Найзручніший і доступний критерій, так як для його оцінки досить спектра 1 H ЯМР. Для точного визначення використовують теоретичні розрахунки хімічних зрушень. Що таке діатропность? хімічний - схильність до реакцій заміщення, а не приєднання. Найбільш наочний критерій, ясно розрізняє хімію ароматичних сполук від хімії полієнів. Але працює він далеко не завжди. В іонних системах (наприклад, в циклопентадієніл-аніоні або тропілій-катіоні) заміщення спостерігати неможливо. Реакції заміщення іноді проходять і на неароматичних системах, а ароматичні завжди в якійсь мірі здатні до реакцій приєднання. Тому хімічний критерій більш правильно назвати ОЗНАКОЮ ароматичности.

8. ПОНЯТТЯ ароматичний. ОЗНАКИ ТА КРИТЕРІЇ ароматичний. - Коментарі

ароматичность - поняття, що характеризує сукупність особливих структурних, енергетичних та магнітних властивостей, а також особливостей реакційної здатності циклічних структур з системою сполучених зв'язків.

Хоча ароматичность - одна з найважливіших і найбільш плідних концепцій хімії (не тільки органічної), - не існує загальноприйнятого короткого визначення цього поняття. Ароматичность розуміється через сукупність особливих ознак (критеріїв), властивих ряду циклічних пов'язаних молекул в тій чи іншій мірі. Частина цих критеріїв має експериментальну, що спостерігається природу, але інша частина ґрунтується на квантової теоріїбудови молекул. Ароматичность має квантову природу. Неможливо пояснити ароматичность з позицій класичної структурної теорії і теорії резонансу.

Не слідплутати ароматичность з делокализацией і сполученням. У молекулах полієнів (1,3-бутадієну, 1,3,5-гексатріена і т.п.) проявляється явно виражена тенденція до делокалізації електронів (див. 1-й семестр, хімія диенов) і утворення єдиної сполученої електронної структури, що проявляється в спектрах (в першу чергу, електронних спектрах поглинання), деяку зміну довжин і порядків зв'язків, енергетичної стабілізації, особливих хімічних властивостях(Електрофільне 1,4-приєднання в разі диенов та ін.). Делокалізація і сполучення - необхідні, але не достатні умови ароматичності. Можна дати визначення ароматичності як властивості, при якому поєднане кільце ненасичених зв'язків проявляє бόльшую стабільність, ніж ту, яку можна було б очікувати тільки при одному сполученні. Однак цим визначенням можна користуватися, не маючи експериментальних або розрахункових даних по стабільності циклічної сполученої молекули.

Для того, щоб молекула могла бути ароматичної, вона повинна містити хоча б один цикл, коженз атомів якого має в своєму розпорядженні придатною для освіти ароматичної системи р-орбіталей. Ароматичним в повному сенсі цього слова вважається (в разі виконання критеріїв, перерахованих нижче) саме цей цикл (кільце, система кілець).

У цьому циклі повинно бути 4n + 2 (тобто 2, 6, 10, 14, 18, 22 і т.п.) електронів.

Це правило називається правилом або критерієм ароматичності Хюккеля. Джерело цього правила - сильно спрощені квантовохімічні розрахунки ідеалізованих циклічних полієнів, вироблені на зорі розвитку квантової хімії. Подальші дослідження показали, що в основі своїй це просте правило дає вірні прогнози ароматичности навіть і для дуже складних реальних систем.

Правилом, тим не менше, потрібно правильно користуватися, інакше прогноз може бути помилковим. Загальні рекомендації дані далі.

Молекула, що містить хоча б один ароматичний цикл має правоназиватися ароматичної, але цим узагальненням не варто зловживати. Так, очевидно, що стирол містить бензольне кільце, а отже може називатися ароматичної молекулою. Але нас в Стиролі може цікавити і етиленових подвійний зв'язок, ніякого прямого відношення до ароматичности не має. З цієї точки зору стирол - типовий олефин з сполученої подвійним зв'язком.

Ніколи не забувайте, що хімія є наука експериментальна, і ніякі теоретичні міркування не замінюють і не підміняють знання реальних властивостей речовин. Теоретичні концепції, навіть настільки важливі, як ароматичность, тільки допомагають краще розуміти ці властивості і робити корисні висновки.

Які орбіталі вважаються придатними для освіти ароматичної системи?- Будь-які орбіталі, перпендикулярні площині циклу, і

а) належать входять в цикл кратним (ендоцікліческім подвійним або потрійним) зв'язків;

б) відповідні неподіленим парам електронів у гетероатомов (азоту, кисню, і т.п.) або карбаніони;

в) відповідні шестіелектронним (секстетним) центрам, зокрема карбокатіон.

Зверніть увагу, що перераховані фрагменти а), б), в) дають парне число електронів в загальну систему: будь-які кратні зв'язку - 2 електрони, неподіленого пари - 2 електрони, вакантні орбіталі - 0 електронів.

Що не годиться або не вносить вклад в ароматичну систему:

а) Онієву форми катіонних центрів- тобто катіони, що містять повний октет електронів. При цьому такий центр розриває пов'язану систему, наприклад, N-метілпіррол ароматніший (6 електронів в циклі), а N, N-діметілпірролій неароматічен (амонійний азот не вносить вклад в π-систему):

Увага - якщо Онієву центр є частиною кратного зв'язку, то саме кратна зв'язок бере участь в утворенні ароматичної системи, тому, наприклад, ароматніший N-метилпіридин (6 π-електронів, по два від кожної з трьох кратних зв'язків).

Дуже велика підмога в розгляді аналогічних систем дає концепція ізоелектронними. Ізоелектронними системи зазвичай аналогічні і в сенсі ароматичности. У цьому сенсі, наприклад, N-метилпіридин ізоелектронними метилбензол. Обидва, очевидно, ароматних.

б) неподіленого пари, що лежать в площині кільця.На одному атомі тільки одна π-орбіталь може вносити вклад в ароматичну систему. Тому, в циклопентадієніл-аніоні карбаніони центр дає внесок в 2 електрона, а в феніл-аніоні атом вуглецю карбаніони центру дає внесок в 1 електрон, як і в молекулі бензолу. Феніл-аніон ізоелектронними піридину, циклопентадієніл-аніон - пірол.

Все ароматних.

в) Екзоцікліческая подвійний зв'язок або радикальний центр. Такі структури, як правило, неароматних, хоча кожна така структура потребує особливого розгляду із залученням реальних експериментальних даних .

Наприклад, хінони неароматних, хоча а) мають плоскими повністю сполученими циклами, що містять 6 електронів (чотири від двох кратних зв'язків в циклі плюс два від двох екзоцікліческіх зв'язків).

Наявність в деякій сполученої структурі так званих хіноїдному фрагментів, тобто систем зв'язків з двома екзоцікліческімі подвійними зв'язками, завжди є джерелом нестабільності, і сприяє процесам, що переводять систему з хіноїдному фрагментом в нормальну ароматичну систему. Так, антрацен є 14-електронної ароматичної системою, що містить хіноїдному фрагмент, тому, антрацен легко приєднує бром або діенофіли, так як в продуктах уже два повноцінних ароматичних бензольних кільця:

Ароматичность поліциклічних структур являє собою досить складну теоретичну задачу. З формальної точки зору, якщо в системі є хоча б одне бензольне кільце, то її можна вважати ароматичної. Такий підхід, однак, не дає можливості розглянути властивості молекули в цілому.

Сучасний підхід до поліциклічні системам полягає в тому, щоб знайти в них Усеможливі ароматичні підсистеми, починаючи з максимально великого - зовнішнього контуру. У цьому сенсі, наприклад, нафталін можна представити у вигляді загальної 10-електронної системи (зовнішній контур) і двох однакових 6-тіелектронних бензольних кілець.

Якщо зовнішній контур НЕ ароматніший, то слід шукати менші ароматичні контури. Так, наприклад, ДИФЕНІЛИ по зовнішньому контуру має 12 електронів, що не відповідає правилу Хюккеля. Однак ми легко знайдемо в цьому з'єднанні два практично незалежних бензольних кільця.

Якщо бициклические вуглеводні плоскі і мають пов'язані подвійні зв'язку, правило Хюккеля працює для бі- і поліциклічних вуглеводнів, що мають одну загальну зв'язок ( нафталін, антрацен, фенантрен, І т.п., а також азулен). Правило Хюккеля погано працює для конденсованих циклів, що мають атом вуглецю, загальний для 3 циклів.Правило підрахунку пар електронів методом "обходу по периметру, або по одному з контурів" може допомогти в цьому випадку, наприклад:

аценафтілен пірен поручнів

сума π-електронів: 12 16 20

в тому числі по периметру, 10 14 18 (по контуру нафталіну - 10 і 10)

Однак, для подібних складних циклів і це правило не завжди може працювати. Більш того, воно нічого не говорить про реальні властивості молекули. Наприклад, аценафтілен, має звичайну подвійну зв'язок між атомами 1 і 2.

різні прикладиізоелектронних ароматичних гетероциклів.

Піроліл - фура - тіофен (6π-електронів) .

піридин– піридин– Пірілен (6π-електронів) .

піридазин - піримідиніл- піразин (6 π-електронів) .

Оксазоліл - тіазоли - Імідазолу (6π-електронів) .

індол– Хінолін (10π-електронів) .

Про "гайках" . У навчальній літературі ароматичні цикли часто позначають за допомогою окружності всередині багатокутника. З усією визначеністю відзначимо, що такий спосіб позначення слід уникати у всіх випадках, коли тільки можливо. Чому?

Тому що:

а) в складних поліциклічних структурах гуртки не мають певного сенсу і не дозволяють зрозуміти, де живе ароматичность - в окремих циклах або в цілому. Якщо намалювати "гайками", наприклад, антрацен, то не буде зрозуміло, в чому криється причина його "не-зовсім-ароматичности" і яскраво-виражених дієнових властивостей

б) навіть самі класичні ароматичні системи типу бензолу і його похідних можуть проявляти неароматичного поліеновие властивості, для розгляду яких необхідно бачити структуру кратних зв'язків.

в) саме кекулевская структура необхідна для розгляду ефектів заступників за допомогою незамінного інструменту - резонансних структур. "Гайка" в цьому відношенні абсолютно безплідна. Так, користуючись формулою Кекуле, ми відмінно зрозуміємо причину високої кислотності п-нітрофенола і яскраво-жовтий колір п-нітрофенолята. А що будемо робити з "гайкою"?

Кращим є простий "кекулевско-бутлеровской" спосіб, відповідний класичної теорії будови і в явному вигляді позначає кратні зв'язку. Намалювавши таку класичну структуру, ви завжди можете міркувати про її ароматичности або неароматних, використовуючи відповідні правила і критерії. Саме класична кекулевская структура прийнята як стандарт у всіх провідних міжнародних хімічних журналах.

А коли все ж доречні гуртки? Для позначення небензоідних ароматичних систем, особливо заряджених. В цьому випадку класичне позначення дещо незграбно і не показує делокалізацію заряду.

Також без гуртків важко обійтися в металоорганічних хімії, де ароматичні системи часто грають роль лігандів. Спробуйте без гуртків відобразити структуру ферроцена або інших комплексів, що містять ціклопентадіенільний ліганд!

Площинність. Цикл, що претендує на звання ароматичного і містить потрібну безперервну систему p орбіталей повинен бути плоским(Або майже плоским). Ця вимога - одне з найбільш неприємних, так як визначити "на око", який цикл є плоским, а який ні, досить не просто. Як простих підказок можна розглянути наступні положення:

а) циклічні пов'язані системи, що містять 2 або 6 електронів і задовольняють розглянутим умовам, як правило, плоскі і ароматичні. Такі системи зазвичай реалізуються в циклах малого і середнього розміру (2-8 членних);

б) циклічні іонні системи з числом електронів 2, 6, 10, 14, практично обов'язково ароматних, так як ароматичность і є причиною існування і стійкості таких іонів;

в) нейтральні системи з 10, 14, 18 і більше електронами в одному єдиному циклі великого розміру, навпаки, практично завжди потребують додаткові заходи щодо стабілізації плоскою структури у вигляді додаткових містків, так як виграш енергії за рахунок утворення великої ароматичної системи не компенсує ні енергії напруги, що виникає в макроциклах, ні ентропії, що втрачається при утворенні єдиної плоскої структури.

Увага : Читання наступного параграфа категорично не рекомендується особам зі слабкими і нестійкими знаннями. Всі, хто має рейтинг менше 99 балів, можутьпропустити цей параграф.

Антіароматічность. Системи, що задовольняють всім умовам, розглянутим вище (плоскі цикли з безперервною системою π-орбіталей), але числом електронів 4n, вважаються антіароматіческімі - тобто реально неіснуючими. Але якщо в разі ароматичности ми маємо справу з реальними молекулами, то в разі антіароматічності проблема складніше. Важливо зрозуміти, що справжня антіароматіческая система знаходиться не в мінімумі, а в максимумі потенційної енергії, тобто є не молекулу, а перехідний стан. Антіароматічность - суто теоретична концепція, що описує, чому деякі циклічні пов'язані системи або дуже нестійкі і не могли бути отримані навіть ціною величезних зусиль, або виявляють явні тенденції до існування у вигляді звичайного поліена з чергуються простими і кратними зв'язками.

Наприклад, ціклобутадіен був би антиароматніший, якби існував у вигляді квадратної молекули зі зв'язками однакової довжини. Але такий квадратної молекули в Природі немає. Тому коректно слід сказати так: гіпотетичний квадратний ціклобутадіен антіароматічен, і томуне існує.Експериментально, при дуже низьких температурах виділяли заміщені ціклобутадіени, але вони по структурі виявлялися типовими неароматичного диенами - мали ясне відмінність між короткими подвійними і довгими простими зв'язками.

Реально існуючі плоскі пов'язані молекули з 4n електронами завжди є високореакціонноспособние неароматичного поліени. Наприклад, бензоціклобутадіен реально існує (8 електронів в зовнішньому контурі), але має властивості надзвичайно активного диена.

Антіароматічность - виключно важливепоняття в теорії ароматичности. Теорія ароматичности пророкує як існування особливо стабільні ароматичних систем, так і нестабільність антіароматіческіх систем. Обидва цих полюса важливі.

Антіароматічность - дуже важливе поняття в хімії. Всі ненасичені пов'язані циклічні системи, що містять антіароматіческое число π-електронів, завжди мають дуже високою реакційною здатністю в різних реакціях приєднання.

9. Тривіальні приклади синтезу небензоідних ароматичних іонів.

Ціклопропенілій-катіон, тропілій-катіон

Ціклопентадіенілід-аніон. Ароматичні карбоциклические аніони С8, С10, С14.

10. Факультативно: спроби синтезу антіароматіческіх молекул -ціклобутадіен, ціклопентадіенілій-катіон.

Розвиток поняття ароматичності. Ціклобутадіенжелезо трікарбоніл. Об'ємна, сферична ароматичность, гомоароматічность і ін.

11. Отримання ароматичних вуглеводнів.

1. промислові джерела- нафта і кам'яне вугілля.

Риформинг. Ланцюжок: гептан - толуол - бензол - циклогексан.

2. Лабораторні способи:

а) реакція Вюрца-Фіттіга (застарілий спосіб, який має скоріше історичне значення, не слід застосовувати при вирішенні завдань),

б) каталітична тримеризация ацетилену,

в) кислотно-каталізується тримеризация ацетону та ін. кетонів;

г) крос-поєднання, як некаталітичні з використанням купратов, так і каталітична в присутності комплексів паладію,

д) реакція Фріделя-Крафтса, в основному слід використовувати ацилирование з відновленням по Клемменсену (алкіларілкетони) або Кижнер-Вольфу (будь-які кетони і альдегіди),

е) ароматизація будь-яких похідних циклогексану, циклогексилу ціклогексадіена під дією сірки (сплав, годиться тільки для найпростіших сполук) або діхлордіціанбензохінона (ДДХ або DDQ, реагент загального призначення).

12. Властивості кільця і ​​алифатической бічного ланцюга в ароматичних вуглеводнях.

1. Гідрування. Коли буває часткове гідрування кілець? Гідрування функціональних груп (С = С, С = О) без гідрування кільця. Приклади.

2. Відновлення по Бёрчу (Na, рі. NH 3). Навіщо потрібен EtOH? Вплив донорів і акцепторів в кільці на напрям реакції.

3. Вільнорадикальне галогенирование бензолу (було в школі!). Галогенування толуолу і його гомологів в бічний ланцюг. Вибірковість галогенування.

4. Окислення бічного ланцюга і поліконденсірованних ароматичних вуглеводнів. Озонування бензолу та інших ароматичних сполук.

5. Реакція Дільса-Альдера для бензолуі антрацену. Умови.

6. Реакція лужних металів і Mg з нафталіном і антраценом (факультативно).

Електрофільного заміщення в ароматичних РЯДУ.

1. Чому саме електрофільне заміщення (ЕЗ)?

2. Які бувають електрофіли і які реакції ЕЗ ми будемо розбирати докладно? (Протонирование, нітрування, сульфування, галогенування, алкілування, ацилювання, формілювання). Через місяць будуть розглянуті: азосочетанія, нітрозірованіе, карбоксилирование).

3. Спрощений механізм електрофільного заміщення в ароматичному кільці (без π-комплексів). Ареноніевие іони. Схожість з аллільних катіоном. Зображення ареноніевих іонів на папері - резонансні структури або "підкова" - обов'язково навчитеся малювати резонансні структури для s-комплекс, так як "підкова" заведе в глухий кут, коли дійдемо до впливу заступників на напрям електрофільного заміщення. Протонирование аренов.

4. Докази існування π-комплексів на прикладі реакції DCl і бензолу (Г. Браун 1952). Докази існування σ-комплексів.

5. Узагальнений механізм ЕЗ, що включає освіту π- і σ-комплексів. Лімітуючим стадія при ЕЗ в бензольному кільці. Поняття про кінетичному ізотопний ефект.Ще раз згадаємо, що таке перехідний стан і интермедиат.

6. Орієнтація при електрофільного заміщення: орто-, мета, пара-, ІПСОА. Орієнтанти першого і другого роду. Обов'язково малювати резонансні структури для s-комплекс з різними заступниками. Окремо розберіть вплив на структуру s-комплекс заступників з індуктивними і мезомерного ефектами, а також поєднанням різноспрямованих ефектів. Фактори парціальної швидкості. Узгоджена і неузгоджена орієнтація. Приклади різного співвідношення о- / п-ізомерів у випадках, коли в кільці є заступник 1-го роду (наприклад, просторово-утруднений) або 2-ої роду (орто-ефект). ЯМР бензолоніевих іонів і деяких аренів.

7. Розгляд конкретних реакцій електрофільного заміщення. Нітрування. Агенти. екзотичні агенти. Атакуюча частинка. особливості нітрування різних класівз'єднань - нітроаренов (умови), галогенбензолів (розподіл про- і п-ізомерів. Яким чином?), нафталіну і дифеніл. Нітрування ароматичних амінів (захисні групи, як зробити про- і п- ізомери? Чи можна нітровані аніліну в м-положення?). Нітрування фенолу (умови, розподіл о-і п-ізомерів).

7. Сульфирование аренов. Агенти, природа електрофени, оборотність. Особливості сульфирования нафталіну, толуолу, фенолу, аніліну, захист сульфогруппа при реакціях ЕЗ.

8. Похідні сульфокислот: тозілхлорід, тозілат, сульфаміди. Відновлення сульфогрупи.

9. Галогенування. Ряд галогеніруются агентів по спадаючій активності (знати хоча б 3 приклади). Природа електрофени, особливості галогенування толуолу, галогенбензолів, вміти отримувати все галогеннітробензоли, галогенирование нафталіну, біфенілу, аніліну, фенолу, анизола. Особливості йодування. Хлорування йодбензолу без електрофільних каталізаторів. З'єднання поливалентного йоду (PhICl 2, PhI = O, PhI (OAc) 2)

10.Алкілірованіе і ацилирование по Фриделю-Крафтс. Алкілірованіе- 3 нестачі, приклади синтезів, оборотність, вплив галогену в RHal, агенти, внутримолекулярное алкілування, обмеження по заступниках, особливості алкилирования фенолів і амінів, синтез н-алкилбензолов. Ацилирование - порівняння з алкилированием, реагенти, циклічні ангідриди в ацилированием, внутрішньо-молекулярні реакції, перегрупування Фриса.

Таблиця 1.

Таблиця 2. Дані по нитровании галогенбензолів.

з'єднання	продукти,% *			відносна швидкість нітрування (бензол = 1) **	Фактор парціальної швидкості для о-і п-положення (бензол = 1)
	орто	мета	пара
З 6 Н 5 - F					0,054 (про) 0,783 (п)
З 6 Н 5 - Cl					0,030 (про) 0,136(п)
З 6 Н 5 - Br					0,033 (про) 0,116(п)
З 6 Н 5 - I ***					0,205 (про) 0,648(п)

*) К. Інгольд. Теоретичні основи органічної хімію М., "Мир", 1973, с. 263;

**) там же с. 247; ***) згідно новітнім дослідженням, Механізм електрофільного заміщення в аріліодідах може бути більш складним, ніж було прийнято раніше.

Про поділ про- і п-ізомерів дизаміщених аренов кристалізацією.

Таблиця 3. Т. пл. о-і п-ізомерів дизаміщених аренов в о С.

ПОРІВНЯННЯ РЕАКЦИЙ алкілування І ацилированием ПО Фрідель-Крафтса.

	алкілування		ацилированием
РЕАГЕНТ	AlkHal, AlkOH, алкени. (Не можна ArHal!).		галогенангідриди карбонових кислот(КК), ангідриди КК, рідко - КК
КАТАЛІЗАТОР	Кислоти Льюїса, особливо б / в галогеніди Аl, Fe, Sn і ін., BF 3, H 2 SO 4, H 3 PO 4, катіоніти.		AlCl 3 (не менше благаючи на моль, краще ще більше), H 2 SO 4, H 3 PO 4.
ПРОДУКТ	Алкіл- і поліалкіларени.		Ароматичні кетони. Можна ввести тільки одну ацильну групу.
ОСОБЛИВОСТІ І НЕДОЛІКИ	Практично малопридатна через безліч побічних реакцій, а саме: 1) поліалкілірованіе, 2) ізомеризація вихідних н-алкіл у втор.- і трет-алкіл. 3) ізомеризація поліалкілбензоли в суміш або в більш стабільний продукт.		Дуже зручна реакція, практично не ускладнена побічними реакціями. Утворюється, як правило, тільки пара-ізомер. якщо п-становище зайнято, то орто-ізомер (по відношенню до найбільш сильному орієнтанти).
оборотність	Є. (див. нижче)
ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ	НЕ МОЖНА ВИКОРИСТОВУВАТИ для аренів, які містять заступники II-го роду. Можна використовувати для арілгалогенідов.
Особливості застосування до фенолу	НЕБАЖАНОвикористовувати AlCl 3. МОЖНА, МОЖЛИВОвикористовувати каталізатори - H 3 PO 4, HF зі спиртами в якості алкилірующих реагентів.	CAcClможет йти ацилирование по кисню. При нагріванні ефіру фенолу йде перегрупування Фріс(Кат. - AlCl 3). Іноді для реакції Фр-Кр можна використовувати АсОН \ ВF 3 Синтез фенолфталеина.
Особливості застосування До АРОМАТІ- Ческе, аміни	Пряме алкілування практично неможливо, так як не можна використовувати AlCl 3, H 2 SO 4, H 3 PO 4, HF (атака AlCl 3 або Н + або алкила по азоту - в результаті електронодонор-ні властивості азоту уменьша-ються. При дії RHalобразуются N -алкіланіліни).	Йде ацилирование по азоту. Каталізатори утворюють комплекси по азоту. Можливо ацилирование при використанні двох екв. ацилирующего агента і ZnCl 2 з утворенням п-ацил-N-аціланілінов.

Примітка:

Оборотність реакції алкілування по Фриделю-Крафтс призводить до того, що в системі одночасно йдуть всі можливі реакціїалкилирования і деалкілування, причому зачіпається і мета-положення, так як алкильная - група активує Усеположення бензольного кільця, хоча і в різному ступені.

Проте, через переважної орто-пара-орієнтації процесів алкілування та зворотного деалкилирования під дією електрофени, наприклад, при ІПСОА-атаці протона, в суміші при тривалої реакції накопичуються найменш реакційно здатні і більш термодинамічно стабільні 1,3- і 1,3 , 5-ізомери, так як в них алкіл гірше орієнтують атаку протона під інші алкіл:

Схожі причини визначають і освіту різних регіоізомеров при сульфірованіі, з тією суттєвою різницею, що сульфогруппа є ориентант другого роду, що ускладнює полісульфірованіе.

12. формілювання - введення СНО групи.

Формілювання - окремий випадок ацилирования.

Багато похідні мурашиної кислоти можуть форміліровать арени. Реакції формілювання з СО, НСN, HCO (NMe 2) 2. Специфіка підбору електрофільних каталізаторів для реакцій формілювання.

Гаттермана-Кох(1897) - ArH + CO + HCl (AlCl 3 / Cu 2 Cl 2). Чи буває НС (О) С1? А НС (О) F?

Гаттермана- НСN б \ в + НС1 газ. Кат. AlCl 3 або ZnCl 2.

Гаттермана-Адамс(Факультативно) - Zn (CN) 2 + HCl. Можна використовувати 1,3.5. триазин, / НС1 / А1С1 3 (факультативно), або С1 2 СНОR (на 5 +++)

Губен-Геш(Ацилирование з RCN, HCl і ZnCl 2).

Формілювання ПО Вільсмейера-Хаака. Тільки електронозбагачених арен! + ДМФА + РОС1 3 (можна SOCl 2, COCl 2).

13. Реакція гідроксіметілірованія, конденсація карбонільних сполук з аренами (ДДТ, дифенилолпропан), хлорметілірованіе.

14.Пріменімость реакцій формілювання і гідроксіметілірованія.

Гаттермана-Кох -алкілбензоли, бензол, галогенбензолів.

Гаттермана - активовані арени, толуол.

Вільсмейера-Хаак - тільки активовані арени

Хлорметілірованіе - фенол, анізол, алкіл- і галогенбензолів.

Гідроксіметілірованіе - активовані арени.

(Активовані арени - це аніліну, фенолу і ефіри фенолу.)

15. триарилметановою барвники. Крісталлвіолет (4-Ме 2 N-C 6 H 4) 3 С + Х -. Синтез з п-Ме 2 N-C 6 H 4 CHO + 2 Ме 2 NPh + ZnCl 2 → Лейк-ФОРМА ( білий колір). Далі окислення (PbO 2 або інший окислювач) в третспирт, потім обробка кислотою, поява забарвлення.

ФАКУЛЬТАТИВНИЙ МАТЕРІАЛ.

1) Меркурірованіе бензолу з Hg (OAc) 2 Гексамеркурірованіе бензолу з Hg (OAc F) 2. Отримання гексаіодбензола.

2) Декарбоксилирование ароматичних кислот ArCOOH (нагрівання з порошком міді в хіноліні) = ArH + CO 2. Якщо є електроноакцепторні групи в кільці, то можна просто сильно нагріти сіль аренкарбоновой кислоти. Якщо є донори, особливо в орто- положенні, можливо заміщення протонів карбоксильної групи, але це рідко!

3) Екзотичні електрофіли в реакціях з аренами: (HN 3 / AlCl 3 - дає анілін), R 2 NCl / AlCl 3 дає R 2 NAr) (SCl 2 / AlCl 3 дає Ar 2 S. Роданірованіе аніліну або фенолу діроданом (SCN) 2. Освіта 2-амінобензотіазолов.

4) Існує велика кількість"Хитрих" реакцій, які запам'ятати неможливо, і не потрібно, наприклад PhOH + TlOAc + I 2 = о-іодфенол, або PhOH + t-BuNH 2 + Br 2, -70 o C = о-бромфенол

Нуклеофільного заміщення в ароматичних РЯДУ.

Чому нуклеофільне заміщення в аренах, що не містять сильних електроноакцепторних груп, відбувається з великими труднощами?

1. S N Ar- ПРИЄДНАННЯ-відщеплення.

1) Природа интермедиата. Комплекси Мейзенгеймера. (Умови стабілізації интермедиата.) ЯМР 13 С, М.Д .: 3 (ІПСОА), 75.8 (о), 131.8 (м), 78,0 (п).

2) нуклеофіли. Розчинники.

3) Ряд рухливості галогенів. F (400) >> NO 2 (8)> Cl (1) ≈ Br (1.18)> I (0.26). Лімітуючим стадія.

4) Ряд активує здібності заступників (в якому становищі?) NO 2 (1)> MeSO 2 (0.05)> CN (0.03)> Ac (0.01).

5) Приклади конкретних реакцій і конкретних умов.

6) Факультативно: можливість заміщення NO 2 - групи. Виборче заміщення NO 2 - групи. Просторові фактори.

7) Нуклеофільне заміщення водню в ди-і ТРИНІТРОБЕНЗОЛ. Навіщо потрібен окислювач?

2. Аринового механізм - (відщеплення-ПРИЄДНАННЯ).

Мічений хлорбензол і орто-хлортолуол, аміди калію або натрію в рідкому NH 3. Механізм.

Гідроліз о-, м-, і п-хлортолуола, NaOH, H 2 O, 350-400 o C, 300 атм. ДУЖЕ ЖОРСТКІ УМОВИ!

Важливість індуктивного ефекту. Випадок о-хлоранізолу.

Повільна стадія - відрив протона (якщо Hal = Br, I) або відрив галогенід- аниона (якщо Hal = Cl, F). Звідси - незвичайний ряд рухливості галогенів:Br> I> Cl> F

Способи генерування дегідробензола. Будова дегідробензола - в цій частинці немає потрійний зв'язку! Уловлювання дегідробензола.

3. механізмS RN1. Досить рідкісний механізм. Генерація аніон-радикалів - електричний струм, або опромінення, або металевий калій в рідкому аміаку. Реакційна здатність ArI> ArBr. Кілька прикладів. Які нуклеофіли можна використовувати? застосування S RN1 : реакції для a -арілірованія карбонільних з'єднань через Еноляти.

4. Нуклеофільне заміщення в присутності міді. Синтез дифеніловий ефіру, тріфеніламіна, гідроліз о-хлоранізолу.

5. Кілька рідкісних прикладів. Синтез саліцилової к-ти з бензойної, нуклеофільне заміщення в гексафторбензоле.

6. S N 1 Ar – см. тему "Діазосполуки".

Додаткова література по темі "Ароматичні сполуки"

М.В.Горелік, Л.С.Ефрос. Основи хімії і технології ароматичних сполук. М., "Хімія", 1992.

Нітросполуками.

Мінімум знань по алифатическим нітросполук.

1. СИНТЕЗ: а) пряме нітрування в газовій фазі - тільки найпростіші (1 семестр, тема - алкани).

б) RBr + AgNO 2 (ефір) = RNO 2 (I) + RONO (II). Співвідношення I і II залежить від R: R перв. 80:10; R втор. 15:30. R тре 0: 10: 60 (Е2, алкен). Можна використовувати NaNO 2 в ДМФ. Тоді кількість RNO 2 більше навіть для вторинних R.Спосіб б) хороший для RX, активних в S N 2-заміщенні, наприклад СlСН 2 COONa + NaNO 2 в воді при 85 о С. (тема: нуклеофільне заміщення і амбідентних аніони, 1 семестр).

в) НОВИЙ СПОСІБ СИНТЕЗУ- окислення аміногрупи з CF 3 CO 3 H(З (CF 3 CO) 2 О + H 2 O 2 в CH 2 Cl 2 або MeCN) .Год для аліфатичних і ароматичних амінів. Іноді можна брати м-ХНБК (м-хлорнадбензойная кислота, m-CPBA, продажний реагент).НЕ БРАТИ ДЛЯ ОКИСЛЕННЯ KMnO 4 або K 2 Cr 2 O 7! Особливо для ароматичних амінів!

2. ВЛАСТИВОСТІ.Найголовніше властивість - висока СН-кислотність, Таутомерія нитро- і аці-форми (рКа МеNO 2 10,5). Рівновага встановлюється повільно! З NaOH реагують обидві форми, а з содою - тільки аці-форма! (Ганч).

Висока СН-кислотність робить нитросоединения аналогами енолізуемих карбонільних сполук. Кислотність нітрометану близька до кислотності ацетилацетону, а не простих альдегідів і кетонів, тому використовуються досить слабкі підстави - лугу, карбонати лужних металів, аміни.

Реакція Анрі (Генрі) - аналог альдольної або кротонової конденсації. Так як реакція Анрі проводиться в м'яких умовах, продуктом часто є нітроспіртов (аналог альдоль), а не нітроолефіни (аналог кротонового продукту). RСН 2 NO 2 - завжди CH-компонента!

Реакції Міхаеля і манних для RNO 2. Факультативно: галогенирование в NaOH, нітрозірованіе, алкілування аніонів.

ВІДНОВЛЕННЯ АРОМАТИЧНИХ СОЕДИНЕНИЙ.

1) Найважливіші проміжні продукти відновлення нітробензолу в кислому середовищі (нітрозобензол, фенілгідроксіламін) і лужному середовищі (азоксібензол, азобензол, гідразобензол).

2) Селективне відновлення однієї з нітрогрупп в динітробензол.

3) НАЙВАЖЛИВІШІ властивості ПРОДУКТІВ НЕПОВНОГО ВІДНОВЛЕННЯ НІТРОАРЕНОВ.

3а) Бензидинове перегрупування (Б.П.).

ВИХІД 85% для бензидина. (R, R '= H або ін. Заступник). ЗВЕРНУТИ УВАГУ НА СТАН R і R 'до і після перегрупування!

Ще 15% - побічні продукти - в основному діфенілін (2,4'-діамінодіфеніл) і орто-бензідін.

Кінетичне рівняння: V = k [гідразобензол] 2- як правило, необхідно протонирование по обом атомам азоту.

Бензидинове перегрупування - внутримолекулярная реакція.Доведення. Механізм - узгоджена -сігматропная перегрупування. Погоджений процес для бензидина.

Якщо одне або обидва пара-положення вихідних гідразобензолов зайнято (R = Hal. Alk, AlkO, NH 2, NMe 2), може відбуватися семідіновая перегрупування з утворенням СЕМІДІНОВ.

Деякі заступники, наприклад SO 3 H, CO 2 H, RC (O), що знаходяться в п-положенні, можуть отщепляться з утворенням продуктів звичайної Б.П.

Б.П. використовується у виробництві азобарвників, диаминов, напр. бензидина, толідіна, діанізідіна. Відкрита Н.Н.Зініним в 1845 р

Бензидин - канцерогени.

4) азобензолу Ph-N = N-Ph. Сін анти- ізомерія.

АЗОКСІБЕНЗОЛ Ph-N + (→ Про -) = N-Ph. (Завдання: синтез несиметричних азо- і азоксібензолов з нітрозоаренов і ароматичних амінів або арілгідроксіламінов відповідно, або синтез азоксібензолов з нітробензолу і ароматичних амінів (NaOH, 175 o C).

5) ФЕНІЛГІДРОКСІЛАМІН. Перегрупування в кислому середовищі.

На 5 +: Родинні перегрупування: N-нитрозо-N-метиланилин (25 o С), N-нітроанілін (10 o С, було), Ph-NH-NH 2 (180 o C). Механізм зазвичай міжмолекулярної.

6) НІТРОЗОБЕНЗОЛ і його димер.

Про реакцію нитробензола RMgX з утворенням алкілнітрозобензолов і інших продуктів. Ця реакція показує, чому НЕ МОЖНА РОБИТИ реактиви Гриньяра з галогеннітробензолов!

МЕТОДИ ОТРИМАННЯ АМІНІВ,

Найвідоміші з матеріалів попередніх лекцій.

1. Алкілування аміаку і амінів за Гофманом

2. Відновлення нітрилів, амідів, азидів, оксимов.

3. Відновлення ароматичних нітросполук.

4. Перегрупування Гофмана, Курциуса і Шмідта.

5. (Гідроліз амідів.)

Нові способи.

1. Відновне амінування С = О (каталітичне).

2. Реакція Лейкарта (Ешвайлер-Кларка).

3. Синтез Габріеля,

4. Реакція Ріттера.

5. Каталітичне арілірованія амінів в присутності мідних і паладієвих каталізаторів (реакції Ульмана, Бухвальда-Хартвіг) - найбільш потужний сучасний метод синтезу різноманітних амінів.

Хімічні властивості амінів , Відомі з попередніх лекцій.

1. Нуклеофільне заміщення (алкілування, ацилювання).

2. Нуклеофільне приєднання до С = О (іміни і енаміни).

3. Елімінування за Гофманом і по Коуп (з оксидів амінів).

4. Реакції електрофільного заміщення в ароматичних аминах.

5. Основность амінів (шкільна програма).

нові властивості .

1. Основность амінів (новий рівень знань). Що таке рК а й рК b.

2. Реакція з азотистої кислотою.

3. Окислення амінів.

4. Різне- проба Хінсберга, галогенирование амінів.

Диазосоединение.

1. діазо- і азо- з'єднання. СОЛІ діазонію. Аніони - прості і комплексні. Розчинність в воді. Вибухові властивості. Розподіл заряду на атомах азоту. Ковалентні похідні.

2. Діазотування первинних ароматичних амінів. Механізм діазотування (спрощена схема з використанням Н + і NO +). Скільки молей кислоти потрібно? (Формально - 2, реально - більше.) Побічна освіту тріазенов і побічна азосочетанія.

3. Агенти діазотування в порядку зменшення їх реакційної здатності.

NO + >> H 2 NO 2 +> NOBr> NOCl> N 2 O 3> HNO 2.

4. нітрозірованія втор. і тре. амінів. Реакція аліфатичних амінів з HNO 2.

5. Прийоми діазотування: а) класичний, б) для низькоосновних амінів, в) зворотний порядок змішання, г) в неводному середовищі - використання i-AmONO. Особливості диазотирования фенілендіаміни. Контроль закінчення реакції.

6. Поведінка солей діазонію в лужному середовищі. Діазогідрат, син- і анти-діазотати. Амбідентних діазотатов.

7. Реакції диазосоединений з виділенням азоту. 1) Термічне розкладання арилдиазония протікає через високореакціонноспособние арил-катіони. Механізм заміщення в цьому випадку аналогічний S N 1 в алифатической хімії. За цим механізмом йде реакція Шімана і освіту фенолів і їх простих ефірів. 2) нуклеофіли - відновники. Механізм - перенесення електрона, і освіту арил-радикала. За цим механізмом протікає реакція з йодид-іоном, заміщення діазогруппи на водень. 3) Реакції в присутності порошку міді або солей міді (I). Також мають радикальну природу, роль відновлювача грає мідь. Нуклеофил переноситься на арил-радикал в координаційній сфері комплексів міді. Таких реакцій більшість в хімії солей діазонію. Реакція Зандмейера і її аналоги. 4) Реакція Несмеянова. 5) Діаріліодоніевие і бромоніевие солі.

8. Реакції диазосоединений без виділення азоту. Відновлення. Азосочетанія, вимоги до азо- і диазокомпонентов. Приклади азобарвників (метилоранж).

9. Реакції Гомберга-Бахмана і Мейервейна Сучасна альтернатива - реакції крос-поєднання, каталізуються комплексами перехідних металів і реакція Хека. На 5 ++: крос-поєднання з солями діазонію і діаріліодоніевимі солями.

10. діазометан.Отримання, будова, реакції з кислотами, фенолами, спиртами (відмінність в умовах), з кетонами і альдегідами.

Феноли та хінони.

Більшість найважливіших методів синтезу фенолів відомі з матеріалів попередніх лекцій:

1) синтез через Na-солі сульфокислот;

2) гідроліз арілхлорідов;

3) через солі діазонію;

4) кумольним метод.

5) гидроксилирование активованих аренов по Фентон.

Властивості ФЕНОЛІВ.

1) Кислотність; 2) синтез складних ефірів; 3) електрофільне заміщення (див. Тему "Електрофільне заміщення в аренах");

4) Реакції електрофільного заміщення, не розглянуті раніше: карбоксилирование по Кольбе, формілювання по Реймер-Тімане, нітрозірованіе; 5) таутомерія, приклади; 6) Синтез простих ефірів; 6а) синтез аллілових ефірів; 7) перегрупування Кляйзена;

8) окислення фенолів, ароксільние радикали; реакція Бухерера;

10) перетворення PhOHв PhNR 2.

Хінони.

1. Будова хинонов. 2. Отримання хинонов. Окислення гидрохинона, семіхінонов, хингидрон. 3. хлоранілу, 2,3-дихлор-5,6-диціану-1,4-хинон (DDQ). 4. Властивості хинонов: а) окислювально-відновні реакції, 1,2- і 1,4-приєднання, реакція Дільса-Альдера.

НАЙВАЖЛИВІШІ ПРИРОДНІ Енола, фенолу та хінони.

ВІТАМІН С (1):Аскорбінова кислота. Восстановитель. Фарбування з FeCl 3. У природі синтезується усіма хлорофіллсодержащіх рослинами, плазунами і земноводними, багатьма ссавцями. Людина, мавпи, морські свинки в ході еволюції втратили здатність її синтезувати.

Найважливіші функції - побудова міжклітинної речовини, регенерація і загоєння тканин, цілісність кровоносних судин, стійкість до інфекції і стресу. СИНТЕЗ КОЛАГЕНУ (гідроксилювання амінокислот). (Колаген - це наше все: шкіра, кістки, нігті, волосся.) Синтез норадреналіну. Нестача вітаміну С - цинга. Вміст вітаміну С: чорна смородина 200 мг / 100 г, червоний перець, петрушка - 150-200, цитрусові 40-60, капуста - 50. Потреба: 50-100 мг / день.

Таніни, це глікозид галової кислоти (2). Міститься в чаї, володіє дубильними властивостями

Резвератрол (3) - міститься в червоному вині (французькою). Знижує ймовірність серцево-судинних захворювань. Пригнічує утворення пептиду ЕНДОТЕЛІНУ-1 - ключового фактора в розвитку атеросклерозу. Сприяє просуванню французького вина на ринок. Понад 300 публікацій за останні 10 років.

Гвоздики Олія: евгенол (4).

ВІТАМІН Е (5)(Токоферол - "потомство несу"). Антиоксидант. (Сам утворює неактивні вільні радикали). Регулює обмін селену в глутатіонпероксидази - фермент, який захищає мембрани від пероксидів. При нестачі - безпліддя, м'язова дистрофія, зниження потенції, зростає окислюваність ліпідів і ненасичених жирних кислот. Міститься в рослинних оліях, салаті, капусті, жовтку, злаках, вівсянці (геркулес, мюслі). Потреба - 5 мг / день. Авітаміноз буває рідко.

ВІТАМІНИ ГРУПИ К (6).Регуляція згортання крові і мінералізації кісткової тканини (карбоксилювання залишку глутамінової кислоти в положення 4 (в складі білків!)) - результат: зв'язування кальцію, зростання кісток. Синтезується в кишечнику. Потреба - 1 мг / сут. Геморагічні захворювання. Антивітаміни К. дикумарин. Зниження згортання крові при тромбозах.

убіхінон( "Всюдисущий хинон"), він же - коензим Q (7). Перенесення електронів. Тканинне дихання. Синтез АТФ. Синтезується в організмі.

Хромонем (8) і флавони (9)- полухінони, полуефіри фенолів.

Кверцетин (10). Рутина - вітамін Р (11)(Це кверцетин + цукор).

Вітамін проникності. При нестачі кровотеча, стомлюваність, болі в кінцівках. Зв'язок вітамінів С і Р (аскорутин).

антоцианінів(Від грец .: забарвлення квітів).

ЩО ТАКЕ лігніну? З чого складається деревина? чому вона тверда і водонепроникна?

"АЛІЦІКЛИ", 2 лекції.

1. Формальна класифікація циклів(Гетероцикли і карбоцікли, і ті і інші можуть бути ароматичними і неароматичного. Аліцікламі називаються неароматичного карбоцікли.

2. Поширення в природі (нафта, терпени, стероїди, вітаміни, простагландини, Хризантемовий к-та і піретроїди, ін.).

3. Синтез - кінець XIX ст. Перкін мл. - з натрмалонового ефіру. (Див. П.13). Густавсон:

Br-CH 2 CH 2 CH 2 -Br + Zn (EtOH, 80 o C). Це 1,3-елімінування.

4. БАЙЕР (1885 г.). Теорія напруги. Це навіть не теорія, а дискусійна стаття: По Байєру – всі цикли плоскі. Відхилення від кута 109 про 28 '- напруга. Теорія жила-жила років 50, потім померла, а термін - залишився. Перші синтези макро- і середніх циклів (Ружичка).

5. ТИПИ напруги в циклі: 1) кутовий (тільки малі цикли), 2) торсіонних (закритої), трансанулярна (в середніх циклах).

Напр. по Байєру
Напр. по D H o f ккал / м (теп. образ.)
Напр. по D H o f ккал / мЗ 9 (12,5 ккал / м), З 10 (13 ккал / м), З 11 (11 ккал / м), З 12 (4 ккал / м), С 14 (2 ккал / м).
Теплота згоряння на CH 2 групу, ккал / м	МАЛІ ЦИКЛИ 166.6 (С3), 164,0 (С4)		Звичайні 158,7 (С5), 157,4 (С6)		СЕРЕДНІ ДО З 12 (C 13) Макроцикл> C 13

6. Циклопропан. будова(С-С 0,151 нМ, Ð НСН = 114 о), гібридизація (по расчётамдляС-Н вона ближче до sp 2, для C-C- до sp 5), бананові зв'язку, кут 102 про схожість з алкенами, торсіонних напруга - 1 ккал / м на С-Н, тобто 6 ккал / м з 27.2 (табл.). Кислотність CH - рКа як у етилену = 36-37, возможноесопряженіе ціклопропанового фрагмента з р-орбіталей сусідніх фрагментів (стабільність ціклопропілметільного карбокатіон) .

ОСОБЛИВОСТІ ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ. 1. Гідрування в С 3 Н 8 (Н 2 / Pt, 50 о С) / 2. з вологим HBr - розкриття циклу метілціклопропана по Марковникову, 1,5-приєднання до вінілціклопропану 3. Радикальне галогенування. 4. Стійкість до деяких окислювача (нейтральний розчин KMnO 4, озон). У фенілціклопропане озон окисляє Phкольцо cобразованіем ціклопропанкарбоновой кислоти.

7. циклобутану. будова(С-С 0,155 нМ, Ð НСН = 107 о) , Конформація - складчаста, відхилення від площини дорівнює 25 о. Торсіонних напруга.

Майже немаєОСОБЛИВОСТЕЙ ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ: Гідрування в С 4 Н 10 (Н 2 / Pt, 180 о С).Особливості будови оксетанов: торсіонних напруга - 4 ккал / м замість 8.

8. циклопентану. Кутового напруги майже немає. У плоскому - 10 пар заслоненних С-Н зв'язків (це могло б дати торсіонне напруга 10 ккал / м, але циклопентан - не плаский). Конформації відкритий КОНВЕРТ - напівкрісло - відкритий КОНВЕРТ. ПСЕВДОВРАЩЕНІЕ - компроміс між кутовим та торсійним напругою.

9. циклогексан - КРІСЛО. Кутового і торсіонного напруги немає. Аксіальні і екваторіальні атоми.Все С-Н зв'язку сусідніх атомів вуглецю знаходяться в в загальмованому положенні. Перехід між двома можливими кресловіднимі конформаціями через твіст-форму, і т.д. 10 5 разів на сек.ЯМР спектр ціклогексана.Бистрие і повільні обмінні процеси в ЯМР.

Монозаміщених циклогексану. Конформери. аксіальні і гош-бутановие взаємодії.

Вільні конформаційні енергії заступників.- DG о, ккал / м: H (0), Me (1.74, це ~ 95% е-Ме конформера в рівновазі), i-Pr (2.1), t-Bu (5.5), Hal (0.2-0.5) Ph (3.1).

тре-бутільная група як якір, що закріплює конформацію, в якій вона сама займає екваторіальна положення. В тре-бутілціклогексане при кімнатній температурі більше 99,99% екваторіального конформера.

Аномерного ефект.Відкрито на моносахариди і більш детально буде розглянуто там.

10. дизаміщені циклогексану. Цис- транс- ізомери, енантіомери для 1,2-. 1,3. 1,4-дізамещённих циклогексанов.

11. ВПЛИВ конформационное СТАНУ на реакційну здатність. Згадати елімінування в ментіл- і ізоментілхлоріде (1 сем). Правило Бредта.

12. Поняття про конформаціях середніх циклів (крісла-ванни, корони і т.п.)Трансанулярна напруга. Поняття про трансанулярна реакціях.

13. Методи синтезу малих циклів.

14. СИНТЕЗ звичайних І СЕРЕДНІХ циклів.

Через малоновий ефір.

Піроліз Ca, Ba, Mn, Th солей a, w -дікарбонових кислот.

Конденсація Дикмана.

Через a, w -дінітріли.

Ацілоіновая кондесація.

Метатезис алкенов.

Ціклотрі- і тетрамерізація на металокомплексних каталізаторах.

Реакція Дем'янова.

15. Особливості будови циклоалкеніл.

16. Синтез ціклоалкінов.

17. біцикло. Спіралі. Адамантан.

18. Екзотика. Тетраедран, Куба, ангулани, пропеллан.

ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ З'ЄДНАННЯ.

1. П'ятичленні гетероцикли з одним гетероатомом.

Пірол, фуран, тіофен, ароматичность, їх похідні в природі (порфирин, гем, хлорофіл, вітамін В12, аскорбінова кислота, біотин).

2. Методи синтезу п'ятичленних гетероциклів з одним гетероатомом.Метод Паален-Кнорра. Синтез піролу по Кнорр і фурану по Фейст-Бенáрі. Перетворення фурану в інші пятічленниє гетероцикли по Юр'єву. Отримання фурфуролу з рослинних відходів, що містять пятиуглеродного вуглеводи (пентозани).

3. Фізичні і хімічні властивості п'ятичленних гетероциклів.

Дані спектрів ЯМР 1 Н і 13 С, δ М.Д. (Для бензолу? Н 7.27 і δС 129 М.Д.)

дипольні моменти

3.1 Електрофільне заміщення в піролі, фуранів і тіофенів.

За реакційної здатності по відношенню до електрофілов пірол нагадує активовані ароматичні субстрати (фенол або ароматичні аміни), Пірол більш реакционноспособен, ніж фуран (фактор швидкості більше 10 5), тіофен значно менше реакционноспособен, ніж фуран (також приблизно в 10 5 разів), але більше реакционноспособен, ніж бензол (фактор швидкості 10 3 -10 5). Все пятічленниє гетероцикли схильні до полімеризації і осмолению в присутності сильних протонних кислот і високореакціонноспособних кислот Льюїса. Особливо високою ацідофобних відрізняється пірол.ДЛЯ електрофільного заміщення У п'ятичленних гетероциклів, ОСОБЛИВО піроліл, НЕ МОЖНА БРАТИ СИЛЬНІ МІНЕРАЛЬНІ КИСЛОТИ, AlCl 3, А ТАКОЖ сильний окислювач! Хоча це правило не абсолютно, і тіофен до деякої міри стійкий до дії кислот, простіше і надійніше зовсім уникати таких реакцій для всіх донорних гетероциклов. Приклади реакцій електрофільного заміщення в піролі, фуранів і тіофенів.

3.2. Основность і кислотність пиррола, алкілування Li, Na, К і Mg похідних піролу.

3.3. Конденсація пиррола з альдегідами (формілювання, освіту порфиринов).

3.4. Особливості хімічних властивостей фуранів (реакція з бромом, реакція Дільса-Альдера.

3.5. Особливості хімічних властивостей тиофена. Десульфуризація.

3.6. Реакції З-металлірованних п'ятичленних гетероциклів.

4. Конденсовані пятічленниє гетероцикли з одним гетероатомом.

4.1. Індол в природі (триптофан, скатол, серотонін, гетероауксин. Індиго.)

4.2 Синтез індолів по Фішеру. Механізм.

4.3 Порівняння властивостей індолу і пиррола.аналогічно піроліл індол ацідофобен і дуже чутливий до окислювача. Істотною відмінністю від пиррола є орієнтація електрофільного заміщення в положення 3.

5. П'ятичленні гетероцикли з двома гетероатомамі.Імідазол, Амфотерность, таутомерія, використання при ацилированием. Порівняння з амідини. Імідазол - донор і акцептор водневих зв'язків. Це важливо для хімії ферментів, наприклад химотрипсина. Саме гистидинового фрагмент химотрипсина переносить протон і забезпечує гідроліз пептидного зв'язку.

6. Піридин, ароматичность, основність (рКа 5,23; основність порівнянна з аніліном (рКа = 4,8), але трохи більше). рКа похідних піридину: 2-аміно-Ру = 6,9 , 3-аміно-Ру = 6,0 . 4-аміно-Ру = 9,2. Це досить серйозна причина. 4-нітро-Ру = 1,6; 2-ціано-Ру = -0,26).

Похідні піридину в природі (вітаміни, нікотин, NADP).

6.1. Дані спектрів ЯМР 1 Н (13 С), δ, М.Д.

6.2. Методи синтезу піридинів (з 1,5-дикетонов, трикомпонентний синтез Ганча).

6.3. Хімічні властивості піридину.Алкілування, ацилирование, DMAP, комплекси піридину з кислотами Льюїса. (CSO 3, BH 3, NO 2 + BF 4 -, FOTf). М'які електрофільні реагенти для сульфирования, відновлення, нітрування і фторування відповідно.

6.4. Реакції електрофільного заміщення для піридину. Особливості реакцій і приклади умов електрофільного заміщення в піридині.

6.5. N-окис піридину, отримання та її використання в синтезі. Введення нітрогрупи в 4 положення кільця.

6.6. Нуклеофільне заміщення в 2-, 3-, і 4-хлорпіридин.Фактори парціальних швидкостей у порівнянні з хлорбензол.

Аналогічна тенденція спостерігається і для 2-, 3- і 4 галогенхінолінов.

6.7. Нуклеофільне заміщення гідрид-іона:

реакція піридину з алкіл- або аріллітіем;

реакція піридину з амідом натрію (реакція Чичибабіна).Так як елімінування вільного гідрид-іона неможливо з енергетичних причин, в реакції Чичибабіна проміжний сигма-комплекс ароматизова за рахунок взаємодії з продуктом реакції з утворенням натрієвої солі продукту і молекулярного водню.

В інших реакціях гідрид зазвичай видаляють за допомогою окислення. так, солі піридинію можуть піддаватися гидроксилированию, що приводить до утворення 1-алкілпірідонов-2. Процес йде аналогічно амінування, але в присутності окислювача, наприклад, K 3.

6.8. Літіопроізводние піридину.Отримання, реакції.

6.9. Піридинове ядро ​​як сильний мезомерний акцептор. Стійкість карбаніони, пов'язаних з піридинове ядром в 2- або 4-положеннях. Особливості хімічних властивостей метилпіридин і вінілпіридину.

7. Конденсовані шестичленні гетероцикли з одним гетероатомом.

7.1. хінолін. Хінін.

Спектри ЯМР 1 Н (13 С) хіноліну, δ, М.Д.

7.1. Методи отримання хінолінів. Синтези Скраупа і Дёбнера-Міл-лера.Поняття про механізм цих реакцій. Синтез 2- і 4-метілхінолінов.

7.2. ізохінолін,синтез по Бішлеру-Напіральскому .

7.3. Хімічні властивості хінолінів і ізохінолін.Порівняння з пиридином, відмінності властивостей піридину і хіноліну.

Поведінка гетероциклічних сполук в присутності окислювачів і відновників, призначених для модифікації бічних ланцюгів.

Відновлювачі:

Пірол - практично необмежено стійкий до дії відновників, а також підстав і нуклеофілів (наприклад, витримує гідриди, боран, Na в спирті без порушення кільця, навіть при тривалому нагріванні).

Тіофен - також як і пірол, стійкий до дії відновників, а також підстав, нуклеофілів за винятком восстановителей на основі перехідних металів. Будь-які сполуки нікелю (нікель Ренея, борид нікелю) викликають десульфуризацію і гідрування скелета. Каталізатори на основі паладію і платини зазвичай отруюються тіофенів і не працюють.

Фуран - також як пірол, але дуже легко гідруван.

Індол - повністю аналогічний піроліл.

Кільце пиридина відновлюється легше, ніж кільце бензолу. Для бічних ланцюгів можна використовувати NaBH 4, небажано (часто навіть не можна) використовувати LiAlH 4.

Для хіноліну закономірності практично ті ж, що для піридину, не можна використовувати LiAlH 4.

У кватернізованной формі (N-алкілпірідіній, хіноліній) дуже чутливі до відновників (відновлення кільця), підстав, нуклеофіли (розкриття кільця).

Окислювачі.

Використання окислювачів для з'єднань пиррола, індолу і, в меншій мірі фурану, призводить, як правило, до руйнування кільця. Присутність електроноакцепторних заступників підвищує стійкість до окислювача, однак більш докладна інформація про це виходить за межі програми 3 курсу.

Тіофен поводиться подібно бензолу - звичайні окислювачі не руйнують кільце. Але категорично виключено використання перекисних окислювачів в будь-якій формі - відбувається окислення сірки до сульфоксиду і сульфону з втратою ароматичности і негайної Димеризація.

Піридин досить стійкий до більшості окислювачів в м'яких умовах. Ставлення піридину до нагрівання з KMnO 4 (рН 7) до 100 o С в запаяній ампулі таке ж, як і для бензолу: кільце окислюється. У кислому середовищі в протоновану формі піридин ще більш стійкий до окислювача, можна використовувати стандартний набір реагентів. Надкислоти окислюють піридин в N-оксид - див. Вище.

Окислення одного з кілець хіноліну з KMnO 4 призводить до піридин-2,3-дикарбонової кислоти.

8. Шестичленні гетероцикли з декількома атомами азоту

8.1. Піримідин.Похідні піримідину як компоненти нуклеїнових кислоті лікарських препаратів (урацил, тимін, цитозин, барбітурова кислота). Противірусні і протипухлинні препарати - пр-ні пиримидина (5-фторурацил, азидотимидин, алкілметоксіпіразіни - компоненти запаху їжі, фруктів, овочів, перцю, гороху, смаженого м'яса. Так звана реакція Мейяр (Maillard) (факультативно).

8.2. Поняття про хімічні властивості похідних піримідину.

Піримідин можна бромованих в положення 5. Урацил (див. Нижче) теж можна бромованих і нітровані в положення 5.

легкі реакції S N 2Ar в хлорпірімідінах(Аналогія з пиридином!): по положенню 4 йде швидше, ніж по 2.

Заміщення 2-С1 під дією КNH 2 в NH 3 ж. Механізм не аринового, а ANRORC (на 5 +++).

10. Біядерні гетероцикли з декількома атомами азоту. пурини (аденін, гуанін).

Найбільш відомі пурини (кофеїн, сечова кислота, ацикловір). Ізостери пуринів (алопуринол, силденафіл (віагра ™)).

Додаткова література по темі "гетероцикл"

1. Т.Джілкріст "Хімія гетероциклічних сполук" (Пер. З англ. - М .: Мир, 1996)

2. Дж. Джоуль, К.Міллс "Хімія гетероциклічних сполук" (Пер. З англ. - М .: Мир, 2004).

Амінокислоти .

1.Амінокіслоти (АК) в природі. (≈ 20 амінокислот присутні в білках, це кодуються АК,> 200 АК зустрічаються в природі.)

2. α-, β-, γ-амінокислоти. S-конфігурація природних L-амінокислот.

3. Амфотерность, ізоелектричної точка(РН зазвичай 5,0-6,5). Оснόвние (7,6-10,8), кислі (3,0-3,2) амінокислоти. Підтвердження цвіттер-іонного будови. Електрофорез.

4. Хімічні властивості АК- властивості COOHі NH 2 груп. Хелати. Бетаїн. поведінка при нагріванні(Пор. З оксикислотами). Освіта азлактонов з N-ацетілгліцін і гідантоїнів з сечовини і АК - на 5 ++. Синтез складних ефірів і N-ацилювання - шлях до пептидного синтезу (див. Лекцію про білок).

5. Хімічне і біохімічне дезаминирование,(Механізми не вчити!), Принцип ферментативного переамінування з вітаміном В 6 (було в темі "Карбонільні з'єднання" і в курсі біохімії).

7. Найважливіші способи синтезу амінокислот:

1) з галогенкарбонових кислот - два примітивних способу, включаючи фталімідний. (Обидва вже відомі!)

2) синтез Штрекер;

3) алкілування аніонів СН-кислот - PhCH = N-CH 2 COOR і N-ацетіламіномалонового ефіру.

4) Енантіоселектівний синтез АК шляхом:

а) мікробіологічного (ферментативного) поділу і

б) енантіоселектівное гідрування з використанням хіральних каталізаторів.

5) β-амінокислоти. Синтез по Міхаелю.

	гідрофобні амінокислоти	Трохи про біохімічної ролі (для загального розвитку)
аланін		Винос аміаку з тканин в печінку. Трансамінування, перетворення в пировиноградную к-ту. Синтез пуринів, піримідинів і гема.
валін *		Якщо в результаті мутації валін встає на місце глутамінової к-ти в гемоглобіні - буває спадкове захворювання -серповідно-клітинна анемія. Серйозна спадкова хвороба, поширена в Африці, але при цьому надає стійкість до малярії.
лейцин *
ізолейцин *
пролін		Вигини в молекулах білків. Відсутність обертання там, де є пролін.
фенілаланіну *		Якщо не перетворюється в тирозин - буде спадкове захворювання фенілпіровіно-Градний олігофренія.
триптофан *		Синтез НАДФ, серотоніну. Розпад в кишечнику до скатола і індолу.
	гідрофільні амінокислоти
Гліцинія Gly (G)	H 2 N-CH 2 -COOH	Бере участь в величезному кол-ве біохімічних синтезів в організмі.
СЕРИН Ser (S)	HO-CH 2-CH (NH 2) -COOH	Беруть участь (в складі білків) в процесах ацилирования і фосфорилювання.
треонін * Thr (T)	CH 3 -CH (OH) - CH (NH 2) -COOH
Тирозин Tyr (Y)		Синтез тиреоїдних гормонів, адреналіну і норадреналіну
	"Кислі" амінокислоти
АСПАРАГІНОВА КИСЛОТА Asp (D)	HOOC-CH 2-CH (NH 2) -COOH	Донор аміногрупи при синтезах.
ГЛУТАМІНОВА КИСЛОТА Glu (E)	HOOC-C 4 H 2 -CH 2-CH (NH 2) -COOH	Утворює ГАМК (γ-аміномасляна кислота (аминалон) - заспокійливий засіб. Gluвиносіт NH 3 з мозку, перетворюючись при цьому в глутамин (Gln). 4 карбоксіглутаміноваяк-тавбелкахсвязиваетСа.
	"А М І Д И" кислих амінокислот
аспарагін Asn (N)	H 2 N-CO-CH 2 -CH (NH 2) -COOH
глутамін Gln (Q)	H 2 N-CO-CH 2 -CH 2 -CH (NH 2) -COOH	Донораміногрупп в синтезах
цистеїн Cys (C)	HS-CH 2-CH (NH 2) -COOH	Освіта S-Sзв'язків (тре, структура білків, регуляція активності ферментів)
цистину	Cys-S-S-Cys
метіонін * Met	MeSCH 2 CH 2 - CH (NH 2) COOH	Донор метильних груп
	"Оснóвние" амінокислоти
лізин * Lys (K)	H 2 N- (CH 2) 4 -CH (NH 2) -COOH	Утворює зшивання в коллагене і еластині робить їх еластичними.
аргінін Arg (R) Містить фрагмент гуанидина	H 2 N-C (= NH) -NH- (СН 2) 3 -СH (NH 2) -COOH	Бере участь у виведенні аміаку з організму
гістидин His (H) залишок імідазолу		Синтез гістаміну. Алергія.

* - незамінні амінокислоти.З більшості амінокислот легко синтезуються глюкоза і жири. Порушення обміну амінокислот у дітей призводить до розумової неповноцінності.

Захисні ГРУПИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ В пептидного синтезу.

NH 2 -захисні групи -

RC (O) - = ( HC (O) - ) CF 3 C (O) - фталильная

ROC (O) - = PhСН 2 OC (O) -і заміщені бензилом , T-BuOC (O) -та ін. тре-групи,

Флуоренілметілоксікарбонільная група,

Ts-група

СООН -захисні групи - ефіри - PhCH 2 O- і заміщені бензилом,

t-BuO- і флуоренілметіловие ефіри.

окреме розгляд захисних групдля інших ФГ амінокислот не передбачено.

Методи створення пептидного зв'язку.

1. Хлорангідрідний (через X-NH-CH (R) -C (O) Cl). Спосіб застарів.

2..Азідний (по Курціус, через X-NH-CH (R) -C (O) Y → C (O) N 3 як м'який ацилуючий реагент.

3.Ангідрідний - напр. через змішаний ангідрид з вугільною кислотою.

4.Актівірованние ефіри (наприклад С (О) -ОС 6 F 5 і т.п.)

5. Карбодіімідний - кислота + ДЦК + амін

6. Синтез на твердому носії (напр. На смолі Мерріфілд).

Біологічна роль пептидів. кілька прикладів .

1. Енкефаліни і ендорфіни - опіоїдні пептиди.

наприклад Tyr-Gly-Gly-Phe-Met і

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu ізмозгасвіньі. Відомо кілька сотень аналогів.

2. Окситоцин і вазопресин Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu -Gly-NH 2

│________________│

DuVigneaud, Ноб.пр. 1955 Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg -Gly-NH 2

│________________│

3. Інсулін контролює засвоєння глюкози клітиною. Надлишок глюкози в крові (діабет) - призводить до Глікозилювання всього підряд (в основному білків).

4. Перетворення пептидів: ангиотензиноген → ангіотензин I → ангіотензин II. Один з основних механізмів регуляції артеріального тиску (АТ), місце для вкладання багатьох ліків (блокатори АПФ - ангіотензинперетворювального ферменту. Каталізатор 1 стадії - фермент ренін (виділений з нирок).

5. Пептидні токсини. Діють при хворобах - ботулізм, правець, дифтерія, холера. Отрути змій, скорпіонів, бджіл, токсини грибів (фаллоидин, Амантин), морських безхребетних (Conusgeographus - 13 АК, два -S-S-містка). Багато стійкі при кип'ятінні в кислому розчині (до 30 хв).

6. Пептидні антибіотики (граміцидин S).

7. Аспартам Asp-Phe-OMe в 200 разів солодше цукру. Гіркі і "смачні" пептиди.

8. Білки. Чотири рівня організації нативной білкової молекули. Білок - унікальний (поряд з нуклеїновими кислотами) тип макромолекули, що володіє точно відомою структурою, впорядкованої аж до деталей стереохимии і конформації. Всі інші відомі макромолекули, в тому числі і природні (полісахариди, лігнін і т.п.) мають в більшій чи меншій мірі невпорядковане будову - широкий розподіл молекулярних мас, вільний конформационное поведінку.

Первинна структура - послідовність амінокислот. Як коротко позначається первинна структура?

Вторинна структура - конформационно-регулярні елементи двох типів (α-спіралі і β- шари) - так впорядковується тільки частина білкової макромолекули.

Третинна структура - унікальна впорядкована стереохимическая конфігурація повною макромолекули. Поняття про "складанні" (folding) поліпептидного ланцюга в третинну структуру білка. Пріони.

Четвертичная структура - з'єднання декількох субодиниць в білках, що складаються з декількох поліпептидних ланцюгів. Дисульфідні містки (оборотне перетворення цистеїн-цистин) як спосіб закріплення третинної і четвертинної структури.

ВУГЛЕВОДИ.

1. Що таке вуглеводи? Вуглеводи навколо і всередині нас.

2. Поняття про фотосинтезі похідних D-гліцеринової кіслоти.Только для особливо видатних студентів - про освіту дифосфата гліцеринової кислоти з D-рибулозо.

3. Що таке D-ряд вуглеводів.(Коротко про історію виникнення поняття про D- і L- рядах).

4. Класифікація вуглеводів: а) за кількістю атомів С; б) за наявністю С = О або СНО груп; в) за кількістю циклічних фрагментів.

5. Синтез вуглеводів з D-гліцеринового альдегіду за методом Кіліаном-Фішера.Як Фішер встановив формулу глюкози?

6. Висновок формул всіх D-тетроз, -пентоз, -гексоз з D- гліцеринового альдегіду (відкриті структури).Для всіх студентів - знати формулу глюкози (відкриту і циклічну), манози (2-епімер глюкози), галактози (4-епімер глюкози), араб. Піранози і фуранози.

7. Вміти перейти від відкритої форми до циклічної по Хеуорсу. Вміти намалювати формули α- і β-глюкози (всі заступники в е-положенні крім аномерного) в конформації крісла.

8. Що таке Епімери, аномери, мутаротації.Аномерного ефект.

9. Хімічні властивості глюкози як Альдегідоспирти: а) хелати з іонами металів, отримання глікозидів, повних простих і складних ефірів, ізопропіліденовая захист; б) окислення СНТ групи іонами металів, бромной водою, НNО 3. Розщеплення по Волю.Реакція з амінами і отримання Озазон.Найважливіші принципи та прийоми виборчого алкилирования різних гидроксилов в глюкозі.

10. D-фруктоза як представник кетоз. Відкрита і циклічна форми.Реакція срібного дзеркала для фруктози.

11. Поняття про дезоксисахара, аміноцукри. Сюди ж хітин і гепарин. Септулози і октулози в авокадо. Реакція Мейяр (Maillard).

12. Олігосахариди. мальтоза,целлобиоза,лактоза, сахароза. Відновлюючі і невідновлювальних цукру.

13. Полісахариди - крохмаль(20% амілози + 80% амілопектину),іодкрахмальная проба, глікоген, целюлоза,гідроліз крохмалю в порожнині рота (амілаза) і гідроліз целюлози,нітроклітковини, віскозне волокно,виробництво паперу , групи крові і відмінність між ними.

НАЙВАЖЛИВІШІ полісахариди.

полісахариди	СКЛАД і будова	примітки
циклодекстрини	α- (6), β- (7), γ- (8) Складається з глюкози, 1-4 зв'язку.	Відмінні комплексообразователи, хелатообразователей
крохмаль	α-глю- (1,4) -α-глю 20% амілози + 80% амілопектину	амилоза= 200 глю, лінійний полісахарид. амілопектин= 1000 і більше глю, розгалужена.
глікоген	"Розгалужений" крохмаль, участь 6-ОН	Запас глюкози в організмі
	Із залишків фруктози	Міститься в топінамбурі
целюлоза	β-глю- (1,4) -β-глю	Бавовна, клітковина рослин, деревина
целюлоза	Ксантогенат по 6-положенню	Отримання віскози - штучного шовку, целофану (пакувальної плівки)
ацетат целюлози	приблизно диацетат	ацетатное волокно
нітрат целюлози	Трінітроефір	бездимний порох
Виробництво паперу з деревини	деревина = целюлоза + лігнін. Обробити Са (НSO 3) 2 або Na 2 S + NaOH	Сульфатація деревини - видалення лігніну в воду - отримання целюлозної маси.
	Полі-α-2-дезокси-2-N-Ac-аміноглюкоза (замість 2-ОН - 2-NH-Ac)	Якщо видалити Ас від азоту вийде хітозан - модна БАД
гіалуронова кислота	- (2-AcNH-глюкоза - глюкуроновая кислота) n -	Мастило в організмі (напр. В суглобах).
	Будова дуже складне - (2-HO 3 S-NH-глюкоза - глюкуроновая кислота) n -	Збільшує час згортання крові
Хондроітин сульфат	Глікопротеїни (колаген), протеоглікани, зв'язок через NН 2 аспарагина або ОН серину	Є всюди в організмі, особливо в сполучної тканини, хрящах.

Примітка: Глюкуронова к-та: 6-СООН - 1 СНТ

Глюконова к-та: 6-СН 2 ОН - 1-СООН

Глюкаровая к-та: 6-СООН - 1 СООН

1. Хімія і біохімія нуклеїнових кислот.

Азотисті основи в РНК:У (урацил), Ц (цитозин) - похідні піримідину. А (аденін), Г (гуанін) - похідні пурину. У ДНКзамість У (урацила) присутній Т (тимін).

нуклеозиди ( цукор+ Азотистих основ): уридин, цітідін, тимидин, аденозин, гуанозин.

нуклеотиди ( фосфат+ цукор+ Азотистих основ).

Лакто-лактамна таутомерія.

первинна структурануклеїнових кислот (з'єднання нуклеозидов через атоми кисню у С-3 і С-5 рибози (дезоксирибози) з допомогою фосфатних містків.

РНК і ДНК.

а) Головні підстави і мінорні підстави (РНК). Тільки для тРНК список мінорних підстав наближається до 50. Сенс їх існування - захист від гидролитических ферментів. 1-2 приклади мінорних підстав.

в) Правила Чаргаффа для ДНК. Найважливіше: А = Т. Г = Ц. Однак Г + Ц< А+Т для животных и растений.

Принципи будови ДНК

1. Нерегулярність.
Існує регулярний сахарофосфатний остов, до якого приєднані азотисті основи. Їх чергування нерегулярно.

2. антипаралельними.
ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, орієнтованих антипараллельно. 3 `кінець однієї розташований навпроти 5`-кінця іншого.

3. Комплементарність (доповнення).
Кожному азотистій підставі одного ланцюга відповідає строго певне азотна основа іншого ланцюга. Відповідність задається хімією. Пурин і піримідин в парі утворюють водневі зв'язки. В парі A-Тдві водневі зв'язку, в парі Г-Ц - три, оскільки в цих підставах у ароматичному кільці є додаткова аминогруппа.

4. Наявність регулярної вторинної структури.
Дві комплементарні, антипараллельно розташовані полінуклеотидні ланцюга утворюють праві спіралі із загальною віссю.

функції ДНК

1. ДНК є носієм генетичної інформації.
Функція забезпечується фактом існування генетичного коду. Кількість молекул ДНК: в клітці людини - 46 хромосом, в кожній одна молекула ДНК. Довжина 1 молекули ~ 8 (т.е.2х4) см. В упакованому вигляді - 5 нм (це третинна структура ДНК, суперспіралізації ДНК на білках-гістонів).

2. Відтворення і передача генетичної інформації забезпечується процесом реплікації (ДНК → нова ДНК).

3. Реалізація генетичної інформації у вигляді білків і будь-яких інших сполук, що утворюються за допомогою білків-ферментів.
Ця функція забезпечується процесами транскрипції (ДНК в РНК) і трансляції (РНК в білок).

репарація- відновлення пошкодженої ділянки ДНК. Це відбувається через те, що ДНК - дволанцюжкова молекула, є комплементарний нуклеотид, який "підказує", що потрібно виправити.

Які бувають помилки і пошкодження? а) Помилки реплікації (10 -6), б) депурінізація, втрата пурину, освіту апуріновие сайтів (в кожній клітині втрата 5000 пуринових залишків на добу!), в) дезаминирование (наприклад цитозин перетворився в урацил).

Індуковані пошкодження. а) димеризація піримідинових кілець під дією УФ по С = С зв'язків з утворенням ціклобутанового кільця (для видалення димарів використовуються фотоліази); б) хімічне пошкодження (алкілування, ацилювання і ін.). Ремонт пошкоджень - ДНК-глікозілаза - апурінізація (або апірімідінізація) алкілірованние підстави - далі введення "нормального" підстави в п'ять стадій.

Порушення процесу репарації - спадкові хвороби (пігментна ксеродерма, тріхотіодістрофія і ін.) Спадкових хвороб близько 2000.

Інгібітори транскрипції та трансляції - антибактеріальні препарати.

стрептоміцин - інгібітор синтезу білка у прокаріотів.

тетрацикліни - "зв'язуються з 30S субодиницею бактеріальної рибосоми і блокують приєднання аміноацил-тРНК в А-центр рибосоми, тим самим, порушуючи елонгацію (тобто зчитування мРНК і синтез поліпептидного ланцюга)".

Пеніциліни і цефалоспорини - β-лактамні антибіотики. β-лактамні кільце пригнічує синтез клітинних стінок у грамнегативнихмікроорганізмів.

віруси - інгібітори матричних синтезів в клітині.

токсини - часто роблять те ж саме, що і віруси. α-аманітіна- токсин блідої поганки, LD 50 0,1 мг на кг маси тіла. Інгібування РНК-полімерази. Результат - незворотні зміни в печінці та нирках.

рицин - дуже сильний білковий отрута з рицини. Це фермент N-глікозілаза, який видаляє залишок аденіну з 28S рРНК великої субодиниці рибосоми, пригнічує синтез білка у еукаріотів. Міститься в касторовій олії.

Ентеротоксин збудника дифтерії (Білок з масою 60 кД) - пригнічення синтезу білків в зіві і гортані.

інтерферони - білки з розміром близько 160 АК, секретируются деякими клітинами хребетних у відповідь на зараження вірусами. Кількість інтерферону - 10 -9 - 10 -12 г, тобто одна молекула білка захищає одну клітку. Ці білки, як білкові гормони, стимулюють синтез ферментів, які руйнують синтез мРНК вірусів.

Спадкові хвороби (моногенні) і (не плутати!) Сімейна схильність до хвороб (діабет, подагра, атеросклероз, сечокам'яна хвороба, шизофренія - це мультифакторні хвороби.)

Принципи аналізу нуклеотидної послідовності (факультативно).

ДНК технології в медицині.

А. Виділення ДНК. Б. Розщеплення ДНК за допомогою рестриктаз. ДНК людини - 150х10 6 пар нуклеотидів. Їх треба розділити на 500 000 фрагментів по 300 пар в кожному. Далі гель-електрофорез. Далі - блот-гібридизація по Саузерну з радіозондом або інші методики.

Секвенування. Екзонуклеаза - отщепляют послідовно один мононуклеотид. Це застаріла методика.

ПЛР (PCR) - полімеразно-ланцюгова реакція. (Нобел. Ін. 1993 р .: Керрі Мулліс)

принцип:праймери (це фрагменти ДНК ~ 20 нуклеотидів - комерційно доступні) + ДНК-полімераза → напрацювання ДНК (ампліфікатор) → аналіз ДНК (секвенатор). Зараз все робиться автоматично!

Метод секвенування ДНК з використанням мічених дефектних нуклеотидів (наприклад, дідезоксінуклеотідов). Зараз позначки не радіоактивні, а флуоресцентні. Аналіз на СНІД та інші ІПСШ. Швидко, але дорого. Краще не хворіти!

Успіх ПЛР для діагностики і широкого поширення пов'язаний з тим, що ферменти, що беруть участь в процесі, виділені з термостійких бактерій гарячих джерел і зроблені генною інженерією, витримують нагрівання, при якому відбувається денатурація (дисоціація ланцюгів ДНК) і підготовка їх до наступного циклу ПЛР.

Терпить, терпеноїди І стероїди.

Турпентін – летка олія з соснової смоли.

Терпени - група ненасичених вуглеводнів складу (С 5 Н 8) n, де n³ 2, широко поширені в природі. Містять фрагменти изопентана, пов'язані, як правило, за типом "голова до хвоста" (Це і є Правило Ружичка).

Монотерпени З 10 (С 5 Н 8) 2 Се сквітерпени З 15, (С 5 Н 8) 3 дітерпени З 20, (С 5 Н 8) 4 Трітерпени З 30, (С 5 Н 8) 6. Політерпени (каучук).

Ступінь гідрування терпенів може бути різною, тому число атомів Н НЕ обязательнодолжно бути кратно 8. Не буває З 25 і С 35 терпенів.

Терпени бувають ациклічні та карбоциклические.

Терпеноїди (ізопреноїди) - це терпени (вуглеводні) + функціонально заміщені терпени. Велика група природних з'єднань з регулярним будовою скелета.

Ізопреноїди можна поділити на

1) терпени, в т.ч. функціонально заміщені,

2) стероїди

3) смоляні кислоти,

4) поліізопреноіди (каучук).

Найважливіші представники терпенів.

Деякі особливості хімії терпенів, бициклических молекул і стероїдів.

1) некласичні катіони; 2) перегрупування типу Вагнера-Мейервейна; 3) легка окислюваність; 4) діастереоселектівний синтез; 5) вплив віддалених груп.

Формально терпени - продукти полімеризації ізопрену, але шлях синтезу зовсім інший! Чому ж саме похідні поліізопрену набули такого поширення в природі? Це пов'язано з особливостями їх біосинтезу з ацетілкоензіма А, тобто фактично з оцтової кислоти. (Блох, 40-60 рр. Обидва атома вуглецю з З 14 Н 3 С 14 ООН включаються в терпен.)

СХЕМА синтезу Мевалонова кислота - найважливішого проміжного продукту в біосинтезі терпенів і стероїдів.

конденсація ацетилкоензиму А в ацетоацетилкоензим А проходить по типу складноефірного конденсації Кляйзена.

Синтез лімонену з геранілфосфата - важливого проміжного речовини як в синтезі найрізноманітніших терпенів, так і в синтезі холестерину. Нижче наведено перетворення лімонену в камфору під дією HCl, води і окислювача (РР - залишок пірофосфату).

Перетворення мевалонової кислоти в геранілфосфат відбувається шляхом 1) фосфорилювання 5-ОН, 2) повторного фосфорилювання 5-ОН і освіту пірофосфату, 3) фосфорилювання по 3-ОН. Все це відбувається під дією АТФ, яка перетворюється в АДФ. Подальші перетворення:

Найважливіші стероїдні гормони.

Утворюються в організмі з холестерину. Холестерин не розчиняється в воді. Проникає в клітину і бере участь в біосинтезі через комплекси зі стерінопереносящімі білками.

жовчних кислот . Холевая кислота. Цис-зчленування кілець А і В. Жовчні кислоти покращують всмоктуваність ліпідів, знижують рівень холестерину, широко використовуються для синтезу макроциклічних структур.

Стероїди - ЛІКАРСЬКІ ЗАСОБИ.

1. кардиотоники. Дигитоксин. Міститься в різних видах наперстянки (DigitalispurpureaL. Або DigitalislanataEhrh.) Глікозиди - це природні сполуки, які складаються з одного або декількох залишків глюкози або іншого цукру, які найчастіше пов'язані через положення 1 або 4 з органічної молекулою (Аглікон). Речовини схожою структури і дії зустрічаються в отруті деяких видів жаб.

2. Діуретики.Спіронолактон (верошпирон). Антагоніст альдостерону. Блокує зворотне всмоктування іонів Na +, зменшує таким чином кількість рідини, що призводить до зниження артеріального тиску не впливає на вміст іонів К +! Це дуже важливо.

3. Протизапальні засоби.Преднізолон. 6-метилпреднізолон (див. Формулу вище). Фторстероіди (дексаметазон (9a -фтор-16a -метілпреднізолон), триамцинолон (9a -фтор-16a -гідроксіпреднізолон. Протизапальні мазі.

4. Анаболіки.Сприяють утворенню м'язової маси і кісткової тканини. Метандростенолон.

5. брасиностероїдів- ПРИРОДНІ СПОЛУКИ, допомагає рослинам БОРОТИСЯ зі стресом (посуха, заморозки, зайве зволоження), МАЮТЬ росторегулюючі АКТИВНІСТЮ.

24-епибрассинолид [(22R, 23R, 24R) - 2α, 3α, 22,23- тетрагідроксі-В-гомо-7-окса-5α-ергостан-6-он.

Препарат "Епін-екстра", ННПП "НЕСТ-М".

Металокомплексні КАТАЛОЗІ (1 семестр).

ароматичность- поняття, що характеризує сукупність особливих структурних, енергетичних та магнітних властивостей, а також особливостей реакційної здатності циклічних структур з системою сполучених зв'язків.

Хоча ароматичность - одна з найважливіших і найбільш плідних концепцій хімії (не тільки органічної), - не існує загальноприйнятого короткого визначенняцього поняття. Ароматичность розуміється через сукупність особливих ознак (критеріїв), властивих ряду циклічних пов'язаних молекул в тій чи іншій мірі. Частина цих критеріїв має експериментальну, що спостерігається природу, але інша частина грунтується на квантової теорії будови молекул. Ароматичность має квантову природу.Неможливо пояснити ароматичность з позицій класичної структурної теорії і теорії резонансу.
Не слід плутати ароматичность з делокализацией і сполученням.У молекулах полієнів (1,3-бутадієну, 1,3,5-гексатріена і т.п.) проявляється явно виражена тенденція до делокалізації електронів і утворення єдиної сполученої електронної структури, що проявляється в спектрах (в першу чергу, електронних спектрах поглинання) , деяку зміну довжин і порядків зв'язків, енергетичної стабілізації, особливих хімічних властивостях (електрофільне 1,4-приєднання в разі диенов та ін.). Делокалізація і сполучення - необхідні, але не достатні умови ароматичності. Можна дати визначення ароматичності як властивості, при якому поєднане кільце ненасичених зв'язків проявляє бόльшую стабільність, ніж ту, яку можна було б очікувати тільки при одному сполученні. Однак цим визначенням можна користуватися, не маючи експериментальних або розрахункових даних по стабільності циклічної сполученої молекули.
Для того щоб молекула могла бути ароматичної, вона повинна містити хоча б один цикл, кожен з атомів якого має в своєму розпорядженні придатною для освіти ароматичної системи р-орбиталью. Ароматичним в повному сенсі цього слова вважається (в разі виконання критеріїв, перерахованих нижче) саме цей цикл (кільце, система кілець).
У цьому циклі повинно бути 4n + 2(Тобто 2, 6, 10, 14, 18, 22 і т.п.) p-електронів.
Це правило називається правилом або критерієм ароматичності Хюккеля. Джерело цього правила - сильно спрощені квантовохімічні розрахунки ідеалізованих циклічних полієнів, вироблені на зорі розвитку квантової хімії. Подальші дослідження показали, що в основі своїй це просте правило дає вірні прогнози ароматичности навіть і для дуже складних реальних систем.
Правилом, тим не менше, потрібно правильно користуватися, інакше прогноз може бути помилковим.

Які орбіталі вважаються придатними для освіти ароматичної системи? - Будь-які орбіталі, перпендикулярні площині циклу, і
а) належать входять в цикл кратним (ендоцікліческім подвійним або потрійним) зв'язків;
б) відповідні неподіленим парам електронів у гетероатомов (азоту, кисню, і т.п.) або карбаніони;
в) відповідні шестіелектронним (секстетним) центрам, зокрема карбокатіон.

Критерії ароматичності.

енергетичний(Підвищення термодинамічної стійкості за рахунок делокалізації електронів, так звана енергія делокалізації - ЕД).

Можна уявити бензол похідним трьох молекул етилену і порівняти енергії вихідних фрагментів і кінцевої молекули. У кожної молекули етилену по 2 p-електрона (всього 6) на молекулярних орбіталях (МО) однаковою енергії (α + β), а у бензолу 6 електронів розташовуються на трьох зв'язуючих молекулярних орбіталях, даючи в сумі понад від'ємне значення енергії системи (α і β менше 0).

Очевидне енергетичну перевагу становить 2β = 36 ккал / моль або 1,56 еВ - це ЕЕР (емпірична енергія резонансу).
Енергетичний критерій з усіх самий незручний і неясний. Величини енергій для цього критерію беруть завжди розрахункові, тому що, як правило, неможливо підібрати відповідну неароматичного молекулу для порівняння. Слід, тому, спокійно ставитися до того, що існує безліч різних оцінок енергії делокализации навіть для класичних ароматичних молекул, а для більш складних систем ці величини взагалі відсутні. Ніколи не можна порівнювати різні ароматичні системи за величиною енергій делокализации - не можна зробити висновок, що молекула А ароматичний молекули В, тому що енергія делокалізації більше.
структурний- дуже важливий, якщо не найважливіший, критерій, так як має не теоретичну, а експериментальну природу. Специфіка геометрії молекул ароматичних сполук полягає в тенденції до копланарному розташуванню атомів і вирівнюванню довжин зв'язків. У бензолу вирівнювання довжин зв'язків ідеально - всі шість С-С зв'язків однакові по довжині. У більш складних молекул вирівнювання не ідеально, але значно. Як критерій беруть міру відносного відхилення довжин сполучених зв'язків від середнього значення. Чим ближче до нуля, тим краще. Цю величину можна проаналізувати завжди, якщо є структурна інформація (експериментальна або з високоякісного Квантовохімічні розрахунку). Тенденція до копланарності обумовлюється вигідністю паралельного розташування осей атомних р-орбіталей для їх ефективного перекривання.
магнітний(Наявність кільцевого струму - діатропная система, вплив на хімічні зрушення протонів зовні і всередині кільця, приклади - бензол і -аннулен). Найзручніший і доступний критерій, так як для його оцінки досить спектра 1H ЯМР. Для точного визначення використовують теоретичні розрахунки хімічних зрушень.
хімічний- схильність до реакцій заміщення, а не приєднання. Найбільш наочний критерій, ясно розрізняє хімію ароматичних сполук від хімії полієнів. Але працює він далеко не завжди. В іонних системах (наприклад, в циклопентадієніл-аніоні або тропілій-катіоні) заміщення спостерігати неможливо. Реакції заміщення іноді проходять і на неароматичних системах, а ароматичні завжди в якійсь мірі здатні до реакцій приєднання. Тому хімічний критерій більш правильно назвати ознакою ароматичности.

Подання енергії ароматичної системи.

Загальна формула:

E j (енергія орбіталі j рівня) = α + m j β
α - кулонівський інтеграл, енергія С2р орбіталі,
β - резонансний інтеграл, енергія взаємодії 2-х атомних орбіталей на сусідніх атомах
m j = 2сos (2jπ / N), де N- число атомів вуглецю в циклі.

Найбільш простим і наочним графічним зображенняменергії являтся коло Фроста. Для його побудови необхідно вписати в коло ароматичну молекулу, направивши вершиною вниз, тоді точки дотику багатокутника і окружності будуть відповідати енергетичним рівням МО. По вертикалі наноситься енергетична шкала, всі рівні нижче горизонтального діаметра - зв'язуючі, вище - розпушують. Електрони заповнюють від найнижчої орбіталі згідно з правилом Паулі.

Найбільш вигідним буде такий стан, коли повністю заповнені всі зв'язують орбіталі.
Пізніше з'явилося ще безліч припущень про структуру бензолу:

Однак навіть до сих пір молекула C 6 H 6 продовжує підносити сюрпризи. Бодріков І.В .: «Я змушений констатувати, що зараз в світі немає людини, хто б знав, що таке бензол» (2009)

(Один з відрядив переміщається в положення, перпендикулярне кільцю)

ароматичний- поєднання певних властивостей, властивих великій групі сполук, які називаються, відповідно, ароматичними.

Термін «ароматичность» ввів в 1865 Ф.Кекуле, який встановив будову бензолу і запропонував для нього формулу:

Назва «ароматичний» пов'язане з тим, що серед похідних бензолу існують сполуки з приємним запахом (наприклад, нітробензол має запах мигдалю).

Кекуле звернув увагу на те, що подвійні зв'язки в бензолі і в його похідних помітно відрізняються за властивостями від подвійних зв'язків в більшості ненасичених сполук. Для бензолу виявилися вкрай ускладнені реакції приєднання (наприклад, галогенів) по подвійних зв'язках, які в разі ненасичених сполук проходять досить легко.

Крім того, виявилося, що орто-діхлорбензол (атоми хлору знаходяться у двох сусідніх атомів вуглецю) не має ізомерів, які можна було очікувати на основі запропонованої для нього структурної формули, де два атоми хлору розташовані або у простій, або у подвійному зв'язку:

В результаті Кекуле запропонував назвати зв'язку в бензолі осцилюючими, тобто хитаються. Згодом це припущення отримало подальший розвиток, І було вдосконалено.

Найбільш характерні для бензолу реакції заміщення атомів водню. Вивчення хімії бензолу показало, що заміна атома водню на будь-яку групу певних захворювань і, головне, передбачуваним чином впливає на реакційну здатність інших атомів водню.

Якщо в бензольне ядро ​​ввести групу, відтягує електрони від ядра (наприклад, метильную), то подальше галогенирование призводить до заміщення в орто-і пара-положенні. При введенні електроноподающей групи (наприклад, карбоксильної) галоген направляється в мета-становище:

Довгий час ароматичностью вважали набір зазначених хімічних властивостей, але поступово були знайдені більш точні ознаки, засновані на особливостях будови ароматичних з'єднань.

Електронна будова бензолу і споріднених йому з'єднань в сучасному розуміннівиглядає наступним чином. В освіті подвійних зв'язків беруть участь р-Електронна атомів вуглецю, орбіталі (область найбільш ймовірного розташування електрона в просторі) цих електронів мають форму об'ємних вісімок. У разі бензолу орбіталі взаімоперекриваются, утворюючи кільцеві орбіталі, на яких розташовуються всі р-Електронна молекули:

В результаті з'являється єдина замкнута електронна оболонка, Система набуває високу стабільність. Фіксовані прості і подвійні зв'язку в бензолі відсутні, всі зв'язки С-С усереднені і еквівалентні, тому частіше для позначення ароматичности використовують кільцевої символ, поміщений усередині циклу:

У утворилися циклічних орбиталях виникає кільцевої струм, який може бути виявлений спеціальними вимірами, додатково вказують на ароматичность з'єднання.

Ароматичностью мають плоскі циклічні молекули, при цьому кількість електронів ( m), Об'єднаних в єдину циклічну систему, має відповідати правилу Хюккеля:

m = 4n + 2 (n = 0, 1, 2, 3.), n- число натурального ряду

Нижче показані перші три представника цього ряду ароматичних молекул, відповідні правилу Хюккеля: катіон циклопропіл, бензол і нафталін.

Розширення поняття «ароматичность» дозволило застосувати цей термін до з'єднань небензольного типу, але володіє в той же час набором структурних і хімічних ознак, характерних для похідних бензолу.

У деяких з'єднаннях, де до складу циклу входять атоми O, S або N, наприклад, в фуранів, тіофенів, піролі так само, як в бензолі, існує стійка - відповідно до правила Хюккеля - шестіелектронная замкнута система. Чотири р-електрона (відзначені на малюнку синім кольором) надають подвійні зв'язку циклу, а два s-електрона (відмічені червоним кольором) дають атоми кисню, сірки або азоту, що мають неподеленную пару електронів.

Ароматичними можуть бути не тільки плоскі циклічні молекули, але і об'ємні структури, наприклад, Сандвічеві молекули (ферроцен, дібензолхром) і деякі каркасні Бороводні:

У разі об'ємних структур замість правила Хюккеля застосовують інші правила, що визначають ту кількість електронів, при якому виникає ароматичность. Однак, у всіх цих випадках присутні основні ознаки ароматичності: замкнута електронна оболонка, висока стабільність молекули, схильність до реакцій заміщення і вплив введеного заступника на реакційну здатність інших реакційних центрів в молекулі.

www.krugosvet.ru

Довідник хіміка 21

Хімія і хімічна технологія

Сформулюйте правило ароматичности Е. Хюккеля. Наведіть приклади ароматичних систем, що відповідають правилу Хюккеля, якщо 1) п = 0, 2) п = 1,

Ароматичность гетероциклов, правило Хюккеля. Основность і кислотність гетероциклов. Реакційна здатність піролу, піридину, індолу. Таутомерія а-окси- і а-амінопіридину, урацила, тиміну, цитозину, аденіну, гуаніну. водневі зв'язкупри асоціаціях гетероциклов, їх окси- і Амінопохідні. Водневі зв'язки в системах аденін - тимін, гуанін - цитозин. Поняття про ДНК і РНК, їх біологічна роль.

Однак до ароматичности веде не тільки секстетная конфігурація л-електронів. Згідно з правилом 4п + 2 Хюккеля відносно стійкими плоскими моноциклическими системами атомів з тригональной гибридизацией є тільки системи, що містять 4л -f 2 електронів. Це правило випливає з простої теорії МОХ, в якій для л-електронної циклічної системи нижча зв'язує орбіталь завжди заповнюється двома електронами, а всі вищі зв'язують орбіталі двічі виродилися і заповнені чотирма електронами. Якщо число таких орбіталей п, то л-електрон-ва оболонка заповнюється 4л + 2 електронами. Отже, ароматичними будуть плоскі моноциклічні сполуки, що містять 2, 6, 10, 14 і т. Д. Л-електронів. Правило Хюккеля добре підтверджується на досвіді.

Хюккеля правило - одна з ознак, що визначають ароматичность плоска циклічна структура є ароматичної, якщо вона містить (4п + 2) п-електронів, що беруть участь у формуванні єдиної делокалізованной л-електронної системи. Див. Бензол.

Хюккель ПРАВИЛО (правило ароматичности) циклічні сполуки., Молекули яких брало складаються з атомів, що вносять н я-злектронную систему циклу 4и + 2 р-електропила (= 0,1,2.), Мають аром, св-вами. X. н. строго виконується тільки для моноцікліч. соед. сформульовано

Хюккель вперше застосував метод молекулярних орбіталей і сформулював правило ароматичности відносно стабільні моноциклічні плоскі 5р -гібрідізованние з'єднання з числом делокалізованних я-електронів 4п + 2 (де п = О, 1, 2 І Т. д.).

Структура і уст0йч1 Е0сть бензольного кільця. Ароматичность і правило Хюккеля. Ізомерія і номенклатура похідних бензолу,

Охарактеризуйте особливості будови сполук, які проявляють ароматичность. Сформулюйте правило Хюккеля. Які з наведених нижче сполук є ароматичними

Правило Хюккеля може бути застосовано для вуглеводнів з конденсованими (зчленованими) кільцями. Визначте, які з'єднання є ароматичними поясніть, чому антрацен і фенантрен менш ароматних, ніж бензол наприклад, легко окислюються СгОз до хинонов.

Все це пов'язано з особливістю структур цих гетероциклічних сполук. У них в п'ятичленних кільцях чотири л-електрона двох зв'язаних подвійних зв'язків і неподіленого електронних пари гетероатома (О, 8, К) утворюють секстет л-електронів, що укладається в рамки правила ароматичности Хюккеля (4п-Ь2) л-електронів в замкнутій системі сполучених кратних зв'язків (де п - ціле невід'ємне число). Таким чином, ці шість л-електронів кільця утворюють делокалізованних систему, як в бензолі

Правило Хюккеля допускає існування ароматичних систем, що містять не тільки секстет електронів. Якщо у виразі 4 і + 2 покласти і = О, то виявиться, що циклічна система, що має лише два електрона, повинна мати властивості ароматичности. Це - система ціклопропенілія, її синтезував в 1957 р Бреслау при взаємодії Толана з нітрилом діазофенілуксусной кислоти

Слід підкреслити гідність дії розглянутих правил, т. Е. Фактично узагальненої концепції ароматичности для циклічних систем типу Хюккеля і Мебіуса. На відміну від методу кореляційних діаграм, що вимагає наявності елементів симетрії для перехідного стану реакції, даний підхід вільний від зазначеного обмеження.

Еріх Хюккель (рід. 1896 г.) - німецький фізик, більшість робіт якого пов'язане з рішенням хімічних проблем. Спільно з П. Дебаєм і Л. Онзагером їм розроблена теорія сильних електролітів (теорія Дебая - Хюккеля). Йому належить одна з найбільш плідних ідей в теорії будови пов'язаних систем - ідея а, я-наближення. Е. Хюккель сформулював правило ароматичности Ап + 2, запропонував метод розрахунку я-електронних систем, що носить його ім'я.

Ми говорили вище про ефективність простьк якісних концепцій (типу стеріческіх перешкод, індутсгівного ефекту, ефектів сольватації / десольватації і т.п.), повсякденно застосовуються в органічній хімії. Найбільш поширені з них з'явилися на світ як узагальнення великого емпіричного матеріалу, накапливавшегося протягом десятиліть працями поколінь хіміків усього світу. Квантова. х] 4мія здатна на теоретичної, нее.мпіріческой основі породжувати концепції такого ж рівня простоти і зручності в застосуванні. виразними прикладамиможуть служити концепція ароматичности Хюккеля (правило 4 л +2) і правила Вудворда-Хоффмана (збереження орбітальної симетрії). Ми беремося стверджувати, що внесок цих результатів в розвиток органічної хімії незрівнянно більш значний, ніж вклад всіх досягнень розрахункових методів, разом узятих. Їх сила саме в простоті і загальнодоступності застосування, в тому, що вони дозволяють з єдиної точки зору не тільки інтерпретувати величезний фактичний матеріал, а й впевнено передбачати нові явища. Прийти до подібних концепцій на чисто емпіричної основі, а тим

Анулени - моноциклічні вуглеводні, що містять пов'язані подвійні зв'язку і відповідають загальній формулі (СН), де т> 2. Якщо цикл плоский, а т-непарне число - 1, 3, 5 і т.д., тоді число л-електронів в єдиній сполученої системі одно 4п + 2 (див. Ароматичность, Хюккеля правило) і молекула характеризується ароматичними властивостями.

Правило ароматичності Хюккеля (правило 4ш + 2). Ароматичними властивостями володіють всі анулени або їх іони із загальним числом л-електронів, рівним 4т + 2, де т = О, 1, 2, 3 ,. ..

Особливості електронної будови ароматичних з'єднань відомі давно і знайшли відображення у відомому правилі ароматичности Хюккеля (1931-1933 рр.), Яке в даний час формулюється так молекули, що включають в основному стані набір орбіталей за участю ап -2п (р) електронів, утворюють замкнутий цикл, є ароматичними. Пізніше сформульовано аналогічне правило для антіароматіческіх з'єднань (Бреслоу, 1959 г.) молекули, що включають в основному стані набір орбіталей за участю Ап п (р) електронів, що утворюють замкнутий цикл, є антіаро-автоматичними. Природно, що ароматичні молекули повинні бути плоскими, інакше неможливо оёразованіе многоцентровой п-зв'язку. Надалі ароматичні та антіароматіческіе системи, що відповідають наведеним правилам, отримали назву хюккелевскіх систем. Слід зазначити, що правила ароматіч ності і антіароматічності дійсні не тільки для циклічних полієнів, але і для циклічних перехідних станів.

Ароматичность, правило Хюккеля. Електрофільні і нуклеофільниє реакції. Електронодонорності і електроноакценторность заступників. Індуктивний ефект і ефект сполучення. Теорія заміщення, орієнтанти I і І роду. Реакції електрофільного та нуклеофільного заміщення, реакції приєднання. Перехідні стани. Узгоджена і неузгоджена орієнтація. Спектри (ПМР, ІЧ і УФ) ароматичних сполук.

Знаючи, що в атомах поряд з секстетом / -електронів існують і інші стійкі субоболочкі - s, доречно запитати тільки чи секстет я-електронів веде до ароматичности молекул Відповідь на це питання була дана Хюккель, що сформулював правило 4п-Ь2 відносно стійкими плоскими моноциклическими системами атомів з тригональной гибридизацией є тільки системи, що містять 4й + 2 електронів,

Правило (4 і + 2) Хюккеля може бути застосовано і до макроциклічним парних Полієн, так званим аннуленам. Так, ароматних анулени з

За цим методом правила орбітальної симетрії зв'язуються з правилом Хюккеля щодо ароматичности, яке обговорювалося в гл. 2. Правило Хюккеля, згідно з яким циклічна електронна система, що містить ап -2 електронів, є ароматичною (а отже, стабільною), може бути застосовано, звичайно, до молекул в основних станах. При використанні принципу орбітальної симетрії ми маємо справу не з основним, а з перехідним станом. У цьому методі розглядаються не самі молекулярні орбіталі, а скоріше р-орбіталі до їх перекривання, що приводить до утворення молекулярних орбіталей. Такий набір р-орбіталей називається базисним набором (рис. 15.2). При розгляді можливості узгодженої реакції орбіталі базисного набору необхідно розташувати відповідно до положення, яке вони займуть в перехідному стані. На рис. 15.3 це зображено для - і -ціклоірісоедіненія, Потім слід звернути увагу на звернення знака. З рис. 15.3 очевидно, що ні в одному з випадків звернення знака не відбувається. Пунктирна лінія на цьому малюнку з'єднує тільки негативні частки орбіталей. Системи без звернення знака або з парним числом таких звернень називаються системами Хюккеля. Системи з непарним числом інверсій знака називаються системами Мебіуса (за аналогією зі стрічкою Мебіуса, яка є математичною поверхню, зображену на рис. 15.4). Мёбіусовскіе системи не вступають ні в одну з цих реакцій, а приклади таких систем наведені в т. 4 (див. Опис реакцій 18-31 і 18-36).

Розгляд показує. Що в такому випадку відбувається звернення правила Хюккеля, і дов 4пл-електронних систем передбачається ароматичность. Оскільки поки не отримана молекула, яка існує в основному стані з скрученим сполученням, це пророцтво ще належить перевірити. Однак його коректність підтверджується тим фактом, що перехідні стани з закрученим расгтоложеннем орбіталей, як виявилося, совершййно доречні при розгляді багатьох органічних реакцій. Ми повернемося до зтому питання в наступному розділі. Правила ароматичности можна узагальнити, включивши мёбіусовское розташування орбіталей

Дивитися сторінки де згадується термін Ароматичность Хюккеля правило: Органічна хімія Том1 (2004) - [c.387]

Хюккель ПРАВИЛО

правило ароматичности: циклич. соед., молекули яких брало складаються з атомів, що вносять в ПІ-електронну систему циклу 4n + 2 р-електронів (n = 0, 1, 2.), мають ароматич. властивостями. Строго виконується тільки для моноцікліч. соед. Правило сформульовано Е. Хюккель в 1931.

Природознавство. Енциклопедичний словник.

Дивитися що таке «Хюккель ПРАВИЛО» в інших словниках:

Хюккель МЕТОД- квантовохім. метод наближеного розрахунку енергетичних. рівнів і мол. орбіталей ненасичених орг. з'єднань. Заснований на припущенні, згідно до рому рух електрона поблизу атомного ядра в молекулі не залежить від станів або числа ін. ... ... Хімічна енциклопедія

ароматичность- Ароматичность особливу властивість деяких хімічних сполук, завдяки якому поєднане кільце ненасичених зв'язків проявляє аномально високу стабільність; велику ніж та, яку можна було б очікувати тільки при одному сполученні. ... ... Вікіпедія

ароматичний- (від грец. Aroma, рід. Падіж aromatos пахощі), поняття, що характеризує сукупність структурних, енергетичних. св в і особливостей реакц. здатності циклич. структур з системою сполучених зв'язків. Термін введений Ф. А. Кекуле (1865) для опису ... ... Хімічна енциклопедія

ароматичні сполуки- Запит «Арени» перенаправляється сюди; см. також інші значення. Бензол одне з найбільш поширених ароматичних з'єднань Ароматичні сполуки циклічні про ... Вікіпедія

p-електронів НАБЛИЖЕННЯ- квантовохім. метод вивчення енергетичних. станів ненасичених соед., в до ром св ва молекули співвідносяться з будовою системи орбіта лей. В рамках молекулярних орбіталей методів все орбіталі молекули, ядерна конфігурація до рій має площину ... ... Хімічна енциклопедія

ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ ЕЛЕКТРОЛІТІВ- здатність електролітів проводити електричні. ток при додатку електричні. напруги. Носіями струму є позитивно і негативно заряджені іони катіони і аніони, до риє існують в р ре внаслідок електролітич. дисоціації. Іонна Е. е ... Хімічна енциклопедія

Хюккель Еріх- (Нückel) (1896 1980), німецький хімік і фізик. Основні праці в області квантово хімічних методіввивчення будови молекул (правило Хюккеля і ін.). Розробив (спільно з П. Дебаєм, 1923) теорію сильних електролітів. * * * Хюккель Еріх Хюккель ... Енциклопедичний словник

Хюккель, Еріх- Еріх Арманд Артур Йозеф Хюккель Erich Armand Arthur Joseph Hückel Еріх Хюккель (1938) ... Вікіпедія

Хюккель- Хюккель, Еріх Еріх Арманд Артур Йозеф Хюккель Erich Armand Arthur Joseph Hückel Еріх Хюккель (1938) Дата місце жітельсва 9 августа ... Вікіпедія

Хюккель, Еріх Арманд Артур Йозеф- Еріх Хюккель (1938) Еріх Арманд Артур Йозеф Хюккель (нім. Erich Armand Arthur Joseph Hückel) (9 серпня 1896 року, Берлін 16 лютого 1980, Марбург) німецький фізик і хімік, один з основоположників квантової хімії, творець теорії сильних електролітів ... Вікіпедія

ароматичность

ароматичность- поняття, що характеризує сукупність особливих структурних, енергетичних та магнітних властивостей, а також особливостей реакційної здатності циклічних структур з системою сполучених зв'язків.

Хоча ароматичность - одна з найважливіших і найбільш плідних концепцій хімії (не тільки органічної), - не існує загальноприйнятого короткого визначення цього поняття. Ароматичность розуміється через сукупність особливих ознак (критеріїв), властивих ряду циклічних пов'язаних молекул в тій чи іншій мірі. Частина цих критеріїв має експериментальну, що спостерігається природу, але інша частина грунтується на квантової теорії будови молекул. Ароматичность має квантову природу.Неможливо пояснити ароматичность з позицій класичної структурної теорії і теорії резонансу.
Не слід плутати ароматичность з делокализацией і сполученням.У молекулах полієнів (1,3-бутадієну, 1,3,5-гексатріена і т.п.) проявляється явно виражена тенденція до делокалізації електронів і утворення єдиної сполученої електронної структури, що проявляється в спектрах (в першу чергу, електронних спектрах поглинання) , деяку зміну довжин і порядків зв'язків, енергетичної стабілізації, особливих хімічних властивостях (електрофільне 1,4-приєднання в разі диенов та ін.). Делокалізація і сполучення - необхідні, але не достатні умови ароматичності. Можна дати визначення ароматичності як властивості, при якому поєднане кільце ненасичених зв'язків проявляє бόльшую стабільність, ніж ту, яку можна було б очікувати тільки при одному сполученні. Однак цим визначенням можна користуватися, не маючи експериментальних або розрахункових даних по стабільності циклічної сполученої молекули.
Для того щоб молекула могла бути ароматичної, вона повинна містити хоча б один цикл, кожен з атомів якого має в своєму розпорядженні придатною для освіти ароматичної системи р-орбиталью. Ароматичним в повному сенсі цього слова вважається (в разі виконання критеріїв, перерахованих нижче) саме цей цикл (кільце, система кілець).
У цьому циклі повинно бути 4n + 2(Тобто 2, 6, 10, 14, 18, 22 і т.п.) p-електронів.
Це правило називається правилом або критерієм ароматичності Хюккеля. Джерело цього правила - сильно спрощені квантовохімічні розрахунки ідеалізованих циклічних полієнів, вироблені на зорі розвитку квантової хімії. Подальші дослідження показали, що в основі своїй це просте правило дає вірні прогнози ароматичности навіть і для дуже складних реальних систем.
Правилом, тим не менше, потрібно правильно користуватися, інакше прогноз може бути помилковим.

Які орбіталі вважаються придатними для освіти ароматичної системи? - Будь-які орбіталі, перпендикулярні площині циклу, і
а) належать входять в цикл кратним (ендоцікліческім подвійним або потрійним) зв'язків;
б) відповідні неподіленим парам електронів у гетероатомов (азоту, кисню, і т.п.) або карбаніони;
в) відповідні шестіелектронним (секстетним) центрам, зокрема карбокатіон.

Критерії ароматичності.

енергетичний(Підвищення термодинамічної стійкості за рахунок делокалізації електронів, так звана енергія делокалізації - ЕД).

Можна уявити бензол похідним трьох молекул етилену і порівняти енергії вихідних фрагментів і кінцевої молекули. У кожної молекули етилену по 2 p-електрона (всього 6) на молекулярних орбіталях (МО) однаковою енергії (α + β), а у бензолу 6 електронів розташовуються на трьох зв'язуючих молекулярних орбіталях, даючи в сумі понад від'ємне значення енергії системи (α і β менше 0).

Очевидне енергетичну перевагу становить 2β = 36 ккал / моль або 1,56 еВ - це ЕЕР (емпірична енергія резонансу).
Енергетичний критерій з усіх самий незручний і неясний. Величини енергій для цього критерію беруть завжди розрахункові, тому що, як правило, неможливо підібрати відповідну неароматичного молекулу для порівняння. Слід, тому, спокійно ставитися до того, що існує безліч різних оцінок енергії делокализации навіть для класичних ароматичних молекул, а для більш складних систем ці величини взагалі відсутні. Ніколи не можна порівнювати різні ароматичні системи за величиною енергій делокализации - не можна зробити висновок, що молекула А ароматичний молекули В, тому що енергія делокалізації більше.
структурний- дуже важливий, якщо не найважливіший, критерій, так як має не теоретичну, а експериментальну природу. Специфіка геометрії молекул ароматичних сполук полягає в тенденції до копланарному розташуванню атомів і вирівнюванню довжин зв'язків. У бензолу вирівнювання довжин зв'язків ідеально - всі шість С-С зв'язків однакові по довжині. У більш складних молекул вирівнювання не ідеально, але значно. Як критерій беруть міру відносного відхилення довжин сполучених зв'язків від середнього значення. Чим ближче до нуля, тим краще. Цю величину можна проаналізувати завжди, якщо є структурна інформація (експериментальна або з високоякісного Квантовохімічні розрахунку). Тенденція до копланарності обумовлюється вигідністю паралельного розташування осей атомних р-орбіталей для їх ефективного перекривання.
магнітний(Наявність кільцевого струму - діатропная система, вплив на хімічні зрушення протонів зовні і всередині кільця, приклади - бензол і -аннулен). Найзручніший і доступний критерій, так як для його оцінки досить спектра 1H ЯМР. Для точного визначення використовують теоретичні розрахунки хімічних зрушень.
хімічний- схильність до реакцій заміщення, а не приєднання. Найбільш наочний критерій, ясно розрізняє хімію ароматичних сполук від хімії полієнів. Але працює він далеко не завжди. В іонних системах (наприклад, в циклопентадієніл-аніоні або тропілій-катіоні) заміщення спостерігати неможливо. Реакції заміщення іноді проходять і на неароматичних системах, а ароматичні завжди в якійсь мірі здатні до реакцій приєднання. Тому хімічний критерій більш правильно назвати ознакою ароматичности.

Подання енергії ароматичної системи.

Загальна формула:

E j (енергія орбіталі j рівня) = α + m j β
α - кулонівський інтеграл, енергія С2р орбіталі,
β - резонансний інтеграл, енергія взаємодії 2-х атомних орбіталей на сусідніх атомах
m j = 2сos (2jπ / N), де N- число атомів вуглецю в циклі.

Найбільш простим і наочним графічним зображенням енергії являтся коло Фроста. Для його побудови необхідно вписати в коло ароматичну молекулу, направивши вершиною вниз, тоді точки дотику багатокутника і окружності будуть відповідати енергетичним рівням МО. По вертикалі наноситься енергетична шкала, всі рівні нижче горизонтального діаметра - зв'язуючі, вище - розпушують. Електрони заповнюють від найнижчої орбіталі згідно з правилом Паулі.

Найбільш вигідним буде такий стан, коли повністю заповнені всі зв'язують орбіталі.

Спробуйте самостійно розібрати, чому є ароматичної молекула азулена, це не дуже складно, він є показовим прикладом. Потрібно побудувати два кола Фроста (такі як для бензолу вище) для обох фрагментів молекули: циклопентадієну і ціклогептатріена - і стане очевидно, чому молекула набуває полярність. Картинка-відповідь за посиланням поруч.

Пояснення ароматичності Азула за допомогою кола Фроста

Коротка історія Бензолу:

Відкрито в 1825р. М. Фарадеєм - виділений з Світильня.
Кекуле розмірковував про структуру бензолу, і був натхненний мавпами, що водили хоровод, це наштовхнуло його на циклічну динамічну модель.

Пізніше з'явилося ще безліч припущень про структуру бензолу:

Однак навіть до сих пір молекула C 6 H 6 продовжує підносити сюрпризи. Бодріков І.В .: «Я змушений констатувати, що зараз в світі немає людини, хто б знав, що таке бензол» (2009)

(Один з відрядив переміщається в положення, перпендикулярне кільцю)

Ароматичность: критерії ароматичності, правило ароматичности Хюккеля, приклади бензоідних і небензоідних ароматичних сполук.

Циклічні пов'язані системи становлять великий інтерес як група сполук з підвищеною термодинамічної стійкістю в порівнянні з сполученими відкритими системами. Ці сполуки мають і іншими особливими властивостями, сукупність яких об'єднують загальним поняттям ароматичность.До них відносяться здатність таких формально ненасичених сполук вступати в реакції заміщення, а не приєднання, стійкість до дії окислювачів і температури.

Типовими представниками ароматичних систем є арени і їх похідні. Особливості електронної будови ароматичних вуглеводнів наочно проявляються в атомно-орбітальної моделі молекули бензолу. Каркас бензолу утворюють шість sp 2 -гібрідізованних атомів вуглецю. Все σ-зв'язку (C-C і C-H) лежать в одній площині. Шість негібрідізованних р-АТ розташовані перпендикулярно площині молекули і паралельно один одному (рис. 3, а). кожна р-АТ в рівній мірі може перекриватися з двома сусідніми р-АТ. В результаті такого перекриття виникає єдина делокалізованних π-система, найбільша електронна щільність в якій знаходиться над і під площиною σ-скелета і охоплює всі атоми вуглецю циклу (див. Рис. 3, б). π-Електронна щільність рівномірно розподілена по всій циклічній системі, що позначається кружком або пунктиром всередині циклу (див. рис. 3, в). Все зв'язку між атомами вуглецю в бензольному кільці мають однакову довжину(0,139 нм), проміжну між довжинами одинарної і подвійний зв'язків.

На підставі квантовомеханических розрахунків встановлено, що для утворення таких стабільних молекул плоска циклічна система повинна містити (4n + 2) π-електронів, де n= 1, 2, 3 і т. Д. (правило Хюккеля, 1931). З урахуванням цих даних можна конкретизувати поняття «ароматичность».

Ароматичні системи (молекули)- системи, що відповідають критеріям ароматичности :

1) наявність плоского σ-скелета, що складається з sp 2 -гібрідізованних атомів;

2) делокализация електронів, що приводить до утворення єдиного π-електрон-ного хмари, що охоплює всі атоми циклу (циклів);

3) відповідність правилу Е. Хюккеля, тобто електронне хмара повинна налічувати 4n + 2 π-електронів, де n = 1,2,3,4 ... (зазвичай цифра вказує на кількість циклів в молекулі);

4) високий ступінь термодинамічної стійкості (висока енергія сполучення).

Мал. 3.Атомно-орбітальна модель молекули бензолу (атоми водню опущені; пояснення в тексті)

Стійкість пов'язаних систем.Освіта сполученої і особливо ароматичної системи - енергетично вигідний процес, так як при цьому збільшується ступінь перекривання орбіталей і відбувається делокализация (розосередження) р-електронів. У зв'язку з цим пов'язані і ароматичні системи мають підвищену термодинамічної стійкістю. Вони містять менший запас внутрішньої енергії і в основному стані займають нижчий енергетичний рівеньв порівнянні з непарного системами. За різницею цих рівнів можна кількісно оцінити термодинамічну стійкість сполученого з'єднання, т. Е. Його енергію сполучення (Енергію делокализации). Для бутадієну-1,3 вона невелика і складає близько 15 кДж / моль. Зі збільшенням довжини сполученої ланцюга енергія сполучення і відповідно термодинамічна стійкість з'єднань зростають. Енергія сполучення для бензолу набагато більше і становить 150 кДж / моль.

Приклади небензоідних ароматичних з'єднань:

піридинпо електронною будовоюнагадує бензол. Всі атоми вуглецю і атом азоту знаходяться в стані sp 2-гібридизації, і все σ-зв'язку (C-C, C-N і C-H) лежать в одній площині (рис. 4, а). З трьох гібридних орбіталей атома азоту дві беруть участь в утворенні

Мал. 4.Піридиновий атом азоту (А), (Б)і сполучена система в молекулі піридину (в) ( зв'язку С-Ндля спрощення малюнка опущені)

σ-зв'язків з атомами вуглецю (показані тільки осі цих орбіталей), а третя орбиталь містить неподеленную пару електронів і в утворенні зв'язку не бере. Атом азоту з такою електронною конфігурацією називають піридинове.

За рахунок електрона, що знаходиться на негібрідізованной р-орбіталі (див. Рис. 4, б), атом азоту бере участь в утворенні єдиного електронного хмари з р-Електронна п'яти атомів вуглецю (див. рис. 4, в). Таким чином, піридин є π, π-сполученої системою і задовольняє критеріям ароматичности.

В результаті більшої електронегативності порівняно з атомом вуглецю піридиновий атом азоту знижує електронну густину на атомах вуглецю ароматичного кільця, тому системи з піридинове атомом азоту називають π-недостатніми.Крім піридину, прикладом таких систем є пиримидин, що містить два піридинових атома азоту.

піролтакож відноситься до ароматичних сполук. Атоми вуглецю і азоту в ньому, як і в піридині, знаходяться в стані sp2-гібридизації. Однак на відміну від піридину атом азоту в піролі має іншу електронну конфігурацію(Рис. 5, а, б).

Мал. 5.Піррольних атом азоту (А),розподіл електронів по орбіталях (Б)і сполучена система в молекулі піролу (в) (зв'язку С-Н для спрощення малюнка опущені)

на негібрідізованной рорбіталі атома азоту знаходиться неподіленої пари електронів. Вона бере участь в сполученні з р-електрона- ми чотирьох атомів вуглецю з утворенням єдиного шестіелектронного хмари (див. рис. 5, в). Три sp 2 -гібрідние орбіталі утворюють три σ-зв'язку - дві з атомами вуглецю, одну з атомом водню. Атом азоту в такому електронному стані отримав назву пиррольного.

Шестіелектронное хмара в піролі завдяки р, п-сопряженію делокалізованних на п'яти атомах циклу, тому пірол є π-надлишковусистему.

В фураніві тіофенівароматичний секстет також включає неподеленную пару електронів негібрідізованной p-АТ кисню або сірки відповідно. В імідазолуі піразолдва атома азоту вносять різний внесок в освіту делокалізованних електронного хмари: піррольних атом азоту поставляє пару π-електронів, а піридиновий - один p-електрон.

Ароматичностью володіє також пурин,представляє собою конденсовану систему двох гетероциклів - піримідину і імідазолу.

Делокалізованних електронну хмару в пуринів включає 8 π-електронів подвійних зв'язків і неподеленную пару електронів атома N = 9. Загальна кількість електронів в сполученні, рівне десяти, відповідає формулі Хюккеля (4n + 2, де п = 2).

Гетероциклічні ароматичні сполуки мають високу термодинамічної стійкістю. Не дивно, що саме вони служать структурними одиницями найважливіших біополімерів - нуклеїнових кислот.

ароматичні вуглеводні

У 19 столітті вчені виявили, що деякі циклічні сполуки мають надзвичайної стійкістю до відновлення і окислення. Подібні ненасичені сполуки не схильні до реакцій приєднання, тому тривалий час не могли прогідріровать. Наприклад, бензол прогідріровалі лише через сто років після його відкриття.

Брутто формула бензолу - С 6 Н 6. Однак, знаючи брутто формулу бензолу, не могли визначитися з його структурною формулою. наприклад:

Великий внесок у визначення структури та термодинамічних характеристик ароматичних сполук внесли англійські вчені: Інгланд, Ілієл Е. і Кекуле.

В основі теорії лежать три постулати що визначають особливості ароматичних структур:

1) все ароматичні сполуки є ненасиченими і циклічними;

2) всі елементи ціклічнеской структури знаходяться в sp 2 гібридному стані;

3) ароматична структура повинна мати площинне будову, тобто всі атоми, що входять в цикл компланарність.

Неодмінною умовою ароматичности є правило Хюккеля:

Кількість електронів, що беруть участь в утворенні π-системи підпорядковується правилу q = 4n + 2, де n - будь-яке ціле позитивне число. Тобто, при n = 0, q = 2 (Мінімальна кількість π-електоронов). Для молекули бензолу q = 6 (три подвійних зв'язку), отже, n = 1:

Молекулярна орбіталь ароматичних сполук є, не просто енергетичної сумою атомних орбіталей, що входять в систему елементів, але має набагато меншою енергією, ніж проста сума входять до неї елементів.

Гідрування молекули бензолу, вимагає великих витрат енергії, ніж відновлення трьох ізольованих подвійних зв'язків. Різниця в енергіях: 36,6 ккал / моль -показує енергію делокализации кратних зв'язків в ароматної системі.

Для окислення бензолу використовують каталізатори ванадиевой групи (без каталізатора, що не окислюється):

Ароматичні сполуки можуть містити в своєму складі гетероатоми, а кількість елементів в циклі, може змінюватися від 3-х до 20-и і більше. У ціклопропене один з атомів вуглецю sp 3 -гібріден. Для задоволення всім умовам ароматичности кожен елемент циклу повинен знаходитися в другому валентних станів.

Як відомо, карбокатіони sp 2 -гібрідни:

Ціклобутадіен неароматічен, так як не дотримується правило Хюккеля:

Циклопентадієн з цієї ж причини неароматічен, так як за правилом Хюккеля необхідно ще два π-електрони:

В результаті отримано:

Подібний аніон зустрічається в природі і може утворювати міцні комплекси з катіонами металів: залізом, кобальтом, нікелем, які називаються металлоценамі:

· Для ароматичних гетероциклів

З'єднання ароматних, так як неподіленої пари електронів гетероатомів входить в π-систему.

азулен -природне з'єднання складається з двох конденсованих ароматичних циклів, ціклопентадіенілій-аніону і ціклогептатріенілій-катіона.

Ароматичность не має безпосереднього відношення до запаху органічних сполук, і є поняттям, що характеризує сукупність структурних і енергетичних властивостей деяких циклічних молекул, що містять систему сполучених подвійних зв'язків. Термін «ароматичность» був запропонований тому, що перші представники цього класу речовин володіли приємним запахом.

До ароматичним сполукам відносять велику групу молекул і іонів різноманітного будови, які відповідають критеріям ароматичности.

енциклопедичний YouTube

1 / 5

Ароматичні сполуки і правило Хюккеля

Мезомерний ефект (ефект сполучення). Частина 1.

Ароматичность. Критерії ароматичності органічних сполук.

Ароматичні гетероцикли. Ч.1

Правило ароматичності Хюккеля

субтитри

Я вже говорив про явище ароматичности, а цей ролик цілком присвячу цій темі. Отже, ароматичні речовини. Перш за все: чому ці речовини називаються ароматичними? Очевидно, що від слова «аромат». Ви можете вирішити, що все ароматичні сполуки мають сильним запахом, проте багато з них зовсім не пахнуть. Тоді чому? Можливо, це через те, що вони якось пов'язані з речовинами, що мають сильний запах, ось їх і назвали ароматичними. Це залишається таємницею. Більшість відомих ароматичних сполук, 99% таких речовин, являють собою або бензол, або похідні бензолу. Давайте намалюємо бензол. Зазвичай молекулу бензолу малюють так. Цикл з 6 атомів з трьома подвійними зв'язками. Ось ці три подвійні зв'язку. У ролику про резонанс я говорив, що ця структурна формула не єдина. Можливий і інший варіант. Цей електрон може зміщуватися сюди, цей електрон - сюди, а цей електрон - сюди. Давайте намалюємо, що вийде в результаті. Виходить ось така структурна формула. Можлива така конфігурація молекули бензолу, де подвійні зв'язку розташовані інакше, ніж на першій формулі. Ось такі дві формули. З ролика про резонанс ви знаєте, що насправді все трохи складніше. Обидві формули вірні. Бензол існує відразу в двох конфігураціях, а не переходить з однієї в іншу. Це відображається так: цикл з шести атомів вуглецю з колом в середині. Так хіміки часто зображують бензольне кільце. Це означає, що всі π-електрони, які утворюють подвійні зв'язку в молекулі, розподілені між атомами, розмазані по всьому кільцю. Саме делокализация π-електронів в циклі наділяє ароматичні речовини їх унікальними властивостями. Ця конфігурація набагато стабільніше, ніж просто статичне чергування одинарних і подвійних зв'язків в кільці. Є ще один спосіб намалювати бензол. Я зміню колір і покажу його жовтим. Делокалізованность π-електронів показують наступним чином: пунктирна лінія тут, тут, тут, тут, тут і тут. Це найпопулярніший варіант відображення делокализации електронів в бензольному кільці, тобто наявності поєднаної системи π-електронів. Я розповім вам, що це таке. Ці дві формули також використовуються, але справжня структура бензолу лежить між цими конфігураціями. Потрібно показати вам, що там відбувається. Напевно ви чули про пов'язаних системах π-електронів. Думаю, буде зовсім не зайвим показати молекулу бензолу в трьох вимірах. Отже, дивіться. Ось цикл з шести атомів вуглецю: вуглець, вуглець, вуглець, вуглець, вуглець, вуглець. Кожен з атомів вуглецю пов'язаний ще з трьома атомами, двома атомами вуглецю і атомом водню. Я намалюю водень і його зв'язок з вуглецем. ось атом водню, Ось атом водню, водень, водень, і ще два атома водню. У кожного атома вуглецю є три гібридні орбіталі, це sp2-гібридизація. Крім того, у кожного з них залишилася вільна p-орбіталь. Ця p-орбіталь не утворює сигма-зв'язків з сусідніми атомами. А ще є p-орбіталі, які схожі на гантелі. Ось p-орбіталь, ось p-орбіталь, ось, ось і ще дві p-орбіталі. Насправді орбіталей більше, але тоді вони б закривали малюнок. Не забувайте, що в молекулі бензолу є подвійні зв'язку. Я виділю кольором один з атомів вуглецю. Ось ця сигма-зв'язок відповідає, припустимо, цієї сигма-зв'язку. Для зручності покажу інший зв'язок. Припустимо, ця сигма-зв'язок відповідає цьому зв'язку між двома атомами вуглецю. Подвійний зв'язок, яку я покажу ліловим кольором, утворена за рахунок бічного перекриття p-орбіталей. p-орбіталі сусідніх атомів вуглецю перекриваються. Орбиталь - це область, де може виявитися електрон з певною ймовірністю. Ці області великі, вони перекриваються і електрони утворюють додаткову π-зв'язок. Що ж відбувається в сполученої системі π-електронів. Я запишу це, щоб ви не забули. Сполучена система π-електронів. На цьому місці може бути зв'язок, якщо орбіталі перекриваються. Ось так я покажу перекриття орбіталей. При переході в іншу конфігурацію орбіталі стануть перекриватися тут. Насправді всі ці π-електрони стрибають по всьому кільцю. Електрони подорожують по всіх цих p-орбіталях. Вони можуть бути в будь-якому місці циклу. Саме це мають на увазі, коли говорять про ароматичні властивості речовин. Через це речовини набувають особливої ​​стійкість. Більшість ароматичних речовин є саме такі цикли, бензол і його похідні. Але є й інші речовини. Будь-яка речовина, у якого в циклі є 4n + 2 π-електронів, де n-ціле число, володіє ароматичностью, тобто представляє собою ароматичне з'єднання. Давайте підрахуємо електрони. У кожного атома вуглецю з шести один π-електрон. У кожного атома вуглецю одна p-орбіталь, і кожну таку орбіталь займає один електрон. Разом їх 1, 2, 3, 4, 5, 6. Можна по-іншому: кожна подвійна зв'язок це 2 π-електрони. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Це називається відповідністю правилу Хюккеля. Думаю, це німецьке прізвище. Правило Хюккеля. Бензол йому відповідає. При n, рівному одиниці, 4 * 1 + 2 = 6. Правило виконується. При n, що дорівнює двом, π-електронів повинно бути 10. З десятьма π-електронами правило виконується. Це буде молекула ось такого виду, і вона відповідає правилу Хюккеля. Тут буде 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 атомів вуглецю в циклі. Тут 5 подвійних зв'язків: 1, 2, 3, 4, 5. Ось так, щоб зв'язку чергувалися. Це теж ароматичне з'єднання. У нього 10 π-електронів, по одному у кожного атома вуглецю, ну або по два в кожній подвійного зв'язку. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. А тепер те, що мене дивує. Правила відповідають 6 і 10, але не 8. Що ж не так з вісьмома електронами? Чому це число не підходить? А якщо π-електронів чотири? Припустимо, молекула виглядає так, як чотирикутник. Або як дорожній знак - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 і чергуються подвійні зв'язку. Чи будуть ці речовини також ароматичними сполуками? У них теж чергуються зв'язку, значить електрони можуть зміщуватися з місця на місце і делокалізо- вується циклі. Зміщуватися звідси ось сюди, звідси сюди. Звідси сюди, звідси сюди. Але виявляється, що в подібних речовинах π-електрони зовсім стабілізують систему, і цикл виявляється менш стабільний, ніж лінійна молекула. І ці молекули не відповідають правилу Хюккеля. 4n + 2 - це 6, 10, 14 π-електронів, тобто 14, 10 або 6 атомів вуглецю. Якщо число атомів іншого, але це цикл з чергуванням зв'язків, речовина є антіароматіческім. Запишемо цей термін. Вони дуже нестабільні. Вони дуже нестабільні і розмикаються, стаючи лінійними молекулами. Сподіваюся, вам було цікаво. Subtitles by the Amara.org community

Історія

У 1959 році сол Вінстайнввів поняття «гомоароматічность» - термін, що застосовується для опису систем, в яких стабілізувати циклічна сполучена система утворюється в обхід одного насиченого атома.

пояснення ароматичності

критерії ароматичності

Єдиної характеристики, що дозволяє надійно класифікувати з'єднання як ароматичне або неароматичного не існує. Основними характеристиками ароматичних сполук є:

• схильність до реакцій заміщення, а не приєднання (визначається найлегше, історично перша ознака, приклад - бензол, на відміну від етилену НЕ знебарвлює бромную воду)
• виграш по енергії, в порівнянні з системою неспряжених подвійних зв'язків. Також називається Енергією резонансу (вдосконалений метод - Енергією резонансу Дьюара) (виграш настільки великий, що молекула зазнає значні перетворення для досягнення ароматичного стану, наприклад ціклогексадіен легко дегидрирующей до бензолу, двох і трьохатомні феноли існують переважно в формі фенолів (енолов), а не кетонів і т.д.)
• наявність кільцевого магнітного струму (спостереження вимагає складної апаратури), цей струм забезпечує зміщення хім-зрушень протонів, пов'язаних з ароматичним кільцем в слабке поле (7-8 М.Д. для бензольного кільця), а протонів розташованих над / під площиною ароматичної системи - в сильне поле (спектр ЯМР).
• наявність самої площині (мінімально спотвореної), в якій лежать всі (або не все - гомоароматічность) атоми утворюють ароматичну систему. При цьому кільця пі-електронів, що утворюються при сполученні подвійних зв'язків (або електронів входять в кільце гетероатомів) лежать над і під площиною ароматичної системи.
• практично завжди дотримується Правило Хюккеля: ароматичної може бути лише система, яка містить (в кільці) 4n + 2 електронів (де n = 0, 1, 2, ...). Система, яка містить 4n електронів є антіароматічной (в спрощеному розумінні це означає надлишок енергії в молекулі, нерівність довжин зв'язків, низька стабільність - схильність до реакцій приєднання). У той же час, у разі пери-зчленування (є атом (и), що належить (е) одночасно 3 циклам, тобто біля нього немає атомів водню або заступників), загальне числопі-електронів не відповідає правилу Хюккеля (фенален, пірен, корона). Також передбачається, що якщо вдасться синтезувати молекули в формі стрічки Мебіуса (кільце досить великого розміру, щоб закручування в кожній парі атомних орбіталей було мало), то для таких молекул система з 4n електронів буде ароматичної, а з 4n + 2 електронів - антіароматічной.

сучасні уявлення

У сучасної фізичної органічної хімії вироблено загальне формулювання критерію ароматичності