Окислительно-восстановительные реакции ( оксидо-редуктазные)

В органической химии приняты несложные определения реакций окисления и восстановления.

Реакция окисления - изменяется состав вещества – добавляются атомы кислорода или удаляются атомы водорода.

Реакции восстановления – изменяется состав вещества – удаляются атомы водорода или добавляются атомы водорода..

К процессам окисления относятся превращения, сопровождающиеся внутримолекулярным дегидрированием ( обратный процесс гидрирование – восстановление)

А . С (sp³ ) ———> С (sp² ) ———> С ( sp)

алкан алкен алкин последовательность

процессов окисления

Б. R– СН₃ ———> R– СН₂ – ОН ———> R– СН О

спирт альдегид

В. Окисление тиолов происходит как межмолекулярная реакция дегидрирования, сопровождается , в первую очередь, образованием дисульфидов.

2 R – SH + [ O ]———> R – S – S – R + НОН

тиол дисульфид

Реакция имеет большое значение в регуляции количества свободных SH групп и дисульфидных связей в белках. Окислители уменьшают содержание свободных тиольных групп, а восстановители - уменьшают число дисульфидных связей.

Тиольные группы в белках играют важную роль в выполнении белками ферментативных и других функций, например, активная форма гормона инсулина содержит две дисульфидные связи. Прикрепление внеклеточных белков к мембране клетки также может осуществляться с участием дисульфидных групп ( белок фибронектин).

В биохимических реакциях окисления и восстановления принимают участие ферменты – оксидоредуктазы. Белковые молекулы не могут осуществлять перенос электронов,

поэтому в составе ферментов обязательно присутствуют органические молекулы или катионы металлов, способные передавать электроны , то есть существовать в окисленной и восстановленной форм е ( витамин С , липоевая кислота, кофермент НАД⁺ / НАДН ,

ФАД / ФАДН₂ , гем, содержащий ионы железа (+2) / ( +3), ионы меди ( +1) / ( +2 ) и др .)

Реакции окисления- дегидрирования- типичны для насыщенных атомов углерода,

гидрокси, тиольной и аминогрупп. Наиболее распространенным переносчиком атомов водорода является кофермент НАД⁺ в реакциях окисления и кофермент НАДН в реакциях восстановления( большинство реакций обратимы) .

Примеры.

Окисление этанола и других алкоголей алкогольдегидрогеназой – первый этап метаболизма экзогенных спиртов, попадающих в организм в составе лекарственных препаратов, алкогольных напитков.

Фермент алкогольдегидрогеназа

СН₃ – СН₂ – О – Н + НАД⁺ <————————> СН₃ – СН= О + НАДН + Н ⁺

этанол этаналь

Превращения молочной и пировиноградной кислот друг в друга происходит во всех тканях организма. В анаэробных ( бескислородных) условиях образование лактата – конечный этап метаболизма глюкозы. Присутствие кислорода снижает образование молочной кислоты и стимулирует ее окисление в пировиноградную, процесс весьма важен для сердечной мышцы, печени.

фермент лактатдегидрогеназа

СН₃ –СН – СООН + НАД⁺ <————————> СН₃ – С – СООН + НАДН + Н ⁺

| | |

ОН О

2-гидроксипропановая кислота 2- оксопропановая кислота

молочная кислота ( лактат ) пировиноградная кислота( пируват)

Механизм реакции окисления с участием кофермента НАД ⁺

Окисляемое вещество отдает два атома водорода, один – в виде иона гидрида, другой- в виде протона Атом углерода отдает два электрона химический связи атому водорода, который превращается в отрицательно заряженный анион – гидрид Н ^–.. Протон уходит из гидроксильной группы и оставляет два электрона связи. Эти да электрона образуют двойную связь.

Н Н ^– гидрид- ион присоединяется к молекуле НАД ⁺ в положение 4

СН3 – С- СООН + НАД ⁺——> СН3 – С- СООН + НАДН + Н⁺

| | |

О •• Н О

Н⁺

Протон переходит в раствор

Оставшаяся пара электронов образует двойную связь.

Кофермент НАД ⁺ принимает только один отрицательно заряженный ион гидрида, превращается в НАДН , а протон остается в растворе

удаляется

Восстановленная форма НАДН является неустойчивой, поскольку в пиридиновом цикле

исчезает ароматический секстет и единая пи-электронная система. Атом углерода в положении-4 имеет тетраэдрическое строение. Именно вновь присоединенный( в виде гидрида Н^–) атом водорода( он выделен жирным шрифтом) затем удаляется при окислении восстановленной формы НАДН и передается следующему окислителю( это называется « молекулярная память» ) и до образования конечных продуктов обмена ( молочная кислота в анаэробных условиях или вода в аэробных условиях)

НАДН +Н⁺+ Х ——>НАД ⁺+ Х-Н

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Среди веществ, производящих раздражающее действие на организм человека, имеется большая группа соединений- лакриматоров( lacrima – лат. – слеза). Их используют в качестве защитных или боевых средств. Одним из самых простых соединений является хлористый бензил( фенилхлорметан).

СН₂ –С1 СН₂ – ОН + НС1

| + НОН ————> |

хлористый бензил бензиловый спирт

При попадании в глаз, на слизистые оболочки носа, рта быстро проходит гидролиз , выделяющийся хлороводород вызывает сильное слезотечение. Промежуточный карбокатион, образующийся в реакции, устойчив, стабилизирован сопряжением с ароматической электронной системой, реакция протекает по механизму S _N 1 . В одинаковых условиях скорость реакции в 99 раз больше по сравнению с хлорэтаном. Обратите внимание, что замещение галогена в хлорбензоле ( хлорбензол + NаОН ) проходит в очень жестких условиях благодаря +М эффекту , который проявляет атомом хлора, в результате чего образуется единая сопряженная система.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 .

Липоевая кислота , содержащая две тиольные группы, необходима для нормального прохождения реакций цикла Кребса во всех аэробных тканях организма, высокое соднржание отмечено в печени, миокарде, почках. Используют как лекарственный препарат в профилактических целях и при заболеваниях: атеросклерозе, гепатитах, диабете, ожирении.

8 7 6 1

СН₂ – СН₂ –СН – (СН₂ )₄– СООН 8 7 6 1

| | + ФАД <————> СН₂ – СН₂ –СН – (СН₂ )₄– СООН

SH SH | |

S ——— S + ФАДН₂

Дигидролипоевая кислота Дегидролипоевая кислота

восстановленная форма - окисленная форма -

6,8- димеркаптооктановая кислота циклический

Для проверки усвоения темы рекомендуем выполнить задания:

1. Сравните устойчивость двух промежуточных карбокатионов , которые могут

образоваться при гидратации кротоновой кислоты ( 2 - бутеновой кислоты ). Назовите механизм реакции. Соответствует ли строение получаемой 3-гидроксибутановой кислоты представлению о механизме реакции ?

2. Известно. что в организме человека происходит окисление аминокислоты цистеина

( 2-амино-3-меркаптопропановой кислоты) и образование аминокислоты цистина, которая хуже, чем цистеин, растворима в воде и может кристаллизоваться при болезни цистинурии в мочевом пузыре. Запишите уравнение реакции окисления цистеина.

3. Пара соединений: восстановленная форма гидрохинон ( 1,4- дигидроксибензол) и его окисленная форма хинон, участвуют в переносе электронов во внутренней мембране митохондрий при синтезе АТФ в аэробных условиях. Напишите формулы названных веществ.

4. Назовите механизм реакции образования медиатора ацетилхолина:

АцетилКоА+ холин ————> ацетилхолин + КоА

Напишите формулы трех выделенных соединений.

5. Назовите механизм реакции и запишите уравнение реакции гидролиза

ацетилхолина.

6. Сравните активность пировиноградной кислоты и уксусного альдегида при

взаимодействии с циановодородом. Запишите уравнения и назовите механизм реакции

7. Строение азометина С6Н5 – СН = N – C6 H5Напишите реакцию образования этого соединения. Назовите механизм реакции. Какой витамин образует основания Шиффа в процессе ферментативного катализа?.

ЛЕКЦИЯ 5