ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
С.А. Клюев
[email protected] ХИНОНЫ
Учебно-методическое пособие
2009
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 1. Структура хинонов. 2. Реакции электронного переноса хинонов. 3. Биологическое значение хинонов. 4. Синтез хинонов. Список литературы.
Введение.
Название “хинон” возникло после того, как из хинной кислоты был получен пара-бензохинон (действием на указанную кислоту двуокисью марганца в серной кислоте). Хинная кислота, содержащаяся в коре хинного дерева и в кофейных
бобах,
превращается
в
хинон
путем
дегидратации,
декарбоксилирования и окисления. Продукт этой реакции окрашен в желтый цвет. Одним из характерных свойств хинонов является окраска. Обычно парахиноны окрашены в желтый цвет, а орто-хиноны – в оранжевый и красный. Хиноны вступают в различные реакции (окислительно-восстановительные, присоединения (включая реакцию циклоприсоединения), замещения и др.). Окислительно-восстановительные реакции часто связаны с последовательно протекающими процессами акцептирования хинонами электронов и протонов. Эти реакции имеют важное биологическое значение при функционировании хинонов. Хиноны бывают природными и синтетическими. Почти все хиноны проявляют
различного
рода
биологическую
активность.
Неодинаковая
биологическая активность обусловлена различием в структуре хиноновых молекул. В данном учебно-методическом пособии основное внимание уделяется рассмотрению структуры и свойств природных хинонов. Кроме структурных формул,
используются
полученные
при
шаростержневые
компьютерном
и
полусферические
моделировании.
лекционный курс органической химии.
Пособие
модели, дополняет
1. Структура хинонов.
Хиноны
можно
отнести
к
циклическим
непредельным
дикетонам,
обладающим важной способностью обратимо акцептировать электроны. Простейшие из хинонов – 1,4-бензохинон и 1,2-бензохинон (рис 1). На этом рисунке видна циклическая, сопряженная, незамкнутая система.
Рис. 1. Структурные формулы 1,4-бензохинона (1) и 1,2-бензохинона(2).
На рис. 2 показаны структурные формулы хинонов, имеющих более сложную структуру. Это производные 1,4-бензохинона и 1,2-бензохинона. Читатель может найти фрагменты хинонов-предшественников в структурных формулах, показанных на рис. 2.
Рис. 2. Структурные формулы фумигатина (1) и 2,7,9-трикарбокси-1H-пирроло [2,3-f]хинолин-4,5-диона (пирролохинолинхинона, метоксатина) (2).
Важное биологическое значение имеют такие производные 1, 4-бензохинона, как убихиноны и пластохиноны (они имеют длинный углеводородный радикал). На рис. 3 показана структура убихинона.
Рис. 3. Структурная формула убихинона (CoQn).
К основным методам исследования структуры хинонов относятся следующие:
дифракция х-лучей; ядерный магнитный резонанс; инфракрасная спектроскопия; компьютерное моделирование (эмпирические, полуэмпирические и неэмпирические методы расчета). Пространственное строение молекул принято представлять с помощью шаростержневых
и
полусферических
моделей.
На
рис.4
показаны
шаростержневые модели 1,4-бензохинона и его производных, полученные при использовании полуэмпирического метода (PM3) с визуализацией данных.
Рис. 4. Шаростержневые модели 1,4-бензохинона (1); 2-метил-1,4-бензохинона (2); фумигатина (3), 2-метил –1,4-нафтохинона (4).
Введение заместителей (СН3-, НО-, СН3О-, С4Н4- ) путем замены атомов водорода приводит к перераспределению электронной плотности в химических соединениях, изменению длин связей и валентных углов (часто хиноновый цикл становится менее планарным). На рис. 5, 6 показаны полусферические модели 1,2-бензохинона и трикарбокси-1H-пирроло[2,3-f]хинолин-4,5-диона
(метоксатина).
2,7,9-
Модели
указанных хинонов получены аналогичным образом, что и описанные ранее.
Рис. 5. Полусферическая модель 1,2-бензохинона.
Рис. 6. Полусферическая модель производного 1,2-бензохинона – метоксатина.
В модели, представленной на рис. 6, читателю предлагается найти фрагмент, содержащий внутримолекулярную водородную связь (перекрывание полусфер атомов водорода и кислорода). Некоторые хиноны входят в состав белков (рис. 7).
Рис. 7. Метоксатин в белковой глобуле. Визуализация данных дифракции х-лучей выполнена программой “RasMol”.
Структура хинонов во многом предопределяет их способность участвовать в химических реакциях и функционировать в биологических системах.
2. Реакции электронного переноса хинонов.
Хиноны способны восстанавливаться и окисляться. Первые реакции для них более характерны, чем вторые.
Среди окислительно-восстановительных
реакций выделяют процессы, связанные с переносом электронов (реакции электронного переноса). Часто процесс переноса электронов сопряжен с переносом протонов. Одноэлектронное
восстановление
молекулы
и
анион-радикала
хинона
представляется следующими схемами:
. M + e-
M
( ∆H00(1))
(1)
и . M + e-
M2- ( ∆H00(2))
(2),
∆H00(1) - стандартная энтальпия образования анион-радикала, ∆H00(2) стандартная энтальпия образования дианиона. При осуществлении первого процесса энергия выделяется, а на проведение второго процесса нужно затратить энергию. Указанная энергия называется сродством к электрону. Расчет
сродства
осуществляется
по
разности
стандартных
энтальпий
образования молекулы и анион-радикала (или анион-радикала и дианиона), а также по разности их полных энергий. Сродство к электрону не зависит от природы
растворителя
(в
отличие
от
окислительно-восстановительного
потенциала) и служит одной из наиболее фундаментальных характеристик данных соединений. Экспериментальные методы определения сродства к электрону применимы не ко всем хинонам, кроме того, они, как и любые другие методы, обладают систематическими ошибками. По этой причине полезно использование расчетных методов для определения сродства и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными. Расчет сродства к электрону
связан
с
компьютерным
моделированием
исходных
и
восстановленных форм хинонов. На рис.8 показаны энергетические уровни молекулы, анион-радикала и дианиона 1,4-бензохинона. Энергия анионрадикала меньше энергии молекулы, что объясняется образованием устойчивой ароматической системы при акцептировании электрона молекулой. Энергия дианиона выше энергии ранее рассмотренных частиц, но дианион может быть стабилизирован молекулами растворителя.
Рис. 8. Энергетические уровни молекулы, анион-радикала и дианиона 1,4бензохинона, рассчитанные полуэмпирическим квантово-химическим методом (РМ3).
Другая
мера
реакционной
способности
хинонов
в
окислительно-
восстановительных реакциях – стандартный (нормальный) окислительновосстановительный потенциал. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал
определяют
электрохимическими
методами.
Имеются
математические формулы, связывающие сродство к электрону и стандартный окислительно-восстановительный потенциал.
Реакции электронного переноса часто сопряжены с процессами переноса протонов. Схема превращений анион-радикала и дианиона хинона, связанная с процессами протонирования:
. M
+
H
+
. MH + e _ MH + H+ M2- + 2H+
. MH _ MH
(4),
MH2
(5),
MH2
(6).
(3),
Суммарное уравнение реакции:
M + 2e- + 2H+
Восстановление
хинона
приводит
MH2
к
существенному
(7).
изменению
геометрических и энергетических параметров частиц. Например, можно проследить, как при восстановлении метоксатина изменяются параметры внутримолекулярной Н-связи. Благодаря обратимости рассматриваемых процессов некоторые хиноны, такие как убихиноны и пластохиноны, функционируют в качестве переносчиков электронов и протонов в биологических системах.
3. Биологическое значение хинонов.
Почти все хиноны проявляют биологическую активность. Проявление неодинаковой биологической активности у хинонов обусловлено наличием или отсутствием в их структуре определенных групп атомов, связанных с
карбоциклом. Простейшие из хинонов – 1,4-бензохинон и его алкильное производное – используются одним из видов жуков в качестве ядовитых веществ для защиты от нападений. Замена атомов водорода, связанных с атомами углерода цикла, на разные группы атомов довольно сильно изменяет спектр биологической активности соединений. Наличие бензольного цикла в производном 2-метил- 1,4-бензохинона обуславливает проявление соединением витаминной активности. Фумигатин (производное 2-метил-1,4-бензохинона), в состав которого входят кислородсодержащие группы (HO- и CH3O-) - красящее вещество плесени и антибиотик. Производное 1,2-бензохинона – метоксатин – входит в состав белков. Вопрос об его витаминной активности является в настоящее время дискуссионным. Синтезирован фармакологический препарат с торговым названием VitaPQQ (аналог метоксатина), который используется как пищевая добавка и/или фармакологическое терапевтическое средство. Он замедляет
процессы
старения,
обладает
нейрозащитной
функцией,
благоприятствует синтезу фактора роста, развитию и восстановлению нейронов. Кроме
рассмотренных
хинонов,
биологической
активностью
обладают
убихиноны и пластохиноны. Убихиноны - природные хиноны, являющиеся электронными переносчиками в дыхательной цепи. Они имеют длинные углеводородные
радикалы,
связанные
с
циклом.
Наличие
длинного
непредельного углеводородного радикала в молекуле пластохинона делает возможным встраивание соединения нужным образом в липидную мембрану и осуществление процессов переноса электронов и протонов.
4. Синтез хинонов.
Хиноны получают окислением одно- и двухатомных фенолов, аминов и диаминов ароматического ряда. Самый удобный способ получения хинонов заключается
в
окислении
одноатомных
фенолов
солью
Фреми
-
нитрозодисульфонатом калия. Эта реакция осуществляется в исключительно мягких условиях в водном спирте или ацетоне, выход обычно превышает 90%. Другим одноэлектронным окислителем фенолов является карбонат серебра. Этот реагент, согласно данным последних лет, особенно пригоден для окисления 1,2-дигидроксибензола и его производных до орто-хинона. Уникальным реагентом для получения орто-хинонов из одноатомных фенолов оказался (С6Н5SeO)2O. Для окисления фенолов, ароматических аминов и гидрохинонов до 1,4бензохинонов и 1,4-нафтохинонов часто используют реагенты на основе хрома (YI). К ним относятся оксид хрома (YI) в уксусной кислоте или реагент Килиани (дихромат натрия и серной кислоты), однако выходы хинонов, как правило, ниже, чем при окислении солью Фреми или карбонатом серебра. 1,4-нафтохинон, 9,10-антрахинон и 9,10-фенантренхинон могут быть получены прямым окислением углеводородов оксидом хрома (YI) в уксусной кислоте или бихроматом натрия в серной кислоте. В промышленности тот же самый результат достигается при окислении кислородом в присутствии оксида ванадия (Y) как катализатора. Таким способом можно получать антрахинон и фенантренхинон. 9,10-Антрахинон ангидридом
по
получают
также
Фриделю-Крафтсу
ацилированием с
последующей
бензола
фталевым
циклизацией
орто-
бензоилбензойной
кислоты.
Это
один
промышленного получения антрахинона.
из
самых
простых
способов
Список литературы
Нейланд О.Я. Органическая химия. М.:ВШ. 1990.
Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М.: Просвещение. 1987.
Справочник биохимика. М. Мир. 1991.
Николаев А.Я. Биологическая химия. М.: ВШ. 1989.
Eriksson L.A., Himo F., Siegbahn E.M., Babcock G.T. //J. Phys. Chem. A. 1997. P. 9496.
Рыжова И.Е., Клюев С.А. Коршуновские чтения: Cборник научных трудов конференции. 2005. Тольятти. C. 56.
