Номер 164, страница 183 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

5.164. Одним из реагентов, применяемых для создания пептидной связи, является N,N'-дициклогексилкарбодиимид (ДЦК). Предложите механизм действия данного реагента, если известно, что сначала к ДЦК добавляют карбоновую кислоту, а затем амин.

Решение

N,N'-дициклогексилкарбодиимид (ДЦК) — это реагент, используемый для синтеза пептидов и других амидов из карбоновых кислот и аминов. Его основная функция — дегидратация, то есть удаление молекулы воды из реагирующих компонентов, что приводит к образованию амидной связи. Механизм реакции включает активацию карбоксильной группы, что делает ее более реакционноспособной по отношению к амину.

Общая схема реакции выглядит следующим образом (где Cy — циклогексильный радикал, $C_6H_{11}$):

$$R-COOH + R'-NH_2 + Cy-N=C=N-Cy \rightarrow R-CO-NH-R' + Cy-NH-C(O)-NH-Cy$$

Механизм можно разделить на следующие стадии:

1. Активация карбоновой кислоты

Карбоновая кислота ($R-COOH$) присоединяется к ДЦК. Механизм начинается с протонирования одного из атомов азота ДЦК кислотой, что создает ионную пару, состоящую из карбоксилат-аниона и протонированного карбодиимида. Затем карбоксилат-анион ($R-COO^-$) нуклеофильно атакует центральный, электрофильный атом углерода в протонированном ДЦК. В результате образуется ключевой интермедиат — O-ацилизомочевина. Этот интермедиат содержит активированную карбонильную группу, так как изомочевинный остаток является хорошей уходящей группой.

$$R-COOH + Cy-N=C=N-Cy \rightleftharpoons R-COO^{-} + Cy-N=C=\stackrel{+}{N}H-Cy$$

$$R-COO^{-} + Cy-N=C=\stackrel{+}{N}H-Cy \rightarrow \underset{\text{(O-ацилизомочевина)}}{R-C(O)-O-C(=NCy)NHCy}$$

2. Нуклеофильная атака амина и образование пептидной связи

На второй стадии амин ($R'-NH_2$) атакует своей неподеленной электронной парой карбонильный углерод O-ацилизомочевины. Эта атака приводит к образованию нестабильного тетраэдрического интермедиата, который быстро распадается. Происходит перегруппировка с переносом протона, в результате которой образуется конечный продукт — пептид (амид) $R-CO-NH-R'$ и отщепляется побочный продукт — N,N'-дициклогексилмочевина (ДЦМ).

$$\underset{\text{O-ацилизомочевина}}{R-C(O)O-C(=NCy)NHCy} + R'-NH_2 \rightarrow \text{[Тетраэдрический интермедиат]}$$

$$\text{[Тетраэдрический интермедиат]} \rightarrow R-CO-NH-R' + \underset{\text{N,N'-дициклогексилмочевина}}{Cy-NH-C(O)-NH-Cy}$$

Движущей силой всего процесса является образование очень стабильной молекулы N,N'-дициклогексилмочевины, которая к тому же обычно нерастворима в реакционной среде и выпадает в осадок, смещая равновесие реакции в сторону продуктов.

Ответ: Механизм действия ДЦК для создания пептидной связи включает две основные стадии. На первой стадии ДЦК активирует карбоновую кислоту, превращая ее в реакционноспособный O-ацилизомочевинный эфир. На второй стадии амин нуклеофильно атакует этот активированный эфир, что приводит к образованию пептидной (амидной) связи и стабильного побочного продукта, N,N'-дициклогексилмочевины, которая удаляется из реакционной смеси (часто в виде осадка), способствуя завершению реакции.