Кислотно-основные свойства органических соединений. Реакции окисления

В пределах одного и того же периода  таблицы Менделеева, чем больше электроотрицательность элемента основного центра, тем прочнее он удерживает неподеленную пару электронов, и тем менее она доступна для протона. Поэтому, если сравнивать основность  
соединений с одинаковыми радикалами, то оксониевое основание будет слабее аммониевого.

В тиониевых основаниях, например,СН₃ – S – СН₃ электронная плотность атома серы рассредоточена в большем объеме (поляризуемость атома серы больше, чем кислорода),  
и плотность заряда значительно меньше. Поэтому тиониевые основания слабее оксониевых  
и не способны образовывать прочные связи с протоном. В целом, сила n-оснований с одинаковыми радикалами уменьшается в ряду: N > O > S. Наибольшую основность среди органических соединений проявляют амины.

Электронодонорные заместители повышают основные свойства, так как увеличивают электронную плотность на атоме основного центра, а электроноакцепторные заместители понижают электронную плотность и выраженность основных свойств. Обсудим влияние этих заместителей на примере новокаина — сложного эфира n-аминобензойной кислоты и диэтиламиноэтанола, который применяется в хирургической практике для местной анестезии. Новокаин плохо растворим в воде, лучше растворимы его соли, например, новокаина гидрохлорид:

В новокаине два наиболее выраженных основных центра: 1) атом азота, связанный  
с бензольным ядром, 2) атом азота, связанный с алифатическими радикалами. Неподеленная пара электронов атома азота в первом основном центре вступает в р,p-сопряжение с p-систе-мой ароматического кольца, что приводит к уменьшению основных свойств. Алкильные радикалы, являясь электронодонорами, увеличивают электронную плотность на атоме азота второго основного центра и его основные свойства. Протон от кислоты присоединяется ко второму центру.

Во вторичных и третичных  алифатических аминах с атомом азота связаны, соответственно, два и три алифатических радикала, обладающих электронодонорными свойствами. Поэтому можно было бы ожидать, что основность увеличивается в ряду: NH₃ < первичный < вторичный < третичный амин.

Есть, однако, еще один важный фактор, от которого зависит основность — сольватация алкиламмониевого иона молекулами воды:

 

   

 

Способность к образованию водородных связей с молекулами воды растет в  ряду: третичный амин < вторичный амин < первичный амин < NH₃.

Комбинация этих двух факторов приводит к следующему ряду основности аминов:

NH₃ < третичный < первичный < вторичный амин.

 

КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

 

Наиболее важное в биологическом плане значение имеют азотсодержащие пяти-  
и шестичленные гетероциклы, как природного, так и синтетического происхождения.  
Они являются компонентами ряда важных биологически активных соединений — некоторых природных аминокислот (гистидина, триптофана, пролина, гидроксипролина), биогенных аминов (гистамина, серотонина), витаминов, азотистых оснований пиримидинового и пуринового рядов, нуклеотидов, нуклеиновых кислот, гемоглобина, хлорофилла, алкалоидов  
и ряда лекарственных препаратов.

Кислотно-основные свойства этих гетероциклов зависят от электронного строения атома азота, характера распределения электронной плотности в гетероцикле (наличия или отсутствия ароматической сопряженной системы с участием электронов атомов азота), способности ионизироваться и сольватироваться.

Кислотность пятичленных  гетероциклов с гетероатомами азота. К ним относятся пиррол, имидазол и пирролидин.

 

Пирролидин является продуктом  полного гидрирования пиррола. Все  эти соединения относятся к NH-кислотам. Для сравнительной оценки кислотности этих соединений необходимо сопоставить стабильность образуемых ими сопряженных оснований (анионов).

 

 

Анион, образующийся после отщепления протона от имидазола, стабилизируется  
путем делокализации заряда по всей молекуле, благодаря системе сопряжения, но, главным образом, на атоме N₃, как это показано резонансными (предельными) структурами (II) и (III). Вклад других резонансных структур с зарядами на атомах углерода менее значим, так как именно более электроотрицательному атому азота выгоднее удерживать заряд (пару электронов). Электронная плотность как бы поделена между обоими атомами азота.

В анионе (I), образующемся из пиррола, меньше возможностей для делокализации заряда и поэтому, на основании меньшей стабильности аниона (I), можно сделать вывод о том, что пиррол является более слабой кислотой, чем имидазол.

NH-кислоты являются, как правило,  очень слабыми кислотами. Так константа кислотности (рКа) для имидазола равна ~14, а для пиррола ~16,5, т. е. имидазол обладает несколько более кислыми свойствами, чем метанол, а пиррол даже слабее метанола как кислота.  
Поэтому оба эти гетероцикла образуют соли только при взаимодействии со щелочными  
металлами или очень сильными основаниями — с гидроксидами щелочных металлов при высокой температуре, например:

Из обсуждаемых соединений пирролидин обладает наименьшей кислотностью, так  как анион (IV) наименее стабилен в сравнении с упомянутыми выше анионами. Это связано  
с крайне низкой степенью делокализации заряда на алифатической (насыщенной, sp³-гибри-дизация) части аниона.

Основность азотсодержащих пятичленных гетероциклов. Основность гетероциклических азотсодержащих соединений обусловлена наличием неподеленной пары электронов на атоме азота, способной принимать протон.

Пирролидин, насыщенный гетероцикл, не являющийся ароматическим соединением,  
в принципе является вторичным алифатическим амином. Благодаря наличию неподеленной пары электронов на sp³-гибридной орбитали атома азота он легко присоединяет протон, проявляя большую собственную основность, чем пиррол и имидазол, в которых атомы азота  
находятся в sp²-гибридном состоянии. Кроме того, на стабильность пирролидиний-катиона в водном растворе существенное влияние оказывает сольватационный эффект:

В имидазоле лишь пиридиновый (N₃) атом азота способен протонироваться, так как содержит неподеленную пару электронов на sp²-гибридной орбитали, не участвующей в образовании ароматического секстета. Образующийся при взаимодействии с кислотами имидазолиевый ион сохраняет ароматические свойства:

Вследствие того, что имидазол проявляет  амфотерные свойства (по NH — кислота, по N₃ — основание), его молекулы могут взаимодействовать друг с другом за счет межмолекулярных водородных связей, образуя ассоциаты.

В пирроле неподеленная пара электронов атома азота, находящаяся на р-орбитали, делокализована, т. е. принимает участие в образовании ароматической сопряженной системы, и потому протонирование атома азота в пирроле затруднено. Пиррол является очень слабым основанием (рК_ВН⁺ — 3,8), более слабым даже, чем спирты. В то же время в молекуле пиррола за счет сопряжения повышена электронная плотность на атомах углерода (особенно в a-положениях), что делает их восприимчивыми к атаке протоном:

Одна из предельных структур образовавшегося s-комплекса, например, катион (V), атакуя вторую молекулу пиррола в качестве электрофила, приводит к образованию нового катиона (VI) и в конечном итоге получается полимер пиррола — смола, не имеющая практического применения:

Таким образом, пиррол в присутствии сильных кислот теряет ароматичность и вступает в реакции присоединения (полимеризации). Это свойство пиррола называется ацидофобностью; оно еще более ярко выражено у фурана, но не присуще тиофену.

Подводя итог вышесказанному, очевидно, что кислотные свойства рассматриваемых соединений уменьшаются в ряду: имидазол > пиррол >пирролидин, а основные — повышаются в ряду: пиррол < имидазол < пирролидин. Имидазол и пиррол образуют соли с сильными основаниями, а пирролидин и имидазол — с кислотами. Имидазол является, таким образом, амфотерным соединением.

Основность шестичленных гетероциклических соединений с одним и двумя гетероатомами. К ним относятся пиридин, пиперидин (продукт полного гидрирования пиридина) и пиримидин:

   

В ароматических гетероциклах (пиридине и пиримидине) атомы азота находятся  
в sp²-гибридизованном состоянии (неподеленная пара электронов находится на sp²-гибрид-ной орбитали и не участвует в сопряжении), а в пиперидине — в sp³-гибридизованном  
состоянии, как и в случае с пирролидином. Вследствие этого более ярко выраженная основность проявляется у соединения с sp³-гибридизированным атомом азота по сравнению  
с sp²-гибридизированным, т. е. пиперидин более сильное основание, чем пиридин.

В водной среде основность в основном определяется эффектом сольватации  протонированных гетероциклов. Из сравнения сольватации катионов пиридиния (I) и пиперидиния (II) очевидно, что первый из них гидратирован в меньшей степени (одной молекулой воды), чем второй (двумя молекулами воды):

 

Константы основности, определенные в воде, подтверждают значительно  большую основность пиперидина (рК_ВН⁺ 11,12) по сравнению с пиридином (рК_ВН⁺ 5,17). По выраженности основных свойств пиперидин мало чем отличается от вторичного алифатического амина — диэтиламина, имеющего рК_ВН⁺ 11,09.

Пиридин, хотя и является относительно слабым основанием, однако с сильными  
минеральными кислотами, образует соли:

Пиримидин — шестичленный гетероцикл с двумя гетероатомами азота, является еще более слабым основанием, чем пиридин. Это обусловлено  взаимным оттягиванием электронной плотности атомами азота, как более электроотрицательными по сравнению с атомами углерода.

Протонирование пиримидина можно  осуществить лишь очень сильными кислотами, причем соль образуется лишь по одному атому азота:

Следовательно, основные свойства шестичленных азотосодержащих гетероциклов убывают в ряду: пиперидин > пиридин > пиримидин.

 

АМФОТЕРНЫЕ СВОЙСТВА СПИРТОВ

 

Наличие полярной связи между кислородом и водородом в группе -ОН обуславливает  кислотные свойства спиртов, а неподеленные пары электронов на атоме кислорода — основные свойства.

Кислотные свойства убывают в ряду:

первичный спирт > вторичный спирт > третичный спирт.

Основные свойства в этом ряду, наоборот, возрастают, что обусловлено  электронодонорными алифатическими радикалами.

Многоатомные спирты являются более сильными кислотами, чем одноатомные, что обусловлено -I эффектом групп ОН, стабилизирующими анион:

Благодаря более выраженным кислотным свойствам многоатомные спирты реагируют с Сu (OH)₂, образуя растворимые комплексные соединения — хелаты.

Наличие слабых кислотных и основных центров в одной и той же молекуле приводит к образованию водородных связей. В растворе спиртов молекулы связаны друг с другом межмолекулярными водородными связями.

Энергия водородной связи небольшая, примерно 10–30 кДж/моль, но обычно их образуется много и действует кооперативный эффект. Образование водородных связей в спиртах приводит к повышению температуры кипения по сравнению с углеводородами.

Водородные связи играют важную роль в стабилизации пространственной структуры белков, двойной спирали ДНК.