1.9 Кислотность и основность органических соединений

Для оценки кислотности и основности органических соединений наибольшее значение имеют две теории — теория Бренстеда и теория Льюиса.

По теории Льюиса кислотные и основные свойства соединений определяются их способностью принимать или отдавать пару электронов с образованием связи.

Кислоты Льюиса — акцепторы пары электронов; основания Льюиса — доноры пары электронов. Кислотами Льюиса могут быть атом, молекула или катион, обладающие вакантной орбиталью и способные принимать пару электронов с образованием ковалентной связи.

Основания Льюиса (атом, молекула или анион) должны обладать по крайней мере одной парой валентных электронов, которую они способны предоставить партнеру для образования ковалентной связи.

По теории Бренстеда (протолитической теории) кислотность и основность соединений связывается с переносом протона Н⁺. Кислота и основание образуют сопряженную кислотно-основную пару, в которой чем сильнее кислота, тем слабее сопряженное ей основание, и напротив, чем сильнее основание, тем слабее сопряженная ему кислота.

Кислоты Бренстеда (протонные кислоты) — нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон (доноры протонов).

Основания Бренстеда — нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протонов).

Кислотность и основность являются не абсолютными, а относительными свойствами соединений: кислотные свойства обнаруживаются лишь в присутствии основания; основные свойства — только в присутствии кислоты. В качестве растворителя при изучении кислотно-основных равновесий обычно используется вода.

В зависимости от природы элемента, с которым связан протон, различают ОН- кислоты (карбоновые кислоты, фенолы, спирты), SH-кислоты (тиолы), NН-кислоты (амины, амиды, имиды), СН-кислоты (углеводороды и их производные). Элемент и связанный с ним атом водорода называют кислотным центром. Во всех случаях присутствует сдвиг электронной плотности от атома водорода к более электроотрицательному атому, протону более или менее легко отщепиться. Чем выше электроотрицательность элемента, с которым связан протон, тем больше кислотность соединения (так, карбоновые кислоты являются более сильными кислотами, чем тиолы или амины).

Наличие в молекуле электроноакцепторных групп, обладающих отрицательными электронными эффектами, увеличивает положительный заряд на протоне, что приводит к усилению кислотных свойств.

Для образования ковалентной связи с протоном основания Бренстеда должны предоставлять либо неподелениую пару электронов, либо электроны -связи. В соответствии с этим основания Бренстеда делятся на р-основания и -основания.

р-Основания могут быть нейтральными или отрицательно за­ряженными. Как правило, анионы обладают более сильно выраженным основным характером, чем нейтральные вещества. То есть амид-ион NН₂^– или гидроксид-ион НО^– по основности превосходят аммиак NН₃ и воду Н₂О.

В -основаниях, к которым относятся алкены, алкадиены, арены, центром основности, т.е. местом присоединения протона, являются электроны -связи. Это очень слабые основания, так как протонируемые электронные пары несвободны, участвуют в образовании сопряжённой -электронной системы. Наличие электронодонорных заместителей увеличивает основность органических соединений.

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

Типовые задачи и их решение

Задача I. Промежуточными соединениями в цикле трикарбоновых кислот являются фумаровая и цис-аконитовая кислоты. Назовите эти соединения по международной номенклатуре.

Н ООС Н НООС СООН

С = С С = С

Н СООН Н СН₂ – СООН

фумаровая кислота цис-аконитовая кислота

Решение. Углеродный скелет молекулы фумаровой кислоты представлен цепью из четырех атомов углерода. С учетом ненасыщенности цепи родоначальная структура (главная цепь) получит название бутен (фактически – 2-бутен). Однако в данном случае указывать положение двойной связи не следует, так как характеристическая группа СООН всегда занимает концевое положение в цепи и для 1-бутена структура соответствующей дикарбоновой кислоты немыслима. Карбоксильная группа, если ее атом углерода является частью родоначальной структуры, обозначается суффиксом -овая кислота. Наличие двух одинаковых групп отражается умножающей приставкой ди- непосредственно перед суффиксом. Так как функциональные группы находятся в транс-положении (по разные стороны от условной линии, соединяющей два sр²-гибридных атома углерода), систематическое название данного соединения: транс- бутендиовая кислота.

В молекуле аконитовой кислоты невозможно выбрать углеродную цепь, в которую входили бы атомы углерода всех карбоксильных групп. Поэтому в качестве родоначальной структуры выбирается более короткий участок цепи — пропен, в котором три атома углерода замещены карбоксильными группами. В этом случае группы СООН обозначаются сочетанием -карбоновая кислота с умножающей приставкой три-, и их положение необходимо указывать. Следовательно, название аконитовой кислоты по заместительной номенклатуре — пропен-1,2,3-трикарбоновая кислота.

Задача II. В синтезе противотуберкулёзного лекарственного средства фтивазида используется ванилин: 4-гидрокси-3- метоксибензальдегид. Приведите структурную формулу этого соединения.

Решение. Из названия понятно, что родоначальной структурой соединения является бензольное кольцо. Старшей функциональной группой из трёх перечисленных является альдегидная, значит, атом бензольного кольца, связанный с альдегидной группой, будет считаться первым. Заместителем у третьего атома будет метокси группа –ОСН₃, у четвёртого – гидроксигруппа.

Таким образом, структура ванилина:

О Ванилин обладает характерным запахом. Но

СН₃О ^{3 1}С его изомеры не соответствуют по форме

Н рецепторам человека и нам кажется, что они

НО ^{4 6} не имеют запаха.

Задача III. Все вещества назовите. В каком соединении атом углерода находится в состоянии sр-гибридизации? Назовите его.

а ) СН₃-СН₂-СН₂СН₃, б) СН₃-С-СН₃, в) СНС-СН₂СН₃, г) СН₃-С-СН₃.

О СН₃

Приведите структурную формулу и название его изомера. Приведите структурную формулу и название его гомолога. Есть ли среди приведённых соединений изомеры? Если есть, назовите их.

Решение. Атом углерода находится в состоянии sр- гибридизации, если две его негибридизованные р-орбитали принимают участие в образовании двух -связей. Это может быть либо алкин, либо диен с кумулированными двойными связями, либо нитрил кислоты, содержащий группу –СN. Нитрилов кислот и диенов среди перечисленных соединений нет, а соединение в) относится к классу алкинов: СНССН₂СН₃. Углеродную цепь нумеруем с того конца, к которому ближе тройная связь, всего атомов углерода — четыре, кратная связь находится между первым и вторым атомами, следовательно, это 1-бутин. Изомерия углеродного скелета в данном случае невозможна, изомером будет 2- бутин СН₃СССН₃ (по положению кратной связи) или 1,3- бутадиен СН₂=СН-СН=СН₂ (межклассовая изомерия).

Гомолог — член того же гомологического ряда, отличающийся числом групп –СН₂–. Получим: СНССН₂СН₂СН₃ 1-пентин или СНССН₃ пропин.

Среди приведённых соединений есть 2 изомера по строению углеродного скелета: а) бутан и г) метилпропан. Оба соединения имеют одинаковый состав (4 атома С и 10 атомов Н), но различное строение и различные свойства (так, температура кипения бутана +0,6 С, а метилпропана – 11,8 С.)

Задача IV. В процессе метаболизма углеводов происходит стереоспецифическое окисление L-молочной кислоты в пировиноградную. Изобразите оба соединения. Является ли пировиноградная кислота хиральной или прохиральной молекулой?

Решение. Хиральными (оптически активными) являются молекулы, несовместимые со своим зеркальным изображением. Причиной оптической активности у органических соединений является наличие асимметрического атома углерода (связанного с четырьмя разными заместителями). У молочной (2-гидроксипропановой) кислоты это второй атом углерода. У пировиноградной (2-оксопропановой) кислоты асимметрический атом углерода отсутствует, т.к. первый и второй атомы углерода связаны только с тремя заместителями, а третий имеет три одинаковых заместителя (атомы водорода). Но при восстановлении пировиноградная кислота превращается в молочную и второй атом углерода станет асимметрическим, следовательно её можно считать прохиральным соединением. В проекции Фишера для L-изомеров старший заместитель у асимметрического атома углерода изображается слева, для D-изомеров – справа.

СООН СН₃ – С – СООН

НО Н О

СН₃ пировиноградная кислота

L-молочная кислота

Задача V. Н азовите приведённые ниже соединения. Какие из них являются ароматическими, а какие – нет и почему?

а) –СН=СН₂ б) –СН=СН₂ в)

Решение. Соединение а) имеет тривиальное название стирол, по систематической номенклатуре оно будет называться винилбензол, т.к. с бензольным кольцом связан радикал винил. В соединении б) винильный радикал связан с кольцом циклогексана, следовательно, это винилциклогексан. Соединение в) – пятичленный гетероцикл фуран.

Ароматическими называются плоские циклические системы, в состав которых входит система сопряжённых двойных связей, число - электронов в которой соответствует правилу Хюккеля: 4п + 2. Бензол — плоский цикл с шестью - электронами (п = 1). Но в молекуле стирола с бензольным кольцом сопряжена еще одна двойная связь. В данном случае четвёртая двойная связь не входит в цикл, следовательно в соединении присутствует ароматический фрагмент (бензольное кольцо) и двойная связь в боковой цепи. Ароматическая система преимущественно вступает в реакции электрофильного замещения, а двойная связь — в реакции присоединения. В соединении б) цикл с сопряженными кратными связями отсутствует, соединение не ароматическое.

В соединении в) есть циклическая система с двумя сопряжёнными двойными связями (4 - электрона), что, казалось бы, не соответствует правилу Хюккеля. Но одна из негибридизованных р- орбиталей атома кислорода располагается параллельно орбиталям - связей и вступает в сопряжение (р-- сопряжение), т.е. фуран является ароматической системой.

Задача VI. Сорбиновая кислота СН₃–СН=СН–СН=СН–СООН, впервые выделенная из сока рябины (от лат. sorbus — рябина), является антисептическим веществом. Сравните распределение электронной плотности в диеновом фрагменте сорбиновой кислоты с распределением электронной плотности в 1,3-бутадиене. Какие электронные эффекты проявляют метильная и карбоксильная группы в этом соединении?

Решение. Влияние заместителей на распределение электронной плотности в молекуле оценивается как результат совместного действия индуктивного и мезомерного эффектов. Молекулу сорбиновой кислоты можно рассматривать как 1,3-бутадиен, в который в положения 1 и 4 «введены» два заместителя — метильная и карбоксильная группы.

Разность в электроотрицательности атомов углерода в состояниях sp²- и sp³-гибридизации невелика, поэтому СН₃-группа проявляет небольшой +I-эффект и оказывает слабое электронодонорное влияние на диеновый фрагмент молекулы.

Карбоксильная группа, содержащая два сильно электроотрицательных атома кислорода, обладает существенным –I-эффектом. Одновременно за счет -связи карбоксильная группа находится в ,-сопряжении с диеновой системой, проявляя значительный –M-эффект. В результате одинакового направления действия обоих эффектов карбоксильной группы электронная плотность как -связей, так и -сопряженной системы смещается в сторону карбоксильной группы. Карбоксильная группа играет основную роль в уменьшении электронной плотности в диеновом фрагменте молекулы сорбиновой кислоты по сравнению с 1,3-бутадиеном. Это приводит к изменению химического поведения диенового фрагмента: уменьшается его реакционная способность в тех реакциях, которые начинаются с атаки электрофильными частицами, например реакциях окисления и электрофильного присоединения.

Задача VII. Какая кислота в каждом случае более сильная и почему: а) муравьиная, уксусная; и триметилуксусная; б) бутановая, - хлорбутановая и -хлорбутановая

Решение. По Брёнстеду кислоты — нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон. Протон отщепляется тем легче, чем больший частичный положительный заряд локализуется на нём. Увеличению этого заряда способствует наличие в молекуле электроноакцепторных (ЭА) заместителей. Кроме того, ЭА заместители способствуют делокализации отрицательного заряда, стабилизируют анионы и тем самым увеличивают кислотность. Электронодонорные (ЭД) заместители, напротив, её понижают.

В молекуле муравьиной кислоты НСООН нет ни ЭД, ни ЭА заместителей, в уксусной кислоте СН₃СООН с карбоксильной группой связана ЭД метильная группа, в триметилуксусной кислоте (СН₃)₃ССООН ещё больше донорных групп. Следовательно, самой сильной кислотой в этом случае будет муравьиная, а самой слабой — триметилуксусная.

В молекулах изомерных хлорбутановых кислот присутствует ЭА заместитель — атом хлора, отрицательный индуктивный эффект которого способствует увеличению их кислотности по сравнению с бутановой кислотой (её кислотность будет наименьшей). Но индуктивный эффект по цепи затухает, а значит, его действие в большей степени сказывается в молекуле -хлорбутановой кислоты и её кислотность будет в этом случае самой высокой.

Задача VIII. В медицинской практике новокаинамид применяется в виде гидрохлорида. Определите центр протонирования в молекуле.

Решение. Способностью присоединять протон обладают соединения, проявляющие основные свойства. В молекуле новокаинамида можно выделить один -основный (бензольное кольцо) и несколько р- основных (атомы азота и кислорода) центров.

H ₂N – – CO – NH – CH₂ – CH₂ – N(C₂H₅)₂

Четыре основных центра входят в состав сопряжённого фрагмента молекулы (выделен рамкой).

-основный центр является более слабым по сравнению с р- основными центрами. Из имеющихся в молекуле новокаинамида р -основных центров наименьшей основностью должен был бы обладать атом кислорода карбонильной группы вследствие большей электроотрицательности по сравнению с атомом азота. Сила основности зависит не только от природы гетероатома, несущего неподеленную пару электронов, но и определяется взаимным влиянием заместителей. Так, за счет р,- сопряжения атома азота с карбонильной группой происходит перераспределение электронной плотности в амидном фрагменте и атом кислорода карбонильной группы становится относительно более сильным основным центром, чем сопряженный с ним атом азота.

Аминогруппа в пара-положении бензольного кольца также сопряжена с карбонильной группой. Этот фрагмент можно рассматривать как анилин, имеющий в пара-положении амидную группу –CONH–. Акцепторная амидогруппа понижает основность атома азота в анилиновой структуре.

Атом азота в алифатическом фрагменте –CH₂N(C₂H₅)₂ молекулы новокаинамида имеет не участвующую в сопряжении неподеленную пару электронов, которая обусловливает довольно сильные основные свойства. Основность этой замещенной аминогруппы благодаря электронодонорному влиянию алкильных групп сравнима с основностью третичных алифатических аминов. Поэтому можно прогнозировать, что в молекуле новокаинамида протонирование будет происходить по более основному третичному атому азота:

[H₂N – – CO – NH – CH₂ – CH₂ – ⁺NH (C₂H₅)₂] Cl^–

Задачи для самостоятельного решения:

1.1. Аминалон – вещество, принимающее участие в обменных процессах головного мозга, имеет строение: Н₂N–CH₂–CH₂–CН₂–СOOH. Укажите название его по систематической номенклатуре: а) 1-аминобутановая кислота, б) 4- аминопентановая кислота, в) 4-аминобутановая кислота, г) 3-карбокси- 1-пропиламин.

1.2. В состав кетонных тел входит ацетондикарбоновая кислота, имеющая строение HОOC–CH₂–СО–CH₂–COOH. Укажите её название по систематической номенклатуре: а) пентандиовая кислота, б) 2-оксопропандиовая кислота, в) 3-оксопентандиовая кислота, г) дикарбоксиацетон.

1.3. Продукт расщепления гликогена в мышцах — молочная кислота: CH₃–CH(ОН)–COOH. Укажите её название по систематической номенклатуре: а) оксопропановая кислота, б) 1-гидроксипропановая кислота, в) 2- гидроксипропановая кислота, г) 2-метил-2-гидроксиэтановая кислота.

1.4. Промежуточный продукт углеродного обмена — пировиноградная кислота — 2-оксопропановая кислота. Укажите формулу этой кислоты:

1.5. Сок лука содержит 1-пропантиол. Укажите его формулу:

a) CН₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–SH, б) CH₃–CH₂–S–СН₃,

в) СН₃–СН(SН)–СН₃, г) CH₃–CH₂–CH₂–SН.

1.6. Напишите формулы соединений: а) пропан; б) метилпропан; в) пропанон, г) диметилпропан, д) пропаналь. Укажите соединение, в котором имеется третичный атом углерода. Есть ли среди приведённых соединений гомологи? А изомеры?

1.7. Напишите пары веществ:

а) 1-пропанол и 2-пропанол; б) пропаналь и пропанон;

в) 1-пропанол и 1- бутанол; г) 1-бутанол и 2-метил-1-пропанол.

Какая из этих пар соединений предсталяет собой:

1) гомологи; 2) изомеры по строению углеродного скелета;

3) изомеры по положению функциональной группы;

4) изомеры по функциональной группе?

1.8. Назовите все соединения, выберите из них оптически активные:

а) СН₃-СН(ОН)-СН₂-СН₃, б) СН₃-СН(Br)-СН₃, в) СН₃-СН₂-СН₂ОН

г) НООС-СН(ОН)-СООН, д) НООС-СН(ОН)-СН₂-СООН.

1.9. Выберите оптически активные соединения, представьте их в виде энантиомеров: а) 1-бутанол, б) 2-бутанол, в) аланин, г) аминоуксусная кислота, д) лимонная кислота, е) хлорбензол.

1.10. -Аминокислоты, относящиеся к разным стереохимическим рядам, различаются по вкусу. Так, D-глутаминовая (2-аминопентандиовая) кислота безвкусна, а её энантиомер имеет вкус мяса. Изобразите структурные формулы этих соединений.

1.11. Напишите формулы следующих соединений: а) нафталин; б) толуол; в) циклогексен; г) пиррол; д) циклопентадиен. Какие из них являются ароматическими, а какие – нет и почему?

1.12. Назовите приведённые ниже соединения. В каких из них присутствуют сопряжённые кратные связи?

а) СН₃–СН₂–СН=СН–СООН, б) СН₂=СН–СН=СН–СН₃,

в) СН₃–СН₂–СН=СН–СН₂ОН, г) СН₂=СН–СН₂–СН=СН–СН₃.

1.13. Напишите формулы следующих соединений:

а) 1-бутанол; б) 4-нитрофенол; в) 1,2-пропандиол; г) -нафтол.

Выберите соединения, в котором гидроксильная группа является электронодонорным заместителем.

1.14. Какие электронные эффекты (+М, -М, +I, -I) проявляет гидроксильная группа в следующих соединениях:

а )НОСН₂СН₂СООН, б) ОН– –NН₂, в) ОНСН₂ – –NН₂,

г) НО–СН=СН–СООН, д) НО–СН₂–СН=СН–СООН.

1.15. Какие электронные эффекты (+М, –М, +I, –I) проявляет аминогруппа в следующих соединениях: а) 3-аминопропановая кислота; б) 2- аминофенол; в) 3-аминопропеновая кислота; г) бензиламин (фенилметиламин).

1.16. Какая из кислот обладает самыми сильными кислотными свойствами: а) уксусная; б) трихлоруксусная; в) хлоруксусная; г) стеариновая? Ответ поясните.

1.17. Алифатические амины проявляют основные свойства. Сравните основные свойства метиламина, диметиламина, триметиламина и анилина..

1.18. Как средство, повышающее артериальное давление, норадреналин применяется в виде соли винной кислоты (гидротартрата). Определите место протонирования в молекуле.