Общая характеристика реакций органических соединений

Значения рН некоторых жидких систем организма.

Нормальное функционирование живых организмов возможно только в условиях определенного постоянства рН и других параметров их внутренней среды. Это постоянство поддерживается соответствующими буферными системами.

Большинство органических реакций включает несколько по­следовательных (элементарных) стадий. Детальное описание со­вокупности этих стадий называется механизмом. Механизм реакции — гипотеза, предлагаемая для объяснения эксперимен­тальных данных. Он может уточняться и даже меняться с появлением новых фактов и углублением знаний.

Общая скорость сложной химической реакции определяется (лимитируется) скоростью ее наиболее медленной стадии, а скорость составляющих элементарных реакций — их энергией акти­вации Е_а. Последняя необходима для осуществления эффектив­ного столкновения молекул, приводящего к взаимодействию. Ее можно определить также как энергию, необходимую для дости­жения системой переходного состояния, иначе называемого акти­вированным комплексом, превращение которого в продукты реакции происходит уже самопроизвольно. Чем меньше величина энергии активации реакции, тем выше ее скорость.

Использование катализатора существенно снижает скорость реакции за счёт понижения энергии активации из-за образования активированного промежуточного комплекса. В живых организмах роль высокоспецифичных катализаторов выполняют ферменты.

Фермент карбоангидраза катализирует биохимические реакции гидратации альдегидов, сложных эфиров, а также диоксида угле­рода. Жизненная важность этого фермента определяется тем, что он регу­лирует кислотность крови, а посредством этого (конечно, наряду с другими факторами) – интенсивность дыхательного процесса. Конкретная реакция, которую катализирует карбоангидраза, представляет собой равновесное превращение воды и диоксида углерода в угольную кислоту.

Н₂О + СО₂ ↔ Н₂СО₃ ↔ HCО₃^– + Н⁺

Именно эта реакция используется организмом для удаления из клеток углекислого газа, образовавшегося в них в результате жизнедеятельности. Некатализируемая гидратация СО₂ протекает слишком медленно, чтобы обеспечивать его эффективный транспорт от тканей к легким. Активность же карбоангидразы поражает воображение: одна молекула фермента ката­лизирует каждую минуту гидратацию»3,6×10⁷ молекул диоксида углерода.

Принципиальная схема работы карбоангидразы заключается в следую­щем. Карбоангидраза представляет собой белок, состоящий из фрагментов 260 аминокислот. Молекула воды теряет протон на активном участке фер­мента, который выступает как основание. При этом образуется сопряжен­ное основание – гидроксид-ион, который присоединяется к молекуле диок­сида углерода точно так же, как это происходит в реакциях гидроксид-иона с другими карбонильными соединениями. По существу, это присоединение представляет собой кислотно-основную реакцию Льюиса.

Кислотность воды, однако, не столь высока, чтобы протон от нее легко было бы оторвать. Поэтому карбоангидраза нуждается в помощи. Эту по­мощь ей оказывает кофактор — один из микроэлементов, присутствующих в организме, а именно ион Zn²⁺. Как кислота Льюиса он координируется по атому кислорода молекулы воды и существенно облегчает тем самым от­рыв протона активным участком карбоангидразы. На модельных реакциях было определено влияние иона цинка как кофактора. Этот ион увеличива­ет скорость реакции гидратации карбонильного соединения более чем в 6 млн. раз по сравнению с некатализируемой реакцией.

Реакционная способность всегда должна рассматриваться только по отношению к реакционному партнеру. Само вещество при этом называют субстратом, а действующее на него соединение (реакционную частицу) – реагентом. Субстратом, как правило, называют то вещество, в котором у атома углерода происходит разрыв старой и образование новой связи. В биохимических процессах реагентами считают ферменты, а вещества, подвергающиеся их действию, субстратами. В ходе химического превращения обычно затрагивается не вся молекула, а только ее часть – реакционный центр.

Типы реакций в органической химии

Многообразие органических реакций приводит к целесообразности их классификации по следующим признакам:

1. По электронной природе реагентов (нуклеофильные, электрофильные, свободнорадикальные реакции).

Нуклеофильные реагенты – это одно- или многоатомные анионы или молекулы, имеющие центры с повышенной электронной плотностью. К ним относятся такие анионы и молекулы, как HO^—, RO^—, Cl^—, Br^—, RCOO^—, CN^—, R^—, NH₃, C₂H₅OH и т.д.

Электрофильные реагенты – это катионы, простые или сложные моле­кулы, которые сами по себе или же в присутствии катализатора обладают повышенным сродством к электронной паре или отрицательно заряженным центрам молекул. К ним относятся катионы H⁺, Cl⁺, ⁺NO₂, ⁺SO₃H, R⁺ и молекулы со свободными орбиталями AlCl₃, ZnCl₂ и т.п.

Свободные радикалы – это электронейтральные частицы, имеющие неспаренный электрон, например: Cl^·, ^·NO₂.

2. По изменению числа частиц в ходе реакции (замещение, присоединение, отщепление, разложение, ОВР и др.).

В случае реакций замещения в молекуле один атом (или группа атомов) замещается другим атомом (или группой атомов), в результате чего образуются новые соединения:

СН₃–СН₃ + С1₂ ® СН₃–СН₂С1 + НC1

При протекании реакций присоединения из двух (или нескольких) молекул образуется одно новое вещество:

CH₂ = CH₂ + HBr → CH₂Br–СH₃

В результате реакции отщепления образуется новое органическое вещество, содержащее кратную связь:

СН₃–СН₂С1 + NaOH_{(спиртовой р-р)} ® СН₂ = СН₂ + NaC1 + Н₂О

Реакции разложения приводят к образованию из одного вещества двух или более веществ более простого строения:

НСООН → СО₂ + Н₂

3. По частным признакам (гидратация и дегидратация, гидрирование и дегидрирование, нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, алкилирование, карбоксилирование и декарбоксилирование, енолизация, замыкание и размыкание циклов, изомеризация, окислительная деструкция, пиролиз, полимеризация, конденсация и др.).

4. По механизмам элементарных стадий реакций (нуклеофильное замещение S_N, электрофильное замещение S_E, свободнорадикальное замещение S_R, парное отщепление, или элиминирование Е, нуклеофильное или электрофильное присоединение Ad_E и Ad_N и т. д.).

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. При действии на организм больших доз гидразина или его производных наблюдаются нервные расстройства. Какова химиче­ская основа действия гидразина, если известно, что он реагирует с коферментом пиридоксальфосфатом?

Решение. Пиридоксальфосфат — гетероциклическое соедине­ние, содержащее в цикле наряду с другими заместителями альде­гидную группу. Гидразин NH₂–NH₂ как нуклеофильный реагент взаимодействует с карбонильным атомом углерода. Поляризованная p-связь карбонильной группы легко разрывается, и между карбонильным атомом углерода и атомом азота возникает ковалентная связь донорно-акцепторного типа за счет пары электронов атома азота молекулы гидразина.

Образующийся диполярный ион в результате перехода протона от положительно заряженного атома азота (кислотный центр) к аниону (основный центр) превращается в нейтральное соедине­ние. В этом соединении у атома углерода содержатся одновременно две электроноакцепторные группы, поэтому оно неустойчиво и пе­реходит в более стабильное состояние путем отщепления молеку­лы воды. Конечным продуктом описанной реакции присоедине­ния-отщепления является гидразон пиридоксальфосфата.

Образование гидразона приводит к блокированию альдегидной группы пиридоксальфосфата, что нарушает его взаимодействие как кофермента с аминогруппой глутаминовой кислоты. Эта реак­ция является одним из этапов превращения в организме глутами­новой кислоты в g-аминомасляную. Блокирование же кофермента гидразином приводит к недостатку g-аминомасляной кислоты, тормозящей проведение нервных импульсов.

Пример 2. В процессе метаболизма в живых организмах фумаровая кислота превращается в яблочную. Каким путем можно получить яблочную кислоту из фумаровой в условиях in vitro?

Решение. Фумаровая кислота — ненасыщенная двухосновная кислота, которую можно рассматривать как замещенный алкен. Яблочная кислота принадлежит к насы­щенным двухосновным гидроксикислотам.

Переход от фумаровой кислоты к яблочной осуществляют пу­тем присоединения воды по кратной связи, т. е. с помощью реакции гидратации. Гидратацию алкенов проводят в разбавленном водном растворе сильной кислоты, например серной. Кислота служит источником электрофильной частицы — протона Н⁺.

Электронная плотность углерод-углеродной p-связи в молекуле фумаровой кислоты уменьшена вследствие электроноакцепторного действия двух карбоксильных групп. Поэтому гидратацию фумаровой кислоты осуществляют в сравнительно жестких условиях (нагревание с разбавленным водным раствором кислоты при температуре 150-200 °С).

Гидратация фумаровой кислоты протекает по обычному для ал­кенов механизму электрофильного присоединения А_Е. Протон взаимодействует с кратной связью в молекуле фумаровой кислоты. Образовавшийся карбокатион атакуется нуклеофильным реаген­том – молекулой воды. Алкилоксониевый ион, являясь сильной кислотой, отщепляет протон (возврат катализатора). В результате образуется продукт реакции – яблочная кислота.

Гидратация фумаровой кислоты in vitro приводит к образова­нию рацемата – смеси равных количеств двух энантиомеров яб­лочной кислоты. В организме эта реакция катализируется фермен­том фумаразой, для которого характерна строгая пространственная специфичность, что ведет к образованию только L-яблочной кис­лоты. Это пример селективного (избирательного) протекания реакции.

Направление химической реакции определяется совокупностью многих факторов.

Статические факторы. Реакционная способность соединений существенно зависит от распределения в их молекулах электронной плотности, которое в свою очередь определяется электронными эффектами заместителей и наличием сопряженных и ароматических фрагментов. Характерная для большинства соединений неравномерность в распределении электронной плотности является причиной появления в молекуле реакционных центров, предопределяющих направление атаки тем или иным реагентом (электронный фактор).

Пространственное строение молекулы определяет пространственный фактор, когда из-за относительно большого пространственного объема заместителей, окружающих реакционный центр, к нему может быть затруднен подход атакующей частицы. При этом реакция либо не будет осуществляться совсем, либо будет идти по иному направлению с участием другого, более доступного реакционного центра, если он имеется в молекуле.

Динамические факторы. Многостадийные процессы обычно включают стадии промежуточного образования нестабильных интермедиатов, обладающих высокой реакционной способностью. Часто можно предположить образование не одного, а нескольких интермедиатов. Реакция предпочтительно будет проходить через стадию образования относительно более устой­чивого интермедиата. Относительная устойчивость интермедиатов, в частности часто выступающих в качестве высокореакционных промежуточных частиц карбокатионов, карбанионов и свободных радикалов, определяется возможностью делокализации в этих частицах электронной плотности.