1

Chemia organiczna

Alkohole Fenole

Zakład Chemii Medycznej

Pomorski Uniwersytet Medyczny

2

Związki zawierające grupę –OH

alkohole enole fenol

sp3 sp2

„alkohole nienasycone, aromatyczne” sp2

pochodne alkanów pochodne wody

3

(-)-borneol (-)-mentol geraniol (1R,2S,5R)-(-)-2-izopropylo-

-5-metylocykloheksanol

glukoza

cholesterol estriol kwas cholowy

terpenoidy węglowodany

steroidy

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

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.

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

7

Alkohole - synteza

Hydroliza halogenków alkilowych

CH3

MgCl C O

H

H

CH3

C

H

O-MgCl

H

CH3

C

H

OH

H

+HCl

-MgCl2

C2H

5MgBr C O

H

CH3

C2H

5C

H

O-MgBr

CH3

C2H

5C

H

OH

CH3

+HCl

-MgBrCl

Otrzymywanie alkoholi 1o w reakcji z formaldehydem

Otrzymywanie alkoholi 2o w reakcji z dowolnym aldehydem

zw

iązki

Grig

nard

a

8

Kwasowe i zasadowe właściwości alkoholi Alkohole są słabszymi kwasami niż woda

tworzenie alkoholanów – soli z metalami:

C2H5OH + Na C2H5ONa + ½ H2

HOH CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH

pKa 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

wzrost kwasowości alkoholi zawierających fluorowce CH3CH2OH ClCH2CH2OH CF3CH2OH

pKa 15,9 14,3 12,4

pKa t-butanol = 18,0 nanofluoro-t-butanol = 5,4

9

Kwasowe i zasadowe właściwości alkoholi

Alkohole są zasadami – przy atomie tlenu w grupie –OH znajdują się wolne pary

elektronów

ROH + H+ R–+OH2 kation alkilooksoniowy

Alkohole (i fenole) reagują z kwasami Lewisa H R–OH + ZnCl2 R–O ZnCl2

- atom tlenu grupy –OH dostarcza pary elektronów, tworzącej

koordynacyjne wiązanie z cynkiem

..

10

Reakcje alkoholi – wymiana jonu wodorowego na inny podstawnik

atak silnego elektrofila

atak słabego elektrofila

silny -onian produkt wiązany elektrofil podstawienia przez zasadę

alkohol sprzężona słaby produkt zasada elektrofil podstawienia

E

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`SO2Cl R-SO2R` + HCl chlorek kwasu sulfonian

sulfonowego alkilu

2. R-SO2R` + Nu- R-Nu + R`SO3-

anion kwasu

sulfonowego

12

Reakcje alkoholi – wymiana grupy wodorotlenowej na inne podstawniki

wymiana grupy –OH na atomy chlorowców

H+ X-, SN1 lub SN2

R-OH R-OH2 R-X + H2O

+

alkohole pierwszorzędowe wg mechanizmu SN2 alkohole drugorzędowe wg mechanizmu SN1 lub SN2 alkohole trzeciorzędowe wg mechanizmu SN1

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)

14

Reakcje alkoholi – utlenianie

alkohole drugorzędowe utleniane są do ketonów

alkohole pierwszorzędowe utleniane są do kwasów karboksylowych

utleniacze: K2Cr2O7, Na2Cr2O7, CrO3, KMnO4, HNO3, O2/kat.

otrzymywanie lotnych aldehydów

15

Reakcje alkoholi – tworzenie acetali i ketali

Reakcja z aldehydami reakcja przebiega samorzutnie w obecności kwasów

Reakcja z ketonami

hemiacetal

hemiketal

acetal hemiacetal

+H2O

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

przekształecenia karbokationów o wyższej energii

pinakol - 2,3-dimetylo-2,3-butandiol pinakolon – 3,3-dimetylo-2-butanon

pinakol pinakolon

w karbokationy o energii niższej, w których dodatnio naładowany atom węgla jest połączony z tlenem

17

Reaktywność alkoholi

alkoholany etery

związki karbonylowe

alkeny

-HOH

Nu-

Nu- -HOH PCl3,

SOCl2

H+ :B- E+

[O] -H+

18

Fenole - nomenklatura

o-krezol m-krezol p-krezol

pirokatechina rezorcyna hydrochinon

Fenole: nazwa systematyczna: nazwa węglowodoru + końcówka –ol najczęście stosujemy nazwy zwyczajowe

2-metylofenol 3-metylokrezol 4-metylokrezol

benzeno-1,2-diolo benzeno-1,4-diol benzeno-1,3-diol

kwas 3,4,5-trihydroksybenzoesowy

kwas galusowy

kwas pikrynowy 2,4,6-trinitrofenol

2-izopropylo-5-metylofenol tymol

19

Fenole - nomenklatura Fenole: nazwa systematyczna: nazwa węglowodoru + końcówka –ol najczęście stosujemy nazwy zwyczajowe

kwas 3,4,5-trihydroksybenzoesowy

kwas galusowy

kwas pikrynowy 2,4,6-trinitrofenol

2-izopropylo-5-metylofenol tymol

Hierarchia ważności grup funkcyjnych kwasy pochodne kwasów aldehydy ketony alkohole aminy etery fluorowcopochodne

20

Fenole pochodzenia naturalnego

kwas salicylowy aldehyd salicylowy alkohol salicylowy (saligenina)

tymol karwakrol eugenol (p-cymen-3-ol) (p-cymen-2-ol) (4-allilo-2-metoksyfenol)

eter fenol

fenol alkohol

21

Fenole

L-tyrozyna adriamycyna

22

Kwasowe i zasadowe właściwości alkoholi i fenoli

Fenole są kwasami

silniejszymi niż woda

fenolany mogą powstawać

bezpośrednio w reakcji:

C6H5OH + NaOH C6H5ONa + H2O

Znaczna kwasowość spowodowana jest rezonansową stabilizacją anionów fenoli

(delokalizacja pary elektronów)

struktury rezonansowe anionu fenolanowego

23

Reakcje grupy –OH fenoli - alkilowanie

etery alkilo-arylowe

24

Reakcje fenoli – działanie antyoksydacyjne

rodnik 2,6-tris(t-butylo)-4-(R)fenoksylowy

Fenole: duża wrażliwość na utlenianie reakcje o przebiegu rodnikowym Rodniki fenoksylowe - stabilne w wyniku rezonansowej delokalizacji pojedynczego elektronu na pierścieniowych atomach węgla 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

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)

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.

Etery

27

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 sp2 związany z atomem tlenu są trwałe

(w alkoholach grupa OH musi być połączona z węglem sp3)

etery: etylowo-winylowy fenylowo-metylowy difenylowy

Etery – występowanie w przyrodzie

28

eugenol

aldehyd anyżowy

właściwości wykrztuśne właściwości spazmolityczne w obrębie przewodu pokarmowego. środek zapobiegający wzdęciom i ułatwiający trawienie

gwajakol

destylacja z parą wodną

przeciwzapalny przeciwinfekcyjny przeciwbólowy przeciwnowotworowy grzybobójczy

gwajakowiec zwyczajny

wykrztuśny antyseptyczny środek odkażający (w stomatologii)

biedrzeniec anyż

Etery – występowanie w przyrodzie

29

morfina

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 skopolamina

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

meskalina

Działanie narkotyczne, przeciwbólowe, przeciwkaszlowe, Działa depresyjnie na ośrodkowy układ nerwowy Nadmierne dawki mogą prowadzić do śpiączki z depresją ośrodka oddechowego (niewydolność oddechowa)

pejotl

bieluń dziędzierzawa

mak lekarski

Etery - otrzymywanie

Przemysłowa metoda – międzycząsteczkowa dehydratacja etanolu katalizowana stężonym kwasem siarkowym Powstają etery symetryczne z alkoholi 1o Reakcja zachodzi wg mechanizmu SN2:

etanol etanol protonowany

etanol etanol

protonowany

eter dietylowy eter protonowany

Etery - otrzymywanie

Reakcja Williamsona – reakcja alkilowania alkoholanów lub fenolanów za pomocą pierwszorzędowych odczynników alkilujących

Reakcja zachodzi wg mechanizmu SN2; alkoholan pełni rolę odczynnika nukleofilowego

Etery - reaktywność

32

Reakcja z halogenowodorem:

Etery cykliczne – epoksydy otrzymywanie

33

Epoksydy – związki cykliczne zawierające w pierścieniu atom tlenu związany z dwoma atomami węgla

Etery koronowe – korony

34

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.

Etery koronowe – korony

35

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

htt

p:/

/ww

w.w

bc.p

oznan.p

l/Conte

nt/

57499/i

ndex.p

df

Etery koronowe – korony

36

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

htt

p:/

/ww

w.w

bc.p

oznan.p

l/Conte

nt/

57499/i

ndex.p

df

Model czaszowy koronatu potasu – kompleksu eteru 18-korona-6 z kationem potasu

Etery koronowe – kryptaryndy

37

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

htt

p:/

/ww

w.w

bc.p

oznan.p

l/Conte

nt/

57499/i

ndex.p

df

Etery koronowe

38

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.

htt

p:/

/ww

w.w

bc.p

oznan.p

l/Conte

nt/

57499/i

ndex.p

df

Etery koronowe

39

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.

htt

p:/

/ww

w.w

bc.p

oznan.p

l/Conte

nt/

57499/i

ndex.p

df

Etery koronowe

40

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.

Jonofory

41

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.

Jonofory – uwaga! walinomycyna nie jest eterem koronowym

42

Jonofor o wysokiej selektywności wiązania kationu potasu K+, który może być transportowany w postaci kompleksu przez błony komórkowe.