Российский национальный исследовательский медицинский

РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Вариативный курс
«Химия биомолекул и наносистем»
для студентов лечебного, педиатрического
и стоматологического факультетов
и студентов-лечебников
медикобиологического факультета
Подготовлено соответствии с ФГОС-3
в рамках реализации
Программы развития РНИМУ
Общая редакция — зав. кафедрой химии,
проф. В.В. Негребецкий
1
Вариативный курс лекций «Химия биомолекул и наносистем»
подготовлен в качестве методического пособия лекторским
коллективом кафедры химии для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов и студентовлечебников медико-биологического факультета РНИМУ в соответствии с федеральными государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования
(ФГОС-3) и Рабочими Программами по дисциплине «Химия» по
специальностям «Лечебное дело», «Педиатрия», «Стоматология»
в рамках реализации Программы развития РНИМУ.
Настоящее пособие в дополнение к рисункам, формулам и
уравнениям реакций включает определения основных понятий и
терминов, необходимые студентам для подготовки к занятиям.
Вариативный курс сгруппирован по темам и состоит из двух
разделов: (1) биоорганическая химия и (2) физическая химия
поверхностных явлений, дисперсных систем и растворов ВМС».
Общая редакция — зав. кафедрой ОБОХимии,
проф. В.В. Негребецкий
2
Часть 1. Биорганическая химия
проф. Ю.И. Бауков, проф. И.Ю. Белавин,
проф. В.В. Негребецкий
Тема В-01
Биологически важные окислительновосстановительные реакции
органических соединений
Общая редакция — зав. кафедрой химии,
проф. В.В. Негребецкий
3
Биологически важные окислительно-восстановительные реакции органических соединений
● Обмен веществ
● Окисление и восстановление
● Окисление органических соединений
● Восстановление органических соединений
● Окисление и восстановление азот- и серосодержащих
органических соединений
● Кислород – главный окислитель в организме
● Система ФАД–ФАДН2
● Система НАД+–НАДН
● Система дисульфид–тиол
● Система хинон–гидрохинон
● Окисление с участием молекулярного кислорода
4
Окислительно-восстановительные реакции
органических соединений
– реакции, включающие перенос электронов
• Удовлетворение энергетических потребностей организма.
• Превращение компонентов пищи в компоненты клетки.
• Удаление ксенобиотиков.
• Окислители как наиболее агрессивные стрессоры
внешней среды.
5
Обмен веществ (метаболизм)
распад сложных соединений биосинтез сложных соединений
(анаболизм)
(катаболизм)
окисление
выделение энергии
восстановление
потребление энергии
тепло
6
Окисление – процесс удаления водорода с образованием
кратной связи или новой связи между атомом углерода и
гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород,
например, атомами O, N, S и т. д.
e─
субстрат + окислитель
−
включает переход электронов от органического субстрата к
реагенту — окислителю.
Восстановление − процесс, обратный окислению, −
сопровождается образованием новых связей с водородом.
e─
субстрат + восстановитель
−
окисленный + восстановленная
форма окислителя
продукт
восстановлен- окисленная форма
ный продукт + восстановителя
включает перенос электронов от востановителя к
органическому субстрату
7
Перенос электронов в реакциях неорганических соединений
Fe3+ +
Fe3+ +
Fe2+
e
Cu+
Fe2+ + Cu2+
Перенос электронов в реакциях органических соединений
H3C—H
+ 1/2 O2
H3C—OH
Степень окисления — заряд, которым обладал бы атом
элемента в химическом соединении, если электроны в каждой
связи этого атома сместить к более электроотрицательному
атому.
8
Степень окисления атома углерода
Увеличение степени окисления
–4
CH4
0
+2
+4
CH2Cl2
CHCl3
CCl4
–2
CH3Cl
O
H
CH3OH
CH3NH2
H
–2
CH2
H–C
CO2
OH
H2C NH
–3
CH3–CH3
C O
CH2
HC
N
–1
H–C C–H
9
Изменение степени окисления атома углерода
при окислении и дегидрировании
O
R CH3
R CH2OH
R
O
C
R C
H
CO2
OH
R
R
CH2 NH2
C
NH
C
C
H
C
H
C
H
окисление [O]
восстановление [H]
10
Окисление органических соединений
Окислители — соединения, обладающие высоким сродством к электрону.
Окислителями могут служить: O2, пероксиды, HNO3, галогены, гипогалогениты, HClO4, PbO2, KMnO4, K2Cr2O7/H+.
Окисление органического субстрата протекает тем легче, чем сильнее
его тенденция к отдаче электронов.
Увеличение способности к окислению
<
CH3
первичные
атомы углерода
C
<
CH2
CH
вторичные
атомы углерода
<
C
третичные
атомы углерода
C
C
атомы углерода в
sp2-гибридизованном состоянии
атомы углерода в
sp3-гибридизованном состоянии
Увеличение способности к окислению
R
H
алканы
<
R
OH
спирты
<
R
NH2
амины
11
Окисление связей С–Н
Последовательность основных процессов окисления и восстановления
углеводородов и их кислородсодержащих производных
Первичный атом углерода
окисление
R
CH3
R
восстановление
R
CH2OH
C
восстановление
первичный
спирт
углеводород
O
окисление
H
окисление
R
восстановление
альдегид
COOH
карбоновая
кислота
Вторичный атом углерода
R
R
R
окисление
CH2
R
восстановление
углеводород
C
H
окисление
OH
восстановление
R
R
C
O
кетон
вторичный спирт
Третичный атом углерода
R
R C
R
окисление
H
углеводород
восстановление
R
R C
R
OH
третичный спирт
12
Насыщенные углеводороды
—
наиболее трудно окисляющиеся соединения
Сгорание углеводородов — полное окисление до СО2 и Н2О.
Жесткие условия (горячая хромовая смесь);
более мягкие окислители в обычных условиях не действуют.
Промежуточные продукты окисления — первичные, вторичные спирты
и альдегиды — окисляются легче исходных углеводородов.
CH3
CH3
C
CH3
CH3
CH3 + O2 (возд.)
Co(OCOCH3)2
25
135
oC
CH3
H
C
CH3
CH3
1/2 O2
OOH
изобутан
OH
катализатор
CH 3CHCH2CH 3
O
H+
(HBr)
H2O
бутан
CH3
трет-бутиловый
спирт, 90-95%
OOH
CH 3CH2CH 2CH3 + O2
C
CH 3CCH2CH 3
метилэтилкетон
Последующему окислению, как правило, подвергается уже начавший
окисляться атом углерода.
Конечные продукты неполного окисления углеводородов — карбоновые
кислоты, кетоны и третичные спирты — требуют для своего окисления
более жестких условий, необходимых для разрыва связей С–С.
13
Способность связи С–Н к окислению увеличивается, если она расположена рядом с двойной связью, ароматическим кольцом или гетероатомом со свободной электронной парой (например О).
CH2
CH
O2
CH3
CH2
CuO, 400 oC
пропилен
CH
CHO
акролеин
промышленный способ синтеза акролеина
Окисление альдегидов и симметричных кетонов с участием связей С–Н
α -углеродных атомов.
− Реагент SeO2 в ледяной уксусной кислоте.
O
RCH2
C
O
SeO2, 0 oC
O
RC
C
H
H
α-дикарбонильное
соединение, 30-40%
O
CH3 C
H
SeO2, 0 oC
O
O
C
H
C
H
глиоксаль, 70%
14
Гидропероксиды
−
важные промежуточные продукты окисления
связей С─Н в мягких условиях
Гидропероксиды
R
O
O
H
Гидропероксиды − производные пероксида водорода, в которых
один атом водорода замещен на органический радикал.
Образование гидропероксидов при окислении углеводородов и других
соединений со связями С─Н молекулярным кислородом.
O O
R
H
+
O2
X
R
O
O
H
(SR)
гидропероксид
Способность связи С–Н к образованию гидропероксидов увеличивается, если она расположена рядом с двойной связью, ароматическим
кольцом или гетероатомом со свободной электронной парой
(например О).
15
Примеры реакций пероксидного окисления
H
O2
циклогексен
CH3
C H
3-гидропероксициклогексен
O
CH3
O2
O H +
C O O H
CH3
изопропилбензол
(кумол)
O O H
CH3
C
CH3
CH3
гидропероксид
изопропилбензола
O
O2
CH3CH2OCH2CH3
диэтиловый эфир
фенол
CH3CH2 O
CH
ацетон
O
H
CH3
гидропероксид диэтилового эфира
16
Окисление гомологов бензола и ароматических гетероциклов
Углеводородные радикалы обычно превращаются в карбоксильные
группы − СООН.
[O]
ArCH2R
ArCOOH
Реагенты — KMnO4/OH− , K2Cr2O7/H+
X
R
KMnO4, H 2O
100 °C
X
COOH
бензойные кислоты, 60-80%
алкилбензолы
X = F, Cl, Br, I, COOH, OCH3, NHCH3;
R = CH3, C2H5, н-С3Н7, изо- С3Н7 и т.д.
+ 2 KMnO4
N
CH3
2-метилпиридин
H2O, 70 oC
+ 2 MnO2 + 2 KOH
N
COOH
2-пиридинкарбоновая кислота, 65%
Подбирая условия, иногда удается получать в этих реакциях
спирты и альдегиды.
17
Примеры реакций окисления
гомологов ароматических соединений
CH3
COOH
+ Na2Cr2O7 + 4 H2SO4
100 °C
+ Cr2(SO4)3 + Na2SO4 + 5 H2O
NO2
NO2
п-нитротолуол
п-нитробензойная кислота
Окисление диалкилбензолов
KMnO4, H2O
Alk
100 °C
Alk
COOH
HOOC
фталевые кислоты, 60-80%
диалкилбензолы
O2 (воздух)
CH3
COOH
V2O5 или
Co3+
промышленный способ
18
Окисление спиртов
Первичные и вторичные спирты по сравнению с углеводородами
окисляются в гораздо более мягких условиях.
Окислители, превращающие первичные спирты в карбоновые
кислоты, — H2Cr2O7, KMnO4 (щелочной раствор), HNO3.
O
[O]
R
CH2
R
OH
C
O
[O]
R
C
H
первичный спирт
OH
альдегид
карбоновая кислота
В случае первичных спиртов необходимо быстро выделять альдегид
из реакционной смеси, чтобы предотвратить его окисление в кислоту.
HNO3
(60-70%)
100 oC
R
CH2
OH
R
первичный
спирт
COOH
карбоновая
кислота
KMnO4/OH
(80%)
R
CH
OH
R'
вторичный спирт
Na2Cr2O7, H2SO4
R
C
O
R'
кетон, 75%
19
Примеры окисления спиртов
CH3CH2CH2CH2OH
KMnO4, H+, 25 oC
масляная кислота
бутанол-1
OH
Cl3C
CH3CH2CH2COOH
HNO3 (дымящая), to
CH
O
Cl3C
C
OH
OH
хлоральгидрат
R
CH2
первичный
спирт
OH
трихлороуксусная кислота, 55%
+
1/ O
2 2
Fe2O3/V2O5
250 350 oC
O
R
+
C
H
H2O
альдегид
промышленный способ получения альдегидов
из спиртов
20
Дегидрирование — особый случай окисления
− субстрат теряет два атома водорода, что эквивалентно потере двух
протонов и двух электронов (2Н+ и 2е–) или протона и гидрид-иона
(Н+ и Н–).
o Катализаторы — раскаленная медная проволока или медносеребряный катализатор (400–500 °С).
R
CH2OH
катализатор
O
R
C
+
H2
H
первичный спирт
R
CH
OH
R'
вторичный спирт
альдегид
катализатор
R
C
O
+
R'
H2
кетон
промышленные способы получения
альдегидов и кетонов
21
Альдегиды
— наиболее легко окисляющийся класс соединений
o
Превращение в карбоновые кислоты осуществляется под действием
большинства окислителей, включая кислород воздуха.
Качественные реакции на альдегидную группу
Гидроксид серебра в аммиачном растворе (реактив Толленса).
AgNO3
NH4OH
AgOH
– NH4NO3
2 NH4OH
– 2 H2O
реактив Толленса
O
R
+ 2 Ag(NH3)2+ + 3 OH–
C
[Ag(NH 3)2]+OH –
2 Ag
+ RCOO– + 4 NH3 + 2 H2O
H
серебряное зеркало
«реакция серебряного зеркала»
Щелочной раствор тартратного комплекса меди(II) (реактив Фелинга).
O
R
C
+ 2 Cu(OH)2
H
o
NaOH
Cu2O
+ RCOONa + 3 H2O
осадок
красно-коричневого цвета
Тартраты — производные (в частности соли) винной кислоты.
22
Окисление связей С=С
Алкены
мягкое окисление
− разрыв π -связи
жесткое окисление
− разрыв и π - и σ-связей
Продукты окисления
O
C
C
эпоксиды
C
O
C
O
H
альдегиды
или
кетоны
O
C
C
OH OH
1,2-диолы
C
O
C
O
OH
карбоновые
кислоты
диоксид
углерода
Эпоксиды — первичные продукты окисления связей С=С в мягких
условиях.
23
Эпоксидирование — синтез эпоксидов (оксиранов)
Промышленный синтез этиленоксида
H2C
CH2
Ag, 300 0C
+
0.5 O2
H2C
CH2
O
этиленоксид
этилен
Синтез эпоксидов в лабораторных условиях
C
C
O
+
R
O
алкен
C
C
OH
пероксикислота
C
O
эпоксиды
(оксираны)
H
O
+
C6H5
C
O
циклогексен
CH2Cl2, 25 0C
OH
пероксибензойная
кислота
O
+
C6H5COOH
H
1,2-эпоксициклогексан
бензойная
кислота
образовавшийся эпоксид имеет ту же конфигурацию, что и исходный алкен,
т.е. цис-алкены дают цис-эпоксиды, транс-алкены — транс-эпоксиды
24
Гидроксилирование — синтез 1,2-диолов
Обесцвечивание водного раствора перманганата калия на холоду
— качественная проба на двойную связь
3
+ 2 KMnO4 + 4 H2O
20 °С
+ 2 MnO2 + 2 KOH
OH OH
алкен
1,2-диол
реакция Е.Е. Вагнера, 1898
Стереоселективность реакции мягкого окисления алкенов по Вагнеру
H
H
+
циклогексен
MnO4
O
O
H
O
Mn
O
циклический интермедиат
H2O
OH
OH
H
циc-циклогександиол-1,2,
37%
аналогично реагирует OsO4,
для которого удалось выделить промежуточные интермедиаты
25
Реакции с разрывом связей углерод─углерод в алкенах
Озонирование (озонолиз)
O
O
C
C
O3
+
C
C
алкен
O
озонид
озониды взрывчаты
• Восстановительный гидролиз озонидов — альдегиды и кетоны.
O
O
CH2
CH
H
O3
C2H5
C
C
O
H
бутен-1
C2H5
H
озонид
O
Zn, H2O
H2C
O +
C
H
CH 3COOH
формальдегид
C2H5
пропаналь
• Окислительный гидролиз озонидов — карбоновые кислоты и кетоны.
O
O
R'
R
C
H
O
C
O
озонид
R"
H2O2
RCOOH
+
R'
C
R"
CH3COOH
карбоновая
кислота
кетон
26
Окисление алкенов в жестких условиях
Сильные окислители при нагревании (KMnO4/H+, K2Cr2O7, CrO3, HNO3)
Ненасыщенный атом углерода, связанный с двумя органическими
радикалами, превращается в карбонильную группу кетона, в то время
как =СН-группа окисляется в карбоксильную.
RCH
CHR'
KMnO4/OH
to
RCOOH
+
R'COOH
карбоновые кислоты
R
C
CHR"
R'
KMnO4/OH
to
R
C
O
+
R'
кетон
R
R"
C
R'
C
R'"
KMnO4/OH
to
R"COOH
карбоновая
кислота
R
R"
C
O
R'
C
+
O
R'"
кетон
кетон
27
Примеры реакций жесткого окисления
O
CH3
[O]
C
CH
CH3
CH3
олеиновая кислота
HNO3
3,7-диметилоктен-1
CH3
+
CH3COOH
уксусная кислота
CH3(CH2)7COOH
нонановая кислота
CH3
(CH3)2CH(CH2) 3CH CH CH2
C
ацетон
2-метилбутен-2
CH3(CH2)7 CH CH(CH2)7COOH
CH3
+
HOOC(CH2)7COOH
азелаиновая кислота
CH3
KMnO4, H3O+
(CH3)2CH(CH2) 3CH COOH
+
CO2
2,6-диметилоктановая кислота, 45%
28
Окисление алкинов
Окислительная деструкция до карбоновых кислот
Окислители — KMnO4/H+ или HO− , K2Cr2O7/H+, O3
R C C
CH3CH2CH2C CCH3
KMnO4, HO
25 0C
R'
[O]; H2O
+
R COOH
CH3(CH2)2COO + CH3COO
H+
R'
COOH
CH3(CH 2)2COOH + CH3COOH
масляная кислота
гексин-2
Синтез α -дикетонов
O O
KMnO4, H2O
CH3 (CH2 )7 C C(CH2)7COOH
5 0C, pH 7.5
стеароловая кислота
CH3(CH2)7C C(CH2 )7 COOH
9,10-диоксооктадекановая кислота
O O
R C C R'
алкин
SeO2,
H+
R C C R'
α-дикетон
29
Окисление ароматических соединений
Способность ароматических углеводородов к окислению увеличивается при переходе от бензола к нафталину и далее к антрацену.
Бензол окисляется в малеиновый ангидрид в очень жестких условиях.
O
H
O2, V2O5, 450 °C
C
C
O
C
+
2 CO2 +
2 H2O
C
H
O
малеиновый ангидрид
бензол
Электронодонорные заместители облегчают окисление ароматического кольца, электроноакцепторные — оказывают противоположное
действие.
C6H5CH2CH 3
H2O2 (30%) в CF3COOH
25
этилбензол
oC
CH 3CH2COOH
пропионовая
кислота, 81%
OH
K2Cr2O7
O
фенол
CH 3COOH
уксусная
кислота, 19%
O
, H+
H
+
(наряду с другими
продуктами)
п-бензохинон
30
Окисление нафталина и антрацена
Окисление нафталина приводит в зависимости от условий либо к
фталевому ангидриду, либо 1,4-нафтохинону.
O
O
C
O2, V2O5
O
CrO3, CH 3COOH
C
O
O
фталевый ангидрид
нафталин
1,4-нафтохинон
Окисление антрацена дает 9,10-антрахинон.
O
8
9
1
7
2
6
3
5
10
[O]
4
O
антрацен
9,10-антрахинон
исходное вещество
в синтезе красителей
31
Окисление нафтолов и двухатомных фенолов
Нафтолы окисляются легче фенолов.
O
OH
CrO3
O
1,4-нафтохинон
нафтол-1
Еще легче окисляются двухатомные фенолы
— пирокатехин и гидрохинон.
OH
OH
пирокатехин
Ag2O
O
O
о-бензохинон
32
Восстановление органических соединений
Для восстановления органических соединений могут быть использованы практически все восстановители.
Чаще применяют водород в присутствии гетерогенных катализаторов,
гидриды металлов и активные металлы (Na или Zn).
Восстановление алкенов, алкинов и аренов
Каталитическое гидрирование — наиболее общий способ восстановления ненасыщенных углерод–углеродных связей в этих соединениях.
o Присоединение водорода имеет место в присутствии тонкоизмельченных металлов (никеля, платины, палладия) или оксидов металлов.
Гидрирование алкенов
CH2
Ni, 100 °C
CH2
+ H2
CH3
CH3
этан
этилен
Стереоселективность реакции гидрирования — син-присоединение
CH3 +
CH3
1,2-диметилциклогексен
H2
PtO2, CH3COOH, 25 0C
H
H
CH3
CH3
цис-1,2-диметилциклогексан, 82%
33
Гидрирование алкинов
CH3
C
C
CH3
Pt, 25°C
+
H2
CH3
C
CH3
C
H
бутин-2
H
цис-бутен-2
син-присоединение
Восстановление алкинов металлическим литием или натрием
в жидком аммиаке
CH3
C
C
CH3
+
2 Na
+
CH3
2 NH3
H
бутин-2
CH3 (CH2 )7 C C(CH2 )7 COOH
стеароловая кислота
H
C
C
CH3
+
2 NaNH2
транс-бутен-2
Li, NH3 (ж),
33 0C
CH3(CH2)7
H
C C
H
(CH2)7COOH
элаидиновая кислота, 84%
стереоселективный процесс, протекающий как антиприсоединение
34
Гидрирование аренов
+
Ni, 100–180 °C
3 H2
бензол
o
циклогексан
Восстановление нафталина протекает ступенчато
Действие на нафталин водорода в момент выделения.
2H
нафталин
2H
1,4-дигидронафталин
6H
тетралин
декалин
35
Восстановление карбонильных соединений
— альдегидов, спиртов, карбоновых кислот и их эфиров
— приводит к соответствующим спиртам
O
R
C
[H]
H
R
альдегид
O
R
C
R'
C
OH
R
CH
R'
вторичный спирт
кетон
R
OH
первичный спирт
[H]
O
CH2
[H]
OR'
сложный эфир
R
CH2
OH
+
R'OH
первичный спирт
36
Каталитическое гидрирование
R
Ni (Pt или Pd)
С
O + H2
R CH R'
R'
OH
первичный или
вторичный спирт
альдегид
или кетон
Использование комплексных гидридов металлов (LiAlH4, NaBH4, B2H6)
Реакция включает нуклеофильную атаку карбонильного атома
углерода гидрид-ионом. Гидролиз образовавшегося алкоголята
дает первичный или вторичный спирт.
R
δ+ δ –
C O
+
R
H –M+
R'
альдегид
или кетон
C
R'
комплексный
гидрид металла
OM
R
H3O+
H
H
C
OH
R'
первичный или
вторичный спирт
H–M+ = Li[AlH4]; Na[BH4]; Li[AlH(OCH3) 3]
37
Восстановление по Клемменсену
Zn/Hg, HCl(конц), 100 оС
R C R'
O
R CH2 R'
Восстановление по Кижнеру-Вольфу
R
C
R'
H2NNH2
R
C
R'
N NH
2
O
гидразон
R
C
N
R'
КОН, 200 оС
R CH 2 R' + N2
NH 2
38
Примеры реакций восстановления
карбонильных соединений
Карбоновые кислоты
LiAlH4
(CH 3)3CCOOH
эфир или ТГФ, 40
оС
(CH3)3CCH2OH
неопентиловый
спирт, 92%
2,2-диметилпропановая кислота
LiAlH4
HOOC(CH2)8COOH
HOCH2(CH2)8CH2OH
ТГФ, 65 оС
декандиовая кислота
O2N
CH2COOH
1) B2H6; ТГФ, 20 оС
декандиол-1,10, 97%
O2N
CH2CH 2OH
2) H2O, H
п-нитрофенилуксусная кислота
2-(4-нитрофенил)этанол, 95%
группы NO2, CN, COOR при восстановлении дибораном
не затрагиваются
39
Сложные эфиры карбоновых кислот
Реагенты − LiAlH4 (алюмогидрид лития), LiBH4 (в ТГФ), Na (в спирте).
O
C6H5 C
эфир
OC2H5
+
LiAlH4
+
C2H5OH
O
эфир
C2H5OC
C6H5CH2OH
бензиловый спирт, 90%
этилбензоат
O
H3O
(CH2)4
COC2H5 + LiAlH4
этилгександиоат
этилпальмитат
OC2H5
HOCH2(CH2)4CH2OH + C2H5OH
гександиол-1,6, 90%
O
CH3(CH2)14 C
H3O
ТГФ
+
LiBH4
25 oC
CH3(CH2)14CH2OH
+
C2H5OH
гексадеканол-1, 95%
40
Окислительно-восстановительные реакции альдегидов
реакция Канниццаро–Тищенко
реакция Канниццаро
o 60% КОН, 20 оС
O
2 C6H5
C
H
KOH
бензальдегид
C6H5
δ+
C
–
Oδ
C6H5
H
C
C6H5C(O)H
C6H5
H
бензоат калия
K• •
•
C
O
C
H• • •
H
OH
C6H5
атом водорода, переносимый
в виде гидрид-иона
O
+
C
C6H5OK
O
OH
C6H5
+
бензиловый спирт
OK
K+OH–
C6H5CH2OH
K+–OCH2C6H5
C6H5COOK
+
C6H5CH2OH
OH
реакция
Тищенко
2R
C
O
Н
(C2H5O)3Al
O
R C
OR
41
Диспропорционирование формальдегида
Формальдегид может диспропорционировать даже в водных растворах; в результате при хранении они приобретают кислую реакцию.
H
2
C
O
+
CH3OH
H2O
H
формальдегид
метанол
+
HCOOH
муравьиная кислота
Другой причиной образования муравьиной кислоты при хранении
формальдегида может быть окисление его кислородом воздуха,
особенно легко протекающее на свету.
hν
H
C O
+
H
формальдегид
1
/2 O2
HCOOH
муравьиная
кислота
42
Восстановление амидов и нитрилов карбоновых кислот
Восстановление амидов
Реагенты — LiAlH4 (алюмогидрид лития), B2H6 (диборан).
O
LiAlH4
R C
R
CH2
NH2
NH2
Амиды восстанавливаются труднее альдегидов, кетонов и сложных эфиров.
эфир
CH3(CH2)10C(O)NHCH3
+
LiAlH4
H3O
CH3(CH2)10CH2NHCH3
36 oC
N-метилдодеканамин-1, 95%
N-метилдодеканам ид
Восстанавление диалкиламидов до альдегидов.
O
(CH3)3C
эфир
C
N(CH3)2
+ LiAlH(OCH2CH2)3
H3O
N,N-диметил-2,2-диметилпропанамид
O
(CH3)3C
C
H
2,2-диметилпропаналь, 88%
Восстановление нитрилов
− каталитическое гидрирование, Na в спирте, LiAlH4.
LiAlH4
R
C
нитрил
N
R
CH2NH2
первичный амин
43
Окисление и восстановление азот- и серосодержащих
органических соединений
Окисление аминов
Амины окисляются достаточно легко.
Конечными продуктами в случае первичных аминов RNH2
являются нитросоединения RNO2.
RNH2
первичный
амин
[O]
[RNHOH]
замещенный
гидроксиламин
[O]
[O]
[RN
O]
нитрозосоединение
RNO2
нитросоединение
Для выделения промежуточных продуктов окисления —
производных гидроксиламина RNHOH и нитрозосоединений RN=O
— используют специальные приемы.
44
Восстановление азотсодержащих соединений
Исчерпывающее восстановление различных азотсодержащих
соединений приводит к аминам.
R
C
N
O
4H
R
нитрил
CH2
NH2
4H
– H 2O
R
первичный амин
C
NH2
амид
Восстановление ароматических нитросоединений —
известная реакция Зинина (1842).
NO2
нитробензол
6H
– 2 H2O
NH2
анилин
реакция Зинина положила начало анилинокрасочной
промышленности
45
Окисление серосодержащих соединений
Окисление тиолов
− превращение тиолов в дисульфиды (мягкое окисление)
o Водородпероксид, кислород воздуха.
[O]
2 RSH
R S
тиол
2 C6H5SH
+
S
R
+
H2O
дисульфид
25 oC
I2
тиофенол
C6H5 S
S
C6H5
+
2 HI
дифенилдисульфид, 85%
− окисление тиолов в более жестких условиях
O
R
SH
[O]
[O]
R
S
OH
R
S
O
[O]
OH
R
S
OH
O
тиол
сульфеновая
кислота
сульфиновая
кислота
сульфоновая
кислота
Образование продуктов последовательного окисления —
сульфеновых, сульфиновых и сульфоновых кислот.
46
окисление сульфидов
O
[O]
R
S
R'
R
S
O
[O]
R'
R
S
R'
O
сульфид
сульфоксид
сульфон
O
H2O2
C6H5CH2SCH3
бензилметилсульфид
C6H5CH2 S
CH3
бензилметилсульфоксид
Особенность окисления тиолов и сульфидов — окисление по
атому серы (в отличие от спиртов и простых эфиров, у которых
окислению подвергается атом углерода) .
47
Восстановление тиолов и дисульфидов
− каталитическое гидрирование тиолов («обессеривание»)
H2, Ni, 300 oC
RSH
RH
+
H2S
− восстановление дисульфидов в биологических условиях
2 [H]
R S
S
R
2 RSH
диалкилдисульфид
тиол
[O]
2R
SH
[H]
R
S
S
R
Обратимая реакция окисления тиолов в дисульфиды — одна из
наиболее важных в организме человека
48
Кислород – главный окислитель в живом организме
О2
4 Н+
дыхательная цепь
2 Н2О
4е
восстановленные
формы окислителей
АТФ
тепло
окислители
При полном восстановлении кислорода в организме
+
O2 + 4 H + 4 e
2 H2O + 316 кДж
49
Основные стадии процесса
О
О2 (супероксид анион-радикал)
О2 + е О
О
активные
О + Н+
О
ОН (гидропероксид радикал)
формы
О
-
О
ОН + е
ОН (гидропероксид анион)
кислорода
О
ОН + Н+
Н2О2 (пероксид водорода)
Н2О2
Н2О
+
(АФК)
1/ О
2 2
О2 < HOO < H2O2 < HO
О2 + H2O2
HO + HO- + O2; H2O2 + Fe2+
HO + HO- + Fе3+
50
АФК при их избыточном продуцировании могут являться
причиной оксидативного стресса, связанного с повреждениями
липидов клеточных мембран, белков, полисахаридов,
нуклеиновых кислот.
Оксидативный стресс может также развиваться под
действием ряда ксенобиотиков: гипохлорная кислота HOCl,
оксиды азота, галогенопроизводные углеводородов.
Оксиды азота ─ как причина оксидативного стресса
(N2O, NO, NO2, N2O3, N2O4, N2O5)
RCH—CHR'
NO2 + RCH=CHR'
NO2
O2
RCH
CHR'
O O NO2
Продукты
O
O
R, ROO, ROOR,
C
,
C
C , R—NO, R—NO2
51
Ксенобиотики ─ как причина оксидативного стресса
RCl, CHCl3, CCl4, (ClC6H4)2CHCCl3 (ДДТ), C2H5OH,
продукты сухой перегонки табака
e─
CCl4 + RNH2
восстаноокислитель витель
CCl3
Cl
H2NR
Cl3C + RNH2 + Cl
катион-радикал
52
Окислительно-восстановительная система
ФАД – ФАДН2
Н
O
N
N
N
H
N
N
O
N
+ 2H
O
R
ФАД
флавинадениндинуклеотид
окислитель
H
N
N
R
H
O
ФАДН2
восстановленная форма ФАД
восстановитель
53
Примеры биохимических реакций с участием
системы ФАД – ФАДН2
• Дегидрирование карбоновых кислот
О
+ ФАД
R CH2 CH2 C
OH
О
α
+ ФАДН2
CH C
OH
α,β-ненасыщенная
карбоновая кислота
β
R CH
• Гидрирование α,β-ненасыщенных кислот
β
R CH
α
О
О
+ ФАДН2
CH C
OH
R CH2 CH 2 C
+ ФАД
OH
α,β-ненасыщенная
карбоновая кислота
54
• Окисление первичных аминов до иминов
+ ФАД
R CH2 NH2
- ФАДН2
R CH
NH
+ H2O
- NH3
имин
R
CH R'
NH2
+ ФАД
- ФАДН2
R C R'
NH
имин
+ H2O
- NH 3
O
R C
H
альдегид
R C R'
O
кетон
55
Окислительно-восстановительная система
НАД+ – НАДН (НАДФ+ – НАДФН)
H
++++
N
R
C
O
+
H
_
NH2
НАД+
никотинамидадениндинуклеотид
НАДФ +
никотинамидадениндинуклеотидфосфат
окислители
H
C
N
R
O
NH2
НАДН
восстановленная форма НАД
НАДФН
восстановленная
форма НАДФ
восстановители
56
Примеры биохимических реакций
с участием системы НАД+ – НАДН
•
окисление спиртов до альдегидов и кетонов
+ HАД+
R CH2 OH
- НАДН ; - Н+
НАД+
+
Н
субстрат
O
R C ; R CH
OH
H
Н
НАДН +
восстановленная форма
атом водорода, переносимый
в виде гидрид-иона
НАД+
+ Н
C
OH
восстановленная форма
+
R' + HАД
R
+
- НАДН ; - Н
субстрат
C
R'
O
Н+
+
окисленная форма
атом водорода, отщепляющийся
в виде протона
НАДН
+
C
O +
H+
окисленная форма
57
•
окисление альдегидов до карбоновых кислот
O
+ Н2О + HАД+
R C
R C
- НАДН ; - Н+
H
•
O
ОH
окисление первичных аминов до иминов
R
R
+ HАД+
CH N
Н
C N
- НАДН ; - Н+
• восстановление альдегидов и кетонов до спиртов
R C
O + НАДН ;+ Н+
H
•
- HАД +
+ НАДН ; + Н+
R CH2 OH
R
C
R'
R CH R'
OH
- HАД +
O
восстановление иминов до аминов
+ НАДН ; + Н+
R
C N
- HАД+
R
CH N
Н
58
Окислительно-восстановительная система дисульфид – тиол
+ 2 H+ +
R S S R
2 R SH
2e
дисульфид
тиол
окислитель
восстановитель
Примеры биохимических реакций
с участием системы дисульфид – тиол
•
восстановление гидропероксидов до спиртов
R O O H +
гидропероксид
•
2 R SH
глутатион
R O H + R S S R
спирт
+ H2O
дисульфид
образование и разрыв дисульфидных мостиков
в молекулах белков
глутатион
2 R SH
тиол
R S S R
дисульфид
59
• Окисление промежуточного продукта в реакции
декарбоксилирования
α-оксокислот (“активированных альдегидов”) с образованием
ацилкофермента А
Липоевая кислота
S S
(CH2)3CONHФ
OH
+ R C H
X
H S
- HX
O
S C R
(CH2)3CONHФ
Ф – фермент
+ HSСoA
O
R C
HS
+
SСoA
ацилкофермент А
SН
(CH2)3CONHФ
дигидролипоевая кислота
60
Окислительно-восстановительная система
хинон – гидрохинон
О
ОН
+ 2 Н++ 2 е
О
ОН
Хинон
(пара-хинон)
гидрохинон
восстановитель
окислитель
Убихиноны – переносчики электронов в дыхательной цепи
Образовение орто-хинонов
ОН
ОН
катехол
(пирокатехин)
[O]
О
[H]
О
орто-хинон
61
Другие реакции окисления серасодержащих соединений
[O]
[O]
R SH
O
[O]
R S OH
R S OH
O
R S OH
O
сульфеновая
кислота
тиол
[O]
R S R
сульфиновая
кислота
O
R S R
[O]
сульфоновая
кислота
O
R S R
O
сульфид
сульфоксид
сульфон
O
CH3
S CH3
жаропонижающее, противовоспалительное
действие, высокая проницаемость через кожу
диметилсульфоксид
(димексид, ДМСО)
62
Окисление с участием молекулярного кислорода
НННН
ОООО
СССС
СССС
ОООО
++++ ОООО
2222
НННН НННН
++++ ---;;;;
НННН ++++
ФФФФ ФФФФ
ДДДД ДДДД
АААА АААА
НННН НННН
++++ ---2222
ОООО
++++
СССС
СССС
2222
ОООО
ОООО
эпоксид бензантрацена
бензантрацен
ОООО
RRRR
ОООО
НННН
2222
OOOO
++++
НННН
RRRR
реакция эпоксидирования
•
реакции пероксидного окисления
•
гидропероксид
эпоксид
канцерогенез
63
НННН
ОООО
НННН
ОООО
Биосинтез стероидных гормонов
СССС
++++
ОООО
2222
НННН
---;;;;
++++
ФФФФ
ДДДД
АААА
НННН
----
2222
ОООО
++++
НННН
СССС
НННН
++++
НННН
3333
++++
НННН
ФФФФ
ДДДД
АААА
НННН
3333
++++
НННН
ОООО
2222
НННН
СССС
НННН
ОООО
НННН
ОООО
НННН
ОООО
2222
НННН
3333
---;;;;
++++
ФФФФ
ДДДД
АААА
НННН
3333
---2222
ОООО
3333
++++
2222
НННН
СССС
НННН
ОООО
НННН
Аналогично проходит гидроксилирование фрагментов
аминокислот в белке — коллагене.
холестен-5-тетраол-3, 7,12,26
холестерин
НННН
++++
НННН
ФФФФ
ДДДД
АААА
НННН
++++
Реакции гидроксилирования
(введение ОН-группы вместо водорода)
а) алифатическое (у sp3-гибридизованного атома углерода)
•
64
б)
RRRR
OOOO
HHHH
НННН
++++
НННН
ФФФФ
ДДДД
АААА
НННН
++++
2222
OOOO
++++
RRRR
НННН
НННН
RRRR
НННН
OOOO
++++
НННН
HHHH ----OOOO
RRRR
НННН
эпоксид
++++ ОООО
2222
НННН
---;;;;
++++
ФФФФ
ДДДД
АААА
НННН
----
ароматическое гидроксилирование
(введение ОН-группы в ароматическое кольцо)
σ-комплекс
Согласуется с правилами ориентации при
электрофильном замещении в ароматическом кольце
65