Привет! Многие студенты медицинских вузов сейчас разбирают биоорганическую химию, она же – БОХ.

В некоторых вузах этот предмет заканчивается зачётом, в некоторых – экзаменом. Иногда бывает, что зачёт в одном вузе сравним по сложности с экзаменом в другом.

В моём университете биоорганическая химия сдавалась как раз экзаменом во время летней сессии в самый конец первого курса. Надо сказать, что БОХ относится к тем предметам, которые поначалу ужасают и могут вселять мысль — «это сдать невозможно». Особенно это конечно касается людей со слабой базой органической химии (а таких в медицинских университетах, как ни странно, довольно много).

Программы изучения биоорганической химии в разных университетах могут очень сильно отличаться, а методики преподавания – ещё сильнее.

Однако требования к студентам везде примерно одинаковые. Если очень упростить, то чтобы сдать биоорганическую химию на 5, вы должны знать названия, свойства, особенности строения и типичные реакции ряда органических веществ.

Наш преподаватель, уважаемый профессор, подавал материал так, будто бы каждый студент был самым лучшим в школе по органической химии (а биоорганическая химия по сути представляет собой усложнённый курс школьной органической химии). Наверное, он был прав в своём подходе, все должны тянуться наверх и стараться быть лучшими. Однако это привело к тому, что некоторые студенты, которые на первых 2-3 парах не понимали материал частично, ближе к середине семестра вообще перестали понимать всё.

Я решил написать этот материал по большей части из-за того, что я как раз и был таким студентом. В школе я очень любил неорганическую химию, а вот с органикой у меня всегда не складывалось. Я даже когда готовился к ЕГЭ, выбрал стратегию усиления всех своих знания по неорганике, в то же время закрепляя только базу органики. Мне кстати это чуть не вышло боком в плане вступительных баллов, но это другая история.

Я не зря сказал про методику преподавания, потому что у нас она была тоже весьма необычная. Нам сразу же, чуть ли не на первой паре, продемонстрировали методички, по которым мы должны были сдавать зачёты и затем экзамен.

Биоорганическая химия — зачёты и экзамен

Весь курс у нас делился на 4 крупных темы, каждая из которых заканчивалась зачётным занятием. Вопросы к каждому из четырёх зачётов у нас уже были с первых пар. Они, конечно же, пугали, однако в то же время они служили своеобразной картой, по которой следует двигаться.

Первый зачёт был совсем элементарный. Он был посвящён, в основном, номенклатуре, тривиальным (бытовым) и международным названиям, и, конечно же, классификации веществ. Также в том или ином виде затрагивались признаки ароматичности.

Второй зачёт после первого казался значительно более сложным. Там необходимо было расписывать свойства и реакции таких веществ, как кетоны, альдегиды, спирты, карбоновые кислоты. Например, одна из типичнейших реакций альдегидов — это реакция серебряного зеркала. Довольно красивое зрелище. Если к какому-либо альдегиду вы добавите реактив Толленса, то есть ОН, то на стенке пробирки вы увидите осадок, напоминающий зеркало, вот как это выглядит:

Третий зачёт на фоне второго не казался таким грозным. Все уже привыкли писать реакции и запоминать свойства по классификациям. В третьем зачёте речь шла о соединениях с двумя функциональными группами – аминофенолы, аминоспирты, оксокислоты и другими. Также в каждом билете был минимум один билет про углеводы.

Четвёртый зачёт по биоорганической химии был почти целиком и полностью посвящён белкам, аминокислотам и пептидным связям. Особой изюминкой были вопросы, на которых требовалось собрать РНК и ДНК.

Кстати, как раз вот так выглядит аминокислота — вы можете увидеть аминогруппу (она подкрашена жёлтым на этом рисунке) и группу карбоксильной кислоты (она сиреневая). Именно с веществами этого класса приходилось иметь дело в четвертом зачёте.

Каждый зачёт сдавался у доски – студент должен без подсказок расписать и пояснить все необходимые свойства в виде реакций. Например, если вы сдаёте второй зачёт, у вас в билете свойства спиртов. Вам преподаватель говорит – возьми пропанол. Вы пишете формулу пропанола и 4-5 типичных реакций, чтобы проиллюстрировать его свойства. Могла быть и экзотика, вроде серосодержащих соединений. Ошибка даже в индексе одного продукта реакции зачастую отправляла дальше учить этот материал до следующей попытки (которая была через неделю). Страшно? Сурово? Конечно!

Однако у такого подхода есть очень приятный побочный эффект. Во время регулярных семинарских занятий приходилось тяжко. Многие сдавали зачёты по 5-6 раз. Но зато на экзамене было очень легко, ведь каждый билет содержал 4 вопроса. Именно, по одному из каждого уже выученного и решённого зачёта.

Поэтому я даже не буду расписывать тонкости подготовки к экзамену по биоорганической химии. В нашем случае вся подготовка сводилась к тому, как мы готовились к самим зачётам. Уверенно сдал каждый из четырёх зачётов – перед экзаменом просто просмотри свои же черновики, распиши ещё самые основные реакции и сразу всё восстановится. Дело в том, что органическая химия — это очень логичная наука. Запоминать нужно не огромные строки реакций, а сами механизмы.

Да, отмечу, что это работает далеко не со всеми предметами. Грозную анатомию не получится сдать, просто почитав свои записи накануне. Ряд других предметов также имеет свои особенности. Даже если в вашем медицинском университете биоорганическая химия преподаётся как-то иначе, возможно, вам нужно будет скорректировать вашу подготовку и осуществлять её немного не так, как делал я. В любом случае, удачи вам, понимайте и любите науку!

ЛЕКЦИЯ 1

Биоорганическая химия (БОХ), ее значение в медицине

БОХ – это наука, изучающая биологическую функцию органических веществ в организме.

БОХ возникла во 2-ой половине ХХ века. Объектами ее изучения служат биополимеры, биорегуляторы и отдельные метаболиты.

Биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, которые являются основой всех организмов. Это пептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты (НК), липиды и др.

Биорегуляторы – соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды, лекарственные препараты и др.

Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, установление строения белков и НК позволило развить представления о матричном биосинтезе белка и роли НК в сохранении и передаче генетической информации.

БОХ играет большую роль в установлении механизма действия ферментов, лекарств, процессов зрения, дыхания, памяти, нервной проводимости, мышечного сокращения и др.

Основная проблема БОХ – это выяснение взаимосвязи структуры и механизма действия соединений.

БОХ основана на материале органической химии.

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Это наука, изучающая соединения углерода. В настоящее время насчитывается ~ 16 млн. органических веществ.

Причины многообразия органических веществ.

1. Соединения атомов С друг с другом и др. элементами периодической системы Д. Менделеева. При этом образуются цепи и циклы:

Прямая цепь Разветвленная цепь

Тетраэдрическая Плоскостная конфигурация

конфигурация атома С атома С

2. Гомология – это существование веществ с близкими свойствами, где каждый член гомологического ряда отличается от предыдущего на группу
–СН 2 –. Например, гомологический ряд предельных углеводородов:

3. Изомерия – это существование веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение.

А.М. Бутлеров (1861) создал теорию строения органических соединений, которая и по сей день служит научной основой органической химии.

Основные положения теории строения органических соединений:

1) атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью;

2) атомы в молекулах органических соединений соединяются между собой в определенной последовательности, что обусловливает химическое строение молекулы;

3) свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения молекул;

4) в молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных;

5) химическое строение вещества можно определить в результате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно охарактеризовать его свойства.

Рассмотрим некоторые положения теории строения органических соединений.

Структурная изомерия

Она делится:

1) Изомерия цепи

2) Изомерия положения кратной связи и функциональных групп

3) Изомерия функциональных групп (межклассовая изомерия)

Формулы Ньюмена

Циклогексан

Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».

Конфигурационные изомеры

Это стереоизомеры, молекулы которых имеют различное расположение атомов в пространстве без учета конформаций.

По типу симметрии все стереоизомеры делятся на энантиомеры и диастереомеры.

Энантиомеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы) – это стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение. Это явление наз-ся энантиомерией. Все химические и физические св-ва энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность. Условия энантиомерии: 1) атом С находится в состоянии sp 3 -гибридизации; 2) отсутствие всякой симметрии; 3) наличие асимметрического (хирального) атома С, т.е. атома, имеющего четыре разных заместителя.

Многие окси- и аминокислоты обладают способностью вращать плоскость поляризации луча света влево или вправо. Это явление наз-ся оптической активностью, а сами молекулы оптически активными. Отклонение луча света вправо отмечают знаком «+», влево – «–» и указывают угол вращения в градусах.

Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.

Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещ-ва, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906), наз-ся вещ-вами D- и L-ряда. Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения наз-ся рацематом и оптически неактивна.

Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещ-ва к D- и L-рядам, его определяют только экспериментально в приборах – поляриметрах. Например, L-молочная к-та имеет угол вращения +3,8 о, D- молочная к-та - -3,8 о.

Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера.

L-ряд D-ряд

Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, и наз-ся мезоизомерами.

Например: Винная к-та

D – (+) – ряд L – (–) – ряд

Мезовинная к-та

Рацемат – виноградная к-та

Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими св-вами, наз-ся s-ди -а -стереоизомерами.

p-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле p-связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т

Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением.

Например:

Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,

малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,

очень ядовита содержится в организме

Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.

ЛЕКЦИЯ 2

Сопряженные системы

В простейшем случае сопряженные системы – это системы с чередующимися двойными и одинарными связями. Они могут быть открытыми и закрытыми. Открытая система имеется в диеновых углеводородах (УВ).

Примеры:

СН 2 = СН – СН = СН 2

Бутадиен-1, 3

Хлорэтен

СН 2 = СН – Сl

Здесь происходит сопряжение p-электронов с р-электронами. Этот вид сопряжения наз-ся р, p-сопряжением.

Закрытая система имеется в ароматических УВ.

С 6 Н 6

Бензол

Ароматичность

Это понятие, включающее различные свойства ароматических соединений. Условия ароматичности: 1) плоский замкнутый цикл, 2) все атомы С находятся в sp 2 – гибридизации, 3) образуется единая сопряженная система всех атомов цикла, 4) выполняется правило Хюккеля: “В сопряжении участвуют 4n+2 p-электронов, где n = 1, 2, 3... ”

Простейший представитель ароматических УВ – бензол. Он удовлетворяет всем четырем условиям ароматичности.

Правило Хюккеля: 4n+2 = 6, n = 1.

Взаимное влияние атомов в молекуле

В 1861 г русский ученый А.М. Бутлеров высказал положение: «Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга». В настоящее время это влияние передается двумя путями: индуктивным и мезомерным эффектами.

Индуктивный эффект

Это передача электронного влияния по цепи s-связи. Известно, что связь между атомами с различной электроотрицательностью (ЭО) поляризована, т.е. смещена к более ЭО атому. Это приводит к появлению на атомах эффективных (реальных) зарядов (d). Такое электронное смещение наз-ся индуктивным и обозначается буквой I и стрелкой ®.

, X = Наl -, НО -, НS -, NН 2 - и др.

Индуктивный эффект может быть положительным или отрицательным. Если заместитель Х притягивает электроны химической связи сильнее, чем атом Н, то он проявляет – I. I(Н) = О. В нашем примере Х проявляет – I.

Если заместитель Х притягивает электроны связи слабее, чем атом Н, то он проявляет +I. Все алкилы (R = СН 3 -, С 2 Н 5 - и т.д.), Ме n + проявляют +I.

Мезомерный эффект

Мезомерный эффект (эффект сопряжения) – это влияние заместителя, передаваемое по сопряженной системе p-связей. Обозначается буквой М и изогнутой стрелкой. Мезомерный эффект может быть «+» или «–».

Выше было сказано, что имеется два вида сопряжения p, p и р, p.

Заместитель, притягивающий электроны из сопряженной системы, проявляет –М и наз-ся электроноакцептором (ЭА). Это заместители, имеющие двой-

ную связь и др.

Заместитель, отдающий электроны в сопряженную систему, проявляет +М и наз-ся электронодонором (ЭД). Это заместители с одинарными связями, имеющие неподеленную электронную пару (и др.).

Таблица 1 Электронные эффекты заместителей

Заместители	Ориентанты в С 6 Н 5 -R	I	М
Аlk (R-): СН 3 -, С 2 Н 5 -...	Ориентанты I рода: направляют ЭД заместители в орто- и пара- положения	+
– Н 2 , –NНR, –NR 2	–	+
– Н, – Н, – R	–	+
–Н L	–	+
ЛЕКЦИЯ 3 Кислотность и основность Для характеристики кислотности и основности органических соединений применяют теорию Бренстеда. Основные положения этой теории: 1) Кислота – это частица, отдающая протон (донор Н +); основание – это частица, принимающая протон (акцептор Н +). 2) Кислотность всегда характеризуется в присутствии оснований и наоборот. А – Н + : В Û А – + В – Н + осн-ие к-та СН 3 СООН + НОН Û СН 3 СОО – + Н 3 О + К-та Осн-ие Сопряженное Сопряженная осн-ие к-та НNО 3 + СН 3 СООH Û СН 3 СООН 2 + + NО 3 - К-та Осн-ие Сопряженная Сопряженное к-та осн-ие Кислоты Бренстеда 3) К-ты Бренстеда делятся на 4 вида в зависимости от кислотного центра: SН к-ты (тиолы), ОН к-ты (спирты, фенолы, карбоновые к-ты), NН к-ты (амины, амиды), СН к-ты (УВ). В этом ряду сверху вниз кислотность уменьшается. 4) Сила к-ты определяется стабильностью образующегося аниона. Чем стабильнее анион, тем сильнее к-та. Стабильность аниона зависит от делокализации (распределения) «-» заряда по всей частице (аниону). Чем больше делокализован «-» заряд, тем стабильнее анион и сильнее к-та. Делокализация заряда зависит: a) от электроотрицательности (ЭО) гетероатома. Чем больше ЭО гетероатома, тем сильнее соответствующая к-та. Например: R – ОН и R – NН 2 Спирты более сильные к-ты, чем амины, т.к. ЭО (О) > ЭО (N). б) от поляризуемости гетероатома. Чем больше поляризуемость гетероатома, тем сильнее соответствующая к-та. Например: R – SН и R – ОН Тиолы более сильные к-ты, чем спирты, т.к. атом S более поляризован, чем атом О. в) от характера заместителя R (длины его, наличие сопряженной системы, делокализации электронной плотности). Например: СН 3 – ОН, СН 3 – СН 2 – ОН, СН 3 – СН 2 – СН 2 – ОН Кислотность <, т.к. увеличивается длина радикала При одинаковом кислотном центре сила спиртов, фенолов и карбоновых к-т не одинакова. Например, СН 3 – ОН, С 6 Н 5 – ОН, Сила к-ты увеличивается Фенолы являются более сильными к-тами, чем спирты за счет р, p-сопряжения (+М) группы –ОН. Связь О–Н более поляризуется в фенолах. Фенолы могут взаимодействовать даже с солями (FеС1 3) – качественная реакция на фенолы. Карбоновые к-ты по сравнению со спиртами, содержащими одинаковый R, являются более сильными к-тами, т.к. связь О–Н значительно поляризована за счет –М эффекта группы > С = О: Кроме того карбоксилат-анион более стабилен, чем анион спирта за счет р,p-сопряжения в карбоксильной группе. г) от введения заместителей в радикал. ЭА заместители увеличивают кислотность, ЭД заместители уменьшают кислотность. Например: р-Нитрофенол более сильная к-та, чем р-аминофенол, т.к. группа –NО 2 является ЭА. СН 3 –СООН ССl 3 –СООН рК 4,7 рК 0,65 Трихлоруксусная к-та во много раз сильнее СН 3 СООН за счет – I атомов Сl как ЭА. Муравьиная к-та Н–СООН сильнее СН 3 СООН за счет +I группы СН 3 – уксусной к-ты. д) от характера растворителя. Если растворитель является хорошим акцептором протонов Н + , то сила к-ты увеличивается и наоборот. Основания Бренстеда 5) Они делятся на: а) p-основания (соединения с кратными связями); б) n-основания (аммониевые, содержащие атом , оксониевые, содержащие атом , сульфониевые, содержащие атом ) Сила основания определяется стабильностью образующегося катиона. Чем стабильнее катион, тем сильнее основание. Другими словами, сила основания тем больше, чем менее прочная связь с гетероатомом (О, S, N), имеющим свободную электронную пару, атакуемую Н + . Стабильность катиона зависит от тех же факторов, что и стабильность аниона, но с обратным действием. Все факторы, усиливающие кислотность, уменьшают основность. Самыми сильными основаниями являются амины, т.к. атом азота имеет меньшую ЭО по сравнению с О. При этом вторичные амины более сильные основания, чем первичные, третичные амины слабее вторичных за счет стерического фактора, затрудняющего доступ протона к N. Ароматические амины более слабые основания, чем алифатические, что объясняется +М группы –NН 2 . Электронная пара азота, участвуя в сопряжении, становится малоподвижной. Стабильность сопряженной системы затрудняет присоединение Н + . В мочевине NН 2 –СО– NН 2 присутствует ЭА группа > С = О, которая значительно снижает оснóвные св-ва и мочевина образует соли только с одним эквивалентом к-ты. Т.о., чем сильнее к-та, тем слабее образуемое ею основание и наоборот. Спирты Это производные УВ, у которых один или несколько атомов Н замещены на –ОН группу. Классификация: I. По количеству групп ОН различают одноатомные, двухатомные и многоатомные спирты: СН 3 -СН 2 -ОН Этанол Этиленгликоль Глицерин II. По характеру R различают: 1) предельные, 2) непредельные, 3) циклические, 4) ароматические. 2) СН 2 = СН-СН 2 -ОН Аллиловый спирт 3) К непредельным циклическим спиртам относятся: ретинол (витамин А) и холестерин Инозит витаминоподобное в-во

III. По положению гр. –ОН различают первичные, вторичные и третичные спирты.

IV. По количеству атомов С различают низкомолекулярные и высокомолекулярные.

СН 3 –(СН 2) 14 –СН 2 –ОН (С 16 Н 33 ОН) СН 3 –(СН 2) 29 –СН 2 ОН (С 31 Н 63 ОН)

Цетиловый спирт Мирициловый спирт

Цетилпальмитат – основа спермацета, мирицилпальмитат содержится в пчелином воске.

Номенклатура:

Тривиальная, рациональная, МН (корень+окончание «ол»+арабская цифра).

Изомерия:

цепи, положения гр. –ОН, оптическая.

Строение молекулы спирта

СН-кислотный Nu центр

Электрофильный Центр Кислотный

центр основности центр

Р-ции окисления

1) Спирты – слабые кислоты.

2) Спирты – слабые основания. Присоединяют Н + лишь от сильных кислот, но они более сильные Nu.

3) –I эффект гр. –ОН увеличивает подвижность Н у соседнего углеродного атома. Углерод приобретает d+ (электрофильный центр, S Е) и становится центром нуклеофильной атаки (Nu). Связь С–О рвется более легко, чем Н–О, поэтому характерными для спиртов явл-ся р-ции S N . Они, как правило, идут в кислой среде, т.к. протонирование атома кислорода увеличивает d+ атома углерода и облегчает разрыв связи. К этому типу относятся р-ции образования эфиров, галогенопроизводных.

4) Смещение элекронной плотности от Н в радикале приводит к появлению СН-кислотного центра. В этом случае идут р-ции окисления и элиминирования (Е).

Физические св-ва

Низшие спирты (С 1 –С 12) – жидкости, высшие – твердые вещ-ва. Многие св-ва спиртов объясняются образованием Н-связи:

Химические св-ва

I. Кислотно-оснóвные

Cпирты – слабые амфотерные соединения.

2R–ОН + 2Nа ® 2R–ОNа + Н 2

Алкоголят

Алкоголяты легко гидролизуются, что показывает – спирты более слабые кислоты, чем вода:

R– ОNа + НОН ® R–ОН + NаОН

Оснóвный центр в спиртах – гетероатом О:

СН 3 -СН 2 -ОН + Н + ® СН 3 -СН 2 - -Н ® СН 3 -СН 2 + + Н 2 О

Если р-ция идет с галогеноводородами, то присоединяться будет галогенид-ион: СН 3 -СН 2 + + Сl - ® СН 3 -СН 2 Сl

НС1 RОН R-СООН NН 3 С 6 Н 5 ОNа

С1 - R-О - R-СОО - NН 2 - С 6 Н 5 О -

Анионы в таких р-циях выступают в качестве нуклеофилов (Nu) за счет «-» заряда или неподеленной электронной пары. Анионы являются более сильными основаниями и нуклеофильными реагентами, чем сами спирты. Поэтому на практике для получения простых и сложных эфиров используются –алкоголяты, а не сами спирты. Если нуклеофилом является другая молекула спирта, то она присоединяется к карбокатиону:

Простой эфир

СН 3 -СН 2 + + ® СН 3 -СН 2 + - - Н СН 3 -СН 2 -О-R

Это р-ция алкилирования (введение алкила R в молекулу).

Заместить –ОН гр. на галоген можно при действии РСl 3 , РСl 5 и SОСl 2 .

По такому механизму легче реагируют третичные спирты.

Р-цией S Е по отношению к молекуле спирта является р-ция образования сложных эфиров с органическими и минеральными к-тами:

R – О Н + Н О – R – О – + Н 2 О

Сложный эфир

Это р-ция ацилирования – введение ацила в молекулу.

СН 3 -СН 2 -ОН + Н + СН 3 -СН 2 - -Н СН 3 -СН 2 +

При избытке Н 2 SО 4 и более высокой температуре, чем в случае р-ции образования простых эфиров, идет регенерация катализатора и образуется алкен:

СН 3 -СН 2 + + НSО 4 - ® СН 2 = СН 2 + Н 2 SО 4

Легче идет р-ция Е для третичных спиртов, труднее для вторичных и первичных, т.к. в последних случаях образуется менее стабильные катионы. В данных р-циях выполняется правило А. Зайцева: «При дегидратации спиртов атом Н отщепляется от соседнего атома С с меньшим содержанием атомов Н».

СН 3 -СН = СН -СН 3

Бутанол-2

В организме гр. –ОН превращается в легкоуходящую путем образования эфиров с Н 3 РО 4:

СН 3 -СН 2 -ОН + НО–РО 3 Н 2 СН 3 -СН 2 -ОРО 3 Н 2

IV. Р-ции окисления

1) Первичные и вторичные спирты окисляются СuО, растворами КМnО 4 , К 2 Сr 2 О 7 при нагревании с образованием соответствующих карбонилсодержащих соединений:

3)

Нитроглицерин – бесцветная маслянистая жидкость. В виде разбавленных спиртовых растворов (1%) применяется при стенокардии, т.к. оказывает сосудорасширяющее действие. Нитроглицерин – сильное взрывчатое вещество, способное взрываться от удара или при нагревании. При этом в малом объеме, который занимает жидкое вещество, мгновенно образуется очень большой объем газов, что и вызывает сильную взрывную волну. Нитроглицерин входит в состав динамита, пороха.

Представители пентитов и гекситов – ксилит и сорбит – соответственно, пяти- и шестиатомные спирты с открытой цепью. Накопление –ОН групп ведет к появлению сладкого вкуса. Ксилит и сорбит – заменители сахара для больных диабетом.

Глицерофосфаты – структурные фрагменты фосфолипидов, применяются как общеукрепляющее средство.

Бензиловый спирт

Изомеры положения

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя в основном методы органической и физической химии, а также физики и математики. Биоорганическая химия полностью охватывает химию природных соединений и частично пересекается с биохимией и молекулярной биологией. Объектами её изучения служат биологически важные природные соединения - главным образом биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и смешанные биополимеры) и низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, антибиотики, токсины и так далее, а также синтетические аналоги природных соединений, лекарственные препараты, пестициды и др.

Биоорганическая химия сформировалась как самостоятельная область во 2-й половине 20 века на стыке биохимии и органической химии на основе традиционной химии природных соединений. Её становление связано с именами Л. Полинга (открытие α-спирали и β-структуры как главных элементов пространственной структуры полипептидной цепи в белках), А. Тодда (выяснение химического строения нуклеотидов и первый синтез динуклеотида), Ф. Сенгера (разработка метода определения аминокислотной последовательности в белках и расшифровка с его помощью первичной структуры инсулина), В. Дю Виньо (выделение, установление структуры и химический синтез пептидных гормонов - окситоцина и вазопрессина), Д. Бартона и В. Прелога (конформационный анализ), Р. Вудворда (полный химический синтез многих сложных природных соединений, в том числе резерпина, хлорофилла, витамина В 12) и др.; в СССР огромную роль сыграли работы Н. Д. Зелинского, А. Н. Белозерского, И. Н. Назарова, Н. А. Преображенского и др. Инициатором исследований по биоорганической химии в СССР в начале 1960-х годов явился М. М. Шемякин. Им, в частности, были начаты работы (впоследствии получившие широкое развитие) по изучению циклических депсипептидов, выполняющих функцию ионофоров. Лидером отечественной биоорганической химии в 1970-80-х годах стал Ю.А. Овчинников, под руководством которого было установлено строение десятков белков, в том числе мембранных (впервые) - бактериородопсина и зрительного родопсина быка.

К основным направлениям биоорганической химии относятся:

1. Разработка методов выделения и очистки природных соединений. При этом для контроля за степенью очистки часто используют специфическую биологическую функцию изучаемого вещества (например, чистоту антибиотика контролируют по его антимикробной активности, гормона - по его влиянию на определённый биологический процесс и так далее). При разделении сложных природных смесей часто применяют методы высокоэффективной жидкостной хроматографии и электрофореза. С конца 20 века вместо поиска и выделения отдельных компонентов проводят тотальный скрининг биологических образцов на максимально возможное число компонентов того или иного класса соединений (смотри Протеомика).

2. Определение структуры изучаемых веществ. Под структурой понимают не только установление природы и порядок связи атомов в молекуле, но и их пространственное расположение. Для этого используют различные методы, в первую очередь химические (гидролиз, окислительное расщепление, обработка специфическими реагентами), позволяющие получать более простые вещества с известной структурой, по которым реконструируют структуру исходного вещества. Широко применяют автоматические устройства, обеспечивающие быстрое решение стандартных задач, особенно в химии белков и нуклеиновых кислот: анализаторы для количественного определения аминокислотного и нуклеотидного состава и секвенаторы для выяснения последовательности аминокислотных остатков в белках и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Важную роль при изучении структуры биополимеров играют ферменты, особенно те, которые специфически расщепляют их по строго определённым связям (например, протеиназы, катализирующие реакции расщепления пептидных связей по остаткам глутаминовой кислоты, пролина, аргинина и лизина, или рестриктазы, специфически расщепляющие фосфодиэфирные связи в полинуклеотидах). Сведения о строении природных соединений получают также с помощью физических методов исследования - главным образом масс-спектрометрии, ядерного магнитного резонанса и оптической спектроскопии. Повышение эффективности химических и физических методов достигается благодаря одновременному анализу не только природных соединений, но и их производных, содержащих характерные, специально вводимые группировки и меченые атомы (например, путём выращивания бактерий - продуцентов того или иного соединения на среде, содержащей предшественников этого соединения, обогащённых стабильными или радиоактивными изотопами). Достоверность данных, получаемых при изучении сложных белков, значительно повышается при одновременном исследовании строения соответствующих генов. Пространственную структуру молекул и их аналогов в кристаллическом состоянии исследуют методом рентгеноструктурного анализа. Разрешение в ряде случаев достигает значений менее 0,1 нм. Для растворов наиболее информативен метод ЯМР в сочетании с теоретическим конформационным анализом. Добавочную информацию дают оптические спектральные методы анализа (электронные и флуоресцентные спектры, спектры кругового дихроизма и др.).

3. Синтез как самих природных соединений, так и их аналогов. Во многих случаях химический или химико-ферментативный синтез является единственным способом получения нужного вещества в больших (препаративных) количествах. Для относительно простых низкомолекулярных соединений встречный синтез служит важным критерием правильности ранее определённой структуры. Созданы автоматические синтезаторы белков и полинуклеотидов, позволяющие значительно сокращать время синтеза; с их помощью синтезирован ряд белков и полинуклеотидов, содержащих несколько сотен мономерных звеньев. Химический синтез - основной способ получения лекарственных препаратов неприродного происхождения. В случае природных веществ он часто дополняет биосинтез или конкурирует с ним.

4. Установление клеточной и молекулярной мишени, на которую направлено действие биологически активного вещества, выяснение химического механизма его взаимодействия с живой клеткой и её компонентами. Понимание молекулярного механизма действия необходимо для продуктивного использования биомолекул, с их зачастую чрезвычайно высокой активностью (например, токсинов), в качестве инструментов исследования биологических систем; оно служит основой для направленного синтеза новых, практически важных веществ с заранее заданными свойствами. В ряде случаев (например, при изучении пептидов, влияющих на деятельность нервной системы) получаемые таким образом вещества обладают многократно усиленной, по сравнению с исходным природным прототипом, изменённой в нужном направлении активностью.

Биоорганическая химия тесно связана с решением практических задач медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков и других лекарственных средств, стимуляторов роста растений, регуляторов поведения животных, в том числе насекомых), химической, пищевой и микробиологической промышленности. В результате сочетания методов биоорганической химии и генетической инженерии стало возможным практическое решение проблемы промышленного получения сложных, биологически важных веществ белково-пептидной природы, включая такие высокомолекулярные, как инсулин человека, α-, β- и γ-интерфероны, гормон роста человека.

Лит.: Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. М., 1983; Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М., 1996.

, антибиотики , феромоны , сигнальные вещества , биологически активные вещества растительного происхождения, а также синтетические регуляторы биологических процессов (лекарственные препараты , пестициды и др.). Как самостоятельная наука сформировалась во второй половине XX века на стыке биохимии и органической химии и связана с практическими задачами медицины , сельского хозяйства , химической , пищевой и микробиологической промышленности.

Методы

Основной арсенал составляют методы органической химии, для решения структурно-функциональных задач привлекаются разнообразные физические, физико-химические , математические и биологические методы.

Объекты изучения

• Биополимеры смешанного типа
• Природные сигнальные вещества
• Биологически активные вещества растительного происхождения
• Синтетические регуляторы (лекарственные препараты , пестициды и т. п.).

Источники

• Овчинников Ю. А. . - М .: Просвещение, 1987. - 815 с.
• Бендер М., Бергерон Р., Комияма М.
• Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. - М.: Мир, 1983.
• Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И.

См. также

Напишите отзыв о статье "Биоорганическая химия"

Отрывок, характеризующий Биоорганическая химия

– Ma chere, il y a un temps pour tout, [Милая, на все есть время,] – сказала графиня, притворяясь строгою. – Ты ее все балуешь, Elie, – прибавила она мужу.
– Bonjour, ma chere, je vous felicite, [Здравствуйте, моя милая, поздравляю вас,] – сказала гостья. – Quelle delicuse enfant! [Какое прелестное дитя!] – прибавила она, обращаясь к матери.
Черноглазая, с большим ртом, некрасивая, но живая девочка, с своими детскими открытыми плечиками, которые, сжимаясь, двигались в своем корсаже от быстрого бега, с своими сбившимися назад черными кудрями, тоненькими оголенными руками и маленькими ножками в кружевных панталончиках и открытых башмачках, была в том милом возрасте, когда девочка уже не ребенок, а ребенок еще не девушка. Вывернувшись от отца, она подбежала к матери и, не обращая никакого внимания на ее строгое замечание, спрятала свое раскрасневшееся лицо в кружевах материной мантильи и засмеялась. Она смеялась чему то, толкуя отрывисто про куклу, которую вынула из под юбочки.
– Видите?… Кукла… Мими… Видите.
И Наташа не могла больше говорить (ей всё смешно казалось). Она упала на мать и расхохоталась так громко и звонко, что все, даже чопорная гостья, против воли засмеялись.
– Ну, поди, поди с своим уродом! – сказала мать, притворно сердито отталкивая дочь. – Это моя меньшая, – обратилась она к гостье.
Наташа, оторвав на минуту лицо от кружевной косынки матери, взглянула на нее снизу сквозь слезы смеха и опять спрятала лицо.
Гостья, принужденная любоваться семейною сценой, сочла нужным принять в ней какое нибудь участие.
– Скажите, моя милая, – сказала она, обращаясь к Наташе, – как же вам приходится эта Мими? Дочь, верно?
Наташе не понравился тон снисхождения до детского разговора, с которым гостья обратилась к ней. Она ничего не ответила и серьезно посмотрела на гостью.
Между тем всё это молодое поколение: Борис – офицер, сын княгини Анны Михайловны, Николай – студент, старший сын графа, Соня – пятнадцатилетняя племянница графа, и маленький Петруша – меньшой сын, все разместились в гостиной и, видимо, старались удержать в границах приличия оживление и веселость, которыми еще дышала каждая их черта. Видно было, что там, в задних комнатах, откуда они все так стремительно прибежали, у них были разговоры веселее, чем здесь о городских сплетнях, погоде и comtesse Apraksine. [о графине Апраксиной.] Изредка они взглядывали друг на друга и едва удерживались от смеха.

Биоорганическая химия – наука, изучающая строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредственной связи с познанием их биологических функций.

Биоорганическая химия наука изучающая строение и реакционную способность биологически значимых соединений. Предметом биоорганической химии являются биополимеры и биорегуляторы и их структурные элементы.

К биополимерам относятся белки, полисахариды (углеводы) и нуклеиновые кислоты. В эту группу также включают липиды, которые не являются ВМС, но в организме обычно связаны с другими биополимерами.

Биорегуляторы – это соединения, которые химически регулируют обмен веществ. К ним относятся витамины, гормоны, многие синтетические соединения, в том числе лекарственные вещества.

Биоорганическая химия базируется на идеях и методах органической химии.

Без знания общих закономерностей органической химии, сложно изучение биоорганической химии. Биоорганическая химия тесно связана с биологией, биологической химией, медицинской физикой.

Совокупность реакций, протекающих в условиях организма, называется метаболизмом.

Вещества, образующиеся в процессе метаболизма, называются – метаболитами.

Метаболизм имеет два направления:

Катаболизм – реакции распада сложных молекул на более простые.

Анаболизм - это процесс синтеза сложных молекул из более простых веществ с затратой энергии.

Термин биосинтез применяется по отношению к химической реакции IN VIVO (в организме), IN VITRO (вне организма)

Существуют антиметаболиты - конкуренты метаболитов в биохимических реакциях.

Сопряжение, как фактор повышения стабильности молекул. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений и способы ее передачи

План лекции:

Сопряжение и его виды:

p, p - сопряжение,

r,p - сопряжение.

Энергия сопряжения.

Сопряженные системы с открытой цепью.

Витамин А, каротины.

Сопряжение в радикалах и ионах.

Сопряженные системы с замкнутой цепью. Ароматичность, критерии ароматичности, гетероциклические ароматические соединения.

Ковалентная связь: неполярная и полярная.

Индуктивный и мезомерный эффекты. ЭА и ЭД – заместители.

Основным типом химических связей в органической химии являются ковалентные связи. В органических молекулах атомы соединены s и p - связями.

Атомы в молекулах органических соединениях соединены ковалентными связями, которые называются s и p - связями.

Одинарная s - связь в SP 3 – гибридизованном состоянии характеризуется l – длиной (С-С 0,154 нм) Е-энергией (83 ккал/моль), полярностью и поляризуемостью. Например:

Двойная связь характерна ненасыщенным соединениям, в которых, кроме центровой s - связи, есть еще перекрывание перпендикулярное s - связи которая называется π-связью).

Двойные связи бывают локализованными, то есть электронная плотность охватывает только 2 ядра связываемых атомов.

Чаще всего мы с вами будем иметь дело с сопряженными системами. Если же двойные связи чередуются с одинарными связями (а в общем случае у атома соединенного с двойной связью, есть р-орбиталь, то р-орбитали соседних атомов могут перекрываться друг с другом, образуя общую p - электронную систему). Такие системы называются сопряженными или делокализованными . Например: бутадиен-1,3

p, p - сопряженные системы

Все атомы в бутадиене находятся в SP 2 – гибридизированном состоянии и лежат в одной плоскости (Рz – не гибрид орбитали). Рz – орбитали параллельны друг другу. Это создает условия их взаимного перекрывания. Перекрывание Рz орбитали происходит между С-1 и С-2 и С-3 и С-4, а также между С-2 и С-3, то есть возникает делокализованная ковалентная связь. Это находит отражение в изменении длин связей в молекуле. Длина связи между С-1 и С-2 увеличена, а между С-2 и С-3 укорочена, по сравнению с одинарной связью.

l-C -С, 154 нм l С=С 0,134 нм

l С-N 1,147 нм l С =O 0,121 нм

r, p - сопряжение

Примером р, π сопряженной системы может служить пептидная связь.

r, p - сопряженные системы

Двойная связь С=0 удлиняется до 0,124 нм против обычной длины 0,121, а связь С – N становится короче и становится равной 0,132 нм по сравнению с 0,147 нм в обычном случае. То есть процесс делокализации электронов приводит к выравниванию длин связей и снижению внутренней энергии молекулы. Однако ρ,p – сопряжение возникает в ациклических соединениях, не только когда чередуется = связи с одинарными С- С связями,а еще при чередовании с гетероатомом:

Рядом с двойной связью может находиться атом Х, имеющий свободную р- орбиталь. Чаще всего это гетероатомы О,N, S и их р-орбитали, взаимодействуют с p - связями, образуя р, p - сопряжение.

Например:

СН 2 = СН – О – СН = СН 2

Сопряжение может осуществляться не только в нейтральных молекулах, но и в радикалах и ионах:

Исходя из выше изложенного, в открытых системах сопряжение возникает при следующих условиях:

Все атомы, участвующие в сопряженной системе, находятся в SP 2 – гибридизованном состоянии.

Рz – орбитали всех атомов перпендикулярны плоскости s - скелета, то есть параллельны друг другу.

При образовании сопряженной многоцентровой системы происходит выравнивание длин связей. Здесь нет «чистых» одинарных и двойных связей.

Делокализация p-электронов в сопряженной системе сопровождается выделением энергии. Система переходит на более низкий энергетический уровень, становится более устойчивой, более стабильной. Так, образование сопряженной системы в случае бутадиена – 1,3 приводит к выбросу энергии в количестве 15 кДж/моль. Именно за счет сопряжения повышается устойчивость радикалов ионов аллильного типа и их распространенность в природе.

Чем длиннее цепь сопряжения, тем больше выброс энергии ее образования.

Это явление довольно широко распространено в биологически важных соединениях. Например:

С вопросами термодинамической устойчивости молекул, ионов, радикалов мы будем постоянно встречаться в курсе биоорганической химии, к которым относятся ряд ионов и молекул широко распространенных в природе. Например:

Сопряженные системы с замкнутой цепью

Ароматичность. В циклических молекулах при определенных условиях может возникать сопряженная система. Примером p, p - сопряженной системы является бензол, где p - электронное облако охватывает атомы углерода, такая система называется – ароматической.

Выигрыш энергии за счет сопряжения в бензоле составляет 150,6 кДж/моль. Поэтому бензол устойчив термически до температуры 900 о С.

Наличие замкнутого электронного кольца доказано с помощью ЯМР. Если молекулу бензола поместить во внешнее магнитное поле, возникает индуктивный кольцевой ток.

Таким образом, критерием ароматичности, сформулированным Хюккелем является:

молекула имеет циклическое строение;

все атомы находятся в SP 2 – гибридизованном состоянии;

существует делокализиванная p - электронная система, содержащая 4n + 2 электронов, где n – число циклов.

Например:

Особое место в биоорганической химии занимает вопрос ароматичности гетероциклических соединений .

В циклических молекулах, содержащих гетероатомы (азот, сера, кислород) единое p - электронное облако, образуется с участием р – орбиталей атомов углерода и гетероатома.

Пятичленные гетероциклические соединения

Ароматическая система образуется при взаимодействии 4-х р-орбиталей С и одной орбитали гетероатома, на котором находится 2 электрона. Шесть p - электронов образуют ароматический скелет. Такая сопряженная система является электронно избыточной. В пирроле атом N находится в SP 2 гибридизированном состоянии.

Пиррол входит в состав многих биологически важных веществ. Четыре пиррольных кольца образуют порфин – ароматическую систему с 26 p - электронами и высокой энергией сопряжения (840 кДж/моль)

Порфиновая структура входит в состав гемоглобина и хлорофилла

Шестичленные гетероциклические соединения

Ароматическая система в молекулах этих соединений образуется при взаимодействии пяти р-орбиталей атомов углерода и одной р-орбитали атома азота. Два электрона на двух SP 2 – орбитали участвует в образовании s - связей с атомами углерода кольца. Р-орбиталь с одним электроном входит в ароматический скелет. SP 2 – орбиталь с неподеленной парой электронов лежит в плоскости s - скелета.

Электронная плотность в пиримидине смещена к N, то есть система обеднена p - электронами, она электронно дефицитна.

Многие гетероциклические соединения могут содержать один и более гетероатомов

Ядра пиррола, пиримидина, пурина входят в состав многих биологически активных молекул.

Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений и способы его передачи

Как уже отмечалось, связи в молекулах органических соединений осуществляются за счет s и p связей, электронная плотность равномерно распределена между связанными атомами только тогда, когда эти атомы одинаковы или близки по электроотрицательности. Такие связи называются неполярными.

CH 3 -CH 2 →CI полярная связь

Чаще в органической химии имеем дело с полярными связями.

Если электронная плотность смешена в сторону более электроотрицательного атома, то такая связь называется – полярной. Основываясь на значениях энергии связей, американский химик Л.Полинг предложил количественную характеристику электроотрицательности атомов. Ниже представлена шкала Полинга.

Na Li H S C J Br Cl N O F

0,9 1,0 2,1 2,52,5 2,5 2,8 3,0 3,0 3,5 4,0

Атомы углерода в разном состоянии гибридизации различаются по электроотрицательности. Поэтому s - связь между SP 3 и SP 2 гибридизованными атомами - полярна

Индуктивный эффект

Передача электронной плотности по механизму электростатической индукции по цепи s - связей называется индукцией , эффект называется индуктивным и обозначается J. Действие J, как правило, затухает через три связи, однако близко расположенные атомы испытывают довольно сильное влияние находящегося рядом диполя.

Заместители, смещающие электронную плотность по цепи s - связей в свою сторону, проявляют -J – эффект, а наоборот +J эффект.

Изолированная p - связь, а также единое p - электронное облако открытой или замкнутой сопряженной системы способна легко поляризоваться под влиянием ЭА и ЭД заместителей. В этих случаях индуктивный эффект передается на p - связь, поэтому обозначает Jp.

Мезомерный эффект (эффект сопряжения)

Перераспределение электронной плотности в сопряженной системе под влиянием заместителя, являющегося участником этой сопряженной системы, называется мезомерным эффектом (М-эффект).

Для того, чтобы заместитель сам входил в сопряженную систему, он должен иметь либо двойную связь (p,p -сопряжение), либо гетероатомом с неподеленной парой электронов (r,p - сопряжение). М – эффект передается по сопряженной системе без затухания.

Заместители, понижающие электронную плотность в сопряженной системе (смещенная электронная плотность в свою сторону) проявляют -М-эффект,а заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе проявляют+М-эффект.

Электронные эффекты заместителей

Реакционная способность органических веществ в значительной степени зависит от характера действия J и M эффектов. Знание теоретических возможностей действия электронных эффектов позволяет предсказать ход тех или иных химических процессов.

Кислотно-основные свойства органических соединений Классификация органических реакций.

План лекции

Понятие субстрата, нуклеофила, электрофила.

Классификация органических реакций.

обратимые и необратимые

радикальные, электрофильные, нуклеофильные, синхронные.

моно- и бимолекулярные

реакции замещения

реакции присоединения

реакции элиминирования

окисление и восстановление

кислотно-основные взаимодействия

Реакции региоселективные, хемоселективные, стереоселективные.

Реакции электрофильного присоединения. Правило Морковникова, антиморковниковское присоединение.

Реакции электрофильного замещения: ориентанты 1-го и 2-го рода.

Кислотно-основные свойства органических соединений.

кислотность и основность по Бренстеду

кислотность и основность по Льюису

Теория жестких и мягких кислит и оснований.

Классификация органических реакций

Систематизация органических реакций позволяет свести многообразие этих реакций к сравнительно не большому числу типов. Органические реакции можно классифицировать:

по направлению: обратимые и необратимые

по характеру изменения связей в субстрате и реагенте.

Субстрат – молекула, которая предоставляет атом углерода для образования новой связи

Реагент - действующее на субстрат соединение.

Реакции по характеру изменения связей в субстрате и реагенте можно разделить на:

радикальные R

электрофильные Е

нуклеофильные N (Y)

синхронные или согласованные

Механизм реакций SR

Инициирование

Рост цепи

Обрыв цепи

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО КОНЕЧНОМУ РЕЗУЛЬТАТУ

Соответствие с конечным результатом реакции бывают:

А) реакции замещения

Б) реакции присоединения

В) реакции элиминирования

Г) перегруппировки

Д) окисление и восстановление

Е) кислотно-основные взаимодействия

Реакции также бывают:

Региоселективные – предпочтительно протекающие по одному из нескольких реакционных центров.

Хемоселективные – предпочтительное протекание реакции по одной из родственных функциональных групп.

Стереоселективные – предпочтительное образование одного из нескольких стереоизомеров.

Реакционная способность алкенов, алканов, алкадиенов, аренов и гетероциклических соединений

Основу органических соединений составляют углеводороды. Мы будем рассматривать лишь те реакции, осуществляемых в биологических условиях и соответственно не с самими углеводородами, а с участием углеводородных радикалов.

К ненасыщенным углеводородам мы относим алкены, алкадиены, алкины, циклоалкены и ароматические углеводороды. Объединяющее начало для них π – электронное облако. В динамических условиях также органические соединения склонны подвергаться атаке Е+

Однако, реакции взаимодействия для алкинов и аренов с реагенами приводит к разным результатам,так как, в этих соединениях разная природа π – электронного облака: локализованная и делокализиванная.

Рассмотрение механизмов реакций начнем с реакций А Е. Как нам известно, алкены взаимодействуют с

Механизм реакции гидратации

По правилу Марковникова – присоединение к непредельным углеводородам несимметричного строения соединений с общей формулой НХ - атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированому атому углерода,если заместитель ЭД. При антимарковниковском присоединении атом водорода присоединяется к наименее гидрогенизированному, если заместитель ЭА.

Реакции электрофильного замещения в ароматических системах имеют свои особенности. Первая особенность состоит в том, что для взаимодействия с термодинамически устойчивой ароматической системой требуются сильные электрофилы, которые, как правило, генерируются с помощью катализаторов.

Механизм реакции S E

ОРИЕНТИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ
ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ

Если в ароматическом ядре находится какой-либо заместитель, то он обязательно оказывает влияние на распределение электронной плотности кольца. ЭД – заместители (ориентанты 1-го ряда) СН 3 , ОН, ОR, NН 2 , NR 2 – облегчают замещение по сравнению с не замещенным бензолом и направляют входящую группу в орто- и пара- положение. Если ЭД заместители сильные, то не требуется катализатор эти реакции протекают в 3 стадии.

ЭА – заместители (ориентанты II-го рода) затрудняют реакции электрофильного замещения по сравнению с не замещенным бензолом. Реакции SЕ идет в более жестких условиях, входящая группа вступает в мета положение. К заместителям II рода относятся:

СООН, SО 3 Н, СНО, галогены и др.

Реакции SЕ характерны также для гетероциклических углеводородов. Пиррол, фуран, тиофен и их производные относятся к π- избыточным системам и достаточно легко вступает в реакции SЕ. Они легко галогенируются, алкилируются, ацилируются, сульфируются, нитрируются. При выборе реагентов необходимо учитывать их не стабильность в сильнокислотной среде т.е ацидофобность.

Пиридин и другие гетероциклические системы с пиридиновым атомом азота,являются π –не достаточными системами, они гораздо труднее вступают в реакции SЕ, при этом входящий электрофил занимает β-положение по отношению к атому азота.

Кислотные и основные свойства органических соединений

Важнейшими аспектами реакционной способности органических соединений являются кислотно-основные свойства органических соединений.

Кислотность и основность также важные понятия, определяющие многие функциональные физико-химические и биологические свойства органических соединений. Кислотный и основной катализ является одной из наиболее распространенных ферментативных реакций. Слабые кислоты и основания – обычные компоненты биологических систем, играющие важную роль в метаболизме и его регуляции.

В органической химии существует несколько концепций кислот и оснований. Общепринятая в неорганической и органической химии теория кислот и оснований Бренстеда. Согласно Бренстеду, кислоты представляют вещества, способные отдать протон, а основания – вещества, способные присоединить протон.

Кислотность по Бренстеду

В принципе, большинство органических соединений можно рассматривать как кислоты, поскольку в органических соединениях Н связан с С, N O S

Органические кислоты соответственно делятся на С – Н, N – Н, О – Н, S-Н – кислоты.

Кислотность оценивается в виде Ка или - lg Ка = рКа, чем меньше рКа, тем сильнее кислота.

Количественная оценка кислотности органических соединений определена далеко не у всех органических веществ. Поэтому важно выработать умение проводить качественную оценку кислотных свойств различных кислотных центров. Для этого используют общий методический подход.

Сила кислоты определяется стабильностью аниона(сопряженного основания). Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота.

Стабильность аниона определяется совокупностью ряда факторов:

электроотрицательностью и поляризуемостью элемента в кислотном центре.

степенью делокализации отрицательного заряда в анионе.

характером связанного с кислотным центром радикала.

сольватационными эффектами (влияние растворителя)

Рассмотрим последовательно роль всех этих факторов:

Влияние электроотрицательности элементов

Чем более электроотрицателен элемент, тем более делокализован заряд и тем стабильнее анион, тем сильнее кислота.

С (2,5) N (3,0) О(3.5) S (2,5)

Поэтому кислотность изменяется в ряду СН< NН < ОН

Для SH – кислот преобладает другой фактор – поляризуемость.

Атом серы больше по размеру и имеет вакантные d – орбитали. следовательно, отрицательный заряд способен делокализоваться в большом объеме, что приводит к большей стабильности аниона.

Тиолы, как более сильные кислоты, реагируют с щелочами, а также с оксидами и солями тяжелых металлов, тогда, как спирты (слабые кислоты) способны реагировать только с активными металлами

Относительно высокая кислотность толов используется в медицине, в химии лекарственных средств. Например:

Применяют при отравлениях As, Hg, Cr, Bi, действие которых обусловлен связыванием металлов и выведением их из организма. Например:

При оценке кислотности соединений с одинаковым атомом в кислотном центре определяющим фактором является делокализация отрицательного заряда в анионе. Стабильность аниона значительно повышается с появлением возможности делокализации отрицательного заряда по системе сопряженных связей. Значительное увеличение кислотности в фенолах, по сравнению со спиртами объясняется возможностью делокализации в ионах по сравнению с молекулой.

Высокая кислотность карбоновых кислот обусловлена резонансной стабильностью карбоксилат аниона

Делокализация заряда способствует наличие электроноакцепторных заместителей (ЭА) они стабилизируют анионы, тем самым увеличивают кислотность. Например, введение в молекулу ЭА заместителя

Влияние заместителя и растворителя

a - оксикислоты более сильные кислоты, чем соответствующие карбоновые кислоты.

ЭД – заместители наоборот понижают кислотность. Растворители оказывают большее влияние на стабилизацию аниона, как правило лучше сольватируются небольшие ионы с низкой степенью делокализации заряда.

Влияние сольватации можно проследить например в ряду:

Если атом в кислотном центре несет положительный заряд это приводит к усилению кислотных свойств.

Вопрос к аудитории: какая кислота – уксусная или пальмитиновая С 15 Н 31 СООН – должна иметь меньшее значение рКа?

Если атом в кислотном центре несет положительных заряд, это приводит к усилению кислотных свойств.

Можно отметить сильную СН – кислотность σ – комплекса, образующегося в реакции электрофильного замещения.

Основность по Бренстеду

Для того, чтобы образовать связь с протоном, необходимо не поделенная электронная пару у гетероатома,

либо быть анионами. Существуют п-основания и

π-основания, где центром основности являются

электроны локализованной π-связи или π-электроны сопряженной системы (π-компоненты)

Сила основания зависит от тех же факторов, что и кислотность, но влияние их противоположно. Чем больше электроотрицательность атома, тем прочнее он удерживает неподеленную пару электронов, и тем менее доступна она для связи с протоном. Тогда в целом сила n-оснований с одинаковым заместителем изменяется в ряду:

Наибольшую основность из органических соединений проявляют амины и спирты:

Соли органических соединений с минеральными кислотами хорошо растворимы. Многие лекарственные средства используют в виде солей.

Кислотно-основной центр в одной молекуле(амфотерность)

Водородные связи как кислотно-основное взаимодействие

Для всех α – аминокислот является преобладание катионных форм в сильнокислых и анионных в сильнощелочных средах.

Наличие слабых кислотных и основных центров приводит к слабым взаимодействиям – водородным связям. Например: имидазол при небольшой молекулярной массе имеет высокую температуру кипения за счет наличия водородных связей.

Дж. Льюисом предложена более общая теория кислот и оснований, определяющаяся на строении электронных оболочек.

Кислотами по Льюису могут быть атом, молекула или катион, обладающие вакантной орбиталью, способное принимать пару электронов с образованием связи.

Представителями кислот Льюиса служат галогениды элементов II и III групп периодической системы Д.И. Менделеева.

Основания Льюиса атом, молекула или анион способный предоставлять пару электронов.

К основаниям Льюиса относятся амины, спирты, простые эфиры, тиолы, тиоэфиры и содержащие π-связи соединения.

Например, приведенное ниже взаимодействие можно представить как взаимодействие кислот и оснований Льюиса

Важным следствие теории Льюиса является то, что любое органическое вещество можно представить как кислотно-основной комплекс.

В органических соединениях внутримолекулярные водородные связи возникают значительно реже, чем межмолекулярные, но также имеют место в биоорганических соединениях и их можно рассматривать как кислотно-основные взаимодействия.

Понятие «жесткие» и «мягкие» не тождественны сильным и слабым кислотам и основаниям. Это независимые две характеристики. Суть ЖКМО состоит в том, что жесткие кислоты реагируют с жесткими основаниями и мягкие кислоты реагируют с мягкими основаниями.

В соответствии с принципом жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО) Пирсона кислоты Льюиса делятся на жесткие и мягкие. Жесткие кислоты- акцепторные атомы с малым размером,большим положительным зарядом, большой электроотрицательностью и низкой поляризуемостью.

Мягкие кислоты- акцепторные атомы большого размера с малым положительным зарядом, с небольшой электроотрицательностью и высокой поляризуемостью .

Суть ЖКМО состоит в том, что жесткие кислоты реагируют с жесткими основаниями и мягкие кислоты реагируют с мягкими основаниями. Например:

Окисление и восстановление органических соединений

Окислительно-восстановительные реакции занимают важнейшее значение для процессов жизнедеятельности. С их помощью организм удовлетворяет свои энергетические потребности, поскольку при окислении органических веществ происходит высвобождение энергии.

С другой стороны эти реакции служат для превращения пищи в компоненты клетки. Реакции окисления способствуют детоксикации и выведению лекарственных средств из организма.

Окисление – процесс удаления водорода с образованием кратной связи или новых более полярных связей

Восстановление – процесс обратный окислению.

Окисление органических субстратов протекает тем легче, чем сильнее его тенденция к отдаче электронов.

Окисление и восстановление необходимо рассматривать по отношению к определенным классам соединений.

Окисление С – Н связей (алканов и алкилов)

При полном сгорании алканов образуется СО 2 и Н 2 О при этом выделяется тепло. Другие пути их окисления и восстановления можно представить следующими схемами:

Окисление насыщенных углеводородов протекает в жестких условиях (хромовая смесь горячая) более мягкие окислители не действуют на них. Промежуточными продуктами окисления являются спирты, альдегиды, кетоны, кислоты.

Гидропероксиды R – О – ОН важнейшие промежуточные продукты окисления С – Н связей в мягких условиях, в частности in vivo

Важной реакцией окисления С – Н связей в условиях организма является ферментативное гидроксилирование.

Примером может быть получение спиртов при окислении пищи. За счет молекулярного кислорода и его активных форм. осуществляется в in vivo.

Перекись водорода может служить в организме гидроксилирующим агентом.

Избыток перекиси должен разлагаться с помощью каталазы на воду и кислород.

Окисление и восстановление алкенов можно представить следующими превращениями:

Восстановление алкенов

Окисление и восстановление ароматических углеводородов

Бензол чрезвычайно тяжело окисляется даже в жестких условиях по схеме:

Способность к окислению заметно увеличивается от бензола к нафталину и далее к антрацену.

ЭД- заместители облегчают окисление ароматических соединений. ЭА – затрудняют окисление. Восстановление бензола.

С 6 Н 6 + 3Н 2

Ферментативное гидроксилирование ароматических соединений

Окисление спиртов

По сравнению с углеводородами, окисление спиртов осуществляется в более мягких условиях

Важнейшей реакцией диолов в условиях организма является превращения в системе хинон-гидрохинон

Перенос электронов от субстрата к кислороду осуществляется в метахондриях.

Окисление и восстановление альдегидов и кетонов

Один из наиболее легко окисляющийся классов органических соединений

2Н 2 С = О + Н 2 О СН 3 ОН + НСООН особенно легко протекает на свету

Окисление азотсодержащих соединений

Амины окисляются достаточно легко конечными продуктами окисления являются нитросоединения

Исчерпывающее восстановление азотсодержащих веществ приводит к образованию аминов.

Окисление аминов в in vivo

Окисление и восстановление тиолов

Cравнительная характеристика О-В свойств органических соединений.

Наиболее легко окисляются тиолы и 2-х-атомные фенолы. Достаточно легко окисляются альдегиды. Труднее окисляются спирты, причем первичные легче, чем вторичные, третичные. Кетоны устойчивы к окислению или окисляются с расщеплением молекулы.

Алкины окисляются легко даже при комнатной температуре.

Наиболее трудно окисляются соединения, содержащие атомы углерода в Sр3-гибридизированом состоянии, то есть насыщенные фрагменты молекул.

ЭД – заместители облегчают окисление

ЭА – затрудняют окисление.

Специфические свойства поли- и гетерофункциональных соединений.

План лекции

Поли- и гетерофункциональность, как фактор повышающий реакционную способность органических соединений.

Специфические свойства поли- и гетерофункциональных соединений:

амфотерность образование внутримолекулярных солей.

внутримолекулярная циклизация γ, δ, ε – гетерофункциональных соединений.

межмолекулярная циклизация (лактиды и декетопипирозины)

хелатообразование.

реакции элиминирования бета – гетерофункциональных

соединений.

таутомерия кето–енольная. Фосфоенолпируват, как

макроэргическое соединение.

декарбоксилирование.

стереоизомерия

Поли-и гетерофункциональность, как причина появления специфических свойств у гидрокси-, амино- и оксокислот.

Наличие в молекуле нескольких одинаковых или разных функциональных групп составляет характерную черту биологически важных органических соединений. В молекуле может быть две и более гидроксильных групп, аминогрупп, карбоксильных групп. Например:

Важную группу веществ участников жизнедеятельности составляют гетерофункциональные соединения, имеющие попарное сочетание разных функциональных групп. Например:

В алифатических соединениях все приведённые функциональные группы проявляют ЭА характер. За счёт влияния друг на друга у них взаимно усиливается реакционная способность. Например, в оксокислотах электрофильность усиливается каждого из двух карбонильных атомов углерода под влиянием -J другой функциональной группы, что ведёт к более легкому восприятию атаки нуклеофильными реагентами.

Поскольку I эффект затухает через 3–4 связи, то важным обстоятельством является близость расположения функциональных групп в углеводородной цепи. Гетерофункциональные группы могут находится у одного и того же атома углерода (α – расположение), или у разных атомов углерода как соседних(β расположение), так и более удалённых друг от друга (γ, дельта, эпсилон) расположения.

Каждая гетерофункциональная группа сохраняет собственную реакционную способность, точнее гетерофункциональные соединения вступают как бы в «двойное» число химических реакций. При достаточном близком взаимном расположении гетерофункциональных групп происходит взаимное усиление реакционной способности каждой из них.

При одновременном присутствии в молекуле кислотной и основной групп, соединение становятся амфотерным.

Например: аминокислоты.

Взаимодействие гетерофункциональных групп

В молекуле герофункциональных соединений могут содержатся группы, способные к взаимодействию друг с другом. Например, в амфотерных соединениях, как в α- аминокислотах, возможно образование внутренних солей.

По этому все α – аминокислоты встречаются в виде биополярных ионов и хорошо растворимы в воде.

Кроме кислотно–основных взаимодействий становятся возможны и другие виды химических реакций. Например, реакции S N у SP 2 гибрид атома углерода в карбонильной группе за счёт взаимодействия со спиртовой группой образование сложных эфиров, карбоксильной группы с аминогруппой (образование амидов).

В зависимости от взаимного расположения функциональных групп эти реакции могут протекать как внутри одной молекулы (внутримолекулярные), так и между молекулами (межмолекулярные).

Поскольку в результате реакции образуется циклические амиды, сложные эфиры. то определяющим фактором становится термодинамическая устойчивость циклов. В связи с этим конечный продукт, как правило, содержит шестичленный или пятичленный циклы.

Чтобы при внутримолекулярном взаимодействии образовался в пяти или шестичленный сложноэфирный (амидный) цикл, гетерофункциональное соединение должно иметь в молекуле гамма или сигма расположение. Тогда в кл