Chemia organiczna. Alkohole Fenole. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Transkrypt

1 Chemia organiczna Alkohole Fenole Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny 1

2 Związki zawierające grupę OH alkohole enole fenol sp 3 sp 2 alkohole nienasycone, aromatyczne sp 2 pochodne alkanów pochodne wody 2

3 terpenoidy węglowodany (-)-borneol (-)-mentol geraniol (1R,2S,5R)-(-)-2-izopropylo- -5-metylocykloheksanol glukoza cholesterol estriol kwas cholowy steroidy 3

4 Alkohole - nomenklatura Nazwę alkoholu tworzymy: przez dodanie końcówki ol do nazwy macierzystego węglowodoru używamy słowa alkohol i przymiotnika określającego rodnik, z którym połączona jest grupa OH obecność grupy OH zaznaczamy przedrostkiem hydroksy- 1-butanol 2-butanol 2-metyl-1-propanol 2-metyl-1- propanol alkohol: butylowy sec-butylowy izobutylowy tert-butylowy 2-propol-1-ol 3-cykloheksan-1-ol 1,2 etanodiol 1,2,3 propanotriol alkohol allilowy glikol etylenowy gliceryna 4

5 Wiązania wodorowe w alkoholach. Grupy OH są silnie spolaryzowane. Tlen jest bardziej elektroujemny od wodoru para elektronów tworząca wiązanie O-H jest przesunięta w stronę atomu tlenu tworzą się częściowe ładunki: dodatni przy atomie wodoru ujemny przy atomie tlenu Powstają dipole, które mogą się wzajemnie przyciągać, gdy są odpowiednio zorientowane względem siebie Najsilniejsze przyciąganie występuje, gdy ułożenie cząsteczek umożliwia zbliżenie atomu wodoru z grupy -OH do atomu tlenu, znajdującego się w drugiej cząsteczce. 5

6 Alkohole - synteza synteza z alkenów przez bezpośrednią hydratację powstanie karbokationu przez przyłączenie protonu przegrupowanie (stabilizacja karbokationu) powstanie jonu alkilooksoniowego odłączenie protonu synteza z alkenów metodą hydroksyrtęciowania 6

7 związki Grignarda Alkohole - synteza Hydroliza halogenków alkilowych Otrzymywanie alkoholi 1 o w reakcji z formaldehydem H H 3 C MgCl + C O H C H 3 H C H O-MgCl HCl -MgCl 2 C H 3 H C H OH Otrzymywanie alkoholi 2 o w reakcji z dowolnym aldehydem H H H HCl C 2 H 5 MgBr + C O C 2 H 5 C O-MgBr C 2 H 5 C OH -MgBrCl H 3 C CH 3 CH 3 7

8 Kwasowe i zasadowe właściwości alkoholi Alkohole są słabszymi kwasami niż woda tworzenie alkoholanów soli z metalami: C 2 H 5 OH + Na C 2 H 5 ONa + ½ H 2 HOH CH 3 OH CH 3 CH 2 OH (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 3 COH pk a 15,7 15,5 15,9 17,1 19,2 kwasowość wzrasta, gdy w pobliżu grupy OH znajdą się podstawniki elektroujemne przyciągają do siebie elektrony ze wszystkich położonych w pobliżu wiązań, w tym elektrony tworzące wiązanie OH pk a t-butanol = 18,0 nanofluoro-t-butanol = 5,4 wzrost kwasowości alkoholi zawierających fluorowce CH 3 CH 2 OH ClCH 2 CH 2 OH CF 3 CH 2 OH pk a 15,9 14,3 12,4 8

9 Kwasowe i zasadowe właściwości alkoholi Alkohole są zasadami przy atomie tlenu w grupie OH znajdują się wolne pary elektronów.. ROH + H + R + OH 2 kation alkilooksoniowy Alkohole (i fenole) reagują z kwasami Lewisa H R OH + ZnCl 2 R O ZnCl - 2 atom tlenu grupy OH dostarcza pary elektronów, tworzącej koordynacyjne wiązanie z cynkiem 9

10 Reakcje alkoholi wymiana jonu wodorowego na inny podstawnik atak silnego elektrofila E silny -onian produkt wiązany elektrofil podstawienia przez zasadę atak słabego elektrofila alkohol sprzężona słaby produkt zasada elektrofil podstawienia 10

11 Reakcje alkoholi wymiana grupy wodorotlenowej na inne podstawniki Reakcja przebiega przez przekształcenie grupy OH w bardziej reaktywne grupy odchodzące np. reakcja z chlorkiem kwasu sulfonowego 1. R-OH + R`SO 2 Cl R-SO 2 R` + HCl chlorek kwasu sulfonowego sulfonian alkilu 2. R-SO 2 R` + Nu - R-Nu + R`SO 3 - anion kwasu sulfonowego 11

12 Reakcje alkoholi wymiana grupy wodorotlenowej na inne podstawniki wymiana grupy OH na atomy chlorowców H + X -, S N 1 lub S N 2 + R-OH R-OH 2 R-X + H 2 O alkohole pierwszorzędowe wg mechanizmu S N 2 alkohole drugorzędowe wg mechanizmu S N 1 lub S N 2 alkohole trzeciorzędowe wg mechanizmu S N 1 12

13 Reakcje alkoholi synteza alkenów z alkoholi dehydratacja alkoholi - reakcja odwrotna do uwodnienia alkenów protonowanie alkoholu powstaje kation alkilooksoniowy: reakcja H + z wolna parą elektronów tlenu grupy OH wytwarzanie karbokationu proces powolny, odwracalny stabilizacja karbokationu poprzez oderwanie protonu (reakcja eliminacji 1,2) 13

14 Reakcje alkoholi utlenianie alkohole pierwszorzędowe utleniane są do kwasów karboksylowych alkohole drugorzędowe utleniane są do ketonów utleniacze: K 2 Cr 2 O 7, Na 2 Cr 2 O 7, CrO 3, KMnO 4, HNO 3, O 2 /kat. otrzymywanie lotnych aldehydów 14

15 Reakcje alkoholi tworzenie acetali i ketali hemiacetal Reakcja z aldehydami reakcja przebiega samorzutnie w obecności kwasów Reakcja z ketonami hemiketal +H 2 O hemiacetal acetal 15 acetale - dietery dioli geminalnych

16 Reakcje wicynalnych dioli Przegrupowanie wewnątrzcząsteczkowe (pinakolinowe) reakcja katalizowana przez silne kwasy eliminacja cząsteczki wody + przegrupowanie szkieletu węglowego produkty: ketony lub aldehydy pinakol pinakolon przekształecenia karbokationów o wyższej energii w karbokationy o energii niższej, w których dodatnio naładowany atom węgla jest połączony z tlenem pinakol - 2,3-dimetylo-2,3-butandiol pinakolon 3,3-dimetylo-2-butanon 16

17 Reaktywność alkoholi Nu - -HOH PCl 3, SOCl 2 H + :B - E + -HOH alkoholany etery -H + alkeny [O] Nu - związki karbonylowe 17

18 Fenole - nomenklatura Fenole: nazwa systematyczna: nazwa węglowodoru + końcówka ol najczęście stosujemy nazwy zwyczajowe 2-metylofenol 3-metylokrezol 4-metylokrezol o-krezol m-krezol p-krezol kwas pikrynowy 2,4,6-trinitrofenol pirokatechina rezorcyna hydrochinon benzeno-1,2-diolo benzeno-1,4-diol benzeno-1,3-diol kwas 3,4,5-trihydroksybenzoesowy kwas galusowy 2-izopropylo-5-metylofenol tymol 18

19 Fenole - nomenklatura Fenole: nazwa systematyczna: nazwa węglowodoru + końcówka ol najczęście stosujemy nazwy zwyczajowe kwas pikrynowy 2,4,6-trinitrofenol Hierarchia ważności grup funkcyjnych kwasy pochodne kwasów aldehydy ketony alkohole aminy etery fluorowcopochodne kwas 3,4,5-trihydroksybenzoesowy kwas galusowy 2-izopropylo-5-metylofenol tymol 19

20 Fenole pochodzenia naturalnego eter fenol tymol karwakrol eugenol (p-cymen-3-ol) (p-cymen-2-ol) (4-allilo-2-metoksyfenol) fenol alkohol kwas salicylowy aldehyd salicylowy alkohol salicylowy (saligenina) 20

21 Fenole L-tyrozyna adriamycyna 21

22 Kwasowe i zasadowe właściwości alkoholi i fenoli Fenole są kwasami silniejszymi niż woda fenolany mogą powstawać bezpośrednio w reakcji: C 6 H 5 OH + NaOH C 6 H 5 ONa + H 2 O Znaczna kwasowość spowodowana jest rezonansową stabilizacją anionów fenoli (delokalizacja pary elektronów) struktury rezonansowe anionu fenolanowego 22

23 Reakcje grupy OH fenoli - alkilowanie etery alkilo-arylowe 23

24 Reakcje fenoli działanie antyoksydacyjne Fenole: duża wrażliwość na utlenianie reakcje o przebiegu rodnikowym Rodniki fenoksylowe - stabilne w wyniku rezonansowej delokalizacji pojedynczego elektronu na pierścieniowych atomach węgla rodnik 2,6-tris(t-butylo)-4-(R)fenoksylowy Rodniki aryloksywe z dużymi podstawnikami w położeniach orto i para są mało reaktywne Trwałe wolne rodniki inhibitory łańcuchowych reakcji rodnikowych antyutleniacze dodawane do wyrobów spożywczych 24

25 Reakcje fenoli podstawienie elektrofilowe Grupa OH fenoli należy do podstawników o najsilniejszym działaniu aktywującym pierścień i kieruje podstawniki elektrofilowe w położenia orto i para. Aktywacja pierścienia i kierunek podstawienia elektrofilowego wynikają z rezonansowego efektu grupy OH (oddawanie elektronów od atomu tlenu do pierscienia) 25

26 Reakcje grupy OH fenoli - utlenianie kwas chinowy rozpowszechniony w przyrodzie, występuje w korze drzewa chinowego, ziarnach kawy, burakach cukrowych, czarnych jagodach i innych roślinach. 26

27 Etery Pochodne: wody dwa atomy wodoru zostały zastąpione przez reszty organiczne: alkoholi jeden atom wodoru (przy OH) zastąpiony resztą organiczną: R i R może być alkilem, arylem lub winylem. Etery zawierające atom węgla sp 2 związany z atomem tlenu są trwałe (w alkoholach grupa OH musi być połączona z węglem sp 3 ) etery: etylowo-winylowy fenylowo-metylowy difenylowy 27

28 Etery występowanie w przyrodzie biedrzeniec anyż aldehyd anyżowy właściwości wykrztuśne właściwości spazmolityczne w obrębie przewodu pokarmowego. środek zapobiegający wzdęciom i ułatwiający trawienie gwajakowiec zwyczajny gwajakol wykrztuśny antyseptyczny środek odkażający (w stomatologii) destylacja z parą wodną eugenol przeciwzapalny przeciwinfekcyjny przeciwbólowy przeciwnowotworowy grzybobójczy 28

29 Etery występowanie w przyrodzie pejotl Oddziałuje agonistycznie na receptory serotoninowe. Jeden z najdłużej znanych ludzkości psychodelików W formie ekstraktu z pejotlu była używana przez m.in. St.I. Witkiewicza i A. Huxley a bieluń dziędzierzawa meskalina skopolamina Blokuje działanie acetylocholiny w receptorze M. Działa depresyjnie na ośrodkowy układ nerwowy Powoduje uspokojenie, senność i otępienie. Wykazuje działanie przeciwwymiotne, przeciwkonwulsyjne. Substancja silnie toksyczna, przedawkowanie może skutkować majaczeniem, dezorientacją, halucynacjami, paraliżem i śmiercią mak lekarski morfina Działanie narkotyczne, przeciwbólowe, przeciwkaszlowe, Działa depresyjnie na ośrodkowy układ nerwowy Nadmierne dawki mogą prowadzić do śpiączki z depresją ośrodka oddechowego (niewydolność oddechowa) 29

30 Etery - otrzymywanie Przemysłowa metoda międzycząsteczkowa dehydratacja etanolu katalizowana stężonym kwasem siarkowym Powstają etery symetryczne z alkoholi 1 o Reakcja zachodzi wg mechanizmu S N 2: etanol etanol protonowany etanol etanol protonowany eter protonowany eter dietylowy

31 Etery - otrzymywanie Reakcja Williamsona reakcja alkilowania alkoholanów lub fenolanów za pomocą pierwszorzędowych odczynników alkilujących Reakcja zachodzi wg mechanizmu S N 2; alkoholan pełni rolę odczynnika nukleofilowego

32 Etery - reaktywność Reakcja z halogenowodorem: 32

33 Etery cykliczne epoksydy otrzymywanie Epoksydy związki cykliczne zawierające w pierścieniu atom tlenu związany z dwoma atomami węgla 33

34 Etery koronowe korony Chemia supramolekularna dział chemii organicznej zajmującej się strukturami złożonymi z wielu podjednostek, które powstają samorzutnie na skutek słabych oddziaływań międzycząsteczkowych takich jak: siły van der Waalsa, słabe wiązania wodorowe, oddziaływaniach p-p i oddziaływaniach elektrostatycznych lub poprzez wzajemne mechaniczne zaplecenie. 34

35 Etery koronowe korony Polietery cykliczne ze względu na kształt wzorów cząsteczek przypominający koronę zostały nazwane koronami. Nomenklatura eterów policyklicznych: rdzeń nazwy korona jest poprzedzona przez liczbą wszystkich atomów tworzących pierścień po myślniku podaje się liczbę atomów tlenu znajdujących się w pierścieniu 35

36 Etery koronowe korony Model czaszowy koronatu potasu kompleksu eteru 18-korona-6 z kationem potasu We wnętrzu każdej korony znajduje się wnęka o określonych rozmiarach, otoczona przez atomy tlenu zdolne do koordynowania kationów. etery koronowe w roztworach kompleksują jony litu 12C4, jony sodu 15C5 oraz jony potasu 18C6. stała trwałości kompleksów wzrasta wraz z dopasowaniem wielkości wnęki eteru koronowego do promienia jonowego kationu w makrocyklicznych kompleksach kation otoczony jest pierścieniem eteru koronowego wolne pary elektronowe, należące do atomów pierścienia eteru koronowego umieszczone są w centrum wnęki w kompleksie każdy donorowy atom tlenu położony jest w jednakowej odległości od kationu Takie uporządkowane położenie ligandów w kompleksach eterów koronowych powoduje wyższą trwałość układów niż w przypadku kompleksów z cząsteczkami liniowymi 36

37 Etery koronowe kryptaryndy Kryptandy mają zdolność do tworzenia kompleksów na skutek strukturalnego dopasowania kationu metalu do wnęki makrocyklicznego układu Na stabilność utworzonych kompleksów wpływa nie tylko rozmiar dziury w związkach makroheterocyklicznych, ale również liczba atomów donorowych i konformacyjna struktura ligandu Kryptandy, które mają optymalne rozmiary w odniesieniu do danego jonu metalu tworzą bardziej stabilne kompleksy niż odpowiednie etery koronowe Efekt makrocykliczny jest większy dla kryptandów niż dla eterów koronowych 37

38 Etery koronowe Wszystkie oddziaływania i transformacje biologiczne są wysoce selektywne. Cechą charakterystyczną tych oddziaływań jest to, że asocjaty rozpoznają się wzajemnie i ignorują innych partnerów. Asocjacja substrat receptor prowadzi do powstania tworu, który można nazwać supercząsteczką. Powstaje on w procesie dwuetapowym, zawierającym: - konstrukcję metodami syntezy organicznej receptora molekularnego zbudowanego z pomocą wiązań kowalencyjnych; - kompleksowanie jednego lub więcej substratów (jonów lub cząsteczek) poprzez oddziaływania międzycząsteczkowe. 38

39 Etery koronowe Oprócz miejsca kompleksującego, w którym wiązany jest substrat, receptor może posiadać grupy reaktywne, zdolne da katalitycznego przekształcenia związanego substratu lub grupy lipofilowe pozwalające mu na przeniknięcie do membrany i do spełnienia funkcji transportowych względem substratu. Receptory biologiczne są w większości przypadków wnękami, a nie tworami wypukłymi. Liczba centrów wiążących powinna być jak największa, zaś dostosowanie kształtu pomiędzy substratem a receptorem jak najlepsze. 39

40 Etery koronowe Wykorzystanie eterów koronowych: do poznania procesu transportu jonów oraz w opracowaniu nowych jonoforów dla potrzeb biologii i medycyny zrozumienia roli kationów w syntezie związków organicznych, a w szczególności w procesie tworzenia się układów o znaczeniu biologicznym zrozumienia procesów samoorganizacji cząsteczek w roztworach, mających fundamentalne znaczenie w syntezie organicznej oraz biochemii w syntezie kationowych i anionowych receptorów molekularnych dla potrzeb medycyny i biologii. 40

41 Jonofory Jonofory nośnikowe kompleksują kation z fazy wodnej znajdując się na granicy faz, jednak pozostając w warstwie lipidowej. Kation jest następnie transportowany przez dwuwarstwę lipidową w postaci kompleksu. Po przeciwnej stronie błony, na granicy faz zachodzi dekompleksowanie kationu, po czym cząsteczka jonoforu wraca, aby wykonać kolejny cykl. 41

42 Jonofory uwaga! walinomycyna nie jest eterem koronowym Jonofor o wysokiej selektywności wiązania kationu potasu K +, który może być transportowany w postaci kompleksu przez błony komórkowe. 42